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CO2地質(zhì)封存技術(shù)與封存潛力評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展

2013-12-14 09:21:32邊利恒
地下水 2013年6期
關(guān)鍵詞:采收率鹽水儲(chǔ)存

曹 龍,邊利恒

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069;2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司,陜西 韓城 715400)

二氧化碳捕獲和封存(CCS)是指把二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)能源的源分離出來(lái),輸送到一個(gè)封存地點(diǎn),并且長(zhǎng)期與大氣隔絕的一個(gè)過(guò)程。目前國(guó)際上主要研究CO2封存包括三種儲(chǔ)存形式,海洋中的存儲(chǔ)、CO2在深層地質(zhì)體中的封存以及在地表利用礦物碳酸化來(lái)固定CO2。CO2地質(zhì)封存是最具潛力的儲(chǔ)存技術(shù),目前國(guó)際上(1兆噸 CO2/年或以上量級(jí)的CO2封存項(xiàng)目包括:北海的斯萊普內(nèi)(Sleipner)、加拿大的韋本(Weyburn)和阿爾及利亞薩拉赫(Salah)項(xiàng)目。它們每年捕獲約3~4兆噸 CO2并封存在地質(zhì)構(gòu)造中,否則將會(huì)釋放到大氣中(表1)。由此看來(lái),CO2的地質(zhì)封存在未來(lái)幾十年在世界范圍內(nèi)有著較大容量的儲(chǔ)存潛力。

1 地質(zhì)封存技術(shù)

CO2地質(zhì)封存技術(shù)主要是指將捕集到的高純度CO2注入到選定的、安全的地質(zhì)構(gòu)造中,通過(guò)各種圈閉機(jī)制將CO2永久性地封存在地下。如上面所述,所涉及的埋存的場(chǎng)所主要應(yīng)選擇在枯竭的油氣藏(Depleted and gas reservoirs)以及提高原油采收率、深部的鹽水儲(chǔ)層(Deepsaline reservoirs)、不能開(kāi)采的煤層(Unnable eoalseams)和深海(oeean storage)等(PICC,2005)。

1.1 煤層中的 CO2封存技術(shù)

不可采的薄煤層、埋藏超過(guò)終采線的深部煤層和構(gòu)造破壞嚴(yán)重的煤層,都可成為CO2封存的潛在的地質(zhì)構(gòu)造。當(dāng)CO2注入到煤層后,會(huì)在煤層孔隙中擴(kuò)散,由于煤體表面對(duì)CO2的吸附能力大約是對(duì)甲烷吸附能力的兩倍,注入的 CO2可有效地替換甲烷,使吸附狀態(tài)的甲烷轉(zhuǎn)變成游離狀態(tài),從而提高煤層氣的產(chǎn)量,這種技術(shù)被稱為注CO2提高煤層甲烷采收率(enhanced coalbed methane,ECBM)技術(shù)。因此,煤層埋存地點(diǎn)的選擇應(yīng)考慮將來(lái)煤礦資源的充分利用。

1.2 EOR提高原油采收率封存技術(shù)

利用CO2提高原油采收率(enhanced oil recovery,EOR)是石油行業(yè)一項(xiàng)成熟的技術(shù)。注入的CO2溶于原油后,使原油的體積膨脹、黏度降低,更易于向生產(chǎn)井方向流動(dòng),部分CO2會(huì)隨地層流體產(chǎn)出,但可以通過(guò)分離后循環(huán)注入到油藏中,而大部分CO2則會(huì)占據(jù)采出流體原來(lái)所占據(jù)的孔隙體積,溶解于殘余油和地層水中。油田經(jīng)驗(yàn)表明,大約40%原始注入的CO2會(huì)在生產(chǎn)井中產(chǎn)出,如果不考慮CO2在生產(chǎn)井中突破后的分離和回注,CO2的存儲(chǔ)效率大約有60%。隨著CO2地質(zhì)埋存技術(shù)的興起,CO2—EOR也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

表1 目前國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)展的一些CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目(據(jù)IPCC報(bào)告,2005)

1.3 深部鹽水層的 CO2封存技術(shù)

