油氣行業(yè)的CCS挑戰(zhàn)。
它可能有助于平衡世界對氣候變化與未來能源需求的憂慮。然而，在現(xiàn)如今階段，是否需要快速建立碳捕集與封存(CCS)能力還遠未達成共識。
大家都在討論需要更強有力的財政激勵措施，或者是以更大的稅收抵免和更嚴格的碳定價，來啟動更多的商業(yè)CCS項目。但鮮有提及的是，為了解所有風(fēng)險與不確定性，還需要填補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：“我們需要把二氧化碳放在正確的地質(zhì)位置，而安全的CCS地點并不是隨處可見。在使用“安全”一詞時，這位有著30多年經(jīng)驗的資深地質(zhì)工程師強調(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。
在上個月舉行的非常規(guī)資源技術(shù)大會(URTeC)上，他與其他幾位專家一起探討了擴大CCS規(guī)模所面臨的地下問題。他們承認，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。
?？松梨谟媱澰诿绹鞲鐬逞匕督CS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?，如果沒有政府的資金支持，它就無法推進這個1000億美元的項目。
01. 油氣行業(yè)的CCS挑戰(zhàn)
國際能源署(IEA)在其《2050年凈零排放》報告中表示，到2030年，CCS能力必須達到每年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CCS項目(其中19個在美國)每年只注入大約4000萬噸二氧化碳，或20億立方英尺/天，用于永久封存。截至去年，還有65個商業(yè)CCS項目正處于開發(fā)階段。
盡管最近的發(fā)展勢頭強勁，但全球CCS能力必須在未來30年至少增長兩個數(shù)量級，才能實現(xiàn)國際能源署的凈零排放設(shè)想。根據(jù)一項研究，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)在遠遠不夠。
02. 關(guān)鍵的地下問題、瓶頸與機遇
為了達到國際能源署概述的龐大數(shù)值，非常規(guī)資源技術(shù)大會上的專家談及了CCS開發(fā)商必須首先解決的幾個地下問題。
1、蓋層完整性
合格的地質(zhì)密封是永久儲存二氧化碳、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方面，但這一切都始于合適的選址。
構(gòu)造活動較少的地層是尋找注入點的好位置。美國的穩(wěn)定地層包括Denver-Julesburg盆地(前陸盆地)、Permian盆地(Cratonic盆地)，以及美國墨西哥灣沿岸(張裂板塊/被動大陸邊緣盆地)。
在Permian盆地從事二氧化碳項目的Melzer說：“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)性是另一個關(guān)鍵因素。Melzer表示：“如果沒有這種物性，我們將需要增壓，這會造成密封失效。”
2、井筒完整性
除地層之外，另一個重要問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對井筒完整性構(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)劃者可通過優(yōu)選井眼軌跡與泥漿密度來避免井下問題。然而，Soroush警告說：“盡管準(zhǔn)確的地質(zhì)力學(xué)模型在降低風(fēng)險與項目成本方面很有價值，但糟糕的地質(zhì)力學(xué)模型可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)，造成完全相反的結(jié)果。”
3、誘發(fā)地震活動
雖然誘發(fā)地震活動的規(guī)模一般較小，但也會對生命和財產(chǎn)構(gòu)成威脅，還可能會影響蓋層或井筒的完整性。
為了避免造成上述事件，CCS項目將基于大量地質(zhì)特征來確定安全注入閾值，以避開敏感區(qū)域，因為應(yīng)力場的變化可能會重新打開斷層或大裂縫。
油氣行業(yè)的作業(yè)經(jīng)驗是非常有用的，因為該行業(yè)已經(jīng)對北美鹽水處理井的誘發(fā)地震活動進行了大量研究。
Soroush 再次強調(diào)，這個問題需要地質(zhì)力學(xué)建模，特別是用以解釋儲層中流體動力學(xué)與溫度變化的多樣性。他堅持說：“想要識別微地震風(fēng)險，并通過優(yōu)化注入方案來預(yù)防微地震風(fēng)險，地質(zhì)力學(xué)是唯一手段。”
4、井間干擾問題
在經(jīng)濟效益的推動下，許多二氧化碳運輸網(wǎng)絡(luò)的終點都集中在CCS位置，也就是許多注入井的井場。隨著未來幾年對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：“雖然注入的二氧化碳仍在井筒周邊，但壓力效應(yīng)幾乎是瞬時的，并擴張至相當(dāng)遠的距離。”
因此，附近注入井的二氧化碳羽流會相互作用，產(chǎn)生風(fēng)險與不確定性，必須做好規(guī)劃。這會影響到一個地區(qū)的未來使用，所以需要進行區(qū)域性的管理。
英國地質(zhì)調(diào)查局科技總監(jiān)MichaelStephenson指出，壓力前沿可能會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，但實際上是最好的，因為它避免了井間干擾。
5、數(shù)據(jù)獲取
借助公開可用的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，CCS研究與規(guī)劃人員可避免誘發(fā)地震活動，并估算出注入能力。
然而，Stephenson表示，需要將更多私人持有、研究機構(gòu)持有的其他不同數(shù)據(jù)集都匯集起來，以便更好地描繪全球CCS的未來。
他補充說：“眾所周知，這是整個地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的全球性問題。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)庫中，難以獲取。因此涌現(xiàn)出深度-時間數(shù)字地球計劃(DDE)等類似的解決方案。”
在國際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)盟的領(lǐng)導(dǎo)下，DDE正在開發(fā)一個開放平臺，將現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中的地球科學(xué)數(shù)據(jù)連接起來，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：oilsns
6、地層評價
如今，全球只有四個大規(guī)模CCS設(shè)施在向深部鹽堿地層進行注入。不過，在未來，鹽堿地層被認為是CCS的首要目標(biāo)，這在很大程度上要歸功于其在全球范圍內(nèi)的廣泛分布以及巨大的儲存能力。
然而，高鹽度地層會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，斯倫貝謝的儲層動態(tài)產(chǎn)品經(jīng)理Rahul Grover說：“需要深入了解含水層的鹽度。”
這可能會推動對低鹽度地層的需求，可以通過現(xiàn)有的測井技術(shù)(例如向下光譜)識別這些地層。Grover表示：“專業(yè)測井工具可測量出地層中的氯含量，再結(jié)合其他測井手段，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井技術(shù)測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)測壓力波前沿、飽和羽流、地應(yīng)力，并獲取4D微地震測量數(shù)據(jù)。Grover指出，光纖是檢測泄漏與識別地震活動的成熟工具。
