海底封碳——探訪我國首個海上二氧化碳封存示范工程

　　深圳西南約200公里，南海東部海域，深藍海面上泛著波光，一望無際。從空中俯瞰，矗立于此的恩平15-1平臺，在陽光照射下耀眼奪目。

 

　　這是亞洲最大的海上石油生產(chǎn)平臺，擁有我國首個海上二氧化碳封存示范工程項目。

 

　　6月1日9時30分，隨著平臺上高碳原油生產(chǎn)井、生產(chǎn)處理系統(tǒng)、二氧化碳壓縮機及分子篩脫水橇等設備依次啟動，油田開發(fā)伴生的二氧化碳被捕獲、分離、壓縮，并通過一口回注井被注入海底地層，實現(xiàn)穩(wěn)定封存。這標志著我國成功掌握海上二氧化碳捕集、處理、注入、封存和監(jiān)測的全套技術和裝備體系，填補了我國海上二氧化碳封存技術的空白。

 

　　為什么要把二氧化碳封存在海底？二氧化碳被順利“捕捉”并回注到海底地層，要突破哪些“關卡”？我國二氧化碳地質(zhì)封存潛力如何？記者近日實地探訪了這一示范工程。

 

　　海上原油開采伴生高濃度二氧化碳

 

　　捕集壓縮，注入海底“巨碗”

 

　　6月8日，恩平15-1平臺生產(chǎn)監(jiān)督朱學勇給記者發(fā)來了最新進展：A3H井已正式投產(chǎn)。

 

　　這是該平臺投產(chǎn)的第二口生產(chǎn)井。與一周前投產(chǎn)的首口生產(chǎn)井一樣，這也是一口“高碳井”。

 

　　“這樣的‘高碳井’，在恩平15-1平臺上共有四口。”中國海油深圳分公司恩平15-1平臺總監(jiān)胡金告訴記者，這里所說的“高碳”是指伴生氣中含有較高含量的二氧化碳。

 

　　據(jù)介紹，在海洋油氣鉆探開發(fā)過程中，往往會有一些伴生氣，二氧化碳便是伴生氣的重要組分之一。常規(guī)海洋油氣資源開發(fā)時，伴生氣中二氧化碳的含量約有20%-30%。恩平15-1油田十分特殊，因為特殊的地殼條件，油藏上部有一個氣頂，且二氧化碳含量極高，在原油的開采過程中這些二氧化碳也會“逃”出地層。

 

　　“超過95%，是常規(guī)油田的數(shù)倍。”胡金告訴記者，據(jù)測算，恩平15-1平臺一共會產(chǎn)生約150萬噸二氧化碳。若按常規(guī)模式開發(fā)，二氧化碳將隨原油一起被采出地面，不僅會對海上平臺設施和海底管線造成腐蝕，還將增加我國二氧化碳排放量。

 

　　在“雙碳”背景下，這一狀況不允許出現(xiàn)。怎么辦？科研人員決定將這些“逃”出來的二氧化碳重新捕集起來，并經(jīng)過一系列處理工序后，重新注入海底，實現(xiàn)永久封存。

 

　　首先是要找到合適的存儲位置。

 

　　“咸水層被認為是最理想最成熟的地質(zhì)封存環(huán)境。”胡金告訴記者，技術人員在距離平臺3公里外、800多米深的海底找到了一個“穹頂”式地質(zhì)構造。如同一個倒扣在海底的“巨碗”，不僅儲存量大，而且封閉性強，能夠長期穩(wěn)定地罩住二氧化碳。

 

　　合適的存儲位置找到后，還要建立一條通往海底“巨碗”的通道——回注井，連通地上和地下。而且，“逃”出來的二氧化碳并不會自動分離并進入回注井，需要人為進行捕集、分離、脫水等一系列工序處理。

 

　　油井開采產(chǎn)生的油氣混合液進入高碳分離器，把二氧化碳分離出來；再進入三級壓縮機，進行加壓和干燥。“被捕集、純化、干燥后的二氧化碳，將被加壓至11兆帕，相當于指甲蓋上壓了一個110公斤的重物。”胡金告訴記者，這時的二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，即氣液混合態(tài)，會像氣體一樣充滿整個空間，但其密度又類似液體。最后，氣液混合態(tài)的二氧化碳再通過回注井封存到海底“巨碗”。整個過程只需要20分鐘左右。

 

　　二氧化碳注入地層后，大部分將被頂部的蓋層永久蓋住，同時一部分被地層孔隙捕獲，一部分慢慢溶解在地層水中，還有一部分與巖石和地層水反應生成碳酸鹽礦物。

 

