CO2管道输送技术现状研究

宁雯宇，陈 磊，韩喜龙，张一楠，孙东旭

（1. 中国石油大学（北京）城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249； 2. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）

CO2管道输送技术现状研究

宁雯宇1，陈 磊1，韩喜龙1，张一楠2，孙东旭2

（1. 中国石油大学（北京）城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249； 2. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）

随着油田三次开采的深入与碳捕集封存技术的发展，CO2注入成为提高采收率与缓解温室气体效应的有效手段，针对气源地与注入地差异问题，管道输送以输量大、输送距离远、经济性好等优点成为 CO2输送的最重要途径。通过对国内外 CO2管道输送技术的研究，针对四种管输状态（即超临界输送、密相输送、液态输送、气态输送）的不同特点，得出管输中超临界输送与密相输送是较为合理的输送方式，并分析了输送过程中遇到的关键技术问题，为国内 CO2管道输送的开展提供技术支撑。

二氧化碳；管道输送；超临界；密相

温室气体的排放是造成全球气候变暖的主要因素之一，其中 CO2的作用约占 63%[1]。按照目前排放温室气体的速度，全球平均温度到 2100 年将会升高 1.4～5.8 ℃[2]，而截至到 2010 年中国 CO2排放量占全球排放量的 24.59%。

我国的油田部分以进入三次采油阶段，此阶段常规采油方式已很难取得较好的采油效果，而 CO2驱采油作为一种新型采油方式在国外已得到一定应用，但国内仍处于探索阶段，探寻二氧化碳驱对我国原油进一步开发具有重要意义。

通过对 CO2加工处理，将其从烟气或天然气中捕集后进行液化和储存，即 CO2捕集与封存（CCS）技术，其对缓解温室气体排放和提高采收率有重要意义。因我国二氧化碳的来源地和注入地或使用地相隔较远，而管道输送具有输量大、输送距离远、经济性好等优点，推广 CO2管道输送是最为经济的运输方式。

1 国内外 CO2管道输送技术

1.1 CO2基本物性

图 1 二氧化碳相态图Fig.1 CO2phase diagram

CO2通常为一种无色无味的气体，与水溶解度为 0.144 g/100 g (25 ℃)，标况下密度为 1.977 g/L，CO2相态图如图 1 所示，其中三相点为-56.5 ℃、5.18 MPa，临界点为 31.1 ℃、7.38 MPa，其存在状态因压力、温度不同而分为固态、气态、液态、高压密相和超临界状态5种，而在管输过程中5种状态都可能存在。

1.2 国外研究现状

随着 CO2-EOR 及 CCS 技术的推广应用,用管道来进行长距离、大规模的运输在国外已经获得相对较为广泛的应用。美国自上世纪 70 年代以来已经拥有超过 6 000 km 的 CO2管道[3]，其中已经建成或在建的管道包括一条从北达科他州羚羊谷到加拿大萨斯喀彻省的百万吨 CO2管道和 Salt Creek 油田的EsteCO2管道等。加拿大巨大的 Weyburn 工程为将CO2输送到 Weyburn 油田，而建造了一条长 330 km、直径 305～356 mm 的 CO2管道，另外土耳其等国也进行了 CO2管道的研究与建造(表 1)。

表 1 国外部分 CO2管道数据Table 1 The foreign CO2pipeline data

1.3 国内研究现状

我国主要的产油区附近的 CO2气源很少，从而从其他地方采集气体通过管道输送至指定用地是十分必要的，而国内对 CO2管道技术研究起步较晚，目前处于理论研究与实验阶段，但已计划开展工程实践建设，胜利电厂的百万吨 CO2项目计划建设为国内最大规模的 CO2输送管道。

2 CO2管输状态

由所输二氧化碳的不同相态，管道输送工艺可分为超临界输送、密相输送、液态输送和气态输送，每一种输送方式都有其特点，不同相态的管道输送条件也不同。

2.1 超临界输送

从气井中采出的 CO2常处于超临界状态，采用超临界管道输送时相对于其他输送方式对 CO2的初始相态改变较小，当温度和压力高于临近值时 CO2便处于超临界状态，此条件对于管道输送是不难达到的。在输送中需要考虑温降对介质相态的变化，取管道入口条件为压力 13 MPa、温度 50 ℃，龙安厚 等[4]通 过 Hysys 软 件 模 拟 得 出 当 输 送 距 离 达 到128.1 km 时，温度降为 30.95 ℃，达到临界状态，如继续输送介质将会发生相态改变，从而确定此条件下有效输送距离为 128.1 km。但超临界 CO2具有粘度小、密度大等特点，且氮气和甲烷对管输的压降和温降影响很小，因此在实际输送中超临界输送应用较为广泛（图 2）。

