CO2管道輸送技術現狀研究

寧雯宇，陳 磊，韓喜龍，張一楠，孫東旭

（1. 中國石油大學（北京）城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京 102249； 2. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

CO2管道輸送技術現狀研究

寧雯宇1，陳 磊1，韓喜龍1，張一楠2，孫東旭2

（1. 中國石油大學（北京）城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京 102249； 2. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

隨著油田三次開采的深入與碳捕集封存技術的發展，CO2注入成為提高采收率與緩解溫室氣體效應的有效手段，針對氣源地與注入地差異問題，管道輸送以輸量大、輸送距離遠、經濟性好等優點成為 CO2輸送的最重要途徑。通過對國內外 CO2管道輸送技術的研究，針對四種管輸狀態（即超臨界輸送、密相輸送、液態輸送、氣態輸送）的不同特點，得出管輸中超臨界輸送與密相輸送是較為合理的輸送方式，并分析了輸送過程中遇到的關鍵技術問題，為國內 CO2管道輸送的開展提供技術支撐。

二氧化碳；管道輸送；超臨界；密相

溫室氣體的排放是造成全球氣候變暖的主要因素之一，其中 CO2的作用約占 63%[1]。按照目前排放溫室氣體的速度，全球平均溫度到 2100 年將會升高 1.4～5.8 ℃[2]，而截至到 2010 年中國 CO2排放量占全球排放量的 24.59%。

我國的油田部分以進入三次采油階段，此階段常規采油方式已很難取得較好的采油效果，而 CO2驅采油作為一種新型采油方式在國外已得到一定應用，但國內仍處于探索階段，探尋二氧化碳驅對我國原油進一步開發具有重要意義。

通過對 CO2加工處理，將其從煙氣或天然氣中捕集后進行液化和儲存，即 CO2捕集與封存（CCS）技術，其對緩解溫室氣體排放和提高采收率有重要意義。因我國二氧化碳的來源地和注入地或使用地相隔較遠，而管道輸送具有輸量大、輸送距離遠、經濟性好等優點，推廣 CO2管道輸送是最為經濟的運輸方式。

1 國內外 CO2管道輸送技術

1.1 CO2基本物性

圖 1 二氧化碳相態圖Fig.1 CO2phase diagram

CO2通常為一種無色無味的氣體，與水溶解度為 0.144 g/100 g (25 ℃)，標況下密度為 1.977 g/L，CO2相態圖如圖 1 所示，其中三相點為-56.5 ℃、5.18 MPa，臨界點為 31.1 ℃、7.38 MPa，其存在狀態因壓力、溫度不同而分為固態、氣態、液態、高壓密相和超臨界狀態5種，而在管輸過程中5種狀態都可能存在。

1.2 國外研究現狀

隨著 CO2-EOR 及 CCS 技術的推廣應用,用管道來進行長距離、大規模的運輸在國外已經獲得相對較為廣泛的應用。美國自上世紀 70 年代以來已經擁有超過 6 000 km 的 CO2管道[3]，其中已經建成或在建的管道包括一條從北達科他州羚羊谷到加拿大薩斯喀徹省的百萬噸 CO2管道和 Salt Creek 油田的EsteCO2管道等。加拿大巨大的 Weyburn 工程為將CO2輸送到 Weyburn 油田，而建造了一條長 330 km、直徑 305～356 mm 的 CO2管道，另外土耳其等國也進行了 CO2管道的研究與建造(表 1)。

表 1 國外部分 CO2管道數據Table 1 The foreign CO2pipeline data

1.3 國內研究現狀

我國主要的產油區附近的 CO2氣源很少，從而從其他地方采集氣體通過管道輸送至指定用地是十分必要的，而國內對 CO2管道技術研究起步較晚，目前處于理論研究與實驗階段，但已計劃開展工程實踐建設，勝利電廠的百萬噸 CO2項目計劃建設為國內最大規模的 CO2輸送管道。

