减少温室气体向大气中的排放的方法

摘要

一种减少向地面之上的大气中排放温室气体如二氧化碳的方法，该方法包括将含有一种或多种温室气体的气体流注射到地下注射地层中，其中，该地下注射地层包括含有地层水的载水层，存在于气体流中的一些或全部温室气体溶解到地下注射地层内的地层水中，将所述一种或多种温室气体隔离在所述地下注射地层中，从而减少温室气体向大气的排放。

说明书

优选权声明

本发明要求申请号为60/869,103、名称为“减少温室气体向大气中的排放的方法”、申 请日为2006年12月7日的美国临时专利申请为优先权基础，该优先权申请的全部内容应 当被结合到本发明中。

背景技术

近些年，已有迹象证明，由于人类活动产生的某些温室气体(GHG)的排放量上升而 引起的“温室效应”，全球气候正在变暖。大气中会引起温室效应的气体成分是二氧化碳、 甲烷、氧化亚氮和臭氧。与之相比，氧气、氮气、二氧化硫不会引起温室效应。

为了减轻人类活动产生的温室气体的增加产生的影响，已有多种减少向大气中排放温 室气体的提议。但现在没有一种方法能够在温室气体的产生源头处除去刚产生的温室气 体。

因此，需要一种新的减少向大气中排放温室气体的方法。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，本发明提供一种减少向地面之上的大气中排放温室气体 的方法。该方法包括：a)从生产源处选择气体流，该气体流中包含一种或多种温室气体； b)选择一位于地面之下的地下注射地层，将来自生产源的所述气体流中的所述一种或多 种温室气体注射到所述地下注射地层中隔离起来，所述地下注射地层包括含有地层水的载 水层；c)选择所述气体流的地面注射位点，该位点位于所述地下注射地层的上方、用于通 向该地下注射地层；d)将来自生产源的、包含一种或多种温室气体的所述气体流从所述 地面注射位点处注入到所述地下注射地层的载水层的地层水中；以及e)让气体流中的温 室气体保留在所述地下注射地层中，直到至少一些或全部温室气体：i)溶解到所述地下注 射地层的载水层内的地层水中，或者ii)置换所述地下注射地层的载水层内的地层水，或 者同时iii)溶解到所述地下注射地层的载水层内的地层水中、并置换所述地下注射地层的 载水层内的地层水，从而将一些或全部的温室气体隔离在所述地下注射地层中。

在一个实施方式中，地下注射地层与地表面之间由位于所述地下注射地层之上的一个 或多个相对不透水层隔开。在另一个实施方式中，所述一种或多种温室气体选自：二氧化 碳、六氟乙烷、甲烷、氧化亚氮、六氟化硫、四氟甲烷(四氟化碳)、三氟甲烷、1，1， 1，2-四氟乙烷，以及1，1-二氟乙烷。在另一个实施方式中，所述生产源来自人类的工业 活动。在一个实施方式中，所述人类的工业活动选自：乙烯生产厂、化肥生产厂、甲醇生 产厂、采矿作业、天然气生产作业、天然气处理厂、石油生产作业和石油炼制作业。

在一个实施方式中，所述生产源为火电厂。在另一个实施方式中，所述地下注射地层 的载水层的盐度为至少10,000ppm(10克/升)。在另一个实施方式中，所述地下注射地层 的pH值处在4～10之间。在另一个实施方式中，所述地下注射地层位于地面以下至少100 米处。在另一个实施方式中，所述地下注射地层位于地面以下100～1000米处。在另一个 实施方式中，所述地下注射地层位于地面以下至少500米处。在另一个实施方式中，所述 地下注射地层位于地面以下500～1000米处。