　　記者在恩平15-1平臺尾部甲板，見到了我國首個海上二氧化碳封存示范工程的二氧化碳封存模塊的真面目——重約750噸的“大家伙”。分子篩、冷卻器、壓縮機，以及層層疊疊的各路管道，在有限的空間里有序排列著。

 

　　“采取了特有的布置方式，研制了首套復合材料二氧化碳分子篩脫水橇，平衡壓縮機級數(shù)與體積，研制適用于海洋高濕高鹽環(huán)境的首套超臨界大分子壓縮機……”談起封存模塊，中國海油深圳分公司恩平15-1油田群開發(fā)項目組設計設備部經(jīng)理張琪如數(shù)家珍，每一個攻克的難關、每一處特別的設計，都深印在她的腦海。

 

　　“該項目預計高峰期每年可封存二氧化碳30萬噸，累計將超過150萬噸。”胡金告訴記者，恩平15-1平臺全開采周期所產(chǎn)生的二氧化碳，絕大部分將通過這一模塊注入海底“巨碗”，深“埋”其中，其減碳規(guī)模相當于植樹近1400萬棵，或停開近100萬輛轎車。

 

　　攻克高難度淺層大位移井

 

　　打通二氧化碳回注的“綠色通道”

 

　　在恩平15-1平臺井口夾層甲板，一個一人多高的綠色裝置，在一片橘、紅色中顯得十分醒目。記者看到，上面布著大小不一的操作閥以及各種儀表裝置。

 

　　“這是二氧化碳回注井的采油樹。”中國海油深圳分公司恩平15-1平臺鉆井總監(jiān)張凱告訴記者。

 

　　記者了解到，采油樹是一種井口裝置，是油氣井最上部控制和調(diào)節(jié)油氣生產(chǎn)開發(fā)的主要設備。與常規(guī)開發(fā)井的紅色采油樹不同，這口井的采油樹之所以為綠色，既彰顯了其作為回注井的與眾不同，也體現(xiàn)了示范工程項目的“綠色”意義。

 

　　目前，油田開發(fā)伴生的成百上千噸超臨界狀態(tài)二氧化碳，正從這里進入一條長長的、深入海底的“綠色通道”，源源不斷回注至海底“巨碗”中。

 

　　不過，建這樣一條“綠色通道”極其不易。

 

　　“難！超預期的難！”回憶起這口二氧化碳回注井的誕生歷程，中國海油深圳分公司恩平15-1油田群開發(fā)項目組鉆完井經(jīng)理鄧成輝連說了兩個“難”。他告訴記者，入行15年，歷經(jīng)百余口井的作業(yè)，這口二氧化碳回注井是他遇到的最難打的一口井。

 

　　“這是一個高難度的淺層大位移井，另外還要進行二氧化碳回注，總體作業(yè)難度和挑戰(zhàn)極高。”鄧成輝用“既‘淺’又‘軟’”來形容這條“綠色通道”途經(jīng)區(qū)域的地質(zhì)條件。

 

　　淺，是指地層淺，目的地——海底“巨碗”在海床以下800米，但距離平臺卻有3公里遠，水垂比大。這意味著在鉆進過程中，垂直方向每向下增加1米的深度，水平方向就要前進3米以上。打這樣的大位移井原本難度就很大。與此同時，途經(jīng)區(qū)域地層又很“軟”，“嬌氣”得像豆腐塊一樣，容易破裂，無法為鉆具提供有效支撐。鉆具在地層中鉆進，“來硬的不行，來軟的也不行”。

 

　　不僅如此，在鉆完井作業(yè)過程中還面臨著套管下入風險、固井質(zhì)量風險、井眼漏失風險等諸多工程挑戰(zhàn)。就像建隧道，既要在合適的地層中沿著既定方向不斷前進，又要時刻關注隧道周圍會不會發(fā)生坍塌，還要防止通道以外地層中的液體滲漏發(fā)生倒灌等。加之地下鉆井過程無法及時、直觀地看到鉆頭前端以及井筒中的狀況，其難度更甚。記者了解到，打一口井深相近的簡單井大概需要15至20天時間，但完成這口二氧化碳回注井耗時2個多月。

 

　　據(jù)介紹，這條“綠色通道”總長超3700米，鉆進不同井眼深度需要下入不同尺寸的套管穩(wěn)固井壁，確保鉆井通道通暢和安全。套管共有4層，內(nèi)部最細的注氣管柱直徑約11厘米，如同一根超長“吸管”。為了確保這口回注井打得成，同時讓二氧化碳注得進、封得住，項目團隊針對鉆完井作業(yè)風險以及二氧化碳的特殊性質(zhì)，開展了有關技術攻關。

