海底封碳——探訪(fǎng)我國首個(gè)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(zhù)波光，一望無(wú)際。從空中俯瞰，矗立于此的恩平15-1平臺，在陽(yáng)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(gè)海上二氧化碳封存示范工程項目。

6月1日9時(shí)30分，隨著(zhù)平臺上高碳原油生產(chǎn)井、生產(chǎn)處理系統、二氧化碳壓縮機及分子篩脫水橇等設備依次啟動(dòng)，油田開(kāi)發(fā)伴生的二氧化碳被捕獲、分離、壓縮，并通過(guò)一口回注井被注入海底地層，實(shí)現穩定封存。這標志著(zhù)我國成功掌握海上二氧化碳捕集、處理、注入、封存和監測的全套技術(shù)和裝備體系，填補了我國海上二氧化碳封存技術(shù)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(guān)卡”?我國二氧化碳地質(zhì)封存潛力如何?記者近日實(shí)地探訪(fǎng)了這一示范工程。

海上原油開(kāi)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)監督朱學(xué)勇給記者發(fā)來(lái)了最新進(jìn)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平臺總監胡金告訴記者，這里所說(shuō)的“高碳”是指伴生氣中含有較高含量的二氧化碳。

據介紹，在海洋油氣鉆探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，往往會(huì )有一些伴生氣，二氧化碳便是伴生氣的重要組分之一。常規海洋油氣資源開(kāi)發(fā)時(shí)，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(gè)氣頂，且二氧化碳含量極高，在原油的開(kāi)采過(guò)程中這些二氧化碳也會(huì )“逃”出地層。

“超過(guò)95%，是常規油田的數倍。”胡金告訴記者，據測算，恩平15-1平臺一共會(huì )產(chǎn)生約150萬(wàn)噸二氧化碳。若按常規模式開(kāi)發(fā)，二氧化碳將隨原油一起被采出地面，不僅會(huì )對海上平臺設施和海底管線(xiàn)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。怎么辦?科研人員決定將這些“逃”出來(lái)的二氧化碳重新捕集起來(lái)，并經(jīng)過(guò)一系列處理工序后，重新注入海底，實(shí)現永久封存。

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(shù)人員在距離平臺3公里外、800多米深的海底找到了一個(gè)“穹頂”式地質(zhì)構造。如同一個(gè)倒扣在海底的“巨碗”，不僅儲存量大，而且封閉性強，能夠長(cháng)期穩定地罩住二氧化碳。

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(lái)的二氧化碳并不會(huì )自動(dòng)分離并進(jìn)入回注井，需要人為進(jìn)行捕集、分離、脫水等一系列工序處理。

油井開(kāi)采產(chǎn)生的油氣混合液進(jìn)入高碳分離器，把二氧化碳分離出來(lái);再進(jìn)入三級壓縮機，進(jìn)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(gè)110公斤的重物。”胡金告訴記者，這時(shí)的二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，即氣液混合態(tài)，會(huì )像氣體一樣充滿(mǎn)整個(gè)空間，但其密度又類(lèi)似液體。最后，氣液混合態(tài)的二氧化碳再通過(guò)回注井封存到海底“巨碗”。整個(gè)過(guò)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(shí)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(jiàn)到了我國首個(gè)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(zhù)。

“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(kāi)發(fā)項目組設計設備部經(jīng)理張琪如數家珍，每一個(gè)攻克的難關(guān)、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(wàn)噸，累計將超過(guò)150萬(wàn)噸。”胡金告訴記者，恩平15-1平臺全開(kāi)采周期所產(chǎn)生的二氧化碳，絕大部分將通過(guò)這一模塊注入海底“巨碗”，深“埋”其中，其減碳規模相當于植樹(shù)近1400萬(wàn)棵，或停開(kāi)近100萬(wàn)輛轎車(chē)。

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(gè)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(zhù)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(shù)。”中國海油深圳分公司恩平15-1平臺鉆井總監張凱告訴記者。

