用于在地下地質(zhì)構(gòu)造中封存二氧化碳組合物的方法以及用于這種方法的裝置制造方法
【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。為了減少將干燥的CO2注入到含水層中時(shí)水從含水層中的鹽水中蒸發(fā)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淀出來(lái)的離子的流體。所述混合可發(fā)生在井口，其中通過(guò)分開(kāi)的低級(jí)材料管線供給CO2和貧鹽流體?；旌衔镏蠧O2與貧鹽流體的比例使得在注入含水層的位點(diǎn)處獲得被所述貧鹽流體飽和的CO2組合物。通過(guò)注入飽和或“濕”的CO2，更少的水從鹽水中蒸發(fā)出來(lái)，大大降低了鹽沉淀，因此保持了孔隙清潔并為CO2封存提供了增加的可進(jìn)入的孔隙容積。
【專利說(shuō)明】用于在地下地質(zhì)構(gòu)造中封存二氧化碳組合物的方法以及用于這種方法的裝置
[0001]本發(fā)明涉及用于將二氧化碳(CO2)引入到地下地質(zhì)構(gòu)造中，特別是含水層中的方法，以及用于這種方法的裝置(arrangement)。
[0002]大氣中二氧化碳的增加被認(rèn)為對(duì)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(fā)展低CO2排放的發(fā)電廠、節(jié)能汽車和更多使用可再生能源之外，在地下地質(zhì)構(gòu)造中永久封存CO2是減少CO2凈排放量的重要手段。
[0003]在關(guān)于二氧化碳捕獲和封存的IPCC特別報(bào)告(英國(guó)，劍橋大學(xué)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(xiàn)有CO2捕獲和封存(CCS)項(xiàng)目和技術(shù)的廣泛回顧。1.Wright等人在2009年11月2_4日于美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈舉辦的關(guān)于CO2捕獲、封存和利用的2009 SPE國(guó)際會(huì)議上發(fā)表的論文SPE 127096“主動(dòng)大規(guī)模CO2封存項(xiàng)目綜述”提供了關(guān)于現(xiàn)有大規(guī)模CO2封存項(xiàng)目的最近期的更新。在這些文件中回顧的工業(yè)規(guī)模項(xiàng)目中，在累積注入量方面最顯著的是Sleipner和In Salah項(xiàng)目。
[0004]Sleipner CCS項(xiàng)目位于離挪威海岸250km的地方，由Statoil經(jīng)營(yíng)。它是用于在海面以下800-1000m深度的Utsira構(gòu)造中的地下含水層中封存CO2的工業(yè)規(guī)模的項(xiàng)目。天然氣處理過(guò)程中產(chǎn)生的CO2被捕獲并隨后注入到地下的鹽水飽和的疏松砂巖構(gòu)造中。CO2注入始于1996年10月并到2008年左右，超過(guò)一千萬(wàn)噸的CO2以每天約2700噸的速度注入。使用淺的長(zhǎng)距離井將CO2帶到離生產(chǎn)井和平臺(tái)區(qū)2.4km遠(yuǎn)處。注入位點(diǎn)位于頂部Utsira構(gòu)造的當(dāng)?shù)伛讽?local dome)的下方。
[0005]In Salah CCS項(xiàng)目是用于由位于地下含水層中的天然氣儲(chǔ)層生產(chǎn)天然氣的陸上項(xiàng)目。含水層位于撒哈拉大沙漠。所述儲(chǔ)層位于石炭系砂巖構(gòu)造中，2000m深；它只有20m厚，并且是低滲透性的。產(chǎn)出了含高達(dá)10% CO2的天然氣。CO2被分離，并隨后重新注入到該儲(chǔ)層的充水部分。
[0006]CO2封存在含水層，特別是咸水層中的已知問(wèn)題是鹽沉淀的風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)損害CO2的注入。鹽通常溶解在地層水中，并可在一定條件下沉淀并形成固體。當(dāng)干燥的液態(tài)或超臨界CO2，也稱為“致密態(tài)” CO2注入到這類構(gòu)造中時(shí)，鹽水中的水溶解在CO2中。由于水進(jìn)入到CO2流中，鹽的濃度增加，最終達(dá)到溶解度極限并引起鹽沉淀。沉淀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(dòng)通過(guò)所述孔隙，并可能阻礙任何進(jìn)一步的CO2注入。這種現(xiàn)象發(fā)生在位于井眼(borehole)中和靠近井眼的CO2注入點(diǎn)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(xiàng)目，二氧化碳封存的技術(shù)基礎(chǔ))”建議在CO2注入前注入淡水，以從注入點(diǎn)沖洗鹽水。另一項(xiàng)建議是使用高注入速率，以利用高流體壓力克服毛細(xì)作用力。后一種建議受CO2供給、地表設(shè)備規(guī)格、當(dāng)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日于美國(guó)得克薩斯州召開(kāi)的“2009Society of Petroleum Engineers Reservoir Simulation Symposium (2009 石油工程師協(xié)會(huì)油藏模擬研討會(huì))”上發(fā)表的論文“Optimization of Residual Gas and SolubilityTrapping for CO2 Storage in Saline Aquifers (用于CO2在鹽水層中的封存的殘余氣體和溶解性捕集的優(yōu)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余氣體和溶解性捕集。水向下流動(dòng)遇到在儲(chǔ)層中向上流動(dòng)的C02。所需的水量是相當(dāng)大的。
