4CO2的利用汇总

CO2提高煤层气采收率
吸附机理 煤体表面对CO2的吸附能力>甲烷 封存同时替换甲烷，增加煤层气的产出率
CO2提高天然气采收率
技术原理
Ø 剩余天然气恢复压力法，将CO2注 入到即将枯竭的天然气藏恢复地 层压力； 地层条件下CO2处于超临界状态， 密度和粘度远大于甲烷，CO2注入 后向下运移到气藏底部，促使甲 烷向顶部运移将其驱替出来； 除了提高甲烷采收率还可以实现 CO2封存，同时还可以避免坍塌和 水侵现象。
第5讲 CO2的利用技术
CCUS
Carbon Capture Utilization and Storage，即碳捕集 利用与封存
CO2利用的目标
（1）使用二氧化碳环保的物理和化学处理，增加 这一过程的价值; （2）使用二氧化碳，以产生有用的化学物质和材 料，增加了产品的价值; （3）二氧化碳用作加工流体或作为能源回收以减 少排放; （4）使用二氧化碳回收，涉及可再生能源，以节 省资源的可持续发展。
CO2置换甲烷水合物
将CO2液化，注入1500米以下的洋面（不一定非 要到海底），就会生成二氧化碳水合物，它的比 重比海水大，于是就会沉入海底。 如果将CO2注入海底的甲烷水合物储层，因CO2 较甲烷易于形成水合物，因而就可能将甲烷水合 物中的甲烷分子“挤走”，从而将其置换出来。
地质利用技术特点
CO2强化开采地热
伯克利实验室尝试CO2封存同时利用地热能发电技术 注入二氧化碳到地下3公里125℃的沉积层，二氧化碳成为超临界状态。然 后，二氧化碳被抽回地面，推动轮机，利用热力发电。接着，再将二氧化 碳注入到地下，循环利用。随着时间的推移，有一部分二氧化碳也会永久 封存到地下。更多的二氧化碳会不断注入到系统中驱动轮机转动。
CO2利用
物理应用
化学应用 生物应用
利用难点
ຫໍສະໝຸດ Baidu
日常应用
致冷剂：CO2致冷速度快，操作性能良好，不会 浸湿、污染食品；用液体CO2作为原子反应堆的 冷却介质，比用氦更经济，且不受放射污染 饮料添加剂：二氧化碳可用作汽水、啤酒、可乐、 碳酸饮料等充气添加剂。 CO2保护焊：焊缝含氧量低，抗腐蚀能力强，可 用于多种材料的焊接。
CO2地质封存联合咸水开采
CO2-EWR是一项可以大幅提高深部咸水和液体矿产资源 采收，缩短单纯CCS部署周期，降低单纯CCS成本，并有 利于国家能源安全和区域经济发展的新型CCUS技术，在 我国具有广泛的应用前景。 利用金字塔评价方法，估算中国24个主要沉积盆地深部咸 水层CO2的封存容量达1191.95亿吨，深层地下水增采容 量为715.17亿m3的淡水。主要应用地域为中西部及南部地 区，其CO2封存容量分别为661.53亿吨和110.64亿吨。
CO2强化开采地热
CO2增强地热系统（CO2-enhanced geothermal system，CO2EGS）是将CO2注入深层热储并通过生产井回采，以CO2为工作介 质的地热开采利用过程。该技术被认为不仅能充分利用CO2的超 临界特性，还能提高以水作为工质的增强型地热系统 (W-EGS） 的整体效率，而且能同时实现CO2封存。 EGS的地热岩体最初仅指干热岩，目前我国一些学者建议将其推 广为高温岩体。深部高温岩体中虽然可能存在天然裂隙，但普 遍渗透性较低，通常需要人工激励增渗，建造人工热储。
特性描述 目标 将CO2从将近枯竭的天然气（13%CO2）气 K12-B近海气田，北 藏中分离出来；回注到深度为 4000 米的天 封存， 海 （ 荷 兰 ） 然气储层；CO2平均注入速率为30000Nm3/ CO2-EGR （Vander 2005） 天， CO2 利用量为 2 万吨 / 年；世界上首个 CO2回注项目 将电厂富氧燃烧捕集的 CO2 注入到将近枯 CO2-EGR Altmark气田，德国 竭的天然气气藏中 Budafa Szinfelleti ， 当 天 然 气 采 收 率为 67% 时， 开 始 注入 含 匈牙利（ Kubus 等， 80%的CO2和20%的CH4的混合气，现场实 CO2-EGR 2010） 验表明，可以将采收率提高11.6% 项目