深部鹽水層作為CO2的封存場(chǎng)可避免淺層淡水被CO2所污染。所用于CO2埋存的深部鹽水層(saline aquifer for CO2storage)一般由碳酸鹽巖或砂巖構(gòu)成,孔隙中充滿鹽水,孔隙度要足夠大,且具有較高滲透率,以便 CO2的注入和滲流。注入的CO2可通過(guò)構(gòu)造圈閉、殘余飽和度圈閉、溶解圈閉及礦物圈閉等形式封存在鹽水層中。鹽水層埋深應(yīng)在800 m以上,注入的CO2可在地層條件下達(dá)到超臨界狀態(tài),密度約為水的50%~80%,可有效地利用孔隙體積。用于埋存的鹽水層要具有良好的蓋層和隔層,與淡水層隔離,且不能存在明顯導(dǎo)致CO2泄露的斷層和裂縫,從而保證埋存的安全(NOH M,LAKE LW,2009)。

2 CO2封存潛力及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 封存量的分級(jí)

CO2在地下構(gòu)造體中的埋存主要通過(guò)構(gòu)造空間儲(chǔ)存、束縛空間儲(chǔ)存、溶解儲(chǔ)存和礦化儲(chǔ)存等機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn),其中最主要的儲(chǔ)存方式是構(gòu)造空間和束縛空間儲(chǔ)存,因此,計(jì)算油藏中二氧化碳理論埋存量的關(guān)鍵是確定油藏中可供給二氧化碳儲(chǔ)存的幾何空間在構(gòu)造空間流體中所溶解的量(圖1)。

圖1 CO2在地下儲(chǔ)存機(jī)理(江懷友,2006)

圖2 CO2封存量分級(jí)圖(Bond L P,2003)

國(guó)外學(xué)者將地質(zhì)儲(chǔ)層中CO2封存量分為理論封存量、有效封存量和實(shí)際封存量(Bond L P,2003)。理論封存量表示圈閉系統(tǒng)中所提供給CO2的物理空間極限量;有效封存量表示從實(shí)際地質(zhì)情況以及技術(shù)層面上考慮了儲(chǔ)集層性質(zhì)、儲(chǔ)集層封閉性、埋存深度、儲(chǔ)集層壓力系統(tǒng)及孔隙體積等因素影響的埋存量;實(shí)際封存量表示考慮到當(dāng)前技術(shù)條件、法律及政策、基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)條件等因素影響的埋存量。含油氣儲(chǔ)層中封存CO2是目前國(guó)際上最為成熟的技術(shù),在選擇油藏作為二氧化碳埋存場(chǎng)所時(shí)的封存量平價(jià)主要是確定理論封存量和有效封存量(圖2)。

2.2 封存量的計(jì)算方法

目前二氧化碳在油藏中理論封存量的計(jì)算方法主要是以物質(zhì)平衡方程為基礎(chǔ)建立起來(lái)的。其假設(shè)條件是已采出的油氣所讓出的空間都可用于二氧化碳的存儲(chǔ)。國(guó)外學(xué)者Bachu S(2004)在大量研究基礎(chǔ)上提出了利用CO2驅(qū)油的封存量計(jì)算公式,該公式包含CO2突破前和突破后兩種狀態(tài)。中國(guó)油田大多是采用注水開(kāi)發(fā)且多含水層,國(guó)內(nèi)學(xué)者沈平平(2009)在參考國(guó)外的研究基礎(chǔ)上結(jié)合中國(guó)油藏開(kāi)發(fā)特點(diǎn)以及二氧化碳在油藏中的埋存機(jī)理,提出考慮溶解問(wèn)題的理論埋存量計(jì)算方法。

理論封存量假設(shè)是CO2注入使得地層壓力恢復(fù)到原始?jí)毫顟B(tài),CO2完全占據(jù)了采出原油的空間,并且部分溶解于地層水以及原油之中,美國(guó)多年 CO2驅(qū)采油經(jīng)驗(yàn)表明,注入的CO2約40%被采出,因此基于以上情況,建立 CO2突破前后封存量的計(jì)算公式。

CO2突破之前:

CO2突破之后:

式中:Mt為二氧化碳在油藏中的理論埋存量,106t;ρr為二氧化碳在油藏條件下的密度,kg/m3;ER為原油的采收率,f;A為油藏面積,m2;h為油藏厚度,m;Φ為油藏孔隙度,f;Swi為油藏束縛水飽和度,f;Viw為注入油藏的水量,m3;Vpw為從油藏產(chǎn)出水量,m3;Cws為二氧化碳在水中溶解系數(shù),f;Cos為二氧化碳在油中溶解系數(shù),f;ERb為二氧化碳突破之前原油的采收率,f;ERh為注入某一體積二氧化碳時(shí)原油的采收率,f。以上各式計(jì)算中,確定原油采收率是關(guān)鍵,可通過(guò)油藏?cái)?shù)值模擬或經(jīng)驗(yàn)公式獲得(沈平平,2009)。