[0009]另外兩篇公開(kāi)文獻(xiàn)，JP3258340A和W008/058298建議將CO2溶解于水，以在將它注入地下儲(chǔ)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]鑒于本領(lǐng)域的上述狀態(tài)，本發(fā)明的目的是提供用于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(shí)鹽沉淀的風(fēng)險(xiǎn)很高。
[0011]本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供方法和裝置，其允許更有效地利用用于永久封存CO2的含水層的存儲(chǔ)容量。
[0012]本發(fā)明的范圍由所附的獨(dú)立權(quán)利要求限定。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式由從屬權(quán)利要求限定。
[0013]本發(fā)明涉及將CO2組合物引入到地下含水層中用于在其中封存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(jīng)由井道(shaft)向下傳送并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(diǎn)處獲得被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
[0014]通過(guò)注入被貧鹽流體飽和并因而不再干燥的CO2組合物，在注入位點(diǎn)處更少的水會(huì)從地層水中蒸發(fā)出來(lái)。因此，更少的鹽會(huì)沉淀出來(lái)，并且孔隙結(jié)構(gòu)中的通路將更少地被鹽沉淀物堵塞，且可進(jìn)入的孔隙容積將大大高于CO2以干燥狀態(tài)注入的時(shí)候。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，提供了貧鹽流體供給和分開(kāi)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(diǎn)處獲得被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。通過(guò)將貧鹽流體和干燥CO2組合物的供給分開(kāi)，可使用優(yōu)選的低級(jí)材料管線而沒(méi)有腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。
[0016]優(yōu)選地，可通過(guò)在位于所述井道處或接近所述井道的靜態(tài)混合器中混合這兩種供給來(lái)獲得貧鹽流體和CO2組合物的所需比例。
[0017]根據(jù)本發(fā)明特別有利的實(shí)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(diǎn)處獲得具有50%過(guò)飽和至50%欠飽和，優(yōu)選10%過(guò)飽和至10%欠飽和，并且最優(yōu)選5%過(guò)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(diǎn)獲得大幅減少的沉淀鹽量，貧鹽流體的鹽度小于CO2所注入的地層水的鹽度的50 %，其中鹽度以質(zhì)量％表示。換句話說(shuō)，該貧鹽流體中的鹽濃度優(yōu)選小于該地層水的鹽濃度的一半。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式，所述貧鹽流體的鹽度小于地層水的鹽度的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(dāng)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(chǎn)物或副產(chǎn)物時(shí)，這構(gòu)成了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。此外，當(dāng)貧鹽流體在排放前經(jīng)過(guò)了昂貴的處理，例如生物處理或脫鹽時(shí)，這些成本可通過(guò)在CO2注入井處回收理由這種流體來(lái)抵消。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還通過(guò)用于將CO2組合物引入到含水層中的裝置實(shí)現(xiàn)，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，用于供給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，用于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(diǎn)處形成被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
[0021]在本發(fā)明特別有利的實(shí)施方式中，當(dāng)該裝置包括設(shè)置在所述井道的井口部的混合器，且該混合器用于混合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(diǎn)處形成被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物時(shí)，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(yōu)選為靜態(tài)混合器，其通過(guò)借助壓降產(chǎn)生湍流來(lái)進(jìn)行混合，而不是通過(guò)使用移動(dòng)部件。
