温室气体排放管理已成为各国政府及其排放受监管行业面临的一个重大问题。对全球变暖的担忧正在推动政策决策，这些决策可能很快会给美国管理温室气体的方式带来重大变化。二氧化碳（CO 2 ）是化石燃料燃烧的产物，也是温室气体的主要贡献者之一。

二氧化碳捕获与储存（CCS）技术可以减少化石燃料排放到大气中的二氧化碳2的数量。这涉及在燃煤电厂等点源处捕获二氧化碳2 ，并将其直接注入地下深层地质构造中。有人建议将油田、气田、盐水层、不可开采的煤层以及充满盐水的玄武岩层作为可能的储存地点（图1 ）。

两个重要的地质因素可以作为捕获机制，防止注入的二氧化碳2泄漏回地表，包括：

• 埋藏深度和低渗透性盖层或地层封盖的存在；
• CO 2与围岩的地球化学反应以及稳定矿物的形成（Gunter 等人， 2004 ）。

图1 ：将二氧化碳2封存在地下深层地质构造中的选项（根据库克， 1999 ）

 

 提高石油和天然气采收率
将 CO 2注入深层地质构造的工作已经持续了40多年。该项目于 20 世纪1970年代初期在德克萨斯州首次实施，作为提高石油采收率 (EOR) 项目的一部分，此后一直在那里和世界许多其他地方进行。在美国，每年约有30至50百万公吨的二氧化碳2被注入到石油产量正在下降的油田（Benson 等人， 2005 ）。EOR 项目中使用的 CO 2部分来自人为来源，但主要来自自然产生的 CO 2地质来源。它通过庞大的管道网络输送到油田。

首个大规模 CCS 项目由挪威国家石油公司于1996启动，旨在从北海矿床生产的天然气中去除过量的二氧化碳2 。在斯莱普纳（Sleipner），该公司从天然气中提取二氧化碳2 ，并将其储存在深层盐水层中。

2000 ，位于北达科他州比尤拉的一家以煤为燃料的合成天然气工厂成为世界上第一家捕获和储存煤炭转化过程中产生的二氧化碳的合成燃料工厂。达科他气化公司每年在大平原合成燃料厂捕获约3万吨二氧化碳2 ，并通过一条205英里的管道将其输送到位于加拿大萨斯喀彻温省东南部的Weyburn-Midale油田。在那里，CO 2用于提高石油采收率，并永久储存在枯竭的油藏中。http://ptrc.ca/projects/weyburn-midale 。

 

评估二氧化碳2封存的地质储层
2007美国地质调查局 (USGS) 被授权根据《能源独立和安全法案》（公法110 - 140 ）与美国环境保护署和美国能源部合作，对全国范围内潜在的二氧化碳地质储存资源进行评估2 。美国地质调查局使用以下标准来考虑地质构造作为潜在的储存单元：

• 地表以下的最小深度为3 , 000英尺（ 914米）；此深度的 CO 2通常受到维持 CO 2处于超临界状态的温度和压力的影响。深层封存还有助于确保潜在注入区上方有足够厚度的岩石（围岩层）作为地质密封；
• 建议地层水总溶解固体（TDS）的盐度限值至少为10 、 000百万分率（ppm）；
• 具有储存至少1百万公吨（或更多）二氧化碳2潜力的地质构造。

CO 2矿化

将 CO 2作为流体储存在沉积储层中的替代方法是一种地球化学方法，即 CO 2矿化，该方法通过碳化反应发生。在这个过程中，CO 2与岩石和矿物发生反应，形成坚固稳定的碳酸盐岩。与盐水储存方法相比，CO 2矿化较少存在长期 CO 2泄漏问题，因此可能降低长期监测成本。适合大规模 CO 2矿化的岩石类型是镁 (Mg)、钙 (Ca) 或铁 (Fe) 含量高的岩石。美国境内储量丰富的优质岩石包括超镁铁质岩、纯橄榄岩、橄榄岩、蛇纹岩和镁铁质玄武岩（Blondes 等人， 2019 ）。

