二氧化碳地质埋存研究进展

7月

地质科技情报

GeologicalScienceandTechnologyInformation

Vol.27 No.4Jul.

2008

二氧化碳地质埋存研究进展

谷丽冰

1,2

*

,李治平,侯秀林

22

(1.中国石油化工集团国际石油勘探开发有限公司,北京100083;

2.中国地质大学能源学院,北京100083)

摘 要:对二氧化碳地下封存的基本地质学问题及其他相关技术进行阐述,包括地下封存的基本原理、适合的封存场所、油气藏

的筛选、储存潜力估算、动态监测、安全性及环境问题、及我国二氧化碳地质储存面临的问题。二氧化碳被注入地下后,以分子状态、溶解状态和化合物状态储存于岩石孔隙中,从而得到封存;合适的封存场所包括:深部盐水层、深部煤层和枯竭的油气藏;对于气驱和水驱油藏可以分别采用不同的公式进行模拟,根据模拟结果可以得到适合埋存的油气藏条件;对于3种不同的埋存场所可以采用不同的公式计算其埋存量以评价它们的地质埋存潜力。

关键词:二氧化碳;地质埋存;原理;监测;评价方法

中图分类号:TE122 文献标识码:A 20多年来,/全球气候变化0和/全球变暖0等相关问题,已从学术论文主题进入各国首脑峰会的议程。工业化时期以来,人类活动使大气中的主要温室气体,如CO2、CH4、N2O和O3的浓度达到有记录以来的最高水平。根据夏威夷MaunaLoa观测台、中国气象局瓦里关山全球大气观测站及南极LawDome冰心资料测试的大气二氧化碳质量分数:

-6-6

1000~1750年为280@10,2000年达368@10(增加31%?4%)。全球表面平均温度在20世纪增加了(0.6?0.2)e。预测到2100年大气的二氧化碳质量分数将达到540@10-6~970@10-6[1],由此引起的后果将十分严重。因此,采取减缓气候变化的措施势在必行,其核心是减少二氧化碳的排放。有关二氧化碳地下埋存的研究工作正在美国、加拿大、欧盟、澳大利亚进行中。我国于2006年9月正式启动了/温室气体地下埋存及提高石油采收率的资源化利用0的/9730计划。

文章编号:1000-7849(2008)04-0080-05

大约10%~25%的二氧化碳溶解于水中,而完全溶

[3-4]

解则需要几千年的时间。溶解后的二氧化碳以溶解态的方式通过分子扩散、分散和对流进行运移,极低的地层水运移速率确保了二氧化碳在地层中的

[5-6]

长期(地质时间尺度)封存。»化合物状态,注入的二氧化碳在地层温度、压力下,与地层矿物发生反应生成化合物,从而得到封存。模拟研究表明,大部分的二氧化碳是以分子状态(自由气)储存在岩石孔隙中,有可能封存上万年[7]。

2 适合的埋存场所

适宜封存的地质体有:深部煤层、深部盐水层、枯竭的油气藏。

(1)将二氧化碳埋存在深部煤层中 煤层表面可以吸附注入的二氧化碳,不仅保存了二氧化碳而且可以置换出煤层中的甲烷,由此带来的经济效益也是巨大的。由于煤层具有较大的内表面积,与等效体积的天然气藏相比,煤层可以储存几倍的二氧化碳[8]。目前,在全球范围内,注入二氧化碳强化开采煤层甲烷的实验项目仅有几例,实验结果表明该项目具有巨大的潜力。研究人员正试图建立数学模型来描述煤层的吸附现象,然后综合利用数学模型和实验进行煤层动态模拟,评价注入二氧化碳或烟道气强化甲烷生产的潜力,下一步将引入计算机模拟来评估其经济及技术可行性[8]。

1 埋存原理

二氧化碳在地下埋存有3种基本形式:¹分子状态,二氧化碳被注入储层后,在浮力作用下,上升至盖层之下,并逐渐扩散形成二氧化碳储层[2-3];º溶解状态,随时间的推移,二氧化碳逐渐溶解于地层水中,溶解的速度由二氧化碳与地层水接触的表面积控制。国外模拟研究表明,在25年时间里,将有

