楊章賢,汪定圣,董迎春
(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,安徽合肥230001)
二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)(Carbon Dioxide Geologi?cal Storage,CGS),是將從能源活動(dòng)及工業(yè)生產(chǎn)集中排放源中(如發(fā)電廠、鋼鐵廠等)分離得到的二氧化碳進(jìn)行一定的工藝處理后注入到地下深處具有封閉條件的地層中儲(chǔ)存起來。該技術(shù)的目的就是把二氧化碳儲(chǔ)存與地下深部構(gòu)造之中,具有儲(chǔ)存容量大、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、可利用成熟技術(shù)等特點(diǎn),是二氧化碳捕集與封存技術(shù)中最重要的技術(shù)之一。安徽省分布有31個(gè)中新生代陸相沉積盆地、7個(gè)煤田、2個(gè)油氣田,是儲(chǔ)存二氧化碳良好的地下空間,針對(duì)沉積盆地、不可采煤層、枯竭油氣田評(píng)價(jià)安徽省二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力,可為安徽省發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、實(shí)施節(jié)能減排提供地質(zhì)依據(jù),開辟了新的減排途徑。
二氧化碳的地質(zhì)儲(chǔ)存需要有一個(gè)儲(chǔ)存空間大、地質(zhì)構(gòu)造封閉、穩(wěn)定安全的地質(zhì)條件,以達(dá)到有效儲(chǔ)存及儲(chǔ)存的安全保證,因此該技術(shù)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造及區(qū)域地殼穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求。
二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存過程中常需要在超臨界壓力下將其注入,要求其流動(dòng)性好、密度大。根據(jù)二氧化碳物理性質(zhì)研究顯示,超臨界二氧化碳的臨界點(diǎn)為31.1℃,7.38MPa。一般而言,需要在地表800m以下才能達(dá)到上述溫度及壓力,考慮安全因素,二氧化碳儲(chǔ)層的深度需在地表以下1000m處,以保證注入的二氧化碳完全呈現(xiàn)超臨界狀態(tài)的高密度流體。
二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存要求儲(chǔ)層巖石要有較高的孔隙度及有效的滲透率,具備流體儲(chǔ)存和流通空間,方便二氧化碳注入過程中在儲(chǔ)層中的運(yùn)移。儲(chǔ)層巖石中都會(huì)發(fā)育有孔隙、裂隙、溶洞以及其它縫隙等,這些縫隙構(gòu)成的深部空間都可以有效進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存,且相互連通的空隙通道,使二氧化碳流體能夠在儲(chǔ)層當(dāng)中進(jìn)行運(yùn)移,充滿整個(gè)地質(zhì)儲(chǔ)層,從而達(dá)到最大的二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存量。
二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存地質(zhì)體必須是一個(gè)圈閉的地質(zhì)構(gòu)造,圈閉條件的構(gòu)成可以是地層向山彎曲成背斜圈閉,也可以是儲(chǔ)層沿上傾方向與非滲透層以斷層相接的斷層圈閉,還可以是儲(chǔ)層沿上傾方向被非滲透層不整合覆蓋的地層圈閉。二氧化碳由于超臨界狀態(tài)時(shí)密度比水小,注入到地質(zhì)儲(chǔ)層后會(huì)沿著縫隙向上滲透,因此,二氧化碳儲(chǔ)層上部必須存在嚴(yán)密的蓋層,防止其泄露或者發(fā)生次生環(huán)境事件。
綜合上述二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的深度、空間、構(gòu)造條件,適合二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的圈閉空間有深部咸水含水層、不可采的煤層、枯竭的油氣田等。
(1)僅估算理論儲(chǔ)存量,以單個(gè)盆地、油氣田、煤田為估算單元,儲(chǔ)、蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型僅為粗略概化。
(2)對(duì)深部咸水含水層的理論儲(chǔ)存量估算,主要為10個(gè)安徽省中新生代陸相沉積盆地深度800~3500m范圍內(nèi)的儲(chǔ)層。
(3)將油氣田作為單獨(dú)的估算單元,主要為合肥油田和天長(zhǎng)油田,并假設(shè)均已開采枯竭。
(4)將煤田作為單獨(dú)的估算單元,主要為淮北煤田和淮南煤田,估算深度為1200~2000km。
(5)儲(chǔ)層的估算參數(shù)均取儲(chǔ)層范圍所得數(shù)據(jù)的平均值。
(1)深部咸水層理論儲(chǔ)存量估算方法。CO2深部咸水層儲(chǔ)存最終將溶解到深部咸水層中的地層水中,其理論儲(chǔ)存量可視為原始地層水達(dá)到CO2飽和時(shí)所能溶解的CO2量,可用下式計(jì)算:
式中:MCO2td——CO2在深部咸水層中溶解儲(chǔ)存的理論計(jì)算量,106t;
A——深部咸水層的面積,km2;
H——深部咸水層的平均厚度,m;
?——深部咸水層巖石的平均孔隙度,%;
ρs——地層水被CO2飽和時(shí)的平均密度,kg/m3;
ρi——初始的地層水的平均密度,kg/m3;
——地層水被CO2飽和時(shí)的CO2占地層水中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;
