CN117819119A - 一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置及方法，涉及CO2地质封存技术领域；先在距离烟道气排放源由近至远的位置依次布置注入井、监测井和排出井；将注入井、监测井和排出井分别钻进至封存岩层内不同深度；在注入井底端设置水平注入通道；烟道气在封存岩层内运移的过程中，依靠岩石多孔介质对CO2、硫氮化物进行吸附，使其逐渐富集，同时CO2、硫氮化物与岩石中的水分、矿物、生物质发生化学反应后逐渐矿化实现封存；被分离出的N2逐渐向上运移至排出井实现分离；本方法不需要专门实施CO2的地面捕集、运输流程及相关技术设备投入，节约运营成本；封存岩层不受地域限制，适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及CO2地质封存技术领域，涉及一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置及方法。
背景技术
碳捕集、利用与封存（Carbon CaptureUtilization and Storage，简称 CCUS）是指利用各种技术手段将CO2从燃料排放中分离出来，然后将其进行储存或利用的方案。然而，其高昂的成本和技术难度仍然是其发展的主要障碍，导致商业模式不明确，使得其无法在短期内普及。具体在捕集、运输和封存环节均存在致命缺点：1）捕集环节：捕集是CCUS项目成本最高的环节，一般占项目总成本的60%～80%。烟道气中CO2捕集成本为300～900元/吨，1吨标煤排放CO2为2.66～2.72吨，则1吨标煤产生CO2的捕集费用远远高于其煤价，造成目前技术条件进行碳捕集的经济性很差。2）运输环节：CO2运输主要依靠管道输送、罐车和轮船运输方式。其中，长距离管道输送的基础建设费用高，受碳排放源位置和封存位置的空间差异，很难形成管网。罐车和轮船运输需首先将CO2压缩注入罐体，用电成本较高、环节复杂。1吨标煤排放2.66～2.72吨CO2压缩后体积也远远大于原始煤的体积，运输过程还要累加储罐质量，且运输过程需消耗大量汽油、柴油等燃料，其运输费用远远高于运煤费用，涉及环节均是大量产碳的过程，得不偿失。3）封存环节：目前，认为具有优势的CO2地质封存区域为煤层、咸水层和枯竭油气藏，往往距离碳排放企业较远，很难达到与排放源地理空间的相互匹配，均需要进行捕集和运输环节。一般煤层厚度不大（3～10m），封存量有限；且煤储层结构致密、压力高，封存过程还需不断置换出甲烷，效率较低，很难实现大规模注入。许多人提出的采空区封存方案，往往采空区与地表通过裂隙带导通，存在泄漏风险，且封存的CO2只能是常压气态，封存量极其有限。
目前，现有CCUS示范项目的封存地点基本选择在煤层、咸水层和油气藏，其中，仅油气藏的CO2的驱油封存项目（CO2-EOR）略有经济性。但是，整个CO2驱油消耗量大概是每年几百万吨，与一年103亿吨CO2排放总量相差巨大，不能从根本上解决碳排放问题。因此，急需寻求一种普适的、连续的、成本低、环节少且处理规模大的碳封存方案。
专利CN114575800B和专利CN115646127B设计了一种在烟道气排放源就地深地超临界封存CO2的方法，主要在电厂烟道气排放口附近钻井，然后就地注入烟道气封存CO2，不需要对CO2进行“捕集-提纯-运输”流程及相关技术设备投入。但是，该发明采用的是单井同步注入分离模式，核心原理是施加高压使烟道气中的CO2和硫氮化物液化后沉积于井孔底部，不易液化的N2由井口排放，注入压力最高15MPa。详细分析其原理后发现：一般烟道气中CO2浓度按15％计算，按照道尔顿分压定律，则注入压力至少需达到40MPa以上，才能在单一井筒内实现CO2液化并与N2分离，而现有性能最好的大型气体压缩机均不能达到如此高压力，很难实现单井内CO2、硫氮化物与N2的分离。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置及方法。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置，在距离烟道气排放源由近至远的位置依次布置注入井、监测井和排出井；所述注入井与烟道气排放源的距离＜1km、所述监测井与烟道气排放源的距离为2～5km、所述排出井与烟道气排放源的距离为5～10km；将注入井、监测井和排出井分别钻进至封存岩层内不同深度；在注入井底端设置水平注入通道；监测井和排出井的井口位置均安装有背压阀；
将烟道气压入注入井内，并沿水平注入通道进入封存岩层，烟道气中CO2和硫氮化物在封存岩层内的运移过程中进行动态捕集和封存，N2逐渐被分离后向上运移至排出井后被排放。