*收稿日期:2007-07-13 编辑:禹华珍

基金项目:国家重点基础研究发展计划项目/温室气体提高采收率的资源化利用及地下埋存0(2006CB705801)作者简介:谷丽冰(1975) ),女,现正攻读油气田开发工程专业博士学位,主要从事油气田开发方法理论研究。第4期 谷丽冰等:二氧化碳地质埋存研究进展

81

还有许多问题有待解决,煤层的厚度是重要因

素之一,不仅因为厚煤层有更大的体积可以吸附更多的二氧化碳,而且目前成熟的技术大多适用于厚煤层。对于大多数较深的煤层,其临界参数仍然未知,而且其较低的渗透率对提高甲烷的采收率影响

[9]

很大。

(2)将二氧化碳埋存在深部盐水层中 具有优质盖层的盐水层是良好的埋存场所(要保护淡水)。因盐水没有其他用途,埋存二氧化碳后将不会引起其他问题。二氧化碳在水中有一定的溶解度,而且可以与盐水、围岩发生反应,增加埋存量。为了减少在盐水体中埋存二氧化碳的不确定性,还需要做很多的工作,包括矿场实验、动态模拟以及监测。美国有不少相关研究项目正在进行中,主要包括以下内容:试验场所地质评估、基于地震及钻井的储层和盖层评价、注入和监测系统的设计、风险评价、经济性

[10]

评价。

(3)将二氧化碳埋存在枯竭的油气藏中 油气藏本身具有良好的封闭性,可以长时间封闭油气,因此注入二氧化碳后,泄露的风险最小。油气藏已具备生产井和注入井,投资也较小。利用注入气体提高油气采收率已有很长时间。注入二氧化碳提高油气藏采收率的机理已基本清楚:降低原油黏度、改善油水流度比、使原油膨胀、萃取和汽化原油中的轻质烃、混相效应、分子扩散作用、降低界面张力、提高渗

[11]

透率、溶解气驱等等。美国拥有充足的二氧化碳气藏,开展了大量的注入二氧化碳提高采收率的项目,并取得了很好的经济效益。由美国国家实验室、教育机构、石油公司联合实施的GEO-SEQ项目[11]就是其中之一,其研究内容有4个:费用优化、动态监测技术、特性评估模型、容量评价,其目标是得到既高效埋存二氧化碳又提高油气藏采收率的方法。

上述煤层、盐水层和油气藏均需达到一定的体积才能满足储存二氧化碳的要求;此外,在此类储存空间之上要有致密的、良好封闭性能的、气体液体难以渗透的盖层。

海洋封存目前仍处于研究阶段,只有小规模的外场试验,并有25年有关的理论研究、实验室研究和模拟研究。方案是通过管道或船舶将二氧化碳运输到海洋封存地点,然后注入深度在1000m以上的水体或海底,大部分二氧化碳在这里将与大气隔离若干世纪[1]。

化碳埋存在枯竭的油气藏中。尽管开展注气提高采收率已有很多经验,但二氧化碳埋存与提高采收率研究的不同之处在于:¹前者的主要目的是埋存尽可能多的二氧化碳,而后者则是利用最少量的二氧化碳最大限度地提高采收率;º前者还必须考虑长

[12]

期埋存的安全性问题。

在筛选油气藏时首先需要确定影响因素。通常考虑以下因素:油气藏的孔隙体积、圈闭的稳定性、渗透率、较低的敏感度、重力、裂缝、储层矿物、溶解

[12]

度等等。Bossie-Codreanu等做了油气藏筛选的研究工作,其步骤为:¹挑选影响较大的参数;º假设油藏驱动类型,包括溶解气驱和水驱;»模拟二氧化碳注入和油气生产情况(每种驱动类型和所有参数选择);¼模拟结果的多元回归;½确定优选方法。模拟结果用下式表示:

Q(CO2)FR

(1)FS=

Np

式中:FS为埋存系数;FR为油气采收率系数;Np为累计采油量;Q(CO2)为二氧化碳累计注入量。

将模拟实验结果回归后,得到以下各式。(1)溶解气驱:(独立参数)R=0.82

FS=-0.0924+0.03117Vdp+0.00448@

Kv/Kh-0.0004vmult+0.00184CAPI-663.87Kcr+0.00762Krwmax+0.017331K+0.24009Sgc+178818Rcp(2)(2)溶解气驱:(独立参数+参数综合作用)R=0.99

