二氧化碳地质封存(德国案例).doc

1 财团法人中兴工程顾问社大地工程研究中心 台湾电力公司电源开发处 台湾电力公司综合研究所 二氧化碳封存先导试验案例研究 - 德国ketzin计画 a study of pilot testing case of carbon dioxide storage at ketzin in germany 俞旗文 蔡政宪 焦中辉 yu chi-wen tsai cheng-hsien chiao chung-hui 黄连通 蓝启仁 陈景林 hung lian-tong lan chi-ren chen jiing-lin 摘 要 欧盟为履行京都议定书承诺成立co2sink计画即ketzin计画专责验证地质封存技术。研究计画主要由德国位於波茨坦的地球科学研究中心gfz负责计画统筹执行。先期计画的焦点主要是运用各种地球物理、地球化学及微生物监测技术验证co2储留於ketzin场址深部盐水层的环境的安全性并对成果提供一个广泛且全面的观点以供相关研究人员据以决定进一步研究策略与研究方向。本文除说明co2sink计画的成立、执行过程与结果外并以案例研究方式汇整说明co2sink计画下配合於三口深钻井的巧思布置所规划的许多新颖监测项目与监测方法包括其监测概念、构件、详细设置情况期盼本文可供未来国内推动地质封存工作的类比参考。 abstract to comply with the obligation of eu following the kyoto protocol the co2sink was commenced at the ketzin town near berlin in the year of 2004 as a part of eu 6th framework research project. this eu-funded program as led by gfz involves intensive monitoring of the fate of the injected co2 by using a broad range of geophysical geochemical microbiological techniques as well as the development and benchmarking of numerical models and risk assessment strategies. in this study in addition to describe background of this pilot scale co2 injection project and its current status a case study towards the arrangement of the innovative monitoring program in the three wells sunk to a saline aquifer is demonstrated in detail. it is anticipated that the co2sink case can be very incentive to the development of co2 storage project in taiwan. 关键词 key words二氧化碳 carbon dioxide、地质封存geological storage、案例case study、盐水层 saline aquifer、监测monitoring。 壹、前言 为履行京都议定书kyoto protocol所作承诺欧盟european union eu首要面对的挑战便是要於2008至2012年间必须减少8 的co2排放总量。针对这个问题欧盟在电力及地热发展部门研拟了数种可行方法以有效落实执行二氧化碳排放的减量研究指出利用二氧化碳的捕获与地质封存 carbon dioxide capture and storage 简称ccs 技术来进行碳排放的减量是一种深具潜力的低成本技术。为了缓和大众对二氧化碳地质封存安全性及对环境冲击的疑虑有必要对其技术有更深一层的了解。 台电工程月刊 第697期 95. 6 2 co2sink计画为co2 storage by injection into a natural saline aquifer at ketzin 的简称或称ketzin 计画系在此背景下所成立的一个专责验证地质封存技术的先期研究计画。此计画主要是建构於欧盟委员会的第六期主轴发展计画sixth framework program fp6中的一个阶段性整合型计画在欧盟经费的支持下主要由德国位於波茨坦potsdam的地球科学研究中心geo-forschungs zentrum 简称gfz负责计画统筹执行参与计画的协力单位包括公司业者与研究机构共有14个。 