CN106904616A - 一种二氧化碳地质封存结构和封存方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳地质封存结构和封存方法，属于二氧化碳封存与环保技术领域。通过对工业生产中产生的二氧化碳进行集中回收，注入到废弃的油田、气田中，使二氧化碳与地下的水生成固态的二氧化碳水合物，达到封存减排的目的。本发明中涉及的二氧化碳水合物具有容纳超大体积气体的特性，在经过数千年验证的稳定的地质条件下可以安全保存，极大降低了泄露风险。同时使用油气开采中的井区设备注入二氧化碳至地下300～500米，大大降低了封存成本。鉴于我国乃至世界范围内的降低二氧化碳排放的政策制定和实施，该项技术具有非常广阔市场空间。

Description

一种二氧化碳地质封存结构和封存方法

技术领域

本发明涉及二氧化碳封存与环保技术领域，具体涉及一种二氧化碳地质封存结构和封存方法。

背景技术

二氧化碳水合物是水和大部分气体在低温、高压条件下形成的一种较为特殊的包络化合物。在二氧化碳水合物中，水分子借助较强的氢键形成主体结晶网络，网络中的孔穴内充满气体分子(称客体分子)，而其孔穴填满的程度则取决于体系的温度、压力和过冷度。主、客体分子之间无化学计量关系，且其分子之间的作用力为范德华力。目前对二氧化碳水合物的研究热点集中在天然气水合物开采、气体储运、气体分离等领域。

近年来二氧化碳的排放问题受到世界各国的关注。从1992年的《联合国气候变化框架公约》到1997年的《京都议定书》再到2016年的《巴黎协定》，在过去的20多年间，无论是发展国家还是发展中国家，在制定经济发展策略的同时都考虑到减少二氧化碳排放带来的影响。我国在签署《巴黎协定》时承诺，到2030年左右实现石化能源消费排放二氧化碳达到顶峰，单位GDP的二氧化碳排放比2005年下降60～65％。

目前储存二氧化碳的方法主要是地质封存，根据封存媒介又可以分为深水层超临界封存、废弃煤层封存和海底封存，而这些方法都存在不同程度的成本高、容易泄露的问题，同时会对自然环境造成一定影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化碳地质封存结构和封存方法，通过把工业生产中产生的含有二氧化碳的废气进行回收，注入地下废弃的油田、气田等，生成固体的水合物，来实现二氧化碳的地质封存，减少向大气中的排放。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种二氧化碳地质封存结构，包括封存层、注入通道、二氧化碳水合物和废弃能源区；其中：

封存层：用于将二氧化碳以二氧化碳水合物的形式存储；封存层设置于废弃能源区之内的空间中；

注入通道：用于将二氧化碳废气向封存层内注入；所述注入通道的一端与封存层相连通，注入通道的另一端设于废弃能源区之外；

二氧化碳水合物：所述二氧化碳废气经注入通道进入封存层后，与封存层内的水生成二氧化碳水合物，并存储于封存层内。注入封存层内的二氧化碳废气为二氧化碳含量≥85at.％的气体。

所述废弃能源区为废弃的油田、废弃的气田或废弃尾矿；所述封存层为废弃的油田、废弃的气田或废弃尾矿中存在的废弃的开采空间(如，废弃的尾矿层)。所述封存层位于地表面以下300～500米。

所述封存层内注入的二氧化碳废气(常温常压条件下)的体积为封存层容积的150～200倍。

所述封存层内在注入二氧化碳废气前含水饱和度大于0.1，孔隙率为0.1～0.5。

所述封存层内温度为0～8℃，压力为2～6MPa。

所述注入通道为生产井通道。

利用所述封存结构进行的二氧化碳地质封存方法，是将工厂产生的二氧化碳废气经由注入通道注入到废弃能源区内的封存层中，注入的二氧化碳废气与封存层内残留的水生成固态的二氧化碳水合物，从而实现二氧化碳的封存。该封存方法具体包括如下步骤：

