CCS示范项目分析探讨

摘要 随着哥本哈根气候大会的召开，全球各个国家和地区对气候变暖及碳排放达到了前所未有的共识。中国作为负责任的大国，做出了2005年～2020年降低单位GDP能耗40%～45%的庄严承诺。神华集团积极响应国家的节能减排战略，在国内率先实施10万吨/年的CCS（CO2­捕集与封存）示范项目，这也是是中国首个CCS示范项目，以减少神华鄂尔多斯煤制油厂在生产过程中排放的CO2­并为国家实现CCS工业化、规模化提供必要的工程技术、地质认识、科研数据以及CCS专业人才。

关键词 CCS；神华；捕集；封存；二氧化碳

中图分类号X701 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）50-0070-02

0 引言

CCS定义为carbon dioxide Capture and Storage（二氧化碳捕集与封存）。CCS的组成部分包括：CO2捕集：煤化工、煤电厂、炼油厂、玻璃厂、水泥厂、化工厂等大型CO2排放源排放的CO2经过捕集、净化、压缩、液化、精馏等工序生产出一定纯度的液态CO2；CO2运输：从捕集装置出来的液态CO2，经过管道输送到缓冲罐区暂时储存，然后再通过管道或者罐车将液态CO2输送到封存区；CO2封存：就是将二氧化碳放在地下地层中的自然空隙中，以实现对二氧化碳的束缚、溶解以至于矿化形成永久封存。

二氧化碳地下封存按技术可以分为3大类：海洋封存、地址封存和植被封存，其中地质封存技术相对成熟。

1 鄂尔多斯盆地CO2地质封存量评估

神华CCS项目是中美“化石能合作协议”中“清洁燃料”的主要内容，神华研究院同美国能源局相关单位合作建立了鄂尔多斯盆地的地质结构模型，并对其进行了CO2地质封存量评估。在研究范围内（300km），初步筛选的可封存CO2的地层分布图，共7个地层：3个盐水层、1个油储层、1个气储层、2个深部煤层。表1是各地层的评估储存量，其中深部眼水层潜力最大。

2 CCS工程探讨

神华CCS示范工程地质封存为无附加值的，纯粹以减排为目的的，在深部咸水含水层以物理封存与化学封存两种机理同时进行的封存方式。

2.1 二氧化碳来源

世界首套百万吨级煤直接液化项目在神华鄂尔多斯煤制油分公司的顺利投产，表明我国已经成为世界第一个拥有百万吨级自主知识产权新一代煤直接液化工艺的国家。但煤直接液化也面临着实现近零排放的巨大环保压力，百万吨级煤直接液化每年排放二氧化碳300万t。要实现零排放最直接有效的办法就是实现二氧化碳的地质封存。本项目试验装置的建设和运行将获得的充分的数据和经验，为今后大规模煤炭转化、石油化工、绿色煤电等各CO2高排放项目提供减排技术支持。同时这些项目也将成为CCS二氧化碳的主要来源。

2.2 二氧化碳捕集工艺

本装置采用二氧化碳压缩机将煤制油生产过程中煤气化产生的二氧化碳升压、冷冻系统提供冷量、变温变压吸附（TSA）脱硫脱油和脱水、液化及精馏、低温加压球罐存贮、超临界状态注入封存的工艺技术。

2.3 二氧化碳运输

神华CCS项目为示范项目，尚有许多不确定因素，因此在运输方面没有采取管道输送而是采用罐车运输的方式。罐车运输建设投资小，使用灵活方便，而且一旦注入区有问题可以将食品级二氧化碳运往市场销售。避免了大额建设投资的损失风险。

2.4 二氧化碳封存

1）四种二氧化碳地质封存方案示意图

2）钻井工程难点

钻井的主要风险在于以下两个方面：

（1）要实现CO2的永久封存的目的，对该井的固井质量提出了较高要求，目前国内防腐水泥浆体系处于试验阶段，能否实现永久封固存在不确定性;

