（油气储运工程专业论文）东方11气田co2储存与输送方案优化分析.pdf

c a r b o nd i o x i d es t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o no fd o n g f a n g 1 1g a sf i e l d g u ox i u l i ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy u x i n g a b s t r a c t a sg l o b a lg r e e n h o u s ee f f e c tt u r n sm o r es e r i o u s ，t h ee j e c t i o no fc 0 2s h o u l db ea t t r a c t e d m o r ea t t e n t i o n i nr e c e n ty e a r s ，m a n yc o u n t r i e sh a v er e i n f o r c e di n v e s t i g a t i o no ni t t h e r e d u c t i o no fc 0 2e j e c t i o nt oa t m o s p h e r eb e c o m e sag l o b a lf o c u s i t sas t r a t e g i cs i g n i f i c a n c e t ou s ec c s ( c 0 2c a p t u r ea n ds t o r a g e ) t e c h n o l o g yf o rl e s s e n i n gg r e e n h o u s ee f f e c t n o w a d a y s ， w i t h o u td e p r e s s i n gs t a n d a r do fl i v i n g ，t h ep r o b l e mt h a th o wr e d u c e sc 0 2e j e c t i n gt o a t m o s p h e r ea t t r a c t sm a n yn a t i o n s a n ds c i e n t i s t s f i r s tc o n c e r n c n o o cd e m a n d sg r e a t l yo n t h ed e v e l o p m e n to fh i g hp e n e t r a n th e a v yc r u d eo i lr e s e r v o i r ，e s p e c i a l l yf o rm a r i t i m es p a c eo f b o h a is e a s u b s i d i a r yc o m p a n yo fc n o o ci nt i a n j i nt a k e sh e a v yc r u d eo i lr e s e r v o i r e x p l o r a t i o nb yc 0 2a n de n h a n c e dh e a v yc r u d eo i lf i e l d sr e c o v e r ya sas i g n i f i c a n tm e a n st o r e s e a r c h t h i sa r t i c l em o s t l yi n t r o d u c e sc 0 2s t o r a g et e c h n o l o g ya n dt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y o fd i s p o s a lp r o j e c t & s i m p l ye c o n o m i cc o m p a r i s o ni nc h i n as o u t hm a r i t i m es p a c ee a s tl - 1 g a sf i e l d a c c o r d i n gt os o u t hc h i n as e ad o n g - f a n g i - 1 g a s f i e l d s s p e c i f i cc h a r a c t e r s ，p u t a t t e n t i o no nt w oe n g i n e e r i n gm o d e l s ：1 ) r e i n j e c t i o nt h ec 0 2s e p a r a t e df r o md o n g f a n gl - 1 g a sf i e l dn e a r b ys o u t hc h i n as e a ；2 1l o n gd i s t a n c et r a n s p o r tt h a tt ob o h a is e a f