2 CO2管輸狀態

由所輸二氧化碳的不同相態，管道輸送工藝可分為超臨界輸送、密相輸送、液態輸送和氣態輸送，每一種輸送方式都有其特點，不同相態的管道輸送條件也不同。

2.1 超臨界輸送

從氣井中采出的 CO2常處于超臨界狀態，采用超臨界管道輸送時相對于其他輸送方式對 CO2的初始相態改變較小，當溫度和壓力高于臨近值時 CO2便處于超臨界狀態，此條件對于管道輸送是不難達到的。在輸送中需要考慮溫降對介質相態的變化，取管道入口條件為壓力 13 MPa、溫度 50 ℃，龍安厚 等[4]通 過 Hysys 軟 件 模 擬 得 出 當 輸 送 距 離 達 到128.1 km 時，溫度降為 30.95 ℃，達到臨界狀態，如繼續輸送介質將會發生相態改變，從而確定此條件下有效輸送距離為 128.1 km。但超臨界 CO2具有粘度小、密度大等特點，且氮氣和甲烷對管輸的壓降和溫降影響很小，因此在實際輸送中超臨界輸送應用較為廣泛（圖 2）。

2.2 密相輸送

圖 2 CO2超臨界管道輸送工藝Fig.2 CO2supercritical pipeline transportation process

當輸送溫度略低于超臨界輸送而保持壓力區間不變時，管道輸送方式進入密相輸送，要保證管道輸送沿線流體一直處于密相狀態，需使輸送壓力高于臨界壓力，而輸送溫度不能過高，入口溫度的選擇主要根據 CO2液化流程的出口溫度來確定[5]。密相輸送的沿線管道壓降低于超臨界輸送和液相輸送，而投資略低于超臨界輸送、遠低于氣相輸送和液相輸送，適宜在人口稀少的地方輸送，國內計劃建設的 CO2管道多數為短距離注入管道，密相輸送的工藝適用性相對較好（圖 3）[6]。

圖 3 CO2密相管道輸送工藝Fig.3 CO2dense phase pipeline transportation process

2.3 液態輸送

液體狀態的 CO2具有粘度小、比重小、管輸摩阻小、經濟性好、溶解性好等特點[7]，從而為液態輸送帶來便利，但液態輸送對輸送溫度要求較嚴格，溫度較高時 CO2容易氣化，管道是否需要敷設保溫層需要通過熱力計算來確定。最常見獲得液態 CO2的方法是利用井口的壓力能來進行節流制冷，而為了保護增壓泵，需保證 CO2進入之前使其液化，同時在增壓后，有必要設置換熱器來冷卻 CO2[8]。由于輸送過程中需對溫降嚴格控制，且輸送壓力不高使輸量相對較低，一般在需大量 CO2注入的地方不能得到普及（圖 4）。

圖 4 CO2液態管道輸送工藝Fig.4 CO2liquid pipeline transportation process

2.4 氣態輸送

在管道輸送時 CO2始終以氣態形式存在，通過壓縮機升高輸送壓力，而井口采出的 CO2多為超臨界狀態，故需使其在進入管道前進行節流變相從而符合管輸要求。在輸送過程中需要注意增壓的幅度，壓力不能過高，否則會導致相態發生變化。此種管輸方法相比其他輸送方法對管道材質要求較低，但總體經濟性不好，從而沒有得到廣泛推廣（圖 5）。