[0022]有利地，所述裝置還包括連接到用于提供基本上干燥的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。借助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(jù)本發(fā)明的用于將CO2引入到地下儲(chǔ)層中的裝置。
[0024]在本發(fā)明的上下文中，“含水層”應(yīng)理解為地下的含水透水巖層或含水疏松材料層(碎石、砂、淤泥或粘土)。在本發(fā)明的上下文中，含水層也可稱為“儲(chǔ)層”。
[0025]在本發(fā)明的上下文中，“注入位點(diǎn)”應(yīng)理解為臨近注入口開(kāi)口的位置，通過(guò)該開(kāi)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(fā)明涉及用于將CO2封存在地下地質(zhì)構(gòu)造中的方法，特別是封存在地下含水層中。
[0027]注入的CO2優(yōu)選為經(jīng)壓縮以在注入位點(diǎn)(即儲(chǔ)層條件下)呈現(xiàn)(assume)液態(tài)或超臨界狀態(tài)(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(zhì)，如低級(jí)烷烴、氮?dú)夂脱鯕?。以總壓縮氣體的重量計(jì)，這些雜質(zhì)的量?jī)?yōu)選為小于50wt %、40wt %、30wt%、20wt%、10wt%、5wt%、2wt%,最優(yōu)選為小于lwt%。根據(jù)本發(fā)明并取決于上下文，術(shù)語(yǔ)“C02組合物”和“C02”可指上述的CO2混合物。
[0028]現(xiàn)在將參照附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。
[0029]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于將CO2引入到含水層中的裝置。設(shè)置井道2以將CO2從基本高于地面的水平傳輸?shù)轿挥诘叵聵?gòu)造中的儲(chǔ)層6中。所述井道2可以是布置在井的套管(casing)內(nèi)的管形式?？蛇x擇地，所述井的套管本身可構(gòu)成井道2。井道2的遠(yuǎn)端終止在儲(chǔ)層6內(nèi)的注入口 4中。在受控的壓力和溫度下將CO2經(jīng)由井道2注入到儲(chǔ)層8中，并且該0)2在注入口 4處為液體或超臨界流體。在圖示的實(shí)施方式中，該井是垂直井，但是，本領(lǐng)域技術(shù)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(yuǎn)端部。該井道2在近端或井口端通過(guò)管線8連接到處理廠10，其產(chǎn)生CO2作為副產(chǎn)物或次級(jí)產(chǎn)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從天然氣中分離然后進(jìn)行常規(guī)的壓縮和脫水，隨后通過(guò)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(jí)別的污染物，包括低級(jí)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(jīng)過(guò)脫水則會(huì)受到腐蝕。因此，這種CO2脫水避免了在超過(guò)數(shù)百公里的距離上使用不銹鋼管線的需求。根據(jù)本發(fā)明，第二管線12在井口處連接井道2并提供貧鹽流體。在本發(fā)明的上下文中，“貧鹽流體”是含低濃度的可沉淀離子的流體。貧鹽流體中的鹽濃度優(yōu)選根據(jù)地層水(即已經(jīng)存在于注入位點(diǎn)的水或鹽水)的鹽濃度或鹽度來(lái)限定。優(yōu)選地，這樣的流體中的鹽濃度低于地層水鹽濃度的50%，最優(yōu)選地低于地層水鹽濃度的25%。合適的貧鹽流體的實(shí)例包括含水流體，例如具有小于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(chǎn)生CO2作為副產(chǎn)物的處理廠通常具有用于各種類型處理的貧鹽流體流。這種料流的例子是來(lái)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(yōu)選用設(shè)置在此的靜態(tài)混合器14。井口、井道2和混合器14通常由高級(jí)不銹鋼制成，因此不受流體-CO2混合物或“濕”C02組合物的腐蝕。除了混合器14，井道2可在混合器14的上游或下游設(shè)置有壓縮機(jī)(未示出)，用于調(diào)節(jié)所述CO2-流體混合物的壓力。
[0031]混合在一起的貧鹽流體對(duì)CO2的比例使得在注入位點(diǎn)處提供貧鹽流體飽和的C02。換句話說(shuō)，該混合物使得在儲(chǔ)層中的注入點(diǎn)處所處(prevailing)的溫度和壓力下所述CO2處于飽和點(diǎn)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于各儲(chǔ)層中所處的條件。例如，在Sleipner項(xiàng)目中，CO2封存在海平面以下800至1000的深度，儲(chǔ)層內(nèi)的壓力和溫度大約在29°C和74bar。在更深的儲(chǔ)層中，例如在位于挪威近海的Barents海中海平面以下2600m深處的Snohvit項(xiàng)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(duì)CO2組合物的比例將更高?？梢阅M任何特定儲(chǔ)層的注入位點(diǎn)處所處的條件。因此，可以設(shè)置在井口所需的比例。
[0033]雖然理想狀態(tài)是 飽和的CO2，但是可以有一些余量。因此，所述CO2可以具有10%過(guò)飽和至10%欠飽和量的貧鹽流體，優(yōu)選具有10%過(guò)飽至5%欠飽和量的貧鹽流體，最優(yōu)選具有5%過(guò)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“濕”的CO2。
