CN103827439A - 用于在地下地质构造中封存二氧化碳组合物的方法以及用于这种方法的装置 - Google Patents

Abstract

提出了将CO₂注入到地下含水层以封存在其中的方法和装置。为了减少将干燥的CO₂注入到含水层中时水从含水层中的盐水中蒸发的影响，将CO₂与贫盐流体混合供给，该贫盐流体即包含低浓度的可作为盐沉淀出来的离子的流体。所述混合可发生在井口，其中通过分开的低级材料管线供给CO₂和贫盐流体。混合物中CO₂与贫盐流体的比例使得在注入含水层的位点处获得被所述贫盐流体饱和的CO₂组合物。通过注入饱和或“湿”的CO₂，更少的水从盐水中蒸发出来，大大降低了盐沉淀，因此保持了孔隙清洁并为CO₂封存提供了增加的可进入的孔隙容积。

Description

用于在地下地质构造中封存二氧化碳组合物的方法以及用于这种方法的装置

本发明涉及用于将二氧化碳（CO₂）引入到地下地质构造中，特别是含水层中的方法，以及用于这种方法的装置（arrangement）。

大气中二氧化碳的增加被认为对全球气候有重大影响。因此，期望降低CO₂到大气中的人为排放。除了发展低CO₂排放的发电厂、节能汽车和更多使用可再生能源之外，在地下地质构造中永久封存CO₂是减少CO₂净排放量的重要手段。

在关于二氧化碳捕获和封存的IPCC特别报告（英国，剑桥大学出版社，二氧化碳捕获和封存，IPCC，2005年，Metz等编著，也可从http://www.ipcc.ch获得）中给出了现有CO₂捕获和封存（CCS）项目和技术的广泛回顾。I. Wright等人在2009年11月2-4日于美国加利福尼亚州圣迭戈举办的关于CO₂捕获、封存和利用的2009 SPE国际会议上发表的论文SPE 127096“主动大规模CO₂封存项目综述”提供了关于现有大规模CO₂封存项目的最近期的更新。在这些文件中回顾的工业规模项目中，在累积注入量方面最显著的是Sleipner和In Salah项目。

Sleipner CCS项目位于离挪威海岸250km的地方，由Statoil经营。它是用于在海面以下800-l000m深度的Utsira构造中的地下含水层中封存CO₂的工业规模的项目。天然气处理过程中产生的CO₂被捕获并随后注入到地下的盐水饱和的疏松砂岩构造中。CO₂注入始于1996年10月并到2008年左右，超过一千万吨的CO₂以每天约2700吨的速度注入。使用浅的长距离井将CO₂带到离生产井和平台区2.4km远处。注入位点位于顶部Utsira构造的当地穹顶(local dome)的下方。

In Salah CCS项目是用于由位于地下含水层中的天然气储层生产天然气的陆上项目。含水层位于撒哈拉大沙漠。所述储层位于石炭系砂岩构造中，2000m深；它只有20m厚，并且是低渗透性的。产出了含高达10％CO₂的天然气。CO₂被分离，并随后重新注入到该储层的充水部分。

CO₂封存在含水层，特别是咸水层中的已知问题是盐沉淀的风险，这会损害CO₂的注入。盐通常溶解在地层水中，并可在一定条件下沉淀并形成固体。当干燥的液态或超临界CO₂，也称为“致密态”CO₂注入到这类构造中时，盐水中的水溶解在CO₂中。由于水进入到CO₂流中，盐的浓度增加，最终达到溶解度极限并引起盐沉淀。沉淀的固体减少了可供给流体的孔隙空间，在某些情况下阻塞了沉积岩中的孔喉（pore throat）。这损害了井筒（well-bore）附近的渗透性，阻止流体移动通过所述孔隙，并可能阻碍任何进一步的CO₂注入。这种现象发生在位于井眼（borehole）中和靠近井眼的CO₂注入点处。

由Cal Cooper编辑且ISBN为978-1-872691-48-0的书“CO₂ Capture Project，a technical basis for carbon dioxide stroage（CO₂捕集项目，二氧化碳封存的技术基础）”建议在CO₂注入前注入淡水，以从注入点冲洗盐水。另一项建议是使用高注入速率，以利用高流体压力克服毛细作用力。后一种建议受CO₂供给、地表设备规格、当然还有盖岩的破裂梯度的限制。

由Long Nghiem等人在2009年2月2-4日于美国得克萨斯州召开的“2009 Society of Petroleum Engineers Reservoir Simulation Symposium（2009石油工程师协会油藏模拟研讨会）”上发表的论文“Optimization of Residual Gas and Solubility Trapping for CO₂ Storage in Saline Aquifers（用于CO₂在盐水层中的封存的残余气体和溶解性捕集的优化）”建议在CO₂注入器之上使用水注入器，以加速和增加在低渗透含水层中的残余气体和溶解性捕集。水向下流动遇到在储层中向上流动的CO₂。所需的水量是相当大的。