在一个实施方式中，所述方法还包括对所述地下注射地层的载水层内的地层水进行地 球化学分析，以证实所述地下注射地层只包含古代水，且所述地层水不与较浅的新水源相 通。在另一个实施方式中，在距生产源5公里、10公里、50公里、或者100公里处进行 气体流的注射。在另一个实施方式中，气体流的注射包括将气体流从生产源处输送至位于 地面的气体流注射位点处的注射泵，所述注射位点位于所述地下注射地层的上方。在另一 个实施方式中，气体流的注射包括：a)提供选自压缩机、冷凝器、管道、泵和阀的一种或 多种设备进行处理，并b)将温室气体从生产源输送至地下注射地层上方的气体流地面注 射位点。在另一个实施方式中，所述方法还包括在注射之前或者在注射时改变所述气体流 的一个或多个属性，以促进存在于气体流中的一种或多种温室气体在地下注射地层的载水 层中的溶解，所述一个或多个属性选自：pH值、压力、盐度和温度。在另一个实施方式中， 所述气体流的注射包括将气体流从生产源运送到位于地下注射地层上方的气体流地面注 射位点，且所述方法还包括在运送气体流时，压缩所述气体流。在另一个实施方式中，所 述地下注射地层的载水层包含孔隙压力和破裂压力，且所述方法还包括压缩所述气体流， 使其压力值大于所述地下注射地层的孔隙压力、但又小于所述地下注射地层的破裂压力。

在一个实施方式中，所述方法还包括将一种或多种化学添加剂加入到气体流中，以促 进存在于气体流中的一种或多种温室气体在地下注射地层的载水层中的溶解。在另一个实 施方式中，所述方法还包括在注射所述气体流之前，先用水压致裂法使地下注射地层中产 生裂缝。在另一个实施方式中，所述气体流为来自火电厂的废气流，所述火电厂包括燃料 气烟囱，且所述气体流的注射包括将火电厂废气流中存在的温室气体从该火电厂的燃料气 烟囱转移到地下注射地层上方的注射位点。

在一个实施方式中，在来自生产源的气体流中温室气体的含量为25％或以上。在另一 个实施方式中，在来自生产源的气体流中温室气体的含量为50％或以上。在另一个实施方 式中，在来自生产源的气体流中温室气体的含量为95％或以上。在另一个实施方式中，所 述气体流由温室气体组成。在另一个实施方式中，所述气体流既含有温室气体，也含有非 温室气体。

在一个实施方式中，气体流的注射包括将注入井从地下注射地层上方的地面注射位点 安装到地下注射地层中。在另一个实施方式中，所述注入井的类型选自直井、斜井、水平 井。在另一个实施方式中，所述方法还包括进行地质学数据分析、地质力学数据分析、以 及数字模拟技术中的一项或多项，以确定最优的注入-处理井模式、井距和井结构，以使温 室气体在载水层中的溶解达到最优化。

在另一个实施方式中，所述气体流包括氮气，所述地下注射地层包括朝向地面的(上) 表面侧，所述方法还包括，在将温室气体隔离在载水层中时或之后，让氮气向着所述地下 注射地层的(上)表面侧上升、或者在地下注射地层与地面之间上升，直到一些或所有的 氮气到达相对不透水的层时为止，且所述方法还包括将氮气排放到地面之上的大气中。在 另一个实施方式中，注射所述气体流包括将注入井从地下注射地层上方的地面注射位点安 装到地下注射地层中，其中所述注入井为第一井，且所述排放包括提供从地面至地下注射 地层的第二井。在另一个实施方式中，所述方法还包括提供第二井，该第二井具有套管射 孔、井下或地面基水-气分离系统、以及井下或地面泵中的一项或多项。

在另一个实施方式中，注射所述气体流包括：随着生产源对气体流的生产，连续不断 地从所述生产源获得气体流进行注射。在另一个实施方式中，注射所述气体流包括：在一 段时间内，连续不断地注射从所述生产源获得的气体流，所述一段时间选自：至少一天、 至少一星期、至少一个月、至少一年、至少五年、至少十年。在另一个实施方式中，注射 所述气体流包括：随着生产源对气体流的生产，间歇地从所述生产源获得气体流进行注射。