——原始CO2占地層水中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;
——CO2在地層水溶解度,mol/kg;
——CO2的摩爾質(zhì)量,0.044kg/mol。
(2)油田理論儲(chǔ)存量估算方法。我省目前尚未有枯竭的油氣田,所以首先作如下基本假設(shè):即所有油氣田在充分開發(fā)后成為枯竭的油氣田再用于儲(chǔ)存CO2,而不考慮現(xiàn)有階段油氣田的開發(fā)程度。因此應(yīng)用已枯竭油氣藏儲(chǔ)存量估算方法。該方法基本的假設(shè)條件為CO2注入到衰竭油藏中直到儲(chǔ)層壓力恢復(fù)到原始儲(chǔ)層壓力,即油氣的采出所讓出的空間都用于CO2的儲(chǔ)存,可用下式計(jì)算:
式中:MCO2to——CO2在油藏中理論儲(chǔ)存量,106t;
ρCO2r——CO2在油藏條件下的密度,kg/m3;
N——原油的儲(chǔ)量,109m3;
ER——原油的采收率,%;
Bo——原油的體積系數(shù),m3/m3;
A——油藏面積,km2;
h——油藏的厚度,m;
?——油藏孔隙度,%;
Sw——油藏束縛水飽和度,%。
上述兩公式分別適用于不同的數(shù)據(jù)獲取情況。前者適用于已經(jīng)獲得油藏原油儲(chǔ)量數(shù)據(jù)情況;后者適用于未知油藏原油儲(chǔ)量,但可以通過油藏面積、厚度、孔隙度和束縛水飽和度等參數(shù)計(jì)算油藏原油儲(chǔ)量。
(3)煤田理論儲(chǔ)存量估算方法。煤田理論儲(chǔ)存量估算可被認(rèn)為是氣體已被煤層吸附的情況下,煤層中的理論儲(chǔ)存量。用下式計(jì)算:
式中:MCO2tc——CO2在不能開采的煤層中的理論儲(chǔ)存量,106t;
ρCO2s——CO2在標(biāo)準(zhǔn)條件的密度,t/m3,通常為1.977kg/m3;
IGIP——煤層中原始?xì)怏w(甲烷氣體)地質(zhì)儲(chǔ)量,106m3。
(4)安徽省二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力匯總。安徽省二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力總和:
式中:Mco2(總)——安徽省二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存理論儲(chǔ)存總量,108t;
Mco2td(總)——安徽省二氧化碳深部咸水層理論儲(chǔ)存總量,108t;
Mco2to(總)——安徽省二氧化碳油田理論儲(chǔ)存總量,108t;
Mco2tc(總)——安徽省二氧化碳煤田理論儲(chǔ)存總量,108t。
(1)估算對(duì)參數(shù)的空間變異性不做要求,以單個(gè)盆地儲(chǔ)層參數(shù)的平均值作為整個(gè)盆地的參數(shù)值開展計(jì)算,不做細(xì)化處理。
(2)結(jié)合儲(chǔ)層的平均壓力和溫度,利用二氧化碳密度與壓力、溫度的函數(shù)關(guān)系來確定盆地儲(chǔ)層的二氧化碳密度。
(3)根據(jù)儲(chǔ)層深度的壓力、溫度以及鹽度的平均值,然后通過查表法、Duan和Sun模型計(jì)算溶解度。
(4)深部咸水層的空間體積通過儲(chǔ)層在盆地內(nèi)分布面積和厚度估算求得。儲(chǔ)層在盆地內(nèi)的分布面積,首先分析可作為儲(chǔ)層的沉積地層分布范圍,作為儲(chǔ)層的基本分布面積,對(duì)儲(chǔ)層的面積延展不祥的構(gòu)造單元,取儲(chǔ)存單元總面積的1%;儲(chǔ)層厚度通過分析盆地的地層巖性及其他相關(guān)資料估算地層中可作為儲(chǔ)層的厚度,或取沉積深度平均值的10%計(jì)。
(5)孔隙度根據(jù)所搜集到的估算單元范圍內(nèi)的平均孔隙度代替。
(6)油氣和煤層氣的地質(zhì)儲(chǔ)量是反映油氣田和煤田中可用于CO2儲(chǔ)層空間大小的理論量,主要通過搜集油氣和煤炭部門的資料直接獲得,參考《安徽省油氣資源評(píng)價(jià)》、《安徽省煤炭資源圖集》、《安徽省石油地質(zhì)基本特征及含油氣遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)的初步探討》及《兩淮煤田煤層氣抽采利用初步評(píng)價(jià)報(bào)告》。
(7)油氣采收率主要是選擇通過區(qū)域的采收率平均值作為近似值使用,參考《新一輪全國(guó)油氣資源評(píng)價(jià)系列叢書》之《全國(guó)石油天然氣資源評(píng)價(jià)》、《全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)》。
綜合各盆地深部咸水含水層的分布面積、厚度,儲(chǔ)存平均孔隙度,初始地層水的平均密度,二氧化碳在地層水溶解度及二氧化碳的摩爾質(zhì)量等參數(shù)的取值,進(jìn)行了我省盆地咸水含水層二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力估算。可以得到各盆地深部咸水層中二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力,計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果見表1,并繪制各盆地咸水層二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力柱狀圖,結(jié)果見圖1。從圖1和表1中可以看出,安徽省深部咸水層二氧化碳總地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為886.86×108t。其中合肥盆地儲(chǔ)存潛力最大,占全省深部咸水層總儲(chǔ)存量的33.19%;其次為阜陽盆地,占深部咸水層總儲(chǔ)存量26.83%。
