将二氧化碳“扣”在海底“巨碗”下

2023-07-06 16:01:02 来源：科技日报

科技日报记者何亮

深圳西南约200公里，南海东部海域，碧海蓝天之间，一抹明艳的黄色分外显眼。从空中俯瞰，矗立于此的恩平15-1平台像一个“巨无霸”，与海浪波涛进行着“搏击”。

(相关资料图)

这是亚洲最大的海上原油生产平台，拥有我国首个海上二氧化碳封存示范工程项目。

近日，随着高碳原油生产井、生产处理系统、二氧化碳压缩机及分子筛脱水橇等设备依次启动，油田开发伴生的二氧化碳被捕获、分离、加压至气液混合的超临界状态，并通过一口回注井被注入海底地层深处，实现稳定封存。

这标志着我国首个海上二氧化碳封存示范工程投用，也意味着我国已拥有海上二氧化碳捕集、处理、注入、封存和监测的全套技术和装备体系。我国海上二氧化碳封存技术的空白由此得到填补。

给二氧化碳找个“新家”

“恩平15-1油田是我国南海首个高含二氧化碳油田，其二氧化碳含量高达95%，预计累产气约8.3亿方。”作为恩平油田的主要勘探者，中国海洋石油集团有限公司副总地质师兼研究总院董事长、总经理米立军告诉科技日报记者，2016年油田被成功发现时，二氧化碳含量的浓度震惊了所有人。

在海洋油气钻探开发过程中，通常会有一些伴生气，二氧化碳便是伴生气的重要组分之一。常规海洋油气资源开发时，伴生气中二氧化碳的含量在20%—30%。恩平15-1油田尤为特别，因为特殊的地壳条件，油藏上部有一个气顶，且二氧化碳含量极高，在原油开采过程中，如果不加干预，这些二氧化碳就会“逃”出地层。

米立军告诉科技日报记者，据测算，恩平15-1油田一共会产生约150万吨二氧化碳。若按照传统方式进行开发，二氧化碳将随原油一起被采出地面，不仅对海上平台设施和海底管线等造成腐蚀，还将增加我国二氧化碳排放量。

在“双碳”背景下，技术团队希望将这些“逃”出来的二氧化碳捕集起来，并通过一系列技术手段，重新回注到海底地层深处，实现永久封存。

要实现这一目标，首先要做的是给二氧化碳找一个合适的“家”。米立军表示，在距离恩平15-1平台约3公里外、海床800米之下的岩层中，技术人员找到一个“穹顶”式地质构造。该种地质构造仿佛一个倒扣在地底下的“巨碗”，不仅存储量大，而且自然封闭性强，能够长期稳定地罩住二氧化碳。

找到合适的二氧化碳“安家”之地，还需要建设一条通往海底“巨碗”的路——回注井，以此连通地上与地下。而且，“逃”出来的二氧化碳并不会从伴生气中自动分离，需要人为进行捕集、分离、脱水、加压等一系列工序处理。

“当二氧化碳被加压到11兆帕时——相当于指甲盖上压了一个110公斤的重物，二氧化碳恰好处于超临界状态。”米立军告诉科技日报记者，此时的二氧化碳是气液混合态。将超临界状态下的二氧化碳注入海底，整个过程只需要20分钟左右。

贯通二氧化碳的“回家”通道

在恩平15-1平台的尾部甲板，我国首个海上二氧化碳封存示范工程的封存模块静置于此。这是一个重约750吨的大装置，分子筛、冷却器、压缩机，以及层层叠叠的各路管道，在有限的空间里有序排布。

“技术团队研制了首套复合材料二氧化碳分子筛脱水橇、适用于海洋高湿高盐环境的首套超临界大分子压缩机、用于防止二氧化碳腐蚀的低密度固井水泥浆……”谈起海上二氧化碳封存项目的工程技术创新，米立军如数家珍。他告诉记者，为了将二氧化碳安全长效地回注、封存，科研团队攻克了诸多难题。

首先是超远距离回注井的“贯通”。二氧化碳的目的地——海底“巨碗”在海床下800米，但距离平台却有3公里远，水垂比大。这意味着，每向下增加1米的深度，水平方向就要前进3米以上。与此同时，途经区域地层又很“软”，“娇气”得像豆腐块一样，容易破裂，无法为钻具提供有效支撑。钻具在地层中掘进，完全“水土不服”。

为此，项目工程从常规钻井的三分段优化为四分段，采用4种不同尺寸的钻头，缩短每段管柱前进的距离。同时，还创新采用低温流变性稳定钻井液，有效支撑井壁、润滑井眼，让钻进之路畅通无阻。

除此之外，抵抗二氧化碳的“腐蚀”是回注井必须攻克的难题。当二氧化碳遇水，会产生碳酸，对回注“通道”的钢材和水泥产生严重腐蚀。“通道”一旦受到破坏，就有泄漏二氧化碳的风险。

“技术团队在室内开展实验研究，发现在管材中加入微量元素铬（Cr），管材的防腐能力可得到很大提升，而且防腐固井水泥浆的成功研制，能很好防止二氧化碳的腐蚀。”米立军告诉记者，这些技术成果确保回注井在长达几十年的注入期内拥有“金刚不坏之身”。

为千万吨级海上碳封存“探路”

恩平15-1平台海上二氧化碳封存项目，在高峰期时，一年可封存二氧化碳30万吨。米立军表示，平台全开采周期所产生的150万吨二氧化碳，绝大部分将注入海底“巨碗”，深“埋”其中，其减碳规模相当于植树近1400万棵，或停驶近100万辆轿车。但是，这样的减碳规模在全国的二氧化碳捕集、利用与封存领域并不突出，为何要布局建造？米立军一言以蔽之，“这一项目的主要作用是应用示范。”

他表示，恩平15-1平台的二氧化碳封存项目就像一块试验田，它的成功投用，不仅实现了我国海上二氧化碳封存领域从无到有的重要突破，也为后续工作提供了思路，奠定了未来“岸碳入海”的技术支撑和现实条件。

在我国，与恩平15-1油田相似的海域沉积盆地分布广、地层厚度大、圈闭多，具备二氧化碳封存的良好地质条件。今年1月份，自然资源部首次发布海上二氧化碳地质封存潜力评价结果，预测封存量达2.58万亿吨，约是2022年我国二氧化碳排放总量的200倍以上。

而且，中国海洋石油集团有限公司已经在广东惠州启动我国首个千万吨级碳捕集、利用与封存集群项目，未来将捕集大亚湾地区排放的二氧化碳，通过管道、船舶等方式输送到海上进行封存。米立军告诉科技日报记者，与陆地相比，海域封存的安全与经济优势非常明显。万一海上封存突发泄漏，凭借海水阻隔，二氧化碳首先会被大量海水稀释、溶解，即便有少量进入大气，也会在海风作用下快速消散，不会危及人类安全。

更为关键的是，我国东部沿海地区是二氧化碳排放大户。海洋封存成为解决东部沿海地区经济发展与实现碳减排目标矛盾的必然选择。

“恩平15-1平台封存1吨二氧化碳的成本大约600元，与国际700元的碳价相比仍具有价格优势。”米立军直言，当前我国还没有相关碳税政策和清晰的商业模式，如果国家相关政策可以加速跟上，在技术进步和降本增效的加持下，海上二氧化碳封存的前景将十分可观。

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