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大规模碳封存路上 需要填补哪些技术空白?

来源:石油圈2021/8/24 10:13:49我要投稿

北极星碳管家网讯:大规模扩大全球碳捕集与封存能力(CCS)的必要性,正在形成广泛共识。但是,CCS规划者将会面临哪些不确定因素、瓶颈和机遇?

油气行业的CCS挑战。

它可能有助于平衡世界对气候变化与未来能源需求的忧虑。然而,在现如今阶段,是否需要快速建立碳捕集与封存(CCS)能力还远未达成共识。

大家都在讨论需要更强有力的财政激励措施,或者是以更大的税收抵免和更严格的碳定价,来启动更多的商业CCS项目。但鲜有提及的是,为了解所有风险与不确定性,还需要填补岩土工程方面的空白。

二氧化碳注入专家、Melzer咨询公司创始人Steve Melzer说:“我们需要把二氧化碳放在正确的地质位置,而安全的CCS地点并不是随处可见。在使用“安全”一词时,这位有着30多年经验的资深地质工程师强调,CCS设施规划者应尽一切可能避免二氧化碳发生泄漏。

在上个月举行的非常规资源技术大会(URTeC)上,他与其他几位专家一起探讨了扩大CCS规模所面临的地下问题。他们承认,虽然CCS已有50年的跟踪记录,但与阻止气候变化的必要措施相比,它显得微不足道。

埃克森美孚计划在美国墨西哥湾沿岸建立CCS中心,该油气巨头表示,到2040年,该中心每年将消耗1亿吨二氧化碳,是目前全球注入量的两倍多。然而,埃克森美孚也表示,如果没有政府的资金支持,它就无法推进这个1000亿美元的项目。

01 油气行业的CCS挑战

国际能源署(IEA)在其《2050年净零排放》报告中表示,到2030年,CCS能力必须达到每年16亿吨二氧化碳。然后到2050年,这一数字必须上升到每年76亿吨。

若用油气行业更熟悉的体积单位,上述数值分别相当于800亿立方英尺/天与380亿立方英尺/天的二氧化碳。

如今,全球23个CCS项目(其中19个在美国)每年只注入大约4000万吨二氧化碳,或20亿立方英尺/天,用于永久封存。截至去年,还有65个商业CCS项目正处于开发阶段。

尽管最近的发展势头强劲,但全球CCS能力必须在未来30年至少增长两个数量级,才能实现国际能源署的净零排放设想。根据一项研究,如此庞大的数量可能意味着全球需要10000到14000口二氧化碳注入井,而现在远远不够。

02 关键的地下问题、瓶颈与机遇

为了达到国际能源署概述的庞大数值,非常规资源技术大会上的专家谈及了CCS开发商必须首先解决的几个地下问题。

1 盖层完整性

合格的地质密封是永久储存二氧化碳、避免泄漏到地表或含淡水层的首要要求。保持盖层的完整性有几个方面,但这一切都始于合适的选址。

构造活动较少的地层是寻找注入点的好位置。美国的稳定地层包括Denver-Julesburg盆地(前陆盆地)、Permian盆地(Cratonic盆地),以及美国墨西哥湾沿岸(张裂板块/被动大陆边缘盆地)。

在Permian盆地从事二氧化碳项目的Melzer说:“Cratonic盆地的魅力在于,它们通常被蒸发岩所覆盖。蒸发岩,特别是盐岩,在相对较低的压力与深度(如1500psi, 2500ft)具有延展性。在这样的条件下,你就能得到一个非常有效的密封,可以在下面注入任何东西。”

注入油藏的横向连续性是另一个关键因素。Melzer表示:“如果没有这种物性,我们将需要增压,这会造成密封失效。”

2 井筒完整性

除地层之外,另一个重要问题是注气井本身以及它的钻井/建井方式。

Hamed Soroush指出:“钻井期间发生的井漏以及钻井造成的拉伸裂缝会对井筒完整性构成威胁,并可能成为二氧化碳的泄漏通道。除了优质的钻井作业之外,防止二氧化碳逸散的另一个关键是套管外的优质固井作业。”

利用可靠的地质力学建模,CSS规划者可通过优选井眼轨迹与泥浆密度来避免井下问题。然而,Soroush警告说:“尽管准确的地质力学模型在降低风险与项目成本方面很有价值,但糟糕的地质力学模型可能会产生误导,造成完全相反的结果。”

3 诱发地震活动

虽然诱发地震活动的规模一般较小,但也会对生命和财产构成威胁,还可能会影响盖层或井筒的完整性。

为了避免造成上述事件,CCS项目将基于大量地质特征来确定安全注入阈值,以避开敏感区域,因为应力场的变化可能会重新打开断层或大裂缝。

油气行业的作业经验是非常有用的,因为该行业已经对北美盐水处理井的诱发地震活动进行了大量研究。

Soroush 再次强调,这个问题需要地质力学建模,特别是用以解释储层中流体动力学与温度变化的多样性。他坚持说:“想要识别微地震风险,并通过优化注入方案来预防微地震风险,地质力学是唯一手段。”

4 井间干扰问题

在经济效益的推动下,许多二氧化碳运输网络的终点都集中在CCS位置,也就是许多注入井的井场。随着未来几年对CCS能力需求的增加,这将显著增加复杂性。

伊利诺伊州地质调查所石油地质主管Hannes Leetaru说:“虽然注入的二氧化碳仍在井筒周边,但压力效应几乎是瞬时的,并扩张至相当远的距离。”

因此,附近注入井的二氧化碳羽流会相互作用,产生风险与不确定性,必须做好规划。这会影响到一个地区的未来使用,所以需要进行区域性的管理。

英国地质调查局科技总监MichaelStephenson指出,压力前沿可能会影响邻井的封存能力。他表示,在这种情况下,也许不是最好的地质位置,但实际上是最好的,因为它避免了井间干扰。

5 数据获取

借助公开可用的地质数据库,CCS研究与规划人员可避免诱发地震活动,并估算出注入能力。

然而,Stephenson表示,需要将更多私人持有、研究机构持有的其他不同数据集都汇集起来,以便更好地描绘全球CCS的未来。

他补充说:“众所周知,这是整个地质学领域的全球性问题。全球有很多数据,但其中很多存在于小型私人数据库中,难以获取。因此涌现出深度-时间数字地球计划(DDE)等类似的解决方案。”

在国际地质科学联盟的领导下,DDE正在开发一个开放平台,将现有数据库中的地球科学数据连接起来,并整合数据科学工具,以帮助研究与新发现。

6 地层评价

如今,全球只有四个大规模CCS设施在向深部盐碱地层进行注入。不过,在未来,盐碱地层被认为是CCS的首要目标,这在很大程度上要归功于其在全球范围内的广泛分布以及巨大的储存能力。

然而,高盐度地层会降低二氧化碳的溶解度,也就是气体溶解到盐水中的能力。因此,斯伦贝谢的储层动态产品经理Rahul Grover说:“需要深入了解含水层的盐度。”

这可能会推动对低盐度地层的需求,可以通过现有的测井技术(例如向下光谱)识别这些地层。Grover表示:“专业测井工具可测量出地层中的氯含量,再结合其他测井手段,就可为我们提供可靠、连续的地层水盐度估算结果。在注入阶段,可以使用其他光谱测井技术测量二氧化碳的饱和度。”

永久性光缆是另一种技术资产,可以监测压力波前沿、饱和羽流、地应力,并获取4D微地震测量数据。Grover指出,光纤是检测泄漏与识别地震活动的成熟工具。


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