目的监测
监控需要各种各样的目的。具体来说,监控可用于:
•确保和文档有效注入井控制,专门为监测注入井的条件和测量注入率、井口,形成压力。石油工业的经验表明,从注入井本身泄漏,造成不当完成或恶化的套管,包装工队或水泥,是一个最重要的潜在失效模式注入项目(应用程序,2005;佩里,2005);
•验证所注入的二氧化碳量存储的各种机制;
•优化存储项目的效率,包括利用存储体积,注入压力和钻井新注水井;
•演示用适当的监测技术,二氧化碳仍包含在目标存储形成(年代)。这是目前保证二氧化碳的主要方法仍然可以验证存储和性能预测;
•检测泄漏和提供早期预警的任何渗漏或泄漏,可能需要缓解行动。
除了监控战略的基本要素,其他参数可用于优化存储项目,处理意外泄漏和解决监管、法律和社会问题。其他重要用途监控包括评估的完整性堵塞或废弃的井,校准和确认性能评估模型(包括“历史匹配”),建立基线参数存储网站以确保CO2-induced变化是公认的(威尔逊和Monea, 2005),检测微震动与存储相关的项目,测量表面通量的二氧化碳和设计和监测补救活动(Benson et al ., 2004)。
进行有效监测地下存储之前,必须采取一个基线调查。这个调查为随后的调查提供了比较的意义。地震和其他遥感技术尤其如此,液体二氧化碳的饱和识别是基于比较分析。地球化学基线监控也是一个先决条件监控、异常在哪里发现相对于背景浓度。此外,建立一个基线生态系统循环的二氧化碳造成的二氧化碳通量,日和年周期,有助于区分自然流量和潜在的存储相关的版本。
下面描述的监测技术在很大程度上是为应用程序开发在石油和天然气工业。这些技术可以应用在所有类型的监控存储项目地质结构,虽然还有待了解监测煤岩层。监测的经验bet雷竞技 存储在盐碱含水层也可以提供一个有用的工业模拟。
在大多数注水井井口附近的管道通过孔表面。井下压力测量是常规,但用于注入井测试或在特殊情况下,表面测量井下压力不提供可靠的信息。各种压力传感器是可用的和适合监测井口或形成压力。连续数据是可用的,通常传输到中央控制室。表面压力表通常连接到关闭阀门,停止或减少注射如果压力超过预定的安全阈值或如果有压力降低的泄漏。实际上,表面压力可以用来确保井下压力不超过阈值的储层破裂压力。相对最近的创新、光纤压力和温度传感器,是商用。光纤电缆降低到井,连接到传感器和提供实时地层压力和温度测量。这些新系统预计将提供更可靠的测量和控制。
当前状态的技术不仅仅是足以满足需要监测注入率、井口,形成压力。结合温度测量,收集到的数据将提供二氧化碳的状态信息(超临界、液体或气体)和精确测量CO2注入量的库存,报告和验证,以及模型的输入。Weyburn项目,例如,气流也分析确定二氧化碳中的杂质,从而使计算量的二氧化碳注入。
5.6.2技术监测注入率和压力
5.6.3技术监测地下二氧化碳的分布
测量二氧化碳注入率是一种常见的油田实践和工具为这个目的是商业上可用。测量是由仪表导管注射井口或附近的分布。典型的系统使用孔米或其他设备相关的压力降穿过设备的流量。测量的准确性取决于许多因素描述一般的明日et al。(2003)和专门为二氧化碳,赖特和Majek (1998)。二氧化碳,准确估计的密度是最重要的为提高测量精度。小的变化在温度、压力和组成可以有大对密度的影响。赖特和Majek(1998)开发了一个油田CO2流量系统通过结合压力、温度与气相色谱法和压差测量。提高系统的准确性为0.6%,而常规系统的8%。测量精度标准各不相同,通常是由政府或行业协会建立的。例如,在美国,目前的审计实践CO2-EOR接受流量计精度±4%。
测量表面和注射压力的形成也例行公事。压力表安装
大量的技术可以用来监测二氧化碳在地下的分布和迁移。表5.4总结了这些技术,以及他们如何可以应用于二氧化碳存储项目。这些技术的适用性和灵敏度是有些特定站点。详细描述,包括限制和分辨率,提供了部分5.6.3.1 5.6.3.2。
5.6.3.1直接监测二氧化碳的技术移民直接监测技术目前在可用性是有限的。在二氧化碳注入三次采油,注入的二氧化碳通过水库在异构的方式传播,由于储层渗透率变化的(支持et al ., 2003)。CO2-EOR而言,一旦二氧化碳达到生产井,其产生的体积很容易确定。对于Weyburn,注入二氧化碳的碳同位素组成不同的储层中碳(Emberley et al ., 2002),所以二氧化碳的分布可以确定生产总值(gdp)的基础上通过评估引入二氧化碳在不同生产井的到来。与多个注水井在任何产地,二氧化碳的到来可以给一般分布在水库的迹象。
测量技术 |
测量参数 |
示例应用程序 |
介绍和天然示踪剂 |
旅行时间 分区的二氧化碳到盐水或油识别来源的二氧化碳 |
跟踪运动的二氧化碳存储形成量化溶解度捕获跟踪泄漏 |
二氧化碳,hco3 -, co32 - 主要的离子微量元素盐度 |
量化溶解度和矿物捕获量化CO2-water-rock交互检测泄漏浅层地下水蓄水层 |
|
地下的压力 |
地层压力环空压力地下水含水层压力 |
控制地层压力低于井筒破裂梯度和喷射油管漏出存储的形成条件 |
测井 |
二氧化碳饱和盐水盐度声波速度 |
