CN101190743A - 基于混合流体自分离的二氧化碳地质封存方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合流体自分离的二氧化碳地质封存方法，涉及一种二氧化碳地质封存方法。本发明包括下列步骤：①在选定的地质封存场地形成注入井(10)和排放井(20)；②通过高压注入设备将含有CO2的混合流体连续不断地通过注入井(10)注入地质封存层(43)；③通过排放井(20)释放迁移到排放井(20)的流体；④持续进行混合流体的注入和排放井(20)的释放，直到排放井(20)排出的流体中CO2浓度大于经济浓度值为止。本发明适用于CO2地质封存领域，适用于将CO2封存于深部卤水层，特别适用于倾斜地层和穹顶构造的深部卤水层的CO2地质封存。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳(CO2)地质封存方法，尤其涉及一种基于混合流体自分离的CO2地质封存方法，主要针对CO2深部卤水地层(深含水层)的CO2地质封存。
背景技术
目前CO2地质封存方法主要采用的场地地质构造类型有：石油和天然气储层、深部卤水地层(简称深含水层)、不可开采的煤层、玄武岩等地质构造。在每一种类型中，CO2的地质封存都将CO2压缩注入地下岩石构造中。目前CO2地质封存采用的方法有：CO2-EOR(CO2增强石油开采)、CO2-ECBM(CO2增强煤层气开采方法)、CO2驱替天然气并气田封存、CO2深含水层封存、CO2玄武岩封存、CO2废弃矿井封存、CO2岩盐封存等。目前，CO2的地质封存正在三个工业规模的项目中进行(100万吨CO2/年或以上的量级)：北海的斯莱普内尔(Sleipner)项目；加拿大的韦本(Weyburn)项目和阿尔及利亚的萨拉赫(Salah)项目。每年捕获约3-4兆吨CO2并封存在地质构造中，否则将会释放到大气中。表1列出了全世界其它的CO2地质封存项目。各种CO2地质封存方法在先导、示范、工业规模等阶段，且有非常好的效果。
以上CO2地质封存方法都需要CO2捕获、运输、注入、监测等阶段组成，其中CO2的捕获成本在整个CO2封存成本中的比重是非常大的，远超过一半。若能够降低CO2捕获和分离的成本，整个CO2地质封存的成本会降低。
以上CO2地质封存方法全采用纯度非常高的CO2气体(例如：CO2浓度＞95％以上)进行地质封存，因此对CO2气源捕获要求特别高，导致整个封存成本高，而且捕获成本很难在短期内降低，必须寻找新的方法降低地质封存的成本。
表1 国外进行的大型二氧化碳地质封存研发项目
| 项目名称 | 国家 | 项目规模 | 开始时间 | 封存方式 |
| Sleipner | 挪威 | 商业 | 1996 | 含水层 |
| Weyburn | 加拿大 | 商业 | 2000 | 二氧化碳驱油 |
| Minami-Nagoaka | 日本 | 示范试验 | 2002 | 含水层 |
| Yubari | 日本 | 示范试验 | 2004 | 二氧化碳驱煤层气 |
| In Salah | 阿尔及利亚 | 商业 | 2004 | 枯竭天然气田 |
| Frio | 美国 | 先导试验 | 2004 | 咸水含水层 |
| K12B | 荷兰 | 示范试验 | 2004 | 二氧化碳增强气体开采 |
| Fenn Big Valley | 加拿大 | 先导试验 | 1998 | 二氧化碳驱煤层气 |
| Recopol | 波兰 | 先导试验 | 2003 | 二氧化碳驱煤层气 |
| Qinshui Basin | 中国 | 先导试验 | 2003 | 二氧化碳驱煤层气 |
| Salt Creek | 美国 | 商业 | 2004 | 二氧化碳驱油 |
| 计划中的项目(2005年以前) | ||||
| Snohvit | 挪威 | 商业 | 2006 | 咸水含水层 |
| Gorgon | 澳大利亚 | 商业 | 2009 | 咸水含水层 |
| Ketzin | 德国 | 示范试验 | 2006 | 咸水含水层 |
| Otway | 澳大利亚 | 先导试验 | 2005 | 咸水含水层和枯竭天然气田 |
| Teapot Dome | 美国 | 示范试验 | 2006 | 咸水含水层和二氧化碳驱油 |
| CSEMP | 加拿大 | 先导试验 | 2005 | 二氧化碳驱煤层气 |
| Pembina | 加拿大 | 先导试验 | 2005 | 二氧化碳驱油 |
| 资料来源：IPCC Special Report on Carbon dioxide Capture and Storage | ||||
