用於在地下地質構造中封存二氧化碳組合物的方法以及用於這種方法的裝置製造方法
2023-05-29 10:51:21 2
用於在地下地質構造中封存二氧化碳組合物的方法以及用於這種方法的裝置製造方法
【專利摘要】提出了將CO2注入到地下含水層以封存在其中的方法和裝置。為了減少將乾燥的CO2注入到含水層中時水從含水層中的鹽水中蒸發的影響，將CO2與貧鹽流體混合供給，該貧鹽流體即包含低濃度的可作為鹽沉澱出來的離子的流體。所述混合可發生在井口，其中通過分開的低級材料管線供給CO2和貧鹽流體。混合物中CO2與貧鹽流體的比例使得在注入含水層的位點處獲得被所述貧鹽流體飽和的CO2組合物。通過注入飽和或「溼」的CO2，更少的水從鹽水中蒸發出來，大大降低了鹽沉澱，因此保持了孔隙清潔並為CO2封存提供了增加的可進入的孔隙容積。
【專利說明】用於在地下地質構造中封存二氧化碳組合物的方法以及用於這種方法的裝置
[0001]本發明涉及用於將二氧化碳(CO2)引入到地下地質構造中，特別是含水層中的方法，以及用於這種方法的裝置(arrangement)。
[0002]大氣中二氧化碳的增加被認為對全球氣候有重大影響。因此，期望降低CO2到大氣中的人為排放。除了發展低CO2排放的發電廠、節能汽車和更多使用可再生能源之外，在地下地質構造中永久封存CO2是減少CO2淨排放量的重要手段。
[0003]在關於二氧化碳捕獲和封存的IPCC特別報告(英國，劍橋大學出版社，二氧化碳捕獲和封存，IPCC, 2005年,Metz等編著,也可從http://www.1pcc.ch獲得)中給出了現有CO2捕獲和封存(CCS)項目和技術的廣泛回顧。1.Wright等人在2009年11月2_4日於美國加利福尼亞州聖地牙哥舉辦的關於CO2捕獲、封存和利用的2009 SPE國際會議上發表的論文SPE 127096「主動大規模CO2封存項目綜述」提供了關於現有大規模CO2封存項目的最近期的更新。在這些文件中回顧的工業規模項目中，在累積注入量方面最顯著的是Sleipner和In Salah項目。
[0004]Sleipner CCS項目位於離挪威海岸250km的地方，由Statoil經營。它是用於在海面以下800-1000m深度的Utsira構造中的地下含水層中封存CO2的工業規模的項目。天然氣處理過程中產生的CO2被捕獲並隨後注入到地下的鹽水飽和的疏鬆砂巖構造中。CO2注入始於1996年10月併到2008年左右，超過一千萬噸的CO2以每天約2700噸的速度注入。使用淺的長距離井將CO2帶到離生產井和平臺區2.4km遠處。注入位點位於頂部Utsira構造的當地穹頂(local dome)的下方。
[0005]In Salah CCS項目是用於由位於地下含水層中的天然氣儲層生產天然氣的陸上項目。含水層位於撒哈拉大沙漠。所述儲層位於石炭系砂巖構造中，2000m深；它只有20m厚，並且是低滲透性的。產出了含高達10% CO2的天然氣。CO2被分離，並隨後重新注入到該儲層的充水部分。
[0006]CO2封存在含水層，特別是鹹水層中的已知問題是鹽沉澱的風險，這會損害CO2的注入。鹽通常溶解在地層水中，並可在一定條件下沉澱並形成固體。當乾燥的液態或超臨界CO2，也稱為「緻密態」 CO2注入到這類構造中時，鹽水中的水溶解在CO2中。由於水進入到CO2流中，鹽的濃度增加，最終達到溶解度極限並引起鹽沉澱。沉澱的固體減少了可供給流體的孔隙空間，在某些情況下阻塞了沉積巖中的孔喉(pore throat)0這損害了井筒(well-bore)附近的滲透性，阻止流體移動通過所述孔隙，並可能阻礙任何進一步的CO2注入。這種現象發生在位於井眼(borehole)中和靠近井眼的CO2注入點處。
