CN114575800A - 一种烟道气就地深地超临界封存方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于二氧化碳地质封存技术领域，是一种烟道气就地深地超临界封存方法；在距离烟道气排放口地表10km范围内的区域钻井；将烟道气升压后沿钻井注入深地内的封存层后进行封闭；所述封存层距离地表的深度＞2000米；所述封存层是深地内部的关键岩层；本发明使烟道气以超临界状态稳定就近封存于2000m深地以下，达到封存效果长期、安全、有效的目的；本方法采用电厂附近烟道气的“就地深地”注入方式，不需要对CO₂进行“捕集‑提纯‑运输”流程及相关技术设备投入，简化了注入环节，大大节约了运营成本。

Description

一种烟道气就地深地超临界封存方法

技术领域

本发明属于二氧化碳地质封存技术领域，涉及一种烟道气就地深地超临界封存方法。

背景技术

在当前时期以及之后的相当长一段时间内，化石燃料将继续作为发热以及发电的主导消耗品。然而在使用化石燃料进行发热发电的过程中，其所带来的空气污染以及温室效应也是我们所不能忽视的关键问题。对于全球变暖以及温室效应的有效解决方法便是减少CO₂的排放或对CO₂进行封存。碳捕集、利用和封存技术（CCUS）成为当下研究热点。CCUS技术一般包括四个基本流程: ①捕集工艺流程；②提纯压缩工艺流程；③运输流程；④地质封存工艺流程。

研究表明，在全球的CO₂排放中，电厂是最大也是最集中的排放源，而电厂中所产生的烟道气更是CO₂长期稳定的排放源。因此，对电厂所产生的烟道气中的CO₂捕集、利用和封存便显得尤为重要，只有实现电力行业碳排放的有效地质封存，才能真正实现双碳目标。

目前，我们经常所使用的电厂烟道气中CO₂的捕集技术通常为MEA法、吸附法、膜分离法、电化学法等。但是这些方法在实际应用中都存在着或多或少的缺陷，而且成本极高。比如，MEA法作为一种化学吸收法，吸收率较低仍具有很大的进步空间，对设备的腐蚀程度也相当的高，对吸收剂进行再生时能耗较大；使用吸附法对烟道气中的CO₂进行分离回收，虽然操作简单、能耗较低，但是所需要的吸附剂数量要求相当多，并且由于使用吸附法时吸附解吸频率高，所要求的自动化程度也相对较高；膜分离法主要通过使用不同材料所制成的薄膜，根据不同气体的不同渗透率进行气体分离，其分离效果相当明显，所以长期使用的可靠性也有待研究；电化学法主要是指利用熔融碳酸盐电化学电池对烟道中的CO₂进行分离，其具有碳酸根利用效率高以及能耗低等优点，但是却由于其在高温环境下具有很高的腐蚀性导致操作以及制作都相当困难、并且在高温环境下电解质的隔离以及电极退化也是很为严重的问题。根据《中国二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）报告（2019）》，以燃煤发电厂低浓度CCS示范项目为例，CO₂捕集成本为300～900元/吨。一般，1吨标煤排放CO₂为2.66-2.72吨，按照国内电煤价格500元/吨计算，则1吨标煤产生CO₂的捕集费用远远高于其煤价，进行碳捕集得不偿失。另一方面，围绕碳提纯、压缩及运输所进行的技术设备投入和改造的花费同样巨大。因此，高昂的成本及复杂的工艺环节放慢了CCUS技术大规模商业化进程。

基于此，将电厂烟道气直接就地进行深地封存才是更加现实可行的途径，不仅可以克服CO₂捕集和分离的诸多缺陷，而且省去了CO₂运输装运的成本。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出一种烟道气就地深地超临界封存方法；使烟道气以超临界状态稳定就近封存于2000m深地以下，达到封存效果长期、安全、有效的目的。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

一种烟道气就地深地超临界封存方法，在距离烟道气排放口地表10km范围内的区域钻井；将烟道气升压后沿钻井注入深地内的封存层后进行封闭；所述封存层距离地表的深度＞2000米；所述封存层是深地内部的关键岩层；所述关键岩层是孔隙率为3%~35%、含水率<60%、渗透率＞2×10^-5μm²的地层。

孔隙率处于3%~35%之间，则一立方米地层可封存烟道气的量为55.05kg~385.35kg之间，可以保证较大的封存量；如果孔隙率过大，则吸附性弱，且封存烟道气容易发生泄漏。地层含水率如果高于60%，则会极大压缩地层内封存烟道气的空间，减少封存量。致密矿层的渗透率一般低于2×10^-5μm²，在这种低渗条件下，烟道气从井管压入封存层的阻力较大；而当渗透率高于2×10^-5μm²时，可以保证烟道气压入封存层的技术难度较小，节省压缩成本。

