CN117307121B - 超临界co2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,涉及干热岩资源开采技术领域。布置CO2注入井,并在注入井周围等间距布置四个抽采井,同时在注入井和抽采井之间布置多个交错设置的水平井;在注入井水平段利用超临界CO2作为压裂液并混合支撑剂进行双向分段压裂,使CO2注入井与抽采井间形成沟通有效的人工裂缝通道网络;利用CO2注入井水平井流经高温干热岩储层裂缝吸收热量,通过抽采井输送到地面传热管路进入发电装置发电,换热完成后降温的CO2气体重新泵入到注入井,实现循环采热利用;其有效避免水资源浪费和环境污染,压裂后使用支撑剂减小裂缝闭合,支撑剂内部包裹生石灰,更加有效地将干热岩采热和CO2地质封存相结合。
Description
技术领域
本发明涉及一种超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,属于深部完整储层的干热岩高效开采技术领域。
背景技术
在众多新能源中地热能尤其是深部干热岩型地热能具有稳定性好、分布广、不受季节/昼夜限制、利用率高、绿色环保等优点,受到了广泛关注。
因为深部干热岩储层埋深大,低孔隙度和低渗透性且缺少流体,所以开发干热岩中的地热资源时,必须通过大型水力压裂形成具有换热工质流动通道的增强型地热系统(Enhanced Geothermal System),水具有高热容、高导热性等优良热力学性质,是目前干热岩资源开发首选的换热工质,在世界范围内取得了一定的成功实践,但是该方法仍然存在一定的不足:1.该方法通过水力压裂改造储层及利用水作为采热工质取热时,会消耗大量水资源,引起水污染,损害地热储层,还会带来管线结垢等严重问题;2.现有的EGS工程选址多倾向于裂隙发育的地层,使水力裂缝尽可能沟通天然裂缝形成最大限度的裂缝网络,例如法国Soultz工程,但这大大地限制了干热岩开采的范围,遇断层发育地带,更容易诱发地震;3.地热储层经水力压裂改造后多产生单一裂缝,不易形成有效沟通的体积缝网,很难做到高效采热;4.目前的注采垂直对井的压裂难度大,规模有限,不易形成有效沟通的体积缝网。另公开号为CN114033346A公开了采用二氧化碳作为传热介质进行地热开采的方法,其虽然采用无水压裂,但需要向井内设置CO2相变致裂器进行致裂,而CO2相变致裂器投放、安装和回收相对困难,且其所提出的CO2自然封存量有限。
因此,针对目前深部裂隙不发育的完整储层干热岩,如何能提供一种无水压裂的方法,避免水资源浪费和环境污染,在完整干热岩储层中形成有效沟通的复杂体积缝网的情况下,实现深部干热岩地热资源的高效开采和CO2封存相结合,为推动干热岩商业利用发展提供一种新的研究思路。
发明内容
技术问题:针对上述存在的技术不足,本发明的实施要克服传统水力压裂难以在完整干热岩储层中形成有效沟通的体积缝网,及干热岩型地热开采水循环取热效率低、消耗量大和环境污染严重等问题,提供一种超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,保证深部干热岩地热资源的高效开采,并实现CO2有效封存。
技术方案:为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,包括以下步骤:
S1、钻设注入井和生产井:确定目标开采区域,在干热岩地热储层赋存区域的地面利用钻机向下垂直钻设注入井和抽采井,其中抽采井等间距布置在注入井的四周;注入井和抽采井均穿过上覆岩层直至干热岩储层,四个抽采井位于干热岩储层内的部分,从钻孔端部起位于三个不同水平高度均指向抽采井钻井钻设抽采井水平钻孔,且抽采井水平钻孔的端部不与注入井接触,从低到高的抽采井水平钻孔分别为第一抽采水平井组、第二抽采水平井组和第三抽采水平井组;注入井位于干热岩储层内的部分从钻孔端部起不同水平高度钻指向四个抽采井设置两组注入井水平钻井,注入井水平钻井端部不与抽采井接触,从低到高的水平钻孔分别为第一注入水平井组、第二注入水平井组,其中第一注入水平井组、第二注入水平井组与第一抽采水平井组、第二抽采水平井组、第三抽采水平井组三者水平且等间距设置;
