基于U型盐穴储气库的新型CCUS方法.pdf

收稿日期：2023-08-31基金项目：中国石油化工股份有限公司储气库分公司科技项目“金坛储气库氮气阻溶造腔工艺配套技术研究”;中国石油天然气集团有限公司科技项目“盐穴储库复杂介质地震响应规律及表征方法”（2023DJ8307）作者简介：王建夫（1989），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为盐穴储气库造腔工艺技术。联系方式：18531721971基于U型盐穴储气库的新型CCUS方法王建夫1，王斌2，王玮1，丁双龙2，金作良3，李剑光3，张格2（1.中国石油天然气股份有限公司 盐穴储气库技术研究中心，江苏 镇江212000；2.中国石油化工股份有限公司 储气库分公司，江苏 常州213200；3.中国石油天然气股份有限公司 储气库分公司，北京100029）摘要：我国江苏、广东等东部地区碳排放量高、碳减排压力大，且缺少适用于大型碳减排的油气藏地质构造，但存在丰富的盐矿资源，以及多年采盐形成大量盐穴老腔。在双碳目标严峻形势下，如何将这些盐腔利用起来实现碳减排具有重要的研究意义。文章基于U 型盐穴储气库的特点提出了一种新型CCUS方法，并进行了碳封存量和垫底气替代量计算。结果表明，1对井组可封存二氧化碳8.2万t，天然气垫底气可降低3 766104m3，具有较好的经济效益和社会效益。关键词：盐穴储气库；U型盐穴；CCUS；碳封存；垫底气中图分类号：TE972文献标识码：A文章编号：2096-3408（2024）04-0014-05New CCUS Method based on U-shaped SaltCavern Gas StorageWANG Jianfu1，WANG Bin2，WANG Wei1，DING Shuanglong2，JIN Zuoliang3，LI Jianguang3，ZHANG Ge2（1.PetroChina Research Center of Salt-Cavern UGS Technology，Zhenjiang212000，China；2.Sinopec Gas Storage Company，Changzhou 213200，China；3.PetroChina Gas Storage Company，Beijing 100029，China）Abstract：Jiangsu，Guangdong and other eastern provinces of China have high carbon emissions，high pressure on carbon emission reduction，and lack of geological structure of oil and gasreservoirs suitable for large carbon emission reduction.However，there are abundant salt resources，and a large number of salt caverns have been formed after years of salt mining.Under thesevere situation of the double carbon target，how to use these salt cavities to achieve carbon emission reduction has important research significance.This article proposes a new CCUS methodbased on the characteristics of U-shaped salt cavern gas storage，and calculates the carbon storagecapacity and economy.The results showed that a pair of well groups can store 82 000 tons of carbondioxide，and reduce natural gas cushion 3 766104m3.Key words：Salt cavern gas storage；U-shaped salt cavern；CCUS；Carbon seal stock；Cushion gas近年来，人类对化石燃料的大量使用导致大气中二氧化碳含量已超过365 mg/L，造成气候变暖和天气变化，2021年中国碳排放总量超过119亿t，占全球总量的 23%，位居第一，寻找降低二氧化碳排盐科学与化工Journal of Salt Science and Chemical Industry第53卷第4期2024年4月14放的方法显得尤为必要1-2。