另外两篇公开文献，JP3258340A和WO08/058298建议将CO₂溶解于水，以在将它注入地下储层之前生成碳酸水。在这两种情况下，所需的水量是巨大的。

鉴于本领域的上述状态，本发明的目的是提供用于在含水层中永久封存CO₂的替代方法和装置，该含水层在注入基本上纯的CO₂时盐沉淀的风险很高。

本发明进一步的目的是提供方法和装置，其允许更有效地利用用于永久封存CO₂的含水层的存储容量。

本发明的范围由所附的独立权利要求限定。本发明的优选实施方式由从属权利要求限定。

本发明涉及将CO₂组合物引入到地下含水层中用于在其中封存CO₂的方法，该方法包括以下步骤：提供CO₂组合物与贫盐流体的混合物的供给，将所述混合物经由井道（shaft）向下传送并从井道将所述混合物注入到含水层中，其中混合物中CO₂组合物与贫盐流体的比例使得在将所述混合物注入到含水层的位点处获得被所述贫盐流体基本饱和的CO₂组合物。

通过注入被贫盐流体饱和并因而不再干燥的CO₂组合物，在注入位点处更少的水会从地层水中蒸发出来。因此，更少的盐会沉淀出来，并且孔隙结构中的通路将更少地被盐沉淀物堵塞，且可进入的孔隙容积将大大高于CO₂以干燥状态注入的时候。

根据本发明的优选实施方式，提供了贫盐流体供给和分开的CO₂组合物供给，其中贫盐流体和CO₂组合物各自的供给速率使得在将所述混合物注入到含水层的位点处获得被所述贫盐流体基本饱和的CO₂组合物。通过将贫盐流体和干燥CO₂组合物的供给分开，可使用优选的低级材料管线而没有腐蚀的风险。

优选地，可通过在位于所述井道处或接近所述井道的静态混合器中混合这两种供给来获得贫盐流体和CO₂组合物的所需比例。

根据本发明特别有利的实施方式，所述混合物中CO₂组合物与贫盐流体的比例使得在将所述混合物注入到含水层的位点处获得具有50％过饱和至50％欠饱和，优选10％过饱和至10％欠饱和，并且最优选5％过饱和至5％欠饱和量的所述贫盐流体的CO₂组合物。

有利地，为了在注入位点获得大幅减少的沉淀盐量，贫盐流体的盐度小于CO₂所注入的地层水的盐度的50％，其中盐度以质量％表示。换句话说，该贫盐流体中的盐浓度优选小于该地层水的盐浓度的一半。根据优选的实施方式，所述贫盐流体的盐度小于地层水的盐度的25％。

使CO₂饱和所需的水或其它贫盐流体的量不是特别高。因此，当所述贫盐流体供给和CO₂组合物供给均为获自处理厂的次要产物或副产物时，这构成了本发明的优点。此外，当贫盐流体在排放前经过了昂贵的处理，例如生物处理或脱盐时，这些成本可通过在CO₂注入井处回收理由这种流体来抵消。

本发明的优点还通过用于将CO₂组合物引入到含水层中的装置实现，其包括：包括井道的井，该井道具有将CO₂组合物注入到含水层的注入口，用于供给CO₂组合物的第一管道，该第一管道连接到所述井道的井口（wellhead）部，用于供给贫盐流体的第二管道，该第二管道连接到所述井道的井口部，其中所述CO₂组合物和贫盐流体的流率使得在将所述混合物注入到含水层的位点处形成被所述贫盐流体基本饱和的CO₂组合物。

在本发明特别有利的实施方式中，当该装置包括设置在所述井道的井口部的混合器，且该混合器用于混合CO₂组合物和贫盐流体，以在将所述混合物注入到含水层的位点处形成被所述贫盐流体基本饱和的CO₂组合物时，所述贫盐流体和CO₂组合物的比例可更精确地控制。该混合器优选为静态混合器，其通过借助压降产生湍流来进行混合，而不是通过使用移动部件。

有利地，所述装置还包括连接到用于提供基本上干燥的CO₂组合物和贫盐流体供给的第一和第二管道的处理厂（processing plant）。贫盐流体，例如排水通常以完全足以饱和CO₂组合物的量从这类处理厂排出。借助CO₂组合物回收利用这种流体提供了增加CO₂封存量的方便和特别有利的方式。