S2、注入井水平井组逐段压裂:利用CO2高压注入泵将车载式CO2储罐中的CO2混合支撑剂作为压裂液以通过绝热注气管(5)连续注入方式注入到注入井中,支撑剂中包含大量高强度颗粒物,注入注入井内的CO2气体随着井深的增加,温度和压力不断增大,达到阈值温压条件后,注入井中的CO2发生相变成为超临界状态CO2,即ScCO2;阈值温压条件为温度大于31℃,压力大于7.38MPa;利用定向钻连接压裂钻具依次对第一注入水平井组和第二注入水平井组各水平井眼进行射孔分段超临界CO2压裂,在干热岩储层中压裂出干热岩储层裂缝,所述干热岩储层裂缝形成复杂的体积缝网,通过体积缝网将第一注入水平井组、第二注入水平井组和第一抽采水平井组、第二抽采水平井组、第三抽采水平井组相互连通;从而沟通注入井与抽采井形成热交换的渗流通道,采用井中微地震压裂监测方法评价干热岩地热储层中干热岩储层裂缝产生的情况;当压裂完成后停止CO2注入,井中流体压力消除后,支撑剂中的高强度颗粒物充填在体积缝网中,使体积缝网保持打开状态,增大裂缝导流能力,提高采热效率;
S3、CO2循环采热:再次利用CO2高压注入泵将车载式CO2储罐中的CO2气体作为采热工作液以通过绝热注气管(5)以连续注入方式注入注入井中,注入注入井中的气态CO2达到阈值温压条件后发生相变成为超临界状态CO2,并通过第一注入水平井组(20)和第二注入水平井组(21)流经高温干热岩储层裂缝吸收热量,再经过第一抽采水平井组、第二抽采水平井组、第三抽采水平井组到达抽采井,抽采井井口通过绝热抽采管与换热器相连,进入换热器的超临界状态CO2在换热器内经过辐射换热将释放出来的热量通过传热管路进入发电装置进行发电,释热完成后降温的CO2气体通过输送管路输送到CO2高压注入泵,重新注入到CO2注入井中进行循环采热利用,形成闭环。
进一步,第一注入水平井组的埋深在3000m~4000m;第二注入水平井组的埋深在第一注入水平井组的上方120m~160m,第一注入水平井组和第二注入水平井组的钻井长度均处在150m~200m;抽采井钻孔底部比注入井深60m~80m;第一注入水平井组、第二注入水平井组与第一抽采水平井组的长度均为150m~200m,第一注入水平井组、第二注入水平井组与第一抽采水平井组之间的高度间距均为120m~160m。
进一步,所述四个抽采井分布在以注入井为圆心、一定距离为半径的圆周上,半径长度处在200~250m范围,且四个抽采井均处在圆周上。
进一步,所述注入井在设置有CO2注入井技术套管,靠近井口设置有CO2注入井表层套管,在注入井井口装有用来封堵井口压力的第一耐高温压封堵器;所述绝热注气管穿过第一耐高温压封堵器伸入竖井内。
进一步,所述抽采井设有地热抽采井技术套管,靠近井口设置有地热抽采井表层套管,在抽采井井口装有用来封堵抽采井井口压力的第二耐高温压封堵器;所述绝热抽采管(6)穿过第二耐高温压封堵器伸入竖井内。
进一步,第一耐高温压封堵器和第二耐高温压封堵器最大耐受温度为400℃,最大耐受压力为160MPa。
进一步,CO2高压注入泵的CO2注入压力控范围为5~60MPa,注入流量范围为1~15L/min。
进一步,所述支撑剂中的高强度颗粒物为高强陶瓷颗粒,高强陶瓷颗粒为铝矾土粉末制粒烧结而成,高强陶瓷颗粒内包裹有生石灰CaO,高强陶瓷颗粒表面涂覆有提高强度和导流性能的树脂,支撑剂中的高强陶瓷颗粒在压裂过程随同高压CO2流体进入地层充填在岩层裂隙中,起到支撑裂隙的作用,从而保持高导流能力,提高采热效率;当高强陶瓷颗粒因裂隙压力过大在干热岩储层裂缝尖端破碎时,内部生石灰暴露,与CO2反应形成碳酸钙CaCO3固体,使得部分CO2矿化固结在干热岩储层裂缝中,实现了CO2的地质封存。