二氧化碳捕集、利用与封 存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）是指将二氧化碳从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现二氧化碳永久减排的过程3。CCUS技术是目前唯一能够实现化石能源大规模直接减排和低碳利用的技术，对实现“双碳”目标至关重要4。我国岩盐开采历史悠久，在地下形成了大量的溶腔空间。2021年中国工程院钱七虎院士团队的测算结果显示，我国盐穴地下空间约1.3亿m3 5，尤其是碳减排压力较大的中东部地区存在大量盐穴老腔，具备巨大碳封存潜力。然而单纯的碳封存（CCS）项目成本较大，尚不具备经济性6。因此，文章结合U型盐穴老腔储气的特点，提出一种新型CCUS方法，以期实现盐穴空间的大规模经济高效碳封存，为缓解中国中东部地区碳减排压力提供一种有效手段。1利用盐穴空间碳封存条件1.1全国碳排放情况中国是全球碳排放第一位国家，碳排放量呈现逐年上升趋势（见图1）。从2000年的3.00 Gt（1 Gt=109t）增至2013年的9.53 Gt，然后在2013年达到峰值后下降，但下降趋势是暂时的7-8。从20142019年，中国排放量总体呈上升趋势，2019 年达到9.80 Gt。2020年中国的排放量同比增加了1.4%，达到了 9.93 Gt。2021 年中国的排放量同比增加了5.97%，达到了10.523 Gt9-11。从空间分布的角度来看，各省的 CO2排放量、排放强度和人均排放量显示出相当大的区域异质性12。碳排放总量河北、山东、江苏、内蒙古、广东排名前五，排放总量全部超过 5 亿 t，产业结构偏重、能源结构偏煤，为域外提供大量高载能产品13。全国碳排放强度为 1 152 kg/万元，宁夏、内蒙古、山西、新疆、河北排名居前五。河北、内蒙古、山东等总量、强度双高的省份，控碳工作压力大；江苏、广东、浙江等总量高、强度低的省份，由于排放体量大，控碳工作同样面临挑战14。碳减排压力较大的省份中，山东、河北等地均可以采用油气藏注二氧化碳驱油的CCUS技术实现碳减排。然而，江苏、广东、浙江等地却缺少可用于CCUS（二氧化碳封存利用）的大型油气藏构造，需寻找其他CCUS项目。1.2对接井盐化老腔特点自 20世纪 90年代后，水溶法盐岩开采逐渐由原单井对流工艺转为水平定向对接井组连通注采法，水平对接井组开采法是通过钻一口水平井连通直井，双井交替注水采卤。该方法是直接进行快速采卤的一种开采技术，可以在盐岩层底部建立有效的水溶通道，快速得到接近饱和浓度的卤水，采盐效率较高15。通过双井交替注水，形成的对接井老腔形态一般呈现U型，两侧为圆柱形腔体，体积较大，通过底部细长的水平通道连接（见图2）。目前国内盐矿存在大量该类老腔，初步估算总地下空间达2.5108m3，是一种宝贵的地下空间资源，可用于石油、天然气等能源大规模存储。国内江苏金坛、江苏淮安、安徽定远、山东泰安、广东三水、湖北云梦、云南安宁等地有500 口以上老腔 16。以平顶山盐田现有的盐穴老腔为例，根据盐矿采卤量计算，十几个溶腔的总体积约为6.87106m3。根据统计，盐腔高度为80130 m，半径在4070 m之间，腔体的形态大多以不规则的半椭球形为主，为避免相邻溶腔围岩压力的相互干扰，保留了一定宽度的安全矿柱，总体来看，所有老腔基本符合碳封存要求 17-18。这些盐穴老腔为解决中东部大规模二氧化碳封存利用提供了一种可能，应用后可减轻当地的图1中国逐年CO2排放总量Fig.1Annual total CO2emission in ChinaCO2排放量/106t12 00010 0008 0006 0004 0002 00002000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021年份图2水平对接井U型老腔形态Fig.2U-shaped cavity shape of horizontal docking well淡水卤水盐层不溶物王建夫，等：基于U型盐穴储气库的新型CCUS方法15盐科学与化工第53卷第4期2024年4月双碳目标的压力，研究如何基于U型盐穴老腔的碳封存利用（CCUS）技术具有重要的意义。2新型CCUS技术盐穴老腔的利用方式一般是储存天然气，但需要大量的垫底气来维持腔体内压和稳定性，垫底气长期被占用造成资源浪费和垫底气资金滞留。