CN114278257B - 海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置与方法，其中装置包括海上生产平台、油气开采系统和二氧化碳封存系统，油气开采系统包括中套管和采油管；二氧化碳封存系统包括二氧化碳捕集箱、超临界二氧化碳储存罐和超临界二氧化碳封存管，超临界二氧化碳封存管的末端上设置有滤孔，超临界二氧化碳封存管水平设置于海床的盐水层。本发明公开的海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置与方法，能够将二氧化碳封存与海上油气开采同步进行，两者相互结合，取长补短，可有效降低二氧化碳封存成本，减少海洋平台的二氧化碳排放，助力海洋油气行业积极探索绿色，低碳的路径和方式。
Description
技术领域
本发明涉及减排降碳技术领域，具体涉及一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置与方法。
背景技术
随着大气中温室气体含量逐渐增加，全球气候发生显著改变，如极地冰川融化、海平面上升、世界各地极端天气频发等，威胁人类可持续发展。因此，减少碳排放，早日实现碳中和已经成为了全球共识。碳捕集、利用与封存(英文名称为Carbon Capture,Utilizationand Storage，缩写为CCUS)技术作为一种大规模的温室气体减排技术，近年来在全世界范围内快速发展。碳捕集、利用与封存技术也是实现化石能源低碳化利用的重要选择。此外，由于海洋对于碳的存储能力远高于陆地，且具备诸多优势，因此将二氧化碳进行海底封存具备巨大潜力。但是，海上碳捕集、利用与封存项目的高昂费用是长期以来阻碍其进一步发展和实施的重要原因之一。另外，海上生产平台运行主要利用柴油发电机组提供动力，需要消耗大量柴油而产生大量CO2，这些CO2直接排放到大气中，增加了海洋平台的CO2排放，这不符合碳中和背景下的将超临界二氧化碳(supercritical-CO2，缩写为SC-CO2)海底就地封存的发展趋势。
综上所述，现有的海上生产井在进行石油开采的过程中，没有与碳捕集、利用与封存技术相结合(即将海上生产平台运行产生的大量CO2进行海底就地封存)，不符合碳中和大背景的发展趋势，这将会成为深水油气开发未来碳中和发展的巨大挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置与方法，利用分支井实现同一井位不同层段的油气开采与CO2封存同步执行，不仅能有效减少海上生产平台运行产生的CO2的排放，同时还能降低CO2海底封存成本。
本发明提供一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置，包括：
海上生产平台；油气开采系统，包括中套管和采油管，所述中套管的上端与所述海上生产平台的底面连接，所述中套管的下端与所述采油管的出油端对接；二氧化碳封存系统，包括二氧化碳捕集箱、超临界二氧化碳储存罐和超临界二氧化碳封存管，所述二氧化碳捕集箱和所述超临界二氧化碳储存罐设置于所述海上生产平台上且两者通过管道相连通；超临界二氧化碳封存管的进液端与所述超临界二氧化碳储存罐相连通，所述超临界二氧化碳封存管的末端上设置有滤孔，所述超临界二氧化碳封存管水平设置于海床的盐水层；
其中，在采油管于海底开采到的石油、天然气，通过采油环空输送至海上生产平台的过程中，海上生产平台上的二氧化碳气体被二氧化碳捕集箱捕集和转换后，通过超临界二氧化碳储存罐储存，再由超临界二氧化碳封存管运送至海底封存同步进行。
进一步地，还包括采转换接头，所述二氧化碳封存系统还包括超临界二氧化碳注入管，超临界二氧化碳注入管竖直穿设于所述中套管内部形成采油环空，超临界二氧化碳注入管的顶端与所述海上生产平台的底面连接并与所述超临界二氧化碳储存罐相连通；所述中套管的底端与所述采油管的出油端以及所述超临界二氧化碳注入管的底端与所述超临界二氧化碳封存管的顶端通过封采转换接头对接在一起，且所述采油环空与所述采油管之间、所述超临界二氧化碳注入管与所述超临界二氧化碳封存管之间相连通。
