CCS示范項目分析探討

王永勝

神華鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209

0 引言

CCS定義為carbon dioxide Capture and Storage（二氧化碳捕集與封存）。CCS的組成部分包括：CO2捕集：煤化工、煤電廠、煉油廠、玻璃廠、水泥廠、化工廠等大型CO2排放源排放的CO2經過捕集、凈化、壓縮、液化、精餾等工序生產出一定純度的液態CO2；CO2運輸：從捕集裝置出來的液態CO2，經過管道輸送到緩沖罐區暫時儲存，然后再通過管道或者罐車將液態CO2輸送到封存區；CO2封存：就是將二氧化碳放在地下地層中的自然空隙中，以實現對二氧化碳的束縛、溶解以至于礦化形成永久封存。

二氧化碳地下封存按技術可以分為3大類：海洋封存、地址封存和植被封存，其中地質封存技術相對成熟。

1 鄂爾多斯盆地CO2地質封存量評估

神華CCS項目是中美“化石能合作協議”中“清潔燃料”的主要內容，神華研究院同美國能源局相關單位合作建立了鄂爾多斯盆地的地質結構模型，并對其進行了CO2地質封存量評估。在研究范圍內（300km），初步篩選的可封存CO2的地層分布圖，共7個地層：3個鹽水層、1個油儲層、1個氣儲層、2個深部煤層。表1是各地層的評估儲存量，其中深部眼水層潛力最大。

表1 神華與美國能源局合作評估鄂爾多斯盆地二氧化碳封存量

2 CCS工程探討

神華CCS示范工程地質封存為無附加值的，純粹以減排為目的的，在深部咸水含水層以物理封存與化學封存兩種機理同時進行的封存方式。

2.1 二氧化碳來源

世界首套百萬噸級煤直接液化項目在神華鄂爾多斯煤制油分公司的順利投產，表明我國已經成為世界第一個擁有百萬噸級自主知識產權新一代煤直接液化工藝的國家。但煤直接液化也面臨著實現近零排放的巨大環保壓力，百萬噸級煤直接液化每年排放二氧化碳300萬t。要實現零排放最直接有效的辦法就是實現二氧化碳的地質封存。本項目試驗裝置的建設和運行將獲得的充分的數據和經驗，為今后大規模煤炭轉化、石油化工、綠色煤電等各CO2高排放項目提供減排技術支持。同時這些項目也將成為CCS二氧化碳的主要來源。

2.2 二氧化碳捕集工藝

本裝置采用二氧化碳壓縮機將煤制油生產過程中煤氣化產生的二氧化碳升壓、冷凍系統提供冷量、變溫變壓吸附（TSA）脫硫脫油和脫水、液化及精餾、低溫加壓球罐存貯、超臨界狀態注入封存的工藝技術。

2.3 二氧化碳運輸

神華CCS項目為示范項目，尚有許多不確定因素，因此在運輸方面沒有采取管道輸送而是采用罐車運輸的方式。罐車運輸建設投資小，使用靈活方便，而且一旦注入區有問題可以將食品級二氧化碳運往市場銷售。避免了大額建設投資的損失風險。

2.4 二氧化碳封存

1）四種二氧化碳地質封存方案示意圖

2）鉆井工程難點

鉆井的主要風險在于以下兩個方面：

（1）要實現CO2的永久封存的目的，對該井的固井質量提出了較高要求，目前國內防腐水泥漿體系處于試驗階段，能否實現永久封固存在不確定性;

（2）由于實際生產過程中CO2對管柱的腐蝕存在不確定因素，因此對綜合平衡管材材質的選用與其經濟性存在一定的風險。

在施工方面，鉆井還存在以下幾個方面的難點：（1）為保證注入井安全，要求各層套管的固井水泥漿必須返到井口；（2）本井劉家溝組是該地區的區域性漏層，可能存在嚴重的漏失問題。嚴重井漏不僅導致鉆井液材料與堵漏時間的損失，更對固井施工造成困難；（3）由于該區域煤層發育，本井可能存在井壁垮塌問題；（4）注入井與監測井相距較近，所以對井身質量要求較高；（5）如果加深鉆探，則鉆進施工中存在地層認識不清的工程風險。

