способ захоронения техногенного диоксида углерода дымовых газов

Формула изобретения

1. Способ захоронения техногенного диоксида углерода дымовых газов, заключающийся в том, что проводят бурение не менее одной нагнетательной скважины, вскрывающей верхнюю часть водоносного пласта, и не менее одной добывающей скважины, вскрывающей нижнюю часть водоносного пласта, закачивают дымовой газ в нагнетательную скважину, проводят отбор из добывающей скважины образованной смеси воды и газа, очищенного от диоксида углерода, с последующей сепарацией газа от воды и его утилизацией.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что закачивание дымового газа чередуют с закачиванием воды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дымовой газ закачивают в виде водогазовой смеси при содержании воды в смеси не менее 10 об.%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отбор образованной смеси воды и газа, очищенного от диоксида углерода, ведут до содержания диоксида углерода в сепарированном газе не выше 10% от его концентрации в исходном дымовом газе.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что закачивание дымового газа проводят до достижения предельного давления, определяемого техническими параметрами используемого оборудования и параметрами водоносного пласта.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что утилизацию очищенного газа проводят путем сброса очищенного газа в атмосферу или использования его в технических целях.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что бурение добывающей скважины проводят на удалении не менее 50 м от нагнетательной скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам захоронения парниковых газов, производимых тепловыми электростанциями, теплоэлектроцентралями и другими стационарными источниками газообразных продуктов сгорания минерального топлива, в частности к способам захоронения техногенного диоксида углерода дымовых газов.

Известен способ секвестрации парниковых газов путем закачивания в истощенные нефтяные коллектора с получением положительного эффекта от добычи нефти.

(Улавливание и хранение двуокиси углерода. Специальный доклад МГЭИК, 2005. ISBN 92-9169-419-3.)

Недостатком известного способа является его низкая эффективность, обусловленная большими затратами на выделение и концентрирование диоксида углерода из дымового газа, соблюдение мер безопасности при транспортировке и закачивании агрессивного флюида в ловушку, возможностью прорыва секвестрируемого газа в атмосферу через негерметичности старых скважин и с добываемой нефтью.

Известен способ разработки нефтяных коллекторов с использованием для добычи нефти дымового газа, что позволяет производить секвестрацию парниковых газов.

(Taber J.J., Martin F.D., Seright R.S. EOR screening criteria revisited - Part 2: Applicahion and impact of oil prices. SPERE, August 1997, p.199-205.)

Недостатком известного способа является его низкая эффективность, связанная с низкой нефтевытесняющей способностью дымового газа, быстрым его прорывом к добывающим скважинам и техническими трудностями при осуществлении известного способа.

Известен способ разработки нефтегазовых залежей с использованием в качестве газового агента дымового газа, что позволяет утилизировать и хранить парниковые газы (RU № 97114681, 1997).

Недостатком известного способа является его низкая эффективность, связанная с потерей запасов углеводородного газа в результате смешения с закачиваемым в газовую шапку дымовым газом, большие затраты на транспорт и закачивание дымового газа, большая удаленность большинства нефтегазовых месторождений от крупных источников парниковых газов.

Наиболее близким к изобретению является способ секвестрации техногенного диоксида углерода путем закачивания его через скважины в глубокозалегающие водяные пласты (Приложение к газете Коммерсантъ. К.Х.Робберстад. Вредный газ вернется в пласт. - Statoil Magazin: Коммерсантъ Business Guid № 109, 20.06.06. - С.27).

Недостатки известного способа заключаются в низкой эффективности, обусловленной большими затратами на выделение и концентрирование диоксида углерода, в частности, из дымового газа, а также необходимостью соблюдения мер безопасности при транспортировке и закачивании агрессивного флюида в ловушку.

Задача изобретения заключается в повышении эффективности способа захоронения техногенного диоксида углерода дымовых газов.

Поставленная задача достигается описываемым способом захоронения техногенного диоксида углерода дымового газа, заключающимся в том, что проводят бурение не менее одной нагнетательной скважины, вскрывающей верхнюю часть водоносного пласта, и не менее одной добывающей скважины, вскрывающей нижнюю часть водоносного пласта, закачивают дымовой газ в нагнетательную скважину, проводят отбор из добывающей скважины образованной смеси воды и газа, очищенного от диоксида углерода, с последующей сепарацией газа от воды и его утилизацией.

При этом закачивание дымового газа чередуют с закачиванием воды.

Дымовой газ возможно закачивать в виде водогазовой смеси при содержании воды в смеси не менее 10% об.

Отбор образованной смеси воды и очищенного от диоксида углерода газа ведут до содержания диоксида углерода в сепарированном газе не выше 10% от его концентрации в исходном дымовом газе.

Целесообразно закачивание дымового газа проводить до достижения предельного давления, определяемого техническими параметрами используемого оборудования и параметрами водоносного пласта.

Утилизацию очищенного газа целесообразно проводить путем сброса очищенного газа в атмосферу или использования его в технических целях.