 

　　創(chuàng)新采用特制鉆井液——低溫流變性穩(wěn)定鉆井液，既能有效抵抗酸性二氧化碳腐蝕，還能支撐井壁、潤滑井眼，讓鉆進之路通暢無阻。同時，還研發(fā)出“抗二氧化碳腐蝕水泥漿體系”“低溫泥餅預沖洗”“長水平段尾管回接”“低壓竄漏全封”等技術，確保該井在長達幾十年的注入期間擁有“金剛不壞之身”。

 

　　為了確保二氧化碳回注周期的井下安全，及時監(jiān)測井筒的完整性，項目團隊還安裝了“井下聽診器”，即借助分布式光纖傳感技術，實現(xiàn)全井筒監(jiān)測。“這是某個井下測點的壓力值，這是溫度，精度可達0.1攝氏度。”在恩平15-1平臺中控室，張凱指著監(jiān)控屏幕上的監(jiān)測數(shù)據(jù)告訴記者，每隔一米就有一個監(jiān)測點，就像數(shù)千只敏銳的眼睛，在看不見摸不著的井下無死角觀察注氣管柱是否存在泄漏。

 

　　預測封存量達2.58萬億噸

 

　　我國海底“封碳”潛力巨大

 

　　順應全球能源行業(yè)低碳化發(fā)展大趨勢，我國首個海上二氧化碳封存示范工程構建起安全可控的二氧化碳捕集、封存技術和裝備體系，攻克了海上操作空間受限、海洋高濕高鹽環(huán)境、高難度淺層大位移水平井等一系列難題。

 

　　“開創(chuàng)多項國內(nèi)首創(chuàng)技術，自主研發(fā)制造出我國首套海上二氧化碳封存裝置，自主設計實施了我國首口海上二氧化碳回注井，實現(xiàn)了二氧化碳的零排放……”在總結恩平15-1油田二氧化碳封存示范工程時，中國海油深圳分公司恩平油田總經(jīng)理萬年輝表示。

 

　　這一項目的成功投用，不僅實現(xiàn)了我國海上二氧化碳封存領域從無到有的重要突破，也為后續(xù)工作提供了思路，奠定了未來“岸碳入海”的技術支撐和現(xiàn)實條件，為粵港澳大灣區(qū)乃至全國提供了快速降碳的可行方案。

 

　　事實上，二氧化碳捕集利用與封存技術，是國際公認的有效促進碳減排的重要措施，是實現(xiàn)“雙碳”目標的關鍵技術之一，被視為減碳的托底技術。

 

　　近年來，我國二氧化碳捕集利用與封存技術發(fā)展迅速，示范項目加速落地。華能北京熱電廠碳捕集項目，成為2008年北京奧運會期間我國對外展示的窗口；甘肅省最東部，華能隴東煤電風光儲一體化多能互補綜合能源基地建設正酣，擁有全球首個150萬噸/年大規(guī)模CCUS工程示范項目，建成后將實現(xiàn)低能耗二氧化碳捕集、驅油與封存全流程工業(yè)示范……

 

　　不過，這些都是陸地二氧化碳捕集利用與封存項目，恩平15-1油田二氧化碳封存示范工程開拓了我國二氧化碳捕集、利用和封存的新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)。

 

　　“相對于陸地碳封存而言，海上碳封存具有選址容易、安全性高、環(huán)境影響小、封存規(guī)模大等優(yōu)勢。”中國海油深圳分公司開發(fā)部經(jīng)理戴宗介紹。今年1月自然資源部首次發(fā)布的中國海域二氧化碳地質(zhì)封存潛力評價結果顯示，我國海上二氧化碳地質(zhì)封存潛力巨大，預測封存量達2.58萬億噸，可為“雙碳”目標實現(xiàn)提供重要支撐。

 

　　二氧化碳捕集、利用與封存技術有利于海洋石油工業(yè)綠色低碳轉型。記者了解到，在這一示范工程項目的基礎上，中國海油已經(jīng)在廣東惠州啟動我國首個千萬噸級碳捕集與封存集群項目，未來將捕集粵港澳大灣區(qū)排放的二氧化碳，通過管道等方式輸送到珠江口盆地海域進行封存。

 

　　中國海油有關負責人表示，將繼續(xù)加大科研攻關，推動二氧化碳捕集、封存向二氧化碳捕集、利用、封存發(fā)展，提高采油效率的同時解決二氧化碳封存的問題。