具体实施方式

根据本发明的一个实施方式，本发明提供一种减少向地面之上的大气中排放温室气体 例如二氧化碳的方法。所述方法包括将含有一种或多种温室气体的气体流注入到地下注射 地层中，其中所述地下注射地层包括含有地层水的载水层，所述气体流中存在的温室气体 中的一些或全部溶解在地下注射地层内的地层水中，将所述一种或多种温室气体隔离在所 述地下注射地层中，从而减少温室气体向大体的排放。在一个实施方式中，所述方法包括 将气体流中的一种或多种气体例如氮气从地下注射地层排放到大气中。在一个优选实施方 式中，所述方法包括靠近生产源注射所述气体流。现在详细描述所述方法。

在本申请文件中，术语“温室气体”是指选自二氧化碳、六氟乙烷、甲烷、氧化亚氮、 六氟化硫、四氟甲烷(四氟化碳)、三氟甲烷、1，1，1，2-四氟乙烷，以及1，1-二氟乙 烷的一种或多种气体。温室气体也可被理解为包括其它在未来被确定为能引起温室效应的 气体。

在本申请文件中，除非行文需要，否则，“包括”、“包含”、“含有”等词表示不排除其 它添加物、成分、数据或步骤的存在。

在本申请文件中，除非行文需要，否则，对方法步骤的描述既不表示仅限于这些步骤， 也不表示每个步骤对所述方法都是必要的、或者每个步骤必须按照所描述的顺序排列。

在本申请文件中，“靠近生产源”是指距生产源100公里范围内。

在本申请文件中，“相对不透水”是指透水率低于10毫达西(millidarcy)。

在本申请文件中，“透水率较低”是指透水率在10～100毫达西之间。

在本申请文件中，“透水率较高”是指透水率大于100毫达西。

在本申请文件中，“高孔隙度”是指岩层的粒间孔隙空间占岩层总体积的体积百分比至 少为20％。

根据本发明的一个实施方式，提供一种减少向大气中排放温室气体的方法。首先，所 述方法包括从生产源选择气体流，该气体流包含选自二氧化碳、六氟乙烷、甲烷、氧化亚 氮、六氟化硫、四氟甲烷(四氟化碳)、三氟甲烷、1，1，1，2-四氟乙烷，以及1，1-二 氟乙烷的一种或多种温室气体。在一个实施方式中，所述生产源来自人类的工业活动。在 一个优选实施方式中，所述人类的工业活动选自：乙烯生产厂、化肥生产厂、甲醇生产厂、 采矿作业、天然气生产作业、天然气处理厂、石油生产作业和石油炼制作业，例如重油和 沥青提升厂。在另一个优选实施方式中，所述生产源为火电厂，在该火电厂中，使石油或 天然气燃烧以产生用于发电的蒸汽，其中温室气体来自热处理过程中产生于燃气烟道的废 气流(也称为“烟气”)。所述生产源也可来自本领域技术人员知晓的其它合适的设施。

另外，所述方法包括选择地面之下的地下注射地层，用于隔离来自生产源的气体流中 的一种或多种温室气体。在一个实施方式中，地下注射地层包括含有地层水的载水层，所 述载水层与地下注射地层上方的地面之间隔着一个或多个相对不透水的层(透水率低于10 毫达西)。例如，在一个实施方式中，所述地下注射地层包括具有高孔隙度的、含有地层 水的载水层，例如水饱和沙地层的载水层，在这种地层中，地层水位于这样的一层之下： 该层含有页岩或含有包含粘土矿物的其它岩石种类，或者既含有页岩、又含有包含粘土矿 物的其它岩石种类。另一个合适的地下注射地层须足够深，能够确保注入的气体被隔离起 来、且不会对环境或水源造成潜在的威胁——即使在没有厚而明确界定的、透水率相对较 高的层存在时也是如此，该透水率相对较高的层与透水率相对较低的层/相对不透水层交互 存在。本领域技术人员将可以理解，与由于浮力引起的上升速率相比，足够的深度与二氧 化碳的溶解速率有关。一旦二氧化碳被水完全吸收，二氧化碳-水混合物比纯水的密度更大， 将不再倾向于向地面上升。

