二氧化碳羽流地热系统的碳封存经济分析

二氧化碳羽流地热：二氧化碳羽流地热系统（CPGS）在取热的同时可实现 CO2地质封存，在碳达峰与碳中和背景下，CPGS 碳封存的经济性是众多学者关注的要点。

二氧化碳羽流地热系统的碳封存经济分析

• 摘要
  • 研究目的
    • 二氧化碳羽流地热系统（CPGS）在取热的同时可实现 CO2地质封存，在 碳达峰与碳中和背景下，CPGS 碳封存的经济性是众多学者关注的要点。
  • 研究方法
    • 松辽盆地泉头组，采用数值模拟方法对比分析了注入压力、井间距与回注温度对热提取率的影响，在供暖情景下，计算了 CPGS 供暖效益与碳封存成本，并与常规水热型地热系统供暖效益进行了对比。
  • 研究结果
    • 受携热介质转变与热突破影响，CPGS 开采井温度呈现“降低-稳定-降低”的趋势，其中井间距对开采井温降影响显著，井间距越小开采井温降越明显；热提取率与回注压力呈现正相关性，与回注温度呈现负相关性，井间距对热提取率影响不显著；CPGS 与常规水热型地热系统相比，采热量呈现“高-低-高”三个阶段，其中回注压力越小、回注温度与储层温度越接近，实现 CPGS 较水介质多采热能所需的时间越短。
  • 结论
    • 仅考虑 CO2价格与取热效益，供暖收益抵消部分碳封存成本后，井间距对 CO2 封存单位成本影响最为显著，井间距越小，CO2封存单位成本降低越迅速，在注采井间距 300m 条件下，持续开采 30 年后 CO2封存单位成本可降至 160 元/吨。
• 井间距、注入压力与回注温度对热提取率的影响
  • 井间距对热提取率的影响
    • 在开采井温降差别明显条件下，井间距对热提取率与总产出热能影响却并不显著，这是因为二氧化碳低粘滞系数导致小井间距循环流量增加，在恒压注采条件下流体总携带热能相差不大
  • 注入压力对热提取率的影响
    • 回注压力对热提取率、总开采热能与开采井温降均影响明显。各回注压力条件下运 行 1 年后开采井温度均开始下降，运行 5 年后温降至 98.5℃并保持相对稳定，该现象产生的主要原因为该过程中 CO2 驱替液态水，生产井的载热流体 CO2 增加，在其运移至地表过程中，因压力降低引发体积膨胀吸热，从而引起开采井温度低；
  • 回注温度对热提取率的影响
    • 不同回注温度对开采井温降影响不明显，受携热介质转变与热突破影响，温降均呈现“降低-稳定-降低”的趋势 不同回注温度对热提取率与总开采热能影响较大，回注温度越低，热提取率与总开采热能越大。
• CPGS 与常规水热型地热系统供暖效益对比
  • 井间距对 CPGS 较水热多采热能影响
    • 图中以 CPGS 较水热多采热能为 0 为分界，可将取热过程分为三阶段，第一阶段为 CPGS较水热多采热能阶段，该阶段持续时间较短，现象产生的主要原因为同体积超临界 CO2替换同体积咸水等温回注，回注的 CO2 热焓较咸水低所导致；第二阶段为 CPGS 较水热少采热能阶段，该过程为超临界 CO2 驱替咸水实现 CO2 地质封存，采热量降低主要为超临界 CO2 携热量较咸水低所导致；第三阶段为 CPGS 较水热多采热能阶段，主要原因为超临界 CO2 粘滞系数低，循环流量增加导致的。
    • 其中井间距越大，CPGS 较水热多采热能随时间变化越趋于平缓，推测为超临界 CO2驱替咸水致使封存 CO2容量变大所引起。
  • 注入压力对 CPGS 较水热多采热能影响
