海底封碳將二氧化碳“扣”在海底

王珍

深圳西南約200公里，南海東部海域，深藍(lán)海面上泛著波光，一望無際。從空中俯瞰，矗立于此的恩平15-1平臺(tái)，在陽光照射下耀眼奪目。

這是亞洲最大的海上石油生產(chǎn)平臺(tái)，擁有我國首個(gè)海上二氧化碳封存示范工程項(xiàng)目。

6月1日9時(shí)30分，隨著平臺(tái)上高碳原油生產(chǎn)井、生產(chǎn)處理系統(tǒng)、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)及分子篩脫水橇等設(shè)備依次啟動(dòng)，油田開發(fā)伴生的二氧化碳被捕獲、分離、壓縮，并通過一口回注井被注入海底地層，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定封存。這標(biāo)志著我國成功掌握海上二氧化碳捕集、處理、注入、封存和監(jiān)測(cè)的全套技術(shù)和裝備體系，填補(bǔ)了我國海上二氧化碳封存技術(shù)的空白。

為什么要把二氧化碳封存在海底？二氧化碳被順利“捕捉”并回注到海底地層，要突破哪些“關(guān)卡”？我國二氧化碳地質(zhì)封存潛力如何？

注入海底“巨碗”

6月8日，恩平15-1平臺(tái)生產(chǎn)監(jiān)督朱學(xué)勇給記者發(fā)來了最新進(jìn)展：A3H井已正式投產(chǎn)。

這是該平臺(tái)投產(chǎn)的第二口生產(chǎn)井。與一周前投產(chǎn)的首口生產(chǎn)井一樣，這也是一口“高碳井”。

“這樣的‘高碳井，在恩平15-1平臺(tái)上共有4口?！敝袊Ｓ蜕钲诜止径髌?5-1平臺(tái)總監(jiān)胡金告訴記者，這里所說的“高碳”是指伴生氣中含有較高含量的二氧化碳。

據(jù)介紹，在海洋油氣鉆探開發(fā)過程中，往往會(huì)有一些伴生氣，二氧化碳便是伴生氣的重要組分之一。常規(guī)海洋油氣資源開發(fā)時(shí)，伴生氣中二氧化碳的含量約有20%～30%。恩平15-1油田十分特殊，因?yàn)樘厥獾牡貧l件，油藏上部有一個(gè)氣頂，且二氧化碳含量極高，在原油的開采過程中這些二氧化碳也會(huì)“逃”出地層。

“超過95%，是常規(guī)油田的數(shù)倍?！焙鸶嬖V記者，據(jù)測(cè)算，恩平15-1平臺(tái)一共會(huì)產(chǎn)生約150萬噸二氧化碳。若按常規(guī)模式開發(fā)，二氧化碳將隨原油一起被采出地面，不僅會(huì)對(duì)海上平臺(tái)設(shè)施和海底管線造成腐蝕，還將增加我國二氧化碳排放量。

在“雙碳”背景下，這一狀況不允許出現(xiàn)。怎么辦？科研人員決定將這些“逃”出來的二氧化碳重新捕集起來，并經(jīng)過一系列處理工序后，重新注入海底，實(shí)現(xiàn)永久封存。

首先是要找到合適的存儲(chǔ)位置。

“咸水層被認(rèn)為是最理想最成熟的地質(zhì)封存環(huán)境?！焙鸶嬖V記者，技術(shù)人員在距離平臺(tái)3公里外、800多米深的海底找到了一個(gè)“穹頂”式地質(zhì)構(gòu)造。如同一個(gè)倒扣在海底的“巨碗”，不僅儲(chǔ)存量大，而且封閉性強(qiáng)，能夠長期穩(wěn)定地罩住二氧化碳。

合適的存儲(chǔ)位置找到后，還要建立一條通往海底“巨碗”的通道——回注井，連通地上和地下。而且，“逃”出來的二氧化碳并不會(huì)自動(dòng)分離并進(jìn)入回注井，需要人為進(jìn)行捕集、分離、脫水等一系列工序處理。

油井開采產(chǎn)生的油氣混合液進(jìn)入高碳分離器，把二氧化碳分離出來；再進(jìn)入三級(jí)壓縮機(jī)，進(jìn)行加壓和干燥?！氨徊都?、純化、干燥后的二氧化碳，將被加壓至11兆帕，相當(dāng)于指甲蓋上壓了一個(gè)110公斤的重物?！焙鸶嬖V記者，這時(shí)的二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，即氣液混合態(tài)，會(huì)像氣體一樣充滿整個(gè)空間，但其密度又類似液體。最后，氣液混合態(tài)的二氧化碳再通過回注井封存到海底“巨碗”。整個(gè)過程只需要20分鐘左右。

二氧化碳注入地層后，大部分將被頂部的蓋層永久蓋住，同時(shí)一部分被地層孔隙捕獲，一部分慢慢溶解在地層水中，還有一部分與巖石和地層水反應(yīng)生成碳酸鹽礦物。

