二氧化碳地下生化合成天然气耦合地热利用：技术系统、挑战及展望.pdf

第 43 卷第 11 期2023 年 11 月 181 天然气工业Natural Gas Industry引文：侯正猛,吴林,张烈辉,等.二氧化碳地下生化合成天然气耦合地热利用：技术系统、挑战及展望J.天然气工业,2023,43(11):181-190.HOU Zhengmeng,WU Lin,ZHANG Liehui,et al.CO2-based underground biochemical synthesis of natural gas coupled with geothermal energy production:Technology system,challenges,and prospectsJ.Natural Gas Industry,2023,43(11):181-190.二氧化碳地下生化合成天然气耦合地热利用：技术系统、挑战及展望侯正猛1,2,3吴 林1,2,3张烈辉3方琰藜1,2,3黄亮朝2,4曹 成3郭彤楼5谢亚辰2,6罗志锋3孙 伟7,8罗佳顺2,3吴旭宁2,3陈前均2,71.四川大学中德能源研究中心2.德国克劳斯塔尔工业大学地下能源系统研究所3.油气藏地质及开发工程全国重点实验室西南石油大学4.郑州大学中德碳中和与绿色发展研究院5.中国石化西南油气分公司6.中国科学院武汉岩土力学研究所7.云南省中德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室8.昆明理工大学国土资源工程学院摘要：碳捕集、利用与封存技术（CCUS）等人工负碳技术将在中国实现“双碳”目标的过程中发挥关键作用，但现有技术存在实施成本高、效率低等问题。为此，首次提出 CO2地下生化合成天然气耦合地热利用技术系统，其耦合过程为：地热利用降低储层温度，为 CO2生化合成天然气营造适宜的地温条件；CO2生化合成天然气释放反应热，增加储层温度，提升地热利用效率。为区别于传统 CCUS 技术，将其称为碳捕集、循环利用与封存（CCCUS）技术，并对其技术经济可行性及综合潜力进行了初步评估。研究结果表明：全球首创的 CCCUS 技术系统功能包括地下生化合成与储存再生天然气、地热利用、强化天然气开采、CO2地质封存等；与传统人工负碳技术相比，CCCUS 的优势为降低碳捕集难度及成本、提升碳封存效率，同时变废为宝实现碳循环资源化、能源化利用及碳循环经济；若在全国常规气藏开展 CCCUS，单次循环可利用 CO2约 4.35108 t、合成 CH4 约 2 178.8108 m3、储能 8 675.61012 kJ、产生地热（化学反应热）1 614.41012 kJ，多次循环最终可封存 CO2达 22.8108 t。结论认为，CCCUS 技术系统为中国碳循环经济的发展提供了一种全新的思路，可实现碳循环资源化、能源化利用并可弥补传统 CCUS 技术的不足，有望成为中国最具发展潜力的人工负碳技术。关键词：“双碳”；CCUS；CCCUS；碳循环经济；强化天然气开采；地下生物甲烷化；再生天然气；天然气地下储存；地热利用DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2023.11.017CO2-based underground biochemical synthesis of natural gas coupled with geothermal energy production:Technology system,challenges,and prospectsHOU Zhengmeng1,2,3,WU Lin1,2,3,ZHANG Liehui3,FANG Yanli1,2,3,HUANG Liangchao2,4,CAO Cheng3,GUO Tonglou5,XIE Yachen2,6,LUO Zhifeng3,SUN Wei7,8,LUO Jiashun2,3,WU Xuning2,3,CHEN Qianjun2,7(1.Sino-German Energy Research Center,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610065,China;2.Institute of Subsurface Energy Systems,Clausthal University