3）取巖心要求

為了取得準確的儲層及蓋層的物性資料，為CO2地質封存相關地質研究提供所需巖心分析資料。鉆井取心要求：（1）取心前、后起鉆要在同一鉆壓下（2t～3t）丈量方入，保證井深準確。取心鉆進要記好鉆時，避免磨心。巖心筒出井口后，要立即出心整理，及時采樣；（2）應及時對巖心進行巖性特征及含氣、水情況的觀察和描述，對儲層段巖心要進行密閉試驗，觀察其含水性。巖心出井時要及時封裝或采集分析樣。

4）注入工藝

CO2注入工藝如下圖所示，首先由槽車將-20℃、2MPa的液態CO2泵送進入保冷處理的緩沖槽。緩沖槽內的液態CO2達到一定液位后啟動注入泵，實施CO2注入。液態CO2入井前必須經過加熱器將其溫度升高至注入溫度，注入壓力由注入泵控制。在注入過程中還必須啟動蒸發器，蒸發器的作用是及時補充緩沖槽因液位下降引起的壓力降低，以確保注入壓力的穩定。注入工程中必須嚴密監視入井CO2的壓力及溫度以保證進入地層的是超臨界狀態的CO2。

神華CCS示范工程已于2010年底產出達到注入要求的CO2并隨即成功實現將超臨界二氧化碳注入到目的儲層，完成了初期試注目標。

3 CCS監測模擬

3.1 監測目的及意思

1）從監測目的和手段出發，對包括常規監測、三維地震、井間地震、示蹤劑方法、地表環境監測等方法進行介紹；

2）根據本項目的特點對監測井的監測對象、方法及周期進行了思路分析，就項目進行的不同階段，分別提出注入前、注入中和注入后的監測方案，對鉆井及井筒裝置提出基本要求；

3）鑒于目前地質資料的收集工作還在進行，地震解釋工作剛剛完成，該區塊的測井和巖芯數據尚未取得，因此目前僅在思路上提出監測方案和要求；隨著地質模型的建立以及數值模擬的開展，將對監測方法和對象提出更加具體的設計和調整方案。

3.2 注入前監測

1）充分利用鉆孔獲取的信息，盡可能對目標層和蓋層的地質構造、巖石物性和流體性質進行測定和分析；2）核查所有可能受二氧化碳灌注影響的地層是否存在溝通目標灌注層及地表的人工通道或自然通道；3）確定地質環境及地球化學參數的背景值。

3.3 注入中監測

1）監測二氧化碳運移與灌注帶地層壓力和溫度；2）對蓋層封隔性的監測；3）利用示蹤劑監測地層連通性以及二氧化碳泄漏；4）對蓋層之上緩沖層及可能的淡水含水層的水質監測；5）監測二氧化碳在灌注層中的運移。

3.4 注入后監測

1）繼續采用永久壓力記錄、井間地震、示蹤劑等方法，對目標層中灌注帶地層壓力變化、二氧化碳擴散羽的位置和形態，以及蓋層的封閉性進行長時間監測。相關監測項目與方法與灌注階段的相同，但監測頻率可根據實際情況減少；

2）原則上應持續50年，監測停止時間應以模型計算結果為基礎。

4 結論

首個CCS項目先后通過了國家相關部門的安全評價、環境評價、壓礦評價。至于經濟性評價目前還沒有一個系統權威的結果。由于是示范工程在工程施工過程及材料選用上都采用了比較保守的思路，所以整個工程施工、運營的成本較高。要實現CCS的產業化規模化，還要在示范工程的封存過程中逐步探索、研究最終找到既安全又經濟的施工方案、施工材料及運營方案。

[1]沈平平，廖新維.二氧化碳地質埋存與提高石油采收率技術[M].北京：石油工業出版社，2009.

[2]中國石油集團鉆井工程技術研究院.鉆井設計[s].北京，2010.

[3]北京一龍恒業石油工程技術有限公司.10萬噸/年CCS實驗項目可行性研究報告[s].北京,2009.