5CO2地质埋存类型与机理课件

CO2地质埋存类型与机理CO2地质埋存类型与机理1CO2减排措施提高能源使用效率发展新能源与可再生能源捕获和埋存CO2--CCUS 海洋埋存 地质埋存CO2减排措施提高能源使用效率2CO2地质埋存地下地质岩层由颗粒(如石英)或矿石(如碳酸钙)组成。在颗粒或矿石之间孔隙性空间充有流体(如水、油、气)。开口的断层和洞穴也会充满流体。向浸透性岩层的孔隙性空间和断层注入的CO2，能够替代原有位置的流体，或者CO2可以溶解在流体中，或者与矿石颗粒发生反应，或可能出现这些过程中某些组合。CO2地质埋存地下地质岩层由颗粒(如石英)或矿石(如碳酸钙)3地质埋存地质埋存就是将CO2存放在地下地层的自然孔隙中自然界中CO2气藏的存在证实了CO2可以在地下长时间存储油气田开发中积累了CO2埋存的技术经验利用CO2-EOR和ECBM可以获得经济效益选址得当，可以在地下存储大量CO2地质埋存地质埋存就是将CO2存放在地下地层的自然孔隙中4地质埋存类型油藏气藏深部盐水层煤层地质埋存类型油藏5CO2地质埋存当CO2注入到一个气贮藏库时，会形成由天然气和CO2组成的单一流体相。当CO2注入深盐水层时，也许是一种流体相，或是一种超临界的密相。CO2注入到油贮藏库，也许是易混合的，也许是不易混合的，这取决于油的组成和系统的热力学状态。当CO2注入到煤层时，发生的过程有气体的吸附和解吸的问题，特别是对于先前在煤上吸附的甲烷，还有煤本身的膨胀或收缩问题。CO2地质埋存当CO2注入到一个气贮藏库时，会形成由天然气和6地质封存能力地质封存能力7CO2在油藏中的地质埋存衰竭油藏—无附加值提高石油采收率 非混相驱—压力较低的油藏，注入CO2使得原油膨胀和黏度降低来提高采收率 混相驱—地层压力大于最小混相压力，注入CO2与原油完全混合，提高采收率CO2在油藏中的地质埋存衰竭油藏—无附加值8CO2强化采油CO2强化采油9CO2在气藏中的地质埋存衰竭气藏埋存提高气体采收率&埋存 大约80%的天然气储量可以通过一次采气开采出来（天然气的高压缩性和低黏性） --处于研究阶段CO2在气藏中的地质埋存衰竭气藏埋存10CO2在气藏中的地质埋存CO2的密度和黏度比CH4大得多，CO2注入到天然气藏底部，会起到向上驱替的作用，进而提高产气量，同时封存CO2但CO2在气藏中还有弥散、扩散和对流作用，使CO2混合到天然气中，增加了天然气中CO2的含量，进而增加天然气分离的成本。CO2在气藏中的地质埋存CO2的密度和黏度比CH4大得多，C11EGR（EnhanceGasRecovery）纵向示意图技术原理剩余天然气恢复压力法，将CO2注入到即将枯竭的天然气藏恢复地层压力；地层条件下CO2处于超临界状态，密度和粘度远大于甲烷，CO2注入后向下运移到气藏底部，促使甲烷向顶部运移将其驱替出来；除了提高甲烷采收率还可以实现CO2封存，同时还可以避免坍塌和水侵现象。EGR（EnhanceGasRecovery）技术原12国外研究现状国外研究现状13中国主要的含油气盆地气田可以储存约304.83×108tCO2，相当于2002年全年CO2排放总量（36亿吨）的9.2倍；其中已探明天然气资源所对应的CO2储存容量为41.03×108t，相当于2002年全年CO2排放总量的1.2倍；由于我国天然气工业起步晚，产量较低。一段时间内我国还不会出现大规模气田的枯竭，因此天然气田近期不能用于大规模减排CO2。国内研究现状中国主要的含油气盆地气田可以储存约304.83×108tCO14技术问题CO2与天然气在气藏中的混合；超临界注入，垂直度。CO2注入时机；气藏开发中后期实施。