跟踪以上存储形成二氧化碳运动跟踪盐水迁移到浅含水层校准三维地震勘探的地震速度 |
延时三维地震成像 |
反射P波与S波速度视野地震振幅衰减 |
跟踪以上存储二氧化碳运动形成 |
垂直地震剖面、井间地震成像 |
反射P波与S波速度视野地震振幅衰减 |
检测的详细分布存储二氧化碳的形成 通过断层和裂缝检测泄漏 |
被动地震监测 |
地震的位置、大小和源特征 |
发展裂隙的形成或盖层二氧化碳迁移路径 |
电气和电磁技术 |
形成导电磁感应 |
跟踪运动及以上存储二氧化碳的形成 检测盐水迁移到浅含水层 |
延时重力测量 |
密度变化引起的流体位移 |
检测二氧化碳运动或以上存储在地下形成的二氧化碳质量平衡 |
垂直和水平位移用干涉法和GPS |
探测地质对存储和盖层形成的影响 定位二氧化碳迁移途径 |
|
可见光和红外成像卫星或飞机 |
高光谱成像的地表 |
压力检测营养 |
地表通量监测使用二氧化碳通量室或eddycovariance |
地表和大气之间的CO2通量 |
探测、定位和量化二氧化碳释放 |
土壤气体取样 |
土壤的二氧化碳气体组分同位素分析 |
检测高浓度的二氧化碳识别升高土壤气体二氧化碳来源评估生态系统的影响 |
更准确的方法是使用示踪剂(气体或气体同位素没有出现在水库系统)注入特定的井。的时机的到来示踪剂在生产或监测井将指示的路径的二氧化碳正在通过水库。监测井还可用于被动地记录运动的二氧化碳的过去,虽然应该注意的是,这种侵入性技术的使用可能造成表面泄漏的新途径。示踪剂的运动或isotopically截然不同的二氧化碳(CO2)生产或监测井提供了一些迹象的横向分布存储二氧化碳的水库。在厚的岩层,多个采样沿着垂直监控或生产井提供了一些迹象表明二氧化碳形成的垂直分布。许多井和水平井中经常缺乏套管(裸眼完井)排除了直接测量二氧化碳大量涌入的位置沿的长度,虽然它可能运行的调查来确定主要涌入的位置。
直接测量移植以外的存储的网站可以以多种方式实现,根据迁移的二氧化碳。水质比较基线调查和/或同位素组成可以用来识别新的二氧化碳到达一个特定的位置从自然二氧化碳预先存在的网站。地球化学技术也可以用来了解更多关于二氧化碳及其运动通过水库(Czernichowski-Lauriol et al ., 1996;Gunter et al ., 2000;威尔逊和Monea, 2005)。发生在储层流体的化学变化表明酸度的增加,这种变化的化学效应,尤其是碳酸氢盐离子液体的水平。在表面,直接测量可以由抽样二氧化碳或示踪剂在土壤表面附近的气体和含水的视野(从现有的水井或新观测井)。表面CO2通量可以直接测量的技术,如红外光谱(英里et al ., 2005;泡菜,2005;舒勒和唐,2005年)。
5.6.3.2间接监测二氧化碳的技术移民间接测量二氧化碳的技术在地下分布包括各种地震和非地震地球物理和地球化学技术(Benson et al ., 2004;艺术和Winthaegen, 2005;Hoversten Gasperikova, 2005)。地震技术基本测量波的速度和能量吸收,生成的人为或自然,通过岩石。传输是由岩石的性质及其修改包含液体。在一般情况下,能量波产生人为的爆炸或地面振动。表面波发生器和传感器可能(常规地震)或修改与井内的传感器表面的地下和源(垂直地震剖面)。也有可能将传感器和来源的地下水平传输波脉冲通过水库(井或井间断层扫描)。通过一系列的调查,可以微量二氧化碳的分布在水库,假设free-phase CO2体积现场足够高,以识别的处理数据。基线调查没有二氧化碳的存在提供了基础,可以进行比较。 It would appear that relatively low volumes of free-phase CO2 (approximately 5% or more) may be identified by these seismic techniques; at present, attempts are being made to quantify the amount of CO2 in the pore space of the rocks and the distribution within the reservoir (Hoversten et al., 2003). A number of techniques have been actively tested at Weyburn (Section 5.6.3.3), including time-lapse surface three-dimensional seismic (both 3- and 9-component), at one-year intervals (baseline and baseline plus one and two years), vertical seismic profiling and cross-well (horizontal and vertical) tomography between pairs of wells.
