WO2009071001A1

WO2009071001A1 - Procédé de stockage souterrain de dioxyde de carbone basé sur l'auto-séparation d'un mélange de fluide

Info

Publication number: WO2009071001A1
Application number: PCT/CN2008/072608
Authority: WO
Inventors: Xiaochun Li; Ning Wei
Original assignee: Institute Of Rock And Soil Mechanics, Chinese Academy Of Sciences
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2009-06-11
Also published as: CN101190743B; CN101190743A

Description

基于混合流体自分离的二氧化碳地质封存方法技术领域

本发明涉及一种二氧化碳（co₂) 地质封存方法，尤其涉及一种基于混合流体自分离的 co₂地质封存方法，主要针对 co₂深部卤水地层（或深部盐水含水层）的 co₂地质封存。背景技术

目前 co₂地质封存方法主要采用的场地地质构造类型有:石油和天然气储层、深部卤水地层（简称含水层）、不可开采的煤层、玄武岩等地质构造。在每一种类型中， co₂ 的地质封存都将 co₂ 压縮注入深部地层中。目前 co₂地质封存采用的方法有： C0₂-E0R (C0₂增强石油开采）、 CO2-ECBM (C0₂增强煤层气开采方法）、 C0₂驱替天然气并气田封存、 C0₂含水层封存、 C0₂玄武岩封存、 C0₂废弃矿井封存、 C0₂岩盐封存等。初步评价的含水层封存容量巨大，占整个地质封存容量的 80% 以上，含水层封存是全球实现长期 C0₂减排的主要措施之一。目前， C0₂的地质封存正在三个工业规模的项目中进行（100万吨 co₂/年或以上的量级）：北海的斯莱普内尔（Sleipner) 项目；加拿大的韦本（Weyburn) 项目和阿尔及利亚的萨拉赫（Salah )项目。每年捕获约 3 - 4兆吨 C0₂并封存在地质构造中，否则将会释放到大气中。表 1列出了全世界其它的 C0₂地质封存项目。各种 C0₂地质封存方法在先导、示范、工业规模等阶段，且有非常好的效果。

以上 C0₂地质封存方法都需要 C0₂捕获（主要有分离与压縮两个过程)、运输、注入、监测等阶段组成，其中 C0₂的捕获成本在整个 C0₂封存成本中的比重是非常大的，远超过一半。若能够降低 C0₂捕获的成本，整个 C0₂地质封存的成本会降低。

以上 C0₂地质封存方法全采用纯度非常高的 C0₂气体（C0₂浓度在 95%以上）进行地质封存，因此对 C0₂气源捕获要求特别高，导致整个封存成本高，而且捕获成本很难在短期内降低，必须寻找新的方法降低地质封存的成本。表 1 国外进行的大型二氧化碳地质封存研发项目

发明内容

co₂地质封存技术经过多年的发展，已经成为一种具有巨大温室气体减排潜力的技术；各种地质封存方法已经在先导、示范、工业阶段，为混合流体自分离二氧化碳地质封存方法的提出奠定了基础。

本发明提供一种基于混合流体自分离的 co₂地质封存方法，它是一种经济、简单、有效，而且能与常规 co₂地质封存同时完成的方法。

本发明依次包括下列步骤：

①在选定的地质封存场地形成注入井和排放井，一直贯穿帽岩进入地质封存层；

②通过高压注入设备将含有 co₂的混合流体连续不断地通过注入井注入地质封存层；

③混合流体注入一定时间后，通过排放井释放迁移到排放井的混合流体；

④持续进行混合流体的注入和排放井的释放，直到排放井排出的流体中 co₂ 浓度大于经济浓度值为止，停止整个封存过程。

优选方案为，地质封存层为深部卤水地层，地质封存场地至少包含一个注入井和一个排放井，可以根据地质条件需要设置一个注入井和与其相对应的两个排放井，或者两个注入井及相对应的三个排放井，可以理解的是，排放井与注入井间应间隔设置 (可参考油田注入井和采收井井场布置方式）。

