超臨界二氧化碳在地?zé)衢_發(fā)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉松澤，魏建光,2，馬媛媛，劉雪梅

(1.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318;2.東北石油大學(xué) 陸相頁巖油氣成藏及高效開發(fā)教育部重點實驗室,黑龍江 大慶 163318;3.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠,黑龍江 大慶 163318)

干熱巖(Hot Dry Rock,HDR)通常是指埋藏于地下深部3～10 km，溫度在150～650 ℃之間，內(nèi)部不含流體或僅含少量流體的異常高溫巖體。干熱巖以其清潔可再生、分布廣泛、儲量豐富、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點，被公認(rèn)為21世紀(jì)最具潛力的新興能源。具有綠色環(huán)保、清潔可再生、分布廣、儲量大、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點。我國干熱巖地?zé)豳Y源儲量約占全球資源量的1/6，初步估計在3～10 km深度范圍內(nèi)的干熱巖總熱量為2.5×1025J，折算標(biāo)準(zhǔn)煤可達(dá)8.56×1014億t，開發(fā)利用前景巨大，可以用于發(fā)電、供暖、強(qiáng)化采油等多個領(lǐng)域[1]。我國大陸干熱巖儲量統(tǒng)計見表1。

表1 我國大陸干熱巖儲量統(tǒng)計表[2]Table 1 Statistical data of hot dry rock reserves in China

國土資源系統(tǒng)已對國內(nèi)多地展開了干熱巖地?zé)豳Y源調(diào)查，圈定了包括東南沿海地區(qū)、環(huán)渤海地區(qū)、藏南黔西地區(qū)、大同盆地、松遼平原等多處干熱巖開發(fā)靶區(qū)，根據(jù)《全國干熱巖勘查與開發(fā)示范實施方案》，計劃于2030年實現(xiàn)干熱巖的商業(yè)化開采。

干熱巖中地?zé)豳Y源豐富，由于干熱巖巖體致密、低孔隙度、低滲透率的特性，難以用傳統(tǒng)方法開采，增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal System,EGS)是開發(fā)干熱巖的重要手段。2000年，Brown提出了CO2-EGS的概念，即使用CO2代替水作為工質(zhì)流體開采干熱巖地?zé)豳Y源。從化學(xué)特征、儲層滲流特征和流體循環(huán)特征等多方面考慮，作為工質(zhì)流體CO2均具有明顯的優(yōu)勢，CO2-EGS不但能夠高效利用溫室氣體CO2，節(jié)約水資源，還能夠進(jìn)行CO2地質(zhì)封存(CCUS)，實現(xiàn)了二氧化碳增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(CO2-EGS)與二氧化碳地質(zhì)封存(CCUS)一體化技術(shù)。

1 干熱巖地?zé)豳Y源

1.1 干熱巖的優(yōu)點

干熱巖的開發(fā)利用對緩解化石燃料危機(jī)、減少環(huán)境污染具有重要作用,干熱巖發(fā)電具有零排放的優(yōu)勢，可有效緩解其它發(fā)電手段造成的溫室效應(yīng)，減少酸雨對環(huán)境造成的不利影響，其發(fā)電利用率位居可再生能源榜首，平均利用率高達(dá)73%，約為太陽能光伏發(fā)電的5倍，風(fēng)力發(fā)電的3倍，發(fā)電投入成本低，僅為風(fēng)力發(fā)電的1/2，太陽能發(fā)電的1/10，且因其資源埋藏在地下深部，不受環(huán)境、天氣狀況的影響，故使用干熱巖發(fā)電還具有連續(xù)穩(wěn)定的優(yōu)點[3]。同時，干熱巖在供暖和油田開采方面的應(yīng)用，能夠大力的減少化石燃料的使用，降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、粉塵等的排放。干熱巖的開發(fā)利用對緩解化石能源危機(jī)、減少環(huán)境污染具有重要作用。

1.2 干熱巖的開發(fā)

由于工質(zhì)流體無法直接注入巖體進(jìn)行提熱，因此需要通過人工壓裂等儲層刺激手段，將高溫巖體改造為滲透性能較好的儲層，建造增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行開采[4-5]。該系統(tǒng)通常由注入井、生產(chǎn)井及壓裂儲層構(gòu)成，低溫工質(zhì)流體由注入井注入，通過裂縫通道與高溫干熱巖巖體進(jìn)行熱能交換，吸收相當(dāng)數(shù)量的熱能并通過生產(chǎn)井返回地面，從而達(dá)到采熱的目的。干熱巖EGS系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 干熱巖EGS系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hot dry rock enhanced gelthermal system