优选的，所述封存层距离地表的深度为5000-7000m。

优选的，从钻井到达的最深封存层向上逐层对不同高度的封存层进行注入和封闭操作。

优选的，当烟道气的注气达到饱和状态时，进行封闭处理。

优选的，所述封存层上方的上顶板和下方的底板岩层均为覆盖层，对于上下相邻的两个封存层，在封闭下部的封存层时，所述的封闭还包括对下部封存层的覆盖层进行封闭，以及包括对上部封存层的底板岩层进行封闭、对上部封存层的底板岩层与下部封存层的上顶板之间的非关键岩层进行封闭。所述非关键层为厚度和岩性不能作为封存层和覆盖层的岩层。

更优的，所述封存层和覆盖层的厚度均＞10m。

更优的，在注气钻井周围不同间距布置小孔径监测井，通过监测封存层和覆盖层的气体压力的变化，判别封存层中的注气饱和程度，并监控覆盖层中的是否存在气体漏失。

优选的，封存的方法为以下三种方法的其中一种：

第一种，直接将压缩后的烟道气沿钻井不间断注入封存层内部；

第二种，在钻井中下放注气中心管，将压缩的烟道气沿着中心管不间断注入封存层内部；

第三种，在地面对烟道气进行升压后，将液态CO₂沿钻井不间断注入封存层内部。

优选的，烟道气注气压力大小根据不同封存层的埋深和岩性进行实时调整，注气压力高于对应封存层的地层原始流体孔隙压力。

优选的，在所述钻井周围布置其它注气钻井，相邻钻井间距＞5km，继续通过其它注气钻井进行烟道气的深地封存。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

1.本方法直接注入的是电厂排放的烟道气，不需要专门实施CO₂的捕集、提纯和运输流程及相关技术设备投入，大大节约了运营成本。

2.本方法采用电厂附近地表10km范围内的“就地”注入方式，不需要对CO₂进行长距离输运，简化了注入环节。

3.本方法采用“深地”注入方式，注入深度超过2000m，地层应力已超过40MPa，并随地层深度的不断增加，地应力不断加大。超高的地应力可以对注入地层的CO₂产生显著的“约束封闭”效应，实现有效应力圈闭，其封存效果长期、安全、有效。另外，相对于浅部地层，一般深部地层的地质构造简单，隐伏断层较少，不易使CO₂发生泄漏；且深部岩层赋存平缓，容易形成大规模、大容级的“封存层”，且深部多层数的“封存层”具有丰富的封存能力。

4.本方法利用了CO₂超临界状态的封存优势。超临界CO₂是指温度和压力均在临界点（31.1℃，73.8MPa）之上的CO₂流体。现有研究证明，封存深度一般超过800m，该深度以上的温压条件可使CO₂处于超临界状态。超临界状态下，CO₂的密度高于一般气态，接近液态，证明其封存量大；粘度比常规液体小，与气体接近，证明其扩散性强；并具有良好的溶解特性和传质特性。

5.采用“深地”注入方式的环境地质危害程度小。CO₂注入深度超过2000m后，已远离人类生活用水的含水层，对浅部水资源体系一般构不成威胁；同时，CO₂“深地”注入方式引起岩层膨胀变形对地表构筑物的影响程度随深度增加而逐渐减弱，这也是采用“深地”注入方式的极大优势。

附图说明

图1是电厂烟道气就地、深地超临界封存方式；

图中标号：1——电厂；2——烟囱；3——过滤器；4——水泵；5——常温水注入口；6——预热水排出口；7——常温水预热器；8——压缩机；9——高压管道；10——浅部地层；11——深部地层；12——套管。

图2是“封存层”和“覆盖层”示意图；

图中标号：13——射孔口；14——注浆封闭段；15——第二非关键岩层；16——覆盖层；17——第一非关键岩层；18——封存层。

图3是第一种封存方法示意图；

图4是第二种封存方法示意图；

图中标号：19——中心管；20——背压阀；21——地面。

图5是第三种封存方法示意图；

图中标号：22——压缩机。

图6是井网布置示意图；

图中标号：23——其他注气钻井。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

实施例1

一种电厂烟道气就地、深地超临界封存的方法，如图1、2、3、6所示，其具体步骤如下：

1）在不影响电厂正常发电和电力设施安全稳定的条件下，就近在电厂区域1内一定范围的空旷场地实施深地钻井，钻井深度超过2000m，目标井深达到5000m～7000m，完井后在井眼内安装套管12并固井。