图1示意性地示出了根据本发明的用于将CO₂引入到地下储层中的装置。

在本发明的上下文中，“含水层”应理解为地下的含水透水岩层或含水疏松材料层（碎石、砂、淤泥或粘土）。在本发明的上下文中，含水层也可称为“储层”。

在本发明的上下文中，“注入位点”应理解为临近注入口开口的位置，通过该开口将CO₂注入到含水层中；所述位置在所述管道或井的外表面之外。

本发明涉及用于将CO₂封存在地下地质构造中的方法，特别是封存在地下含水层中。

注入的CO₂优选为经压缩以在注入位点（即储层条件下）呈现（assume）液态或超临界状态（也称为密相）的CO₂组合物。该压缩气体可包括CO₂和另外的化合物或杂质，如低级烷烃、氮气和氧气。以总压缩气体的重量计，这些杂质的量优选为小于50wt％、40wt％、30wt％、20wt％、10wt％、5wt％、2wt％，最优选为小于1wt％。根据本发明并取决于上下文，术语“CO₂组合物”和“CO₂”可指上述的CO₂混合物。

现在将参照附图来说明本发明。

图1示出了根据本发明的用于将CO₂引入到含水层中的装置。设置井道2以将CO₂从基本高于地面的水平传输到位于地下构造中的储层6中。所述井道2可以是布置在井的套管（casing）内的管形式。可选择地，所述井的套管本身可构成井道2。井道2的远端终止在储层6内的注入口4中。在受控的压力和温度下将CO₂经由井道2注入到储层8中，并且该CO₂在注入口4处为液体或超临界流体。在图示的实施方式中，该井是垂直井，但是，本领域技术人员可以理解的是它可选择地为倾斜或偏斜的井或具有大致垂直或倾斜的上部（近端部）和大致水平的远端部。该井道2在近端或井口端通过管线8连接到处理厂10，其产生CO₂作为副产物或次级产物。例如，该处理厂可以是天然气处理厂。在这样的处理厂中，将CO₂从天然气中分离然后进行常规的压缩和脱水，随后通过管线8输送到井口。以这种方式获得的CO₂可以是纯CO₂或可选择地含有特定级别的污染物，包括低级烷烃、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。供给CO₂的管线8通常是低碳钢（碳钢）制的，且如果CO₂不是首先经过脱水则会受到腐蚀。因此，这种CO₂脱水避免了在超过数百公里的距离上使用不锈钢管线的需求。根据本发明，第二管线12在井口处连接井道2并提供贫盐流体。在本发明的上下文中，“贫盐流体”是含低浓度的可沉淀离子的流体。贫盐流体中的盐浓度优选根据地层水（即已经存在于注入位点的水或盐水）的盐浓度或盐度来限定。优选地，这样的流体中的盐浓度低于地层水盐浓度的50％，最优选地低于地层水盐浓度的25％。合适的贫盐流体的实例包括含水流体，例如具有小于1wt％的盐浓度的水。另一种可能性是丙二醇，也称为甲基乙二醇或MEG。产生CO₂作为副产物的处理厂通常具有用于各种类型处理的贫盐流体流。这种料流的例子是来自CO₂压缩序列的脱除水（knock-off water）、洗涤水和蒸汽冷凝液。

该贫盐流体在井口与CO₂混合，优选用设置在此的静态混合器14。井口、井道2和混合器14通常由高级不锈钢制成，因此不受流体-CO₂混合物或“湿”CO₂组合物的腐蚀。除了混合器14，井道2可在混合器14的上游或下游设置有压缩机（未示出），用于调节所述CO₂-流体混合物的压力。

混合在一起的贫盐流体对CO₂的比例使得在注入位点处提供贫盐流体饱和的CO₂。换句话说，该混合物使得在储层中的注入点处所处（prevailing）的温度和压力下所述CO₂处于饱和点附件或被所述贫盐流体基本饱和。

因此，CO₂和贫盐流体的确切比例将取决于各储层中所处的条件。例如，在Sleipner项目中，CO₂封存在海平面以下800至1000的深度，储层内的压力和温度大约在29℃和74bar。在更深的储层中，例如在位于挪威近海的Barents海中海平面以下2600m深处的Snohvit项目中，所处的压力和温度是显著更高的。显然，在这些更高的温度和压力下获得饱和的贫盐流体对CO₂组合物的比例将更高。可以模拟任何特定储层的注入位点处所处的条件。因此，可以设置在井口所需的比例。

虽然理想状态是饱和的CO₂，但是可以有一些余量。因此，所述CO₂可以具有10％过饱和至10％欠饱和量的贫盐流体，优选具有10％过饱至5％欠饱和量的贫盐流体，最优选具有5％过饱和至2％欠饱和量的贫盐流体。在任何情况下，该混合物不是CO₂溶解在其中的液体，而是流体饱和的或“湿”的CO₂。