进一步的，在距离烟道气排放源周围由近至远的位置分别布置注入井、监测井和排出井，形成井网；所述注入井的数量至少为1口、监测井的数量至少为2口、排出井的数量至少为4口；且注入井的孔径＞排出井的孔径＞监测井的孔径。
进一步的，所述注入井、监测井和排出井分别钻进至封存岩层内不同深度，是指注入井的终孔位置位于封存岩层的中部靠下区域、监测井的终孔位置位于封存岩层的中部区域、排出井的终孔位置位于封存岩层的中部靠上区域。
进一步的，所述水平注入通道的长度在注入井和排出井之间，且水平注入通道不与监测井连通。
更进一步，水平注入通道是通过在注入井底端实施水力压裂或定向水平井形成。
进一步的，所述封存岩层的顶板以及底板岩性均是不透水的盖层。
基于所述的一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置的捕集封存分离方法，包括以下步骤：
1）注入井、监测井和排出井的钻入和完井；
2）在注入井内下部的封存岩层段实施射孔作业，形成烟道气注入孔；然后在注入井底端制造水平注入通道；
3）将烟道气经除尘降温后压入注入井内，通过烟道气注入孔和水平注入通道进入封存岩层内部；烟道气的注入压力≤10Mpa；
4）烟道气在封存岩层内运移的过程中，依靠岩石多孔介质对CO2、硫氮化物进行吸附，使CO2、硫氮化物逐渐富集在岩石多孔介质内实现捕集过程；同步，CO2、硫氮化物与岩石中的水分、矿物、生物细菌发生化学反应后逐渐矿化实现封存过程；被分离出的 N2逐渐向上运移至排出井实现分离过程。
优选的，制造水平注入通道的方法为在注入井底端实施水力压裂形成注入裂缝面，或是在注入井底端实施定向水平井，并在定向水平井内部进行分段羽状压裂，形成水平井注入通道。
优选的，排出井的背压阀的开启压力设置为0.3～0.4MPa，当排出井内N2的压力达到开启压力后，开启排出井的背压阀排放到大气中。
优选的，烟道气注入过程中，通过监测井的背压阀实时监测封存岩层内气体成分、浓度和压力的特征变化，依据气体成分、浓度的变化，通过监测井向封存岩层内注入水，所述的水优选咸水或生物质水，促进烟道气中CO2和硫氮化物的捕集、封存，以及N2的分离。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
本发明采用在烟道气排放源不同距离布置注入井、监测井和排出井的井网模式，促使烟道气在地下岩石多孔介质中进行长距离运移，逐渐通过差异吸附、溶解矿化、生物质反应的物化反应过程，结合监测井向封存岩层内实时注入一定量的水或者一定浓度的咸水或生物质水的方式，完成烟道气中CO2、硫氮化物的有效捕集、封存与N2分离排出，是烟道气大规模碳封存的连续一体化井网方案。
1）本发明不需要在地面对CO2进行专门的捕集或运输；所以不需要专门实施CO2地面捕集、运输流程及相关技术设备投入，大大节约运营成本，且本发明具有普适性特征。
2）本发明的注入井和排出井之间距离超过5km，甚至达到10km，可实现烟道气地下长距离运移过程中的渐进捕集分离，以空间换时间。
3）不同于单井同步注入分离技术（分离压力需达到40MP以上），本发明井网法的烟道气注入压力较低，只需要驱动气体在多孔岩层中运移即可。因此，日常注入压力可以维持在10MPa以内，有效降低了日常耗能和压缩设备的投入。
4）电厂可不设置或简化脱硫、脱硝设备，并利用电厂自发电能（成本一般为0.2～0.3元/kWh）对烟道气进行压缩注入，简化的环保流程叠加极低的用电价格大幅降低日常运行成本。用电是所有碳封存方案的主要成本投入，而大部分CCUS项目普遍采用上网工业用电（价格一般为0.7～1.1元/kWh）进行气体压缩罐装与地下注入，约是本方法用电价格的4倍。按照碳市场交易收入（80元/吨CO2），本方法具备一定盈利能力。
5）通过监测井注入一定量的水或者一定浓度咸水或生物质水的方式，人为改变封存层特性，促进捕集、封存与分离效果。
6）本发明封存岩层不受地域限制，适用性强。只要岩层的厚度、孔隙率、含水率和渗透性满足封存要求，并具有良好的上下盖层，均可以作为CO2地质封存区域，尤其是广泛分布的孔裂发育较好的砂岩、石灰岩、玄武岩等地层均可作为封存岩层。
附图说明
图1是小规模烟道气地下岩层捕集-封存-分离的连续一体化井网法工艺的平面图。
图2是小规模烟道气地下岩层捕集-封存-分离的连续一体化井网法工艺的正视图。
图3是中大规模烟道气地下岩层捕集-封存-分离的连续一体化井网法工艺的平面图。
图4是中大规模烟道气地下岩层捕集-封存-分离的连续一体化井网法工艺的正视图。
图中：1、烟道气出口；2、注入井；3、监测井；4、排出井；5、封存岩层；6、背压阀；7、上盖层；8、下盖层；9、烟道气注入孔；10、水平注入裂缝面；11、气体压缩机；12、60万KW发电机组；13、100万KW发电机组；14、定向水平井。
