[发明专利]用于在地质构造中埋存流体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及流体的地质埋存，尤其涉及水溶性气体、例如CO₂和其它温室气体在含水地质构造中的埋存。

背景技术

本发明要求申请日为2009年3月11日的美国专利申请61/159,335、以及申请日为2009年4月28日的美国专利申请61/173,301的权益，这两个申请的全部内容都以引用的方式纳入本申请。

人类的活动影响了大气中温室气体的水平，而据信这又反过来影响到全世界的气候。大气中温室气体浓度的变化会改变气候系统的能量平衡，而人为导致的温室气体浓度的增加很可能是引起自二十世纪中叶以来全球平均温度上升的最主要原因。地球上最充足的温室气体包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧和氯氟碳。而其中人类工业活动产生最多的便是二氧化碳。

对于永久性贮存二氧化碳，已设想出种种策略。这些形式包括：将气体埋存在各种深层地质构造中（包括咸水含水层和废气田）、液态贮存于海洋中、以及通过使CO₂与金属氧化物发生反应来形成稳定的碳酸盐的方式进行固态贮存。

在称为“地质埋存”（geo-sequestration）的方法中，CO₂通常以超临界（SC）形式直接注入地下地质构造中。已提出的作为贮存地点的有：油田、气田、咸水含水层、不可开采煤层和咸水填充的玄武岩构造。设计各种物理的（例如高度防渗性盖岩）、可溶性和地理化学诱捕机构，以防止CO₂逃逸至地表。地质埋存也能用于其它适合的气体。

咸水含水层含有高度矿化的卤水，迄今被认为对人类几乎无益。在少数情况下，将咸水含水层用于贮存化学废物，也尝试过利用这种含水层来埋存CO₂。咸水含水层最主要的优点是其高的潜在贮存量和普遍的存在。而将咸水含水层实际用于这一目的的一个不利之处在于，相对来说目前人们对咸水含水层所知甚少。CO₂泄漏回至大气中可能是咸水含水层贮存中的一个问题。然而，当前的研究显示，各种诱捕机构将二氧化碳固化在地下，降低了泄漏的风险。

能放置于多孔构造、例如咸水含水层中的浓度最大的CO₂是处于超临界态的CO₂——在此称SC-CO₂。多数埋存计划都建立在注入这种超临界态CO₂的基础上，在这种状态下，物质表现为相对密集的可压缩液体，其粘度极低，远低于任何形式的液体。其目的是以SC-CO₂替代咸水含水层中大多数水或全部的水，100%地取代或部分地取代其多孔特性。

这种地质埋存策略的一个突出例子是挪威石油和天然气公司StatoilHydro 所运作的Sleipner项目（Sleipner project），该项目从附近气井所采集的天然气中分离CO₂（含量为4% 到9.5 %）。所分离的CO₂转化为超临界形式（SC-CO₂），并注入称为Utsira 构造的咸水沙层，这种构造位于海底1000米下。正进行各种地震勘察，来研究这种CO₂贮存能否保持安全。

将气态CO₂（即，不是临界态的）注入地下构造中并以最大溶解限度溶解在水溶液中，这是一种过去提出的、成功过的埋存这种气体的理想方式。在本发明之前，通过溶解于地质构造内水溶液的方式埋存CO₂的一个问题是，对构造中孔隙容积的占有率远低于注入SC-CO₂时的对孔隙容积的占有率。一旦完成主动注入阶段，在孔隙介质内将不会有主动混合。因此，CO₂在构造层水中的溶解受浓度差异、接触面积和扩散路径长度的控制。与多孔介质中这种浓度梯度-驱动扩散过程相关的传质速率是慢的，预计将需要数千年的时间来达到地质构造内CO₂在水相中的充分溶解。

即便是注入SC-CO₂，也存在这种“低混合、长期浓度梯度扩散”问题。在为SC-CO₂埋存而设计的高速率注入时，所述SC-CO₂将首先取代水，并直接占据孔隙空间，只在驱替前缘有少量的对流性分散产生的混合。随着SC-CO₂的注入，两种液体之间产生增大的接触面积，并形成溶解地带。SC-CO₂因而开始沿着该接触区域逐步溶解在咸水中，很大程度上是压力驱动流（来自在压力下注入SC-CO₂）引起的强迫对流带来的扩散和分散的结果。