of Technology,Clausthal-Zellerfeld 38678,Germany;3.National Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation/Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China;4.Sino-German Research Institute of Carbon Neutralization and Green Development,Zhengzhou University,Zhengzhou,Henan 450000,China;5.Sinopec Southwest Oil&Gas Company,Chengdu,Sichuan 610041,China;6.Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan,Hubei 430071,China;7.Yunnan Key Lab.of Sino-German Blue Mining and Utilization of Special Underground Space,Kunming,Yunnan 650093,China;8.Faculty of Land and Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming,Yunnan 650093,China)Natural Gas Industry,Vol.43,No.11,p.181-190,11/25/2023.(ISSN 1000-0976;In Chinese)Abstract:Artificial carbon-negative technologies such as carbon capture,utilization,and storage(CCUS)play a critical role in achieving Chinas dual carbon goals,but existing technologies face the challenges of high costs and low efficiency.To address these problems,this paper proposes a CO2-based underground biochemical synthesis of natural gas coupled with geothermal energy production technology for the first time.And the coupling process includes:Geothermal energy production results in the decrease of reservoir temperature,which provides suitable temperature conditions for the biochemical synthesis of natural gas from CO2;With the biochemical synthesis of natural gas from CO2,the reaction heat is released to increase the reservoir temperature,improving the geothermal production efficiency.To distinguish this new technology from the traditional CCUS technology,we call it CCCUS(carbon capture,circular utilization,and sequestration).In addition,its techno-economic feasibility and overall development potential are evaluated preliminarily.And the following research results are obtained.First,the global first CCCUS technology