FS=-0.1474+0.14239Vdp+0.01018@

Kv/Kh+0.00011vmult-1@10-4CAPI+

1015.79Kcr-0.0052Krwmax+0.00855K+3.61024Sgc+1.82424Rcp-249.16(Kcr#K)+0.00073(CAPI#K)-23.453(Kcr#CAPI)-49775(Vdp#Sgc)(3)(3)水驱:(独立参数)R=0.64 FS=0.00085+0.00031Vdp+0.00022Kv/Kh+

-5-2-5-7

1.6@10vmult@10CAPI+5.8@10S-5.564Kcr-5@10-5K+0.00065Sgc+2.03779Rcp(4)(4)水驱:(独立参数+参数综合作用)R=0.85 FS=0.00018-0.0015Vdp-0.0016Kv/Kh+

7@10vmult-1@10CAPI+8.2@10S-13.754Kcr+0.00017K+0.00154Sgc+45.725Rp+8.2@10-7S-13.754Kcr+0.00017K+0.00154Sgc+45.725Rp+1.9@10(vmult#CAPI)-0.617(CAPI#Rp)+0.00364(Vdp#Kv/Kh)+5.6@10-6(CAPI#-7

-6

-5

-7

3 适合的油气藏筛选

我国此次开展的/9730计划/温室气体地下埋存

及提高石油采收率的资源化利用0的目的是将二氧82

地质科技情报

-5

K)+0.35094(CAPI#Kcr)-2@10(Kv/Kh#CAPI)-3.5282(Kv/Kh#Kcr)-6.3303#(Rcp#K)(5)

2008年

式中:Vdp为储层非均质系数;Kv为地层垂直渗透率

(@10-15m2);Kh为地层水平渗透率(@10-15m2);vmult为层间传导率;CAPI为原油重度;Kcr为盖层渗透

-152

率(@10m);Krwmax为水的最大相对渗透率;K为系数;Sgc为临界气体饱和度;S为水的矿化度(g/L);Rcp为岩石压缩系数(@10-5Pa-1)。

Bossie-Codreanu等将这些参数的影响分为独立和综合影响两种。模拟结果表明:对于气驱油藏,适合二氧化碳埋存的因素是原油密度低、传导率低、非均质系数为0.6左右;对于水驱油藏,则是原油密度高、传导率高、非均质系数为0.8左右。无论气驱油藏还是水驱油藏,盖层越致密,即渗透率越低、毛管驱替压力越大,则效果越好[12]。

Bossie-Codreanu等的研究对油气藏的筛选提供了一条思路。在做实际工作时,必须根据目标储层的地质特点,对影响二氧化碳埋存及利用的因素进行全面分析,根据室内实验和相关现场经验决定影响参数的选取和取值范围,得到各影响参数的权重,然后对目标地层做出评价,建立适合我国地质特点的评价体系。

[12]

Bachu等[14]给出了计算二氧化碳在三种储层中的埋存量公式。

(1)在煤层中的埋存量计算公式:QPGIP=RfCQIGIP(6)式中:QPGIP代表可采出的煤层烃类气体,即二氧化碳吸附在煤层表面后置换出的气体,等同于二氧化碳的埋存量;QIGIP代表原始烃类气体储量;Rf为采出系数;C为完井系数;RfC可以表征可采系数。

(2)在枯竭油气藏中的埋存量计算公式:M(CO2)=Q(CO2)-[RfAhU(1-Sw)-Viw+Vpw](7)式中:M(CO2)代表二氧化碳的埋存量(kg);Q(CO2)为二氧化碳的密度(kg/m);Rf为采出系数;A为油藏面积(m2);h为油藏厚度(m);U为孔隙度;Sw为含水饱和度;Viw为注入水体积(m3);Vpw为产出水体积(m)。

(3)在深部盐水层中的埋存量计算公式:V(CO2)=AhU(1-Swirr)