[0007]由 Cal Cooper 編輯且 ISBN 為 978-1-872691-48-0 的書 「C02 Capture Project,a technical basis for carbon dioxide stroage (CO2 捕集項目，二氧化碳封存的技術基礎)」建議在CO2注入前注入淡水，以從注入點衝洗鹽水。另一項建議是使用高注入速率，以利用高流體壓力克服毛細作用力。後一種建議受CO2供給、地表設備規格、當然還有蓋巖的破裂梯度的限制。
[0008]由Long Nghiem等人在2009年2月2-4日於美國德克薩斯州召開的「2009Society of Petroleum Engineers Reservoir Simulation Symposium (2009 石油工程師協會油藏模擬研討會)」上發表的論文「Optimization of Residual Gas and SolubilityTrapping for CO2 Storage in Saline Aquifers (用於CO2在鹽水層中的封存的殘餘氣體和溶解性捕集的優化)」建議在CO2注入器之上使用水注入器，以加速和增加在低滲透含水層中的殘餘氣體和溶解性捕集。水向下流動遇到在儲層中向上流動的C02。所需的水量是相當大的。
[0009]另外兩篇公開文獻，JP3258340A和W008/058298建議將CO2溶解於水，以在將它注入地下儲層之前生成碳酸水。在這兩種情況下，所需的水量是巨大的。
[0010]鑑於本領域的上述狀態，本發明的目的是提供用於在含水層中永久封存CO2的替代方法和裝置，該含水層在注入基本上純的CO2時鹽沉澱的風險很高。
[0011]本發明進一步的目的是提供方法和裝置，其允許更有效地利用用於永久封存CO2的含水層的存儲容量。
[0012]本發明的範圍由所附的獨立權利要求限定。本發明的優選實施方式由從屬權利要求限定。
[0013]本發明涉及將CO2組合物引入到地下含水層中用於在其中封存CO2的方法，該方法包括以下步驟:提供CO2組合物與貧鹽流體的混合物的供給，將所述混合物經由井道(shaft)向下傳送並從井道將所述混合物注入到含水層中，其中混合物中CO2組合物與貧鹽流體的比例使得在將所述混合物注入到含水層的位點處獲得被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
[0014]通過注入被貧鹽流體飽和並因而不再乾燥的CO2組合物，在注入位點處更少的水會從地層水中蒸發出來。因此，更少的鹽會沉澱出來，並且孔隙結構中的通路將更少地被鹽沉澱物堵塞，且可進入的孔隙容積將大大高於CO2以乾燥狀態注入的時候。
[0015]根據本發明的優選實施方式，提供了貧鹽流體供給和分開的CO2組合物供給，其中貧鹽流體和CO2組合物各自的供給速率使得在將所述混合物注入到含水層的位點處獲得被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。通過將貧鹽流體和乾燥CO2組合物的供給分開，可使用優選的低級材料管線而沒有腐蝕的風險。
[0016]優選地，可通過在位於所述井道處或接近所述井道的靜態混合器中混合這兩種供給來獲得貧鹽流體和CO2組合物的所需比例。
[0017]根據本發明特別有利的實施方式，所述混合物中CO2組合物與貧鹽流體的比例使得在將所述混合物注入到含水層的位點處獲得具有50%過飽和至50%欠飽和，優選10%過飽和至10%欠飽和，並且最優選5%過飽和至5%欠飽和量的所述貧鹽流體的CO2組合物。
[0018]有利地，為了在注入位點獲得大幅減少的沉澱鹽量，貧鹽流體的鹽度小於CO2所注入的地層水的鹽度的50 %，其中鹽度以質量％表示。換句話說，該貧鹽流體中的鹽濃度優選小於該地層水的鹽濃度的一半。根據優選的實施方式，所述貧鹽流體的鹽度小於地層水的鹽度的25%。