co2sink计画下选定在柏林西方一个称做凯琴ketzin小镇的近郊利用co2注入盐水层saline aquifer的方法为基础进而发展出co2储存於地层中的核心技术该计画并於凯琴场址现地建立一个针对灌注co2相关工程技术及多功能科学研究试验室透过分析随时从地下取得之岩样、水样及微量有机生物体的分析并同步发展严密监测系统以监控整个co2灌注过程的安全性并建立以地球物理及地球化学为理论基础的数值分析模型来定义风险评估策略。这些步骤将有助於发展一个技术成熟的陆域型onshore二氧化碳於深部盐水层进行地质封存的示范储存场址操作模式。 贰、场址地质概述 凯琴镇位於波茨坦附近哈维尔兰havelland东南方的小镇离柏林市的西方约三十公里处。该镇是一个具有众多美丽风景和野生动物以及河流和运河充斥交会其中自古是一个以捕捞鱼货为生的小渔村。凯琴场址ketzin site地理位置大致如图一所示图中灰影部份表中欧二叠纪的沉积盆地分布位置f?rster et al. 2006。 凯琴场址在地质上位属於德国东北部沉积盆地n-german basin或北德盆地的一部参见图1内标示的negb此区盆地的等深线概况详如图二所示属於中欧整个盆地系统中的一个次盆地mazur and scheck-wenderoth 2005。该处沉积物是呈现一个厚度数公里地质年代从二叠纪到第四纪的连续地层其中并包含数个位处深部的盐水层deep saline aquifer。 co2sink计画下co2目标灌注层系选择於缓倾的三叠纪的斯塔加层 stuttgart formation之内。此计画场址与目标地层处於一约略东西走向的罗斯科-凯琴背斜roskow-ketzin anticline南侧翼如图三附近过去钻凿的深井最深可达或穿透斯塔加层其中4口深井位於西侧罗斯科背斜区深井编号为ktzi 6/70、ktzi 12/71、 ktzi 32/71及 ktzi38/71以及位於东侧凯琴背斜区的ktzi 163/69。 图一 德国柏林附近凯琴ketzin场址位置 摘自1 图二 中欧主要盆地系统位置图 摘自2 二氧化碳封存先导试验案例研究 - 德国ketzin计画 3 图三 罗斯科-凯琴背斜 摘自3 罗斯科背斜区4口深井的岩性以粉砂岩或泥岩为主而在东侧凯琴背斜区ktzi 163/69钻孔则可发现有超过30公尺厚具良好储集性能的砂岩其岩样经岩心全岩分析试验得知孔隙率可达2127绝对渗透率可高达5001000md。斯塔加层在凯琴场址附近的分布深度为630710公尺地层温度约为38其地层主要由两种沉积特性所组成由属於河道冲积相channel facies有较佳的淘选度其岩性以砂岩及粉砂岩为主此岩相地层具有较佳co2储集性能另一类岩性大部分以泥岩为主属於泛滥平原相flooding- plain facies具较差的淘选度并不适合作为co2储集层斯塔加层中此两相地层基本上系以交替沉积的型态存在。 在斯塔加层上方由所谓的威瑟层 weser formation形成绝佳的封闭盖层cap rock威瑟地层的沉积环境同样也为大陆型的间歇湖型式主要由黏土质或砂质的粉砂岩与碳酸盐及蒸发岩类所交替沉积所构成。这些岩石经由岩相的分析得知具有高含量黏土矿物成分并经由微视观察其孔隙几何分布情形确认其盖层封闭性能适合利用。 位於威瑟层上方尚有一恩施塔特层 arnstadt formation其沉积型态为泥、黏土与碳酸盐类组成的间歇湖环境并同样具备盖层封闭特性。前述两具盖岩cap-rock封闭性的地层在斯塔加层上方形成约210公尺厚的完美盖层其高度安全性确保了co2sink计画的推动并因此取得了当地居民的民意支持。另一个有利的条件为地质构造上的特点。凯琴场址附近地层充斥大量的盐岩构造盆地basin of salt structures盐岩脉的贯入diapirs与枕状盐丘salt pillows等封闭构造trap形成可大量储存石油或天然气的天然地质构造。 凯琴场址区於深度250到400公尺的地层过去曾为天然气生产层。由於co2sink计画灌入co2的预定场址恰位处於一个盐岩层与背斜罗斯科-凯琴背斜双重结构的东侧凯琴背斜部分由於19611970年间因天然气及石油的探勘此处有不少因探勘油气而钻凿的深井因此地质资料极为丰富使得地质未知风险大幅降低。 参、ketzin计画内容 在co2sink计画最初始於西元2004年4月。其规划工作内容依场址钻井施作为里程碑大致可分为包括1 前钻井期、2 钻井与监测设计期、3 钻井期、4 后钻井期等四个阶段。各阶段工作项目与工作内容详如表一 参考f?rster et al. 2006所示。 计画采用了多项先进的监测技术其原理主要利用相关地球物理msp与vsp、光电dts及先进的垂直电极阵列技术vera来进行相关数据的收集最后进行综合研判以对co2灌入后co2移栖及於地层中饱和的分布情形能有更精确的掌控能力达事半功倍之效果。co2sink计画主要的注入与追踪监测作业整体概念可参见图四。