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的上述缺点和不足，降低地质封存对气源CO2浓度的高要求，从而降低封存成本，提高CO2地质封存技术的经济性，而提供一种基于混合流体自分离的CO2地质封存方法。本发明是一种简单、有效，而且能与常规CO2地质封存同时完成的方法。
本发明的目的是这样实现的。
CO2地质封存技术经过多年的发展，已经成为一种具有巨大温室气体减排潜力的技术；各种地质封存方法已经在先导、示范、工业阶段，为混合流体自分离二氧化碳地质封存方法的提出奠定了基础。
本发明包括下列步骤：
①在选定的地质封存场地形成注入井(10)和排放井(20)，一直贯穿帽岩(41)进入地质封存层(43)；如图1.1所示。
②通过高压注入设备将含有CO2的混合流体连续不断地通过注入井(10)注入地质封存层(43)；如图1.1所示。
③注入井(10)注入一定时间后，通过排放井(20)释放迁移到排放井(20)的流体，同时控制排放井(20)井口的压力在一定的范围。
④持续进行混合流体的注入和排放井(20)的释放，直到排放井(20)排出的流体中CO2浓度大于经济浓度值为止，停止整个封存过程。
本发明的工作原理：
本发明主要利用CO2在水中的溶解度远远大于N2在盐水层水体中的溶解度和混合流体在迁移过程中不断溶解两个特点。将从气源中捕获的含CO2的混合流体，采用高压注入设备将混合流体在一定压力下通过注入井(10)注入深部圈闭构造地层或封存地层(43)中；混合流体注入的早期阶段，注入的混合流体主要排开含水层多孔介质中的盐水，占据地层中的部分多孔介质空间，如图1.1所示，部分混合流体被束缚在或溶解于残余多孔介质孔隙中。由于地层盐水的密度大于注入混合流体的密度，混合流体在排开和驱赶地层流体的过程中，混合流体密度小于深部盐水，混合流体受到上浮力作用向上迁移，同时由于混合流体的低粘度(混合流体的粘滞系数远低与盐水的粘滞系数)，混合流体主要沿上部圈闭层的帽岩(41)底部迁移，混合流体沿帽岩(41)底部迁移的速度大于沿底板(42)的迁移速度，形成图1中的倒三角混合流体区域。特别沿倾斜构造地层迁移的过程，混合流体沿帽岩(41)顶部迁移的速度更快，相同的时间内混合流体沿帽岩(41)迁移更长的距离，形成图1.2中的倒三角混合流体区域(31)。混合流体中的各种成分在迁移过程中不断溶解，随着时间，混合流体中小溶解度的气体成分会在帽岩(41)底部形成连通的通道，如图1.3所示。形成连通通道后，混合流体不断同下部盐水作用，其中可溶成分主要通过溶解和分子扩散、弥散、异重流、对流等形式扩散到低浓度区域，未溶解的混合流体成分将通过连通通道在圈闭构造的穹顶(44)汇集，通过排放井(20)将这部分气体排出地层，这样封存地层中将会封存绝大多数CO2气体，其它小溶解度的气体(主要为N2)会被排放井(20)排出封存地层(43)外。
混合流体到达排放井(20)附近初期，混合流体中还没有束缚和溶解的成分绝大多数为N2，极少部分为CO2，排放井(20)排出的流体成分主要为N2，随着注入过程的发展，高浓度CO2会向排放井(20)方向迁移，因此排放井(20)中的CO2浓度会越来越高。当排放井(20)的CO2浓度超过经济浓度后，CO2地质封存可以停止了，如图3所示。
本发明具有下列优点和积极效果：
大幅度降低地质封存对CO2捕获的浓度要求，大幅度降低CO2捕获的成本和整个CO2地质封存的成本，大幅度增加了CO2含水层地质封存的早期机会。
本发明适用于CO2地质封存领域，适用于将CO2封存与深部卤水层(深含水层)，特别适合倾斜地层和穹顶构造的深部卤水层的CO2地质封存；该方法是CO2地质封存的延伸和突破。
附图说明
图1.1是混合流体注入初期的示意图；
图1.2是混合流体在封存地层中形成连通通道示意图；
图1.3是混合流体到达排放井示意图；
图2是本发明的水平面示意图；
图3是排放井中CO2和N2浓度随时间变化关系图；
图4是多封存地层情况下的封存剖面示意图(多层水平井)；
图5是水平地层情况下的封存剖面示意图。
其中：
10-注入井；
11-注入井水平部分；
12-注入井垂直部分。
20-排放井；
21-排放井水平部分；
22-排放井垂直部分。
(地层流体区域划分情况)
31-混合流体区域；
32-盐水区域；
33-混合流体与盐水分界带(混合带)。
(地层岩性划分情况)
41-帽岩；
42-底板(或中间夹层)；
43-封存地层；
44-穹顶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
本方法是对CO2地质封存方法的创新，传统方法中的部分技术仍然适用于本发明。
1、关于场地选择和预备工作