因此，提出一种基于U型盐穴储气库的新型CCUS方法，既可以实现CO2大规模封存，又可以降低天然气储库垫底气用量。2.1技术思路具体思路是将U型腔的一侧储存CO2气体，另一侧储存天然气，两侧气体由U型腔底部通道内的卤水隔离分开。注采运行时，仅在 U 型腔的一侧进行注采天然气操作，将另一侧CO2气体压缩膨胀作为垫底气（见图 3），实现降低天然气垫底气量和封存 CO2的双重目的。该方法又分一注一排和两注一排两种方式。如图3所示，一注一排利用步骤为：（a）右侧井注二氧化碳，左侧井排卤；（b）关闭右侧井，左侧井注入天然气；（c）左侧井采天然气。如图4所示，两注一排利用步骤为：（a）关闭左侧井，右侧井注CO2，中间井排卤；（b）关闭右侧井，打开左侧井注天然气，中间井排卤；（c）关闭中间井，左侧井采天然气。卤水CO2盖层盐岩泥岩二氧化碳二氧化碳卤水下腹层CH4关井盖层盐岩泥岩卤水二氧化碳二氧化碳天然气下腹层CH4天然气关井盖层盐岩二氧化碳二氧化碳泥岩下腹层卤水（a）注二氧化碳排卤（b）注天然气（c）采天然气图3一注一排的利用方式Fig.3The utilization method of one bet per row两种方法优缺点见表 1。两注一排可通过中间排卤井，在注天然气步骤时多排卤水，能够最大化利用 U 型腔空间。经计算，最终可利用体积为31.6104m3，但需要多打一口排卤井，成本略高。一注一排利用U型腔空间较小，仅为10.2104m3，为两注一排的1/3，腔体空间利用不充分。考虑到以腔体空间利用最大化为目标，推荐采用两注一排的新型CCUS技术。卤水CO2关井卤水二氧化碳二氧化碳盖层盐岩泥岩下腹层（a）注二氧化碳排卤卤水天然气卤水关井CH4二氧化碳二氧化碳盖层盐岩泥岩下腹层（b）注天然气排卤关井关井CH4天然气二氧化碳二氧化碳卤水盐岩盖层泥岩下腹层（c）采天然气图4两注一排的利用方式Fig.4The utilization method of two bets per row表1两种新型CCUS方法优缺点比较Tab.1Comparison of advantages and disadvantages of two kinds of new CCUS method利用方式两注一排一注一排排卤体积/104m331.610.2腔体利用率/%59.619.2优点空间利用率更大，储气更多少打一口井，成本低缺点多一口井，成本略高腔体利用不充分推荐16王建夫，等：基于U型盐穴储气库的新型CCUS方法2.2应用案例文章以国内某一盐穴储气库为例进行碳埋存量计算。该盐矿采用对接连通井采盐，对井距离为300 m，盐矿深度约2 000 m，采卤后形成U型对接连通老腔，拟改建盐穴储气库，气库运行压力为11.528 MPa，腔体温度为 65。根据声呐实测U 型腔体两侧顶部为空腔，底部被沉掩埋，预测腔体形状见图5。U型腔体各部分尺寸及体积根据声呐测腔结果、井眼轨迹和采盐数据计算，结果见表2。采用气体状态方程计算垫底气量，结果见表3。由表3可以看出新方案采用CO2作垫底气，可减少天然气垫底气量 3 766104m3，同时可封存CO28.2104t。由于新方案储天然气空间减小，导致盐穴的天然气工作气量也相应减少1 942104m3，但降低幅度小于天然气垫底气量。由于新方案CO2垫底气替代作用，天然气垫底气成本由原来的1.62元/m3工作气降为0.52元/m3工作气，降幅为68%。该方法既实现了碳封存，又降低了天然气垫底气用量，对于推动江苏地区碳减排和盐穴储气库建设具有一定的意义。3发展前景3.1CCUS是国家绿色低碳发展战略需求根据国务院2021年印发的 关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见，绿色低碳循环发展是我国经济转型升级的重要方向，从我国国情来看，绿色低碳循环发展已成为社会主义新时代落实可持续发展的主要路径，而减碳减排是加快发展绿色低碳循环模式的一项重要待解决任务。二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）是缓解二氧化碳问题的有效手段之一，被认为是显著减少温室气体排放和减缓全球变暖的最经济可行的方法18-20。生态环境部环境规划院发布 中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）指出，到 2050 年化石能源仍占中国能源消费比例的10%15%。截 至 2050 年 和 2060 年，需 要 通 过CCUS 技术实现的 CO2减排量分别为 614 亿 t 和1018亿t。