system has the functions of underground biochemical synthesis and storage of renewable natural gas,geothermal energy production,enhanced gas recovery,and CO2 geological sequestration.Second,compared with the conventional artificial carbon-negative technologies,CCCUS is more advantageous in reducing carbon capture difficulty and cost and improving carbon storage efficiency,while turning wastes into treasure to achieve circular carbon resource and energy utilization and circular carbon economy.Third,if CCCUS technology is applied in conventional gas reservoirs all over the country,in a single cycle,it can utilize 4.35108 tons of CO2,synthesize 2 178.8108 cubic meters of CH4,store 8 675.61012 kJ of energy,and generate 1 614.41012 kJ of geothermal energy(chemical reaction heat).And after multiple cycles,the ultimate CO2 storage can be up to 22.8108 tons.In conclusion,CCCUS technology system provides a novel idea for the development of circular carbon economy in China,and it can realize circular carbon resource and energy utilization and overcome the shortages of the conventional CCUS technology.It is expected to be Chinas most promising artificial carbon-negative technology.Keywords:Dual carbon;CCUS;CCCUS;Circular carbon economy;Enhanced gas recovery;Underground bio-methanation;Renewable natural gas;Underground natural gas storage;Geothermal energy production基金项目：中国工程科技发展战略河南研究院重大咨询项目“河南省双碳战略与技术路线”（编号：2022HENZDA02）、四川省国际科技创新合作项目“层状盐岩建造盐穴大型储氢库的研究”（编号：2021YFH0010）、四川省科技计划项目“非纯二氧化碳在枯竭气藏中的运移规律及封存机制研究”（编号：2022JDRC0098）。作者简介：侯正猛，1963 年生，德国克劳斯塔尔工业大学终身教授，博士研究生导师；主要从事深部岩石力学、CCUS/CCCUS、大规模地下储能等领域的科研和教学国际合作工作。地址：（38678）Agricolastr.10,Clausthal-Zellerfeld,Germany。ORCID:0000-0002-8544-7172。E-mail:houtu-clausthal.de通信作者：吴林，1995 年生，博士研究生；主要从事 CCUS/CCCUS、地下储能、多物理场耦合数值仿真等领域的科研工作。地址：（38678）Agricolastr.10,Clausthal-Zellerfeld,Germany。ORCID:0000-0002-2755-5730。