12011年第3-4期二氧化碳地下储存与井完整性二氧化碳地下储存与井.doc

PAGE 72 水文地质工程地质技术方法动态 2011年第3-4期 PAGE 73 2011年第3-4期 二氧化碳地下储存与井完整性 二氧化碳地下储存与井完整性* Gaurina-Me?imurec （University of Zagreb, Faculty of Mining, Geology and Petroleum Engineering） 翻译：葛秀珍；校对：何雪洲 【摘 要】捕集二氧化碳并将其地下储存数千年，这是减少与全球变暖有关的温室气体排放的方式之一。二氧化碳注入的候选位置或许是新井或许是活动的、关闭的或废弃的旧井。总体而言，确保储存井长期的完整性是非常关键的；换句话说，井完整性是二氧化碳地质储存的关键性能指标之一。 在含水层中进行地下气体存储和二氧化碳封存依靠适宜的井孔建造和盖岩的密封作用。潜在的渗漏途径是由于粘合性差，二氧化碳沿着井孔迁移和通过盖岩流溢。水泥的渗透率和完整性将决定预防渗漏的效果。当护套穿过盖岩的周围和在没有微环隙的条件下，盖岩的完整性由足够的裂隙梯度和足够的水泥来保证。 本文描述了由于超临界二氧化碳注入，含水波特兰水泥（portland cement） 和具有较好的二氧化碳阻抗力的新水泥的地球化学性质的变化。 【关键词】二氧化碳 碳储存 波特兰水泥 地球化学降解 井完整性 1 概述 碳捕集及储存（CCS）现在已经成为缓解全球变暖的重要方式,越来越多的井都是因为碳储存的目的而打井，人们预计这种趋势还仍将持续下去。大规模二氧化碳的地下储存对减少温室气体的排放发挥着关键作用。典型地下储层位于1km深处或者更深处，能储存数千万吨甚至是数亿吨的二氧化碳。总体而言，到目前为止,该技术仅仅在世界各地少数一些的示范场地开展实施了。这些场地是: 挪威的Sleipner、加拿大的Weyburn、阿尔及利亚的Salah等。二氧化碳的来源来自于很多大静态发射站,例如煤气站、水泥厂、煤炭发电站、炼油厂、钢厂、制氢站或相关的分离天然气的二氧化碳站（图1）。 据国际能源署（IEA）提供的资料,到2050年,每年5亿吨的二氧化碳可以经由捕集与存储而被避免排放到大气中,这意味着全球排放减少16%就可以对限制气候的破坏做出贡献。 ? CO2 UNDERGROUND STORAGE AND WELLBORE INTEGRITY. The International Journal of TRANSPORT LOGISTICS. ISSN 1451-107. 地质储存被定义为，以避免二氧化碳排放到大气中为目的，将二氧化碳注入到地层（大大地大于1km）的处理方式。二氧化碳的注入方案有许多不同类型。 ? 把二氧化碳注入到生产层，一方面可以提高石油产量，另一方面可以储存二氧化碳； ? 二氧化碳-水交替注入可提高产量； ? 二氧化碳注入到以前的生产层中（特别是废弃的油气藏）； ? 把二氧化碳储存在咸水层，该层不受其他油气开采的影响； ? 把二氧化碳储存在深部（常常因为薄，所以不赚钱）煤层。 考虑用于二氧化碳注入和储存的大多数场所通常是石油、天然气和/或煤层气开采的区域。这是因为在这些地方注入是创造价值的机会，如这样可以提高石油的回收率（EOR）、天然气的回收率（EGR）和煤层气的回收率（ECBM）。由于测井、勘查活动，对于高于或低于气藏的咸水层，我们也有较大的资料数据库。 由于人类活动，这些地层通常被大规模的勘探和生成井揭穿。无论多不透水的上覆盖层，无论其密封多么完整都有可能被现有的井伤及。与裂缝或者断层相关的渗漏相比，二氧化碳通过盖层的扩散通常很少被关注。  图 1 二氧化碳的来源和注入的不同类型 2 储存条件下二氧化碳及其特征 二氧化碳是无色无味的，但极具毒性。在空气中，大约5%的二氧化碳浓度（体积比）就可以引起头晕、意识模糊、呼吸和听力困难。暴露在二氧化碳浓度大约8%以上的环境中，会导致5-10分钟的意识丧失。由于二氧化碳比空气密集，所以它也遵循一个向下的趋势。在典型的地下条件下，二氧化碳比地层卤水的密度低30-40%，粘度低5-10倍。 在大多数的储层的条件下，二氧化碳不表现得像气体,但更像一个低粘度液体。这将影响注入的性能（套管和井孔附近）。在地质储存中，二氧化碳用足够高的压力（7,3MPa）和温度使其成为（31℃），800m超临界流体注入地下。超临界流体占据的空间较少，如图2所示。超临界流体的扩散性要比其他的气体和普通的液体要好，它在储存岩石中可以穿过微小的孔隙。图2中红色的数字表示和地表体积为100的相比的各深度的二氧化碳的体积。超临界二氧化碳的压力随着深度的增加而增大，增加的量可以储存在相同体积的岩体中。足