o c u so n t h e s et w op r o j e c t s ，e x e c u t ef e a s i b l ea n a l y s i so fc 0 2l a n dd i s p o s a l 、l i q u e f a c t i o nh a n d l i n g 、 s t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o nt e c h n i c a ls k i l l s t w oe n g i n e e r i n gm o d e l sh a v ef o u rm a i np r o g r a m s ： p r o g r a m1 ：i ns i t us e q u e s t r a t i o nn e a ri nt h el a n do fd o n g f a n gt e r m i n a l ；p r o g r a mt w o ：t h e e g ra n ds e q u e s t r a t i o nt r e a t m e n tn e a ri nt h ed o n g f a n gl 一1p l a t f o r m ；p r o g r a mt h r e e ：t h ee o r a n ds e q u e s t r a t i o nt r e a t m e n tn e a ri nt h ew e i z h o u12 - 1o i lf i e l ds t a t e s ；p r o g r a mf o u r ：e o ro r e g rt r e a t m e n ta tt h eb o h a is e a ( n e i g h b o u r i n go fn b 3 5 - 2 ) i na c c o r d a n c ew i t hd i f f e r e n t t r a n s m i s s i o nm e t h o d s ，e a c hp r o g r a mh a v ec o m et od i f f e r e n tt r e a t m e n tm e t h o d s ，t h r o u g hi t s s t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n a l o gs t u d i e s ，c o m p a r i n ge a c hp r o g r a ma n do b t a i nt h e o p t i m a ls e l e c t i o n ，a sw e l la so b t a i nt h ee x e c u t a b l ep r o g r a mb ym e a n so fc o m p a r i s o na n d c o n s i d e r a t i o nf o u rp r o g r a m s k e yw o r d s ：c a r b o nd i o x i d e ，s t o r a g e ，t r a n s p o r t a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：壹磊函日期：年月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：塑羞豳 指导教师签名： 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百比 全球气候变暖对人类以及整个地球环境可能产生的危害，已经日益引起世界各国的 广泛关注。随着全球温室效应的加重，c 0 2 的排放问题越来越引起重视。为了遏制全球 增暖趋势，1 9 9 7 年通过的京都议定书将减少全球二氧化碳( c 0 2 ) 排放确定为今后 的工作目标。如今，在不降低生活水平的前提下，如何减少c 0 2 的排放，成为各国政府 以及科学家首要关心的问题。近年来，国际科学界提出了一种在地下储存c 0 2 的科学设 想，并相继开展了实验。 据美国先进资源国际公司( a r i ) 估计，全球衰竭的油气田封存能力达9 2 3 0 亿吨， 这相当于现在从全球燃烧化石燃料发电厂排放c 0 2 1 2 5 年。 来自化石燃料燃烧排放的c 0 2 正在继续增多，全球自然碳循环不能除去所有排放到 大气中的c 0 2 。在碳循环中，绿色植物通过光合作用从大气中除去碳或封存碳，这一过 程还原c 0 2 中的碳原子，再将氧气返回大气，并使碳转化为生物质。 亚太地区现己超过北美成为c 0 2 最大的排放地区。其中，亚太三个国家的排放量为： 中国3 5 亿吨年、印度尼西亚1 2 亿吨年、印度1 0 亿吨年。美国仍是人为制造c 0 2 最 多的国家，2 0 0 3 年排放c 0 2 5 8 7 亿吨，其中，2 3 亿吨来自发电，燃煤发电厂排放最多， 约为1 9 亿吨年【l 】。