CO2管道輸送技術(shù)現(xiàn)狀研究

寧雯宇，陳 磊，韓喜龍，張一楠，孫東旭

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

CO2管道輸送技術(shù)現(xiàn)狀研究

寧雯宇1，陳 磊1，韓喜龍1，張一楠2，孫東旭2

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

隨著油田三次開(kāi)采的深入與碳捕集封存技術(shù)的發(fā)展，CO2注入成為提高采收率與緩解溫室氣體效應(yīng)的有效手段，針對(duì)氣源地與注入地差異問(wèn)題，管道輸送以輸量大、輸送距離遠(yuǎn)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)成為 CO2輸送的最重要途徑。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外 CO2管道輸送技術(shù)的研究，針對(duì)四種管輸狀態(tài)（即超臨界輸送、密相輸送、液態(tài)輸送、氣態(tài)輸送）的不同特點(diǎn)，得出管輸中超臨界輸送與密相輸送是較為合理的輸送方式，并分析了輸送過(guò)程中遇到的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為國(guó)內(nèi) CO2管道輸送的開(kāi)展提供技術(shù)支撐。

二氧化碳；管道輸送；超臨界；密相

溫室氣體的排放是造成全球氣候變暖的主要因素之一，其中 CO2的作用約占 63%[1]。按照目前排放溫室氣體的速度，全球平均溫度到 2100 年將會(huì)升高 1.4～5.8 ℃[2]，而截至到 2010 年中國(guó) CO2排放量占全球排放量的 24.59%。

我國(guó)的油田部分以進(jìn)入三次采油階段，此階段常規(guī)采油方式已很難取得較好的采油效果，而 CO2驅(qū)采油作為一種新型采油方式在國(guó)外已得到一定應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)仍處于探索階段，探尋二氧化碳驅(qū)對(duì)我國(guó)原油進(jìn)一步開(kāi)發(fā)具有重要意義。

通過(guò)對(duì) CO2加工處理，將其從煙氣或天然氣中捕集后進(jìn)行液化和儲(chǔ)存，即 CO2捕集與封存（CCS）技術(shù)，其對(duì)緩解溫室氣體排放和提高采收率有重要意義。因我國(guó)二氧化碳的來(lái)源地和注入地或使用地相隔較遠(yuǎn)，而管道輸送具有輸量大、輸送距離遠(yuǎn)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，推廣 CO2管道輸送是最為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式。

1 國(guó)內(nèi)外 CO2管道輸送技術(shù)

1.1 CO2基本物性

圖 1 二氧化碳相態(tài)圖Fig.1 CO2phase diagram

CO2通常為一種無(wú)色無(wú)味的氣體，與水溶解度為 0.144 g/100 g (25 ℃)，標(biāo)況下密度為 1.977 g/L，CO2相態(tài)圖如圖 1 所示，其中三相點(diǎn)為-56.5 ℃、5.18 MPa，臨界點(diǎn)為 31.1 ℃、7.38 MPa，其存在狀態(tài)因壓力、溫度不同而分為固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)、高壓密相和超臨界狀態(tài)5種，而在管輸過(guò)程中5種狀態(tài)都可能存在。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

隨著 CO2-EOR 及 CCS 技術(shù)的推廣應(yīng)用,用管道來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)距離、大規(guī)模的運(yùn)輸在國(guó)外已經(jīng)獲得相對(duì)較為廣泛的應(yīng)用。美國(guó)自上世紀(jì) 70 年代以來(lái)已經(jīng)擁有超過(guò) 6 000 km 的 CO2管道[3]，其中已經(jīng)建成或在建的管道包括一條從北達(dá)科他州羚羊谷到加拿大薩斯喀徹省的百萬(wàn)噸 CO2管道和 Salt Creek 油田的EsteCO2管道等。加拿大巨大的 Weyburn 工程為將CO2輸送到 Weyburn 油田，而建造了一條長(zhǎng) 330 km、直徑 305～356 mm 的 CO2管道，另外土耳其等國(guó)也進(jìn)行了 CO2管道的研究與建造(表 1)。