3

3

(8)

sws(CO2)-Qowo(CO2)](9)M(CO2)=AhU[Q

式中:V(CO2)表示干层中的二氧化碳埋存体积;

4 地质埋存潜力评价

国外已经开展了有关二氧化碳在地质储层中埋存潜力的研究,但研究方法和准确程度有很大差异。有的只是粗略地估计全球范围内大致的埋存量,有的试图详细计算盆地或勘探级别目标区的储存容量[13]。开展此项研究的主要目的之一是为了得到埋存量的一个大致的范围,并以此为依据进行政策性的指导。

从表1中可以看到,最具有埋存潜力的场所是深部盐水层,可以提供多至5倍于二氧化碳排放量的容积,但不确定性也最大。枯竭的油气藏可以提供45%的容量,煤层的容量最小。表1中的研究数据出自20世纪90年代初期,要得到更准确的数据仍需进一步的研究。

表1 全球不同埋存场所的容量估计[7]

Table1 Globalcapacityofdifferentstorageoptions

全球容量

埋存场所

CO2排放量/亿t

枯竭的油气藏深部盐水层深部煤层920400~10000

20占2050年排放量的比例/%

4520~500<2Swirr为束缚水饱和度;M(CO2)为溶解于水中的二氧

3

化碳埋存量(kg);Q为地层水的密度(kg/m);下标o、s分别表示二氧化碳在水中原始状态和溶解后状态;w(CO2)为二氧化碳的质量分数;A为盐水层面积(m2);h为盐水层厚度(m);U为孔隙度。

式(7)未考虑二氧化碳在流体中的溶解量和在储层中的化学埋存量,式(9)未考虑二氧化碳在储层中的化学埋存量。因此,在计算时,需要在上述两式后加上未考虑的埋存量。

根据中国主要的沉积盆地盐水层容积、油气藏容积、煤层区容积,利用容积法、溶解度法、单位体积吸附量初步估算中国地质埋存CO2的总容量为14548亿t,其中深部盐水层可埋存约14350亿t,枯竭的油气藏可埋存约78亿t,主要煤层区可埋存约120亿t。按2002年中国二氧化碳总排放量为33~40亿t的1/3估算,地下空间容量可供中国二氧化碳地质埋存使用1000年以上[15]。

5 二氧化碳在地下运移的动态监测、

安全性及环境影响评估

主要通过地球物理、地球化学、遥感等多种技术手段对注入的二氧化碳进行监测。主要工作内容:观测二氧化碳的相态、运移前缘、围岩的变化,综合各种相关信息,评价其稳定性、安全性、对地下环境的影响、与流体和围岩的反应引起围岩孔、渗的变化等等。目前已经存在的技术有:试井、压力监测、示踪剂和化学取样、地面和井筒地震,以及电磁和地质第4期 谷丽冰等:二氧化碳地质埋存研究进展

83

力学仪器。但是,在监测二氧化碳泄露的空间及时

间精度方面,这些技术还不够。目前正在研究的技术包括:追踪二氧化碳迁移的高分辨率测绘技术、应变和微震监测技术、监测气体泄露和地表应变的遥

[8]

感技术。

美国Sandia国家实验室、LosAlamos国家实验室、国家能源技术实验室联合独立生产商Strata生产公司在WestPearlQueen油田开展了井下二氧化碳注入枯竭油气藏的监测项目[8]。采用了计算机模拟、实验室实验、矿场监测等技术来观测其地质力学和水文地质变化过程;同时利用卫星红外探测、雷达、航空摄影等技术来监测二氧化碳的运移;通过观测地震响应将地球物理勘探用于检测和表征流体的饱和度、压力的变化。LawrenceBerkley,Law-renceLivermore和OakRidge的国家实验室以及他们的合作者利用地震、电子成像、同位素示踪等手段来追踪二氧化碳的运移[8]。国外成功的监测实例及进行的一系列实验为开展此项研究提供了重要的经验指导。