美国能源情报署( e i a ) 的分析认为，2 0 0 3 年世界人为制造的c 0 2 排放为2 5 1 亿吨。排放的c 0 2 分解如下：石油为1 0 5 亿吨；天然气为5 3 亿吨；煤炭为 9 3 亿吨。 表1 - 1 全世界c 0 2 工业排放量最高的国家( 1 9 9 6 - 1 9 9 7 年) 1 2 1 t a b l e l i l a r g e ri n d u s t r i a ld i s c h a r g ec o u n t i e so f c o zi nw h o l ew o r l d 国家 c 0 2 排放量亿吨 比例国家c 0 2 排放量亿吨 比例 美国4 8 8 1 2 3 7 2 英国 5 6 62 7 5 中国2 6 6 81 2 9 7加拿大 4 11 9 9 俄罗斯2 1 0 31 0 2 2意大利 4 0 81 9 8 日本1 0 9 35 3 1法国3 6 2 1 7 6 德国8 7 84 2 7 波兰 3 4 2 1 6 6 印度7 6 93 7 4 其它国家 5 1 9 3 2 5 2 4 乌克兰6 1l2 9 7 合计 2 0 5 7 41 0 0 o o 第一章绪论 全世界的各国政府和科研组织都认为用c 0 2 捕集和封存技术( c c s ) 来缓解温室效 应具有战略意义。该技术的主要任务是收集工业中排放的c 0 2 ，然后输送到一个适当地 进行长期储存。目前储存的方式有注入地质岩层或海洋，或者把它固化为碳酸盐等，其 中最常用的是地质储存1 3 j 。 富油回收除注入自然c 0 2 外，大量项目己注入人造c 0 2 。c 0 2 驱油提高石油采收率 ( e o r ) 是石油工业早己应用的技术，c 0 2 捕集和储存问题进一步受到全球的关注。c 0 2 驱e o r 技术包括混相驱( 在c 0 2 的混相压力下，c 0 2 与原油混相而使油藏压力增高、 原油粘度下降，便于采出) 和非混相驱( c 0 2 注入使油藏压力增加，利于驱动原油) 两 大类型，均是捕集利用c 0 2 的有效方法。如西方石油公司、埃克森公司等1 0 多家公司 在美国得克萨斯州p e r m i a n 盆地进行的c 0 2 驱e o r 作业，是当前世界上最大的项目。 首次c 0 2 驱始于3 0 年前，目前有5 0 个c 0 2 驱e o r 项目正在进行中。该项目己建成了 完善的c 0 2 运输分配系统，每天注入4 2 4 5 x 1 0 6 立方米( 1 5 亿立方英尺) c 0 2 ，西方石 油公司正在计划进一步扩大c 0 2 注入能力。 c 0 2 驱e o r 技术已被认为是提高石油采收率的有效技术( 可提高采收率6 0 0 1 5 ) ， 2 0 0 4 年美国和加拿大共有1 7 3 个c 0 2 混相驱油项目在活跃进行。随着能源供应日益紧 张及环保压力的日益增加，烃类气体( h c ) 在美国、欧洲和日本价格高于原油，且更 多用于工业原料，今后将不是e o r 用气的首选。c 0 2 驱e o r 技术不仅可以提高采收率， 而且还是c 0 2 捕集的有效方法，因而c 0 2 驱e o r 技术的发展十分迅速。2 0 0 4 年美国气 驱提高石油采收率各种气体应用比例为：c 0 2 混相驱6 4 、h c 气驱3 1 、氮气5 1 4 j 。 c 0 2 捕集和地质封存( c c s ) 是一种相对较新的技术，其目的在于减少排放到大气 中的温室效应气体。一些国家已经在c c s 方面有了法律规则。例如，s o u t ha u s t r a l i a n p e t r o l e u ma c t2 0 0 0 和q u e e n s l a n dp e t r o l e u ma n dg a s ( p r o d u c t i o na n ds a f e t y ) a c t2 0 0 4 提供 了在忽略气源位置或产气源的活动性情况下，用管道运输和在天然储集层储存包括二氧 化碳等物质的法规。共和国、国家和n o r t h e r nt e r r i t o r yp e t r o l e u m ( s u b m e r g e dl a n d s ) a c t s ( p s l a s ) 授权了从许可区域内采出的石油中分离出c 0 2 的生产许可证和为调整捕集与 储存提供了机理，该生产许可证是完整的石油作业许可权的一部分。目前p s l a s 不能 授权于海上c c s l 5 l 等其他来源的c c s 作业( 如从陆上发电站或其他海上石油作业) 。 c 0 2 减排已经成为全世界共同关注的焦点。截至2 0 0 4 年底，全世界已有1 4 1 个国 家批准了以减少温室气体为宗旨的京都议定书。目前，中国的c 0 2 排放量占世界第 二位，约占排放总量的1 3 ，预计到2 0 2 5 年，我国的c 0 2 排放总量很可能超过美国， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 居世界第一位，作为温室气体排放大国的形象将更加突出，我国控制c 0 2 排放的前景不 容乐观。