(1)将工业生产中产生的烟气收集；

(2)烟气经过粗处理，得到二氧化碳含量大于90at.％的二氧化碳废气；

(3)将二氧化碳废气由注入通道注入封存层内，注入前控制封存层内的压强低于二氧化碳蒸气压，防止液化带来的流动性减弱；由于二氧化碳废气中含有工业生产中自带的氮气，注入初期并不会生成水合物，其有利于二氧化碳废气在封存层中的流动；

(4)当封存层内的压强由于持续不断的气体注入达到二氧化碳水合物生成的临界值时，水合物开始生成；此后封存层内的压强保持恒定在平衡压强以上500kPa，直至气体注入结束。

本发明的设计原理如下：

利用二氧化碳水合物大量的气体含有性，向废弃的油田、气田等尾矿注入从工业生产中排放的烟气，从而生成二氧化碳水合物，来实现二氧化碳的地质封存，减少二氧化碳的排放。本发明中所述的烟气为经过粗提纯的二氧化碳含量约为90摩尔分数比的混合气，其他气体以氮气为主；废弃的尾矿为经过开采的油田、气田，其中含有0.1～0.5饱和度的水，并具有0.1～0.5的孔隙率，有助于混合气在井下的流动。水与二氧化碳生成水合物的反应为物理反应，而非化学反应。标准大气压，0℃的条件下，其可容纳体积比为160倍的二氧化碳气体，利用二氧化碳水合物这种具有非常大的气体包含性的特点，可以实现二氧化碳的封存。

二氧化碳水合物是由水分子的氢键构成的笼状结构中包含一个二氧化碳分子所形成的结晶，其物理性状与冰相似。标准大气压下的相平衡温度约为-53℃，0～8℃对应的平衡压强为1.24～3.23MPa，均分布在一般的尾矿温度压强条件范围内。

本发明的优点在于：

1、本发明利用水合物技术固态封存二氧化碳于废弃的尾矿中，极大地减小了二氧化碳泄露的风险。

2、本发明所述气体注入目标压强为2～4MPa，相比于现阶段实施的目标压强为30～40MPa的超临界状态注入，极大地减小了气体注入成本。

3、本发明使用油田、气田开采时的井上设备(即注入通道)进行气体的注入，节省成本。

4、本发明在二氧化碳注入过程中，采用先定流后定压的注入方法，防止早期水合物的生成对井口的堵塞，易于气体在井下的流动。

5、本发明对所封存的二氧化碳泄漏检测相对简单，只要温度压强条件不改变，即无泄漏。

附图说明

图1为本发明中二氧化碳地质封存结构示意图。

图2为二氧化碳废气注入尾矿生成水合物的概念图。

图3为注入二氧化碳废气井下的温度压强示意图。

图中：1-注入通道；2-废弃能源区；3-二氧化碳水合物；4-封存层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提出了一种利用水合物技术对二氧化碳进行地质封存的结构和方法。水合物是一种有气体和水在相对高压低温的条件下自然形成的一种冰状结晶。1个单位体积的二氧化碳水合物可以容纳约160倍体积的二氧化碳气体。这种水合物可以形成于具有相似温度压强条件的废弃油田、气田中。相比于其他集中封存方式，水合物技术封存二氧化碳具有不容易泄露、气体注入成本低廉、对周围生态环境没有破坏的有点，同时也使原本废弃的尾矿有了用武之地。

本发明的二氧化碳封存结构如图1所示，该封存结构包括封存层4、注入通道1、二氧化碳水合物3和废弃能源区2；其中：封存层4用于将二氧化碳以二氧化碳水合物的形式存储；封存层4设置于废弃能源区2之内的空间中；注入通道1用于将二氧化碳废气向封存层4内注入；所述注入通道1的一端与封存层4相连通，注入通道1的另一端设于废弃能源区2之外；所述二氧化碳废气经注入通道进入封存层后，与封存层内的水生成二氧化碳水合物3，并存储于封存层内。注入封存层内的二氧化碳废气中二氧化碳含量≥90at.％，其他主要为氮气。