表1 安徽省盆地咸水含水層二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力估算一覽表
不可采煤層儲(chǔ)存二氧化碳的過程,可以簡(jiǎn)化為煤層氣開采的逆過程,其核心機(jī)制是二氧化碳吸附及驅(qū)替煤層氣的動(dòng)力學(xué)過程。因此,不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存機(jī)理實(shí)質(zhì)上主要是關(guān)于二氧化碳在煤層孔隙結(jié)構(gòu)中吸附-解吸的作用機(jī)理。
據(jù)安徽省煤炭資源圖集,安徽省有煤田7個(gè),包括淮北煤田、淮南煤田、巢湖煤田、安慶煤田、貴池煤田、蕪銅煤田、宣涇煤田,其中兩淮煤田煤炭資源約占全省的97.7%,且分布較集中、資料較豐富,其他煤田分布面積小,規(guī)模有限,且資料有限,故本文確定淮北煤田和淮南煤田作為二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存評(píng)價(jià)估算煤田。
安徽省兩淮煤田煤炭資源量大,煤層氣儲(chǔ)量豐富,是儲(chǔ)存二氧化碳理想場(chǎng)所,目前,我省煤炭開采深度已超過1000m(望峰崗煤礦),所以本次估算認(rèn)為兩淮地區(qū)深度為1200~2000m的煤層為我省不可采煤層,即采用1200~2000m煤層中煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量進(jìn)行我省不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力估算。通過計(jì)算,得出安徽省不可采煤層二氧化碳總地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為6.60×108t,其中淮北煤田不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為2.36×108t,淮南煤田不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為4.23×108t(表2)。
表2 安徽省不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力估算一覽表
油藏經(jīng)過一定時(shí)間的開發(fā),在當(dāng)時(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下的限制,有部分原油不能采出,導(dǎo)致油藏失去了開采價(jià)值而被廢棄,因此,可以利用該油藏儲(chǔ)存二氧化碳。鑒于已有資料情況,本文針對(duì)我省有資源量預(yù)測(cè)的較大的合肥油田和天長(zhǎng)油田進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力估算。通過計(jì)算,得出安徽省油田二氧化碳總地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為5.62×108t,其中合肥油田二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為3.85×108t,天長(zhǎng)煤田二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為1.77×108t(表3)。
表3 安徽省油田二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力估算一覽表
通過上述計(jì)算,安徽省二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為899.08×108t。其中深部咸水含水層二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為886.86×108t,占全省二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力的98.64%;不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為6.60×108t,占全省二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力的0.73%;油田二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力為5.62×108t,占全省二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力的0.63%(圖2)。
安徽省二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力巨大,可儲(chǔ)存二氧化碳899.08×108t。從儲(chǔ)存介質(zhì)來看,以深部咸水含水層儲(chǔ)存潛力最大,主要有合肥盆地、阜陽盆地、沿江盆地和宣廣盆地。在今后二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存工程上的研究與探索過程中,可選擇我省勘探及研究程度較高的可行盆地進(jìn)一步深入研究,以盆地一級(jí)構(gòu)造單元為研究對(duì)象,圈定一批二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存目標(biāo)靶區(qū),盡早開展我省二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存試點(diǎn)、示范工作。另外,還需加強(qiáng)與煤炭、石油等部門的合作,通過人工地質(zhì)碳匯模式將二氧化碳進(jìn)行地質(zhì)儲(chǔ)存,必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益,為我省碳減排工作做出重要貢獻(xiàn)。