进一步地，所述封采转换接头的上表面设置有一个与超临界二氧化碳注入管的底端对接的超临界二氧化碳进口，所述封采转换接头的下表面设置有一个与超临界二氧化碳封存管的顶端对接的超临界二氧化碳出口，所述超临界二氧化碳进口和所述超临界二氧化碳出口在所述封采转换接头的内部相连通形成一个超临界二氧化通道；所述封采转换接头的下表面设置有一个与采油管的出油端对接的进油孔，所述封采转换接头的上表面的边缘环向设置有与采油环空对接的多个出油孔，所述进油孔与多个所述出油孔相连通分别形成多个油气通道。
进一步地，所述超临界二氧化碳进口设置于封采转换接头的上表面的中心位置；所述进油孔设置于封采转换接头的下表面的中心位置；所述超临界二氧化碳出口偏离中心位置设置于封采转换接头的下表面。
进一步地，所述封采转换接头呈顶端小、底端大，呈圆台形，且所述封采转换接头内部设置有一个超临界二氧化通道和多个油气通道。
进一步地，还包括封外套管，所述外套管包括竖直部和水平部，所述外套管的竖直部和水平部垂直连接一体成型；所述外套管的竖直部套设在中套管、封采转换接头和采油管的外侧，所述外套管的水平部套设在超临界二氧化碳封存管的外侧。
进一步地，所述超临界二氧化碳封存管上设置有封存管单流阀。
进一步地，所述外套管的竖直部与所述中套管之间设置有中套管封隔器，所述外套管的水平部与所述超临界二氧化碳封存管之间设置有封存管封隔器，所述中套管封隔器和所述封存管封隔器上设置有多个电缆孔。
本发明还公开了一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步方法，采用上述海上油田开采与超临界二氧化碳封存装置，在采油管于海底开采到的石油、天然气，向上通过封采转换接头进入采油环空，最后向上输送至海上生产平台被保存的过程中，该方法还同步进行以下步骤：
步骤A：二氧化碳捕集箱捕集海上生产平台上因生产和生活活动而排放的二氧化碳气体，并将捕集的二氧化碳气体转换为超临界态二氧化碳液体输送至超临界二氧化碳储存罐；
步骤B：超临界态二氧化碳液体储存在超临界二氧化碳储存罐；
步骤C：存储在超临界二氧化碳储存罐内的超临界态二氧化碳液体向下流入至超临界二氧化碳注入管内；
步骤D：超临界态二氧化碳液体通过封采转换接头流入至超临界二氧化碳封存管；
步骤E：超临界态二氧化碳液体从超临界二氧化碳封存管的滤孔流出后于海床的盐水层封存。
进一步地，所述步骤B的超临界态二氧化碳液体还包括通过运输船或运输管道从陆地输送待封存的超临界二氧化碳液体至海上生产平台，并保存至超临界二氧化碳储存罐内的超临界态二氧化碳液体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置与方法，顺应碳中和这一趋势，将油气开采技术与碳捕集、利用与封存技术相结合，实现利用海上生产井进行石油开采的同时，将超临界二氧化碳封存在深部盐水层，避免额外钻探CO2封存井，减少了钻探CO2封存井所产生的费用，同时也能有效减少海上生产平台自身CO2排放，积极推进海洋油气开采实现“绿色低碳”的发展目标。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置的结构示意图。
