專(zhuān)利名稱(chēng)：：基于混合流體自分離的二氧化碳地質(zhì)封存方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種二氧化碳(co2)地質(zhì)封存方法，尤其涉及一種基于混合流體自分離的C02地質(zhì)封存方法，主要針對(duì)C02深部鹵水地層(深含水層)的C02地質(zhì)封存。
背景技術(shù)：
：目前C02地質(zhì)封存方法主要采用的場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)型有:石油和天然氣儲(chǔ)層、深部鹵水地層(簡(jiǎn)稱(chēng)深含水層)、不可開(kāi)采的煤層、玄武巖等地質(zhì)構(gòu)造。在每一種類(lèi)型中，C02的地質(zhì)封存都將C02壓縮注入地下巖石構(gòu)造中。目前C02地質(zhì)封存采用的方法有C02-E0R(C02增強(qiáng)石油開(kāi)采)、C02-ECBM(0)2增強(qiáng)煤層氣開(kāi)采方法)、C02驅(qū)替天然氣并氣田封存、C02深含水層封存、C02玄武巖封存、C02廢棄礦井封存、C02巖鹽封存等。目前，C02的地質(zhì)封存正在三個(gè)工業(yè)規(guī)模的項(xiàng)目中進(jìn)行(100萬(wàn)噸0)2/年或以上的量級(jí))北海的斯萊普內(nèi)爾(Sleipner)項(xiàng)目；加拿大的韋本(Weyburn)項(xiàng)目和阿爾及利亞的薩拉赫(Salah)項(xiàng)目。每年捕獲約3-4兆噸C02并封存在地質(zhì)構(gòu)造中，否則將會(huì)釋放到大氣中。表l列出了全世界其它的C02地質(zhì)封存項(xiàng)目。各種C02地質(zhì)封存方法在先導(dǎo)、示范、工業(yè)規(guī)模等階段，且有非常好的效果。以上C02地質(zhì)封存方法都需要C02捕獲、運(yùn)輸、注入、監(jiān)測(cè)等階段組成，其中C02的捕獲成本在整個(gè)C02封存成本中的比重是非常大的，遠(yuǎn)超過(guò)一半。若能夠降低C02捕獲和分離的成本，整個(gè)C02地質(zhì)封存的成本會(huì)降低。以上C02地質(zhì)封存方法全采用純度非常高的C02氣體(例如0)2濃度>95%以上)進(jìn)行地質(zhì)封存，因此對(duì)C02氣源捕獲要求特別高，導(dǎo)致整個(gè)封存成本高，而且捕獲成本很難在短期內(nèi)降低，必須尋找新的方法降低地質(zhì)封存的成本。表l國(guó)外進(jìn)行的大型二氧化碳地質(zhì)封存研發(fā)項(xiàng)目<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>資料來(lái)源-IPCCSpecialReportonCarbondioxideCaptureandStorage
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，降低地質(zhì)封存對(duì)氣源co2濃度的高要求，從而降低封存成本，提高C02地質(zhì)封存技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，而提供一種基于混合流體自分離的C02地質(zhì)封存方法。本發(fā)明是一種簡(jiǎn)單、有效，而且能與常規(guī)C02地質(zhì)封存同時(shí)完成的方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。co2地質(zhì)封存技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，己經(jīng)成為一種具有巨大溫室氣體減排潛力的技術(shù)；各種地質(zhì)封存方法己經(jīng)在先導(dǎo)、示范、工業(yè)階段，為混合流體自分離二氧化碳地質(zhì)封存方法的提出奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明包括下列步驟①在選定的地質(zhì)封存場(chǎng)地形成注入井(10)和排放井(20)，一直貫穿帽巖(41)進(jìn)入地質(zhì)封存層(43);如圖l.l所示。