再次，超临界CO2流体密度大，有很强的溶剂化能力，能够溶 解近井地带的重油组分和其他污染物，减小近井地带油气的流 动阻力。
CO2强化页岩气开采现状
页岩气增采技术与传统开采技术相比，可获得更高的页岩 气产量并实现CO2封存，为我国应对天然气短期和气候变 化提供了一种新的选择，而我国丰富的碳源及巨大的页岩 气储量为页岩气增采技术提供了良好的应用场所。
CO2强化开采地热
我国深部高温地热资源潜力巨大，前景广阔。CO2-EGS比W-EGS 具有许多潜在优势。3.0-7.0km深度范围内干热岩CO2封存容量 为78620亿吨，上述地热量即使采出0.1%，其替代减排容量可达 9724亿吨。 CO2-EGS和W-EGS有许多技术共性，但也有差异。目前，国际上 已开展了许多W-EGS的示范工作，美国等国家已经成功实现EGS 并网发电。个别国家已经部署CO2-EGS技术的示范工作，但总体 上，这项技术尚处于技术开发的早期阶段，我国尚没有示范项 目，尚处于基础研究阶段。 CO2-EGS关键技术开发应重点关注深部高渗热储的高效建造技术、 高效率热储换热技术、高效率地面热电转换技术、EGS选址与安 全保障技术等。
CO2开发页岩气技术原理
首先，超临界CO2黏度较低，扩散系数较大，表面张力为零。 因此，它在储层孔隙中非常容易流动，而且能够进入到任何大 于其分子的空间，在外力作用下，能够有效驱替微小孔隙和裂 缝中的游离态CH4。
其次，CO2分子与页岩的吸附能力强于CH4分子与页岩的吸附 能力。因此，它能够与吸附在孔隙有机质、微小黏土颗粒等矿 物表面的CH4分子发生置换，将吸附态的CH4分子变为游离态。
目前国内已能够利用该技术提纯一百多种生物的精素，尤 其是在生物制药领域和食品保健品等方面，已有工业装置 投入生产。
CO2强化采油
油气藏封存分为废弃油气层封存和现有油气层封存。国际 上有研究利用废弃油气层的可行性，但不被看好。主要原 因在于，目前对油气层的开采率只能达到30％～40％，随 着技术的进步，存在着将剩余的60％～70％的油气资源开 采出来的可能性。所以世界上尚不存在真正意义上的废弃 油气田。 而利用现有油气田封存二氧化碳被认为是主流方向，这项 技术被称为二氧化碳强化采油(CO2一EOR)技术，即将二 氧化碳注入油气层，起到驱油作用，既可以提高采收率， 又实现了碳封存，兼顾了经济效益和减排效益。这项技术 起步较早，最近10年发展很快，实际应用效果得到了肯定， 也是我国优先发展的技术方向。
页岩气概念
页岩气
界 定
成因 类型
煤层气
天然气
浮力作用影响下，聚集 于储层顶部的天然气
有机质热演化成因，生 物成因，原油裂解成因
主要以吸附和游离 主要以吸附状态 状态聚集于泥/页 聚集于煤系地层 岩系中的天然气 中的天然气
有机质热演化成因，有机质热演化成 生物成因 因，生物成因
天然气 20%-85%为吸附， 85%以上为吸附， 各种圈闭的顶部高点， 赋存状 其余为游离和水溶 其余为游离和水 不考虑吸附影响因素 态 溶
超临界萃取
超临界CO2流体萃取是利用超临界流体的溶解能力与其密 度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影 响而进行的。在超临界状态下，将超临界流体与待分离的 物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子 量大小的成分依次萃取出来。 利用CO2处于超临界状态时具有很强的溶解能力而粘度又 很低的性质来萃取分离某些物质。
地质利用技术的CO2直接利用量大、综合减排量大。据估 计，除去CO2增强页岩气开采、CO2增强地热系统这些目前 潜力尚不明确的技术外，其它四项技术（CO2强化石油开 采、CO2驱替煤层气开采、CO2提高天然气采收率、CO2强 化深部咸水开采）的CO2直接利用总量达30.41-31.06吨 CO2/吨产品、CO2综合减排总量达31.44-32.09吨CO2/吨产 品。 主要贡献技术贡献明显。CO2强化石油开采、CO2强化深部 咸水开采为主要的贡献技术，其潜力巨大。 各项技术都存在不同程度的不确定性。CO2强化石油开采 研究比较充分，不确定性相对较小；其它技术的相关研究 还不够，不确定性明显。