E-mail:lin.wutu-clausthal.de2023 年第 43 卷 182 天 然 气 工 业0引言为应对全球气候变化，中国在 2020 年 9 月做出庄严承诺，力争 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和（简称“双碳”目标）。国际能源署2022 CO2排放报告显示中国 2022 年与能源相关的 CO2排放量约为 121108 t1，而中国陆地的自然碳汇量仅为 11108 t，虽然未来有望稳定增长至 15108 t 2，但自然碳汇与碳排放量之间仍存在巨大差距。在此背景下，绿色的低碳、零碳能源以及可人工降低大气中CO2水平的负碳技术，迎来了前所未有的发展机遇3。现阶段人工负碳技术主要包括碳捕集与封存技术（CCS）及碳捕集、利用与封存技术（CCUS）4-5。其中CCUS技术可实现碳的利用，降低碳减排的成本，较 CCS 技术更具优势6，但其仍面临着实施成本高、效率低、对 CO2纯度要求高等系列问题7-9，限制了该技术的大规模应用。此外，随着风能、太阳能等可再生能源的大力发展，能源供给的不稳定性加之能源需求的波动性对能源的大规模储存产生了迫切需求10。相比于其他储能方式，地下储能具有容量大、周期长等优势，是储能技术未来主要发展的方向11。因此，具有经济效益的 CCUS 技术及地下储能技术，或二者相结合的技术，将在中国实现“双碳”目标的过程中发挥着决定性的作用。为此，笔者团队曾提出以枯竭气藏为大型生化反应器，利用 CO2和 H2生化合成天然气的技术构想（简称 CO2地下生化合成天然气），以在碳减排的同时实现可再生能源的大规模储存11-12。由于生物催化剂产甲烷菌的温度敏感性，使得该技术在高温储层不具适应性13。为解决上述问题及提升经济效益，笔者首次提出 CO2地下生化合成天然气耦合地热利用技术系统，耦合过程为：地热利用降低储层温度，为 CO2生化合成天然气营造适宜的地温条件；CO2生化合成天然气释放反应热，增加储层温度，提升地热利用效率。鉴于该技术系统是一种可实现碳循环资源化、能源化利用的全新人工负碳技术，且可弥补传统 CCUS 技术的不足，为与传统 CCUS 技术区别，将其称为碳捕集、循环利用与封存技术（Carbon Capture,Circular Utilization,and Sequestration，缩 写为 CCCUS）。本文详细介绍了 CCCUS 技术系统构想、功能及优势，对其技术经济可行性、综合潜力进行了初步评估，并梳理了发展挑战、提出了发展建议，以期该技术系统助力中国早日实现“双碳”目标。1技术系统1.1构想CO2地下生化合成天然气的关键在于产甲烷菌的催化作用。已有文献表明，绝大多数产甲烷菌仅在30 70 的温度范围内表现出较高的活性、极少的产甲烷菌能够在高于 98 的温度条件下存活14。此外，CO2生化转换过程中会释放大量热能，造成储层温度升高13，进一步抑制产甲烷菌的活性或造成死亡，影响转换效果。本文创新性提出的 CO2地下生化合成天然气耦合地热利用技术系统可较好地解决产甲烷菌的温度敏感问题。在该技术系统构想中，对于初始温度较高的枯竭气藏，首先利用低温 CO2作为热交换介质开发地热：向高温枯竭气藏注入低温 CO2，进入储层的CO2与周围温度较高的岩石和地层流体发生热交换，使得储层温度降低、CO2温度升高，同时实现部分碳封存；携带大量热能的 CO2被开采至地面，其热能用于发电、建筑供暖等诸多方面；降温后的 CO2被重新捕集注入储层。然后，在降温的枯竭气藏开展CO2生化合成天然气（图 1）：注入 CO2和 H2的混合气体及高活性的产甲烷菌（含繁殖所需营养物质）；关井等待产甲烷菌将绝大部分 CO2和 H2催化转换为 CH4，同时释放大量反应热并实现部分碳封存；在适宜时机从枯竭气藏（或天然气储气库）中开采以 CH4为主要组分的再生天然气；天然气利用产生的 CO2捕获用于下一阶段的生化合成天然气。此外，对于初始温度适宜的枯竭气藏，可直接开展 CO2生化合成天然气。无论是初始温度较高或适宜的枯竭气藏，经过多次生化转换，反应放热和地层导热可能使储层温度升高，不再适合生化转换，故后续阶段还需继续考虑耦合地热利用。因此，在具体的实施过程中对地层温度的判断至关重要（图 2）。该技术系统通过耦合CO2地下生化合成天然气及地热利用，不仅有效地解决了产甲烷菌的温度敏感问题，同时可实现热气循环联产与碳捕获、循环利用及地质封存。正因如此，根据该技术系统的核心特点，将其简称为 CCCUS。