    • 子随回注压力增加，实现 CPGS 较水热多采热能所需的时间更长 同时随回注压力增加，CPGS 较水热多采热能随时间变化越剧烈，后期 CPGS 取热效率增加也更显著，在井间距相同情况下表明 CO2 循环速率越大。
  • 回注温度对 CPGS 较水热多采热能影响
    • 减小，实现 CPGS 较水热多采热能所需的时间呈指数缩减。模拟后期 CPGS 较水热多采热能增速相近，表明该阶段回注温度对热提取率影响极小。 注温度与储层温度越接近，实现 CPGS 较水热多采热能所需的时间越短，且随回注温度与储层温差的
• CPGS 碳封存经济分析
  • 井间距对 CPGS 碳封存经济影响
    • 碳封存的经济性是大规模开展 CCUS，进而实现碳中和目标的关键 井间距对 CO2封存单位成本影响极大，在回注温压相同条件下，井间距越小，CO2 封存单位成本降低越迅速
  • 回注压力对 CPGS 碳封存经济影响
    • 回注压力越大，CO2 封存单位成本随时间降低越迅速，但不同回注压力条件下变化并不显著
  • 回注温度对 CPGS 碳封存经济影响
    • 回注温度越低，CO2封存单位成本随时间降低越迅速，但不同回注温度条件下变化不显著。
• 结论：（1）受携热介质转变与热突破影响，二氧化碳羽流地热系统（CPGS）开采井温度均呈现“降低-稳定-降低”的趋势，其中井间距对开采井温降影响最为显著，井间距越小开采井温降越明显。 （2）二氧化碳羽流地热系统（CPGS）中，热提取率与回注压力呈现正相关性，与回注温度呈现负相关性，井间距对热提取率影响并不显著，这是因为 CO2低粘滞系数导致小井间距循环流量增加，在恒压注采条件下流体总携带热能相差不大。 （3）二氧化碳羽流地热系统（CPGS）与常规水热型地热系统相比，采热量呈现三个阶段，第一阶段为 CPGS 较水热多采热能阶段，该阶段持续时间较短，现象产生的主要原因为同体积超临界 CO2 替换同体积咸水等温回注，回注的 CO2 热焓较咸水低所导致；第二阶段为CPGS 较水热少采热能阶段，该过程中超临界 CO2 驱替咸水实现 CO2 地质封存，采热量降低主要为超临界 CO2 携热量较咸水低所导致；第三阶段为 CPGS 较水热多采热能阶段，主要原因为超临界 CO2粘滞系数低，循环流量增加导致的。 （4）模拟了不同井间距、回注压力与回注温度条件下，二氧化碳羽流地热系统（CPGS）较水热多采热能的影响，其中井间距越大，CPGS 较水热多采热能随时间变化越趋于平缓；回注压力越大，实现 CPGS 较水热多采热能所需的时间越长，CPGS 较水热多采热能随时间变化越剧烈；回注温度与储层温度越接近，实现 CPGS 较水热多采热能所需的时间越短。 （5）在取热供暖情景下，仅考虑 CO2 价格与取热效益，供暖收益抵消部分碳封存成本后，计算不同井间距、回注压力与回注温度条件下 CPGS 碳封存单位成本，其中井间距对 CO2封存单位成本影响极大，井间距越小，CO2封存单位成本降低越迅速，在注采井间距 300m 条件下，持续开采 30 年后 CO2 封存单位成本可降至 160 元/吨；CO2 封存单位成本与回注压力呈正相关性，与回注温度呈负相关性，但变化均不显著。
• 为抵消部分碳封存成本：CO2 羽流地热系统概念（CPGS），其以深部咸水层和废弃油气田为目标热储，将 CO2注入储层作为取热媒介，被注入的超临界 CO2在地层空隙中呈羽状扩散、渗透、运移，同时被深部高温岩体加热，携带高热能的 CO2通过开采井被运输至地表用于供暖或发电，冷却的 CO2重新回注到地下。该过程可同时实现 CO2地质储存与资源化利用。