表 1 國(guó)外部分 CO2管道數(shù)據(jù)Table 1 The foreign CO2pipeline data

1.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)主要的產(chǎn)油區(qū)附近的 CO2氣源很少，從而從其他地方采集氣體通過(guò)管道輸送至指定用地是十分必要的，而國(guó)內(nèi)對(duì) CO2管道技術(shù)研究起步較晚，目前處于理論研究與實(shí)驗(yàn)階段，但已計(jì)劃開(kāi)展工程實(shí)踐建設(shè)，勝利電廠的百萬(wàn)噸 CO2項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)為國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的 CO2輸送管道。

2 CO2管輸狀態(tài)

由所輸二氧化碳的不同相態(tài)，管道輸送工藝可分為超臨界輸送、密相輸送、液態(tài)輸送和氣態(tài)輸送，每一種輸送方式都有其特點(diǎn)，不同相態(tài)的管道輸送條件也不同。

2.1 超臨界輸送

從氣井中采出的 CO2常處于超臨界狀態(tài)，采用超臨界管道輸送時(shí)相對(duì)于其他輸送方式對(duì) CO2的初始相態(tài)改變較小，當(dāng)溫度和壓力高于臨近值時(shí) CO2便處于超臨界狀態(tài)，此條件對(duì)于管道輸送是不難達(dá)到的。在輸送中需要考慮溫降對(duì)介質(zhì)相態(tài)的變化，取管道入口條件為壓力 13 MPa、溫度 50 ℃，龍安厚 等[4]通 過(guò) Hysys 軟 件 模 擬 得 出 當(dāng) 輸 送 距 離 達(dá) 到128.1 km 時(shí)，溫度降為 30.95 ℃，達(dá)到臨界狀態(tài)，如繼續(xù)輸送介質(zhì)將會(huì)發(fā)生相態(tài)改變，從而確定此條件下有效輸送距離為 128.1 km。但超臨界 CO2具有粘度小、密度大等特點(diǎn)，且氮?dú)夂图淄閷?duì)管輸?shù)膲航岛蜏亟涤绊懞苄?，因此在?shí)際輸送中超臨界輸送應(yīng)用較為廣泛（圖 2）。

2.2 密相輸送

圖 2 CO2超臨界管道輸送工藝Fig.2 CO2supercritical pipeline transportation process

當(dāng)輸送溫度略低于超臨界輸送而保持壓力區(qū)間不變時(shí)，管道輸送方式進(jìn)入密相輸送，要保證管道輸送沿線流體一直處于密相狀態(tài)，需使輸送壓力高于臨界壓力，而輸送溫度不能過(guò)高，入口溫度的選擇主要根據(jù) CO2液化流程的出口溫度來(lái)確定[5]。密相輸送的沿線管道壓降低于超臨界輸送和液相輸送，而投資略低于超臨界輸送、遠(yuǎn)低于氣相輸送和液相輸送，適宜在人口稀少的地方輸送，國(guó)內(nèi)計(jì)劃建設(shè)的 CO2管道多數(shù)為短距離注入管道，密相輸送的工藝適用性相對(duì)較好（圖 3）[6]。

圖 3 CO2密相管道輸送工藝Fig.3 CO2dense phase pipeline transportation process

2.3 液態(tài)輸送

液體狀態(tài)的 CO2具有粘度小、比重小、管輸摩阻小、經(jīng)濟(jì)性好、溶解性好等特點(diǎn)[7]，從而為液態(tài)輸送帶來(lái)便利，但液態(tài)輸送對(duì)輸送溫度要求較嚴(yán)格，溫度較高時(shí) CO2容易氣化，管道是否需要敷設(shè)保溫層需要通過(guò)熱力計(jì)算來(lái)確定。最常見(jiàn)獲得液態(tài) CO2的方法是利用井口的壓力能來(lái)進(jìn)行節(jié)流制冷，而為了保護(hù)增壓泵，需保證 CO2進(jìn)入之前使其液化，同時(shí)在增壓后，有必要設(shè)置換熱器來(lái)冷卻 CO2[8]。由于輸送過(guò)程中需對(duì)溫降嚴(yán)格控制，且輸送壓力不高使輸量相對(duì)較低，一般在需大量 CO2注入的地方不能得到普及（圖 4）。