在地下深积累的二氧化碳,二氧化碳密度接近液体的密度存储形成,表面的敏感性地震剖面表明,决议的2500 - 10000 t freephase二氧化碳可以识别(玛雅et al ., 2003;白色et al ., 2004;艺术et al ., 2005)。Weyburn,地区油气储集空间注入率低(< 2%)展示很少或没有明显的地震响应。在注射率高的地区油气储集空间(313%),显著地震异常。工作斯莱表明二氧化碳羽由几个不同的二氧化碳层,每个大约10米厚。这些大多是在地震分辨率的严格限制,但振幅研究表明,层厚度低至1米可以映射(艺术et al ., 2005;查德威克et al ., 2005)。地震分辨率与深度和某些其他rock-related属性将减少,因此上述讨论决议将不适用统一的存储方案。增加调查的准确性的一个可能的方法是创建一个永久的一系列传感器或传感器和能源(美国专利6813566),消除与测量相关的问题位置传感器和能源。
对二氧化碳迁移甚至在地下浅,其gas-like特性将大大增加检测极限;因此,更小的分辨率预计的阈值水平。到目前为止,还没有进行定量研究建立精确的检测水平。然而,二氧化碳气体的压缩性高,加上其低密度,表明低得多的水平的检测应该是可能的。
被动地震(微震的)技术的使用也有潜在价值。被动地震监测检测微震的事件引起储层孔隙压力的动态响应修改或重新激活或创建的小骨折。这些离散的微地震,震级的里氏4 - 0(威尔逊和Monea, 2005),由传感器的静态数组,常常粘在废弃的井。这些微震的事件是极其微小的,但是监测微震的事件可能允许压力变化的跟踪和,也许,气体在储层或生理盐水的运动形成。
非地震地球物理技术包括使用电子和电磁和自然电位技术(Benson et al ., 2004;Hoversten Gasperikova, 2005)。此外,重力技术(地面或基于air)的迁移可用于确定二氧化碳羽在地下。最后,倾斜仪或远程方法(地理调查从飞机或卫星)测量地面变形可以使用在某些环境中评估地下羽流的运动。倾斜仪和其他技术最适用的地区自然变化的表面,如冻胀或wetting-drying周期,不掩模压力的变化,发生变化。重力测量将如何应对变化带来的地下密度变化引起的位移由另一个不同的流体密度(如二氧化碳取代水)。重力是使用数值模型来推断密度的变化最适合观测数据。本森et al .(2004)的估计表明,重力将没有相同级别的地震分辨率的,水平最低的二氧化碳所需检测的几十万吨(一个数量级大于地震)。这可能是足够的羽流运动,但没有早期的定义可能的泄漏。海底重力调查于2002年收购了斯莱,重复2005年的调查计划。从这些调查结果尚未公布。
电气和电磁技术测量进行的地下。电导率的变化由流体的变化,特别是高导电性盐水水域的位移与low-conductive二氧化碳,可以检测到电子或电磁调查。除了传统的电子或电磁技术,地球的自然电位自然电势可以测量来确定羽流迁移。注入的二氧化碳将增强流体的岩石。这个流能产生的电势测量参比电极。这种技术是低成本的,但也是低分辨率的。然而,它可以是一个有用的工具来衡量羽运动。根据Hoversten Gasperikova(2005),该技术需要更多的工作来确定它的分辨率和整体效果。
5.6.3.3监测案例学习:IEA-GHG Weyburn
监控和存储项目Weyburn(框5.3),监测项目被添加到一个商业三次采油项目开发和评估方法追踪二氧化碳。基线数据收集二氧化碳注入之前(在2000年末开始)。这些数据包括流体(水、油)和地震勘探样品。两个级别的地震勘探进行,一个广泛的三维(3 d)、三分量在原来的注射区域调查和详细的3 d, 9-component调查注射区域的有限的一部分。此外,垂直地震剖面和井间地震层析成象(两个垂直或水平井)之间进行。被动地震(微震的)监测最近安装现场。其他监控包括表面气体调查(斯特拉特et al ., 2003)饮用水监控(Weyburn字段构成一个区域地表水有限的可用性,因此地下水提供了主要的饮用水的供应)。注入量(二氧化碳和水)也被监控。从表面设施是仔细监控任何泄漏。此外,几个井被转换为观测井允许访问水库。随后,一个被废弃,但地震监测是巩固了在对被动地震监测承担。
注入以来,储层流体一直定期收集和分析。分析包括水库水样的化学和同位素分析,以及维持混溶油之间的关系的理解和注入的二氧化碳。进行了地震勘探(一年和两年之后注入的二氧化碳发起)处理过的数据明显显示二氧化碳在水库的运动。年度土壤表面分析气体也持续(斯特拉特et al ., 2003),分析近地表的水。正在合成来获得一个全面分析知识的二氧化碳在水库移民,去理解
图5.24生成的水化学在二氧化碳注入和生产化学后12个月,31个月的注入Weyburn已经从流体波状外形的样本在不同生产井。黑点显示的位置样本威尔斯:(a) 813 chco3产生水,显示超临界CO2溶解和矿物反应的影响。(b)钙的浓度