目前世界各国政府和研究机构都在加大力度研究c 0 2 问题；其中，c 0 2 资源化 综合利用是研究的焦点之一，尤其是世界各大石油公司都将目标集中在将c 0 2 捕集后注 入到地层，既减少了c 0 2 的环境影响，又提高了油气的采收率。在世界能源日益缺乏的 今天，注c 0 2 提高采收率具有重要的应用前景。该项技术在美国已有3 0 余年的工程实 践历史，在国外已经有大规模的现场应用，提高采收率幅度可以达到1 0 1 5 。 为了达到注入c 0 2 提高采收率的品质要求，提高液化、储存和运输效率，通常需要 将c 0 2 进行地面处理，将c 0 2 从天然气或者废气中分离( 或者捕获) 出来，然后再进行 c 0 2 液化( 或者压缩) 和储存，最后再将c 0 2 运输到注入现场后再注入到地层。 目前，国外已经开展了很多关于c 0 2 埋存、提高采收率的项目，如：加拿大的 w e y b u m 、挪威的s n o h v i t 和s l e i p n e r 、荷兰的k 1 2 b 、阿尔及利亚的i ns a l a h 等项目。 1 ) s l e i p n e r 工程：s l e i p n e r 工程是世界上第一个大的c 0 2 工程，该工程主要是将天 然气中脱除的c 0 2 回收，并回注到地下盐水层中。从1 9 9 6 年十月份开始，每年约有1 0 0 万吨c 0 2 被注入到距离海平面以下1 0 1 2 米处的u t s i r a 盐水层，到2 0 0 6 年中期为止，储 层中已经存有8 0 0 ，0 0 0 兆吨c 0 2 。 2 ) k a l u n d b o r g 炼油厂：挪威国家石油公司s t a t o i l 公司在k a l u n d b o r g 的炼油厂是丹 麦最大的炼油厂，是一个重要的c 0 2 排放者。该炼油厂捕集的c 0 2 将运往附近的发电机 组，然后与电厂捕集到的c 0 2 一起运输。因而，捕集以及储存将完全取决于发电站c 0 2 储存与捕集工程的进行。c 0 2 经输送后最终储存于砂岩中。 3 ) s n o h v i t 工程：s n o h v i t 工程是s t a t o i l 的第二个c 0 2 收集储存工程，位于北极圈 之内。该工程起始于2 0 0 7 年，主要任务是收集s n o h v i t 气田在l n g 生产过程中脱除的 c 0 2 ，通过管道注入海底砂岩中进行储存。 4 ) t j e l d b e r g o d d e nc 0 2 工程：该工程涉及t j e l d b e r g o d d e n 发电厂的c 0 2 捕集与输送， 在海上捕集和运输c 0 2 ，然后利用所收集的c 0 2 来提高挪威中部海上油气田d r a u g e n 和 h e i d r u n 的原油采收率。挪威中部的海底盐穴会在其中发挥很大的作用。它们可以用作 储藏容器，当油气田的需求量低的时候，可周期性存放c 0 2 。再者，提高原油采收率的 基础设施可以用于成本效率的并行式或继发式的c 0 2 洞穴储藏。 5 ) 阿尔及利亚的i ns a l a hg a s 工程：s o n a t r a c h 是阿尔及利亚国家石油公司，是世 界第三大天然气( n g ) 出口国，是世界第一大l p g 出口国。s o n a t r a c h 公司在2 0 0 5 年 生产了2 3 2 百万t o e ( 吨标准油当量) 。s o n a t r a c h 公司主要的环境保护宗旨之一就是减 3 第一章绪论 少包括温室气体的大气污染。s o n a t r a c h 公司的碳捕集与封存工程，是一个自主的工程， 它的第一项工程是i ns a l a h 的天然气工程，第二项工程是g a s s i t o u i i 综合项目。i ns a l a h g a s ( i s g ) 工程是一个合资经营工程。i s g 工程涉及了在a l g e r i a 中南部( s a h a r a 沙漠) 的七块天然气油田的开发。七块气田估算的总储量可达到7 5 立方英尺，而且大多数开 采出来的天然气不含硫化氢、无硫并且c 0 2 含量相对较低。从i ns a l a h 工程中开采出来 的天然气中c 0 2 的含量范围在4 - 9 ，阿尔及利亚天然气销售市场目标为欧洲，他们进 口的天然气中c 0 2 的含量不能超过o 3 ，因此，为了满足出口天然气规格，i s g 需要 把c 0 2 从出口天然气中分离出来。i s g c c s 是一个工业规模的c 0 2 地质封存可行性的 证明。每年有1 0 0 万吨c 0 2 将进行地质封存。在这项工程的整个执行期内将会有1 7 0 0 万吨c 0 2 会被回注封存。c c s 使这个工程的g h g ( g r e e n h o u s eg a s ) 降低了6 0 ，这 就相当于将公路上的汽车减少2 5 0 ，0 0 0 辆或2 0 0 k m 2 的森林所起的作用。该工程将耗费l 亿u s $ 成本，c 0 2 捕集与封存成本为6 5 吨。 