記者在恩平15-1平臺(tái)尾部甲板，見到了我國首個(gè)海上二氧化碳封存示范工程的二氧化碳封存模塊的真面目——重約750噸的“大家伙”。分子篩、冷卻器、壓縮機(jī)，以及層層疊疊的各路管道，在有限的空間里有序排列著。

中國海油恩平15-1原油鉆采平臺(tái)上的二氧化碳回注井。圖片|新華社

“采取了特有的布置方式，研制了首套復(fù)合材料二氧化碳分子篩脫水橇，平衡壓縮機(jī)級(jí)數(shù)與體積，研制適用于海洋高濕高鹽環(huán)境的首套超臨界大分子壓縮機(jī)……”談起封存模塊，中國海油深圳分公司恩平15-1油田群開發(fā)項(xiàng)目組設(shè)計(jì)設(shè)備部經(jīng)理張琪如數(shù)家珍，每一個(gè)攻克的難關(guān)、每一處特別的設(shè)計(jì)，都深印在她的腦海。

“該項(xiàng)目預(yù)計(jì)高峰期每年可封存二氧化碳30萬噸，累計(jì)將超過150萬噸?！焙鸶嬖V記者，恩平15-1平臺(tái)全開采周期所產(chǎn)生的二氧化碳，絕大部分將通過這一模塊注入海底“巨碗”，深“埋”其中，其減碳規(guī)模相當(dāng)于植樹近1400萬棵，或停開近100萬輛轎車。

打通回注“綠色通道”

在恩平15-1平臺(tái)井口夾層甲板，一個(gè)一人多高的綠色裝置，在一片橘、紅色中顯得十分醒目。記者看到，上面布著大小不一的操作閥以及各種儀表裝置。

“這是二氧化碳回注井的采油樹?！敝袊Ｓ蜕钲诜止径髌?5-1平臺(tái)鉆井總監(jiān)張凱告訴記者。

記者了解到，采油樹是一種井口裝置，是油氣井最上部控制和調(diào)節(jié)油氣生產(chǎn)開發(fā)的主要設(shè)備。與常規(guī)開發(fā)井的紅色采油樹不同，這口井的采油樹之所以為綠色，既彰顯了其作為回注井的與眾不同，也體現(xiàn)了示范工程項(xiàng)目的“綠色”意義。

目前，油田開發(fā)伴生的成百上千噸超臨界狀態(tài)二氧化碳，正從這里進(jìn)入一條長長的、深入海底的“綠色通道”，源源不斷回注至海底“巨碗”中。

不過，建這樣一條“綠色通道”極其不易。

“難！超預(yù)期的難！”回憶起這口二氧化碳回注井的誕生歷程，中國海油深圳分公司恩平15-1油田群開發(fā)項(xiàng)目組鉆完井經(jīng)理鄧成輝連說了兩個(gè)“難”。他告訴記者，入行15年，歷經(jīng)百余口井的作業(yè)，這口二氧化碳回注井是他遇到的最難打的一口井。

“該項(xiàng)目預(yù)計(jì)高峰期每年可封存二氧化碳30萬噸，累計(jì)將超過150萬噸?！焙鸶嬖V記者，恩平15-1平臺(tái)全開采周期所產(chǎn)生的二氧化碳，絕大部分將通過這一模塊注入海底“巨碗”，深“埋”其中，其減碳規(guī)模相當(dāng)于植樹近1400萬棵，或停開近100萬輛轎車。

“這是一個(gè)高難度的淺層大位移井，另外還要進(jìn)行二氧化碳回注，總體作業(yè)難度和挑戰(zhàn)極高?！编嚦奢x用“既‘淺又‘軟”來形容這條“綠色通道”途經(jīng)區(qū)域的地質(zhì)條件。

淺，是指地層淺，目的地——海底“巨碗”在海床以下800米，但距離平臺(tái)卻有3公里遠(yuǎn)，水垂比大。這意味著在鉆進(jìn)過程中，垂直方向每向下增加1米的深度，水平方向就要前進(jìn)3米以上。打這樣的大位移井原本難度就很大。與此同時(shí)，途經(jīng)區(qū)域地層又很“軟”，“嬌氣”得像豆腐塊一樣，容易破裂，無法為鉆具提供有效支撐。鉆具在地層中鉆進(jìn)，“來硬的不行，來軟的也不行”。

不僅如此，在鉆完井作業(yè)過程中還面臨著套管下入風(fēng)險(xiǎn)、固井質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、井眼漏失風(fēng)險(xiǎn)等諸多工程挑戰(zhàn)。就像建隧道，既要在合適的地層中沿著既定方向不斷前進(jìn)，又要時(shí)刻關(guān)注隧道周圍會(huì)不會(huì)發(fā)生坍塌，還要防止通道以外地層中的液體滲漏發(fā)生倒灌等。加之地下鉆井過程無法及時(shí)、直觀地看到鉆頭前端以及井筒中的狀況，其難度更甚。記者了解到，打一口井深相近的簡單井大概需要15至20天時(shí)間，但完成這口二氧化碳回注井耗時(shí)兩個(gè)多月。