进一步,在循环过程中,由于不断有CO2矿化固结遗留在干热岩储层中,需要定期向循环系统补给CO2,避免循环流量下降,采热效率降低。
通过采用上述技术方案,本发明具有如下有益技术效果:
1)利用多分支水平井双向压裂可以增大压裂体积,多分支水平井采热可以增加采热面积,避免双直井长距离压裂时无法有效沟通裂缝的难题,降低压裂难度,通过分段体积压裂更易形成的复杂的体积缝网。
2)由于ScCO2具有高密度、低粘度、高扩散系数和低表面张力的特点,使得岩石具有相对较低的起裂应力,更容易渗透到微小的裂缝和孔隙中,有助于形成复杂的裂缝网络,使得深部裂隙不发育的完整储层干热岩形成沟通有效的体积裂缝,干热岩开采不受需原生裂隙发育的限制;
3)使用ScCO2作为采热工作液时具有更高的质量流量,在相同的注采压差下,总热提取率达到水的1.6倍左右,由于具有摩阻系数低、扩散能力强、渗透能力强等特点,ScCO2更容易渗透到微小的裂缝和孔隙中,增大干热岩储层的渗流面积进而增大了采热效率,另外ScCO2流动性和注入能力更强,泵送所需的外部功率显著降低;
4)当从井中除去流体压力时,压裂裂缝会逐渐闭合,压裂后使用支撑剂减小裂缝闭合,维持取热面积,增大采热效率。通过支撑剂内部石灰与CO2反应,使得部分CO2遗留在地层中,更加有效地实现了CO2的地质封存。
5)使用无水压裂和无水采热避免水资源消耗,避免水污染,减小损害地热储层,同时可消除地表水管、热交换器等设备发生的管线结垢问题。
附图说明
图1是本发明超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法的实施示意图;
图2是本发明实施时地面CO2注入井与地热抽采井井口位置示意图;
图3是本发明中第一注入水平井组的俯视图;
图4是本发明的裂隙网络结构局部示意图。
图中:1-车载式CO2储罐;2-CO2高压注入泵;3-换热器;4-发电系统;5-绝热注气管;6-绝热抽采管;7-CO2输送管路;8-上覆岩层;9-干热岩储层;10-CO2注入井;11-地热抽采井;12-CO2注入井表层套管;13-地热抽采井表层套管;14-CO2注入井技术套管;15-地热抽采井技术套管;16-第一耐高温压封堵器;17-注入井流体运移方向;18-抽采井流体运移方向;19-第二耐高温压封堵器;20-第一注入水平井组;21-第二注入水平井组;22-第一抽采水平井组;23-第二抽采水平井组;24-第三抽采水平井组;25-裂隙网络;26-支撑剂;27-地面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
如图1所示,本发明的一种超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,具体实施方式如下:
S1.确定目标开采区域,在干热岩地热储层9赋存区域的地面27利用钻机向下垂直钻设,依次穿过上覆岩层8和干热岩储层9分别形成注入井10和四个抽采井11,四个抽采井分布在以注入井10为圆心、一定距离为半径的圆周上,半径长度处在200~250m范围,且四个抽采井均处在圆周上图2;
S2.注入井10在上覆岩层8钻进过程中依次下表层套管12和技术套管14,在干热岩储层9采用裸眼钻进,减少下套管的步骤,只需要布置CO2注入井表层套管12和CO2注入井技术套管14,低开采成本,钻设至预设垂直埋深3000~4000m后,利用定向钻头从竖井井底沿四个相互垂直方向钻设四个水平钻井,钻井长度均处在150~200m范围,作为第一注入水平井组20,结构如图3所示,然后在第一注入水平井组20上方一段距离,高度处在120~160m范围,利用定向钻头在同一水平面从竖井沿四个相互垂直方向钻设四个水平钻井,作为第二注入水平井组21并在退钻时排渣排浆;