图5.24生成的水化学在二氧化碳注入和生产化学后12个月,31个月的注入Weyburn已经从流体波状外形的样本在不同生产井。黑点显示的位置样本威尔斯:(a) 813 chco3产生水,显示超临界CO2溶解和矿物反应的影响。(b)产生水钙浓度,显示的结果矿物溶解(帕金斯后et al ., 2005)。
地球化学与储集岩的交互,并清楚地识别储层的完整性为长期储存容器。此外,有一个计划,评估现有的潜在作用活性和废弃的井漏。这包括分析井的年龄,使用现有的水泥的信息类型和焊接效率和工作更好地理解历史的影响和改变流体化学的水泥和钢套管。
Weyburn总结报告(威尔逊和Monea 2005)描述了整个研究项目的结果,特别是地震监测的有效性决定二氧化碳的扩散和地球化学分析确定当二氧化碳达到生产井。地球化学数据也有助于解释在储层本身的流程和建立一个新的化学平衡所需的时间。图5.24展示了地层水的化学成分的变化,形成了评估的程度的基础溶解度和矿物捕获将有助于长期存储安全(帕金斯et al ., 2005)。最初的813年改变chco3超临界二氧化碳溶解到水的结果。这个变化是那么的短期解散水库碳酸盐矿物,所表示的钙离子浓度的增加,如图5.24所示。特别是,地球化学证实碳酸氢存储二氧化碳在水中的阶段以及二氧化碳在油相。
5.6.4技术监测注入井的完整性
大量的标准技术可用于监测活动注入井的完整性。水泥胶结日志是用来评估债券套管和水泥的连续性好。周期性的水泥胶结日志可以帮助巩固了部分检测恶化,也可能表明任何化学交互酸化液体形成的水泥。最初的使用水泥债券日志作为油井完整性测试的一部分,可以显示焊接问题,甚至没有水泥。
之前转换其他用途,如二氧化碳注入井通常在压力下进行测试,以确保它的完整性。这些测试是相对简单的,幸福的顶部和底部(或区域进行测试),压力,其持有的压力测量的能力。一般来说,尤其是在陆地上,也将放弃了如果不能测试,将钻新井,而不是尝试任何补救有缺陷。
注入发生通过管道,降低到和包装上面穿孔或裸眼井的部分,以确保注入物达到适当的水平。环空压力,套管和喷射管之间的空间,可以监控保证封隔器的完整性,套管和喷射管。环空压力或气体组分的变化将提醒操作员的问题。
如上所述,注射压力是仔细监控以确保没有问题。压力的快速增长可能表明问题,虽然行业的解释表明,它更可能是储层吸水的损失。
温度记录和“噪音”日志也常常运行在一个常规基础检测天然气存储项目的失败。快速温度变化沿着井筒的套管泄漏的诊断。同样,“噪声”与注射油管泄漏有关可用于定位小泄漏(李普曼和本森,2003)。
5.6.5技术监测当地的环境影响
5.6.5.1地下水
如果从深地质储存二氧化碳泄漏向上形成和迁移到上覆浅层地下水含水层,方法可用来检测和评估地下水质量的变化。当然,最好确定泄漏后不久泄漏和很久以前的二氧化碳进入地下水的含水层,因此可以采取措施干预并防止进一步迁移(参见5.7.6的一节)。地震监测方法和潜在的其他(5.6.3.2节中描述),可以用来识别泄漏前的二氧化碳达到地下水区。
然而,如果二氧化碳并迁移到地下水含水层,可以评估潜在影响地下水样品采集、分析为主要的离子(如钠、钾、钙、镁、锰、Cl, Si, HCO3 -和SO42 -), pH值,碱度,稳定同位素(例如,13 c, 14 c, 18 o, 2 h)和气体,包括碳氢化合物气体,二氧化碳及其相关的同位素(Gunter et al ., 1998)。此外,如果发生浅层地下水污染,样品可以分析微量元素砷和铅等,动员的酸性水(5.5节)。方法,如原子吸收和电感耦合等离子体质谱仪自然电位可以用来精确测量水质。实地测试太敏感或其他分析方法也可以(Clesceri et al ., 1998)。标准分析方法可用来监控所有这些参数,包括连续实时监测的可能性的一些地球化学参数。
天然示踪剂(C、O同位素,H和惰性气体的注入CO2)和介绍了示踪剂(惰性气体,SF6气体全氟化碳)也可以提供洞察存储项目对地下水的影响(Emberley et al ., 2002;Nimz和哈德逊,2005)。(SF6气体和全氟化碳与极高的温室气体全球变暖潜力因此在使用这些气体的谨慎是必要的,以避免他们释放到大气中。)天然示踪剂如C、O同位素可以直接链接地下水质量的变化存储二氧化碳的“指纹”的二氧化碳,因此区分storage-induced变化和地下水质量的变化由其他因素引起的。介绍了示踪剂如能被探测到的全氟化碳在非常低的浓度(每兆1份)也可以用于确定二氧化碳是否有泄露,负责地下水水质的变化。合成示踪剂可以添加定期确定储层或泄漏路径运动,而天然示踪剂存在于储层或引入气体。
5.6.5.2空气质量和大气通量连续传感器监测二氧化碳在空气中被用于各种各样的应用程序,包括暖通空调(采暖、通风和空调)系统、温室、燃烧排放的二氧化碳测量和环境是一个重大风险(如啤酒厂)。这类设备依靠红外检测原理和被称为红外气体分析仪。这些气体分析仪是小和便携式和常用的职业设置。大多数使用非色散红外或傅里叶变换红外探测器。这两种方法都使用由二氧化碳在特定波长的光衰减,通常4.26微米。额外的保证和验证的实时监测数据,美国监管机构,如NIOSH, OSHA和EPA,使用周期浓度测量气相色谱法。质谱测量二氧化碳浓度的最精确的方法,但也是最不便于携带。电化学固态二氧化碳探测器存在,但他们不是成本有效的在这个时间(例如,田村et al ., 2001)。
