CN113464098B - 一种co2地质封存方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种CO2地质封存方法及其系统，包括以下步骤：根据地质环境，确定CO2储层以及盖层；开挖CO2注入井以及咸水采出井，所述CO2注入井和所述咸水采出井均连通所述CO2储层；通过所述CO2注入井向所述CO2储层内注入CO2，同时，通过所述咸水采出井采出所述CO2储层内的咸水，降低所述CO2储层的压力，并提高所述CO2储层的孔隙可用空间；将CO2封存在所述CO2储层内；本发明在开挖CO2注入井的同时开挖咸水采出井，通过CO2注入井向CO2储层内注入CO2，同时，通过咸水采出井采出CO2储层内的咸水，以降低CO2储层的压力，并提高CO2储层的孔隙可用空间，从而能够显著的增大CO2储层的封存系数，进而提高CO2储层的封存总量，即提高CO2储层的封存能力。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳封存技术领域，特别是涉及一种CO2地质封存方法及其系统。
背景技术
近年来，因二氧化碳(CO2)等温室气体排放导致的全球气候变暖日益显著，造成了极端天气频发、海平面上升等一系列严重后果。因此，温室气体减排已成为当今国际社会热点议题之一。CO2捕集、地质利用与封存(CCUS) 作为一项可有效降低碳排放、实现全球经济低碳发展的新兴技术，受到国际社会的高度关注。中国目前CO2排放量居世界首位，其中约80％来自电厂、水泥厂等集中排放源，而CCUS技术主要针对的就是集中排放源排放的二氧化碳。因此，中国在21世纪将成为CCUS应用的热点地区，CCUS可望为我国产生明显的环境效益和经济效益。CCUS相关研究将为中国实现碳减排目标发挥关键作用。
CO2地质利用与封存技术是CCUS技术集群中的关键技术之一，而衡量 CO2地质利用与封存技术减排贡献的关键指标是CO2地质封存量。计算CO2地质封存量的最常用方法是美国能源部(DOE)提出的封存系数法。该法采用的计算公式如式(1)所示：
式中
为地层中的CO2封存总量，A为地层覆盖面积，h为地层高度，/>
为地层平均孔隙度，/>
为超临界CO2密度，E为封存系数。美国主要CO2地质封存储层的E值在0.4-5.5％之间。我国CO2地质封存储层的封存能力要低于美国。多数CO2储层渗透系数低，非均质特征明显，导致封存系数值E 显著低于美国(大部分储层的E值低于1％)。
申请公布号为CN 106904616 A的中国专利公开了一种二氧化碳地质封存结构和封存方法，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，但是，一方面由于深度并没有达到理想深度，二氧化碳不一定能够达到超临界CO2密度，最终不一定能够提高CO2封存总量，另外，油气开采中的井区并没有改变地层的环境，仍旧存在封存系数较低的问题。
另外，申请公布号为CN 102425870 A的中国专利公开了一种提高地热回灌率和CO2地质封存一体化方法，申请公布号为CN 103603639 A的中国专利公开了一种地层深部高盐卤水的开采与热量利用系统，上述两种方案均采用了在利用地热能时，通过注入CO2来保持地热储层恒定的压力，提高卤水和地热资源的开采效率，也就是说，上述两种方案均没有提供如何提高也无法有效提高地层中的CO2封存总量。
因此，如何大幅提升我国CO2地质封存储层的封存能力是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种CO2地质封存方法及其系统，以解决上述现有技术存在的问题，在开挖CO2注入井的同时开挖咸水采出井，通过CO2注入井向CO2储层内注入CO2，同时，通过咸水采出井采出CO2储层内的咸水，以能够降低CO2储层的压力，并提高CO2储层的孔隙可用空间，从而能够显著的增大CO2储层的封存系数，进而提高CO2储层的封存总量，即提高CO2储层的封存能力。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种CO2地质封存方法，包括以下步骤：
根据地质环境，确定CO2储层以及盖层；
开挖CO2注入井以及咸水采出井，所述CO2注入井和所述咸水采出井均连通所述CO2储层；