因为注入到含水层6中的CO₂不再是干燥的，所以更少的水会从盐水中蒸发出来，从而更少的盐会沉淀析出。因此，孔隙结构内的通路将更少被盐沉淀物堵塞，且可进入的孔隙容积将大大高于当CO₂以干燥状态注入的时候。另外，使CO₂饱和所需的水或其它贫盐流体的量使得这些流体可完全从CO₂来源的处理厂获得。当这些流体经受昂贵的处理，例如生物处理或脱盐时，这些成本可通过在CO₂注入井处回收利用这种流体，以增加CO₂的封存水平来抵消。

虽然上面的描述主要集中在图1所示的装置，其具有两个分开的供给CO₂组合物和贫盐流体的管线以及位于井口的混合器，以达到CO₂组合物所需的饱和或“湿度”，可以理解的是，CO₂组合物及贫盐流体可在井口上游混合，并且通过高级耐腐蚀管线供给到井中。在某些情况下，直接从处理厂用管道输送“湿”CO₂组合物，即省略了脱水步骤或改造工厂内的这一过程以获得CO₂组合物与贫盐流体的所需比例甚至可能是有利的。

Claims (13)

1.将CO₂组合物引入到地下含水层以在其中封存CO₂的方法，所述方法包括以下步骤：

提供CO₂组合物与贫盐流体的混合物的供给，

经由井道将所述混合物向下传送，并将所述混合物从所述井道注入到所述含水层中，

其中所述混合物中所述CO₂组合物与所述贫盐流体的比例使得在将所述混合物注入所述含水层的位点处获得被所述贫盐流体基本饱和的CO₂组合物。

2.如权利要求1所述的方法，其中提供所述混合物供给的步骤包括：

提供贫盐流体供给和分开的CO₂组合物供给，其中所述贫盐流体和所述CO₂组合物各自的供给速率使得在将所述混合物注入所述含水层的位点处获得被所述贫盐流体基本饱和的CO₂组合物。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括如下步骤：向位于所述井道处或接近所述井道的静态混合器提供所述贫盐流体供给和所述分开的CO₂组合物供给。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述提供贫盐流体和CO₂组合物的供给的步骤包括提供两个分开的用于各供给的管线，所述管线终止于所述混合器。

5.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述混合物中所述CO₂组合物与所述贫盐流体的比例使得在将所述混合物注入所述含水层的位点处获得具有50％过饱和至50％欠饱和，优选10％过饱和至10％欠饱和，并且最优选5％过饱和至5％欠饱和量的所述贫盐流体的CO₂组合物。

6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述贫盐流体的盐浓度低于所述含水层中所述注入位点处的地层水的盐浓度的50％，优选低于所述地层水的盐浓度的25％。

7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述提供贫盐流体供给和提供CO₂组合物供给的步骤包括从处理厂获取作为副产物的所述贫盐流体和CO₂组合物。

8.用于将CO₂组合物引入含水层（6）的装置，所述装置包括：

包括井道（2）的井，所述井道（2）具有用于将CO₂组合物注入到含水层（6）中的注入口（4），

用于供给CO₂组合物的第一管道（8），所述第一管道连接到所述井道（2）的井口部，

用于供给贫盐流体的第二管道（12），所述第二管道连接到所述井道（2）的井口部，

其中所述CO₂组合物和所述贫盐流体的流率使得在将所述混合物注入所述含水层的位点处形成被所述贫盐流体基本饱和的CO₂组合物。

9.如权利要求8所述的装置，进一步包括设置在所述井道（2）的井口部的混合器（14），其用于混合所述CO₂组合物和所述贫盐流体，以在将所述混合物注入所述含水层的位点处形成被所述贫盐流体基本饱和的CO₂组合物。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述混合器是静态混合器（14）。

11.如权利要求8至10中任一项所述的装置，其中所述混合物中所述CO₂组合物与所述贫盐流体的比例使得在将所述混合物注入所述含水层的位点处获得具有10％过饱和至10％欠饱和，优选10％过饱和至5％欠饱和，并且最优选5％过饱和至2％欠饱和量的所述贫盐流体的CO₂组合物。

12.如权利要求8至11中任一项所述的装置，还包括连接到所述第一和第二管道（8，12）的处理厂（10），其用于提供基本上干燥的CO₂组合物和贫盐流体的来源。

13.如权利要求8至12中任一项所述的装置，其中所述贫盐流体包含少于5wt％的盐，优选少于2wt％的盐，并最优选少于1wt％的盐。

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