目前碳市场覆盖行业和企业范围较少，有电力、钢铁、水泥等20余个行业近3 000家重点排放单位，未来将进一步扩大到石油、化工等其他工业领域。同时碳减排、绿电等还未纳入碳市场中，但国家能源局正在研究将户用光伏纳入碳排放权交易市场。随着碳交易市场的发展扩大，一旦将碳封存量纳入系统中交易，CCUS依靠巨大的二氧化碳封存能力，将产生巨大的经济效益。3.2CCUS配套技术进步、成本降低将有助于推广应用我国CCUS技术与国际先进水平整体相当，但捕集、运输、封存环节的个别关键技术及商业化集成水平有所滞后。现阶段，我国第一代捕集技术研究取得了显著进展，部分技术已经具备商业化应用能力，但大规模系统集成优化缺乏工程经验。第二代捕集技术处于实验室研发阶段，随着第二代低成本捕集技术的不断发展成熟，成本与能耗将明显低于第一代捕集技术。我国的CO2输送技术中罐车和船舶运输技术都已开展商业应用，与国际先进水平同步，而输送潜力最大的管道运输技术刚开展相关CH4天然气二氧化碳二氧化碳盖层CO2A盐岩BC底板卤水泥岩图5张兴储气库U型腔形态预测图Fig.5Prediction diagram of U-shaped cavity shape in Zhangxing gasstorage facility表2U型腔储气腔体各部分体积Tab.2Volume of each part of the U-shaped air storage chamber腔体构成ABCDE形态椭球体近圆柱体水平圆柱近圆柱形圆柱形半径/m4040204040高度/m83703007058总体积/104m39.2309.4308.8利用空间/104m39.2155158.8方案名称原方案新方案储天然气空间/104m343.622运行压力/MPa11.52811.528垫底天然气量/104m34 8871 121垫底气成本/万元10 7532 466工作天然气量/104m36 6344 692最大库容/104m311 5215 813CO2封存量/万t-8.2表3垫底气替代方案对比结果Tab.3Comparison results of alternative air cushion gas17盐科学与化工第53卷第4期2024年4月示范，相比处于商业应用阶段的国际水平差距显著 21-22。随着技术的进一步发展，未来我国CCUS技术成本仍有较大的下降空间，技术应用广度也有望进一步提升。中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）中国 CCUS 路径研究 预计，到 2030 年，我国全流程 CCUS（按 250 km 运输计）技术成本为 310770 元/t，到 2060 年将逐步降至140410 元/t。CCUS 技术的成熟导致封存成本，将有助于推动该技术的应用。参考文献1江怀友，沈平平，罗金玲，等.世界二氧化碳埋存技术现状与展望 J.中国能源，2010，32（6）：28-32.2宗柳.IEA发布全球能源回顾：2021碳排放 报告 J.世界石油工业，2022，29（3）：80-84.3李志清，顾磊.我国 CCUS 发展现状研究及国际经验借鉴 J.金融观察，2021，49-56.4胡其会，李玉星，张建，等.“双碳”战略下中国 CCUS 技术现状及发展建议 J.油气储运，2022，41（1）：1-11.5钱七虎.新时代城市建设与立体城市 EB/OL.（2021-10-18）2022-08-31.http：/ J.北京理工大学学报（社会科学版），2022，24（1）：24-38，120.7FENG K，DAVIS S J，SUN L，et al.Drivers of the US CO2emissions 19972013 J.Nature communications，2015，6（1）：1-8.8GUAN D，MENG J，REINER D M，et al.Structural decline inChina s CO2emissions through transitions in industry and energysystems J.Nature Geoscience，2018，11（8）：551-555.9LE QUR C，JACKSON R B，JONES M W，et al.Temporary reduction in daily global CO2emissions during the COVID-19 forcedconfinement J.Nature climate 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