附图标记说明：1-海上生产平台，10-浮筒，11-柴油发电机组，12-井架；2-油气开采系统，20-采油环空，21-中套管，23-采油管，24-卸油阀，25-采油管单流阀，26-潜油电泵；3-二氧化碳封存系统，31-二氧化碳捕集箱，32-超临界二氧化碳储存罐，33-超临界二氧化碳注入管，34-超临界二氧化碳封存管，35-封存管单流阀；4-封采转换接头；5-外套管，51-中套管封隔器，52-封存管封隔器；6-双管井口。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在全球“碳中和”目标下，碳捕集、利用与封存技术快速兴起，前景广阔，利用海洋封存二氧化碳更是潜力巨大，但实施起来费用高昂，难以形成产业化应用。此外，对于常规的海洋生产平台，投产后日常运营过程中也会产生大量温室气体直接排入大气中，不利于低碳环保。本发明公开了一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置与方法，利用油井产生原油的热量为超临界二氧化碳提供必要的温度条件，同时，平台产生的二氧化碳又可以通过二氧化碳捕集箱搜集起来注入深部盐水层，从而实现将海洋油气资源开采与二氧化碳封存有机结合，同步进行，为二氧化碳海洋封存提供一种封存方案，可有效降低封存成本，同时助力海洋油气开采走向绿色化和低碳化。
本发明公开的一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置与方法，在采油管23于海底开采到的石油、天然气，通过封采转换接头4进入采油环空20，最后输送至海上生产平台1的过程中，二氧化碳捕集箱31捕集海上生产平台1上排放的二氧化碳气体，并将捕集的二氧化碳气体转换为超临界态二氧化碳液体输送至超临界二氧化碳储存罐32，超临界态二氧化碳液体储存在超临界二氧化碳储存罐32；存储在超临界二氧化碳储存罐32内的超临界态二氧化碳液体经过超临界二氧化碳注入管33运输至超临界二氧化碳封存管34，超临界态二氧化碳液体从超临界二氧化碳封存管34的滤孔流出后于海床的盐水层封存，实现了二氧化碳的捕集、储存与海底封存与海上油气开采同步。
实施例1：一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置
实施例1提供一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置，下面结合附图对其结构进行详细描述。
参考图1，该海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置包括海上生产平台1、油气开采系统2和二氧化碳封存系统3，
海上生产平台1通过下面的浮筒10悬浮于海面，海上生产平台1上有柴油发电机组11、井架12和储油设备，其中柴油发电机组11在为海上生产平台1提供动力的同时，也消耗大量柴油而产生大量的CO2。
油气开采系统2包括中套管21、封采转换接头4和采油管23，中套管21的上端与海上生产平台1的底面连接且与储油设备相连通；中套管21的下端通过封采转换接头4与采油管23的出油端对接。
具体地，采油管23自上而下依次设置有卸油阀24、采油管单流阀25和潜油电泵26。其中，卸油阀24用于控制石油在采油管23的流通；采油管单流阀25用于防止采油管23内液体倒流；采油管23的末端作为采油端，其上设置有潜油电泵26，潜油电泵26由定子、转子、止推轴承和循环冷却系统等部分组成，将电能转换为机械能，连续抽取井下原油，用于从海床的油层开采石油，
二氧化碳封存系统3包括二氧化碳捕集箱31、超临界二氧化碳储存罐32、超临界二氧化碳注入管33、超临界二氧化碳封存管34，
二氧化碳捕集箱31和超临界二氧化碳储存罐32设置于海上生产平台1上，且二氧化碳捕集箱31和超临界二氧化碳储存罐32通过管道相连通；
超临界二氧化碳注入管33竖直穿设于中套管21内部，且超临界二氧化碳注入管33的顶端与海上生产平台1的底面连接并与超临界二氧化碳储存罐32相连通，
超临界二氧化碳注入管33和中套管21之间形成采油环空20。
为了使通过采油管23向上流入至采油环空20的原油与通过超临界二氧化碳注入管33向下流入至超临界二氧化碳封存管34的超临界二氧化液体分流输送，互不干扰，一种具体的实施方式是：中套管21的底端与采油管23的出油端以及超临界二氧化碳注入管33的底端与超临界二氧化碳封存管34的顶端通过一个封采转换接头4对接在一起，且采油环空20与采油管23之间、超临界二氧化碳注入管33与超临界二氧化碳封存管34之间相连通。