6 ) 加拿大的w e y b u m 油田：w e y b u m 油田c 0 2 储存和监测项目是世界上第一个大 规模的将老油田提高采收率和二氧化碳储存相结合的项目。这个项目是在e n c a n a 公司 在w e y b u m 油田开发的用c 0 2 强化采油( e o r ) 项目的基础上进行的。w e y b u m 油田从 2 0 0 0 年9 月1 5 日开始使用三次采油( c 0 2 驱) 。每天注入5 0 0 0 吨c 0 2 ，预计可储存2 2 0 0 万吨c 0 2 ，可安全储存长达5 0 0 0 年以上。每年注入18 0 万吨c 0 2 。产量从开始的2 0 0 3 年每天1 万桶增长到高峰产量2 0 0 8 年的每天3 万桶，最终提高采收率9 8 。c 0 2 注入， 预期至少增产原油1 3 0 百万桶，这将使油田的寿命增加2 5 年。据估计，工程实施期间 将注入2 0 0 0 万吨左右的c 0 2 ，并永久性的储藏在地下。用这种方式生产的原油，其整 个生产周期内的c 0 2 排放量相比传统的原油生产来说减低了约3 0 。在该项目中，c 0 2 是用管道进行运输的。加拿大最大的c 0 2 工程即w e y b u m 工程，w e y b u mc 0 2 管线是一 条3 2 0 k m 、直径3 0 5 3 5 6 m m 的管线，从g r e a tp l a i n s 合成燃料工厂一直到w e y b u m ，运 输能力超过5 0 0 0 吨天( 1 8 m t y r ) c 0 2 ，每年可输送2 m t c 0 2 。将b e u l an o r t hd a k o t a 附近的g r e a tp l a i n ss y n f u e l sp l a n t 产生的c 0 2 输送到s a s k a t c h e w a n 用于w e y b u me o r 项 目。该管道是由美国b i s m a r c k ，n d 的d a k o t a 的煤气化厂经营操作的，将输送9 5 m m c f 的c 0 2 到在2 0 0 0 年后半年开始注入c 0 2 的w e y b u m 油田接收终端。管输气体的典型组 分为：c 0 29 6 ，h 2 s0 9 ，c h 40 7 ，c 2 + 2 3 ，c o0 1 ，n 2 小于3 0 0 p p m ，0 2 小于5 0 p p m ，h 2 0 小于2 0 p p m ( u kd e p a r t m e n to f t r a d ea n di n d u s t r y ，2 0 0 2 公布数字) 。 管内气体到达w e y b u m 的压力为1 5 2 m p a ，中间没有加压站。1 9 9 7 年修建这条管线耗资 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 1 1 0 亿u s $ ( 合0 3 3x1 0 6 u s $ k m 卅) 。2 0 0 0 年投入运行【6 j 。 中海油在高渗透稠油油藏的开发方面有急迫的需求，尤其是渤海海域，天津分公司 把c 0 2 开发稠油，提高稠油油田的采收率，作为一项重要的措施加以研究。在我国南海 天然气田具有丰富的c 0 2 资源，经初步估算，仅仅莺歌海盆地的二氧化碳总资源量可达 1 0 0 0 0 亿立方米( 1 8 亿吨) ，勘探所获地质储量近3 0 0 0 亿立方米，东方1 1 气田可动用 的二氧化碳储量为2 8 3 7 0 亿立方米，每年从天然气中分离出的二氧化碳量大约为1 8 亿 立方米( 3 2 4 万吨) ，如果再加上即将投入生产的乐东2 2 1 和乐东1 5 1 气田，则总的可 动用储量为3 7 0 2 6 亿立方米，因此二氧化碳的资源量是相当丰富的。如果将开采出来的 c 0 2 排放到空气中，势必会加剧环境污染，而如果注入正在开采的油气田提高油气采收 率，则既减少了温室效应，也提高了经济效益，因此，东方1 1 气田为了c 0 2 的合理处 理设计了一些处理方案并进行可行性分析。 由于南海与渤海距离遥远，而c 0 2 在常温常压下为气态，因此如何把大量的南海 c 0 2 气体安全经济的运输到渤海海域成为c 0 2 大规模利用技术的关键，所采用的技术方 案直接影响到生产成本高低，因此研究c 0 2 安全储存和输送方案技术具有重要的意义。 1 1c 0 2 储存技术 虽然储存是最后一道工序，但它却是c c s 过程中首先被考虑的战略性基础设施和 系统。如果不进行储存，c 0 2 的捕集就没有任何意义。因此，总储存量和储存地点的选 择很重要。 目前储存的方式有四种储存方式：枯竭油气田、地下盐水层、煤层、海洋深部，其 中最常用的是地质储存。利用常规和非常规地质圈闭构造来储存c 0 2 都是有效的方法。 常规地质圈闭构造包括气田、油田和不含烃的储气层含水层三种，对于前两种，由于熟 悉已开采油气田的构造和地质条件，所以利用它们来储存c 0 2 就比较合算。利用含水层 储存有两个优点：一是含水层的圈闭构造比油田和气田更普遍；二是在含水层中可能有 一些适于储存c 0 2 的巨大储气构造。此外，还有把c 0 2 埋藏在地下深部煤层，增加煤层 气产量的方法。