[0019]使CO2飽和所需的水或其它貧鹽流體的量不是特別高。因此，當所述貧鹽流體供給和CO2組合物供給均為獲自處理廠的次要產物或副產物時，這構成了本發明的優點。此外，當貧鹽流體在排放前經過了昂貴的處理，例如生物處理或脫鹽時，這些成本可通過在CO2注入井處回收理由這種流體來抵消。
[0020]本發明的優點還通過用於將CO2組合物引入到含水層中的裝置實現，其包括:包括井道的井，該井道具有將CO2組合物注入到含水層的注入口，用於供給CO2組合物的第一管道，該第一管道連接到所述井道的井口(wellhead)部，用於供給貧鹽流體的第二管道，該第二管道連接到所述井道的井口部，其中所述CO2組合物和貧鹽流體的流率使得在將所述混合物注入到含水層的位點處形成被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
[0021]在本發明特別有利的實施方式中，當該裝置包括設置在所述井道的井口部的混合器，且該混合器用於混合CO2組合物和貧鹽流體，以在將所述混合物注入到含水層的位點處形成被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物時，所述貧鹽流體和CO2組合物的比例可更精確地控制。該混合器優選為靜態混合器，其通過藉助壓降產生湍流來進行混合，而不是通過使用移動部件。
[0022]有利地，所述裝置還包括連接到用於提供基本上乾燥的CO2組合物和貧鹽流體供給的第一和第二管道的處理廠(processing plant)。貧鹽流體，例如排水通常以完全足以飽和CO2組合物的量從這類處理廠排出。藉助CO2組合物回收利用這種流體提供了增加CO2封存量的方便和特別有利的方式。
[0023]圖1示意性地示出了根據本發明的用於將CO2引入到地下儲層中的裝置。
[0024]在本發明的上下文中，「含水層」應理解為地下的含水透水巖層或含水疏鬆材料層(碎石、砂、淤泥或粘土)。在本發明的上下文中，含水層也可稱為「儲層」。
[0025]在本發明的上下文中，「注入位點」應理解為臨近注入口開口的位置，通過該開口將CO2注入到含水層中；所述位置在所述管道或井的外表面之外。
[0026]本發明涉及用於將CO2封存在地下地質構造中的方法，特別是封存在地下含水層中。
[0027]注入的CO2優選為經壓縮以在注入位點(即儲層條件下)呈現(assume)液態或超臨界狀態(也稱為密相)的CO2組合物。該壓縮氣體可包括CO2和另外的化合物或雜質，如低級烷烴、氮氣和氧氣。以總壓縮氣體的重量計，這些雜質的量優選為小於50wt %、40wt %、30wt%、20wt%、10wt%、5wt%、2wt%,最優選為小於lwt%。根據本發明並取決於上下文，術語「C02組合物」和「C02」可指上述的CO2混合物。
[0028]現在將參照附圖來說明本發明。
[0029]圖1示出了根據本發明的用於將CO2引入到含水層中的裝置。設置井道2以將CO2從基本高於地面的水平傳輸到位於地下構造中的儲層6中。所述井道2可以是布置在井的套管(casing)內的管形式。可選擇地，所述井的套管本身可構成井道2。井道2的遠端終止在儲層6內的注入口 4中。在受控的壓力和溫度下將CO2經由井道2注入到儲層8中，並且該0)2在注入口 4處為液體或超臨界流體。在圖示的實施方式中，該井是垂直井，但是，本領域技術人員可以理解的是它可選擇地為傾斜或偏斜的井或具有大致垂直或傾斜的上部(近端部)和大致水平的遠端部。該井道2在近端或井口端通過管線8連接到處理廠10，其產生CO2作為副產物或次級產物。例如，該處理廠可以是天然氣處理廠。在這樣的處理廠中，將CO2從天然氣中分離然後進行常規的壓縮和脫水，隨後通過管線8輸送到井口。