[0034]因?yàn)樽⑷氲胶畬?中的CO2不再是干燥的，所以更少的水會(huì)從鹽水中蒸發(fā)出來(lái)，從而更少的鹽會(huì)沉淀析出。因此，孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)的通路將更少被鹽沉淀物堵塞，且可進(jìn)入的孔隙容積將大大高于當(dāng)CO2以干燥狀態(tài)注入的時(shí)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(lái)源的處理廠獲得。當(dāng)這些流體經(jīng)受昂貴的處理，例如生物處理或脫鹽時(shí)，這些成本可通過(guò)在CO2注入井處回收利用這種流體，以增加CO2的封存水平來(lái)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(gè)分開(kāi)的供給CO2組合物和貧鹽流體的管線以及位于井口的混合器，以達(dá)到CO2組合物所需的飽和或“濕度”，可以理解的是，CO2組合物及貧鹽流體可在井口上游混合，并且通過(guò)高級(jí)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“濕”CO2組合物，即省略了脫水步驟或改造工廠內(nèi)的這一過(guò)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(quán)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(jīng)由井道將所述混合物向下傳送，并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(diǎn)處獲得被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
2.如權(quán)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(kāi)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(diǎn)處獲得被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括如下步驟:向位于所述井道處或接近所述井道的靜態(tài)混合器提供所述貧鹽流體供給和所述分開(kāi)的CO2組合物供給。
4.如權(quán)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(gè)分開(kāi)的用于各供給的管線，所述管線終止于所述混合器。
5.如前述任一權(quán)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(diǎn)處獲得具有50%過(guò)飽和至50%欠飽和，優(yōu)選10 %過(guò)飽和至10 %欠飽和，并且最優(yōu)選5 %過(guò)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(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述貧鹽流體的鹽濃度低于所述含水層中所述注入位點(diǎn)處的地層水的鹽濃度的50%，優(yōu)選低于所述地層水的鹽濃度的25%。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)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(chǎn)物的所述貧鹽流體和CO2組合物。
8.用于將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)具有用于將CO2組合物注入到含水層(6)中的注入口(4)， 用于供給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， 用于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(diǎn)處形成被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述井道(2)的井口部的混合器(14)，其用于混合所述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(diǎn)處形成被所述貧鹽流體基本飽和的CO2組合物。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述混合器是靜態(tài)混合器(14)。
11.如權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)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(diǎn)處獲得具有10%過(guò)飽和至10%欠飽和，優(yōu)選10%過(guò)飽和至5%欠飽和，并且最優(yōu)選5%過(guò)飽和至2%欠飽和量的所述貧鹽流體的CO2組合物。
12.如權(quán)利要求8至11中任一項(xiàng)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)，其用于提供基本上干燥的CO2組合物和貧鹽流體的來(lái)源。
13.如權(quán)利要求8至12中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述貧鹽流體包含少于5wt%的鹽，優(yōu)選少于2wt%的鹽,并最優(yōu)選少于Iwt %的鹽。
【文檔編號(hào)】E21B41/00GK103827439SQ201180072007
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月30日
【發(fā)明者】G.德科伊杰, J.H.博奇 申請(qǐng)人:挪威國(guó)家石油公司