2）对钻井中超过2000m的不同地层的岩芯进行取样，实验测定不同层位岩石的孔隙率、渗透率、含水率、气体吸附/解吸率及力学强度参数，并结合地层赋存相关地质水文条件（厚度、倾角、含水量和断层特征），通过综合评估、分析和筛选，将深部钻井内的关键岩层作为烟道气的“封存层”18和“覆盖层”16，并确定具体数量和位置。并对套管12的“封存层”位置进行射孔处理，形成射孔口13。

3）将电厂2排放的烟道气（主要成分：CO₂和N₂）进行颗粒物的过滤，进而与发电用水7进行冷却循环降温。

4）在地面利用压缩机8对降温后的烟道气进行压缩升压，压力大小根据不同“封存层”的埋深和岩性进行实时调整，且应高于对应“封存层”的地层原始流体孔隙压力。通过射孔口13，直接将压缩后的烟道气沿钻井不间断注入“封存层”内部，从而进行深地封存。

5）不同位置的“封存层”采用上行注入的方式，当最底部的“封存层”的注气过程达到一定饱和压力值后，在钻井内对其“封存层”和“覆盖层”位置进行注水泥浆封闭形成注浆封闭段14或下放高压封隔器，继续对上部其它“封存层”实施烟道气注入过程。

6）在注气钻井周围不同间距布置小孔径监测井，通过监测“封存层”和“覆盖层”的气体压力的变化，判别“封存层”中的注气饱和程度，并监控“覆盖层”中的是否存在气体漏失。

7）当监测井判别全部“封存层”达到注气饱和后，在该注气钻井周围布置其它注气钻井23，相邻钻井间距大于5km，继续通过其它钻井进行烟道气的深地封存。

实施例2

一种电厂烟道气就地、深地超临界封存的方法，如图1、2、4、6所示，其具体步骤如下：

1）在不影响电厂正常发电和电力设施安全稳定的条件下，就近在电厂区域1内一定范围的空旷场地实施深地钻井，钻井深度超过2000m，目标井深达到5000m～7000m，完井后在井眼内安装套管12并固井。

2）对钻井中超过2000m的不同地层的岩芯进行取样，实验测定不同层位岩石的孔隙率、渗透率、含水率、气体吸附/解吸率及力学强度参数，并结合地层赋存相关地质水文条件（厚度、倾角、含水量和断层特征），通过综合评估、分析和筛选，将深部钻井内的关键岩层作为烟道气的“封存层”18和“覆盖层”16，并确定具体数量和位置。并对套管12的“封存层”位置进行射孔处理，形成射孔口13。

3）将电厂2排放的烟道气（主要成分：CO₂和N₂）进行颗粒物的过滤，进而与发电用水7进行冷却循环降温。

4）在地面利用压缩机8对降温后的烟道气进行压缩升压，压力大小根据不同“封存层”的埋深和岩性进行实时调整，且应高于对应“封存层”的地层原始流体孔隙压力。

5）在钻井中下放注气中心管19，中心管19和套管12间设置分隔器，并在分隔器上安装背压阀20。通过射孔口13，将压缩的烟道气沿着中心管19不间断注入“封存层”内部，利用地层对超临界CO₂的强吸附性特点进行CO₂和N₂的分离，分离后的N₂由背压阀20排出，背压阀20为间歇式开启模式，并沿中心管和套管间隙输送至地表排空。

6）不同位置的“封存层”采用上行注入的方式，当最底部的“封存层”的注气过程达到一定饱和压力值后，在钻井内对其“封存层”和“覆盖层”位置进行注水泥浆封闭形成注浆封闭段14或下放高压封隔器，继续对上部其它“封存层”实施烟道气注入过程。

7）在注气钻井周围不同间距布置小孔径监测井，通过监测“封存层”和“覆盖层”的气体压力的变化，判别“封存层”中的注气饱和程度，并监控“覆盖层”中的是否存在气体漏失。

8）当监测井判别全部“封存层”达到注气饱和后，在该注气钻井周围布置其它注气钻井23，相邻钻井间距大于5km，继续通过其它钻井进行烟道气的深地封存。

实施例3

一种电厂烟道气就地、深地超临界封存的方法，如图1、2、5、6所示，其具体步骤如下：

1）在不影响电厂正常发电和电力设施安全稳定的条件下，就近在电厂区域1内一定范围的空旷场地实施深地钻井，钻井深度超过2000m，目标井深达到5000m～7000m，完井后在井眼内安装套管12并固井。