常见的在环境科学领域应用包括土壤空气中二氧化碳浓度的测量,从土壤和ecosystem-scale碳动力学通量。扩散通量测量土壤是由简单的红外分析仪(Oskarsson et al ., 1999)。美国地质调查局措施二氧化碳通量在庞大的山上,在加州(Sorey等,1996;美国地质调查局,2001 b)。地质研究ecosystem-scale碳循环使用数据从二氧化碳探测器2到5米塔风和温度数据重建平均二氧化碳通量大的地区。
英里et al。(2005)得出的结论是,涡度相关承诺对于二氧化碳存储的监控项目,为危险泄漏和泄漏损害地质储存的经济可行性。存储项目100吨,英里et al。(2005)估计,一年级的泄漏率0.01%,通量的大小范围从1到104倍的典型生态流量的大小(取决于区域二氧化碳泄漏)。注意,泄漏率0.01%的一年级相当于保留一小部分在1000年的90%。这应该很容易地检测到如果背景生态通量测量提前确定周日和年度周期。然而,当前可用的技术,量化泄漏率跟踪返回大气中可能是更大的挑战比识别泄漏贮水池。
卫星遥感的二氧化碳释放到大气中也可能是可能的,但这种方法仍然是具有挑战性的,因为长路径长度穿过大气层的二氧化碳测量和大气中的二氧化碳固有的可变性。红外探测器测量平均二氧化碳浓度给定的路径长度,因此扩散或低级泄漏透过大气层卫星也无法察觉。作为一个例子,即使是大二氧化碳渗漏,如,在庞大的山,很难确定今天(马提尼和银,2002;泡菜,2005)。整个测量可能使用相同的原则。二氧化碳被测量直接在羽流由一个单独的红外探测器或计算出二氧化硫测量和直接地抽样的二氧化硫:二氧化碳比例对于一个给定的火山或事件(霍布斯et al ., 1991;美国地质调查局,2001 b)。遥感技术目前正在调查二氧化碳检测是激光雷达(光探测和测距),机载激光扫描和刻度盘(差分吸收激光雷达),看起来在从多个激光反射不同频率(霍布斯et al ., 1991;孟席斯等人,2001)。
总之,监控二氧化碳的职业安全。另一方面,虽然一些有前途的技术正在开发环境监测和泄漏检测,测量和监测方法在时间和空间尺度上的相关地质存储需要真正有效的改进。
5.6.5.3生态系统
地面和地下生态系统的健康状况可以直接通过测量确定植物群和动物群的生产力和生物多样性和在某些情况下(如在加州巨大的山)间接利用遥感技术,如高光谱成像(马提尼和银,2002;斯科特,2005;泡菜,2005)。在许多领域与自然二氧化碳渗漏,即便是那些拥有非常低的二氧化碳通量,渗通常相当引人注目的特性。他们在人口密集地区很容易认识到,在农业和自然植被,减少植物生长和矿物质的沉淀剂的存在可以从岩石中过滤出来的酸性水。因此,任何明显的网站可以快速、轻松地检查过多的二氧化碳浓度没有任何大型遥感生态系统研究和调查。然而,在沙漠环境中植被稀疏,直接观察可能是不可能的。除了直接生态系统观测,分析土壤气体组分和土壤矿物学可以用来表明二氧化碳的存在及其对土壤特性的影响。检测二氧化碳浓度升高或过度土壤风化的证据表明潜在的生态系统的影响。
对水生生态系统、水质量,特别是低pH值,将提供一个对潜在影响诊断。直接测量的生态系统生产力和生物多样性还可以通过使用标准技术开发湖泊和海洋生态系统。参见第六章额外讨论二氧化碳浓度升高对海洋环境的影响。
5.6.6监控网络设计
5.6.7长期管理监控
目前没有标准协议或建立二氧化碳泄漏监测网络的设计。监控网络设计将取决于监测项目的目标和要求,这将取决于监管要求和感知风险带来的网站(Chalaturnyk和甘特,2005)。例如,目前的监控三次采油的目的是评估溶剂洪水的波及效率和健康和安全问题。在这方面,监控设计Weyburn项目使用地震调查来确定二氧化碳的横向迁移。这是相对于模拟进行设计洪水的二氧化碳的操作实践。为健康和安全,该计划旨在测试地下水污染和监测气体积聚在工作领域的领域,以确保工人的安全。表面过程也使用压力监测,以确保地层的破裂压力不超过(Chalaturnyk和甘特,2005)。
Weyburn项目旨在评估的完整性的油藏长期储存的二氧化碳(威尔逊和Monea, 2005)。在这方面,展示了地震勘探测量能力迁移中的二氧化碳的形成是很重要的,但从长远来看它可能是更重要的是检测二氧化碳泄露的蓄水库。在这种情况下,监测项目应该被设计来实现所需的分辨率和灵敏度检测二氧化碳泄露了水库的垂直迁移。使用地球化学监测将决定的速度溶解的二氧化碳转化为液体和矿物质在水库的容量与二氧化碳反应和永久存储。识别潜在的二氧化碳泄漏监测包括土壤气体和地下水调查。土壤气体调查使用网格模式叠加在球场上评估任何气体的化学变化。因为网格模式可能错过窄,线性异常,该研究还看着表面的线性模式异常,可能反映了更深的层次断层和裂缝系统,这可能成为自然迁移路径。