1.2功能根据上述介绍，CCCUS 技术系统除耦合了 CO2地下生化合成再生天然气和地热利用两大核心子系统，还可包括再生天然气地下储存、强化天然气开采、CO2地质封存等子系统（图 3）。因此，创新的CCCUS 技术系统的功能可总结如下。第 11 期 183 侯正猛等：二氧化碳地下生化合成天然气耦合地热利用：技术系统、挑战及展望图1枯竭气藏 CO2生化合成天然气示意图（资料来源：据本文参考文献 12，有修改）图2CO2地下生化合成天然气耦合地热利用实施流程图1.2.1合成与储存再生天然气枯竭气藏拥有巨大的孔隙表面，为产甲烷菌的附着及繁殖提供了场所，可在节省地面空间、保护地面环境的情况下，大规模地将 CO2生化合成以 CH4为主要组分的再生天然气，同时伴随释放大量热能，化学反应方程式为15：此外，无需建设额外的天然气储气库，合成的再生天然气可直接储存于枯竭气藏，用于解决能源时空分布不均匀及供需关系不平衡的问题。由于需等待转换完成后方可开井生产，故转换过程中对气藏温度、压力及气体组分等参数的动态监测至关重要。1.2.2地热利用与传统地热利用不同的是，CCCUS 中地热利用的目的是为了降低储层温度、营造 CO2生化合成天然气的适宜地温条件，使得中高温地层开展 CO2生化转换具有可行性，以提高 CO2地下生化合成天然图3CO2地下生化合成天然气耦合地热利用技术系统构成图2023 年第 43 卷 184 天 然 气 工 业气的技术适应性。此外，地热来源为地层本身的热能及生化反应放出的热能，通过对热能的合理利用，可在碳减排的同时进一步提升经济效益。由于 CO2为后续生化合成天然气阶段所必须的底物气体，故 CO2为最理想的换热介质。1.2.3大规模经济利用非纯 H2和 CO2生化合成天然气所必需的原料气体为 H2和 CO2。前者来源主要为化石燃料制氢、工业副产氢以及电解水制氢。虽然化石燃料制氢产量高、成本低，但制氢过程中会额外排放大量 CO216，不利于碳减排。工业副产氢为氯碱工业、煤焦化工业生产过程中的副产品17，来源广泛（表 1），但由于分离、利用技术不成熟等因素，部分被低效利用或直接排放。在CCCUS 中，工业副产气中若不含影响产甲烷菌活性的杂质气体或其他腐蚀性气体，可省略处理流程直接注入地层开展生化转换，从而实现非纯氢的大规模经济利用。随着可再生能源的大力发展，未来可耦合“电转氢”和 CCCUS，实现可再生能源的大规模储存。此外，非纯 CO2亦可直接用于地下生化合成天然气。表1中国主要含氢工业副产气产量表气体种类产气量/(108 m3a1)典型组分含量H2产量/(108 m3a1)焦炉煤气1 11457.0%H2，25.5%CH4，6.5%CO，2.5%CnHm，2.0%CO2，4%N2635.0炼厂气1 19314.0%90.0%H2，3.0%25.0%CH4，15.0%30.0%C2 620.0合成氨尾气12420.0%70.0%H2，7.0%18.0%CH4，3.0%8.0%Ar，7.0%25.0%N286.0甲醇驰放气23960.0%75.0%H2，5.0%11.0%CH4，5.0%7.0%CO，2.0%13.0%CO2，0.5%20.0%N2161.0兰炭尾气29026.0%30.0%H2，12.0%16.0%CO，7.0%8.5%CH4，6.0%9.0%CO2，35.0%39.0%N281.2氯酸钠副产气5.7约 95.0%H2，2.5%O2 5.0聚氯乙烯尾气12.8650.0%70.0%H2，5.0%15.0%C2H2，8.0%25.0%C2H3Cl，10.0%15.0%N26.0烧碱尾气99.17约 98.5%H2，约 0.5%N2，约 1.0%O2 97.7丙烷脱氢尾气3.880.0%92.0%H2，1.0%2.0%C2H6，0.5%1.0%C3H8，1.0%2.0%N23.1合计3 081.531 695.0注：资料来源于本文参考文献 17。1.2.4强化天然气开采由于 CCCUS 强调了对非纯底物气体的使用，故N2、CO、轻烃等杂质会被伴随注入地层。关井阶段，在无扰动仅受重力作用的情况下，较重的杂质和 CO2会向储层的下部运移进入垫气，置换垫气中的残余天然气，天然气则向上运移进入工作气，而后被采出。经过多次循环，垫气最终由 CO2和杂质气体组成，仅在混合区残余小部分天然气，大部分残余天然气被逐渐采出。此外，对于边底水活跃枯竭气藏，密度较大的杂质或CO2可形成挡水屏障、防止水体推进，也可驱替排出气藏中的部分地层水，有助于提高气藏的采出程度。