2）对钻井中超过2000m的不同地层的岩芯进行取样，实验测定不同层位岩石的孔隙率、渗透率、含水率、气体吸附/解吸率及力学强度参数，并结合地层赋存相关地质水文条件（厚度、倾角、含水量和断层特征），通过综合评估、分析和筛选，将深部钻井内的关键岩层作为烟道气的“封存层”18和“覆盖层”16，并确定具体数量和位置。并对套管12的“封存层”位置进行射孔处理，形成射孔口13。

3）将电厂2排放的烟道气（主要成分：CO₂和N₂）进行颗粒物的过滤，进而与发电用水7进行冷却循环降温。

4）在地面利用压缩机22对降温后的烟道气进行压缩升压，气态N₂从液态CO₂中分离，通过射孔口13，将液态CO₂从压缩机下部阀门抽出后沿钻井不间断注入“封存层”内部，气态N₂由压缩机上部阀门排空。

5）不同位置的“封存层”采用上行注入的方式，当最底部的“封存层”的注气过程达到一定饱和压力值后，在钻井内对其“封存层”和“覆盖层”位置进行注水泥浆封闭形成注浆封闭段14或下放高压封隔器，继续对上部其它“封存层”实施烟道气注入过程。

6）在注气钻井周围不同间距布置小孔径监测井，通过监测“封存层”和“覆盖层”的气体压力的变化，判别“封存层”中的注气饱和程度，并监控“覆盖层”中的是否存在气体漏失。

7）当监测井判别全部“封存层”达到注气饱和后，在该注气钻井周围布置其它注气钻井23，相邻钻井间距大于5km，继续通过其它钻井进行烟道气的深地封存。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种烟道气就地深地超临界封存方法，其特征在于，在距离烟道气排放口地表10km范围内的区域钻井；将烟道气升压后沿钻井注入深地内的封存层后进行封闭；所述封存层距离地表的深度＞2000米；所述封存层是深地内部的关键岩层；所述关键岩层是孔隙率为3%~35%、含水率<60%、渗透率＞2×10^-5μm²的地层。

2.根据权利要求1所述的一种烟道气就地深地超临界封存方法，其特征在于，所述封存层距离地表的深度为5000-7000m。

3.根据权利要求1所述的一种烟道气就地深地超临界封存方法，其特征在于，从钻井到达的最深封存层向上逐层对不同高度的封存层进行注入和封闭操作。

4.根据权利要求1或3所述的一种烟道气就地深地超临界封存方法，其特征在于，当烟道气的注气达到饱和状态时，进行封闭处理。

5.根据权利要求3所述的一种烟道气就地深地超临界封存方法，其特征在于，所述封存层的上顶板和底板岩层均为覆盖层，对于上下相邻的两个封存层，在封闭下部的封存层时，所述的封闭还包括对下部封存层的覆盖层进行封闭，以及包括对上部封存层的底板岩层进行封闭、对上部封存层的底板岩层与下部封存层的上顶板之间的非关键岩层进行封闭。

6.根据权利要求5所述的一种烟道气就地深地超临界封存方法，其特征在于，所述封存层和覆盖层的厚度均＞10m。

7.根据权利要求5所述的一种烟道气就地深地超临界封存方法，其特征在于，在注气钻井周围不同间距布置小孔径监测井，通过监测封存层和覆盖层的气体压力的变化，判别封存层中的注气饱和程度，并监控覆盖层中的是否存在气体漏失。

8.根据权利要求1所述的一种烟道气就地深地超临界封存方法，其特征在于，封存的方法为以下三种方法的其中一种：

第一种，直接将压缩后的烟道气沿钻井不间断注入封存层内部；

第二种，在钻井中下放注气中心管，将压缩的烟道气沿着中心管不间断注入封存层内部；

第三种，在地面对烟道气进行升压后，将液态CO₂沿钻井不间断注入封存层内部。

9.根据权利要求1所述的一种烟道气就地深地超临界封存方法，其特征在于，烟道气注气压力大小根据不同封存层的埋深和岩性进行实时调整，注气压力高于对应封存层的地层原始流体孔隙压力。

10.根据权利要求1所述的一种烟道气就地深地超临界封存方法，其特征在于，在所述钻井周围布置其它注气钻井，相邻钻井间距＞5km，继续通过其它注气钻井进行烟道气的深地封存。

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