CO2利用策略
选择CO2集中排放源，用于捕获或利用； 如果可能的话在利用现场或附近
使用CO2取代在现有化学过程中有毒的或 者效率不高的物质 在CO2转换和利用过程中尽量使用可再生 资源或废弃能源
CO2利用量
CO2总利用量有限，具体分配可能是： 40％用于 生产化学品 35％用于三次采油 10％用于制冷 10％用于保护焊接、养殖等 剩下 5％用于碳酸饮料制造
CO2地质封存联合咸水开采
对于传统的CCS工程项目，大规模的CO2注入会导致地层压力
提升、咸水取代。压力的增加使得上覆盖层产生破裂或潜在断 层重新活化，从而引发CO2的泄漏；咸水取代会对原有的地下 水系统产生影响，可能导致地层深部的高浓度咸水向浅层水体 迁移，引起浅层水体的污染 CO2-EWR技术能够通过合理的抽水井位控制和采水量控制释 放储层压力，达到安全稳定大规模封存； 在咸水开采过程中，对于低矿化度咸水，产生的淡水可以满 足各种工农业发展和生活所需； 对于高矿化度咸水或卤水，利用其蕴含的丰富氯化镁矿化CO2， 获得高附加值的盐酸和轻质碳酸镁或提取出钾盐、溴素等重要 矿产资源。
储层 条件
低孔、低渗特征 Φ为4%-6%， K<0.001md
双重孔隙(基质和割 低渗,Φ为8%-20%,K为0.1理系统),Φ为1%-5%，50md 中渗,Φ为20%-25,K为50K为0.5-5.0md
300md 高渗,Φ>25%,K>300md
CO2强化页岩气开采
CO2驱页岩气作为一种新 型的页岩气开采技术，以 超临界或液相CO2代替水 力压裂页岩，利用CO2吸 附页岩能力比CH4强的特 点，置换CH4，从而提高 页岩气产量和生产速率并 实现CO2地质封存.
页岩气增采技术目前尚处于基础研究水平，预测到2020年 可能出现多个页岩气增采技术中试项目，到2030年可能开 展全流程示范，这之后才能实现显著的减排贡献。 在技术方面，CO2钻井及压裂工艺需要突破。在政策方面， 现阶段企业的经济性不足及政府的研发支持不够是技术发 展的障碍。
CO2地质封存联合咸水开采
我国EGR的现状
• 强化采气在技术上是可行的，且既有基础设施、丰富的地 质信息及实际操作经验提供了便利的条件。 • 我国气藏的强化采气技术CO2封存容量约为9.13亿吨 ~45.67亿吨，并可增采相当于0.85~2.54亿吨标准煤的天 然气。 • 由于我国天然气开发起步较晚，开采程度低，近期不会有 大量的枯竭气藏出现，预计2030年可应用在大规模的枯竭 气藏，2030以后才能发挥显著的减排贡献。 • 我国大规模实施该技术的主要障碍，目前主要是大规模气 田还没有进入枯竭时期，但存在小型枯竭气田可作为技术 研发的依托，需要政府提供研发资金的支持。
Ø
Ø
EGR（Enhance Gas Recovery） 纵向示意图
CO2-EGR现场试验项目
• CO2强化采气技术处于技术示范的初期到中期水平，包括 荷兰的K12-B项目、德国的CLEAN项目和美国在Rio Vista 气田开展的注气项目。目前公布的试验结果较少，但一些 实验已初步证明应用该技术提高天然气采收率的同时可以 封存CO2
CO2驱水技术（CO2-EWR：CO2 Enhanced Water Recovery） 是指将CO2注入深度800m以下，矿化度（TDS）>10g/L的深 部咸水/卤水层，驱替地下深部的高附加值液体矿产资源（例如， 锂盐、钾盐、溴素等）或深部水资源，加以综合开发和利用的 一种新型CCUS技术。 CO2驱水技术主要包括两类：（1）利用CO2驱替高附加值液 体矿产资源技术或CO2驱替卤水技术；（2）利用CO2驱替深 部咸水并淡化利用技术或CO2驱替咸水技术。