CO2注入速率；CO2注入速率高虽然能提高采气量，但CO2突破也早，同时采出气中CO2含量也高；如果注入速度太低，对提高采收率几乎没有意义。相变和焦耳-汤姆逊冷却效应；CO2和甲烷形成水合物、残余水结冰及相应的注入能力下降，地层中低温条件下可能产生热应力变化，从而可能形成地层断裂。技术问题15CO2在深部盐水层中的地质埋存二氧化碳在超临界状态下注入含水层中，实现封存。临界点温度和压力分别是31.1℃和7.38MPa，二氧化碳以超临界流体形式存在。超临界二氧化碳密度类似于液体，但活动能力与气体相似，也就是说，在超临界状态下，二氧化碳能大量储存，而且能迅速运移扩散，充满整个储层空间。标准大气压条件下，二氧化碳是稳定气体，密度为1.872kg/m3。当二氧化碳是超临界流体，密度为150kg/m3到超过800kg/m3。二氧化碳的密度取决于地温系统。假设地表温度为15℃，地温梯度为30℃/km，二氧化碳的密度先随深度增加迅速升高，然后基本保持恒定。CO2在深部盐水层中的地质埋存二氧化碳在超临界状态下注入含水165CO2地质埋存类型与机理课件17CO2驱替煤层气技术（CO2-ECBM）是指将CO2注入深部不可开采煤层中封存起来，以减少温室气体排放，同时将储藏在煤层中的煤层气置换出来的过程.在注CO2驱替煤层气的过程中，煤层总压力基本保持不变，随注入的CO2分压不断增大，CH4的分压则不断降低；相应注入的CO2不断被煤层吸附，CH4相继被CO2置换并被驱赶、渗流到生产井开采井段周围，产出煤层气CO2驱替煤层气技术CO2驱替煤层气技术（CO2-ECBM）是指将CO2注入深部18CO2地质埋存机理 地质封存过程中注入的CO2是通过物理和化学捕集机制的共同作用被有效地储存于地质介质中的。地层封闭：空间信息、介质信息，现场调查法水力封闭：物理作用溶解封闭：物理化学作用矿物封闭：化学作用CO2地质埋存机理 地质封存过程中注入的CO2是通过物理和19埋存机理结构捕获残余捕获溶解捕获矿化捕获

CO2溶解度CO2残余饱和度相对渗透率曲线埋存机理CO2溶解度CO2残余饱和度相对渗透率曲线20结构捕获structuretrapping结构捕获是指二氧化碳以超临界状态聚集在封盖层下方；储层构造上方的页岩和粘质岩起到了阻挡CO2向上流动的物理俘获作用。这个不透水层叫“帽岩”。Bachu,2003结构捕获structuretrapping结构捕获是指二氧21结构捕获CO2注入后，结构捕获机理立即发生作用发生此类圈闭的地质构造包括背斜（地表下的大型褶皱）、断块（地表下被断层隔挡的倾斜和褶皱地层）和地层尖灭（倾斜油层或多孔地层被水平不渗透层覆盖）尽管CO2浮力较大，但不渗透层的隔挡作用使其无法进行横向和侧向的运移结构捕获CO2注入后，结构捕获机理立即发生作用22背斜由于背斜岩层向上拱起，且油、气的密度比水小，所以背斜常是良好的储油、气构造。背斜由于背斜岩层向上拱起，且油、气的密度比水小，所以背斜常是23断块地质运动造成断层形成断裂带，使得连续的地层成为一个个断块，如果在断面两边相对的地层一边是有渗透性的，另一边是不渗透岩层，也可以具有封闭和阻挡作用形成油藏，这叫做断块断块地质运动造成断层形成断裂带，使得连续的地层成为一个个断块24尖灭地层的尖灭指的是沉积层向着沉积盆地边缘，其厚度逐渐变薄直至没有沉积。尖灭地层的尖灭指的是沉积层向着沉积盆地边缘，其厚度逐渐变薄直25残余捕获redsidualtrapping残余捕获是指二氧化碳在毛细力和表面张力的作用下残留在岩石孔中。CO2通过岩石，且地下水又重新渗入孔隙空间时，CO2才被大量的束缚下来，残余捕获才真正起作用。残余捕获redsidualtrapping残余捕获是指二26残余捕获示意图残余捕获示意图27残余捕获在CO2移动通过岩层时，会有一些CO2因毛细作用力而滞留在孔隙性空间中，它可以使一定量的CO2固定不动。当捕获程度高并且CO2被注入到厚岩层的底部时，甚至在达到盖岩(岩层顶部)以前，所有的CO2都可以通过这种机理被捕获。“残留气体饱和值”是与岩层密切相关的，对于许多典型的存储岩层，残留气体饱和值可以高达15%～25%。随着时间的推移，所捕获的大部分CO2可以溶解在岩层水中。