2.3 CO2地質(zhì)封存的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

地質(zhì)儲(chǔ)層中CO2封存滲漏所引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)分為兩大類:全球風(fēng)險(xiǎn)和局部風(fēng)險(xiǎn)。全球風(fēng)險(xiǎn)一般是指部分CO2泄漏到大氣中,釋放出的CO2可能引發(fā)顯著的氣候變化。局部風(fēng)險(xiǎn)是指從封存構(gòu)造中泄漏 CO2,可能對(duì)人類、生態(tài)系統(tǒng)和地下水造成局部災(zāi)害。目前國(guó)外經(jīng)驗(yàn)對(duì)造成局部風(fēng)險(xiǎn)主要有以下四種方式:

(1)CO2通過(guò)封蓋層的滲漏,主要包括蓋層的破裂產(chǎn)生裂縫以及CO2突破蓋層的毛細(xì)管壓力發(fā)生泄漏。

(2)CO2通過(guò)斷裂發(fā)生滲漏,發(fā)生 CO2滲漏的斷裂主要包括未封閉的斷層或者CO2壓力增大驅(qū)使封閉的斷層轉(zhuǎn)為開(kāi)放。CO2可以通過(guò)這些斷層直接滲漏至地表。

(3)通過(guò)人工井發(fā)生滲漏,在固結(jié)不好的油氣井中,CO2通過(guò)油氣井滲漏至地面。

(4)CO2通過(guò)側(cè)向運(yùn)移的滲透,主要是 CO2溶解于含水層中,通過(guò)側(cè)向運(yùn)移,CO2運(yùn)移至高的構(gòu)造位置,慢慢遷移至地表以及大氣中。

因此,早期的地質(zhì)評(píng)估手段以及可能的滲漏途徑做出評(píng)估分析是減少風(fēng)險(xiǎn)的重要途徑。同時(shí)補(bǔ)救措施是CO2發(fā)生泄漏以后所立即要采取的行動(dòng)(圖3)?,F(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法需要更多的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定檢測(cè)層面和分辨率。一旦檢測(cè)到滲漏,就應(yīng)立即使用補(bǔ)救技術(shù)來(lái)阻止或控制滲漏。根據(jù)滲漏的類型,可采取的補(bǔ)救技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)油氣井維修技術(shù)或者通過(guò)把滲漏阻擋在一個(gè)淺的地下水蓄水層內(nèi),以從中提取 CO2。也有把CO2從土壤和地下水中提取的技術(shù),但成本有可能高。需要經(jīng)驗(yàn)來(lái)證明其實(shí)用性,并確定這些技術(shù)的成本,以便用于CO2的封存。

圖3 CO2潛在的泄漏途徑及補(bǔ)救措施(IPCC,2005)

3 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)含油氣盆地眾多,幾乎每個(gè)含油氣盆地都含油多套含油層系,這些含油氣圈閉形成油氣藏并保存至今,已經(jīng)可以證明為進(jìn)行CO2地質(zhì)封存的有利場(chǎng)所。首先,區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定,無(wú)大規(guī)模的構(gòu)造活動(dòng)以及斷裂,從根源上排除了 CO2通過(guò)大規(guī)模構(gòu)造活動(dòng)或者斷裂發(fā)生泄漏的可能。其次,油氣藏的存在證明具有良好的儲(chǔ)蓋層組合,是CO2封存的有利的封閉場(chǎng)所。再次,開(kāi)發(fā)中的含油氣層系,井網(wǎng)完善,在勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)以及地質(zhì)資料,對(duì)儲(chǔ)層地質(zhì)條件已經(jīng)有了較深入認(rèn)識(shí),便于快速展開(kāi)封存體的地質(zhì)綜合分析,對(duì)儲(chǔ)存潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外,在開(kāi)發(fā)中后期的油氣田的油氣儲(chǔ)層實(shí)施CO2地質(zhì)封存既可以減少碳排放也可以利用CO2驅(qū)提高原油采收率,增加經(jīng)濟(jì)效益。因此,中國(guó)作為世界碳排放大國(guó),雖然 CO2封存技術(shù)起步較晚,但封存潛力巨大。現(xiàn)階段需要加強(qiáng)國(guó)際合作、借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)來(lái)發(fā)展適合國(guó)內(nèi)的地質(zhì)封存技術(shù),尤其對(duì)油氣層的CO2封存技術(shù)進(jìn)行關(guān)注,并且建立科學(xué)體系的泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及補(bǔ)救機(jī)制,以便更好地承擔(dān)相應(yīng)的國(guó)際義務(wù),控制溫室效應(yīng)。

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