通过所述CO2注入井向所述CO2储层内注入CO2，同时，通过所述咸水采出井采出所述CO2储层内的咸水，降低所述CO2储层的压力，并提高所述 CO2储层的孔隙可用空间；
将CO2封存在所述CO2储层内。
优选地，所述CO2注入井和所述咸水采出井之间的间距为5-10km。
优选地，所述CO2注入井的注入压力为所述咸水采出井的采水压力的 1.2～2倍。
优选地，所述CO2储层的深度大于1km。
优选地，注入所述CO2储层的CO2以超临界状态存在。
优选地，所述CO2储层包括多层，通过多层所述CO2储层同时储存CO2。
优选地，所述CO2储层包括2～6层。
本发明还提供一种CO2地质封存系统，包括分别与CO2储层连通的CO2注入井和咸水采出井，所述CO2储层上方具有盖层，所述CO2注入井内设置有CO2统注系统，所述咸水采出井内设置有咸水统抽系统，通过所述CO2统注系统向所述CO2储层内注入CO2，同时，通过所述咸水统抽系统采出所述 CO2储层内的咸水，降低所述CO2储层的压力，并提高所述CO2储层的孔隙可用空间。
优选地，所述CO2注入井和所述咸水采出井之间的间距为5-10km。
优选地，所述CO2储层包括多层，通过多层所述CO2储层同时储存CO2。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明在开挖CO2注入井的同时开挖咸水采出井，通过CO2注入井向CO2储层内注入CO2，同时，通过咸水采出井采出CO2储层内的咸水，以降低CO2储层的压力，并提高CO2储层的孔隙可用空间，从而能够显著的增大CO2储层的封存系数，进而提高CO2储层的封存总量，即提高CO2储层的封存能力；
(2)本发明CO2储层包括多层，多层CO2储层能够在多层同时注入CO2，按照背景技术中的公式(1)可知，相当于每层的高度值相加以得到地层的总高度，也就相当于在同一地层覆盖面积内增大了地层的高度，从而提高了同一地层覆盖面积内所能封存的CO2总量；
(3)本发明CO2储层的深度超过1km，能够确保注入的CO2以超临界状态存在，从而能够保证CO2的封存量；
(4)本发明CO2注入井和咸水采出井之间的间距为5-10km，5-10km距离合适，能够避免因为距离过小所导致的CO2注入井注入的CO2可能被吸入咸水采出井而造成CO2泄漏，也能够避免因为距离过大所导致的即使利用咸水采出井进行采水作业，也难以有效降低CO2注入井处的地层压力，难以有效提高CO2的可注性；
(5)本发明每个CO2储层对应的CO2注入井和咸水采出井之间的压差为 CO2注入井的注入压力为咸水采出井的采水压力的1.2～2倍，能够使得CO2注入井的注入压力与咸水采出井的采水压力处在一个适宜的压力差范围，避免压力差过大导致需求提高CO2的注入压力，造成CO2注入能量的浪费，也能避免压力差过小导致CO2注入效率较低，从而能够节约能源还能够提高效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统示意图；
其中，1、CO2注入井；11、CO2统注系统；2、盖层；3、CO2储层；4、咸水采出井；41、咸水统抽系统；5、封隔器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种CO2地质封存方法及其系统，以解决现有技术存在的问题，在开挖CO2注入井的同时开挖咸水采出井，通过CO2注入井向CO2储层内注入CO2，同时，通过咸水采出井采出CO2储层内的咸水，以能够降低 CO2储层的压力，并提高CO2储层的孔隙可用空间，从而能够显著的增大CO2储层的封存系数，进而提高CO2储层的封存总量，即提高CO2储层的封存能力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种CO2地质封存方法，包括以下步骤：
根据地质环境，确定CO2储层3以及盖层2，其中，CO2储层3是多孔的岩层，在岩层的孔隙内饱含水，注入CO2后，部分CO2将孔隙中的水驱替走，占据孔隙空间，并有部分CO2溶解到孔隙水中，从而实现CO2的储存；为了防止注入的CO2向上方泄漏，CO2储层3的上方需有盖层2覆盖，盖层2是致密的、孔隙度和渗透率较低的岩层，CO2难以在盖层2中运移，从而避免CO2向上方逸出，实现CO2封存在CO2储层3内。
