二氧化碳儲(chǔ)藏

1、5二氧化碳儲(chǔ)存二氧化碳儲(chǔ)存武漢大學(xué)水利水電學(xué)院武漢大學(xué)水利水電學(xué)院 2014年年3月月二氧化碳儲(chǔ)存二氧化碳儲(chǔ)存主講提綱主講提綱3214問(wèn)題與展望研究意義國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果研究意義研究意義睡的好香啊睡的好香啊 “地毯地毯”都沒(méi)有都沒(méi)有,咋睡覺(jué)啊咋睡覺(jué)啊?研究意義研究意義溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)(英文：英文：Greenhouse effect)，又稱又稱“花房效應(yīng)花房效應(yīng)”，是大氣保溫效應(yīng)，是大氣保溫效應(yīng)的俗稱。大氣能使太陽(yáng)短波輻射到達(dá)的俗稱。大氣能使太陽(yáng)短波輻射到達(dá)地面，但地表受熱后向外放出的大量地面，但地表受熱后向外放出的大量長(zhǎng)波熱輻射線卻被大氣吸收，這樣就長(zhǎng)波熱輻射線

2、卻被大氣吸收，這樣就使地表與低層大氣溫度增高，因其作使地表與低層大氣溫度增高，因其作用類似于栽培農(nóng)作物的溫室，故名溫用類似于栽培農(nóng)作物的溫室，故名溫室效應(yīng)。自工業(yè)革命以來(lái)，人類向大室效應(yīng)。自工業(yè)革命以來(lái)，人類向大氣中排入的二氧化碳等吸熱性強(qiáng)的溫氣中排入的二氧化碳等吸熱性強(qiáng)的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應(yīng)也室氣體逐年增加，大氣的溫室效應(yīng)也隨之增強(qiáng)，已引起全球氣候變暖等一隨之增強(qiáng)，已引起全球氣候變暖等一系列嚴(yán)重問(wèn)題，引起了全世界各國(guó)的系列嚴(yán)重問(wèn)題，引起了全世界各國(guó)的關(guān)注。關(guān)注。第一個(gè)提出溫室效應(yīng)的是法國(guó)學(xué)者第一個(gè)提出溫室效應(yīng)的是法國(guó)學(xué)者Jean-Baptiste Joseph Fourier（1

3、7681830）于）于1824年提出的。年提出的。環(huán)境影響環(huán)境影響全球變暖全球變暖地球上的病蟲(chóng)害增加地球上的病蟲(chóng)害增加海平面上升海平面上升氣候反常氣候反常土地沙漠化土地沙漠化研究意義研究意義時(shí)期時(shí)期含義含義地質(zhì)時(shí)期地質(zhì)時(shí)期歷史時(shí)期歷史時(shí)期近近 代代時(shí)間時(shí)間跨度最大跨度最大,變化變化周期周期最長(zhǎng)最長(zhǎng)的時(shí)期的時(shí)期距今距今一萬(wàn)年一萬(wàn)年以來(lái)的以來(lái)的時(shí)期時(shí)期最近一二百年的時(shí)期最近一二百年的時(shí)期冰期冰期(寒冷期寒冷期)與與間冰期間冰期(溫暖期溫暖期)交替交替氣溫波動(dòng)上升氣溫波動(dòng)上升氣溫顯著升高氣溫顯著升高,1860年以來(lái)，全球年以來(lái)，全球平均氣溫升高了平均氣溫升高了0.6氣候變化特點(diǎn)氣候變化特點(diǎn)研究意義研

4、究意義研究意義研究意義 提高現(xiàn)有能源利用效率，降低能耗。提高現(xiàn)有能源利用效率，降低能耗。(如：開(kāi)發(fā)如：開(kāi)發(fā)AD 600/700更高參數(shù)的超臨更高參數(shù)的超臨界發(fā)電技術(shù)界發(fā)電技術(shù))； 大力發(fā)展其他可再生能源或低碳能源，大力發(fā)展其他可再生能源或低碳能源，如水電、生物質(zhì)、核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等。如水電、生物質(zhì)、核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等。 二氧化碳的封存二氧化碳的封存二氧化碳的儲(chǔ)存二氧化碳的儲(chǔ)存主講提綱主講提綱3214問(wèn)題與展望研究意義國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀CO2的來(lái)源的來(lái)源 COCO2 2的固定源包括大型化石燃料或生物能源設(shè)施、的固定源包括大型化石燃料