以這種方式獲得的CO2可以是純CO2或可選擇地含有特定級別的汙染物，包括低級烷烴、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。供給CO2的管線8通常是低碳鋼(碳鋼)制的，且如果CO2不是首先經過脫水則會受到腐蝕。因此，這種CO2脫水避免了在超過數百公裡的距離上使用不鏽鋼管線的需求。根據本發明，第二管線12在井口處連接井道2並提供貧鹽流體。在本發明的上下文中，「貧鹽流體」是含低濃度的可沉澱離子的流體。貧鹽流體中的鹽濃度優選根據地層水(即已經存在於注入位點的水或鹽水)的鹽濃度或鹽度來限定。優選地，這樣的流體中的鹽濃度低於地層水鹽濃度的50%，最優選地低於地層水鹽濃度的25%。合適的貧鹽流體的實例包括含水流體，例如具有小於1?〖％的鹽濃度的水。另一種可能性是丙二醇，也稱為甲基乙二醇或MEG。產生CO2作為副產物的處理廠通常具有用於各種類型處理的貧鹽流體流。這種料流的例子是來自CO2壓縮序列的脫除水(knock-off water)、洗漆水和蒸汽冷凝液。
[0030]該貧鹽流體在井口與CO2混合，優選用設置在此的靜態混合器14。井口、井道2和混合器14通常由高級不鏽鋼製成，因此不受流體-CO2混合物或「溼」C02組合物的腐蝕。除了混合器14，井道2可在混合器14的上遊或下遊設置有壓縮機(未示出)，用於調節所述CO2-流體混合物的壓力。
[0031]混合在一起的貧鹽流體對CO2的比例使得在注入位點處提供貧鹽流體飽和的C02。換句話說，該混合物使得在儲層中的注入點處所處(prevailing)的溫度和壓力下所述CO2處於飽和點附件或被所述貧鹽流體基本飽和。
[0032]因此，CO2和貧鹽流體的確切比例將取決於各儲層中所處的條件。例如，在Sleipner項目中，CO2封存在海平面以下800至1000的深度，儲層內的壓力和溫度大約在29°C和74bar。在更深的儲層中，例如在位於挪威近海的Barents海中海平面以下2600m深處的Snohvit項目中，所處的壓力和溫度是顯著更高的。顯然，在這些更高的溫度和壓力下獲得飽和的貧鹽流體對CO2組合物的比例將更高。可以模擬任何特定儲層的注入位點處所處的條件。因此，可以設置在井口所需的比例。
[0033]雖然理想狀態是 飽和的CO2，但是可以有一些餘量。因此，所述CO2可以具有10%過飽和至10%欠飽和量的貧鹽流體，優選具有10%過飽至5%欠飽和量的貧鹽流體，最優選具有5%過飽和至2%欠飽和量的貧鹽流體。在任何情況下，該混合物不是CO2溶解在其中的液體，而是流體飽和的或「溼」的CO2。
[0034]因為注入到含水層6中的CO2不再是乾燥的，所以更少的水會從鹽水中蒸發出來，從而更少的鹽會沉澱析出。因此，孔隙結構內的通路將更少被鹽沉澱物堵塞，且可進入的孔隙容積將大大高於當CO2以乾燥狀態注入的時候。另外，使CO2飽和所需的水或其它貧鹽流體的量使得這些流體可完全從CO2來源的處理廠獲得。當這些流體經受昂貴的處理，例如生物處理或脫鹽時，這些成本可通過在CO2注入井處回收利用這種流體，以增加CO2的封存水平來抵消。
[0035]雖然上面的描述主要集中在圖1所示的裝置，其具有兩個分開的供給CO2組合物和貧鹽流體的管線以及位於井口的混合器，以達到CO2組合物所需的飽和或「溼度」，可以理解的是，CO2組合物及貧鹽流體可在井口上遊混合，並且通過高級耐腐蝕管線供給到井中。在某些情況下，直接從處理廠用管道輸送「溼」CO2組合物，即省略了脫水步驟或改造工廠內的這一過程以獲得CO2組合物與貧鹽流體的所需比例甚至可能是有利的。
【權利要求】
1.將CO2組合物引入到地下含水層以在其中封存CO2的方法，所述方法包括以下步驟: 提供CO2組合物與貧鹽流體的混合物的供給， 經由井道將所述混合物向下傳送，並將所述混合物從所述井道注入到所述含水層中， 其中所述混合物中所述CO2組合物與所述貧鹽流體的比例使得在將所述混合物注入所述含水層的位點處獲得被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