（2）由于实际生产过程中CO2对管柱的腐蚀存在不确定因素，因此对综合平衡管材材质的选用与其经济性存在一定的风险。

在施工方面，钻井还存在以下几个方面的难点：（1）为保证注入井安全，要求各层套管的固井水泥浆必须返到井口；（2）本井刘家沟组是该地区的区域性漏层，可能存在严重的漏失问题。严重井漏不仅导致钻井液材料与堵漏时间的损失，更对固井施工造成困难；（3）由于该区域煤层发育，本井可能存在井壁垮塌问题；（4）注入井与监测井相距较近，所以对井身质量要求较高；（5）如果加深钻探，则钻进施工中存在地层认识不清的工程风险。

3）取岩心要求

为了取得准确的储层及盖层的物性资料，为CO2地质封存相关地质研究提供所需岩心分析资料。钻井取心要求：（1）取心前、后起钻要在同一钻压下（2t~3t）丈量方入，保证井深准确。取心钻进要记好钻时，避免磨心。岩心筒出井口后，要立即出心整理，及时采样；（2）应及时对岩心进行岩性特征及含气、水情况的观察和描述，对储层段岩心要进行密闭试验，观察其含水性。岩心出井时要及时封装或采集分析样。

4）注入工艺

CO2注入工艺如下图所示，首先由槽车将-20℃、2MPa的液态CO2泵送进入保冷处理的缓冲槽。缓冲槽内的液态CO2达到一定液位后启动注入泵，实施CO2注入。液态CO2入井前必须经过加热器将其温度升高至注入温度，注入压力由注入泵控制。在注入过程中还必须启动蒸发器，蒸发器的作用是及时补充缓冲槽因液位下降引起的压力降低，以确保注入压力的稳定。注入工程中必须严密监视入井CO2的压力及温度以保证进入地层的是超临界状态的CO2。

神华CCS示范工程已于2010年底产出达到注入要求的CO2并随即成功实现将超临界二氧化碳注入到目的储层，完成了初期试注目标。

3 CCS监测模拟

3.1 监测目的及意思

1）从监测目的和手段出发，对包括常规监测、三维地震、井间地震、示踪剂方法、地表环境监测等方法进行介绍；

2）根据本项目的特点对监测井的监测对象、方法及周期进行了思路分析，就项目进行的不同阶段，分别提出注入前、注入中和注入后的监测方案，对钻井及井筒装置提出基本要求；

3）鉴于目前地质资料的收集工作还在进行，地震解释工作刚刚完成，该区块的测井和岩芯数据尚未取得，因此目前仅在思路上提出监测方案和要求；随着地质模型的建立以及数值模拟的开展，将对监测方法和对象提出更加具体的设计和调整方案。

3.2 注入前监测

1）充分利用钻孔获取的信息，尽可能对目标层和盖层的地质构造、岩石物性和流体性质进行测定和分析；2）核查所有可能受二氧化碳灌注影响的地层是否存在沟通目标灌注层及地表的人工通道或自然通道；3）确定地质环境及地球化学参数的背景值。

3.3 注入中监测

1）监测二氧化碳运移与灌注带地层压力和温度；2）对盖层封隔性的监测；3）利用示踪剂监测地层连通性以及二氧化碳泄漏；4）对盖层之上缓冲层及可能的淡水含水层的水质监测；5）监测二氧化碳在灌注层中的运移。

3.4 注入后监测

1）继续采用永久压力记录、井间地震、示踪剂等方法，对目标层中灌注带地层压力变化、二氧化碳扩散羽的位置和形态，以及盖层的封闭性进行长时间监测。相关监测项目与方法与灌注阶段的相同，但监测频率可根据实际情况减少；

2）原则上应持续50年，监测停止时间应以模型计算结果为基础。

4 结论

首个CCS项目先后通过了国家相关部门的安全评价、环境评价、压矿评价。至于经济性评价目前还没有一个系统权威的结果。由于是示范工程在工程施工过程及材料选用上都采用了比较保守的思路，所以整个工程施工、运营的成本较高。要实现CCS的产业化规模化，还要在示范工程的封存过程中逐步探索、研究最终找到既安全又经济的施工方案、施工材料及运营方案。

参考文献

[1]沈平平，廖新维.二氧化碳地质埋存与提高石油采收率技术[M].北京：石油工业出版社，2009.

[2]中国石油集团钻井工程技术研究院.钻井设计[s].北京，2010.

[3]北京一龙恒业石油工程技术有限公司.10万吨/年CCS实验项目可行性研究报告[s].北京,2009.