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)多使用水作為壓裂液和工質(zhì)流體進(jìn)行熱能提取，但在干熱巖開采過程中，水會與地層中的巖石礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，改變儲層滲透率，破壞儲層穩(wěn)定性，降低工質(zhì)流體的純度，同時，溶解在水中的礦物成分還會造成井筒、地面設(shè)備、各種管線結(jié)垢，影響設(shè)備的使用壽命。另一方面，工質(zhì)流體回收率低也是H2O-EGS面臨的挑戰(zhàn)之一，美國Fenton Hill 干熱巖試驗區(qū)進(jìn)行的實驗發(fā)現(xiàn)，注入水的回收率僅為7%～12%，水資源浪費嚴(yán)重，H2O-EGS需要消耗大量的水資源，在水資源匱乏區(qū)域無法使用H2O-EGS進(jìn)行干熱巖地?zé)衢_采[6]。2000年，D W Brown 提出了使用CO2-EGS的理念，使用CO2代替水作為工質(zhì)流體開采干熱巖地?zé)豳Y源。CO2-EGS能夠高效利用溫室氣體CO2，節(jié)約水資源的同時，間接實現(xiàn)了CO2地質(zhì)封存(CCUS)，即整體實現(xiàn)了二氧化碳增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)CO2-EGS與二氧化碳地質(zhì)封存CCUS一體化技術(shù)。

2 CO2在增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)環(huán)境溫度高于31.1 ℃，壓力高于7.38 MPa時CO2處于超臨界狀態(tài)，此時其密度與液態(tài)CO2相近，擴(kuò)散系數(shù)介于液體和氣態(tài)之間，粘度與氣態(tài)相近，表面張力接近于零，兼具氣液兩相的特性。由于超臨界CO2與水的物性差異，使CO2-EGS和H2O-EGS在滲流場和溫度場變化上存在差異，具有不同的滲流規(guī)律和采熱效率。作為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)工質(zhì)流體，超臨界CO2的多項性質(zhì)均優(yōu)于水，能夠提高采熱效率，增加經(jīng)濟(jì)效益，對干熱巖開發(fā)具有重要意義。

2.1 儲層改造中的應(yīng)用

使用人工壓裂手段將低孔隙度、低滲透率的干熱巖改造為滲透性能較好的儲層，是建造增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的關(guān)鍵，合理的壓裂液選擇是影響壓裂效果的關(guān)鍵因素。目前，已有一些國家，例如美國、澳大利亞等使用超臨界CO2進(jìn)行地?zé)豳Y源的開采。超臨界CO2作為壓裂液與常規(guī)壓裂液滑溜水、泡沫等相比，具有以下優(yōu)點[7-8]：

(1)CO2制備投入成本不高，來源范圍廣，沒有腐蝕性，穩(wěn)定性好，安全性強(qiáng)。水會溶解巖石礦物，與巖石礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)堵塞裂縫通道，然而CO2為非極性溶劑，不與巖石礦物發(fā)生反應(yīng)，不存在礦物溶解或沉淀等問題。

(2)超臨界CO2具有粘度低、表面張力小、摩阻系數(shù)低、擴(kuò)散能力強(qiáng)、滲透能力強(qiáng)的特點，相較于其它壓裂液更容易滲透到微小的裂縫和孔隙中，增大了儲層的滲流面積，促進(jìn)了微裂隙網(wǎng)格的大量生成。

(3)超臨界CO2具有脫水性，能夠處理巖石中或裂隙中殘余的少部分水，避免了水與巖石礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，保持了巖石的干燥性，同時較好的保護(hù)了干熱巖地?zé)醿樱瑴p少了其它物質(zhì)造成的儲層傷害。

(4)超臨界CO2壓裂后能夠快速徹底地進(jìn)行返排處理，具有生產(chǎn)效率高，系統(tǒng)傷害小的優(yōu)點，節(jié)約儲層改造的時間，縮短工程周期。

2.2 循環(huán)采熱中的應(yīng)用

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)中工質(zhì)流體的選擇是影響系統(tǒng)采熱效率的關(guān)鍵因素。與傳統(tǒng)的水作為工質(zhì)流體的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)相比，超臨界CO2作為工質(zhì)流體的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)略勝一籌。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對CO2-EGS和H2O-EGS進(jìn)行了大量有益的探索，認(rèn)為CO2-EGS具有以下優(yōu)勢[9-11]。

(1)CO2的壓縮性和膨脹性均優(yōu)于水，對溫度、壓力的敏感性更強(qiáng)。當(dāng)CO2作為工質(zhì)流體循環(huán)采熱時，其在生產(chǎn)井井口的生產(chǎn)壓力高于在注入井井口的注入壓力，生產(chǎn)壓力高于注入壓力為超臨界CO2在地面系統(tǒng)中的運移提供了驅(qū)動力，減少了地面系統(tǒng)循環(huán)過程的能量消耗，在不需要額外泵功的條件下就能保證工質(zhì)流體的循環(huán)使用。

