CCS示范項目分析探討

王永勝

神華鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209

0 引言

CCS定義為carbon dioxide Capture and Storage（二氧化碳捕集與封存）。CCS的組成部分包括：CO2捕集：煤化工、煤電廠、煉油廠、玻璃廠、水泥廠、化工廠等大型CO2排放源排放的CO2經(jīng)過捕集、凈化、壓縮、液化、精餾等工序生產(chǎn)出一定純度的液態(tài)CO2；CO2運輸：從捕集裝置出來的液態(tài)CO2，經(jīng)過管道輸送到緩沖罐區(qū)暫時儲存，然后再通過管道或者罐車將液態(tài)CO2輸送到封存區(qū)；CO2封存：就是將二氧化碳放在地下地層中的自然空隙中，以實現(xiàn)對二氧化碳的束縛、溶解以至于礦化形成永久封存。

二氧化碳地下封存按技術(shù)可以分為3大類：海洋封存、地址封存和植被封存，其中地質(zhì)封存技術(shù)相對成熟。

1 鄂爾多斯盆地CO2地質(zhì)封存量評估

神華CCS項目是中美“化石能合作協(xié)議”中“清潔燃料”的主要內(nèi)容，神華研究院同美國能源局相關(guān)單位合作建立了鄂爾多斯盆地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，并對其進行了CO2地質(zhì)封存量評估。在研究范圍內(nèi)（300km），初步篩選的可封存CO2的地層分布圖，共7個地層：3個鹽水層、1個油儲層、1個氣儲層、2個深部煤層。表1是各地層的評估儲存量，其中深部眼水層潛力最大。

表1 神華與美國能源局合作評估鄂爾多斯盆地二氧化碳封存量

2 CCS工程探討

神華CCS示范工程地質(zhì)封存為無附加值的，純粹以減排為目的的，在深部咸水含水層以物理封存與化學(xué)封存兩種機理同時進行的封存方式。

2.1 二氧化碳來源

世界首套百萬噸級煤直接液化項目在神華鄂爾多斯煤制油分公司的順利投產(chǎn)，表明我國已經(jīng)成為世界第一個擁有百萬噸級自主知識產(chǎn)權(quán)新一代煤直接液化工藝的國家。但煤直接液化也面臨著實現(xiàn)近零排放的巨大環(huán)保壓力，百萬噸級煤直接液化每年排放二氧化碳300萬t。要實現(xiàn)零排放最直接有效的辦法就是實現(xiàn)二氧化碳的地質(zhì)封存。本項目試驗裝置的建設(shè)和運行將獲得的充分的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為今后大規(guī)模煤炭轉(zhuǎn)化、石油化工、綠色煤電等各CO2高排放項目提供減排技術(shù)支持。同時這些項目也將成為CCS二氧化碳的主要來源。

2.2 二氧化碳捕集工藝

本裝置采用二氧化碳壓縮機將煤制油生產(chǎn)過程中煤氣化產(chǎn)生的二氧化碳升壓、冷凍系統(tǒng)提供冷量、變溫變壓吸附（TSA）脫硫脫油和脫水、液化及精餾、低溫加壓球罐存貯、超臨界狀態(tài)注入封存的工藝技術(shù)。

2.3 二氧化碳運輸

神華CCS項目為示范項目，尚有許多不確定因素，因此在運輸方面沒有采取管道輸送而是采用罐車運輸?shù)姆绞健９捃囘\輸建設(shè)投資小，使用靈活方便，而且一旦注入?yún)^(qū)有問題可以將食品級二氧化碳運往市場銷售。避免了大額建設(shè)投資的損失風(fēng)險。

2.4 二氧化碳封存

1）四種二氧化碳地質(zhì)封存方案示意圖

2）鉆井工程難點

鉆井的主要風(fēng)險在于以下兩個方面：

（1）要實現(xiàn)CO2的永久封存的目的，對該井的固井質(zhì)量提出了較高要求，目前國內(nèi)防腐水泥漿體系處于試驗階段，能否實現(xiàn)永久封固存在不確定性;

（2）由于實際生產(chǎn)過程中CO2對管柱的腐蝕存在不確定因素，因此對綜合平衡管材材質(zhì)的選用與其經(jīng)濟性存在一定的風(fēng)險。

在施工方面，鉆井還存在以下幾個方面的難點：（1）為保證注入井安全，要求各層套管的固井水泥漿必須返到井口；（2）本井劉家溝組是該地區(qū)的區(qū)域性漏層，可能存在嚴重的漏失問題。嚴重井漏不僅導(dǎo)致鉆井液材料與堵漏時間的損失，更對固井施工造成困難；（3）由于該區(qū)域煤層發(fā)育，本井可能存在井壁垮塌問題；（4）注入井與監(jiān)測井相距較近，所以對井身質(zhì)量要求較高；（5）如果加深鉆探，則鉆進施工中存在地層認識不清的工程風(fēng)險。