2.如權利要求1所述的方法，其中提供所述混合物供給的步驟包括: 提供貧鹽流體供給和分開的CO2組合物供給，其中所述貧鹽流體和所述CO2組合物各自的供給速率使得在將所述混合物注入所述含水層的位點處獲得被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
3.如權利要求2所述的方法，進一步包括如下步驟:向位於所述井道處或接近所述井道的靜態混合器提供所述貧鹽流體供給和所述分開的CO2組合物供給。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述提供貧鹽流體和CO2組合物的供給的步驟包括提供兩個分開的用於各供給的管線，所述管線終止於所述混合器。
5.如前述任一權利要求所述的方法，其中所述混合物中所述CO2組合物與所述貧鹽流體的比例使得在將所述混合物注入所述含水層的位點處獲得具有50%過飽和至50%欠飽和，優選10 %過飽和至10 %欠飽和，並且最優選5 %過飽和至5 %欠飽和量的所述貧鹽流體的CO2組合物。
6.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述貧鹽流體的鹽濃度低於所述含水層中所述注入位點處的地層水的鹽濃度的50%，優選低於所述地層水的鹽濃度的25%。
7.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述提供貧鹽流體供給和提供CO2組合物供給的步驟包括從處理廠獲取作為副產物的所述貧鹽流體和CO2組合物。
8.用於將CO2組合物引入含水層(6)的裝置，所述裝置包括: 包括井道(2)的井，所述井道(2)具有用於將CO2組合物注入到含水層(6)中的注入口(4)， 用於供給CO2組合物的第一管道(8 )，所述第一管道連接到所述井道(2 )的井口部， 用於供給貧鹽流體的第二管道(12)，所述第二管道連接到所述井道(2)的井口部， 其中所述CO2組合物和所述貧鹽流體的流率使得在將所述混合物注入所述含水層的位點處形成被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
9.如權利要求8所述的裝置，進一步包括設置在所述井道(2)的井口部的混合器(14)，其用於混合所述CO2組合物和所述貧鹽流體，以在將所述混合物注入所述含水層的位點處形成被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
10.如權利要求9所述的裝置，其中所述混合器是靜態混合器(14)。
11.如權利要求8至10中任一項所述的裝置，其中所述混合物中所述CO2組合物與所述貧鹽流體的比例使得在將所述混合物注入所述含水層的位點處獲得具有10%過飽和至10%欠飽和，優選10%過飽和至5%欠飽和，並且最優選5%過飽和至2%欠飽和量的所述貧鹽流體的CO2組合物。
12.如權利要求8至11中任一項所述的裝置，還包括連接到所述第一和第二管道(8，12)的處理廠(10)，其用於提供基本上乾燥的CO2組合物和貧鹽流體的來源。
13.如權利要求8至12中任一項所述的裝置，其中所述貧鹽流體包含少於5wt%的鹽，優選少於2wt%的鹽,並最優選少於Iwt %的鹽。
【文檔編號】E21B41/00GK103827439SQ201180072007
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2011年6月30日 優先權日:2011年6月30日
【發明者】G.德科伊傑, J.H.博奇 申請人:挪威國家石油公司