当前的项目,特别是斯莱和Weyburn测试各种各样的技术来确定那些最有效的和最昂贵的。在加拿大西部,酸性气体注水井使用压力监控和设置最大井口注入压力,确保储层破裂压力不超过。没有地下监测目前这些项目所必需的。Chalaturnyk特(2005)表明,一个有效的监测项目应该允许设计决定在未来基于正在进行数据的解释。项目的数据也应该提供必要的信息,减少不确定性时间或增加监控需求如果事情发展出乎意料。就是说,出乎意料的变化可能导致增加监控的要求,直到新的不确定性是解决。
长期监测的目的是识别运动可能导致释放的二氧化碳会影响长期存储安全和安全,以及触发补救行动的必要性。长期监测可以实现同一套监测技术在注射阶段使用。然而,目前,没有建立协议的监控需要,由谁,多长时间和目的。地质储存二氧化碳可能会持续数百万年。长时间存储对长期监测提出了一些问题,也解决的一个问题在5.8节。
几项研究已经试图解决这些问题。基斯和威尔逊(2002)提出,政府负责监控存储项目的活跃阶段结束后,只要所有满足监管要求在操作期间。然而,这项研究并没有指定长期监测的要求。虽然可能有点不切实际的实现中,白色et al。(2003)表明,监控可能需要数千年。提出的另一种观点是Chow et al .(2003)和本森et al。(2004),他认为,一旦被证明二氧化碳的羽不再移动,不应该要求进一步监控。这种观点的理由是,长期监测提供了价值不大,如果羽不再迁移或停止迁移可以准确地预测和验证了建模和短期中期监控。
如果需要长期监测,符合成本效益,易于部署监测方法者优先。方法,不需要井穿透羽将是可取的,因为他们不会增加泄漏的风险监控本身。现在可用的技术,如三维地震成像技术,可以提供满意的图像的二氧化碳羽的位置。虽然地震勘探被认为是昂贵的,最近的一项研究本森et al。(2004)表明,这可能是一个误解和表明,监测成本在打折的基础上(10%的贴现率)可能不高于0.10美元/ tCO2存储。然而,地震成像技术有其局限性,证明非生产性的继续钻井油气水井,但有信心能够满足大多数,但不是全部,监测二氧化碳存储项目的需要日益增长。更便宜,更被动的选择,可以远程部署,如卫星系统,可能是可取的,但目前不能够跟踪地下迁移。然而,如果二氧化碳已经渗透到表面,植物人压力很容易就能发现一些相关生态系统(马提尼和银,2002)。
直到长期监测需求(Stenhouse et al ., 2005),是不可能的评估技术或技术的组合监测需要或想要的。然而,今天的技术可以部署继续监测二氧化碳羽的位置在很长时期有足够精度评估的风险羽相交的潜在途径,自然或人类,存储站点的覆盖区域。如果二氧化碳逃离的主要蓄水库没有补救措施,以防止泄漏的前景,技术可用于监测结果对地下水环境的影响,土壤、生态系统和大气中。
5.6.8验证的二氧化碳注入和存储库存
验证等主题通常是结合监控存储,监控和验证(SMV)项目的碳捕获项目(CCP)或监控,缓解和验证(MMV)分段DOE-NETL碳封存技术路线图和计划的计划(NETL, 2004)。针对常用的结合方面,有一些重叠在使用术语“验证”和“监控”。对于这个报告,“验证”被定义为一组活动用于评估地下储存的二氧化碳量和评估多少,如果有的话,是泄漏到大气中。
没有专为验证开发的标准协议的地质储存。然而,经验Weyburn和斯莱项目展示了各种技术的应用对于大多数如果不是所有方面的验证(威尔逊和Monea, 2005;斯莱最佳实践手册,2004)。至少,验证需要测量存储的二氧化碳的数量。证明它仍在存储网站,从横向和纵向迁移的角度来看,很可能需要一些组合模型和监控。需求可以因地制宜,根据监管环境,要求经济工具和泄漏的风险程度。验证可能是由监管机构的监督,直接或通过独立的第三方合同监管机构根据国家法律。
5.7风险管理,风险评估和修复
什么是存储二氧化碳深地质结构的风险?地质存储站点可以操作安全吗?有什么安全问题和环境影响如果存储站点泄漏?二氧化碳存储站点可以固定如果确实存在错误?这些问题的这部分的报告。
5.7.1环境风险评估的框架
引起的环境影响地质存储分为两大类:当地的环境影响和全球影响因存储二氧化碳的释放到大气中。全球二氧化碳存储的影响可能被视为不确定性在二氧化碳存储的有效性。向大气中释放的可能性的估计下面讨论(5.7.3节),而政策影响的潜在释放存储在别处讨论(章节1,8和9)。
当地的卫生、安全和环境危害来自三个不同的原因:
•直接影响气相二氧化碳浓度升高的浅地下和近地表环境;
•化学溶解的二氧化碳对地下水的影响;
•效应产生位移的液体注入的二氧化碳。
在本节中,评估可能的地方和区域环境危害是由什么样的风险(例如,人类健康和生态系统危害分别治疗)和底层物理机制(例如,地震灾害)。例如,危害的讨论地下水质量包括影响出现直接从地下水中溶解的二氧化碳的影响,以及流离失所的卤水污染产生的间接影响。
风险是潜在危险的大小成正比,这些危害发生的概率。的危害来自当地近地表大气中二氧化碳浓度升高,土壤气体或溶液-风险的概率取决于泄漏从深存储站点。因此,大多数5.7.4节中描述的危险应该被释放的概率加权5.7.3节中描述。关于这些风险与常规手术相关的设施和维护,这种风险预计将与CO2-EOR操作。
