油氣行業(yè)的CCS挑戰(zhàn)。

它可能有助于平衡世界對(duì)氣候變化與未來(lái)能源需求的憂慮。然而，在現(xiàn)如今階段，是否需要快速建立碳捕集與封存(CCS)能力還遠(yuǎn)未達(dá)成共識(shí)。

大家都在討論需要更強(qiáng)有力的財(cái)政激勵(lì)措施，或者是以更大的稅收抵免和更嚴(yán)格的碳定價(jià)，來(lái)啟動(dòng)更多的商業(yè)CCS項(xiàng)目。但鮮有提及的是，為了解所有風(fēng)險(xiǎn)與不確定性，還需要填補(bǔ)巖土工程方面的空白。

二氧化碳注入專家、Melzer咨詢公司創(chuàng)始人Steve Melzer說(shuō)：“我們需要把二氧化碳放在正確的地質(zhì)位置，而安全的CCS地點(diǎn)并不是隨處可見(jiàn)。在使用“安全”一詞時(shí)，這位有著30多年經(jīng)驗(yàn)的資深地質(zhì)工程師強(qiáng)調(diào)，CCS設(shè)施規(guī)劃者應(yīng)盡一切可能避免二氧化碳發(fā)生泄漏。

在上個(gè)月舉行的非常規(guī)資源技術(shù)大會(huì)(URTeC)上，他與其他幾位專家一起探討了擴(kuò)大CCS規(guī)模所面臨的地下問(wèn)題。他們承認(rèn)，雖然CCS已有50年的跟蹤記錄，但與阻止氣候變化的必要措施相比，它顯得微不足道。

?？松梨谟?jì)劃在美國(guó)墨西哥灣沿岸建立CCS中心，該油氣巨頭表示，到2040年，該中心每年將消耗1億噸二氧化碳，是目前全球注入量的兩倍多。然而，?？松梨谝脖硎?，如果沒(méi)有政府的資金支持，它就無(wú)法推進(jìn)這個(gè)1000億美元的項(xiàng)目。

01. 油氣行業(yè)的CCS挑戰(zhàn)

國(guó)際能源署(IEA)在其《2050年凈零排放》報(bào)告中表示，到2030年，CCS能力必須達(dá)到每年16億噸二氧化碳。然后到2050年，這一數(shù)字必須上升到每年76億噸。

若用油氣行業(yè)更熟悉的體積單位，上述數(shù)值分別相當(dāng)于800億立方英尺/天與380億立方英尺/天的二氧化碳。

如今，全球23個(gè)CCS項(xiàng)目(其中19個(gè)在美國(guó))每年只注入大約4000萬(wàn)噸二氧化碳，或20億立方英尺/天，用于永久封存。截至去年，還有65個(gè)商業(yè)CCS項(xiàng)目正處于開(kāi)發(fā)階段。

盡管最近的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，但全球CCS能力必須在未來(lái)30年至少增長(zhǎng)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，才能實(shí)現(xiàn)國(guó)際能源署的凈零排放設(shè)想。根據(jù)一項(xiàng)研究，如此龐大的數(shù)量可能意味著全球需要10000到14000口二氧化碳注入井，而現(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

02. 關(guān)鍵的地下問(wèn)題、瓶頸與機(jī)遇

為了達(dá)到國(guó)際能源署概述的龐大數(shù)值，非常規(guī)資源技術(shù)大會(huì)上的專家談及了CCS開(kāi)發(fā)商必須首先解決的幾個(gè)地下問(wèn)題。

1、蓋層完整性

合格的地質(zhì)密封是永久儲(chǔ)存二氧化碳、避免泄漏到地表或含淡水層的首要要求。保持蓋層的完整性有幾個(gè)方面，但這一切都始于合適的選址。

構(gòu)造活動(dòng)較少的地層是尋找注入點(diǎn)的好位置。美國(guó)的穩(wěn)定地層包括Denver-Julesburg盆地(前陸盆地)、Permian盆地(Cratonic盆地)，以及美國(guó)墨西哥灣沿岸(張裂板塊/被動(dòng)大陸邊緣盆地)。

在Permian盆地從事二氧化碳項(xiàng)目的Melzer說(shuō)：“Cratonic盆地的魅力在于，它們通常被蒸發(fā)巖所覆蓋。蒸發(fā)巖，特別是鹽巖，在相對(duì)較低的壓力與深度(如1500psi, 2500ft)具有延展性。在這樣的條件下，你就能得到一個(gè)非常有效的密封，可以在下面注入任何東西。”

注入油藏的橫向連續(xù)性是另一個(gè)關(guān)鍵因素。Melzer表示：“如果沒(méi)有這種物性，我們將需要增壓，這會(huì)造成密封失效。”

2、井筒完整性

除地層之外，另一個(gè)重要問(wèn)題是注氣井本身以及它的鉆井/建井方式。

Hamed Soroush指出：“鉆井期間發(fā)生的井漏以及鉆井造成的拉伸裂縫會(huì)對(duì)井筒完整性構(gòu)成威脅，并可能成為二氧化碳的泄漏通道。除了優(yōu)質(zhì)的鉆井作業(yè)之外，防止二氧化碳逸散的另一個(gè)關(guān)鍵是套管外的優(yōu)質(zhì)固井作業(yè)。”

