千万IP创科普 科技人才话强国丨海底封碳 助力实现“双碳”目标

2023年6月，我国海上首个百万吨级二氧化碳封存工程在南海东部海域恩平15-1平台正式投入使用，标志着我国在二氧化碳捕获、利用与封存技术领域取得了重大突破，更为海洋强国的建设注入了新的活力。

为什么要把二氧化碳封存在海底？顺利捕集二氧化碳并将其封存到海底地层，要解决哪些难题？

这首先要从恩平15-1油田的特殊性说起。恩平15-1油田是我国南海东部首个高含CO₂气顶油藏，也就是说，该油田开采出来的油气伴生气中CO₂含量较高。通常，在海洋油气钻探开发过程中，伴生气是不可避免的，而CO₂就是伴生气的重要组分。不过，大多数情况下，伴生气中的CO₂含量只有20%~30%，但恩平15-1油田伴生气中的CO₂含量超过了95%，显著超出了常规数值。据测算，恩平15-1平台产生的CO₂总量将超过150万吨。如此大量的二氧化碳随原油共同开采出来，不仅会腐蚀海上平台设施和海底管线，还将增加我国CO₂排放量。因此，为这些二氧化碳找一个可靠的“归宿”是很有必要的。

事实上，碳捕集、利用与封存技术（简称CCUS）被公认为促进减碳的重要措施，是实现“双碳”目标的关键技术之一。它是指从生物或化石源或大气中捕集CO₂，并将其运送到封存地点永久隔离在地质构造中的过程。既然这些二氧化碳来自海洋油田，能不能直接把它们封存在海底呢？

这里存在很多难题。首先，将CO₂封存在哪里呢？

研究人员发现，在距离平台3公里远、800米深的海底，有一个“穹顶”式的地层，那里空间很大，而且封闭性强，非常适合永久封存CO₂。CO₂注入地层后，大部分可被“穹顶”永久覆盖住，剩下的有的可被地层孔隙捕获，有的慢慢溶解在地层水中，有的则与岩石和地层水反应生成碳酸盐矿物。

随之而来的是第二个问题：将CO₂从平台输送到这个“穹顶”需要修一条通道，这条通道在技术上的名字叫“回注井”，但是，“穹顶”的深度为800米，离平台的距离却有3公里远，这意味着在钻井的过程中，垂直方向每向下增加1米，水平方向就要前进3米以上，这种大位移的回注井打起来难度很大。雪上加霜的是，途经区域的地层硬度低、易破裂，无法为钻具提供有效支撑。

与回注井有关的还有第三个难题：CO₂并不会自动与原油分离并进入回注井，需要人为进行捕集、分离、脱水等一系列工序，换言之，回注井不仅要打得成，还要确保CO₂能注得进、封得住。

项目团队针对回注井的作业风险以及CO₂的特殊性质，通过自主技术创新，集中攻关了海上CO₂捕集和封存地质油藏、钻完井和工程一体化联合关键技术。例如：研制了特制的钻井液，其既能有效抵抗酸性CO₂腐蚀，又能支撑井壁、润滑井眼，为钻井进程“保驾护航”……

在这套示范系统中，高碳分离器、CO₂压缩机及分子筛脱水橇等设备依次启动，油田开发伴生的CO₂被捕获、分离、加压压缩，然后以超临界状态注入回注井。超临界状态是一种气态和液态的“两不像”状态，它能像气体一样充满整个空间，但其密度又类似液体。最终，超临界状态的CO₂通过回注井运输到海底地层，并永久封存在那里。

据测算，项目建成后，预计高峰期每年可封存30万吨CO₂，累计封存量将超过150万吨，其减碳规模相当于植树近1400万棵。在“双碳”背景下，这一海上CO₂封存示范工程的成功建成，不仅实现了我国海上CO₂封存领域从无到有的重要突破，也为未来“岸碳入海”的快速降碳方案提供了技术支撑和条件。

文: 顾淼飞，上海科学技术出版社《科学画报》副编审

审稿：祝叶华，清华大学环境工程博士