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
一台60万KW发电机组电厂日耗煤量约4000吨，烟道气中CO2浓度为15％，则60万KW发电机组电厂每天排放烟道气4×107m3，属于小规模烟道气排放级别。参见图1和图2，采用本实施例提出的一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置及方法对烟道气进行分离封存，具体为：
1）在距离60万KW发电机组12的烟道气出口1直线距离0.2km的位置布置一口注入井2，在距离烟道气出口1直线距离3km的位置布置两口监测井3，在距离烟道气出口1直线距离6km的位置布置四口排出井4，如图1所示。注入井2、监测井3、排出井4地面开孔的孔径尺寸分别为350mm、80mm和120mm。
2）钻井施工：参见图2，对注入井2、监测井3和排出井4分别钻进至封存岩层5的中部靠下区域、中部区域和中部靠上区域，并完成完井工作，最后分别在监测井3和排出井4的井口位置安装背压阀6。所述封存岩层5的顶板为不透水的上盖层7，底板为不透水的下盖层8。
3）在注入井2内下部的封存岩层段实施射孔作业，形成烟道气注入孔9；进一步，在注入井2底端实施控制水力压裂，形成水平注入裂缝面10。将水平注入裂缝面10延展半径控制在注入井2和排出井4中间位置以内，且水平注入裂缝面10在水平延展过程中不与监测井3连通。
4）利用地面的气体压缩机11，将烟道气出口1持续产出的烟道气经除尘降温后升压至5MPa压入注入井2内，通过烟道气注入孔9和水平注入裂缝面10进入封存岩层5的内部。
5）烟道气在封存岩层5内的长距离运移过程中，依据岩石多孔介质对CO2、硫氮化物吸附性显著强于对N2的吸附性的特性，使CO2、硫氮化物逐渐富集在岩石多孔介质内被捕集；同步，CO2、硫氮化物与岩石中的水分、矿物发生化学反应后逐渐矿化被封存；同步，其余N2逐渐向上分选运移至排出井4，进而实现分离,
6）设置排出井4的背压阀6的开启压力为0.3MPa，排出井4内N2压力达到开启压力后，通过排出井4的背压阀6排放到大气中。
7）烟道气注入过程中，通过监测井3的背压阀6实时监测封存岩层5内的气体成分、浓度和压力的特征变化，依据气体成分、浓度实时变化数据，通过监测井3向封存岩层5内注入一定量的水或者一定浓度的咸水或生物质水，促进烟道气中CO2、硫氮化物的捕集、封存与N2分离的效果。
实施例2
两台100万KW发电机组电厂日耗煤量约16000吨，烟道气中CO2浓度为15％，则两台100万KW发电机组电厂每天排放烟道气1.6×108m3，属于中大规模烟道气排放级别。参见图3和图4，采用本实施例提出的一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置及方法对烟道气进行分离封存，具体为：
1）在距离每台100万KW发电机组13的烟道气出口1直线距离0.3km的位置各布置一口注入井2；在距离每个烟道气出口1直线距离4km的位置各布置一口监测井3，同时在两台100万KW发电机组13两侧各4km的位置布置一口监测井3；在距离每台100万KW发电机组13直线距离8km的位置各布置两口排出井4，同时在两台100万KW发电机组13两侧各8km的位置布置一口排出井4，即共计布置两口注入井2、四口监测井3和六口排出井4，如图3所示。注入井2、监测井3、排出井4地面开孔的孔径尺寸分别为450mm、90mm和150mm。
2）钻井施工：对注入井2、监测井3和排出井4分别钻进至封存岩层5的中部靠下区域、中部区域和中部靠上区域，并完成完井工作，最后分别在监测井3和排出井4的井口位置安装背压阀6；所述封存岩层5的顶板为不透水的上盖层7，底板为不透水的下盖层8。
3）在注入井2内下部的封存岩层段实施射孔作业，形成烟道气注入孔9；之后在注入井2底端实施定向水平井14，并在定向水平井14内部进行分段羽状压裂，形成水平井注入通道。将定向水平井14的长度控制在注入井2和排出井4中间位置以内，且定向水平井14不能与监测井3连通。
4）利用地面的气体压缩机11，将烟道气出口1持续产出的烟道气经除尘降温后升压至8MPa压入两口注入井2内，通过烟道气注入孔9和水平井注入通道进入封存岩层5的内部。
5）烟道气在封存岩层5内长距离运移过程中，依据岩石多孔介质对CO2、硫氮化物吸附性显著强于对N2吸附性的特性，使CO2、硫氮化物逐渐富集在岩石多孔介质内实现捕集过程；同步，CO2、硫氮化物与岩石中的水分、矿物发生化学反应后逐渐矿化实现封存过程；此过程中，其余N2逐渐向上分选运移至排出井4实现分离过程（见图4）。
6）设置排出井4的背压阀6的开启压力为0.4MPa，排出井4内N2压力达到开启压力后，通过排出井4的背压阀6排放到大气中。