另外，需要控制排放井井口的压力，以溶解于排放井周围盐水中 co₂气体不大量析出为准。

本发明的工作原理：

本发明主要利用 C0₂在水中的溶解度远远大于 N₂在含水层水体中的溶解度的特点和混合流体在迁移过程中水动力学特点。将从气源中捕获的含 co₂的混合流体，采用高压注入设备将混合流体在一定压力下通过注入井注入深部圈闭构造地层或封存地层中；混合流体注入的早期阶段，注入的混合流体主要排开封存地层多孔介质中的盐水，占据封存地层中的部分多孔介质空间，如图 1. 1所示，部分混合流体被束缚在或溶解于多孔介质孔隙水中。由于地层盐水的密度大于注入混合流体的密度，混合流体在排开和驱赶地层流体的过程中，混合流体密度小于深部盐水，混合流体受到上浮力作用向上迁移，同时由于混合流体的低粘度（混合流体的粘滞系数远低与盐水的粘滞系数），混合流体主要沿上部帽岩层底部迁移，混合流体沿帽岩底部迁移的速度大于沿底板的迁移速度，形成图 1中的倒三角混合流体区域。特别沿倾斜构造地层迁移的过程，混合流体沿帽岩顶部迁移的速度更快，相同的时间内混合流体沿帽岩迁移更长的距离，形成图 1. 2中的倒三角混合流体区域。混合流体中的各种成分在迁移过程中不断溶解，随着时间，混合流体中小溶解度的气体成分会在帽岩底部形成连通的通道，如图 1. 3所示。形成连通通道后，混合流体不断同下部盐水作用，其中可溶成分主要通过溶解和分子扩散、弥散、异重流、对流等形式扩散到低浓度区域，未溶解的混合流体成分将通过连通通道在圈闭构造的穹窿汇集，通过排放井将这部分气体排出地层，这样地质封存层中将会封存绝大多数 C0₂气体，其它小溶解度的气体（主要为 N₂)会被排放井排出封存地层外。

混合流体到达排放井附近初期，混合流体中还没有束缚和溶解的成分绝大多数为 N₂，极少部分为 C0₂，排放井排出的流体成分主要为 N₂，随着注入过程的发展，高浓度 C0₂会向排放井方向迁移，因此排放井中的 C0₂浓度会越来越高。当排放井的 C0₂浓度超过经济浓度后， C0₂地质封存可以停止了，如图 3所示。

本发明具有下列优点和积极效果：

大幅度降低地质封存对 C0₂捕获的浓度要求，大幅度降低 C0₂捕获的成本和整个 C0₂地质封存的成本（总成本降低可达 30%以上），大幅度增加了 C0₂含水层地质封存的早期实施机会。

本发明适用于 C0₂地质封存领域，适用于将 C0₂封存于深部卤水地层（深部盐水含水层），特别适合穹窿构造和倾斜地层的深部卤水地层的 C0₂地质封存；该方法是 C0₂地质封存的延伸和突破。附图说明

图 1. 1是混合流体注入初期的示意图；

图 1. 2是混合流体在封存地层中形成连通通道示意图；

图 1. 3是混合流体到达排放井示意图；

图 2是本发明的水平面示意图；

图 3是排放井中 C0₂和 N₂浓度随时间变化关系图；

图 4是多封存地层情况下的封存剖面示意图（多层水平井）;

图 5是水平地层情况下的封存剖面示意图。

其巾：

10—注入井；

11一注入井水平部分； 12—注入井垂直部分。

20—排放井；

21 排放井水平部分；

22—排放井垂直部分。

(地层流体区域划分情况）

31 混合流体区域；

32 盐水区域；

33—混合流体与盐水分界带（混合带）。

(地层岩性划分情况）

41 帽岩；

42 底板（或中间夹层）；

43—封存地层；

44 穹窿。具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

本方法是对 C0₂地质封存方法的创新，传统方法中的部分技术仍然适用于本发明。

1、关于场地选择和预备工作

本发明适用于一般深部卤水地层的 co₂地质封存，特别适用于有较好的圈闭地质构造、褶皱构造或者倾斜地层条件的地质封存，封存的深部卤水地层具有良好的帽岩（41 )或顶板，一般为页岩、泥岩、板岩等致密、完整连续、低渗透的岩层，要求帽岩（41 )渗透性远远低于含水层的渗透系数，帽岩（41 )具有较高的进气值（毛细张力极限封存能力） [进气值大于通过注入井（10) 注入的混合流体压力，至少 lOMPa以上]，帽岩（41 ) 必须连续，在封存工程范围内不允许出现穿过帽岩的强渗透性断层或破碎带。对于多层含水层的地质情况，严格要求最上层帽岩（41 ) 具有同上的性质，但对中间夹层 [图 4中为底板（42) ] 不需要如此严格的标准，中间夹层泄漏气体，会在上一层夹层或帽岩（41 )底部汇集，对整个自分离 C0₂封存影响不大，如图 4所示。深部含水层中帽岩（41 )最好有穹窿（44) (背斜构造或其它穹窿形状构造)，在穹窿内形成汇集区域，便于汇集的流体通过排放井（20 )集中排出，如图 1. 3 所示，对于多层含水层，有同样的要求。若无穹窿构造，排放井（20 )位置可以采用图 5中的形式，不过排放操作难度相对穹窿构造的排放井（20) 要大一些。

2、关于步骤①

如图 1. 1〜1. 3所示，本发明所述的地质封存层为深部卤水地层，至少包含一个注入井（10) 和一个排放井（20)。注入井（10) 和排放井（20) 的形式各种各样，可采用水平井、垂直井等各种形式的钻井。

在选定的地质封存场地形成注入井（ 10)和排放井（ 20)，一直贯穿帽岩（ 41) 进入地质封存层（43) ;