以下分项简述co2sink计画各阶段规划作业主要工作内容与目前成果 一、 前钻井期 前钻井期主要工作包括资料检视与搜集、地质模式、试验、近地表水力监测等。由於预定场址附近既有地质资料相当完整因此 台电工程月刊 第697期 95. 6 4 表一 计画各阶段工作项目与工作内容 计画阶段 工作项目 工作内容 前钻井期 资料检视与搜集 2-d震测资料、地质构造、钻井资料、地层与岩类、岩石特性、地层沉积相、水文地质 水文地质模式 封存水层特性、近地表地下水流动模式fluvsim 试验 贮留岩盐水与co2二相共存物理特性、盖岩矿物学 地表震测 3-d震测 近地表水力监测 盐水与气的成份分析、地表co2通量监测 钻井与监测设计期 钻井设计 设置三口垂直深钻井包括一灌注井与两观测井 监测设计 孔内、跨孔、外套管地物监测、地层水化学 风险评估 近钻井尺度与盆地尺度地质模型建立、灌注co2后移栖时空变化情境模拟分析、泄漏情境模拟分析 钻井期 钻井、取心、试验分析、岩石物性井测、穿孔、水力试验、地层水分析 岩性、孔隙率、渗透率、现场压力温度、波速、电阻、气体成份 风险评估 整合计画所有取得资料 后钻井期 co2灌注前背景值量测 背景值跨孔震测结构概念 跨孔电阻率成像解析ert 分布式温度感测器dts 垂直震测剖面vsp 走动震源震测剖面msp co2灌注与同步监测 现场压力温度剖面dts、流量 科学监测 跨孔震测依时剖面、垂直震测依时剖面、走动震源震测依时剖面、井底气体成份、4-d表面震测影像 风险评估 验证近钻井尺度与盆地尺度下灌注co2后移栖时空变化、泄漏情境模拟分析 图四 注入与追踪监测作业概念图 摘自 f?rster et al. 2006 图四 注入与追踪监测作业概念图 摘自2 透过资料检视与搜集整合对於场址区地质模型可有比较明确的概念。 2005秋天在全面钻井工作展开之前於地表进行了3d震测其结果可用以评估取得场址涵盖地下面积约12平方公里的地下地质构造资讯。施测目的主要包括1由地层构造几何的特性研判地下水流动的可能模式2作为灌入后比较封存层的地层速度变化的背景值3取得预?昕赘浇夭阏鸩庥跋衿拭孀魑笮昕卓孜蝗啡系囊谰荨?3d震测位置及其代表性结果详如图五所示。在斯塔加层顶部上方约80公尺处有一k2震测强反射层keuper reflector此层经确认系由威瑟层顶部一厚约1020公尺的含石膏gypsum或硬石膏anhydrite所形成可作为场址区震测资料剖面解释时的极佳指标层。 二、 钻井与监测设计期 有了场址区明确的地质模型概念后计画得以进入钻井与监测设计阶段。场址区总共规划设置三口垂直深钻井包括一口灌注井与两口观测井prevedel et al. 2008。三口深钻井彼此相距约为50100公尺呈l型布置详如图六所二氧化碳封存先导试验案例研究 - 德国ketzin计画 5 示。 灌注井编号ktzi-201 深度755公尺第一观测井编号为ktzi-200 深度810公尺第二观测井编号为ktzi-202 深度810公尺同第一观测井。钻井详细的套管设计如图七所示prevedel et al. 2008。 a3d震测位置f?rster et al. 2006 b 震测交叉比对 图五 址区地表震测结果 摘自2 所有套管使用的种类规格及配置是根据地质上实际状况综合考量物理上的限制以及优化各种监测方法在空间解析上的结果加以配套设计例如跨孔震测及电阻率成像解析ert的布置系根据计画预定灌入co2的量来设计配置。在co2sink计画中所设置的三口深井皆采用相同的设计进行布置包括全部采用不锈钢套管、在储集地层区段部分采用配备预穿孔砂滤套管、套管装设光纤及多导体的监测感测器并且於套管外装设电缆及水泥封固。 配合钻灌作业必须有一套完整的监测作业俾以追踪当灌注co2进入地层后的命运fate。监测的设计包括了孔内、跨孔、外套管地物监测、地层水化学等地层追踪技术项目的 a三口垂直深钻井 b 钻井现场配置 图六 场址区深钻井l型布置情形 摘自24 图七 钻井详细的套管设计 摘自3 考量。此外并建立包括近钻井尺度与盆地尺度的地质模型下进行灌注co2后於地层当中移栖时空变化情境模拟分析。此阶段可针对可能的泄漏风险透过风险情境的模拟分析进行风险评估。 图8为斯塔加大学universitat stuttgart研究台电工程月刊 第697期 95. 6 6 团队以自行研发的软体模拟得场址灌注co2后某参数情境下的移栖分析结果。此结果可显示二相成份於非等温条件下non-isothermal two-phase two-component model下灌注co2进入地层后的流动现象。图中左方为地层的渗透率参数分布图中间为灌注co2两年24个月 后co2的饱和度分布右方为灌注co2五年60个月 后 co2的饱和度分布。 图八 场址区某情境灌注co2后移栖分析结果 摘自5 三 钻井期 钻址於2006年12月开始整地施工而钻井作业於2007年3月13日开始进行作业中动用具600kn吊勾能力的货车进行运输及大型顶部驱动旋转式钻机所有凯琴场址的钻孔皆采用一种可抑制氯化钾水基的泥浆系统进行运作而在钻孔顶部区段部分因属於淡水含水层主要选择运用碳酸钾水基的泥浆系统进行运作上述两种泥浆系统的密度皆控制在1.051.16g/cm3。 