残余捕获在CO2移动通过岩层时，会有一些CO2因毛细作用力而28溶解捕获(Solubilitytrapping)CO2在岩石孔隙中运移并与地层水或原油接触后就会溶解在其中CO2在地层流体中溶解量与溶解速度主要取决于地层水/原油的化学成分、CO2与未饱和地层流体的接触率CO2在地层水中溶解，一旦（在几百年乃至几千年内）发生这种情况，充满CO2的水就变得越来越稠密，因此沉落在储层构造中（而不再向地面浮升），减少CO2气体快速返回大气层的可能性。溶解捕获(Solubilitytrapping)CO2在岩29溶解捕获在开放式的流体系统中，按贮藏库规模的数值模拟表明，注入的CO2在几十年内会有很大一部分(可高达30％)溶解在岩层水中。如果注入的CO2在一个封闭的结构(如贮藏库)中，因为与非饱和的岩层水接触变少了，完全溶解CO2将需要更长的时间。一旦CO2溶解在岩层的流体中，CO2就会按区域水力梯度沿着区域地下水移动。对于低渗透性和高盐分的深层沉积性盆地，地下水流动速度是很低的，典型的只有每年数厘米的量级。因此，溶解CO2的移动速率比单相CO2的移动速率低得多。溶解捕获在开放式的流体系统中，按贮藏库规模的数值模拟表明，注30矿化捕获(Mineraltrapping)随着CO2与现场流体和岩石发生化学反应，就出现矿化俘获机理。溶解的CO2与岩石中的矿物质发生化学反应，形成离子类物质，经过数百万年，部分注入的CO2将转化为坚固的碳酸盐矿物质。CO2与地层中的矿石或有机物发生反应是最持久的解决办法：稳定的储存形式过程反应动力学尚不清楚矿化捕获(Mineraltrapping)随着CO2与现场31矿化捕获caprockreservoirCO2Brine(Ca2+,Mg2+)CO2+H2O=H2CO3(1)H2CO3=H++HCO3-(2)HCO3-=H++CO32-(3)Ca2++CO32-=CaCO3(4a)Mg2++CO32-=MgCO3(4b)矿化捕获caprockreservoirCO2CO2+32矿化捕获地下的CO2可能与岩石发生一系列的地球化学相互作用，从而进一步增加存储容量和效率。首先，CO2溶解在岩层水中，会出现溶解捕获的过程。其次，将形成离子形式，出现称为离子捕获的过程，随着pH值的提高，许多岩石会溶解。最后，有一些可能转化成稳态的碳酸盐矿物相，这一过程称为矿物捕获，是最持久的地质存储形式。矿物捕获是比较慢的，可能要上千年或者更长。尽管如此，矿物存储的持久性，连同在某些地质环境下可能出现大的存储容量，是长期存储所需要的特性。矿化捕获地下的CO2可能与岩石发生一系列的地球化学相互作用，33CO2注入与封闭机制CO2注入与封闭机制345CO2地质埋存类型与机理课件35各种埋存机理作用时间各种埋存机理作用时间36短期储量3-5年，储存以物理捕获量占绝大部分，另有残余气捕获和溶解捕获。中期储量10-20年，随着CO2的运移，残余气捕获量和溶解捕获量逐渐增大。远期储量>1000年，矿物捕获出现。短期储量37各种埋存机理的安全性随着时间尺度的延伸，CO2地质埋存的安全性越来越高(Adaptedfrom:

2005IPCCSpecialReportonCarbonDioxideCaptureandStorage）各种埋存机理的安全性随着时间尺度的延伸，CO2地质埋存的安全38各种埋存机理的安全性在合适的岩层、在没有明显泄漏途径、或没有开口的裂缝或断层情况下，注入的CO2可以埋存很长时间。而且由于多重捕获机理的共同作用，随着时间的推移，CO2的移动性将越来越小，泄漏的可能性将减小。只要合适的操作程序，在一个合适的、有良好特性的地质岩层中存储的CO2将能够存储数百万年。各种埋存机理的安全性在合适的岩层、在没有明显泄漏途径、或没有39埋存类型与机理之间的关系油气藏封存 衰竭油藏—结构捕获机理 EOR—结构捕获+溶解捕获盐水层封存煤层封存 吸附机理埋存类型与机理之间的关系油气藏封存40提问与解答环节QuestionsAndAnswers提问与解答环节41谢谢聆听·学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折LearningIsToAchieveACertainGoalAndWorkHard,IsAProcessToOvercomeVariousDifficultiesForAGoal谢谢聆听LearningIsToAchieveAC42CO2地质埋存类型与机理CO2地质埋存类型与机理43CO2减排措施提高能源使用效率发展新能源与可再生能源捕获和埋存CO2--CCUS 海洋埋存 地质埋存CO2减排措施提高能源使用效率44CO2地质埋存地下地质岩层由颗粒(如石英)或矿石(如碳酸钙)组成。在颗粒或矿石之间孔隙性空间充有流体(如水、油、气)。开口的断层和洞穴也会充满流体。向浸透性岩层的孔隙性空间和断层注入的CO2，能够替代原有位置的流体，或者CO2可以溶解在流体中，或者与矿石颗粒发生反应，或可能出现这些过程中某些组合。CO2地质埋存地下地质岩层由颗粒(如石英)或矿石(如碳酸钙)45地质埋存地质埋存就是将CO2存放在地下地层的自然孔隙中自然界中CO2气藏的存在证实了CO2可以在地下长时间存储油气田开发中积累了CO2埋存的技术经验利用CO2-EOR和ECBM可以获得经济效益选址得当，可以在地下存储大量CO2地质埋存地质埋存就是将CO2存放在地下地层的自然孔隙中46地质埋存类型油藏气藏深部盐水层煤层地质埋存类型油藏47CO2地质埋存当CO2注入到一个气贮藏库时，会形成由天然气和CO2组成的单一流体相。当CO2注入深盐水层时，也许是一种流体相，或是一种超临界的密相。CO2注入到油贮藏库，也许是易混合的，也许是不易混合的，这取决于油的组成和系统的热力学状态。当CO2注入到煤层时，发生的过程有气体的吸附和解吸的问题，特别是对于先前在煤上吸附的甲烷，还有煤本身的膨胀或收缩问题。CO2地质埋存当CO2注入到一个气贮藏库时，会形成由天然气和48地质封存能力地质封存能力49CO2在油藏中的地质埋存衰竭油藏—无附加值提高石油采收率 非混相驱—压力较低的油藏，注入CO2使得原油膨胀和黏度降低来提高采收率 混相驱—地层压力大于最小混相压力，注入CO2与原油完全混合，提高采收率CO2在油藏中的地质埋存衰竭油藏—无附加值50CO2强化采油CO2强化采油51CO2在气藏中的地质埋存衰竭气藏埋存提高气体采收率&埋存 大约80%的天然气储量可以通过一次采气开采出来（天然气的高压缩性和低黏性） --处于研究阶段CO2在气藏中的地质埋存衰竭气藏埋存52CO2在气藏中的地质埋存CO2的密度和黏度比CH4大得多，CO2注入到天然气藏底部，会起到向上驱替的作用，进而提高产气量，同时封存CO2但CO2在气藏中还有弥散、扩散和对流作用，使CO2混合到天然气中，增加了天然气中CO2的含量，进而增加天然气分离的成本。