2.2 密相输送

图 2 CO2超临界管道输送工艺Fig.2 CO2supercritical pipeline transportation process

当输送温度略低于超临界输送而保持压力区间不变时，管道输送方式进入密相输送，要保证管道输送沿线流体一直处于密相状态，需使输送压力高于临界压力，而输送温度不能过高，入口温度的选择主要根据 CO2液化流程的出口温度来确定[5]。密相输送的沿线管道压降低于超临界输送和液相输送，而投资略低于超临界输送、远低于气相输送和液相输送，适宜在人口稀少的地方输送，国内计划建设的 CO2管道多数为短距离注入管道，密相输送的工艺适用性相对较好（图 3）[6]。

图 3 CO2密相管道输送工艺Fig.3 CO2dense phase pipeline transportation process

2.3 液态输送

液体状态的 CO2具有粘度小、比重小、管输摩阻小、经济性好、溶解性好等特点[7]，从而为液态输送带来便利，但液态输送对输送温度要求较严格，温度较高时 CO2容易气化，管道是否需要敷设保温层需要通过热力计算来确定。最常见获得液态 CO2的方法是利用井口的压力能来进行节流制冷，而为了保护增压泵，需保证 CO2进入之前使其液化，同时在增压后，有必要设置换热器来冷却 CO2[8]。由于输送过程中需对温降严格控制，且输送压力不高使输量相对较低，一般在需大量 CO2注入的地方不能得到普及（图 4）。

图 4 CO2液态管道输送工艺Fig.4 CO2liquid pipeline transportation process

2.4 气态输送

在管道输送时 CO2始终以气态形式存在，通过压缩机升高输送压力，而井口采出的 CO2多为超临界状态，故需使其在进入管道前进行节流变相从而符合管输要求。在输送过程中需要注意增压的幅度，压力不能过高，否则会导致相态发生变化。此种管输方法相比其他输送方法对管道材质要求较低，但总体经济性不好，从而没有得到广泛推广（图 5）。

图 5 CO2气态管道输送工艺Fig.5 CO2gas pipeline transportation process

3 CO2管道输送关键技术问题

CO2管道输送过程中的四种状态最常用的是超临界输送和密相输送，这两种输送方式对管道及输送技术要求较高。为保障管道的安全、平稳运行，需要注意的关键技术及问题如下：随着技术的发展，海底封存 CO2成为一种新型储存 CO2的方式，而对海底管道的设计、管道的寿命及安全保障等仍需深入研究；杂质对 CO2管道输送的安全、效率存在影响，同时也可能会导致 CO2相行为的改变，从而获得较为纯净的 CO2成为管道输送的前提；管道的流动保障研究需要注意的问题主要包括流体温度和压力对流动能力的影响、快速压降引起管道中形成干冰从而堵塞管道以及瞬态运行情况；当输送高压气体或液体时可能会出现剪切传播断裂问题，这是气体压降与裂纹扩展共同作用的结果，这种作用决定了剪切传播断裂的程度和距离，并对管道安全输送带来较大影响[9]。只有对管输过程中的流态、可能遇到的技术难题以及需要注意的相态变化进行深入研究，并在运行管理中严格控制瞬变参数，才能使CO2管道输送安全、平稳、高效运行。

4 结 论

（1） 通过 CO2管道能从气源地将 CO2高效、迅速的输送至注入地，从而为减少温室气体排放和提高三次采油效率提供条件。

（2） CO2管道输送按输送介质的状态不同分为气体输送、液体输送、密相输送及超临界输送，四种不同输送状态均有各自特点，但从经济性、适用性角度，密相输送和超临界输送更为普遍。

（3）在 CO2管道输送过程中还存在较多需要解决的关键技术，如管道冰堵、剪切传播断裂等问题仍需深入研究，为管道安全运行提供保障。

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

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［6］ 张春威,柳亭.二氧化碳管道密相输送工艺适用性分析[J].内蒙古石油化工,2013(4):51-52.

［7］ 叶健,杨精未.液态二氧化碳输送管道的设计要点[J].油气田地面工程,2010,29(4):37-38.

［8］ 吴瑕,李长俊,贾文龙.二氧化碳的管道输送工艺[J].油气田地面工程,2010,29(9):52-53.

［ 9 ］ 李 昕 .二 氧 化 碳 输 送 管 道 管 件 技 术 研 究 现 状 [J].油 气 储运,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文献标识码： 1671-0460（2014）07-1280-03

2013-11-23

宁雯宇（1990-），男，河北廊坊人，中国石油大学（北京）在读研究生，2013 年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：油气集输及地面工程。E-mail：ningwy27@163.com。