开始钻孔的孔径大小为23英吋。为了预防浅层气shallow gas的突喷尤其是以侏罗纪地层为主具有天然气高潜能蕴藏之地层更是要特别注意。为了解决这个问题计画团队在钻井的孔顶段先预钻一个8英吋半的孔并设置井喷预防器、导流阀、废气燃烧器gas-flare於钻井平台上以充分捕捉并控制突然浅层气之涌入。 其次在钻井末端段不锈钢材质5英吋半的生产套管production casing 外围部分在本计画三口深钻井中皆有以设置及封固34条监测用的电缆线所使用封固的水泥通常使用经特别调制抗co2腐蚀的g类盐性水泥水泥浆密度sg通常控制於1.98 kg/l进行相当繁琐的固井作业。此固井作业过程若是稍有不慎将会导致日后套管外围电缆线的损坏与讯号异常。 三口深钻井的过程可取得岩心、办理各种试验分析、岩石物性井测、穿孔、水力试验、地层水分析等配套工作因此可充份掌握岩性、孔隙率、渗透率、现场压力温度、波速、电阻、气体成份等与co2於地层当中移栖变化模拟分析的种种参数。图九所示为深钻井现场岩心取得后处理情况以及斯塔加层上部砂岩岩心可观察到具有交错层理沉积构造现象。 a岩心取得后处理情况 b灌注层砂岩岩心 图九 深钻井现场岩心处理 摘自3 图十所示为本计画三口深钻井岩心纪录第一观测井ktzi-200井下深度610710公尺对比情形内容包括岩性、矿物组成百分比、孔隙率、绝对渗透率等四项参数。ktzi-200/2007井下深度633公尺以下矿物组成百分比分析所得石英quartz含量明显增加直到井下深度650公尺为止为一约17公尺厚的砂岩二氧化碳封存先导试验案例研究 - 德国ketzin计画 7 sandstone层此时地层由威瑟层进入下方的斯塔加层上部砂岩孔隙率平均可达30左右绝对渗透率可高达1000md以上具有绝佳的封存条件norden et al. 2010。 图十 计画三口深钻井岩心纪录与岩石特性 摘自6 此外经由取样岩心的水力传导试验flow experiment可针对封存层内各种砂岩样品进行二相共存的渗透试验以了解co2封存层内的流动机制透过岩石样品电阻与波速的量测可建立於不同饱和度下电阻与波速的变化特性等可对追踪地层内co2的流动方式提供重要的基本研判资料。目标盖层则包括威瑟层、恩施塔特层其岩性经由样品的深入检测确认其盖层高度的封堵能力。检测方法涵盖了sem empa xrd xrf dta tga 等一般室内常用的矿物检测分析技术。 四、后钻井期 后钻井期主要工作项目包括co2灌注前背景值量测、co2灌注与同步监测、科学监测、风险评估等。 本计画中co2灌注前背景值量测包括了跨孔电阻率成像解析ert、分布式温度感测器dts、垂直震测剖面vsp、走动震源震测剖面msp均为整合并具新颖创意的co2监测技术灌注期间则施行依时性time-lapsed的科学监测透过各量测系统於不同时间伴随灌注量的改变进行量测并背景值对照掌握co2气体的动态变化。 注入与同步追踪监测作业计画於2008年6月30日开始进行图十一所示为灌注井的井下施工布置细节prevedel et al. 2008。co2注入深度为地下650公尺深左右的斯塔加层最终目标灌注量为60000公吨截至2010年8月已灌注约三万七千吨 36960吨的co2气体由於co2气体需达八百公尺下其相态方能以超临界状态存在本计画灌注层深度下co2以气体相态进入地层由於黏度低移动将比超临界状态快速。 图十一 灌注井的施工布置 摘自7 科学监测scientific monitoring旨在於灌注时同步监测co2气体相态进入地层后的动态行为。因此於不同注入条件下观测比对变化测值与背景值的差异以验证移栖行为是否有异於预测或是否有异常的泄漏现象俾以提供风险评估时之足够资讯。 肆、案例的特色 台电工程月刊 第697期 95. 6 8 co2sink计画下配合於三口深钻井的巧思布置规划许多新颖监测项目与监测方法。表二汇整了其中主要几个具有特色的监测仪器与功能。表三中的ert搭配vera技术结合分散式温度感测器distributed temperature sensing 简称dts 以及井下应力量测downhole pressure measurements构成此计画所谓智慧型套管系统smart-casing technology的一环。智慧型套管系统的组成概念与施工安装情形如图十二所示。此包含感测器、电缆讯号线及套管置中器所构成的先进感测监视系统所提供之资料有效掌握及控制co2团块扩散及套管与固井水泥密合度衰变情形计画单位可透过此系统适时提出因应措施确保整个计画顺利执行。 表二、监测仪器与功能 监测项目 监测目标 监测位置 震测剖面技术 背景值与co2团块扩散的情形 地表/注入井/监测井 地电阻成像解析ert 背景值与co2团块扩散的情形