據(jù)介紹，這條“綠色通道”總長超3700米，鉆進(jìn)不同井眼深度需要下入不同尺寸的套管穩(wěn)固井壁，確保鉆井通道通暢和安全。套管共有4層，內(nèi)部最細(xì)的注氣管柱直徑約11厘米，如同一根超長“吸管”。為了確保這口回注井打得成，同時(shí)讓二氧化碳注得進(jìn)、封得住，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)鉆完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)以及二氧化碳的特殊性質(zhì)，開展了有關(guān)技術(shù)攻關(guān)。

創(chuàng)新采用特制鉆井液——低溫流變性穩(wěn)定鉆井液，既能有效抵抗酸性二氧化碳腐蝕，還能支撐井壁、潤滑井眼，讓鉆進(jìn)之路通暢無阻。同時(shí)，還研發(fā)出“抗二氧化碳腐蝕水泥漿體系”“低溫泥餅預(yù)沖洗”“長水平段尾管回接”“低壓竄漏全封”等技術(shù)，確保該井在長達(dá)幾十年的注入期間擁有“金剛不壞之身”。

為了確保二氧化碳回注周期的井下安全，及時(shí)監(jiān)測(cè)井筒的完整性，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還安裝了“井下聽診器”，即借助分布式光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全井筒監(jiān)測(cè)。“這是某個(gè)井下測(cè)點(diǎn)的壓力值，這是溫度，精度可達(dá)0.1攝氏度?！痹诙髌?5-1平臺(tái)中控室，張凱指著監(jiān)控屏幕上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)告訴記者，每隔一米就有一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，就像數(shù)千只敏銳的眼睛，在看不見摸不著的井下無死角觀察注氣管柱是否存在泄漏。

預(yù)測(cè)封存2.58萬億噸

順應(yīng)全球能源行業(yè)低碳化發(fā)展大趨勢(shì)，我國首個(gè)海上二氧化碳封存示范工程構(gòu)建起安全可控的二氧化碳捕集、封存技術(shù)和裝備體系，攻克了海上操作空間受限、海洋高濕高鹽環(huán)境、高難度淺層大位移水平井等一系列難題。

“開創(chuàng)多項(xiàng)國內(nèi)首創(chuàng)技術(shù)，自主研發(fā)制造出我國首套海上二氧化碳封存裝置，自主設(shè)計(jì)實(shí)施了我國首口海上二氧化碳回注井，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的零排放……”在總結(jié)恩平15-1油田二氧化碳封存示范工程時(shí)，中國海油深圳分公司恩平油田總經(jīng)理萬年輝表示。

這一項(xiàng)目的成功投用，不僅實(shí)現(xiàn)了我國海上二氧化碳封存領(lǐng)域從無到有的重要突破，也為后續(xù)工作提供了思路，奠定了未來“岸碳入海”的技術(shù)支撐和現(xiàn)實(shí)條件，為粵港澳大灣區(qū)乃至全國提供了快速降碳的可行方案。

事實(shí)上，二氧化碳捕集利用與封存技術(shù)，是國際公認(rèn)的有效促進(jìn)碳減排的重要措施，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，被視為減碳的托底技術(shù)。

近年來，我國二氧化碳捕集利用與封存技術(shù)發(fā)展迅速，示范項(xiàng)目加速落地。華能北京熱電廠碳捕集項(xiàng)目，成為2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間我國對(duì)外展示的窗口；甘肅省最東部，華能隴東煤電風(fēng)光儲(chǔ)一體化多能互補(bǔ)綜合能源基地建設(shè)正酣，擁有全球首個(gè)150萬噸/年大規(guī)模CCUS工程示范項(xiàng)目，建成后將實(shí)現(xiàn)低能耗二氧化碳捕集、驅(qū)油與封存全流程工業(yè)示范……

不過，這些都是陸地二氧化碳捕集利用與封存項(xiàng)目，恩平15-1油田二氧化碳封存示范工程開拓了我國二氧化碳捕集、利用和封存的新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)。

“相對(duì)于陸地碳封存而言，海上碳封存具有選址容易、安全性高、環(huán)境影響小、封存規(guī)模大等優(yōu)勢(shì)。”中國海油深圳分公司開發(fā)部經(jīng)理戴宗介紹。今年1月自然資源部首次發(fā)布的中國海域二氧化碳地質(zhì)封存潛力評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，我國海上二氧化碳地質(zhì)封存潛力巨大，預(yù)測(cè)封存量達(dá)2.58萬億噸，可為“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供重要支撐。

二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)有利于海洋石油工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。記者了解到，在這一示范工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，中國海油已經(jīng)在廣東惠州啟動(dòng)我國首個(gè)千萬噸級(jí)碳捕集與封存集群項(xiàng)目，未來將捕集粵港澳大灣區(qū)排放的二氧化碳，通過管道等方式輸送到珠江口盆地海域進(jìn)行封存。

中國海油有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，將繼續(xù)加大科研攻關(guān)，推動(dòng)二氧化碳捕集、封存向二氧化碳捕集、利用、封存發(fā)展，提高采油效率的同時(shí)解決二氧化碳封存的問題。

◎ 來源|北京青年報(bào)