本领域技术人员根据本发明公开的内容将可以理解，载水层的压力越高、温度越低， 被隔离在载水层内的温室气体如二氧化碳的溶解度就越大。在一个实施方式中，地下注射 地层的载水层的平均(中值)温度为20～200℃。在另一个实施方式中，地下注射地层的载 水层的平均(中值)压力梯度(每单位深度的压力，即：千帕/米)为8～12kPa/m。

在一个实施方式中，地下注射地层的载水层的盐度至少为10,000ppm(10克/升)，因 此不适合人类消费使用，或者不适合其它的工业用途——除了可用于本发明的减少向大气 中排放温室气体的方法之外。在另一实施方式中，地下注射地层的载水层的pH值处在4～10 之间，以促进温室气体在载水层中的溶解。在一个特别优选的实施方式中，地下注射地层 的深度大于任何人类可取出使用的地下水的深度。在另一优选实施方式中，所述地下注射 地层与任何适于饮用的地下水区域或更靠近地面的适于工业使用的地下水区域之间隔着 至少一个透水率相对较高的层，该层与至少一个透水率相对较低(或相对不透水)的层相 邻。

在另一优选实施方式中，所述地下注射地层位于地面以下至少100米处。这100的深 度足够深到能够保证注入的温室气体被隔离起来，即使没有至少一个透水率相对较高的、 与至少一个透水率相对较低(或相对不透水)的层相邻的层存在，其深度也足以确保注入 的气体不会对环境或水源构成潜在的威胁。在一优选实施方式中，所述地下注射地层位于 地面以下100～1000米之间，该深度范围足够靠近地面，能使气体的以经济划算的方式注 入。在一特别优选的实施方式中，所述地下注射地层位于地面以下至少500米。在另一特 别优选的实施方式中，地下注射地层位于地面以下500～1000米之间。

在一个实施方式中，所述方法包括选择气体流的地面注射位点，该地面注射位点位于 地下注射地层的上方、用于通向所述地下注射地层。在一优选实施方式中，对所述气体流 的地面注射位点以及所述地下注射地层进行选择，以保护地表水和海洋水，例如，选择不 露出地面、或者不与地面发生相互作用的岩层为地下注射地层。在一个实施方式中，所述 方法还包括对地下注射地层的载水层内的地层水进行地球化学分析，以证实所述地下注射 地层只包含古代水，且所述地层水不与非古代水源相通。术语“古代水”(ancient water)为 本领域通用语，是指沉积在地层中的、至少一百万年前的水，这些古代水不能通过雨水渗 入地层而从地面得到补充；而“非古代水”是指那些沉积在地层中的、少于一百万年以前的 水，这些水可从地面得到补充。

因而，所述方法包括：将含有一种或多种温室气体的气体流从位于地下注射地层上方 的地面注射位点注入到地下注射地层的载水层中。一个实施方式中，在生产源附近注射所 述气体流。另一实施方式中，在距生产源100公里范围内注射所述气体流。又一实施方式 中，在距生产源50公里范围内注射所述气体流。另一实施方式中，在距生产源10公里范 围内注射所述气体流。再一实施方式中，在距生产源5公里范围内注射所述气体流。

在一个实施方式中，气体流的注入包括将气体流从生产源输送至泵，该泵位于地下注 射地层上方的气体流地面注射位点处。在一个实施方式中，气体流的输送包括提供选自压 缩机、冷凝器、管道、泵和阀的一种或多种设备进行处理，并将温室气体从生产源移动至 地下注射地层上方的气体流地面注射位点。