本发明适用于一般深部盐水地层的CO2地质封存，特别适用于有较好的圈闭地质构造、褶皱构造或者倾斜地层条件的地质封存，封存的深部盐水地层具有良好的帽岩(41)或顶板，一般为页岩、泥岩、板岩等致密、完整连续、低渗透的岩层，要求帽岩(41)渗透性远远低于盐水含水层的渗透系数，帽岩(41)具有较高的进气值[进气值大于通过注入井(10)注入的混合流体压力，至少10MPa以上]，帽岩(41)必须连续，在封存工程范围内不允许出现强渗透性的断层或破碎带。对于多层含水层的地质情况，严格要求最上层帽岩(41)具有同上的性质，但对中间夹层[图4中为底板(42)]不需要如此严格的标准，中间夹层泄漏气体，会在上一层夹层或帽岩(41)底部汇集，对整个自分离CO2封存影响不大，如图4所示。
深部含水层中帽岩(41)最好有穹顶(44)(背斜构造或其他穹顶形状构造)，在穹顶内形成汇集区域，便于汇集的流体通过排放井(20)集中排出，如图1.3所示，对于多层含水层，有同样的要求。若无穹顶构造，排放井(20)位置可以采用图5中的形式，不过排放操作难度相对穹顶构造的排放井(20)要大一些。
2、关于步骤①
如图1.1～1.3所示，本发明所述的地质封存场地为深部卤水层，至少包含一个注入井(10)和一个排放井(20)。注入井(10)和排放井(20)的形式各种各样，可采用水平井、垂直井等各种形式的钻井。
在选定的封地质存构造场地形成注入井(10)和排放井(20)，一直贯穿帽岩(41)进入地质封存层(43)；
注入井(10)和排放井(20)一般采用水平井技术成井，水平井包含：超长水平井、小曲率水平井、垂直水平井、多分支水平井、羽状水平井等水平井技术。水平井的技术已经非常成熟了，可以直接采用。注入井(10)和排放井(20)的垂直部分穿过帽岩(41)进入圈闭构造内部。钻井的垂直穿过帽岩的钻井套管和帽岩(41)之间需要充分密封，防止混合流体通过密封薄弱环节逃逸出封存地层(43)。钻井的水平部分尽量平行于地层走向，实现更大面积上封存二氧化碳。
施工过程中，注入井的水平部分(11)尽量位于封存地层(43)底部；而排放井的水平部分(21)尽量位于封存地层(43)的上部，便于排出汇集在穹顶的流体。
注入井(10)和排放井(20)的位置主要取决于地层构造，排放井(20)一般位于穹顶(44)位置，主要便于流体的迁移和汇集，注入井(10)和排放井(20)的(水平井为水平段的间距)间距一般为50～100km，最佳间距为1km～10km范围。
在注入混合流体前期和初期，可以通过注入井(10)和排放井(20)抽排或释放压力等方式适当降低整个封存地层的流体压力，然后可以降低混合流体的注入难度，提高注入性。成井过程中需要特别注意套管耐压和钻井与岩层之间密封问题。
3、关于步骤②：
通过高压注入设备将混合流体(主要成分为CO2、N2，其余成分不限，其余成分含量为少量和微量)通过注入井(10)连续注入封存地层(43)；注入井中的压力需要大于地层流体的压力。
注入混合流体中CO2浓度越高越好，浓度越高，场地封存的CO2也越多，排气量也越少，注入量相应减少；但CO2捕获成本会越高，因此在两者之间必须平衡和妥协，CO2浓度最好能够大于60％～90％之间(现有的低成本气体分离技术很容易达到或者一些气体排放源中本身满足这些要求)，从而实现整个封存过程中捕获与注入的总成本最低。
4、关于步骤③
注入一定时间后，在排放井(20)释放迁移到排放井(20)附近的流体，排放过程中需要控制排放井(20)井口的压力在一定的范围，实时监测排出气体中的CO2浓度，并控制排放井(20)井口压力，不允许(即控制排放井井口压力)，CO2的分压过低，导致排放井周围溶解于盐水中CO2气体析出进入排放井(20)。
上述所述的一定时间没有明确界定，主要取决于混合流体迁移到排放井(20)并在穹顶(44)或者帽岩(41)底部汇集的时间。一般根据监测信息确定。
5、关于步骤④
持续进行步骤②③，实现以下目的。
随着注入过程和排气过程的进行，排放井(20)排出混合流体中的成分变化如图2所示；关于经济浓度的确定值，本发明不包括该值，由具体操作过程确定，一般CO2浓度的范围为30％～60％，最优化的CO2经济浓度由具体工程确定。二氧化碳浓度超过该值，马上停止混合流体注入，整个封存工作完成。
Claims (2)
1.一种基于混合流体自分离的二氧化碳地质封存方法，其特征在于包括下列步骤：
①在选定的地质封存场地形成注入井(10)和排放井(20)，一直贯穿帽岩(41)进入地质封存层(43)；
②通过高压注入设备将含有CO2的混合流体连续不断地通过注入井(10)注入地质封存层(43)；
③注入井(10)注入一定时间后，通过排放井(20)释放迁移到排放井(20)的流体，同时控制排放井(20)井口的压力在一定的范围；
④持续进行混合流体的注入和排放井(20)的释放，直到排放井(20)排出的流体中CO2浓度大于经济浓度值为止，停止整个封存过程。
2.一种基于混合流体自分离的二氧化碳地质封存方法，其特征在于：
所述的地质封存场地为深部卤水层，封存场地至少包含一个注入井(10)和一个排放井(20)。
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