在CO2储层3所在区域内开挖CO2注入井1以及咸水采出井4，需要说明的是，CO2注入井1和咸水采出井4的深度以及直径大小可以根据现有技术中的开挖方案进行确定，需要保证CO2注入井1和咸水采出井4均连通CO2储层3。可以在CO2注入井1内设置CO2统注系统11，CO2统注系统11用于向 CO2储层3内注入CO2；在咸水采出井4内设置咸水统抽系统41，咸水统抽系统41用于抽取CO2储层3内的咸水。
通过CO2注入井1内的CO2统注系统11向CO2储层3内注入CO2，同时，通过咸水采出井4内的咸水统抽系统41采出CO2储层3内的咸水，以降低CO2储层3的压力，并提高CO2储层3的孔隙可用空间。
最后通过设置封隔器5将CO2封存在CO2储层3内，通过上述措施，能够显著的增大CO2储层3的封存系数，进而提高CO2储层3的封存总量，即提高CO2储层3的封存能力。
CO2注入井1和咸水采出井4之间的间距可以设置为5-10km，5-10km距离最为适中，如果距离过小，则CO2注入井1注入的CO2可能被吸入咸水采出井4而造成CO2泄漏，如果距离过大，则即使利用咸水采出井4进行采水作业，也难以有效降低CO2注入井1处的地层压力，难以有效提高CO2的可注性。因此，合理的间距能够避免上述问题的产生，保证CO2能够顺利注入进CO2储层3，并能够提高CO2储层3的CO2封存量。
CO2注入井1的注入压力可以设置为咸水采出井4的采水压力的1.2～2倍，该压力差大小能够使得CO2注入井1的注入压力与咸水采出井4的采水压力处在一个适宜的压力差范围，避免压力差过大导致需求提高CO2的注入压力，造成需要更大的CO2注入功率，最终造成CO2注入能量的浪费；也能避免压力差过小导致CO2注入效率较低。从而采用上述合理的压力差范围，能够有效节约能源还能够提高CO2的注入效率。
如果CO2储层3的深度过浅，注入的CO2将会以气体形式存在，因气态 CO2的密度显著低于超临界态，CO2的封存量会显著降低。CO2储层3的深度可以大于1km，深度达到足够深后能够确保注入的CO2以超临界状态存在，从而能够保证CO2的封存量。
为了保证CO2的封存量达到足够高的量，注入CO2储层3的CO2需要以超临界状态存在。
CO2储层3可以包括有多层，多层CO2储层3能够同时注入CO2，按照背景技术中介绍的公式(1)可知，地层高度越大，CO2储存量越大，反之则越小，而采用多层的CO2储层3后，相当于每层的高度值相加以得到地层的高度，也就相当于在同一地层覆盖面积内增大了地层的高度，从而提高了同一地层覆盖面积内所能封存的CO2总量。需要说明的是，在按照多层CO2储层3 进行注入CO2时，随着深度的增加，CO2储层3的注入压力也会随着发生变化，因此，需要按照压力的变化选择控制注入压力。同时，CO2的注入压力也要与咸水统抽系统41的抽取压力相匹配，可以设置咸水采出井4和CO2注入井1 之间具备互馈机制，咸水采出井4的采水量基于CO2注入量和注入压力进行自动调节，以实现CO2的最大化注入。
CO2储层3一般控制在2～6层，一方面保证了CO2封存量，另一方面防止注入层数过多导致注入操作流程复杂、CO2泄漏风险增加。
如图1所示，本发明还提供一种CO2地质封存系统，该系统可以应用前文记载的CO2地质封存方法，具体的，CO2地质封存系统包括分别与CO2储层3连通的CO2注入井1和咸水采出井4，CO2储层3上方具有盖层2，需要说明的是，当设置有多层CO2储层3时，每一CO2储层3上方均设置有盖层2。 CO2储层3的高度以及盖层2的高度根据实际的地层环境进行相应的设置。CO2注入井1内设置有CO2统注系统11，CO2统注系统11包括封隔器5等设备，能够向CO2储层3内注入CO2并进行封存，同时能够控制注入的压力和注入量等参数。咸水采出井4内设置有咸水统抽系统41，咸水统抽系统41也包括有封隔器5等设备，能够抽取CO2储层3内的咸水，并能够控制抽水的压力和抽水量等参数。通过CO2统注系统11向CO2储层3内注入CO2，同时，通过咸水统抽系统41采出CO2储层3内的咸水，降低CO2储层3的压力，并提高CO2储层3的孔隙可用空间，能够显著的增大CO2储层3的封存系数，进而提高CO2储层3的封存总量，即提高CO2储层3的封存能力。