Предпочтительно бурение добывающей скважины проводят на удалении не менее 50 м.

Технический результат заключается в исключении затрат на выделение из дымового газа диоксида углерода и его концентрирование, уменьшении затрат и риска при транспорте и закачивании выделяемого диоксида углерода, увеличении количества и емкости ловушек для секвестрации парниковых газов.

Процесс секвестрации парниковых газов при хранении в известном способе включает ряд энергозатратных операций, среди которых наибольшее значение имеют:

- подготовка газообразных продуктов горения минерального топлива к секвестрации, выделение и концентрирование диоксида углерода;

- транспорт концентрированного диоксида углерода к ловушке;

- закачивание концентрированного диоксида углерода в ловушку;

- контроль за хранением и предотвращение утечек диоксида углерода в атмосферу.

Используемая технология позволяет избежать расходов на выделение и концентрирование диоксида углерода. Очистка газа от диоксида углерода происходит за счет растворения в воде при движении флюида в пласте. Выделение диоксида углерода и его захоронение происходит одновременно, в одну стадию.

Описываемый способ позволяет существенно снизить затраты и риски при осуществлении секвестрации парниковых газов, что повышает эффективность процесса.

Водоносные горизонты большой емкости и высокой проницаемости (например, сеноманский горизонт в Западной Сибири, сакмаро-артинский горизонт в Урало-Поволжье, формация Слейпер в Северном море и т.д.), т.е. те пласты, в которые можно закачивать парниковые газы без отбора флюидов, распространены не повсеместно и часто располагаются на значительных глубинах.

Использование описываемого способа позволяет использовать в качестве ловушек относительно небольшие по размерам изолированные водоносные пласты (линзы), т.к. одновременный отбор и закачивание флюидов позволяет поддерживать давление нагнетания на приемлемом уровне и увеличивает емкость гидрологически замкнутых ловушек. Увеличение числа ловушек для захоронения парниковых газов снижает затраты на транспорт газа.

Транспорт концентрированного диоксида углерода (в жидком или сверхкритическом состояниях) требует дорогостоящих трубопроводных систем из высоколегированных сталей, рассчитанных на высокие давления. Авария на подобном трубопроводе может привести к серьезным последствиям. Транспортировку дымового газа можно осуществлять при низких давлениях, утечки дымового газа не могут привести к гибели людей и животных. Для закачивания инертного дымового газа требуется достаточно простое компрессорное оборудование. По предлагаемому способу закачивание дымового газа можно осуществлять в виде водогазовой смеси насосно-бустерными агрегатами, что позволяет снизить давление нагнетания, замедляет прорыв газа к добывающим скважинам и повышает эффективность процесса секвестрации.

В ходе осуществления процесса по заявляемому способу первоначально производят отбор воды, затем воды и очищенного газа одновременно. Отбор воды и очищенного газа повышает емкость ловушки для диоксида углерода. Попутно добываемую воду возможно использовать для закачивания в добывающие скважины в виде оторочек для выравнивания движения фронта газа в пласте ловушки и для приготовления водогазовых смесей. Продолжение нагнетания газа после прекращения отбора флюидов из ловушки также позволяет увеличить емкость ловушки (за счет увеличения растворимости газов в воде), что повышает эффективность процесса секвестрации парниковых газов.

Способ выделения из дымового газа и захоронения техногенного диоксида углерода осуществляют следующим образом.

Ловушку разбуривают вышеописанным образом. Желательно проводить закачку в разрезающий ряд или группу скважин, вскрывающих верхнюю часть коллектора ловушки. Добывающие скважины располагают предпочтительно на удалении не менее 50 м от нагнетательных скважин. Возможно постепенно пробурить несколько рядов добывающих скважин с расстоянием между рядами скважин не менее 50 м.

Устья скважин оборудуют необходимым устьевым оборудованием, устанавливают компрессоры и водяные насосы или насосно-бустерные агрегаты, а выкидные линии подключают к газовому сепаратору. Начинают закачивание дымового газа или его смесей с водой в нагнетательные скважины и отбор флюидов (смеси воды и очищенного от диоксида углерода газа) из нагнетательных скважин, регулируя процесс отбора таким образом, чтобы фронт движения газа в пласте был максимально равномерным. После прорыва газа в продукцию добывающих скважин проводят постоянный мониторинг содержания диоксида углерода в составе газа и останавливают отбор из скважины, когда концентрация диоксида углерода превысит 10% от начальной концентрации в дымовом газе. По мере вывода из эксплуатации добывающих скважин в работу вводят более удаленные от нагнетательных скважин новые добывающие скважины (если пробурено несколько рядов добывающих скважин).

После того как фронт газа прошел через первый ряд добывающих скважин, они могут быть переведены под нагнетание. При необходимости внизу переведенных под нагнетание скважин устанавливают мост, отсекающий нижние интервалы коллектора ловушки. Одновременно часть старых добывающих скважин может быть выведена из эксплуатации, переведена в наблюдательные или ликвидирована.