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

目前，油田開(kāi)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(jìn)入一條長(cháng)長(cháng)的、深入海底的“綠色通道”，源源不斷回注至海底“巨碗”中。

不過(guò)，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(kāi)發(fā)項目組鉆完井經(jīng)理鄧成輝連說(shuō)了兩個(gè)“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(gè)高難度的淺層大位移井，另外還要進(jìn)行二氧化碳回注，總體作業(yè)難度和挑戰極高。”鄧成輝用“既‘淺’又‘軟’”來(lái)形容這條“綠色通道”途經(jīng)區域的地質(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(zhù)在鉆進(jìn)過(guò)程中，垂直方向每向下增加1米的深度，水平方向就要前進(jìn)3米以上。打這樣的大位移井原本難度就很大。與此同時(shí)，途經(jīng)區域地層又很“軟”，“嬌氣”得像豆腐塊一樣，容易破裂，無(wú)法為鉆具提供有效支撐。鉆具在地層中鉆進(jìn)，“來(lái)硬的不行，來(lái)軟的也不行”。

不僅如此，在鉆完井作業(yè)過(guò)程中還面臨著(zhù)套管下入風(fēng)險、固井質(zhì)量風(fēng)險、井眼漏失風(fēng)險等諸多工程挑戰。就像建隧道，既要在合適的地層中沿著(zhù)既定方向不斷前進(jìn)，又要時(shí)刻關(guān)注隧道周?chē)鷷?huì )不會(huì )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(guò)程無(wú)法及時(shí)、直觀(guān)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(jiǎn)單井大概需要15至20天時(shí)間，但完成這口二氧化碳回注井耗時(shí)2個(gè)多月。

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

創(chuàng )新采用特制鉆井液——低溫流變性穩定鉆井液，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(jìn)之路通暢無(wú)阻。同時(shí)，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(cháng)水平段尾管回接”“低壓竄漏全封”等技術(shù)，確保該井在長(cháng)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(shí)監測井筒的完整性，項目團隊還安裝了“井下聽(tīng)診器”，即借助分布式光纖傳感技術(shù)，實(shí)現全井筒監測。“這是某個(gè)井下測點(diǎn)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(zhù)監控屏幕上的監測數據告訴記者，每隔一米就有一個(gè)監測點(diǎn)，就像數千只敏銳的眼睛，在看不見(jiàn)摸不著(zhù)的井下無(wú)死角觀(guān)察注氣管柱是否存在泄漏。

預測封存量達2.58萬(wàn)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(gè)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(shù)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(kāi)創(chuàng )多項國內首創(chuàng )技術(shù)，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(shí)施了我國首口海上二氧化碳回注井，實(shí)現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(shí)，中國海油深圳分公司恩平油田總經(jīng)理萬(wàn)年輝表示。

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

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

近年來(lái)，我國二氧化碳捕集利用與封存技術(shù)發(fā)展迅速，示范項目加速落地。華能北京熱電廠(chǎng)碳捕集項目，成為2008年北京奧運會(huì )期間我國對外展示的窗口;甘肅省最東部，華能隴東煤電風(fēng)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(gè)150萬(wàn)噸/年大規模CCUS工程示范項目，建成后將實(shí)現低能耗二氧化碳捕集、驅油與封存全流程工業(yè)示范……

不過(guò)，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(kāi)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、封存規模大等優(yōu)勢。”中國海油深圳分公司開(kāi)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(jià)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(wàn)億噸，可為“雙碳”目標實(shí)現提供重要支撐。

二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)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(dòng)我國首個(gè)千萬(wàn)噸級碳捕集與封存集群項目，未來(lái)將捕集粵港澳大灣區排放的二氧化碳，通過(guò)管道等方式輸送到珠江口盆地海域進(jìn)行封存。

中國海油有關(guān)負責人表示，將繼續加大科研攻關(guān)，推動(dòng)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(shí)解決二氧化碳封存的問(wèn)題。