有两个重要的例外,释放风险的概率成正比。首先,当地的影响将是强烈依赖于通量的时空分布和由此产生的二氧化碳浓度。情景性和局部渗漏可能会倾向于有更多的重大影响单位的二氧化碳释放比将渗流连续和或空间上分散。全球影响因向大气中释放的二氧化碳量只取决于平均释放超过几十年几百年的时间尺度。第二,位移引起的危害,如诱发地震的风险,基本上独立于释放的概率。
虽然我们经验有限,注入二氧化碳的目的很明显是想避免大气排放,大量的工业经验和科学知识的存在密切相关,可以作为适当的风险管理的基础。在本部分中,除了讨论相关工业经验一直在5.1到5.6中所描述的部分。
5.7.2过程和途径释放CO2地质储存网站
二氧化碳的存在作为一个单独的阶段(超临界、液体或气体)可能逃离形成用于地质存储通过以下途径(图5.25):
•通过孔隙系统在低渗透性盖层如页岩,如果二氧化碳的毛细管入口压力可能超过进入盖层;
•通过盖层中的开口或骨折和错误;
•通过拟人化的途径,如不完成和/或放弃已有的井。
陆上存储网站,二氧化碳泄露可能达到地下水位和迁移到上覆包气带。这事件可能包括二氧化碳接触饮用水含水层。根据岩石的矿物成分矩阵在地下水含水层或包气带,二氧化碳与岩石的反应矩阵可以释放的污染物。美国环境保护署(构成)发生了问题,项目旨在补充地下水和降雨在矿化(固定)污染物无意中动员浓度足以导致不良的污染。
包气带只是部分与水饱和;其余的土壤孔隙空间充满了气体(空气)。因为它比空气重,二氧化碳将取代环境土壤气体,导致局部浓度可能接近100%的部分地区包气带,即便是小漏通量。渗透到表层的消散效应控制等主要由压力流和扩散(奥尔登堡和昂格尔,2003)。这些主要发生在最浅的部分包气带,留下更深的包气带的一部分潜在泄漏二氧化碳的积累。二氧化碳的过程包气带中迁移可以模仿,受限制的描述实际复杂的包气带和二氧化碳泄漏场景。
存放境外网站,二氧化碳泄露可能达到了海底沉积物,然后如果比周围的水,水体迁移,直到它到达大气层。根据泄漏率,它可能仍然作为一个单独的阶段或完全溶解到水体。当二氧化碳溶解,生物影响洋底和海洋生物将会关注的。对于那些地点separate-phase二氧化碳到达海面,危害海上平台工人关心的可能是非常大的,突然释放率。
一旦通过包气带,逃离二氧化碳到达水面层大气的和地表环境,人类和其他动物可以公开。二氧化碳分散和混合的结果从表面风速和湍流和旋涡有关。因此,二氧化碳浓度与海拔高度迅速降低,这意味着陆生动物更容易受到比人类暴露(奥尔登堡和昂格尔,2004)。平静的条件和当地地形能够包含密集的气体会防止混合。但这样的条件是例外,一般来说,表层可以指望强烈稀释渗入二氧化碳。然而,潜在的担忧与积累的二氧化碳浓度在平静的日子里必须仔细考虑任何二氧化碳存储网站的风险评估。此外,高地下二氧化碳浓度可能积聚在地下室,地下金库和其他地下基础设施在人类可能面临风险。
二氧化碳注入煤层能逃脱(即只有在自由阶段。,而不是吸附到煤)通过以下途径(我和梁2005;禾et al . 2005年):流入周围地层在注射时使用高压注入二氧化碳低渗透性煤炭,要么在夹板系统达到顶端的接缝或通过水力压裂诱导提高夹板系统和煤层气生产井之间的联系;通过故障或其他自然路径相交的煤层;通过不放弃煤炭和煤层气开采井;并通过拟人化的途径
注入二氧化碳迁移浸最大化解散和残留的二氧化碳捕获
注入二氧化碳迁移浸最大化解散和残留的二氧化碳捕获
潜在的逃逸机制
答:二氧化碳气体压力超过毛细管压力和通过slltstone
答:提取,净化地下水
潜在的逃逸机制
免费的二氧化碳泄漏到上层含水层的错
c . O,通过“差距”盖岩高含水层
d .注入co2浸渍迁移,提高储层压力和渗透率的错
e: o2逃脱通过差插老废井
f .自然流动溶解二氧化碳atC02 /水界面和传输的关闭
g .溶解二氧化碳逃到大气或海洋
补救措施
b .提取和净化地下水
c .移除二氧化碳和其他地方的时候再进行重新注入
d .注入利率下降或压力
大肠Re-plug水泥
f .拦截和再注入co2
g .拦截和再注入co2
图5.25一些潜在的二氧化碳注入生理盐水地层的逃生路线。
煤矿或采动沉陷裂缝。
不过,总体而言,二氧化碳保留通过吸附到煤仍将局限于seam即使没有盖,除非煤层的压力减少(例如,通过挖掘)。压力和/或温度的变化导致最大气体含量的变化。如果压力下降明显,多余的二氧化碳可能使解除吸附通过楔子从煤炭和自由流动。
注水井和废弃的油井已经被确认为最可能的泄漏途径之一二氧化碳存储项目(Gasda et al ., 2004;班森,2005)。井钻时,创建一个连续,明渠地表和地下深处。钻井时,如果运营商决定目标形成看起来不足够生产,则是放弃了作为一个“干井”,按照适当的监管指导方针。当前的指导方针通常需要的洞填满水泥(5.5和图5.21节)。
钻井和完成涉及不仅在地球创造一个洞,还引入工程材料进入地下,如水泥和套管。钻井的整体效果是更换小但潜在重要圆柱卷的岩石,包括低渗透性盖层,具有拟人化材料特性不同于原始的材料。许多可能的泄漏途径可以发生在废弃的井,如图5.26所示(Gasda et al ., 2004)。这些包括泄漏之间的水泥和套管的外(图5.26),水泥和内部之间的金属壳(图5.26 b),水泥塞内部(图5.26摄氏度),通过恶化(腐蚀)