CO2在气藏中的地质埋存CO2的密度和黏度比CH4大得多，C53EGR（EnhanceGasRecovery）纵向示意图技术原理剩余天然气恢复压力法，将CO2注入到即将枯竭的天然气藏恢复地层压力；地层条件下CO2处于超临界状态，密度和粘度远大于甲烷，CO2注入后向下运移到气藏底部，促使甲烷向顶部运移将其驱替出来；除了提高甲烷采收率还可以实现CO2封存，同时还可以避免坍塌和水侵现象。EGR（EnhanceGasRecovery）技术原54国外研究现状国外研究现状55中国主要的含油气盆地气田可以储存约304.83×108tCO2，相当于2002年全年CO2排放总量（36亿吨）的9.2倍；其中已探明天然气资源所对应的CO2储存容量为41.03×108t，相当于2002年全年CO2排放总量的1.2倍；由于我国天然气工业起步晚，产量较低。一段时间内我国还不会出现大规模气田的枯竭，因此天然气田近期不能用于大规模减排CO2。国内研究现状中国主要的含油气盆地气田可以储存约304.83×108tCO56技术问题CO2与天然气在气藏中的混合；超临界注入，垂直度。CO2注入时机；气藏开发中后期实施。CO2注入速率；CO2注入速率高虽然能提高采气量，但CO2突破也早，同时采出气中CO2含量也高；如果注入速度太低，对提高采收率几乎没有意义。相变和焦耳-汤姆逊冷却效应；CO2和甲烷形成水合物、残余水结冰及相应的注入能力下降，地层中低温条件下可能产生热应力变化，从而可能形成地层断裂。技术问题57CO2在深部盐水层中的地质埋存二氧化碳在超临界状态下注入含水层中，实现封存。临界点温度和压力分别是31.1℃和7.38MPa，二氧化碳以超临界流体形式存在。超临界二氧化碳密度类似于液体，但活动能力与气体相似，也就是说，在超临界状态下，二氧化碳能大量储存，而且能迅速运移扩散，充满整个储层空间。标准大气压条件下，二氧化碳是稳定气体，密度为1.872kg/m3。当二氧化碳是超临界流体，密度为150kg/m3到超过800kg/m3。二氧化碳的密度取决于地温系统。假设地表温度为15℃，地温梯度为30℃/km，二氧化碳的密度先随深度增加迅速升高，然后基本保持恒定。CO2在深部盐水层中的地质埋存二氧化碳在超临界状态下注入含水585CO2地质埋存类型与机理课件59CO2驱替煤层气技术（CO2-ECBM）是指将CO2注入深部不可开采煤层中封存起来，以减少温室气体排放，同时将储藏在煤层中的煤层气置换出来的过程.在注CO2驱替煤层气的过程中，煤层总压力基本保持不变，随注入的CO2分压不断增大，CH4的分压则不断降低；相应注入的CO2不断被煤层吸附，CH4相继被CO2置换并被驱赶、渗流到生产井开采井段周围，产出煤层气CO2驱替煤层气技术CO2驱替煤层气技术（CO2-ECBM）是指将CO2注入深部60CO2地质埋存机理 地质封存过程中注入的CO2是通过物理和化学捕集机制的共同作用被有效地储存于地质介质中的。地层封闭：空间信息、介质信息，现场调查法水力封闭：物理作用溶解封闭：物理化学作用矿物封闭：化学作用CO2地质埋存机理 地质封存过程中注入的CO2是通过物理和61埋存机理结构捕获残余捕获溶解捕获矿化捕获