(2)超臨界CO2的粘度低，滲流能力強(qiáng)。雖然CO2的比熱容低于水，單位質(zhì)量工質(zhì)流體攜帶的熱能少，但當(dāng)注采壓差相同時，CO2的滲流能力更強(qiáng)，其質(zhì)量流量可達(dá)水的1～6倍，總熱提取率達(dá)到水的1.6倍左右，熱提取能力強(qiáng)。

(3)工質(zhì)流體的流失是干熱巖開采過程中不可避免的問題。H2O-EGS開采中工質(zhì)流體的流失會造成水資源的浪費，消耗大量的水資源，在一些水資源稀少的地區(qū)無法使用H2O-EGS進(jìn)行干熱巖地?zé)衢_采，而CO2-EGS開采中工質(zhì)流體的流失實現(xiàn)了CO2地質(zhì)封存，間接的將CO2埋藏于地下深部，開采干熱巖的同時創(chuàng)造了額外的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

(4)CO2為非極性溶劑，不與巖石礦物發(fā)生反應(yīng)。在H2O-EGS中，水會與地層中的巖石礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，改變儲層滲透率，破壞儲層穩(wěn)定性，降低工質(zhì)流體的純度，同時，溶解在水中的礦物成分還會造成井筒、地面設(shè)備、各種管線結(jié)垢，影響設(shè)備的使用壽命，而在CO2-EGS中，超臨界CO2為非極性溶劑，巖石礦物既不溶于超臨界CO2，也不會與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，保證CO2的純度，減少了循環(huán)利用的后處理工序并減少了對井筒、地面設(shè)備、各種管線等的損害。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)中CO2和H2O作為工質(zhì)流體的對比見表2。

表2 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)中CO2和H2O作為工質(zhì)流體的對比Table 2 Comparison of CO2 and water as working fluid in enhanced geothermal system

自CO2-EGS提出以來，許多學(xué)者使用數(shù)值模擬方法對CO2-EGS的采熱性能進(jìn)行了探究。Luo等[12]對雙井CO2-EGS進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了CO2注入速率、注入井和生產(chǎn)井的射孔位置、工質(zhì)流體、井筒與儲層之間的導(dǎo)熱系數(shù)等因素對系統(tǒng)采熱的影響。Shi等[13]以多分支水平井為研究對象，建立了三維CO2-EGS熱流耦合數(shù)學(xué)模型，模擬了CO2-EGS開采30年的采熱效果，結(jié)果表明生產(chǎn)壓力越低、多分支井?dāng)?shù)越多、分支井長度越長，CO2-EGS的熱提取效果越好。Guo等[14]建立了三維CO2-EGS熱流固耦合數(shù)學(xué)模型，再一次證實了CO2是地?zé)豳Y源開發(fā)的優(yōu)良工質(zhì)流體，生產(chǎn)流量相同的條件下，CO2的熱提取速度更快。Wang[15]建立了含有離散裂縫網(wǎng)絡(luò)的CO2-EGS熱流固耦合數(shù)值模型，研究了注入壓力對系統(tǒng)采熱效率的影響，結(jié)果表明注入壓力越高，系統(tǒng)的發(fā)電效率越高，同時越有助于進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)封存。Biagi[16]利用GA-TOUGH2數(shù)值模擬軟件，以生產(chǎn)溫度為評價指標(biāo)，對恒定質(zhì)量和恒定壓力兩種情況下，CO2-EGS系統(tǒng)中工質(zhì)流體注入速度進(jìn)行優(yōu)化，確保了系統(tǒng)在生命周期內(nèi)熱能提取的有效進(jìn)行。

3 結(jié)束語

干熱巖深層地?zé)豳Y源綠色環(huán)保、清潔可再生、分布廣、儲量大、穩(wěn)定性強(qiáng)，其開采對緩解化石能源危機(jī)、減少環(huán)境污染具有重要作用。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的建立為干熱巖的開發(fā)提供了重要的手段。使用CO2代替水作為工質(zhì)流體開采干熱巖地?zé)豳Y源，消耗溫室氣體CO2的同時節(jié)約了水資源；由于工質(zhì)流體在熱儲層中的流失，間接實現(xiàn)了CO2的地質(zhì)封存；超臨界CO2的性質(zhì)穩(wěn)定，不溶解地層中的礦物，也不與地層中的礦物發(fā)生反應(yīng)，保證了工質(zhì)流體的回收純度，降低了工質(zhì)流體的后處理工序；CO2-EGS的采熱性能并不比H2O-EGS的采熱性能差，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)的H2O-EGS。二氧化碳增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(CO2-EGS)與CO2地質(zhì)封存(CCUS)一體化技術(shù)具有較強(qiáng)的可行性，實現(xiàn)該技術(shù)進(jìn)行干熱巖商業(yè)化開采指日可待。