与现有的CO2注入系统相比，本发明通过同时向多个CO2储层3注入CO2，并将每个CO2储层3中的咸水抽出，能够实现对CO2储层3的降压增容，从而将单位面积的CO2封存量提高3-5倍，使我国平均CO2地质封存强度由目前的10-100万吨/km2提升到30-500万吨/km2，从而基本达到我国2060年碳中和目标所需的CO2地质封存减排贡献度要求。
CO2注入井1和咸水采出井4之间的间距可以设置为5-10km，5-10km距离最为适中，能够保证CO2顺利注入进CO2储层3，并能够提高CO2储层3 的CO2封存量。
CO2储层3可以包括有多层，在竖直方向间隔分布，相邻的两个CO2储层 3之间设置有盖层2，每层CO2储层3均能够有效的储存CO2，因此，相当于在同一地层覆盖面积内增大了地层的高度，从而提高了同一地层覆盖面积内所能封存的CO2总量。
此外，还可以设置CO2注入井1的注入压力与咸水采出井4的采水压力的比例关系，例如，前者是后者的1.2～2倍，该压力差大小能够使得CO2注入井1的注入压力与咸水采出井4的采水压力处在一个适宜的压力差范围，能够有效节约CO2注入所消耗的能源还能够提高CO2的注入效率。
CO2储层3的深度可以大于1km，深度达到足够深后能够确保注入的CO2以超临界状态存在，从而能够保证CO2的封存量。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种CO2地质封存方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据地质环境，确定CO2储层以及盖层；
开挖CO2注入井以及咸水采出井，所述CO2注入井和所述咸水采出井均连通所述CO2储层；
通过所述CO2注入井向所述CO2储层内注入CO2，同时，通过所述咸水采出井采出所述CO2储层内的咸水，降低所述CO2储层的压力，并提高所述CO2储层的孔隙可用空间；
将CO2封存在所述CO2储层内；
将多个地层同时作为CO2储层，通过多个CO2储层同时储存CO2；
通过CO2统注系统向多个所述CO2储层同时注入CO2，同时用咸水统抽系统同时在多个所述CO2储层抽出咸水，降低多个所述CO2储层内的压力，并提高储层孔隙可用空间，从而实现CO2封存能力的显著增强；
所述CO2注入井内设置有CO2统注系统，所述CO2统注系统包括封隔器，能够向所述CO2储层内注入CO2并进行封存，同时能够控制注入的压力和注入量；所述咸水采出井内设置有咸水统抽系统，所述咸水统抽系统也包括有封隔器，能够抽取CO2储层内的咸水，并能够控制抽水的压力和抽水量；所述CO2统注系统能够向多层CO2储层同时注入CO2；所述CO2统注系统能够按照压力的变化选择控制注入压力，所述注入压力与所述咸水统抽系统的抽取压力相匹配，所述咸水采出井和所述CO2注入井之间具备互馈机制，所述咸水采出井的采水量能够基于CO2注入量和所述注入压力进行自动调节；
所述CO2注入井的注入压力为所述咸水采出井的采水压力的1.2～2倍，能够使得所述CO2注入井的注入压力与所述咸水采出井的采水压力处在一个适宜的压力差范围；
其中，所述CO2注入井和所述咸水采出井之间的间距为5-10km；
其中，所述CO2储层的深度大于1km；
其中，所述CO2储层包括2~6层；
其中，注入所述CO2储层的CO2以超临界状态存在。
2.一种应用权利要求1所述的CO2地质封存方法的CO2地质封存系统，其特征在于：包括分别与CO2储层连通的CO2注入井和咸水采出井，所述CO2储层上方具有盖层，所述CO2注入井内设置有CO2统注系统，所述咸水采出井内设置有咸水统抽系统，通过所述CO2统注系统向所述CO2储层内注入CO2，同时，通过所述咸水统抽系统采出所述CO2储层内的咸水，降低所述CO2储层的压力，并提高所述CO2储层的孔隙可用空间。
3.根据权利要求2所述的CO2地质封存系统，其特征在于：所述CO2注入井和所述咸水采出井之间的间距为5-10km。
4.根据权利要求3所述的CO2地质封存系统，其特征在于：将多个地层同时作为CO2储层，通过多层所述CO2储层同时储存CO2。
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