非常规地质圈闭构造的处理包括海上与陆地两部分。试验证明可以在海 上密封储存c 0 2 ，例如在北海有许多很厚的含水层，它们在大范围内都是水平的，这些 含水层的面积大，渗透性好，蕴藏着储存c 0 2 的巨大潜力。 所用储存介质的类型是一个重要的方面。c 0 2 可以注入到多孔地质结构中( 比如沉 积岩盆地) ，但火山岩石和变形岩石却不适合c 0 2 的储存，因为它们破碎的地质构造， 5 第一章绪论 并且缺乏多孔性和渗透性。 其它储存方式有陆上固化和海洋储存。固化因为价格昂贵而很少被采用，因为采矿 会留下很多环境问题。并且，有蛇纹岩或其它反应物的大部分地区都离c 0 2 源较远。 海洋储存有两种方式，一种是简单的将c 0 2 溶入海水中，另一种方式则是将液态的 c 0 2 注入到4 0 0 0 m 甚至更深的海水中。海洋储存是倍受争议的，一是它的技术还不是很 成熟，二是它的不确定性及对海洋生态系统可能造成的潜在威胁。 1 ) 地质储存 地质储存是永久储存二氧化碳的有效方法，这种方法通过管道技术将分离后得到的 高纯度二氧化碳气体注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中储存起来，利用地质结 构的气密性来永久封存二氧化碳，适合于二氧化碳储存的地点包括：1 ) 己废弃或无商 业开采价值的石油和天然气田；2 ) 沉积盆地内的咸水蓄水层；3 ) 开采中的油气田并提 高石油开采率；4 ) 无商业开采价值的深层煤层并促进煤层气回收，该方法具有储存容 量大( 见表1 2 ) 、气密性好等优点。而强化资源( 石油、天然气和煤层气等) 开采率和 封存c 0 2 减缓全球温室效应相结合的优点使该方法将成为c 0 2 储存的一个重要方向【7 1 。 表i - 2 二氧化碳地质储量 t a b l e l - 2t h eg e o l o g i c a ls e q u e s t r a t i o nc a p a c i t yo fc a r b o nd i o x i d e g l o b a lc a r b o ns m r a g er a n g e ( b i l l i o n so f t o n e sc ) 1 r e s e r v o i r s l o w h i 曲 d e e pa q u i f e r s 8 72 7 2 7 d e p l e t e dg a sr e s e r v o i r s 1 3 63 0 0 d e p l e t e do i lr e s e r v o i r s 4 l1 9 l c o a ls e a m s 2 0 n o t e ：1 ) b a s e do nc a r b o nc o n t e n t 2 ) 废弃油田井 油气藏地质构造复杂，气密性良好，是储存二氧化碳的有效场所。通过向油井中注 入二氧化碳气体可以增加石油回收率并封存二氧化碳自2 0 世纪5 0 年代初，w h o r t o n 等 取得了c 0 2 回注采油的专利权以来，人们进行了大量的室内和现场实验来研究它的驱油 机理，并相继提出了许多注入方案，包括连续注c 0 2 气体，注碳酸水法，c 0 2 气体或液 体段塞后交替注水和c 0 2 气体( w a g ) ，同时注c 0 2 气体和水等方法。s i m o n 掣8 1 推导 出了低压系统中二氧化碳在原油中的溶解度、溶有二氧化碳的原油体积系数以及溶有 6 中国石油入学( 华东) 硕士学位论文 c 0 2 的原油密度的计算方法，并研究了注入二氧化碳对原油黏度的影响。结果显示，二 氧化碳能够明显降低原油的黏度，改进原油流动性，有助于提高原油开采率。随后， b a r d o n 等【9 】模拟了低压系统中c 0 2 对界面张力的影响。低压条件下，随着界面张力接近 于零，残余相对饱和度也随之下降，相对渗透率曲线接近直线。当油层压力较高时，c 0 2 驱油机理除了提高油层压力、膨胀原油和降低黏度外，还可以萃取原油中轻烃成分，使 由于压力降低而凝析在地下的轻烃重新气化。h o l m 等1 0 l 1 【1 2 1 的研究表明，在给定原油 和油层温度的条件下，c 0 2 萃取轻烃能力随着密度的增加而增加。当c 0 2 的密度为 0 2 5 9 c m 3 - 0 3 5 9 c m 3 时，液态烃才能被萃取形成c 0 2 富气相。h u a n g 等【l l 】认为，在中等 压力、低温( 1 2 2 下) 驱替条件下，二氧化碳不能够气化原油，而只能萃取原油中的轻 馏分，形成c 0 2 富液混合物，使原油产生膨胀，从而提高采收率。m e t c a l f e 等1 12 j 则研究 了高压下混相情况，结果表明，当油层压力高时，c 0 2 与原油通过汽化作用形成多次接 触，从而在驱替前缘形成混相。 此外，从工业生产中分离提纯得到的c 0 2 气体不可避免地会混有一定量的杂质。这 些杂质的存在对驱替过程会产生一定的影响。o r r 等【1 3 】研究了n 2 对c 0 2 原油系统特性 的影响。