-
- 图5.26可能泄漏路径在一个废弃的:(a)和(b)之间的套管和水泥墙壁和插头,分别;通过水泥塞(c);通过套管(d);通过水泥墙壁(e);和(f)之间的水泥墙壁和岩石(Gasda后et al ., 2004)。
金属壳(图5.26 d),恶化的水泥环(图5.26 e)和泄漏之间的环形区域形成和水泥(图5.26)。潜在的长期退化的水泥和金属壳的二氧化碳是一个广泛的话题调查这个时候(例如,谢勒et al ., 2005)。
泄漏的风险通过废弃井的油井数量成正比的二氧化碳羽,其深度和放弃的方法。对于成熟的沉积盆地,接近一个可能的注入井的油井数量可以大,数以百计的顺序。例如,在加拿大西部阿尔伯达盆地,超过350000个水井。目前,钻井的速度持续大约每年20000口井。井在集群、分布式空间密度,平均每平方公里约四井(Gasda et al ., 2004)。全世界密度提供了图5.27,说明许多地区密度也低得多。然而,图5.27中提供的数据说明了一个重要的问题在5.3节——即成熟油气的存储安全省可能会妥协,如果大量的井穿透盖层。需要采取措施解决这一潜在风险。
5.7.3释放概率地质存储站点
存储站点可能会被设计为地质时间尺度限制所有注入的二氧化碳。然而,经验与工程系统建议的一小部分操作存储站点可能会向大气中释放二氧化碳。现有研究没有系统估计的概率和严重程度的释放在可靠的地质样品的存储系统。没有这些研究,本节综合证据,使粗糙的量化估计实现分数保留在存储。五种有效性证据相关评估存储:
•数据从自然系统,包括困积累天然气和二氧化碳,以及石油;
•数据工程系统,包括天然气储存、天然气re-injection压力支持,二氧化碳或混相烃三次采油,酸性气体的处理和处置的其它液体;
•基本物理、化学和机械过程的命运和运输二氧化碳在地下;
•从数值模型结果的二氧化碳运输;
•结果从当前地质存储项目。
5.7.3.1自然系统
自然系统允许推断地质结构的质量和数量,可以用来存储二氧化碳。广泛存在的石油、天然气和二氧化碳被困在形成数百万年来意味着在沉积盆地中,不透水岩层(盖)足够的质量来限制二氧化碳的地质时期。例如,约200名MtCO2困在毗斯迦山背斜,东北的杰克逊穹顶(密西西比河),被认为是产生在晚白垩世时期,6500万多年前(Studlick等,1990)。保留时间超过1000万年在世界上的许多石油盆地(布拉德肖et al ., 2005)。因此来自自然系统的证据表明,水库海豹存在能够限制二氧化碳数百万年和更长时间。
5.7.3.2工程系统
来自天然气存储系统的证据使绩效评估设计壁垒(井和相关的管理和修复)和自然系统的性能改变的压力循环(李普曼和本森,2003;佩里,2005)。大约470天然气储存设施目前在美国运营的总容量超过160吨天然气(图5.12)。有9个记录重大泄漏事故:五是井筒完整性,每一个都是通过改造井来解决;盖层中的三出现泄漏,其中两个是矫正和弃导致项目之一。最后事件涉及早期项目放弃由于选址不佳(佩里,2005)。没有估计泄漏造成的气体的总卷丢失的所有项目。在最近的一次严重泄漏的例子,包括井筒失败在堪萨斯州的一个设施,释放的总质量约为3000 t(李,2001),等于不到0.002%的总气体存储在美国和加拿大。大约470个设施capacity-weighted平均年龄超过25年。考虑到堪萨斯失败是累积操作历史上最严重的天然气储存设施,年平均释放速率,表示为每年的一小部分储存的气体释放,有可能低于纯。 While such estimates of the expected (or statistical average) release rates are a useful measure of storage effectiveness, they should not be interpreted as implying that release will be a continuous process.
天然气存储系统的性能可能会被视为一个下界的二氧化碳储存。原因之一是,天然气系统设计(和主题)快速骑自行车盖层泄漏的概率增加的压力。另一方面,二氧化碳溶解在孔隙水(如果存在),从而减少泄漏的风险。也许唯一尊重的天然气存储系统目前的低风险是CH4不如二氧化碳腐蚀的金属组件,如外壳。风险更高的泄漏天然气存储站点由于易燃气体的性质。
5.7.3.3基本物理、化学和机械过程关于命运和运输的二氧化碳地下
如5.2节所述,科学认识的二氧化碳存储,特别是存储系统的性能,基于大量的知识在水文地质、石油地质、油藏工程和相关的地质。目前的评估已经确认的过程,单独或组合可能导致长期储存。具体来说,结构和地层的组合捕获separate-phase二氧化碳低于低渗透性的盖层残留的二氧化碳捕获,溶解度捕获和矿物捕获可以创建安全的存储在地质时间尺度。
5.7.3.4长期存储性能的数值模拟
模拟的二氧化碳限制大规模存储项目表明,忽视了废弃的井,
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