利用可靠的地質(zhì)力學(xué)建模，CSS規(guī)劃者可通過(guò)優(yōu)選井眼軌跡與泥漿密度來(lái)避免井下問(wèn)題。然而，Soroush警告說(shuō)：“盡管準(zhǔn)確的地質(zhì)力學(xué)模型在降低風(fēng)險(xiǎn)與項(xiàng)目成本方面很有價(jià)值，但糟糕的地質(zhì)力學(xué)模型可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，造成完全相反的結(jié)果。”

3、誘發(fā)地震活動(dòng)

雖然誘發(fā)地震活動(dòng)的規(guī)模一般較小，但也會(huì)對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅，還可能會(huì)影響蓋層或井筒的完整性。

為了避免造成上述事件，CCS項(xiàng)目將基于大量地質(zhì)特征來(lái)確定安全注入閾值，以避開(kāi)敏感區(qū)域，因?yàn)閼?yīng)力場(chǎng)的變化可能會(huì)重新打開(kāi)斷層或大裂縫。

油氣行業(yè)的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)是非常有用的，因?yàn)樵撔袠I(yè)已經(jīng)對(duì)北美鹽水處理井的誘發(fā)地震活動(dòng)進(jìn)行了大量研究。

Soroush 再次強(qiáng)調(diào)，這個(gè)問(wèn)題需要地質(zhì)力學(xué)建模，特別是用以解釋儲(chǔ)層中流體動(dòng)力學(xué)與溫度變化的多樣性。他堅(jiān)持說(shuō)：“想要識(shí)別微地震風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)優(yōu)化注入方案來(lái)預(yù)防微地震風(fēng)險(xiǎn)，地質(zhì)力學(xué)是唯一手段。”

4、井間干擾問(wèn)題

在經(jīng)濟(jì)效益的推動(dòng)下，許多二氧化碳運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的終點(diǎn)都集中在CCS位置，也就是許多注入井的井場(chǎng)。隨著未來(lái)幾年對(duì)CCS能力需求的增加，這將顯著增加復(fù)雜性。

伊利諾伊州地質(zhì)調(diào)查所石油地質(zhì)主管Hannes Leetaru說(shuō)：“雖然注入的二氧化碳仍在井筒周邊，但壓力效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的，并擴(kuò)張至相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。”

因此，附近注入井的二氧化碳羽流會(huì)相互作用，產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)與不確定性，必須做好規(guī)劃。這會(huì)影響到一個(gè)地區(qū)的未來(lái)使用，所以需要進(jìn)行區(qū)域性的管理。

英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局科技總監(jiān)MichaelStephenson指出，壓力前沿可能會(huì)影響鄰井的封存能力。他表示，在這種情況下，也許不是最好的地質(zhì)位置，但實(shí)際上是最好的，因?yàn)樗苊饬司g干擾。

5、數(shù)據(jù)獲取

借助公開(kāi)可用的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，CCS研究與規(guī)劃人員可避免誘發(fā)地震活動(dòng)，并估算出注入能力。

然而，Stephenson表示，需要將更多私人持有、研究機(jī)構(gòu)持有的其他不同數(shù)據(jù)集都匯集起來(lái)，以便更好地描繪全球CCS的未來(lái)。

他補(bǔ)充說(shuō)：“眾所周知，這是整個(gè)地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的全球性問(wèn)題。全球有很多數(shù)據(jù)，但其中很多存在于小型私人數(shù)據(jù)庫(kù)中，難以獲取。因此涌現(xiàn)出深度-時(shí)間數(shù)字地球計(jì)劃(DDE)等類似的解決方案。”

在國(guó)際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)盟的領(lǐng)導(dǎo)下，DDE正在開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)放平臺(tái)，將現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中的地球科學(xué)數(shù)據(jù)連接起來(lái)，并整合數(shù)據(jù)科學(xué)工具，以幫助研究與新發(fā)現(xiàn)。

石油圈原創(chuàng)，石油圈公眾號(hào)：oilsns

6、地層評(píng)價(jià)

如今，全球只有四個(gè)大規(guī)模CCS設(shè)施在向深部鹽堿地層進(jìn)行注入。不過(guò)，在未來(lái)，鹽堿地層被認(rèn)為是CCS的首要目標(biāo)，這在很大程度上要?dú)w功于其在全球范圍內(nèi)的廣泛分布以及巨大的儲(chǔ)存能力。

然而，高鹽度地層會(huì)降低二氧化碳的溶解度，也就是氣體溶解到鹽水中的能力。因此，斯倫貝謝的儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)產(chǎn)品經(jīng)理Rahul Grover說(shuō)：“需要深入了解含水層的鹽度。”

這可能會(huì)推動(dòng)對(duì)低鹽度地層的需求，可以通過(guò)現(xiàn)有的測(cè)井技術(shù)(例如向下光譜)識(shí)別這些地層。Grover表示：“專業(yè)測(cè)井工具可測(cè)量出地層中的氯含量，再結(jié)合其他測(cè)井手段，就可為我們提供可靠、連續(xù)的地層水鹽度估算結(jié)果。在注入階段，可以使用其他光譜測(cè)井技術(shù)測(cè)量二氧化碳的飽和度。”

永久性光纜是另一種技術(shù)資產(chǎn)，可以監(jiān)測(cè)壓力波前沿、飽和羽流、地應(yīng)力，并獲取4D微地震測(cè)量數(shù)據(jù)。Grover指出，光纖是檢測(cè)泄漏與識(shí)別地震活動(dòng)的成熟工具。