1.3 地质封存的原理
1.3.1 二氧化碳相态
二氧化碳是空气中常见的温室气体，室温条件下是一种无色、无味、不助燃的气体。随着温度和压力的变化，存在气态、液态、固态三种状态（图7）。当温度低于-78℃（沸点）时，二氧化碳以固态形式存在，即干冰。温度高于沸点时，干冰升华为二氧化碳气体。当温度高于30.98℃、压力大于7.38 MPa（73.77 bar），二氧化碳进入超临界相态。在固态和超临界相态之间，则是二氧化碳的气态和液态，当气体压力较大时呈液态，压力降低后又将变成气态，其相态随温度压力变化。
图7 二氧化碳相态图
1.3.2 二氧化碳密度
为了能更好地地质封存二氧化碳，需要将二氧化碳压缩，使二氧化碳达到“超临界”状态。二氧化碳的密度会随注入深度的增加逐渐增加，当深度达到或者超过800 m时，二氧化碳将会达到超临界状态，此时随着注入深度的增加，二氧化碳的密度变化很小。处于超临界状态的二氧化碳密度约为750kg/m3，此时，二氧化碳以气体状态充满岩石空隙，同时又具有液体的黏稠性，即其状态介于气态和液态之间。地表1000m3的二氧化碳注入地下，在地下约800m达到超临界状态，在地下2km的注入深度，其体积从地表的1000m3锐减到2.7m3（图8）。这种特性使得大规模地质封存二氧化碳具有很大的吸引力和应用价值。
图8 单位体积二氧化碳随注入深度变化而变化
1.3.3 储盖组合
超临界二氧化碳密度大、占体积空间小、可注入量更多，是较为理想的储存相态，因此储层要达到一定的深度。除此以外，需要有一定的储存空间，即要求储层岩石具有一定的孔隙度和渗透率，同时储层必须有严密的上覆盖层，这样才能将二氧化碳安全、稳定地“封闭”于地下。一般，能实现二氧化碳地质封存的地层需要满足几个主要条件：①充足的储存空间和可注入性（足够的孔隙度和渗透率）；②安全的盖层（图9），即储层之上具有低渗透性或几乎不可渗透的岩层，这样可以防止二氧化碳向上运移和渗漏；③地层需要深于800m，这样压力和温度才能使得注入的二氧化碳达到超临界状态，从而最大化地封存二氧化碳。决定地层封存二氧化碳能力的主要因素有5个：①地层厚度（即具有孔隙岩石的地层有多厚）；②储层地层的面积；③岩石的孔隙度（岩样中所有孔隙空间体积之和与该岩样体积的比值，以百分数表示，它决定了地层中有多少空间可以储存二氧化碳）；④二氧化碳密度；⑤岩石渗透性能（岩石被流体渗透的性能，它决定二氧化碳注入地层某处时，是否能顺利地扩散到地层的其他地方）。孔隙度大于10%的碳酸盐岩地层和孔隙度大于15%的碎屑岩地层都是比较理想的二氧化碳储层。但具有较好孔隙度的岩石，其渗透率却可能变化很大。
图9 二氧化碳地质封存的盖层和储层（以中国神华煤制油深部咸水层二氧化碳地质封存示范工程主力储层之一的刘家沟组砂岩为例）
1.3.4 二氧化碳圈闭机理
二氧化碳注入地层后，是依靠一系列的地质圈闭过程将其永久封存于地层中。它主要有4种圈闭过程：结构和地层圈闭、残余圈闭、溶解圈闭和矿化圈闭。
（1）结构和地层圈闭（图10） 当二氧化碳注入地层中后，二氧化碳会进入岩石孔隙，而这些岩石孔隙往往被咸水充满，所以在注入压力下，二氧化碳会挤压咸水，充满岩石孔隙，并和咸水混合。因为二氧化碳的密度要低于咸水，所以处于超临界状态的二氧化碳会受浮力的作用向上移动。但二氧化碳向上移动到盖层时就停止移动，因为盖层渗透性极低，使其无法通过。通常盖层岩石以泥岩和页岩为主。盖层相当于盖子，将二氧化碳限制其内，防止其向上移动，从而在有地质褶皱或隆起的地方，盖层下面就会逐渐累积起大量的二氧化碳，这种过程就是结构和地层圈闭。
图10 二氧化碳4种地质圈闭机理示意图
（2）残余圈闭（图10） 残余圈闭发生在储层中岩石孔隙较小的情况下，当二氧化碳通过时，少量的二氧化碳由于受毛细作用力而存留下来，尽管这时二氧化碳和周围咸水之间仍存在着密度差异。总体来讲，残余圈闭是大量二氧化碳在移动过程中，在岩石缝隙中残留一定量二氧化碳的过程，这种过程会逐渐减弱二氧化碳的移动范围。残余圈闭也是一种非常重要的二氧化碳地质圈闭过程。
（3）溶解圈闭（图10） 二氧化碳可以溶解于水或油中，溶解圈闭就是二氧化碳在地层流体中的溶解过程。溶解圈闭的优势在于，当二氧化碳溶解于咸水中时，它便不再是一种独立的状态，从而控制了二氧化碳向上的浮力作用。并且溶解有二氧化碳的咸水要比没有溶解二氧化碳的咸水重，这便使得二氧化碳随溶解咸水向地层下部移动，提高了二氧化碳封存的安全性。
（4）矿化圈闭（图10） 溶解于咸水的二氧化碳会与岩石发生反应，反应结果是部分二氧化碳转化为碳酸盐，这便是矿化圈闭。矿化圈闭是二氧化碳地质圈闭中最具永久性和安全性的圈闭过程。但矿化圈闭过程相当缓慢，通常要经过上千年甚至更长的时间。
随着时间的推移，物理圈闭过程（结构和地层圈闭，残余圈闭）发挥的作用将会逐渐降低，而地球化学圈闭过程（溶解圈闭，矿化圈闭）的作用则会逐步增加，并且封存的安全性也随之逐步提高（图11）。
图11 二氧化碳地质圈闭机理