5、或生物能源設(shè)施、主要主要COCO2 2排放型工業(yè)、天然氣生產(chǎn)、合成燃料工廠以排放型工業(yè)、天然氣生產(chǎn)、合成燃料工廠以及基于化石燃料的制氫工廠。及基于化石燃料的制氫工廠。 COCO2 2的大固定源：世界范圍內(nèi)每年的大固定源：世界范圍內(nèi)每年COCO2 2排放量在排放量在1010萬(wàn)噸以上的源。萬(wàn)噸以上的源。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀CO2大固定源的全球分布情況大固定源的全球分布情況國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀已經(jīng)開(kāi)展封存的國(guó)家和進(jìn)已經(jīng)開(kāi)展封存的國(guó)家和進(jìn)度度EOR則是指“三次采油”即油田的第三個(gè)采油階段，是指注水之后的開(kāi)采階段。ECBM是指煤層注入二氧化碳提高煤層氣采收率技術(shù)。國(guó)內(nèi)外國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀研究

6、現(xiàn)狀目前各國(guó)開(kāi)展的目前各國(guó)開(kāi)展的CO2儲(chǔ)藏系統(tǒng)的研究工作儲(chǔ)藏系統(tǒng)的研究工作我國(guó)開(kāi)展二氧化碳儲(chǔ)藏這方面工作起步較晚，目前還處于起步我國(guó)開(kāi)展二氧化碳儲(chǔ)藏這方面工作起步較晚，目前還處于起步階段，現(xiàn)在階段，現(xiàn)在主要在開(kāi)發(fā)主要在開(kāi)發(fā)CO2的收集深埋技術(shù)的收集深埋技術(shù)。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀CO2地下儲(chǔ)存的實(shí)際工程地下儲(chǔ)存的實(shí)際工程CO2儲(chǔ)存綜合場(chǎng)所比較儲(chǔ)存綜合場(chǎng)所比較國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀中國(guó)中國(guó)CO2地下儲(chǔ)存項(xiàng)目地下儲(chǔ)存項(xiàng)目國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀中國(guó)中國(guó)CO2地下儲(chǔ)存項(xiàng)目地下儲(chǔ)存項(xiàng)目二氧化碳的儲(chǔ)存二氧化碳的儲(chǔ)存主講提綱主講提綱3214問(wèn)題與展望研究意義國(guó)內(nèi)

7、外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果CO2儲(chǔ)存方式儲(chǔ)存方式這篇文章有詳細(xì)介紹二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果 地質(zhì)封存二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果 在這些結(jié)構(gòu)中，儲(chǔ)存二氧化碳的沉積巖上部都有蓋層。不可開(kāi)采煤層在這些結(jié)構(gòu)中，儲(chǔ)存二氧化碳的沉積巖上部都有蓋層。不可開(kāi)采煤層目前還只是潛在的一個(gè)備選方案，因?yàn)樗膬?chǔ)存二氧化碳的圈閉機(jī)制稍目前還只是潛在的一個(gè)備選方案，因?yàn)樗膬?chǔ)存二氧化碳的圈閉機(jī)制稍有不同，有時(shí)是填充在煤炭的顆粒當(dāng)中。有不同，有時(shí)是填充在煤炭

8、的顆粒當(dāng)中。封閉層封閉層(頁(yè)巖)目標(biāo)層目標(biāo)層(砂巖Sand)砂巖頁(yè)巖地表沉積物(包括淡水)射孔封隔器生產(chǎn)套管表層套管注入管均質(zhì)粘合劑護(hù)層無(wú)收縮或延展粘合劑. 需承受每天循環(huán)過(guò)程的高壓震蕩器震蕩器/計(jì)計(jì)算機(jī)算機(jī)井底壓力傳感器電纜下伏頁(yè)巖圍堵層圍堵層 (砂巖 & 頁(yè)巖)深井壓裂注入深井壓裂注入 (SFI)高壓和高速注入高壓和高速注入 (壓裂壓裂)高純度高壓氣體高純度高壓氣體連續(xù)循環(huán)注入連續(xù)循環(huán)注入多相流多相流專用處理井專用處理井深井壓裂注入方法深井壓裂注入方法Slurry Fracture Injected (SFI)二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果適宜封存的全球前景沉積盆地區(qū)

9、域適宜封存的全球前景沉積盆地區(qū)域在那里可以找到合適的鹽沼池地質(zhì)構(gòu)造、油田或氣田，或煤床。只包括了一部分可供煤床封存的地點(diǎn)。封存前景是對(duì)可能性的一種定性評(píng)估，即根據(jù)已掌握的信息在某個(gè)特定區(qū)域中存在某個(gè)適合封存的地點(diǎn)。本圖僅作為一個(gè)導(dǎo)向，因?yàn)樗诓糠謹(jǐn)?shù)據(jù)，其質(zhì)量可能因區(qū)域而異，也可能隨時(shí)間的推移和新的信息而有所變化。（澳大利亞地球科學(xué)提供）澳大利亞地球科學(xué)提供）二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果咸水蓄水層儲(chǔ)存咸水蓄水層儲(chǔ)存目前研究發(fā)現(xiàn)上述存儲(chǔ)方式主要有以下兩種儲(chǔ)存機(jī)理目前研究發(fā)現(xiàn)上述存儲(chǔ)方式主要有以下兩種儲(chǔ)存機(jī)理二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳

10、儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果油田儲(chǔ)存油田儲(chǔ)存二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果煤層儲(chǔ)存煤層儲(chǔ)存二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果（2）海洋海洋封存封存海洋占地表的海洋占地表的7070以上，海洋的平均深度為以上，海洋的平均深度為3,8003,800米。由于米。由于CO2CO2可在水中溶解，所以大氣與水體在海可在水中溶解，所以大氣與水體在海洋表面不斷進(jìn)行洋表面不斷進(jìn)行CO2CO2的自然交換，直到達(dá)到平衡為的自然交換，直到達(dá)到平衡為止。止。通過(guò)管道或船舶將通過(guò)管道或船舶將CO2CO2運(yùn)輸?shù)胶Ｑ蠓獯娴攸c(diǎn)，從那運(yùn)輸?shù)胶Ｑ蠓獯娴攸c(diǎn)，從那里再把里再把CO2C

11、O2注入海洋的水柱體或海底（深度在注入海洋的水柱體或海底（深度在1,0001,000米以上）。被溶解和消散的米以上）。被溶解和消散的CO2CO2隨后會(huì)成為隨后會(huì)成為全球碳循環(huán)的一部分全球碳循環(huán)的一部分。二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果海洋封存情景概覽海洋封存情景概覽二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果海洋封存方法海洋封存方法二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果（3）現(xiàn)有著名地質(zhì)封存項(xiàng)目1 1、挪威北海的斯萊普內(nèi)爾（、挪威北海的斯萊普內(nèi)爾（Sleipner)Sleipner)天天然氣田然氣田COCO2 2封存項(xiàng)目封存項(xiàng)目2 2、 加拿大的韋本項(xiàng)目（加拿大的韋本項(xiàng)目（w

12、eyburn)weyburn)項(xiàng)目。項(xiàng)目。3 3、阿爾及利亞的薩拉赫（、阿爾及利亞的薩拉赫（salah)salah)項(xiàng)目。項(xiàng)目。二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳的儲(chǔ)存二氧化碳的儲(chǔ)存主講提綱主講提綱3214問(wèn)題與展望研究意義國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)和成果問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望主要問(wèn)題主要問(wèn)題安全問(wèn)題安全問(wèn)題 經(jīng)濟(jì)問(wèn)題經(jīng)濟(jì)問(wèn)題法律問(wèn)題法律問(wèn)題 力學(xué)問(wèn)題力學(xué)問(wèn)題 安全問(wèn)題安全問(wèn)題：安全問(wèn)題是CO2封存工程的關(guān)鍵。雖然現(xiàn)在沒(méi)有出現(xiàn)CO2泄露的實(shí)例報(bào)道。但是大量的CO2泄露會(huì)造成重大的環(huán)境危害。 例如：1986 年發(fā)生在喀麥隆尼奧斯湖湖底的火山

13、噴發(fā)，使得大量堆積在湖底的 CO2被突然釋放出來(lái)，導(dǎo)致方圓 25KM范圍內(nèi)的 1700 多人和大量的動(dòng)物窒息死亡。問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望喀麥隆尼奧斯湖湖底喀麥隆尼奧斯湖湖底CO2泄露泄露問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望經(jīng)濟(jì)問(wèn)題經(jīng)濟(jì)問(wèn)題注氣井的深度控制著儲(chǔ)氣的成本注氣井的深度控制著儲(chǔ)氣的成本,井深越大井深越大,成本越高。成本越高。問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望法律問(wèn)題法律問(wèn)題 目前幾乎沒(méi)有哪個(gè)國(guó)家對(duì)目前幾乎沒(méi)有哪個(gè)國(guó)家對(duì)CO2封存制定封存制定了具體的法律和框架體系。了具體的法律和框架體系。 任何二氧化碳封存場(chǎng)所的監(jiān)管框架和責(zé)任何二氧化碳封存場(chǎng)所的監(jiān)管框架和責(zé)任都需要明確工業(yè)界和政府在場(chǎng)所閉合和永任都需要明確工業(yè)界和政府