在一个实施方式中，所述方法还包括：在注射之前、或在注射过程中，改变所述气体 流的一个或多个属性，以促进存在于气体流中的一种或多种温室气体在地下注射地层的载 水层中的溶解，所述一个或多个属性选自：pH值、压力、盐度和温度。例如，在一个实施 方式中，改变被注射的气体流的压力，使该压力渐渐接近地下注射地层的载水层的压力或 与载水层压力相匹配。在另一实施方式中，改变被注射气体流的温度，使该温度渐渐接近 地下注射地层的载水层的温度或与载水层温度相匹配。在另一实施方式中，改变被注射气 体流的pH值，使该pH值渐渐接近地下注射地层的载水层的pH值或与载水层pH值相匹 配。在另一实施方式中，改变被注射气体流的盐度，使该盐度渐渐接近地下注射地层的载 水层的盐度或与载水层盐度相匹配。在一个实施方式中，改变气体流的一项或多项属性的 过程包括：提供热交换器，以在注射之前、在气体流的运输过程中降低气体流的温度。在 一个实施方式中，改变气体流的一项或多项属性的过程包括在运输气体流时压缩该气体 流。在一个实施方式中，改变一项或多项属性的过程包括将一种或多种化学添加剂加入到 气体流中。

在一个优选实施方式中，地下注射地层的载水层包括孔隙压力(地下注射地层的孔隙 空间内的水的压力)，还包括破裂压力(被注入到地下注射地层中的注射物的压力，该压 力必须超过地下注射地层的岩石强度，以便在地下注射地层内引起破裂/裂缝)；且所述方 法包括压缩所述气体流，使其压力值大于所述地下注射地层的孔隙压力(有利于注射)、 但又小于所述地下注射地层的破裂压力(以避免引起地下注射地层的破裂、导致气体泄漏 的风险)。例如，当地下注射地层在500米处的孔隙压力为5MPa、且该地下注射地层在 500米处的破裂压力为10MPa时，可将气体流压缩至压力为至少5MPa但小于10MPa，以 便将其注入到地下注射地层中。

在另一实施方式中，所述方法还包括，在注射所述气体流之前，用水压致裂法在地下 注射地层中产生裂缝。用水压致裂法在地下注射地层中产生裂缝能增加与载水层中地层水 接触的表面积，从而有利于气体流中的一种或多种温室气体在地下注射地层的载水层中的 溶解。此外，用水压致裂法在地下注射地层中产生裂缝可降低所述地下注射地层对气体流 的注射所造成的阻力。

在另一实施方式中，所述气体流为来自火电厂的废气流，所述火电厂包括燃料气烟囱， 且所述气体流的注射包括将火电厂废气流中存在的温室气体从该火电厂的燃料气烟囱转 移到地下注射地层上方的注射位点。

在一优选实施方式中，温室气体在来自生产源的气体流中、例如在火电厂的燃料气烟 囱内的废气流中所占的百分比为25％或以上。在另一优选实施方式中，温室气体在来自生 产源的气体流中、例如在火电厂的燃料气烟囱内的废气流中所占的百分比为50％或以上。 在另一优选实施方式中，温室气体在来自生产源的气体流中、例如在火电厂的燃料气烟囱 内的废气流中所占的百分比为95％或以上。在另一实施方式中，所述气体流，例如火电厂 的燃料气烟囱内的废气流，由温室气体组成。在另一实施方式中，所述气体流既包括温室 气体，也包括非温室气体如氮气。

在另一实施方式中，气体流的注射包括将注入井从地下注射地层上方的地面注射位点 安装到地下注射地层中。在一个实施方式中，所述注入井的类型选自直井、斜井、水平井。 在一优选实施方式中，所述注入井为水平井。

在一个实施方式中，所述方法还包括进行地质学数据分析、地质力学数据分析、以及 数字模拟技术中的一项或多项，以确定最优的注入-处理井模式、井距和井结构，以使温室 气体在载水层中的溶解达到最优化。

接着，所述方法还包括让气体流中的温室气体(以及非温室气体，如果存在非温室气 体的话)保留在地下注射地层中，直到至少一些或所有的温室气体：i)溶解到地下注射地 层的载水层内的地层水中，或者ii)置换所述地下注射地层的载水层内的地层水，或者同 时iii)溶解到所述地下注射地层的载水层内的地层水中、并置换所述地下注射地层的载水 层内的地层水，从而将一些或全部的温室气体隔离在所述地下注射地层中。