②通過(guò)高壓注入設(shè)備將含有C02的混合流體連續(xù)不斷地通過(guò)注入井(10)注入地質(zhì)封存層(43);如圖l.l所示。③注入井(10)注入一定時(shí)間后，通過(guò)排放井(20)釋放遷移到排放井(20)的流體，同時(shí)控制排放井(20)井口的壓力在一定的范圍。④持續(xù)進(jìn)行混合流體的注入和排放井(20)的釋放，直到排放井(20)排出的流體中C02濃度大于經(jīng)濟(jì)濃度值為止，停止整個(gè)封存過(guò)程。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明主要利用C02在水中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N2在鹽水層水體中的溶解度和混合流體在遷移過(guò)程中不斷溶解兩個(gè)特點(diǎn)。將從氣源中捕獲的含C02的混合流體，采用高壓注入設(shè)備將混合流體在一定壓力下通過(guò)注入井(10)注入深部圈閉構(gòu)造地層或封存地層(43)中；混合流體注入的早期階段，注入的混合流體主要排開(kāi)含水層多孔介質(zhì)中的鹽水，占據(jù)地層中的部分多孔介質(zhì)空間，如圖l.l所示，部分混合流體被束縛在或溶解于殘余多孔介質(zhì)孔隙中。由于地層鹽水的密度大于注入混合流體的密度，混合流體在排開(kāi)和驅(qū)趕地層流體的過(guò)程中，混合流體密度小于深部鹽水，混合流體受到上浮力作用向上遷移，同時(shí)由于混合流體的低粘度(混合流體的粘滯系數(shù)遠(yuǎn)低與鹽水的粘滯系數(shù))，混合流體主要沿上部圈閉層的帽巖(41)底部遷移，混合流體沿帽巖(41)底部遷移的速度大于沿底板(42)的遷移速度，形成圖l中的倒三角混合流體區(qū)域。特別沿傾斜構(gòu)造地層遷移的過(guò)程，混合流體沿帽巖(41)頂部遷移的速度更快，相同的時(shí)間內(nèi)混合流體沿帽巖(41)遷移更長(zhǎng)的距離，形成圖1.2中的倒三角混合流體區(qū)域(31)。混合流體中的各種成分在遷移過(guò)程中不斷溶解，隨著時(shí)間，混合流體中小溶解度的氣體成分會(huì)在帽巖(41)底部形成連通的通道，如圖1.3所示。形成連通通道后，混合流體不斷同下部鹽水作用，其中可溶成分主要通過(guò)溶解和分子擴(kuò)散、彌散、異重流、對(duì)流等形式擴(kuò)散到低濃度區(qū)域，未溶解的混合流體成分將通過(guò)連通通道在圈閉構(gòu)造的穹頂(44)匯集，通過(guò)排放井(20)將這部分氣體排出地層，這樣封存地層中將會(huì)封存絕大多數(shù)C02氣體，其它小溶解度的氣體(主要為N》會(huì)被排放井(20)排出封存地層(43)夕卜?；旌狭黧w到達(dá)排放井(20)附近初期，混合流體中還沒(méi)有束縛和溶解的成分絕大多數(shù)為N"極少部分為C02，排放井(20)排出的流體成分主要為N2，隨著注入過(guò)程的發(fā)展，高濃度C02會(huì)向排放井(20)方向遷移，因此排放井(20)中的C02濃度會(huì)越來(lái)越高。當(dāng)排放井(20)的C02濃度超過(guò)經(jīng)濟(jì)濃度后，C02地質(zhì)封存可以停止了，如圖3所示。本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果大幅度降低地質(zhì)封存對(duì)C02捕獲的濃度要求，大幅度降低C02捕獲的成本和整個(gè)C02地質(zhì)封存的成本，大幅度增加了C02含水層地質(zhì)封存的早期機(jī)會(huì)。本發(fā)明適用于C02地質(zhì)封存領(lǐng)域，適用于將C02封存與深部鹵水層(深含水層)，特別適合傾斜地層和穹頂構(gòu)造的深部鹵水層的C02地質(zhì)封存；該方法是C02地質(zhì)封存的延伸和突破。圖1.1是混合流體注入初期的示意圖1.2是混合流體在封存地層中形成連通通道示意圖1.3是混合流體到達(dá)排放井示意圖2是本發(fā)明的水平面示意圖3是排放井中C02和N2濃度隨時(shí)間變化關(guān)系圖4是多封存地層情況下的封存剖面示意圖(多層水平井);圖5是水平地層情況下的封存剖面示意圖。其中-IO—注入井；11—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。(地層流體區(qū)域劃分情況)31—混合流體區(qū)域；32—鹽水區(qū)域；33—混合流體與鹽水分界帶(混合帶)。