S3.钻设注入井和生产井完成后,在注入井10竖直井口安装第一耐高温压封堵器16,用来封堵井口压力,绝热注气管5穿过第一耐高温压封堵器16伸入竖井内。最大耐受温度为400℃,最大耐受压力为160MPa;
S4.抽采井11在上覆岩层8钻进过程中依次下地热抽采井表层套管13和地热抽采井技术套管15,在干热岩储层9采用裸眼钻进,钻设至注入井10下方一段距离后,长度处在60~80m范围,利用定向钻头从竖井井底垂直注入井10方向钻设水平钻井,钻井长度均处在150~200m范围,作为第一抽采水平井组22,然后在第一抽采水平井组22上方一段距离,长度处在120~160m范围,利用定向钻头从竖井沿垂直注入井10方向钻设水平钻井,作为第二抽采水平井组23,然后在第二注入水平井组23上方一段距离,长度处在120~160m范围,利用定向钻头从竖井沿垂直注入井10方向钻设水平钻井,作为第三注入水平井组24并在退钻时排渣排浆。在抽采井11在钻设注入井和生产井完成后在井口处安装第二耐高温压封堵器19,用来封堵抽采井11井口压力,绝热抽采管6穿过第四耐高温压封堵器19伸入竖井内。
S5.利用CO2高压注入泵2将车载式CO2储罐1中的CO2混合支撑剂26作为压裂液通过绝热注气管5以连续注入方式注入到CO2注入井10中,CO2高压泵的注入压力可控范围为5~60MPa,注入流量范围为1~15L/min。注入CO2随着注入井深的增加,当温度大于31℃,压力大于7.38MPa时,井下CO2发生相变成为ScCO2,利用定向钻连接压裂钻具依次对第一注入水平井组20和第二注入水平井组21各水平井眼进行射孔分段超临界CO2压裂,压裂生成的裂隙沟通第一抽采水平井组22、第二抽采水平井组23、第三抽采水平井组24,在干热岩储层9中压裂出复杂的体积缝网,沟通注入井10与抽采井11形成热交换的渗流通道,采用井中微地震压裂监测方法评价干热岩地热储层9中体积裂缝产生的情况,如图4所示;
S6.当压裂完成后停止CO2注入,井中流体压力被除去时,颗粒状支撑剂26充填在岩层裂隙中,使裂缝保持打开状态,增大裂缝导流能力,提高采热效率。支撑剂26采用高强陶瓷颗粒,其内部包裹生石灰,当支撑剂在干热岩储层裂缝25尖端破碎时,内部生石灰暴露,与CO2反应固化,反应方程式为:
CaO+CO2→CaCO31
使得部分CO2遗留在地层中,实现了CO2的地质封存;
支撑剂26中的高强陶瓷颗粒只会在裂隙尖端支撑裂隙时受到裂隙闭合应力作用而发生破裂,这是会堆积在裂隙尖端,并不会堵塞裂隙,堆积裂缝尖端对采热效率虽然会产生一定影响,但综合其提升采热效率的作用,整体上可以忽略。在裂缝通道堆积的支撑剂,可以采用加大注入压裂使得支撑剂被驱赶到裂缝尖端,也只有在裂缝尖端支撑剂才能发挥出效果。
S7.再次利用CO2高压注入泵2将车载式CO2储罐1中的CO2气体作为采热工作液通过绝热注气管5以连续注入方式注入到CO2注入井10中,CO2以超临界状态顺着注入井10连接的第一注入水平井组20、第二注入水平井组21以注入井流体运移方向17,进行流动,并在流经高温干热岩储层裂缝25时吸收热量,之后进入第一抽采水平井组22、第二抽采水平井组23、第三抽采水平井24以抽采井流体运移方向18到达抽采井11,抽采井11井口通过绝热抽采管6与换热器3相连,超临界状态的CO2在换热器3内经过辐射换热将分离出来的热量通过传热管路进入发电装置4进行发电,换热完成后降温的CO2气体通过输送管路7输送到CO2高压注入泵2,重新注入到CO2注入井10中进行循环采热利用,形成一个闭环的开采干热岩地热资源的系统。
在循环过程中,由于不断有CO2矿化固结遗留在干热岩储层中,定期向循环系统补给CO2,避免循环流量下降,采热效率降低。