1.2.5CO2地质封存地热利用阶段绝大部分注入的 CO2被采出，仅以溶解或矿化等方式实现小部分地质封存。生化合成天然气阶段，虽然绝大部分 CO2用于合成再生天然气，但CO2仍可以垫气的形式实现大规模地质封存。随着循环次数的增加，垫气中封存的 CO2相应增加。根据需求，最终可将储气库改建为 CO2地质封存库。1.3优势传统 CCUS 技术中，CO2通常用作工作流体被注入油气藏、含水层、干热岩等地下岩层，并通过驱替、溶解、导热、造缝等方式在提高地下资源采出程度或效率的同时实现 CO2的地质封存3-4,18，相应的技术主要包括 CO2强化采油（CO2-EOR）、CO2强化采气（CO2-EGR）、CO2压裂以及 CO2地热系统等（图 4）。CCCUS 作为一种全新的多功能负碳技术，相比于上述传统 CCUS 技术，其优势如下：第 11 期 185 侯正猛等：二氧化碳地下生化合成天然气耦合地热利用：技术系统、挑战及展望1.3.1碳捕集难度及成本低CCUS 技术对 CO2纯度一般要求较高，例如广泛应用的 CO2-EOR 中 CO2的典型纯度为 95%99%，CO2-EGR 对其要求更为严格（高达 99.9%）9,20。然而，CCCUS 可以实现非纯 CO2的大规模直接利用（如富含 CO2的工业废气），杂质气体虽无法参与生化转换，但可进入垫气置换天然气。因此，CCCUS 对 CO2纯度的低要求，极大地降低了碳捕集的难度及成本。1.3.2碳循环资源化、能源化利用CCUS 技术主要是利用 CO2来提高地下现有资源的采出程度或效率。与其不同的是，CCCUS 可实现 CO2的循环资源化、能源化利用，将 CO2自身转化为清洁低碳的再生天然气，在碳减排的同时实现变废为宝，更有利于可持续发展。1.3.3碳封存效率高CO2强化采油气或 CO2地热系统中，易形成 CO2优势通道，加之 CO2在原油中的溶解作用，故注入地下的 CO2易被开采至地面4；而 CO2压裂存在返排过程，仅有少部分 CO2能留在地层。因此，传统 CCUS技术的碳封存效率较低。与 CCUS 不同的是，CCCUS中主要以垫气形式实现 CO2的地质封存，关井后的静置状态更有利于实现此过程，且气藏密封条件好不易造成气体泄漏，故 CCCUS 的碳封存效率更高。1.3.4碳循环经济碳捕获的高成本及碳利用、封存的低效率导致传统 CCUS 技术较难产生正收益，即使对于效果最好的 CO2-EOR 仍面临着效益低下的问题7。CCCUS图4传统 CCUS 技术示意图（资源来源：据本文参考文献 19，有修改）中非纯底物气体的利用及碳循环资源化、能源化转换（合成天然气），有利于降低碳减排成本、实现收益可观的碳循环经济。2可行性评估CCCUS 中除 CO2地下生化合成天然气以外，其余子系统均有较长研究历史或现场应用，因此笔者主要对 CO2地下生化合成天然气的技术、经济可行性进行评估。2.1技术可行性现阶段 CO2的甲烷化反应主要在绝热式或等温式固定床反应器内进行，由于反应需以 Ni、Co、Rh、Ru 等贵金属作为催化剂，加之反应温度通常较高（超过 300），因此限制了 CO2转换为 CH4的工业化应用21。而在氢营养型产甲烷菌催化的反应中，产甲烷菌以溶解的 CO2作为碳源及 H2作为电子供体进行新陈代谢，并提供反应所必需的官能团或电子载体，极大地降低了对反应条件的需求12。氢营养型产甲烷菌广泛存在于油气藏或含水层中，目前已在部分富氢储气库现场监测到微生物活动（表 2），具体表现为储气库温度或气体组分的显著改变。温度变化最为明显的是德国 Ketzin 储气库，19641985 年温度增幅高达 30 40，升高的原因为产甲烷菌繁殖放出大量热能23。但该储气库气体组分变化不明显，仅为 3%4%，总体变化趋势为 H2、CO2、CH4含量升高而 CO 含量降低。此外，气体损失约为工作气量的 1.5 倍。气体组分变化最为明显的是捷克 Lobodice 储气库（表 3），该储气库注入气体含 54%H2 12%CO2 22%CH4，7个月后采出气体含 37%H2 9%CO2 40%CH424。Smig 等24采用 Lobodice 储气库的地层水（产甲烷菌含量为 1103 1104 cells/mL）和岩粉开展CO2和 H2的生化转换实验，压力为 150 kPa、温度为 37 时绝大部分 CO2可在 300 h 内被转换为 CH4。