储罐充水试验项目

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【摘要】：现今，在世界范围内共有3个商业规模的深部咸含水层CO2地质封存项目已经开展或正在进行中。至今，国外很多科研机构针对深部咸含水层CO2地质封存，在CO2捕集、运输、封存、监测、政策及公众接受能力等方面，做了较为深入的研究。盐水注入加速了CO2的溶解，因此增加了CO2的溶解性捕获，从而提高了封存的安全性。CO2捕获矿物和岩石的矿物捕获能力与含水层岩石矿物组成密切相关。

CO2咸水层封存的研究始于20世纪90年代初的加拿大酸性气体（H2S和CO2）处置项目，其中CO2是作为副产物和H2S一起被注入到咸水层中（Gunter et al，2000）。现今，在世界范围内共有3个商业规模的深部咸含水层CO2地质封存项目已经开展或正在进行中。第一个商业规模的CO2咸水层封存项目是挪威北海的Sleipner项目，该项目自1996年开始，建有世界上第一个工业级CO2捕获设施，用醇胺溶剂从天然气中吸收CO2，并通过回注钻孔储存于深达1000m海床下的深咸水含水层中，每年约有100万t的CO2被注入到地下。截至2005年初，总共注入CO2约700万t。用人工地震方法进行了多次监测，结果表明储存状态良好，无泄漏迹象（Audigane et al，2007；Eiken et al，2011）。此外，阿尔及利亚的In Salah项目和挪威的Snøhvit项目分别在2004年和2008年投入商业运行（Iding et al，2010；Maldal et al，2004；Michael et al，2010；Shi et al，2012）。阿尔及利亚的In Salah项目与挪威的Sleipner项目类似，同样是把从天然气中分离出来的CO2注入地下含水层中，年注入量约为110万t，但现在该项目已停止运行（De Coninck et al，2014）。挪威的Snøhvit项目每年大约从天然气中捕集70万t CO2，经管道运输后封存于海底下2600m处的砂岩中。除了上述3个项目外，一些商业尺度的咸含水层CO2地质封存项目正处于规划发展阶段（De Coninck et al， 2014；Leung et al，2014），如澳大利亚的Gorgon工程（计划于2014年开始注入）（Trupp et al，2013）；一些试验性或展示工程已经开展或正在规划之中，如美国的Frio工程（Kharaka et al，2009），德国的Ketzin工程（Kempka et al，2010），澳大利亚的Otway工程（Underschul－tz et al，2011）等（表1－2）。

至今，国外很多科研机构针对深部咸含水层CO2地质封存，在CO2捕集、运输、封存、监测、政策及公众接受能力等方面，做了较为深入的研究。下面进行简要论述。

加拿大Alberta研究院在1993—1995年期间通过计算机模拟分析了CO2在咸水层中的流动、扩散及其与矿物的反应过程，明确了咸水层中CO2储存的机理（巫润建等，2009）。Krevor等（2012）通过室内实验测定了4种不同的砂岩在温度50℃和压力9MPa条件下的排干相对渗透率和残留气体饱和度。Lindeberg等（2003）应用ECLIPSE软件模拟Sleipner工程中Utsira地层里CO2的向上迁移，得到的结论为：超临界状态的CO2逐渐溶解在卤水中，增加了卤水的密度，密度的差异会导致对流的发生，从而加速CO2在卤水中的溶解。Pruess等（2007）利用TOUGH 2代码中的ECO2N模块模拟CO2在深部咸含水层中的迁移以及影响因素等问题。Ghanbari等（2006）利用STARTS模拟器研究CO2在咸含水层中的水动力捕获和溶解性捕获。Hassanzadeh等（2009）提出可以通过在注入CO2地层上方注入盐水的方法加快CO2溶解。他们的研究结果表明，在没有盐水注入时，200年时间里只有少量（8％）的注入CO2能够溶解在地下水中，而注入盐水之后50％以上的CO2能够溶解。盐水注入加速了CO2的溶解，因此增加了CO2的溶解性捕获，从而提高了封存的安全性。盐水注入能量消耗较小，技术上也是可行的。

表1－2 国内外CO2咸水层封存项目统计表

Zerai等（2006）利用GWB模拟砂岩地层中CO2－卤水－矿物之间的化学反应，研究CO2的矿物捕获问题。Lagneau等（2005）运用反应输运模型研究了Paris盆地Dogger碳酸盐岩含水层中的CO2封存，结果显示了碳酸盐岩含水层具有较高的溶解CO2的能力。Xu等（2004）运用地球化学模型研究了3种不同类型岩石矿物组成含水层中的CO2矿物捕获，结果表明，砂岩含水层中CO2可以通过片钠铝石、方解石、铁白云石、白云石、菱铁矿和菱镁矿等次生碳酸盐矿物的沉淀得到固定和捕获。CO2捕获矿物和岩石的矿物捕获能力与含水层岩石矿物组成密切相关。岩石骨架中次生碳酸盐矿物的聚集会导致孔隙度的降低，进而影响到地层渗透率及流体的流动。Wigand等（2008）在温度60℃和压力15MPa条件下，观察CO2－盐水－岩石之间的相互反应，结果显示了白云石、钾长石和钠长石的溶解及蒙脱石的形成。Comerlati等（2006）利用ECLIPSE对威尼斯湖下600～800m深的咸水地层开展CO2储存模拟，区域范围为50km×50km。Birkholzer等（Birkholzer J et al，2009；Birkholzer J T et al，2009）利用TOUGH 2模拟器进行盆地尺度的CO2注入模拟，主要考虑CO2注入后压力提升、卤水取代对浅层地下水资源，以及隔离层渗透性的影响。Nicot（2008）采用Modflow 96对美国得克萨斯州的Gulf Coast盆地开展大尺度的CO2注入模拟，得到的主要结论是：以每年0.5Mt的速度注入50年，平均水平面上升约1m。