超临界二氧化碳封存管34的末端上设置有滤孔，超临界二氧化碳封存管34水平设置于海床的盐水层。
在采油管23开采海底的石油、天然气通过采油环空20输送至海上生产平台1的过程中，二氧化碳的捕集、储存、运输与海底封存与海上油气开采同步进行。
封采转换接头4的上表面设置有一个与超临界二氧化碳注入管33的底端对接的超临界二氧化碳进口，封采转换接头4的下表面设置有一个与超临界二氧化碳封存管34的顶端对接的超临界二氧化碳出口，超临界二氧化碳进口和超临界二氧化碳出口在封采转换接头4的内部相连通形成一个超临界二氧化通道；
封采转换接头4的下表面设置有一个与采油管23的出油端对接的进油孔，封采转换接头4的上表面的边缘环向设置有与采油环空20对接的多个出油孔，进油孔与多个出油孔相连通分别形成多个油气通道。
为了方便管道对接，优选地，超临界二氧化碳进口设置于封采转换接头4的上表面的中心位置；进油孔设置于封采转换接头4的下表面的中心位置。相应地，超临界二氧化碳出口设置于封采转换接头4的下表面的非中心位置，即超临界二氧化碳出口偏离中心位置设置于封采转换接头4的下表面。
一种具体的实施方式，封采转换接头4呈顶端小、底端大，呈圆台形，且封采转换接头4内部设置有一个超临界二氧化通道和多个油气通道。
为了保护中套管21、封采转换接头4、采油管23和超临界二氧化碳封存管34免于破坏，该海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置还包括外套管5，外套管5包括竖直部和水平部，外套管5的竖直部和水平部垂直连接一体成型。外套管5的竖直部套设在中套管21、封采转换接头4和采油管23的外侧，外套管5的水平部套设在超临界二氧化碳封存管34的外侧。
为了防止超临界二氧化碳封存管34内液体倒流，超临界二氧化碳封存管34上设置有封存管单流阀35。封存管单流阀35位于滤孔的前方，主要作用是保证足够高的回压，且防止流体反向流动影响机组正常工作。
外套管5的竖直部与中套管21之间设置有中套管封隔器51，主要起到封隔作用，可将中套管21所在的主干采油直井和中套管21下方的分支水平封存井中的流体相互隔开，防止互窜。
外套管5的水平部与超临界二氧化碳封存管34之间设置有封存管封隔器52，封存管封隔器52主要起到封隔作用，防止生产油层和深部盐水层流体之间互窜。
为了便易过电缆，中套管封隔器51和封存管封隔器52上设置有多个电缆孔。
为了防止海水漫过外套管5进入外套管5的竖直部与中套管21之间的环形空间，影响油气开采和二氧化碳封存作用，外套管5的竖直部与中套管21之间的环形空间的顶端开口处设置有双管井口6。
其中，二氧化碳捕集箱31用于捕集海上生产平台1上因生产和生活活动而排放的二氧化碳气体，并将捕集的二氧化碳气体转换为超临界态二氧化碳液体输送至超临界二氧化碳储存罐32；
超临界二氧化碳储存罐32用于存储超临界态二氧化碳液体；
超临界二氧化碳注入管33由耐SC-CO2腐蚀的钢材制成，为输送超临界态二氧化碳液体的特制油管，不仅可以抵抗SC-CO2的腐蚀，还能满足二氧化碳超临界态对温度的要求，用于将超临界二氧化碳储存罐32内存储的超临界态二氧化碳液体运输至超临界二氧化碳封存管34；
超临界二氧化碳封存管34用于将超临界态二氧化碳液体排向海床的盐水层封存。
封采转换接头4可以使将要封存的超临界二氧化碳和将要采出的原油在其内部同时流动而互不干扰，且起到流道转换的作用。
二氧化碳要保持超临界状态需要有严格的温度和压力条件，即需要满足温度高于31.1℃且压力高于7.38Mpa。对于海上区块，尤其是深水区，在靠近泥线附近温度通常低至4℃左右，不满足维持管线内的二氧化碳处于超临界态的条件。由于深层原油本身具备较高的温度，因此可以使被包裹在内部的超临界二氧化碳注入管33始终保持一个较高的温度，可以有效降低安装保温管线和加热管线产生的成本，同时也使得整套设备更为精简、便利。超临界态的二氧化碳从超临界二氧化碳注入管33向下流动，通过封采转换接头4，途径封存管封隔器35和封存管单流阀35进入超临界二氧化碳封存管34中，最后进入盐水层被密封。