此外，Lobodice 储气库现场开展了注采气体同位素监测，采出气体中13C/12C 比值由注入气体中的 34.5上升至 80，较好地说明产甲烷菌主导了 Lobodice储气库气体组分的变化。在奥地利 Lehen 储气库中，注入气体含 10%H2 0.2%CO2，7 个月后（关井 4个月采出 3 个月）采出气体中含 7%H2 0.06%CO2，现场同位素监测同样证明 CO2和 H2主要在产甲烷菌的催化作用下被转换为了 CH413。富氢储气库现场监测到的温度变化及气体组分2023 年第 43 卷 186 天 然 气 工 业变化是本文提出 CCCUS 的直接灵感来源。此外，上述现象也直接证明了在气藏中的自然环境中存在氢营养型的产甲烷菌，且天然状态下可将 H2和 CO2生化转换为 CH4并释放出大量热能。不过由于天然条件下产甲烷菌含量少、营养物质匮乏等因素，转换速率较慢。为此，首次建立了 CO2地下生化合成天然气的生物地球化学模型，开展了人工干预下的转换效率研究25。结果表明，在营养物质充足的前提下，1年内 90%以上的 CO2可被转换为 CH4，且通过控制底物气体的比例、注入地面人为培养的高活性产甲烷菌等方式，可进一步缩短转换时间、提高 CO2转换率。因此，CO2地下生化合成天然气在技术上完全可行。2.2经济可行性笔者团队曾开展了枯竭气藏中利用 CO2和含氢工业副产气生化合成天然气的经济性评价26。评价过程中，投资考虑 CO2捕集、气体运输及注入、土建投资、设备投入、运维投资等，而收益考虑合成与储存再生天然气、碳交易、节约含氢工业副产气处理成本、强化天然气开采等。此外，假设气藏的原始储量为 1108 m3，采出程度为 40%，工业副产气中 H2含量为 50%，其他细节见本文参考文献 26。评价结果表明，20 年净现值为 503.5 万元，证明了该技术具有经济可行性，可实现收益可观的碳循环经济。上述技术经济可行性评估结果可初步说明 CCCUS具有可行性，而考虑各子系统耦合的详细评估有待进一步开展。3综合潜力评估Strobel 等13根据欧洲储气库的选址指标推荐了CO2地下生化合成天然气的选址指标，如孔隙度大于10%、渗透率大于 50 mD、埋深小于 2 000 m 等。但中国绝大部分枯竭气藏储层渗透率较低、水淹严重，表3捷克 Lobodice 储气库注采气体组分变化表组分注入气体采出气体CH421.90%40.00%C2H40.05%0.01%C2H60.36%0.52%C3-碳氢化合物0.08%0.16%C4-碳氢化合物0.01%0.02%CO9.00%3.30%CO211.67%8.78%N22.50%8.60%H254.00%370.00%注：资源来源于本文参考文献 24，有修改。表2全球主要富氢储气库表储气库/项目名称运行时间地下构造深度/m压力/MPa体积/m3气体组分微生物活动英国 Teeside1972 年至今层状盐3504.52110495%H2 4%CO2否美国 Clemens1983 年至今盐穹9307.013.55810495%H2否美国 Moss Bluff2007 年至今盐穹8225.515.256.610495%H2否美国 Spindletop盐穹1 3406.820.290.610495%H2否俄罗斯 Yakshunovskoe2010 年至今岩盐矿床否法国 Beynes1956 1972 年 盐水层4303.310816%50%H2是捷克 Lobodice1989 年至今砂岩40050054%H2 12%CO2 22%CH4是德国 Kiel1971 年至今盐穴1 3308.010.03.2104最高 60%H2否德国 Ketzin1964 2000 年 砂岩2504001.3108城镇燃气是奥地利 Lehen2017 年至今砂岩1 2007.811.510410%H2是阿根廷 HyChico2010 2018 年 砂岩8152.657510410%H2是法国 STOPIL-H2进行中盐穴6.024.0 9104 1108否注：资源来源于本文参考文献 22，有修改。第 11 期 187 侯正猛等：二氧化碳地下生化合成天然气耦合地热利用：技术系统、挑战及展望使得中国建设储气库的选址标准与国外相差较大27-29，并先后建设了文 23 断块水侵型储气库、陕 224 低渗储气库等系列复杂储气库30-31。因此，上述选址指标对中国可借鉴性较差。鉴于目前并无适合中国国情的 CCCUS 选址标准，初步以四川盆地 W 气藏为例开展综合潜力评价。