所述废弃能源区为废弃的油田、废弃的气田或废弃尾矿；所述封存层为废弃的油田、废弃的气田或废弃尾矿中存在的废弃的开采空间(如，废弃的尾矿层)。所述封存层位于地表面以下300～500米。

所述封存层内注入的二氧化碳废气(常温常压条件下)的体积为封存层容积的150～200倍。

所述封存层内在注入二氧化碳废气前含水饱和度大于0.1，孔隙率为0.1～0.5。

所述封存层的温度为0～8℃，压力为2～6MPa。所述注入通道为生产井通道。

本发明的二氧化碳封存方法为：对工业生产产生的含有二氧化碳的烟气进行回收、粗处理，得到较高纯度的二氧化碳混合气(二氧化碳含量约90at.％)。将得到的含有二氧化碳的废气注入深度约300～500米的，已经经过开采的油田、气田等尾矿。废气中的二氧化碳在0～8℃和2～6MPa的条件下和尾矿中残留的水生成固态的二氧化碳水合物，从而得到二氧化碳气体封存的效果。

所述工业生产所产生的烟气约含10～15摩尔分数比的二氧化碳气体，经过粗处理提纯过的烟气约含90at.％二氧化碳气体。

所述经过开采的废弃尾矿一般孔隙率为0.1～0.4、含水饱和度为0.1～0.5；所述二氧化碳水合物由二氧化碳和水组成，二氧化碳和水的摩尔比为1：(5.75～6.25)。

所述含有二氧化碳气体的烟气收集和注入包括如下步骤：

(1)将发电厂、炼化厂等石化能源燃烧工业设施所产生的烟气收集，所含二氧化碳气体为10～15at.％；

(2)将收集的烟气进行粗提纯，得到二氧化碳含量为90at.％的混合气；

(3)使用油气开采时的井上设备，将经过粗提纯的烟气按照恒定流量的方式注入开采过的尾矿，同时监测井下的温度及压强；

(4)当井下温度压强条件达到二氧化碳水合物生成条件以上500kPa时，气体注入改为定压模式，同时继续监测井下温度及压强；

(5)当井下压强再次上升，即含有二氧化碳的混合气消耗量显著下降时停止混合气的注入，并封井。封井后持续监测井下温度压强变化。

实施例1

把从发电厂收集的，经过提纯的二氧化碳含量为90at.％的烟气注入废弃的油田，实现二氧化碳封存，具体过程如下：

(1)将发电厂排出废气收集，得到二氧化碳含量为10at.％的原始烟气；

(2)经过粗处理，得到二氧化碳含量为90at.％的二氧化碳废气，其中另10at.％为氮气；

(3)将所得到混合气在标准状态下以10⁴m³/天的速度注入充分开采过的，孔隙率0.3、含水饱和度0.3的深度为500米的油田中；

(4)如图2所示，注入的含有二氧化碳气体的混合气在井下扩散至远端，最终和水在合适温度和压强条件下生成固态水合物，实现二氧化碳的地质封存。

实施例2

从炼化厂收集烟气，经过粗处理注入开采过的气田，实现二氧化碳封存，具体过程如下：

(1)将炼化厂排出废气收集，得到二氧化碳含量为15at.％的原始烟气；

(2)经过粗处理，得到二氧化碳含量为88at.％的二氧化碳废气，其中另10at.％为氮气，2at.％为氧气；

(3)将所得到混合气在标准状态下以10³m³/天的速度注入充分开采过的，孔隙率0.2、含水饱和度0.4的深度为300米的气田中；

(4)如图2所示，注入的二氧化碳气体混合气在井下和水在合适温度和压强条件下生成固态水合物，实现二氧化碳的地质封存。如图3所示，因为混合气注入初期采用恒定流量的方式，降低了在注入井口生成水合物的风险，使得更多的二氧化碳气体得以注入和扩散到尾矿中。