用于封存二氧化碳的分支井采用水平井的形式，具备如下两点优势：一是二氧化碳可以大量注入且不会轻易运移至储层顶部；二是与直井相比，水平井可以显著提升二氧化碳的注入速度。
实施例2：一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步方法
实施例2提供一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步方法，采用实施例1提供的海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置，在采油管23于海底开采到的石油、天然气，向上通过封采转换接头4进入采油环空20，最后向上输送至海上生产平台1被保存的过程中，与此同时，该同步方法还包括以下步骤：
步骤A：二氧化碳捕集箱31捕集捕集海上生产平台1上因生产和生活活动而排放的二氧化碳气体，并将捕集的二氧化碳气体转换为超临界态二氧化碳液体输送至超临界二氧化碳储存罐32；
步骤B：超临界态二氧化碳液体储存在超临界二氧化碳储存罐32；
步骤C：存储在超临界二氧化碳储存罐32内的超临界二氧化碳液体向下流入至超临界二氧化碳注入管33内；
步骤D：超临界态二氧化碳液体通过封采转换接头4流入至超临界二氧化碳封存管34；
步骤E：超临界态二氧化碳液体从超临界二氧化碳封存管34的滤孔流出后于海床的盐水层封存。
为了增超临界二氧化碳液体的封存量，提高利用效率，步骤B的超临界态二氧化碳液体还包括通过运输船或运输管道从陆地输送待封存的超临界二氧化碳液体至海上生产平台1，并保存至超临界二氧化碳储存罐32内的超临界态二氧化碳液体。
在步骤D中，超临界态二氧化碳液体从超临界二氧化碳注入管33流出后，通过封采转换接头4的上表面的超临界二氧化碳进口流入封采转换接头4，通过超临界二氧化通道后，从封采转换接头4的下表面的超临界二氧化碳出口流出后，进入至超临界二氧化碳封存管34；
与此同时，原油从采油管23的出油端流出后，通过封采转换接头4的下表面的进油孔流入封采转换接头4，通过多个油气通道后，从封采转换接头4的上表面的多个出油孔流出后，进入采油环空20。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置，其特征在于，包括：
海上生产平台(1)；
油气开采系统(2)，包括中套管(21)和采油管(23)，所述中套管(21)的上端与所述海上生产平台(1)的底面连接，所述中套管(21)的下端与所述采油管(23)的出油端对接；
二氧化碳封存系统(3)，包括二氧化碳捕集箱(31)、超临界二氧化碳储存罐(32)和超临界二氧化碳封存管(34)，所述二氧化碳捕集箱(31)和所述超临界二氧化碳储存罐(32)设置于所述海上生产平台(1)上且两者通过管道相连通；超临界二氧化碳封存管(34)的进液端与所述超临界二氧化碳储存罐(32)相连通，所述超临界二氧化碳封存管(34)的末端上设置有滤孔，所述超临界二氧化碳封存管(34)水平设置于海床的盐水层；
封采转换接头(4)，所述封采转换接头(4)顶端小、底端大，呈圆台形，且所述封采转换接头(4)内部设置有一个超临界二氧化通道和多个油气通道；
所述封采转换接头(4)的上表面的中心位置设置有一个与超临界二氧化碳注入管(33)的底端对接的超临界二氧化碳进口，所述封采转换接头(4)的下表面偏离中心位置设置有一个与超临界二氧化碳封存管(34)的顶端对接的超临界二氧化碳出口，所述超临界二氧化碳进口和所述超临界二氧化碳出口在所述封采转换接头(4)的内部相连通形成所述超临界二氧化通道；所述封采转换接头(4)的下表面的中心位置设置有一个与采油管(23)的出油端对接的进油孔，所述封采转换接头(4)的上表面的边缘环向设置有与采油环空(20)对接的多个出油孔，所述进油孔与多个所述出油孔相连通分别形成多个所述油气通道；