在一个实施方式中，所述气体流中含有氮气这种非温室气体。在一优选实施方式中， 所述气体流含有氮气，所述地下注射地层包括朝向地表的(上)表面侧，所述方法还包括， 在将温室气体隔离在载水层中时或之后，让氮气向着所述地下注射地层的(上)表面侧上 升、或者在地下注射地层与地面之间上升，直到一些或所有的氮气到达相对不透水的层时 为止，且所述方法还包括将氮气排放到地表之上的大气中。在一个实施方式中，注射所述 气体流包括将注入井从地下注射地层上方的地面注射位点安装到地下注射地层中，其中所 述注入井为第一井，且所述排放包括提供从地面至地下注射地层的第二井。在一个实施方 式中，所述第二井选自直井、斜井和水平井。在一优选实施方式中，所述方法还包括提供 第二井，该第二井具有套管射孔、井下或地面基水-气分离系统、以及井下或地面泵中的一 项或多项，这些本领域技术人员根据本发明公开的内容将能够很好的理解。

在一个实施方式中，所述气体流的注射包括：随着生产源对气体流的生产，连续不断 地从所述生产源获得气体流进行注射，例如，在一段时间内，连续不断地注射从所述生产 源获得的气体流，所述一段时间选自：至少一天、至少一星期、至少一个月、至少一年、 至少五年、至少十年。在另一实施方式中，所述方法包括随着生产源对气体流的生产，间 歇地从所述生产源获得气体流进行注射，例如，每周六天、每天8小时地注射所述气体流。

实施例1

下面仅通过举例的方式，说明如何减少向地面之上的大气中排放温室气体。首先，选 择火电厂中产生的废气流(烟气)为气体流。例如，1000兆瓦的燃煤火电厂一般每小时产 生约3.4兆立方米的烟气，而烟气中包括约12％的二氧化碳，因此每小时产生约410,000 立方米的二氧化碳，或者说每天产生约10,000,000立方米的二氧化碳。

接下来，选择适于将废气流中的一种或多种温室气体隔离起来的地下注射地层，该地 下注射地层位于地面注射位点(该位点处在地下注射地层的上方)之下至少900米处，且 所述地下注射地层包括位于相对不透水的页岩层之下的、透水率相对较高的沙质载水层。 在本实施例中，所述地下注射地层包括约20千米宽、20千米长、100米厚的沙质载水层， 其平均孔隙度为25％。

然后，将废气流从火电厂的燃料气烟囱移出并通过管道输送至位于所述地下注射地层 上方的所述表面注射位点。

接着，在1×10⁴kPa的压力下将废气流注入到地下注射地层中。二氧化碳在水中的溶解 度为：温度为55℃、压力为1×10⁴kPa时，每立方米的水中可溶解27立方米的二氧化碳。 因此，所述地下注射地层的存储容量为：可储存约1×10¹⁰立方米的水，这些水中可溶解约 2.67×10¹¹立方米的二氧化碳。假设废气流为12％的二氧化碳和88％的氮气，且氮气被排回 大气中，则所述地下注射地层的二氧化碳存储容量大约相当于七十三年中的二氧化碳产量 (2.67×10¹¹立方米除以1×10⁷立方米/天，再除以365天/年)。

最后，让废气流中的温室气体保留在地下注射地层中，直到至少一些或全部的温室气 体：i)溶解到所述地下注射地层的载水层内的地层水中，或者ii)置换所述地下注射地层 的载水层内的地层水，或者同时iii)溶解到所述地下注射地层的载水层内的地层水中、并 置换所述地下注射地层的载水层内的地层水，从而将一些或全部的温室气体隔离在所述地 下注射地层中。

虽然上面详细描述了本发明的许多具体实施方式，但其它的实施方式也是可能的。因 此，权利要求的范围不应限于本说明书中各优选实施方式中的描述。此外，所有引用的参 考文献也全部被结合到本申请中。