7）烟道气注入过程中，通过监测井3的背压阀6实时监测封存岩层5内气体成分、浓度和压力的特征变化，依据气体成分、浓度实时变化数据，实时通过监测井3向封存岩层5内注入一定量的水或者一定浓度的咸水或生物质水，促进烟道气中CO2、硫氮化物捕集、封存与N2分离的效果。
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)
1.一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置，其特征在于，在距离烟道气排放源由近至远的位置依次布置注入井、监测井和排出井；所述注入井与烟道气排放源的距离＜1km、所述监测井与烟道气排放源的距离为2～5km、所述排出井与烟道气排放源的距离为5～10km；将注入井、监测井和排出井分别钻进至封存岩层内不同深度；在注入井底端设置水平注入通道；监测井和排出井的井口位置均安装有背压阀；将烟道气压入注入井内，并沿水平注入通道进入封存岩层，烟道气中CO2和硫氮化物在封存岩层内的运移过程中进行动态捕集和封存，N2逐渐被分离后向上运移至排出井后被排放。
2.根据权利要求1所述的一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置，其特征在于，在距离烟道气排放源周围由近至远的位置分别布置注入井、监测井和排出井，形成井网；所述注入井的数量至少为1口、监测井的数量至少为2口、排出井的数量至少为4口；且注入井的孔径＞排出井的孔径＞监测井的孔径。
3.根据权利要求1所述的一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置，其特征在于，所述注入井、监测井和排出井分别钻进至封存岩层内不同深度，是指注入井的终孔位置位于封存岩层的中部靠下区域、监测井的终孔位置位于封存岩层的中部区域、排出井的终孔位置位于封存岩层的中部靠上区域。
4.根据权利要求1所述的一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置，其特征在于，所述水平注入通道的长度在注入井和排出井之间，且水平注入通道不与监测井连通。
5.根据权利要求4所述的一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置，其特征在于，水平注入通道是通过在注入井底端实施水力压裂或定向水平井形成。
6.根据权利要求1所述的一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置，其特征在于，所述封存岩层的顶板以及底板岩性均是不透水的盖层。
7.基于如权利要求1-6任意一项所述的一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置的捕集封存分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）注入井、监测井和排出井的钻入和完井；
2）在注入井内下部的封存岩层段实施射孔作业，形成烟道气注入孔；然后在注入井底端制造水平注入通道；
3）将烟道气经除尘降温后压入注入井内，通过烟道气注入孔和水平注入通道进入封存岩层内部；烟道气的注入压力≤10Mpa；
4）烟道气在封存岩层内运移的过程中，依靠岩石多孔介质对CO2、硫氮化物进行吸附，使CO2、硫氮化物逐渐富集在岩石多孔介质内实现捕集过程；同步，CO2、硫氮化物与岩石中的水分、矿物、生物细菌发生化学反应后逐渐矿化实现封存过程；被分离出的N2逐渐向上运移至排出井实现分离过程。
8.根据权利要求7所述的基于一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置的捕集封存分离方法，其特征在于，制造水平注入通道的方法为在注入井底端实施水力压裂形成注入裂缝面，或是在注入井底端实施定向水平井，并在定向水平井内部进行分段羽状压裂，形成水平井注入通道。
9.根据权利要求7所述的基于一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置的捕集封存分离方法，其特征在于，排出井的背压阀的开启压力设置为0.3～0.4MPa，当排出井内N2的压力达到开启压力后，开启排出井的背压阀排放到大气中。
10.根据权利要求7所述的基于一种烟道气地下岩层捕集封存分离连续一体化装置的捕集封存分离方法，其特征在于，烟道气注入过程中，通过监测井的背压阀实时监测封存岩层内气体成分、浓度和压力的特征变化，依据气体成分、浓度的变化，通过监测井向封存岩层内注入水，促进烟道气中CO2和硫氮化物的捕集、封存，以及N2的分离。
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