圖 4 CO2液態(tài)管道輸送工藝Fig.4 CO2liquid pipeline transportation process

2.4 氣態(tài)輸送

在管道輸送時(shí) CO2始終以氣態(tài)形式存在，通過(guò)壓縮機(jī)升高輸送壓力，而井口采出的 CO2多為超臨界狀態(tài)，故需使其在進(jìn)入管道前進(jìn)行節(jié)流變相從而符合管輸要求。在輸送過(guò)程中需要注意增壓的幅度，壓力不能過(guò)高，否則會(huì)導(dǎo)致相態(tài)發(fā)生變化。此種管輸方法相比其他輸送方法對(duì)管道材質(zhì)要求較低，但總體經(jīng)濟(jì)性不好，從而沒(méi)有得到廣泛推廣（圖 5）。

圖 5 CO2氣態(tài)管道輸送工藝Fig.5 CO2gas pipeline transportation process

3 CO2管道輸送關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

CO2管道輸送過(guò)程中的四種狀態(tài)最常用的是超臨界輸送和密相輸送，這兩種輸送方式對(duì)管道及輸送技術(shù)要求較高。為保障管道的安全、平穩(wěn)運(yùn)行，需要注意的關(guān)鍵技術(shù)及問(wèn)題如下：隨著技術(shù)的發(fā)展，海底封存 CO2成為一種新型儲(chǔ)存 CO2的方式，而對(duì)海底管道的設(shè)計(jì)、管道的壽命及安全保障等仍需深入研究；雜質(zhì)對(duì) CO2管道輸送的安全、效率存在影響，同時(shí)也可能會(huì)導(dǎo)致 CO2相行為的改變，從而獲得較為純凈的 CO2成為管道輸送的前提；管道的流動(dòng)保障研究需要注意的問(wèn)題主要包括流體溫度和壓力對(duì)流動(dòng)能力的影響、快速壓降引起管道中形成干冰從而堵塞管道以及瞬態(tài)運(yùn)行情況；當(dāng)輸送高壓氣體或液體時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)剪切傳播斷裂問(wèn)題，這是氣體壓降與裂紋擴(kuò)展共同作用的結(jié)果，這種作用決定了剪切傳播斷裂的程度和距離，并對(duì)管道安全輸送帶來(lái)較大影響[9]。只有對(duì)管輸過(guò)程中的流態(tài)、可能遇到的技術(shù)難題以及需要注意的相態(tài)變化進(jìn)行深入研究，并在運(yùn)行管理中嚴(yán)格控制瞬變參數(shù)，才能使CO2管道輸送安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

4 結(jié) 論

（1） 通過(guò) CO2管道能從氣源地將 CO2高效、迅速的輸送至注入地，從而為減少溫室氣體排放和提高三次采油效率提供條件。

（2） CO2管道輸送按輸送介質(zhì)的狀態(tài)不同分為氣體輸送、液體輸送、密相輸送及超臨界輸送，四種不同輸送狀態(tài)均有各自特點(diǎn)，但從經(jīng)濟(jì)性、適用性角度，密相輸送和超臨界輸送更為普遍。

（3）在 CO2管道輸送過(guò)程中還存在較多需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，如管道冰堵、剪切傳播斷裂等問(wèn)題仍需深入研究，為管道安全運(yùn)行提供保障。

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Research Situation of the CO2Pipeline Transportation Technology

NING Wen-yu1，CHEN Lei1，HAN Xi-long1，ZHANG Yi-nan2，SUN Dong-xu2
（1. Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum, Beijing 102249，China；
2. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

With in-depth study of the third oil field exploration and the development of carbon capture sequestration technology, CO2injection becomes the effective means of enhancing oil recovery and reducing greenhouse effect. Aiming at the problem of long distance between gas source site and injection site, the pipeline transportation becomes the most important way of transporting carbon dioxide because of its advantages of huge throughput, long transmission distance and well economical efficiency. In this paper, through research on the CO2pipeline transportation technology at home and abroad, characteristics of four pipeline transportation ways (supercritical transportation, dense phase transportation, liquid phase transportation and gas phase transportation) were analyzed. It’s pointed out that supercritical transportation and dense phase transportation are more reasonable. At last, the key technical problems in the transportation process were studied, which could provide technical support for the development of carbon dioxide pipeline transportation in China.

Carbon dioxide; Pipeline transportation; Supercritical; Dense phase

TE 832

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1280-03

2013-11-23

寧雯宇（1990-），男，河北廊坊人，中國(guó)石油大學(xué)（北京）在讀研究生，2013 年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：油氣集輸及地面工程。E-mail：ningwy27@163.com。