После того как отбор флюидов будет полностью прекращен, давление в ловушке поднимают до максимального возможного значения.

Механизм действия способа заключается в следующем. Закачиваемый дымовой газ контактирует с водой водонасыщенного пласта, и диоксид углерода растворяется в воде. По мере движения газа от нагнетательной к добывающей скважине газ очищается и может быть выпущен в атмосферу или использован в качестве инертного технического газа. Отбор флюидов (воды и очищенного от диоксида углерода газа) увеличивает емкость ловушки, т.к. секвестрируемый газ будет находиться не только в растворенном виде, а также в виде газа в верхней части ловушки. Закачка оторочек воды или дымового газа в виде водогазовой смеси замедляет прорыв газа к добывающим скважинам, позволяет выровнять фронт его движения в пласте.

Способ иллюстрируется примером, не ограничивающим его.

Пример

Крупнейшим источником эмиссии СО₂ в стране является Московский регион. В окрестностях Москвы имеется несколько глубокозалегающих водоносных горизонтов, относящихся к щигровскому и ряжскому горизонтам девонских отложений. В качестве водоносного пласта - ловушки для хранения СО₂ - можно использовать поднятия, относящиеся к щигровскому и ряжскому горизонтам девонского возраста.

Вышеуказанные горизонты сложены песчаниками серого и светло-серого цвета, содержат слабосцементированные зерна в основном размером 0,25-1 мм. Мощность горизонтов составляет 9-21 м и более. Открытая пористость составляет 0,11-0,30 (среднее значение 0,20), проницаемость составляет 0,5-3 мкм. Таким образом, щигровский и ряжский горизонты относятся к коллекторам высокого класса и сложностей с нагнетанием дымового газа и водогазовых смесей в пласт не может быть. Ряжский и щигровский горизонты надежно перекрыты непроницаемыми для газа и воды глинистыми породами общей толщиной более 100 м.

Так как плотность секвестрируемого дымового газа меньше плотности воды, то в качестве ловушек можно использовать ловушку замкнутого типа, приуроченную к Егорьевскому поднятию. Емкость Егорьевской ловушки в щигровских песчаниках оценивается в 12, а в ряжском горизонте в 14 млрд. м³. Глубины соответствующих горизонтов (по своду) составляют соответственно 850 и 1150 м.

У верхней отметки сводовой части водоносного пласта ряжского горизонта бурится нагнетательная скважина, которая вскрывает верхнюю часть пласта. На удалении 100-150 м от нагнетательной скважины бурится 4 добывающие окружающие скважины, которые перфорируют в нижней части водоносного пласта ряжского горизонта. В нагнетательную скважину с помощью насосно-бустерного агрегата закачивают дымовой газ в смеси с водой.

Используют дымовой газ, поступающий со стационарного источника парниковых газов (тепловой электростанции, ТЭЦ и т.п.). Одновременно из окружающих скважин отбирается вода с таким расчетом, чтобы компенсировать объем закачиваемой водогазовой смеси не менее чем на 80%. Закачиваемая водогазовая смесь содержит 60-90% дымового газа и 40-10% воды (приведенных к пластовому давлению). Для приготовления водогазовой смеси может быть использована вода, добываемая из пласта добывающими скважинами.

После того как в продукции добывающей скважины появляется газ, темп отбора жидкости из нее уменьшают, чтобы выровнять фронт движения газа в пласте, а также приступают к постоянному мониторингу состава газа. Скважину останавливают после того, как содержание диоксида углерода в отбираемом газе достигнет 10% от концентрации диоксида углерода в исходном дымовом газе. После того как все добывающие скважины будут остановлены из-за повышенной концентрации диоксида углерода, нагнетание дымового газа (или его смеси с водой) продолжают до тех пор, пока давление нагнетания не достигнет предельного значения. Предельное значение давления определяется как минимально допустимое давление для использованного насосного оборудования, трубопроводов и запорной арматуры, или для использованной конструкции скважины, или для покрывающих ловушку пород.

В дальнейшем возможны два варианта продолжения работ по хранению парниковых газов в ловушке.

Первый вариант. Бурятся новые добывающие скважины, удаленные на 100-150 м от старых добывающих скважин. Остановленная нагнетательная скважина ликвидируется или переводится в наблюдательную. В нижних интервалах всех добывающих скважин устанавливаются отсекающие мосты и перфорируются верхние интервалы щигровского горизонта. После чего эти скважины переводятся под нагнетание и процесс повторяют.

Второй вариант. В нижних интервалах скважин устанавливаются мосты, отсекающие щигровский горизонт. Скважины перфорируют в интервале ряжского горизонта по ранее описанной схеме и процесс повторяют.

Таким образом, описываемый способ позволяет повысить эффективность процессов выделения и захоронения техногенного диоксида углерода, в частности исключить затраты на выделение из дымового газа диоксида углерода и его концентрирование, уменьшить затраты и риск при транспорте и закачивании выделяемого диоксида углерода, увеличить количество и емкости ловушек для секвестрации парниковых газов.