目前的工作：

弗吉尼亚能源公司正在与弗吉尼亚理工大学合作开展碳矿化和金属提取 (CMME) 研究。该项目由矿业创新负排放资源回收（MINER）计划资助。该项目团队的目标是开发一种创新的 CMME 技术，能够在直接和间接碳矿化过程中回收与能源相关的元素。CMME 技术将在低品位镁铁质岩、超镁铁质岩和褐帘石矿石上进行测试，这些矿石可以提供大量的镍、钴和稀土元素资源。弗吉尼亚能源公司的地质学家将协调从镁铁质岩层和超镁铁质岩层中收集样本，为 CMME 测试提供原料（图2 ）。我们的采样工作将集中在1 )元古代镁铁质-超镁铁质地质单元，包括卡托克廷组内的变质玄武岩、阿尔伯马尔-尼尔森皂石带的皂石，以及从地质图和已出版文献中识别出的其他超镁铁质（科马提岩）单元；以及2 )侏罗纪时代的镁铁质辉绿岩。根据CMME测试结果，弗吉尼亚能源公司将对研究区域内的镁铁质岩和超镁铁质岩中的能源相关元素进行初步资源评估。

图2 ：弗吉尼亚州潜在碳矿化和金属开采资源地图

过去的CCS项目：

在2010 - 11间，弗吉尼亚能源公司与美国地质调查局合作，对弗吉尼亚州可能作为二氧化碳永久储存层的深层地质构造进行了初步评估₂ （图3 ）。这项工作得到了美国地质调查局 (USGS) 的资助，是国家地质二氧化碳封存评估的一部分。确定了储存地层和潜在的封闭盖层，并绘制了它们的结构、深度和厚度。在有可用信息的情况下，汇编了与 CO ₂储存相关的物理数据，例如孔隙度、地层盐度和渗透率。构建了一系列全面的数字地图和数据库。图4显示了为本研究制作的地图类型的示例。这项研究表明，弗吉尼亚州拥有可在深层地质储层中永久封存 CO 2封存资源，尤其是弗吉尼亚州西南部的气田。未来的工作应包括进一步的地质测绘和额外地层间隔的建模，以及对项目这一阶段开发的地图和模型的改进。

可根据要求提供公开文件报告的 PDF 副本。

图3 ：基于深度大于3和000英尺的完井位置的调查区域（用方框标注）

图3 ：弗吉尼亚州西南部深度大于3 , 000英尺的 Berea 砂岩厚度图。迪肯森县和布坎南县的诺拉气田和布雷克-海西气田的砂岩厚度大幅增加

2011 ，在南方各州能源委员会 (SSEB) 的资助下，弗吉尼亚能源公司和弗吉尼亚理工大学对弗吉尼亚皮埃蒙特和沿海平原的碳封存潜力进行了初步调查（Roth 等人， 2012 ；图5 ）。本研究评估了将 CO ₂封存到中生代沉积盆地和大西洋沿岸平原深层盐水层中的可行性。根据区域调查，弗吉尼亚州近海多个埋藏和暴露的中生代盆地和波托马克组含水层适合大规模储存二氧化碳₂ 。这些潜在的水库位于 CO ₂排放源附近，适合开发捕获和储存基础设施。预计潜在存储单元的 CO ₂存储容量范围为0 . 05至14百万吨 CO ₂ 。

图5 ：显示该项目推断的中生代盆地（浅绿色）和暴露盆地（深绿色）的地图。红色圆圈代表东海岸重要的二氧化碳来源₂ ，蓝色方块表示拟定的注入位置，深蓝色菱形代表弗吉尼亚州中生代盆地中钻探深度为2 、 400英尺及更深的油气井（改编自 Roth 等人， 2012 ）

该项目出版物的 PDF 副本可在此处获取。

在2015 - 17 ，弗吉尼亚能源公司与弗吉尼亚理工大学在美国能源部 (DOE) 资助的项目下展开合作。该项目共向弗吉尼亚州布坎南县的三口煤层气井注入了13 、 263吨（ 12 、 032 Mt）的二氧化碳₂ 。该研究的主要目的是测试 CO ₂注入不可开采煤层的可行性以及提高煤层气采收率 (ECBM) 的潜力。结果表明，成功地表征了煤储层对 CO ₂注入的反应行为，从而提供了数据以更好地了解注入和 ECBM 过程中基质膨胀的影响。

该项目出版物的 PDF 副本可在此处获取。

在2015 - 19 ，弗吉尼亚能源公司与南方各州能源委员会 (SSEB) 合作开展了一项DOE美国能源部资助的东南近海封存资源评估项目。 该项目旨在评估三个规划区域的州和联邦水域中 CO ₂的潜在地质储存资源：大西洋中部、大西洋南部和墨西哥湾东部。这项研究的结果表明，大约16 Gt 的二氧化碳₂可以储存在弗吉尼亚州近海大陆架下方的白垩纪砂岩单元中。

该项目出版物的 PDF 副本可在此处获取。