上述CO2高压注入泵2、换热器3、发电系统4、绝热注气管5、绝热抽采管6、CO2输送管路7、第一耐温压封隔器16、第二耐温压封隔器19均为现有设备或材料,可在市场购买获得,所述支撑剂(26)为高强陶瓷颗粒,其以铝矾土为原料,通过粉末制粒,烧结而成,具有耐高温、耐高压、耐腐蚀、高强度、高导流能力、低密度等特点,在烧制过程中,添加生石灰颗粒,这样陶粒支撑剂内部就包裹着生石灰CaO,并在陶粒支撑剂表面涂覆树脂,能够进一步提高支撑剂的强度和导流性能;其在压裂过程随同高压CO2流体进入地层充填在岩层裂隙中,起到支撑裂隙的作用,从而保持高导流能力,提高采热效率;当支撑剂因裂隙压力过大在干热岩储层裂缝(25)尖端破碎时,内部生石灰暴露,与CO2反应,使得部分CO2遗留在地层中,实现了CO2的地质封存。所述包裹生石灰的支撑剂在现有支撑剂生产工艺上改进获得,即加一道添加生石灰的生产工序,可以进行大批量生产。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、钻设注入井和生产井:确定目标开采区域,在干热岩储层(9)赋存区域的地面(27)利用钻机向下垂直钻设注入井(10)和抽采井(11),其中抽采井(11)等间距布置在注入井(10)的四周;注入井(10)和抽采井(11)均穿过上覆岩层(8)直至干热岩储层(9),四个抽采井(11)位于干热岩储层(9)内的部分,从钻孔端部起位于三个不同水平高度均指向抽采井(11)钻井钻设抽采井水平钻孔,且抽采井水平钻孔的端部不与注入井(10)接触,从低到高的抽采井水平钻孔分别为第一抽采水平井组(22)、第二抽采水平井组(23)和第三抽采水平井组(24);注入井(10)位于干热岩储层(9)内的部分从钻孔端部起不同水平高度钻指向四个抽采井(11)设置两组注入井水平钻井,注入井水平钻井端部不与抽采井(11)接触,从低到高的水平钻孔分别为第一注入水平井组(20)、第二注入水平井组(21),其中第一注入水平井组(20)、第二注入水平井组(21)与第一抽采水平井组(22)、第二抽采水平井组(23)、第三抽采水平井组(24)三者水平且等间距设置;
S2、注入井水平井组逐段压裂:利用CO2高压注入泵(2)将车载式CO2储罐(1)中的CO2混合支撑剂(26)作为压裂液以通过绝热注气管(5)连续注入方式注入到注入井(10)中,支撑剂(26)中包含大量高强度颗粒物,注入注入井(10)内的CO2气体随着井深的增加,温度和压力不断增大,达到阈值温压条件后,注入井(10)中的CO2发生相变成为超临界状态CO2,即ScCO2;阈值温压条件为温度大于31℃,压力大于7.38MPa;利用定向钻连接压裂钻具依次对第一注入水平井组(20)和第二注入水平井组(21)各水平井眼进行射孔分段超临界CO2压裂,在干热岩储层(9)中压裂出干热岩储层裂缝(25),所述干热岩储层裂缝(25)形成复杂的体积缝网,通过体积缝网将第一注入水平井组(20)、第二注入水平井组(21)和第一抽采水平井组(22)、第二抽采水平井组(23)、第三抽采水平井组(24)相互连通;从而沟通注入井(10)与抽采井(11)形成热交换的渗流通道,采用井中微地震压裂监测方法评价干热岩储层(9)中干热岩储层裂缝(25)产生的情况;当压裂完成后停止CO2注入,井中流体压力消除后,支撑剂(26)中的高强度颗粒物充填在体积缝网中,使体积缝网保持打开状态,增大裂缝导流能力,提高采热效率;