(地層巖性劃分情況)41一帽巖；42—底板(或中間夾層)；43—封存地層；44一芎頂。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明本方法是對(duì)C02地質(zhì)封存方法的創(chuàng)新，傳統(tǒng)方法中的部分技術(shù)仍然適用于本發(fā)明。1、關(guān)于場(chǎng)地選擇和預(yù)備工作本發(fā)明適用于一般深部鹽水地層的C02地質(zhì)封存，特別適用于有較好的圈閉地質(zhì)構(gòu)造、褶皺構(gòu)造或者傾斜地層條件的地質(zhì)封存，封存的深部鹽水地層具有良好的帽巖(41)或頂板，一般為頁(yè)巖、泥巖、板巖等致密、完整連續(xù)、低滲透的巖層，要求帽巖(41)滲透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鹽水含水層的滲透系數(shù)，帽巖(41)具有較高的進(jìn)氣值[進(jìn)氣值大于通過(guò)注入井(10)注入的混合流體壓力，至少10MPa以上]，帽巖(41)必須連續(xù)，在封存工程范圍內(nèi)不允許出現(xiàn)強(qiáng)滲透性的斷層或破碎帶。對(duì)于多層含水層的地質(zhì)情況，嚴(yán)格要求最上層帽巖(41)具有同上的性質(zhì)，但對(duì)中間夾層[圖4中為底板(42)]不需要如此嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，中間夾層泄漏氣體，會(huì)在上一層夾層或帽巖(41)底部匯集，對(duì)整個(gè)自分離C02封存影響不大，如圖4所示。深部含水層中帽巖(41)最好有穹頂(44)(背斜構(gòu)造或其他穹頂形狀構(gòu)造)，在穹頂內(nèi)形成匯集區(qū)域，便于匯集的流體通過(guò)排放井(20)集中排出，如圖1.3所示，對(duì)于多層含水層，有同樣的要求。若無(wú)穹頂構(gòu)造，排放井(20)位置可以采用圖5中的形式，不過(guò)排放操作難度相對(duì)穹頂構(gòu)造的排放井(20)要大一些。2、關(guān)于步驟①如圖1.11.3所示，本發(fā)明所述的地質(zhì)封存場(chǎng)地為深部鹵水層，至少包含一個(gè)注入井(10)和一個(gè)排放井(20)。注入井(10)和排放井(20)的形式各種各樣，可采用水平井、垂直井等各種形式的鉆井。在選定的封地質(zhì)存構(gòu)造場(chǎng)地形成注入井(10)和排放井(20)，一直貫穿帽巖(41)進(jìn)入地質(zhì)封存層(43);注入井(10)和排放井(20)—般采用水平井技術(shù)成井，水平井包含超長(zhǎng)水平井、小曲率水平井、垂直水平井、多分支水平井、羽狀水平井等水平井技術(shù)。水平井的技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，可以直接采用。注入井(10)和排放井(20)的垂直部分穿過(guò)帽巖(41)進(jìn)入圈閉構(gòu)造內(nèi)部。鉆井的垂直穿過(guò)帽巖的鉆井套管和帽巖(41)之間需要充分密封，防止混合流體通過(guò)密封薄弱環(huán)節(jié)逃逸出封存地層(43)。鉆井的水平部分盡量平行于地層走向，實(shí)現(xiàn)更大面積上封存二氧化碳。施工過(guò)程中，注入井的水平部分(11)盡量位于封存地層(43)底部；而排放井的水平部分(21)盡量位于封存地層(43)的上部，便于排出匯集在穹頂?shù)牧黧w。注入井(10)和排放井(20)的位置主要取決于地層構(gòu)造，排放井(20)—般位于彎頂(44)位置，主要便于流體的遷移和匯集，注入井(10)和排放井(20)的(水平井為水平段的間距)間距一般為50100km,最佳間距為lkm10km范圍。在注入混合流體前期和初期，可以通過(guò)注入井(10)和排放井(20)抽排或釋放壓力等方式適當(dāng)降低整個(gè)封存地層的流體壓力，然后可以降低混合流體的注入難度，提高注入性。成井過(guò)程中需要特別注意套管耐壓和鉆井與巖層之間密封問(wèn)題。3、關(guān)于步驟②通過(guò)高壓注入設(shè)備將混合流體(主要成分為C02、N2，其余成分不限，其余成分含量為少量和微量)通過(guò)注入井(10)連續(xù)注入封存地層(43);注入井中的壓力需要大于地層流體的壓力。