注入井（10) 和排放井（20) —般采用水平井技术成井，水平井技术包含：超长水平井、小曲率水平井、垂直水平井、多分支水平井、羽状水平井等水平井技术。水平井的技术已经非常成熟了，可以直接采用。注入井（10 ) 和排放井 ( 20) 的垂直部分穿过帽岩（41 )进入圈闭构造内部。钻井的垂直穿过帽岩的钻井套管和帽岩（41 )之间需要充分密封，防止混合流体通过密封薄弱环节逃逸出地质封存层（43)。钻井的水平部分尽量平行于地层走向，实现更大面积上封存二氧化碳。

施工过程中，注入井的水平部分（11 )尽量位于地质封存层（43 )底部；而排放井的水平部分（21 )尽量位于地质封存层（43 ) 的上部，便于汇集在穹窿的流体的排放。

注入井（10)和排放井（20 ) 的位置主要取决于地层构造，排放井（20 ) — 般位于穹窿（44)顶部位置，主要便于注入混合流体的迁移和汇集，注入井（10) 和排放井（20) 的（水平井为水平段的间距）间距一般为 50m〜100km，从经济上考虑时，在相同地质条件下，注入井和排放井之间的最佳间距为 250m〜10km，这样可以优化整个注入过程的成本。

在注入混合流体前期（或初期），可以通过注入井（10) 和排放井（20) 抽排或释放压力等方式适当降低整个封存地层的流体压力，然后可以降低混合流体的注入压力，提高注入性。成井过程中需要特别注意套管耐压和钻井与岩层之间密封问题。 3、关于步骤②：

通过高压注入设备将混合流体（主要成分为 C0₂、 N₂, 其余成分不限）通过注入井（10) 连续注入地质封存层（43 ); 注入井中的压力需要大于地层流体的压力。

注入混合流体中 C0₂浓度越高，场地封存的 C0₂也越多，排气量也越少，注入量相应减少；但 C0₂捕获成本会越高，因此在两者之间必须平衡和妥协， C0₂ 的体积浓度最好能够达到 50%〜85%之间（现有的低成本气体分离技术很容易达到该浓度要求，或者一些气体排放源中本身满足这些要求），从而实现整个含水层封存的总成本最低。对于工业废气都可以直接应用到本发明所述方法中；对于低浓度 C0₂排放源排放的废气，从经济上考虑，可以先将其进行分离，使 C0₂浓度达到 50%〜85%再进行注入。

4、关于步骤③

注入一定时间后，通过排放井（20)排放释放迁移到排放井（20) 附近的流体，排放过程中需要控制排放井（20)井口的压力在一定的范围，实时监测排出气体中的 C0₂浓度，不允许（即控制排放井井口压力） C0₂的分压过低，导致排放井周围溶解于盐水中 C0₂气体析出进入排放井（20)。

时间的控制需根据对排放井附近气体的浓度、压力、范围变化的监测进行确定，主要取决于混合流体迁移到排放井（20) 并在穹窿（44 )或者帽岩（41 )底部汇集的程度。时间的范围为流体刚到达排放井的时间（下限）至流体在排放井附近汇集并置换排放井（20 ) 附近地质封存层的水分达到地质封存层的体积的 20%左右（上限）。

5、关于步骤④

持续进行步骤②③，实现以下目的。

随着注入过程和排气过程的进行，排放井（20 )排出混合流体中的成分变化如图 2所示；一旦监测到二氧化碳浓度超过经济浓度值，马上停止混合流体注入，进行封井，整个封存工作完成。

本发明中的地质封存场地：为地质封存层及以上所有空间（包含地质封存层、帽岩层、夹层等地质构造和地表）。

本发明中的地质封存层：主要为深部卤水地层（或深部盐水含水层），同样适用于水力侵入的含油层、含气层。

本发明中的帽岩：为地层中渗透性较低的岩层 (渗透系数相对地质封存层低 1 个数量级以上）。

本文中的浓度均为体积浓度。

Claims

1、一种基于混合流体自分离的二氧化碳地质封存方法，其特征在于包括下列步骤：

①在选定的地质封存场地形成注入井（10) 和排放井（20)，一直贯穿帽岩 (41 ) 进入地质封存层 (43)；

②通过高压注入设备将含有 C0₂的混合流体连续不断地通过注入井（10)注入地质封存层（43) ;

③混合流体注入一定时间后，通过排放井（20)释放迁移到排放井（20) 的混合流体；

④持续进行混合流体的注入和排放井（20) 的释放，直到排放井（20)排出的流体中 C0₂浓度大于经济浓度值为止，停止整个封存过程。

2、根据权利要求 1所述的基于混合流体自分离的二氧化碳地质封存方法，其特征在于：

所述的地质封存层（43 )为深部卤水地层，地质封存场地至少包含一个注入井 ( 10) 和一个排放井（20)。

3、根据权利要求 1所述的基于混合流体自分离的二氧化碳地质封存方法，其特征在于：控制排放井（20)井口的压力，以溶解于排放井周围盐水中 C0₂气体不大量析出为准。