CO2溶解度CO2残余饱和度相对渗透率曲线埋存机理CO2溶解度CO2残余饱和度相对渗透率曲线62结构捕获structuretrapping结构捕获是指二氧化碳以超临界状态聚集在封盖层下方；储层构造上方的页岩和粘质岩起到了阻挡CO2向上流动的物理俘获作用。这个不透水层叫“帽岩”。Bachu,2003结构捕获structuretrapping结构捕获是指二氧63结构捕获CO2注入后，结构捕获机理立即发生作用发生此类圈闭的地质构造包括背斜（地表下的大型褶皱）、断块（地表下被断层隔挡的倾斜和褶皱地层）和地层尖灭（倾斜油层或多孔地层被水平不渗透层覆盖）尽管CO2浮力较大，但不渗透层的隔挡作用使其无法进行横向和侧向的运移结构捕获CO2注入后，结构捕获机理立即发生作用64背斜由于背斜岩层向上拱起，且油、气的密度比水小，所以背斜常是良好的储油、气构造。背斜由于背斜岩层向上拱起，且油、气的密度比水小，所以背斜常是65断块地质运动造成断层形成断裂带，使得连续的地层成为一个个断块，如果在断面两边相对的地层一边是有渗透性的，另一边是不渗透岩层，也可以具有封闭和阻挡作用形成油藏，这叫做断块断块地质运动造成断层形成断裂带，使得连续的地层成为一个个断块66尖灭地层的尖灭指的是沉积层向着沉积盆地边缘，其厚度逐渐变薄直至没有沉积。尖灭地层的尖灭指的是沉积层向着沉积盆地边缘，其厚度逐渐变薄直67残余捕获redsidualtrapping残余捕获是指二氧化碳在毛细力和表面张力的作用下残留在岩石孔中。CO2通过岩石，且地下水又重新渗入孔隙空间时，CO2才被大量的束缚下来，残余捕获才真正起作用。残余捕获redsidualtrapping残余捕获是指二68残余捕获示意图残余捕获示意图69残余捕获在CO2移动通过岩层时，会有一些CO2因毛细作用力而滞留在孔隙性空间中，它可以使一定量的CO2固定不动。当捕获程度高并且CO2被注入到厚岩层的底部时，甚至在达到盖岩(岩层顶部)以前，所有的CO2都可以通过这种机理被捕获。“残留气体饱和值”是与岩层密切相关的，对于许多典型的存储岩层，残留气体饱和值可以高达15%～25%。随着时间的推移，所捕获的大部分CO2可以溶解在岩层水中。

残余捕获在CO2移动通过岩层时，会有一些CO2因毛细作用力而70溶解捕获(Solubilitytrapping)CO2在岩石孔隙中运移并与地层水或原油接触后就会溶解在其中CO2在地层流体中溶解量与溶解速度主要取决于地层水/原油的化学成分、CO2与未饱和地层流体的接触率CO2在地层水中溶解，一旦（在几百年乃至几千年内）发生这种情况，充满CO2的水就变得越来越稠密，因此沉落在储层构造中（而不再向地面浮升），减少CO2气体快速返回大气层的可能性。溶解捕获(Solubilitytrapping)CO2在岩71溶解捕获在开放式的流体系统中，按贮藏库规模的数值模拟表明，注入的CO2在几十年内会有很大一部分(可高达30％)溶解在岩层水中。如果注入的CO2在一个封闭的结构(如贮藏库)中，因为与非饱和的岩层水接触变少了，完全溶解CO2将需要更长的时间。一旦CO2溶解在岩层的流体中，CO2就会按区域水力梯度沿着区域地下水移动。对于低渗透性和高盐分的深层沉积性盆地，地下水流动速度是很低的，典型的只有每年数厘米的量级。因此，溶解CO2的移动速率比单相CO2的移动速率低得多。溶解捕获在开放式的流体系统中，按贮藏库规模的数值模拟表明，注72矿化捕获(Mineraltrapping)随着CO2与现场流体和岩石发生化学反应，就出现矿化俘获机理。溶解的CO2与岩石中的矿物质发生化学反应，形成离子类物质，经过数百万年，部分注入的CO2将转化为坚固的碳酸盐矿物质。CO2与地层中的矿石或有机物发生反应是最持久的解决办法：稳定的储存形式过程反应动力学尚不清楚矿化捕获(Mineraltrapping)随着CO2与现场73矿化捕获caprockreservoirCO2Brine(Ca2+,Mg2+)CO2+H2O=H2CO3(1)H2CO3=H++HCO3-(2)HCO3-=H++CO32-(3)Ca2++CO32-=CaCO3(4a)Mg2++CO32-=MgCO3(4b)矿化捕获caprockreservoirCO2CO2+