3）取巖心要求

為了取得準(zhǔn)確的儲層及蓋層的物性資料，為CO2地質(zhì)封存相關(guān)地質(zhì)研究提供所需巖心分析資料。鉆井取心要求：（1）取心前、后起鉆要在同一鉆壓下（2t～3t）丈量方入，保證井深準(zhǔn)確。取心鉆進要記好鉆時，避免磨心。巖心筒出井口后，要立即出心整理，及時采樣；（2）應(yīng)及時對巖心進行巖性特征及含氣、水情況的觀察和描述，對儲層段巖心要進行密閉試驗，觀察其含水性。巖心出井時要及時封裝或采集分析樣。

4）注入工藝

CO2注入工藝如下圖所示，首先由槽車將-20℃、2MPa的液態(tài)CO2泵送進入保冷處理的緩沖槽。緩沖槽內(nèi)的液態(tài)CO2達到一定液位后啟動注入泵，實施CO2注入。液態(tài)CO2入井前必須經(jīng)過加熱器將其溫度升高至注入溫度，注入壓力由注入泵控制。在注入過程中還必須啟動蒸發(fā)器，蒸發(fā)器的作用是及時補充緩沖槽因液位下降引起的壓力降低，以確保注入壓力的穩(wěn)定。注入工程中必須嚴密監(jiān)視入井CO2的壓力及溫度以保證進入地層的是超臨界狀態(tài)的CO2。

神華CCS示范工程已于2010年底產(chǎn)出達到注入要求的CO2并隨即成功實現(xiàn)將超臨界二氧化碳注入到目的儲層，完成了初期試注目標(biāo)。

3 CCS監(jiān)測模擬

3.1 監(jiān)測目的及意思

1）從監(jiān)測目的和手段出發(fā)，對包括常規(guī)監(jiān)測、三維地震、井間地震、示蹤劑方法、地表環(huán)境監(jiān)測等方法進行介紹；

2）根據(jù)本項目的特點對監(jiān)測井的監(jiān)測對象、方法及周期進行了思路分析，就項目進行的不同階段，分別提出注入前、注入中和注入后的監(jiān)測方案，對鉆井及井筒裝置提出基本要求；

3）鑒于目前地質(zhì)資料的收集工作還在進行，地震解釋工作剛剛完成，該區(qū)塊的測井和巖芯數(shù)據(jù)尚未取得，因此目前僅在思路上提出監(jiān)測方案和要求；隨著地質(zhì)模型的建立以及數(shù)值模擬的開展，將對監(jiān)測方法和對象提出更加具體的設(shè)計和調(diào)整方案。

3.2 注入前監(jiān)測

1）充分利用鉆孔獲取的信息，盡可能對目標(biāo)層和蓋層的地質(zhì)構(gòu)造、巖石物性和流體性質(zhì)進行測定和分析；2）核查所有可能受二氧化碳灌注影響的地層是否存在溝通目標(biāo)灌注層及地表的人工通道或自然通道；3）確定地質(zhì)環(huán)境及地球化學(xué)參數(shù)的背景值。

3.3 注入中監(jiān)測

1）監(jiān)測二氧化碳運移與灌注帶地層壓力和溫度；2）對蓋層封隔性的監(jiān)測；3）利用示蹤劑監(jiān)測地層連通性以及二氧化碳泄漏；4）對蓋層之上緩沖層及可能的淡水含水層的水質(zhì)監(jiān)測；5）監(jiān)測二氧化碳在灌注層中的運移。

3.4 注入后監(jiān)測

1）繼續(xù)采用永久壓力記錄、井間地震、示蹤劑等方法，對目標(biāo)層中灌注帶地層壓力變化、二氧化碳擴散羽的位置和形態(tài)，以及蓋層的封閉性進行長時間監(jiān)測。相關(guān)監(jiān)測項目與方法與灌注階段的相同，但監(jiān)測頻率可根據(jù)實際情況減少；

2）原則上應(yīng)持續(xù)50年，監(jiān)測停止時間應(yīng)以模型計算結(jié)果為基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

首個CCS項目先后通過了國家相關(guān)部門的安全評價、環(huán)境評價、壓礦評價。至于經(jīng)濟性評價目前還沒有一個系統(tǒng)權(quán)威的結(jié)果。由于是示范工程在工程施工過程及材料選用上都采用了比較保守的思路，所以整個工程施工、運營的成本較高。要實現(xiàn)CCS的產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；?，還要在示范工程的封存過程中逐步探索、研究最終找到既安全又經(jīng)濟的施工方案、施工材料及運營方案。

[1]沈平平，廖新維.二氧化碳地質(zhì)埋存與提高石油采收率技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[2]中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院.鉆井設(shè)計[s].北京，2010.

[3]北京一龍恒業(yè)石油工程技術(shù)有限公司.10萬噸/年CCS實驗項目可行性研究報告[s].北京,2009.