实施例3

监测注入了含有二氧化碳混合气的废弃油田、气田井下温度压强，获知其条件处于二氧化碳水合物稳定的热力学区间，水合物没有相变可能，确定封存的二氧化碳气体无泄露风险。

对比例1

按照目前实施的采用超临界状态地质封存二氧化碳，其注入过程缓慢，且为达到30～40MPa的目标压强需要极大的气体压缩成本。一般要求注入深度为地表下3000～4000米。超临界状态的二氧化碳在注入过程中存在流动性差，相变可能性高等缺点。在注入封存后，由于温度压强变化等原因容易发生泄漏，且不易勘察泄漏点。本发明中所提到的方法由于目标压强和深度的要求低，大大降低了注入成本。且注入混合气为气体状态，具有极强的流动性。生成水合物后，只需要监测温度压强是否处于水合物的热力学稳定状态即可获取是否泄漏以及泄漏地点的信息，十分便于封存后的管理和监控。

以上提供的实施例仅仅是解释说明的方式，不应认为是对本发明的范围限制，任何根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变的方法，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二氧化碳地质封存结构，其特征在于：该封存结构包括封存层、注入通道、二氧化碳水合物和废弃能源区；其中：

封存层：用于将二氧化碳以二氧化碳水合物的形式存储；封存层设置于废弃能源区之内的空间中；

注入通道：用于将二氧化碳废气向封存层内注入；所述注入通道的一端与封存层相连通，注入通道的另一端设于废弃能源区之外；

二氧化碳水合物：所述二氧化碳废气经注入通道进入封存层后，与封存层内的水生成二氧化碳水合物，并存储于封存层内。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳地质封存结构，其特征在于：所述废弃能源区为废弃的油田、废弃的气田或废弃尾矿；所述封存层为废弃的油田、废弃的气田或废弃尾矿中存在的废弃的开采空间。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳地质封存结构，其特征在于：所述封存层内注入的二氧化碳废气的体积为封存层容积的150～200倍。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳地质封存结构，其特征在于：所述封存层内在注入二氧化碳废气前含水饱和度大于0.1，孔隙率为0.1～0.5。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳地质封存结构，其特征在于：所述封存层位于地表面以下300～500米。

6.根据权利要求5所述的二氧化碳地质封存结构，其特征在于：所述封存层内温度为0～8℃，压力为2～6MPa。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳地质封存结构，其特征在于：注入封存层内的二氧化碳废气为二氧化碳含量≥90at.％的气体。

8.根据权利要求1所述的二氧化碳地质封存结构，其特征在于：所述注入通道为生产井通道。

9.利用权利要求1所述封存结构进行的二氧化碳地质封存方法，其特征在于：该封存方法是将工厂产生的二氧化碳废气经由注入通道注入到废弃能源区内的封存层中，注入的二氧化碳废气与封存层内残留的水生成固态的二氧化碳水合物，从而实现二氧化碳的封存。

10.根据权利要求9所述的二氧化碳地质封存方法，其特征在于：该封存方法具体包括如下步骤：

(1)将工业生产中产生的烟气收集；

(2)烟气经过粗处理，得到二氧化碳含量大于90at.％的二氧化碳废气；

(3)将二氧化碳废气由注入通道注入封存层内，注入前控制封存层内的压强低于二氧化碳蒸气压，防止液化带来的流动性减弱；由于二氧化碳废气中含有工业生产中自带的氮气，注入初期并不会生成水合物，其有利于二氧化碳废气在封存层中的流动；

(4)当封存层内的压强由于持续不断的气体注入达到二氧化碳水合物生成的临界值时，水合物开始生成；此后封存层内的压强保持恒定在平衡压强以上500kPa，直至气体注入结束。