结果显示，随着温度增大，c 0 2 在油富集相的溶解度由于c 0 2 的存在而降低； c 0 2 富集气混合物密度也由于n 2 的存在而降低5 5 ，这会导致c 0 2 对烃类萃取的效益 较低：同时，氮气的存在也将大幅度降低气相的黏度。c 0 2 对c 0 2 富集气相的不利作用 直接影响注入前缘流度比，从而导致石油采收率降低。 3 ) 煤层 无商业开采价值的深层煤层也是储存c 0 2 的有效场所。通过向煤层中注入二氧化碳 气体可以降低煤层游离气体中甲烷的分压或与其竞争吸附空间，来促使甲烷从煤层中解 吸，增加甲烷的产气率，并储存二氧化碳。从二氧化碳和甲烷的沸点和临界温度( 见表 1 3 ) 对比可以看出，煤层对二氧化碳的吸附能力要优于甲烷。 表l - 3 气体的沸点和临界温度( k ) t a b l e l - 3c r i t i c a lt e m p e r a t u r ea n ds t e a mp o i n ta b o u tg a s ( 1 0 g 镐c r i t i c a lt e m p e r a t u r es t e a mp o i n t c 0 2 3 0 4 1 51 9 4 6 5 c 地 1 9 1 0 51 0 9 1 5 n 2 1 2 6 1 57 7 3 5 a r r i 等【1 4 】进行了c h 4 c 0 2 二元气体在湿煤样中的吸附测试，结果表明，混合气体中 7 第一章绪论 每一种气体成分都不会被单独吸附，而是互相竞争吸附空间，两种气体之间存在相互干 扰现象。h a r p a l a n i 等【l5 】研究发现，扩展l a n g m u i r 方程可以用于物理吸附气体的吸附和 解吸计算，物理吸附气体的吸附和解吸过程具有可逆性。g r e a v e s 等在研究了混合气的 吸附解吸行为后发现，吸附和解吸遵循不同的压力与吸附量关系等温线。马志宏等l l 6 】 从煤层对甲烷、二氧化碳和氮气三种气体吸附的机理出发，分析得出，煤层对气体的吸 附除与气体的沸点有关以外，还与吸附势阱、气体分子的热运动剧烈程度有关。y u k u o 1 7 】 进行了二氧化碳置换甲烷的实验研究。他认为，二氧化碳置换甲烷的机理是由于两者吸 附能的差异。s t e v e n s 等【18 】研究了注入二氧化碳提高煤层甲烷采收率的工艺，并对美国 圣胡安煤田进行的注入二氧化碳增强甲烷采收率的实验方案和经济可行性进行了研究。 研究表明，该工艺不仅可以大幅度提高煤层甲烷的生产潜力，而且注入的二氧化碳气体 能维持孔隙压力从而有利于开发深部低渗透性煤层中的煤层气。吴世跃等【l9 】从理论上研 究了注气开采煤层气的增产机制，计算了注气开采时的采收量和采收率，认为注气增加 的采收量与煤层和注入气体的吸附特性及停采时注入气体和煤层气的分压有关。他们还 对二氧化碳在静态下的注气效果进行了实验研究，得到了和理论分析一致的实验结果。 4 ) 咸水蓄水层 二氧化碳蓄水层储存是通过钻孔人为地把二氧化碳注入到地下蓄水层中，利用地质 结构的气密性来储存二氧化碳。19 9 3 年l9 9 5 年期间，加拿大a l b e r t a 研究院以a l b e r t a 盆地为背景，通过计算机模拟分析了二氧化碳在含水层的流动、扩散及其与矿物的化学 反应过程，明确了二氧化碳咸水蓄水层储存的三种机理：超临界储存、溶解储存以及地 球化学储存机理。1 9 9 6 年，挪威的s t a t o i l 石油公司在北海的s l e i p n e rw e s t 天然气田建 立了世界上第一个商业规模的咸水蓄水层储存工程，每年向位于海底下1 0 0 0 m 的u t s i r a 砂岩层注入1 0 0 万吨的二氧化碳。同一期间，国际能源署( 1 e a ) 于1 9 9 6 年1 9 9 9 年实施 了s l e i p n e ra q u i f e rc 0 2s t o r a g e ( s a c s ) 际合作研究计划，采用地震波层析技术监测了 注入地下的二氧化碳状况，结果显示，二氧化碳在储存地层中状态稳定，无泄漏情况出 现。随后，美国t e x a s 大学又开发出了核磁共振监测技术和利用水力破裂法提高含水层 渗透系数的技术。2 0 0 0 年，日本经济产业省和新能源综合开发机构启动了“二氧化碳地 中储存技术研究开发计划”，计划在五年内开发出能模拟二氧化碳一水岩石系统的物质移 动( 多相流动、溶解与扩散、相变) 和地球化学储存过程的计算软件，建立地质数据库， 运用系统优化方法，确立一套安全合理的咸水含水层储存方案【2 0 j 。 5 ) 陆地生态系统储存 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 陆地生态系统储存主要是利用森林、土壤、沼泽、湿地、草原和荒漠等来吸收大气 中游离的二氧化碳。1 9 9 8 年，a m t h o r 等【2 1 】对全球各种陆地生态系统储存二氧化碳容量 ( p g 年) 进行了评估( 见表1 - 4 ) 。估算表明，全球陆地生态系统储存二氧化碳储量为 2 5 4 2 p g 年，其中土壤的储存储量为2 0 5 6 p g 年。