14、在場(chǎng)所閉合和永久退役后的作用和財(cái)政責(zé)任。久退役后的作用和財(cái)政責(zé)任。 長(zhǎng)期的責(zé)任問(wèn)題如長(zhǎng)期的責(zé)任問(wèn)題如:與與CO2滲漏到大氣有滲漏到大氣有關(guān)的全球問(wèn)題以及局地對(duì)環(huán)境影響擔(dān)心的問(wèn)關(guān)的全球問(wèn)題以及局地對(duì)環(huán)境影響擔(dān)心的問(wèn)題尚未得到解決。題尚未得到解決。問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望巖石力學(xué)問(wèn)題巖石力學(xué)問(wèn)題主要包括封存地層的長(zhǎng)期力學(xué)主要包括封存地層的長(zhǎng)期力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題穩(wěn)定性問(wèn)題及及 CO2+水水+巖的化學(xué)耦合作用巖的化學(xué)耦合作用對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)及水力學(xué)性質(zhì)的影響。及水力學(xué)性質(zhì)的影響。 當(dāng)當(dāng) CO2在一定的壓力和溫度下（如在一定的壓力和溫度下（如 35 ，15 MPa）以超臨界狀態(tài)注入鹽巖溶腔并封）

15、以超臨界狀態(tài)注入鹽巖溶腔并封閉后，由于鹽巖的自重產(chǎn)生的應(yīng)力和溶腔內(nèi)閉后，由于鹽巖的自重產(chǎn)生的應(yīng)力和溶腔內(nèi)的壓力存在差異，因此，鹽巖將出現(xiàn)蠕變，的壓力存在差異，因此，鹽巖將出現(xiàn)蠕變，導(dǎo)致溶腔體積縮小。導(dǎo)致溶腔體積縮小。問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望 在溶腔的底部，腔體內(nèi)在溶腔的底部，腔體內(nèi)壓將小于鹽巖的自重應(yīng)力；壓將小于鹽巖的自重應(yīng)力；而在溶腔的頂部，當(dāng)腔體內(nèi)而在溶腔的頂部，當(dāng)腔體內(nèi)壓達(dá)到鹽巖自重應(yīng)力時(shí)，蠕壓達(dá)到鹽巖自重應(yīng)力時(shí)，蠕變將停止。如果由于腔體下變將停止。如果由于腔體下部的蠕變使得腔體內(nèi)壓大于部的蠕變使得腔體內(nèi)壓大于頂板的最小自重應(yīng)力，在頂頂板的最小自重應(yīng)力，在頂板處將出現(xiàn)環(huán)向的拉應(yīng)力，板處將出現(xiàn)

16、環(huán)向的拉應(yīng)力，導(dǎo)致頂板開(kāi)裂，導(dǎo)致頂板開(kāi)裂，CO2就可能就可能沿裂縫向外滲漏。沿裂縫向外滲漏。問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望鹽巖蠕變鹽巖蠕變 國(guó)內(nèi)外很多研究對(duì)鹽巖的蠕變性能提出了力學(xué)模型，通常采用剪應(yīng)力的冪函數(shù)來(lái)表示鹽巖的穩(wěn)態(tài)蠕變特性。球形溶腔單位體積的體積應(yīng)變率可以表示為問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望如圖如圖 2 所示，開(kāi)始時(shí)所示，開(kāi)始時(shí)( t% 60)壓力的增加非常迅速，壓力的增加非常迅速，但當(dāng)壓力達(dá)到的但當(dāng)壓力達(dá)到的 無(wú)窮大的無(wú)窮大的90 %時(shí)壓力的變化就非常緩時(shí)壓力的變化就非常緩慢了，而且溶腔經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演變后的腔體內(nèi)壓力與慢了，而且溶腔經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演變后的腔體內(nèi)壓力與CO2初初始的注入壓力始的注入壓力P0關(guān)系已不

17、大，但對(duì)溶腔最后的體積收縮關(guān)系已不大，但對(duì)溶腔最后的體積收縮大小至關(guān)重要。大小至關(guān)重要。問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望問(wèn)題與展望CO2沿溶腔壁的滲透沿溶腔壁的滲透 初始的鹽巖滲透系數(shù)為初始的鹽巖滲透系數(shù)為 K0，橫坐標(biāo)有效應(yīng)力為鹽巖應(yīng)力減去孔隙壓力。，橫坐標(biāo)有效應(yīng)力為鹽巖應(yīng)力減去孔隙壓力?？梢钥吹?，當(dāng)有效應(yīng)力小于某個(gè)特征強(qiáng)度可以看到，當(dāng)有效應(yīng)力小于某個(gè)特征強(qiáng)度s 時(shí)，鹽巖的滲透性基本不變，時(shí)，鹽巖的滲透性基本不變，但當(dāng)大于該特征強(qiáng)度后，鹽巖中將出現(xiàn)微裂縫，滲透系數(shù)逐漸呈非線性但當(dāng)大于該特征強(qiáng)度后，鹽巖中將出現(xiàn)微裂縫，滲透系數(shù)逐漸呈非線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，直到最后滲透系數(shù)的增加已無(wú)法抑制，即出現(xiàn)貫通的裂縫。增長(zhǎng)的趨勢(shì)，直到最后滲透系數(shù)的增加已無(wú)法抑制，即出現(xiàn)貫通的