圖 5 CO2氣態管道輸送工藝Fig.5 CO2gas pipeline transportation process

3 CO2管道輸送關鍵技術問題

CO2管道輸送過程中的四種狀態最常用的是超臨界輸送和密相輸送，這兩種輸送方式對管道及輸送技術要求較高。為保障管道的安全、平穩運行，需要注意的關鍵技術及問題如下：隨著技術的發展，海底封存 CO2成為一種新型儲存 CO2的方式，而對海底管道的設計、管道的壽命及安全保障等仍需深入研究；雜質對 CO2管道輸送的安全、效率存在影響，同時也可能會導致 CO2相行為的改變，從而獲得較為純凈的 CO2成為管道輸送的前提；管道的流動保障研究需要注意的問題主要包括流體溫度和壓力對流動能力的影響、快速壓降引起管道中形成干冰從而堵塞管道以及瞬態運行情況；當輸送高壓氣體或液體時可能會出現剪切傳播斷裂問題，這是氣體壓降與裂紋擴展共同作用的結果，這種作用決定了剪切傳播斷裂的程度和距離，并對管道安全輸送帶來較大影響[9]。只有對管輸過程中的流態、可能遇到的技術難題以及需要注意的相態變化進行深入研究，并在運行管理中嚴格控制瞬變參數，才能使CO2管道輸送安全、平穩、高效運行。

4 結 論

（1） 通過 CO2管道能從氣源地將 CO2高效、迅速的輸送至注入地，從而為減少溫室氣體排放和提高三次采油效率提供條件。

（2） CO2管道輸送按輸送介質的狀態不同分為氣體輸送、液體輸送、密相輸送及超臨界輸送，四種不同輸送狀態均有各自特點，但從經濟性、適用性角度，密相輸送和超臨界輸送更為普遍。

（3）在 CO2管道輸送過程中還存在較多需要解決的關鍵技術，如管道冰堵、剪切傳播斷裂等問題仍需深入研究，為管道安全運行提供保障。

［ 1］ IPCC. Climate change 2001: The third assessment report of the intergovernmental panel on climate change[R]. Cambridge: Cambridge University Press, 2001:6-11.

［ 2］ 胡世杰.二氧化碳輸送模擬優化研究[D].東營:中國石油大學(華東),2012:1-3.

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［4］ 龍安厚,狄向東,孫瑞艷,等,超臨界二氧化碳管道輸送參數的影響因素[J].油氣儲運,2013,32(1):15-19.

［5］ 劉英超.二氧化碳管道輸送特性研究[D]. 東營:中國石油大學(華東),2012:39-45.

［6］ 張春威,柳亭.二氧化碳管道密相輸送工藝適用性分析[J].內蒙古石油化工,2013(4):51-52.

［7］ 葉健,楊精未.液態二氧化碳輸送管道的設計要點[J].油氣田地面工程,2010,29(4):37-38.

［8］ 吳瑕,李長俊,賈文龍.二氧化碳的管道輸送工藝[J].油氣田地面工程,2010,29(9):52-53.

［ 9 ］ 李 昕 .二 氧 化 碳 輸 送 管 道 管 件 技 術 研 究 現 狀 [J].油 氣 儲運,2013,32(4):343-348.

Research Situation of the CO2Pipeline Transportation Technology

NING Wen-yu1，CHEN Lei1，HAN Xi-long1，ZHANG Yi-nan2，SUN Dong-xu2
（1. Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum, Beijing 102249，China；
2. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

With in-depth study of the third oil field exploration and the development of carbon capture sequestration technology, CO2injection becomes the effective means of enhancing oil recovery and reducing greenhouse effect. Aiming at the problem of long distance between gas source site and injection site, the pipeline transportation becomes the most important way of transporting carbon dioxide because of its advantages of huge throughput, long transmission distance and well economical efficiency. In this paper, through research on the CO2pipeline transportation technology at home and abroad, characteristics of four pipeline transportation ways (supercritical transportation, dense phase transportation, liquid phase transportation and gas phase transportation) were analyzed. It’s pointed out that supercritical transportation and dense phase transportation are more reasonable. At last, the key technical problems in the transportation process were studied, which could provide technical support for the development of carbon dioxide pipeline transportation in China.

Carbon dioxide; Pipeline transportation; Supercritical; Dense phase

TE 832

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1280-03

2013-11-23

寧雯宇（1990-），男，河北廊坊人，中國石油大學（北京）在讀研究生，2013 年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業，研究方向：油氣集輸及地面工程。E-mail：ningwy27@163.com。