S3、CO2循环采热:再次利用CO2高压注入泵(2)将车载式CO2储罐(1)中的CO2气体作为采热工作液以通过绝热注气管(5)以连续注入方式注入注入井(10)中,注入注入井(10)中的气态CO2达到阈值温压条件后发生相变成为超临界状态CO2,并通过第一注入水平井组(20)和第二注入水平井组(21)流经高温干热岩储层裂缝(25)吸收热量,再经过第一抽采水平井组(22)、第二抽采水平井组(23)、第三抽采水平井组(24)到达抽采井(11),抽采井(11)井口通过绝热抽采管(6)与换热器(3)相连,进入换热器(3)的超临界状态CO2在换热器(3)内经过辐射换热将释放出来的热量通过传热管路进入发电装置(4)进行发电,释热完成后降温的CO2气体通过输送管路(7)输送到CO2高压注入泵(2),重新注入到CO2注入井(10)中进行循环采热利用,形成闭环;
所述支撑剂(26)中的高强度颗粒物为高强陶瓷颗粒,高强陶瓷颗粒为铝矾土粉末制粒烧结而成,高强陶瓷颗粒内包裹有生石灰CaO,高强陶瓷颗粒表面涂覆有提高强度和导流性能的树脂,支撑剂(26)中的高强陶瓷颗粒在压裂过程随同高压CO2流体进入地层充填在岩层裂隙中,起到支撑裂隙的作用,从而保持高导流能力,提高采热效率;当高强陶瓷颗粒因裂隙压力过大在干热岩储层裂缝(25)尖端破碎时,内部生石灰暴露,与CO2反应形成碳酸钙CaCO3固体,使得部分CO2矿化固结在干热岩储层裂缝(25)中,实现了CO2的地质封存;
在循环过程中,由于不断有CO2矿化固结遗留在干热岩储层中,需要定期向循环系统补给CO2,避免循环流量下降,采热效率降低。
2.根据权利要求1所述的超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,其特征在于,第一注入水平井组(20)的埋深在3000m~4000m;第二注入水平井组(21)的埋深在第一注入水平井组(20)的上方120m~160m,第一注入水平井组(20)和第二注入水平井组(21)的钻井长度均处在150m~200m;抽采井(11)钻孔底部比注入井(10)深60m~80m;第一注入水平井组(20)、第二注入水平井组(21)与第一抽采水平井组(22)的长度均为150m~200m,第一注入水平井组(20)、第二注入水平井组(21)与第一抽采水平井组(22)之间的高度间距均为120m~160m。
3.根据权利要求1所述的超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,其特征在于,所述四个抽采井分布在以注入井(10)为圆心、一定距离为半径的圆周上,半径长度处在200~250m范围,且四个抽采井均处在圆周上。
4.根据权利要求1所述的超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,其特征在于,所述注入井(10)在设置有CO2注入井技术套管(14),靠近井口设置有CO2注入井表层套管(12),在注入井(10)井口装有用来封堵井口压力的第一耐高温压封堵器(16);所述绝热注气管(5)穿过第一耐高温压封堵器(16)伸入竖井内。
5.根据权利要求4所述的超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,其特征在于,所述抽采井(11)设有地热抽采井技术套管(15),靠近井口设置有地热抽采井表层套管(13),在抽采井(11)井口装有用来封堵抽采井(11)井口压力的第二耐高温压封堵器(19);所述绝热抽采管(6)穿过第二耐高温压封堵器(19)伸入竖井内。
6.根据权利要求5所述的超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,其特征在于,第一耐高温压封堵器(16)和第二耐高温压封堵器(19)最大耐受温度为400℃,最大耐受压力为160MPa。
7.根据权利要求1所述的超临界CO2闭环开采完整储层干热岩及碳封存的方法,其特征在于,CO2高压注入泵(2)的CO2注入压力控范围为5~60MPa,注入流量范围为1~15L/min。
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