所述中套管(21)的底端与所述采油管(23)的出油端以及所述超临界二氧化碳注入管(33)的底端与所述超临界二氧化碳封存管(34)的顶端通过封采转换接头(4)对接在一起；
其中，在采油管(23)于海底开采到的石油、天然气，通过采油环空(20)输送至海上生产平台(1)的过程中，海上生产平台(1)上的二氧化碳气体被二氧化碳捕集箱(31)捕集和转换后，通过超临界二氧化碳储存罐(32)储存，再由超临界二氧化碳封存管(34)运送至海底封存同步进行。
2.根据权利要求1所述的海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置，其特征在于，所述二氧化碳封存系统(3)还包括超临界二氧化碳注入管(33)，超临界二氧化碳注入管(33)竖直穿设于所述中套管(21)内部形成采油环空(20)，超临界二氧化碳注入管(33)的顶端与所述海上生产平台(1)的底面连接并与所述超临界二氧化碳储存罐(32)相连通；
所述采油环空(20)与所述采油管(23)之间、所述超临界二氧化碳注入管(33)与所述超临界二氧化碳封存管(34)之间相连通。
3.根据权利要求2所述的海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置，其特征在于，还包括外套管(5)，所述外套管(5)包括竖直部和水平部，所述外套管(5)的竖直部和水平部垂直连接一体成型；
所述外套管(5)的竖直部套设在中套管(21)、封采转换接头(4)和采油管(23)的外侧，所述外套管(5)的水平部套设在超临界二氧化碳封存管(34)的外侧。
4.根据权利要求3所述的海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置，其特征在于，所述超临界二氧化碳封存管(34)上设置有封存管单流阀(35)。
5.根据权利要求3所述的海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步装置，其特征在于，所述外套管(5)的竖直部与所述中套管(21)之间设置有中套管封隔器(51)，所述外套管(5)的水平部与所述超临界二氧化碳封存管(34)之间设置有封存管封隔器(52)，所述中套管封隔器(51)和所述封存管封隔器(52)上设置有多个电缆孔。
6.一种海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步方法，采用权利要求1至5任一所述海上油田开采与超临界二氧化碳封存装置，其特征在于，在采油管(23)于海底开采到的石油、天然气，向上通过封采转换接头(4)进入采油环空(20)，最后向上输送至海上生产平台(1)被保存的过程中，该方法还同步进行以下步骤：
步骤A：二氧化碳捕集箱(31)捕集海上生产平台(1)上因生产和生活活动而排放的二氧化碳气体，并将捕集的二氧化碳气体转换为超临界态二氧化碳液体输送至超临界二氧化碳储存罐(32)；
步骤B：超临界态二氧化碳液体储存在超临界二氧化碳储存罐(32)；
步骤C：存储在超临界二氧化碳储存罐(32)内的超临界态二氧化碳液体向下流入至超临界二氧化碳注入管(33)内；
步骤D：超临界态二氧化碳液体通过封采转换接头(4)流入至超临界二氧化碳封存管(34)；
步骤E：超临界态二氧化碳液体从超临界二氧化碳封存管(34)的滤孔流出后于海床的盐水层封存。
7.根据权利要求6所述的海上油田开采与超临界二氧化碳封存的同步方法，其特征在于，所述步骤B的超临界态二氧化碳液体还包括通过运输船或运输管道从陆地输送待封存的超临界二氧化碳液体至海上生产平台(1)，并保存至超临界二氧化碳储存罐(32)内的超临界态二氧化碳液体。
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