目前对陆地生态系统进行的可行性研究 包括：各种生态系统的c 0 2 通量监测、模拟及排放动态；土壤中有机碳转化及其影响因 素等。 表l - 4 全球陆地生态系统面积和净生产力及植被与土壤的二氧化碳储存容估算 t a b l e l - 4g l o b a le s t i m a t e so f l a n da 慨n e tp r i m a r yp r o d u c t i v i t y ( n p p ) , a n dc a r b o ns t o c k si np l a n t m a t t e ra n ds o i lf o re c o s y s t e m so ft h ew o r l d a r e a l n p p ( p g c n p p ( 飚 p l a n t p l a n t s o i lc s o i l t o t a l e c o s y s t e m c ( g m 。2 1 c p g“g m 2 )e g p g 0 1 2 m 2 m - 2 y e a r - 1 )c y e a r l ) f o r e s t , t r o p i c a l 1 4 89 2 51 3 71 6 5 0 02 4 4 28 3 0 01 2 33 6 7 f o r e s t , t e m p e r a t e 7 56 7 05 o1 2 2 7 09 2 o1 2 0 0 09 01 8 2 a n dp l a n t a t i o n f o r e s t ，b o r e a l 9 o3 5 53 22 4 4 52 2 01 5 0 0 01 3 51 5 7 w o o d l a n d ， 2 07 0 01 48 0 0 01 6 o1 2 0 0 0 2 4 4 0 t e m p t e a t e c h a p a r r a l 2 53 6 00 93 2 0 08 01 2 0 0 03 03 8 s a v a n n a , t r o p i c a l 2 2 57 9 01 7 82 9 3 06 5 91 1 7 0 02 6 33 2 9 g a s s l a n d ， 1 2 53 5 04 47 2 09 02 3 6 0 02 9 53 0 4 t e m p e r a t e t u n d r a , a r c t i ca n d 9 51 0 51 06 3 06 01 2 7 5 01 2 11 2 7 a l p i n e d e s e r ta n d 2 1 o6 71 43 3 06 98 0 0 01 6 81 7 5 s e m i - d e s e r t , s c r u b d e s e r t 9 0l lo 13 5o 32 5 0 02 32 3 w e t l a n d2 81 1 8 03 3 4 3 0 01 2 07 2 0 0 02 0 22 1 4 p e a t l a n dn o r t b e m 3 4 0o oo0 o1 3 3 8 0 04 5 54 5 5 c u l t i v a t e da n d 1 4 84 2 56 32 0 03 o7 9 0 01 1 71 2 0 p e r m a n e n tc r o p h a l l a na r e a2 01 0 0 o 25 0 01 05 0 0 01 0l l t o t a l1 5 0 85 9 14 8 6 42 0 5 62 5 4 2 6 ) 生物储存 二氧化碳的生物储存主要指陆地和海洋生态环境中的植物、自养微生物等通过光合 或化能作用来吸收和固定大气中游离的二氧化碳，并在一定条件下实现向有机碳的转 化，从而到达储存二氧化碳的目的。微生物在储存二氧化碳的同时，可获得许多高营养、 高附加值的产品，在环境、资源及能源等方面将发挥极其重要的作用。固定二氧化碳的 9 第一章绪论 微生物种类见表1 5 。 表1 5 固定二氧化碳的微生物种类 t a b l e l - $ s p e c i e so fm i c r o b e sf o rc a r b o nd i o x i d ef i x a t i o n e n e r g y a n a e r o b i c a e r o b i cm i c r o b e a e r o b i c a l g a e l i g h te n e r g y a e r o b i cb l u eb a c t e r i a a n a e r o b i c p h o t o a y n t h e t i c a e r o b i c h y d r o g e nb a c t e r i a a e r o b i c n i t r i f y i n gb a c t e r i a a e r o b i cs u l f u rb a c t e r i a c h e m i c a le n e r g y a e r o b i ci