注入混合流體中C02濃度越高越好，濃度越高，場(chǎng)地封存的C02也越多，排氣量也越少，注入量相應(yīng)減少；但C02捕獲成本會(huì)越高，因此在兩者之間必須平衡和妥協(xié)，0)2濃度最好能夠大于60%90%之間(現(xiàn)有的低成本氣體分離技術(shù)很容易達(dá)到或者一些氣體排放源中本身滿(mǎn)足這些要求)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)封存過(guò)程中捕獲與注入的總成本最低。4、關(guān)于步驟③注入一定時(shí)間后，在排放井(20)釋放遷移到排放井(20)附近的流體，排放過(guò)程中需要控制排放井(20)井口的壓力在一定的范圍，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排出氣體中的C02濃度，并控制排放井(20)井口壓力，不允許(即控制排放井井口壓力)，C02的分壓過(guò)低，導(dǎo)致排放井周?chē)芙庥邴}水中C02氣體析出進(jìn)入排放井(20)。上述所述的一定時(shí)間沒(méi)有明確界定，主要取決于混合流體遷移到排放井(20)并在穹頂(44)或者帽巖(41)底部匯集的時(shí)間。一般根據(jù)監(jiān)測(cè)信息確定。5、關(guān)于步驟④持續(xù)進(jìn)行步驟②③，實(shí)現(xiàn)以下目的。隨著注入過(guò)程和排氣過(guò)程的進(jìn)行，排放井(20)排出混合流體中的成分變化如圖2所示；關(guān)于經(jīng)濟(jì)濃度的確定值，本發(fā)明不包括該值，由具體操作過(guò)程確定，一般CCU農(nóng)度的范圍為30%60%，最優(yōu)化的C02經(jīng)濟(jì)濃度由具體工程確定。二氧化碳濃度超過(guò)該值，馬上停止混合流體注入，整個(gè)封存工作完成。權(quán)利要求1、一種基于混合流體自分離的二氧化碳地質(zhì)封存方法，其特征在于包括下列步驟①在選定的地質(zhì)封存場(chǎng)地形成注入井(10)和排放井(20)，一直貫穿帽巖(41)進(jìn)入地質(zhì)封存層(43)；②通過(guò)高壓注入設(shè)備將含有CO2的混合流體連續(xù)不斷地通過(guò)注入井(10)注入地質(zhì)封存層(43)；③注入井(10)注入一定時(shí)間后，通過(guò)排放井(20)釋放遷移到排放井(20)的流體，同時(shí)控制排放井(20)井口的壓力在一定的范圍；④持續(xù)進(jìn)行混合流體的注入和排放井(20)的釋放，直到排放井(20)排出的流體中CO2濃度大于經(jīng)濟(jì)濃度值為止，停止整個(gè)封存過(guò)程。2、一種基于混合流體自分離的二氧化碳地質(zhì)封存方法，其特征在于所述的地質(zhì)封存場(chǎng)地為深部鹵水層，封存場(chǎng)地至少包含一個(gè)注入井(10)和一個(gè)排放井(20)。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種基于混合流體自分離的二氧化碳地質(zhì)封存方法，涉及一種二氧化碳地質(zhì)封存方法。本發(fā)明包括下列步驟①在選定的地質(zhì)封存場(chǎng)地形成注入井(10)和排放井(20)；②通過(guò)高壓注入設(shè)備將含有CO₂的混合流體連續(xù)不斷地通過(guò)注入井(10)注入地質(zhì)封存層(43)；③通過(guò)排放井(20)釋放遷移到排放井(20)的流體；④持續(xù)進(jìn)行混合流體的注入和排放井(20)的釋放，直到排放井(20)排出的流體中CO₂濃度大于經(jīng)濟(jì)濃度值為止。本發(fā)明適用于CO₂地質(zhì)封存領(lǐng)域，適用于將CO₂封存于深部鹵水層，特別適用于傾斜地層和穹頂構(gòu)造的深部鹵水層的CO₂地質(zhì)封存。文檔編號(hào)B65G5/00GK101190743SQ20071016855公開(kāi)日2008年6月4日申請(qǐng)日期2007年11月30日優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日發(fā)明者李小春,寧魏申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所