该气藏属于缝洞发育的底水块状气藏，探明地质储量约为 400108 m3，埋深介于 2 438 4 080 m，储层平均温度 115，岩性以藻白云岩为主，储集空间主要为裂缝孔洞，平均孔隙度 2%32。自 20 世纪 60 年代开发至今，共经历了 4 个阶段（图 5）。由于气藏严重水淹、濒临废弃，目前采出程度约为 37%。从图 6 中可知，250 d 左右反应结束，注入的 CO2的去向包含 3 个方面：残余在气相中、溶于地层水、生化转换为 CH4，且 98.7%的 CO2被用于生化转换。图5四川盆地 W 气藏开发历程图（资源来源：据本文参考文献 33）评价时假设地热开采过程中区块范围内 CO2的注入速率和地层水的采出速率均为 2 500 kg/s，且CO2的注入温度为 20，地层水的采出温度为 100，则按照式（1）可估算得到热功率约为 925 MW34，即每年可开采利用的热量为 29.21012 kJ，折算为标准煤 99.5104 t。（1）式中 Q 表示热功率，W；qpro表示采出的流量，kg/s；cpro表示采出流体的比热容，J/(kg)；Tpro表示采出流体的温度，；qinj表示注入的流量，kg/s；cinj表示注入流体的比热容，J/(kg)；Tinj表示注入流体的温度，。假设地热利用后储层平均温度降为 70，地层水矿化度为 75 g/L，工作气中 H2、CO2、杂质气体的分压分别为 16 MPa、4 MPa、10 MPa（即总压力 30 MPa、H2CO2=4 1），短期内不考虑矿物的沉淀与溶解，对关井阶段的转换过程进行预测（图 6）25。图6CO2生化转换过程中的碳分布图再生天然气储气库运行过程中假设垫气占比70%，且经过多次循环后，最终垫气由 30%CO2、30%CH4及40%杂质气体 3 个部分组成，其分压分别为 9 MPa、9 MPa 及 12 MPa。按照前述计算，工作气中 98.7%的 CO2用于合成 CH4，估算得到单次循环可利用 CO2 331.2104 t，合成 CH4的量为 16.6108 m3、可储能66.11012 kJ，额外产生地热（化学反应热）12.31012 kJ。多次循环后，垫气中剩余 CH4的量为 95108 m3，占原始地质储量的 23.8%，气藏采出程度可达 76.2%，较现阶段的 37%提高了 39.2%，且以垫气形式封存的 CO2的量可达 1 738.9104 t。此外，按照 W 气藏潜力估算方法，对全国潜力进行初步评估。截至 2022 年，全国常规天然气藏的累计产量约为 2.11012 m335，按照平均采出程度 40%进行估算36-37，则相应常规气藏的储量为 5.251012 m3。假设上述常规气藏全部用于开展CCCUS，故计算得到单次反应可利用 CO2 4.35108 t，合成CH4的量为2 178.8108 m3、可储能8 675.61012 kJ，产生地热 1 614.41012 kJ。经过多次循环，最终可以垫气形式封存 CO2 22.8108 t。需要指出的是，虽然笔者以四川盆地 W 气藏为例开展 CCCUS 综合潜力评估，但该技术系统在 W气藏的适应性还有待进一步研究。此外，全国潜力评估过程中仅考虑了已开发的常规气藏，故可能低估综合潜力，后续需深入调研以获取更为准确的评估结果。2023 年第 43 卷 188 天 然 气 工 业4挑战与建议4.1发展挑战CCCUS 作为一项全新的多功能技术系统，其发展面临系列挑战，主要表现为：1）深层次机理认识不清。CCCUS 中各子系统相互耦合，且涵盖热流固化等物理场，研究难度极大。前期虽然针对 CO2地下生化合成天然气开展了系列研究，但主要集中于表面现象的观测分析，深层次的气水岩微生物相互作用机理不清，尤其是考虑杂质气体影响下的作用机理尚处于研究空白。2）缺乏高效注采及转换的工艺技术。产甲烷菌活性受温度、矿化度、pH 值、O2浓度等因素的影响，且地层中存在硫还原菌、耗氢产乙酸菌等微生物对底物的竞争消耗，如何合理控制施工工艺参数提高转换效率尚不可知。此外，生化反应会造成含水饱和度的增加，高含水地层注采气体均极具挑战。3）含氢工业副产气的收集、处理和运输无统一标准。因工业用途及生产工艺不同，含氢工业副产气的组分、产量及排放分散程度差异较大，加之可能出现的氢脆、腐蚀等问题，以及分离影响产甲烷菌活性的杂质气体等额外步骤，极大地增加了收集、处理和运输难度，目前无统一规范及标准。4）现场选址标准不