在开展二氧化碳地质埋存项目时,要考虑的重要因素之一是安全性。在长期的地质埋存过程中,二氧化碳既有可能从井筒、断层、裂缝泄露,也有可能通过分子扩散作用从储层溢出。在注入二氧化碳之前,与安全性相关的研究有:通过对盖层完整性、岩石力学性质的测量和模拟研究,判断二氧化碳从盖层垂直扩散、散失的潜在可能性;通过对断裂系统分布、性质(张性、压性、封闭性)的分析(地表调查、遥感图像解析、反射地震资料解析等),判断二氧化碳从断裂侧向渗漏的可能性;通过对现有生产井、废弃井状况的调查(封堵泥浆、腐蚀)及井场实验,判断井筒渗漏的可能性。德克萨斯工业大学正在研究的一个项目是利用核磁共振测井来表征地下储层,包括盖层的特性和完整性[8]。

与其他有害气体不同,二氧化碳在较低浓度时是良性的。二氧化碳泄露对环境危害的评估标准尚须建立。国际高级能源署[8](AdvancedResourcesInternational)正在进行这方面的工作,以评估二氧化碳在注入及埋藏时缓慢和快速的泄露对环境的影响。5个大型的天然二氧化碳气田被挑选出作为目标区域。研究包括地质、工程、安全方面的评定,在地球化学分析和地质力学模拟的基础上,进行与环境和安全相关因素的评估。

持续发展会议上,朱镕基总理宣布中国政府作为一个负责任的发展中国家郑重承诺核准5京都议定

[16]

书6。随着2012年/后京都时代0的到来,由于温室气体排放量急剧上升,我国必然成为全球履约中的焦点,所承受的国际压力会越来越大。根据我国自行研制的中长期能源需求和二氧化碳排放系统预测,我国2010年二氧化碳排放量为13.3~15.7亿t,将比2003年提高57%~85%;2020年二氧化碳排放量为15.43~21.74亿t,比2003年提高82%

[1]

~156%。

当前应妥善安排科研和试验工作。结合中国实际,以二氧化碳长期埋存为目标,运用地质学、地球化学、地球物理学的理论,开展相关的地质学问题及应用性技术的研究,确定埋存二氧化碳及可能利用的方案,同时开展广泛的国际合作,逐步建立适合中国地质特点的埋存技术体系。

具体应从以下几个方面开展工作[16]:

(1)开展二氧化碳排放源与封存地质体的综合评估,制定二氧化碳地下封存的战略规划。

(2)建立二氧化碳埋存的地质模式,包括裂缝、盖层、矿物成分、储集层精细描述与评价理论基础等。

(3)二氧化碳在地质埋存系统中的吸附和运移机理与规律研究。

(4)二氧化碳在地质埋存系统中的相态及其变化规律研究。

(5)二氧化碳在地层中的化学反应机理及固化条件研究。

(6)二氧化碳地下埋存的监测和预测技术,包括埋存能力预测,二氧化碳运移前缘、运动规律、预测理论及方法研究。参考文献:

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6 我国开展二氧化碳埋存需要解决的

问题

2002年11月在南非约翰内斯堡举行的世界可84

2007,244(30):103-129.

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ExistingStateaboutGeologicalStorageofCarbonDioxide

GUL-ibing1,2,LIZh-iping2,HOUXiu-lin2

(1.InternationalPetroleumExplorationandProductionCorporation,SINOPEC,

Beijing100083,China;2.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityof

Geosciences,Beijing100083,China)

Abstract:Thearticledescribesthefundamentalgeologyissuesandcorrelationtechniquesofcarbondioxidestorage,includingitsbasicprinciple,applicablestorageformations,methodsofselectingreservoirs,est-i

mationofstoragecapacity,performancemonitoring,safetyandenvironmentprotection,andcarbondiox-idestorageinChina.Whencarbondioxideisinjectedintogeologicformations,itwillbestoredinthreeconditions:molecule,compoundordissolvedconditions.Applicablestorageformationsincludedeepsalineaquifer,deepcoalbedanddepletedreservoirs,whileapplicablereservoirsincludingwaterdriveanddis-solved-gasdrivereservoirscanbeselectedbyusingcomputationalsolutionsofdifferentformulas.Similar-ly,eachstoragecapacityofthreekindsofstorageformationsalsocanbeestimatedbycalculatingdifferentformulas.

Keywords:carbondioxide;geologicalstorage;principle;monitoring;assessmentmethod