二氧化碳與油氣的不解之緣

■ 敏 銳

二氧化碳與油氣的不解之緣

■ 敏 銳

在人類排放的溫室氣體中，65%以上為二氧化碳（CO2）。從地質(zhì)循環(huán)來(lái)看，這些二氧化碳幾乎都與油氣等化石燃料有關(guān)。但在人類的油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，二氧化碳卻又是離不開(kāi)的伙伴，與其有著不解之緣。

二氧化碳與油氣的生成

在世界范圍內(nèi)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量高濃度二氧化碳?xì)獠?。這些氣藏部分來(lái)自于地殼巖石或有機(jī)質(zhì)的分解，但更多的是來(lái)自于地球深部不斷向外排放的二氧化碳。這些有機(jī)或無(wú)機(jī)成因的二氧化碳在大量進(jìn)入沉積盆地的過(guò)程中，必然會(huì)與沉積盆地的各種介質(zhì)接觸并發(fā)生各種物理和化學(xué)反應(yīng)，從而對(duì)油氣的成藏造成重大影響。

地球深部排出的二氧化碳在上升的過(guò)程中，可以與氫氣（H2）發(fā)生著名的費(fèi)托反應(yīng)而生成烴類。這種反應(yīng)說(shuō)明，在地球內(nèi)部完全可能因?yàn)橘M(fèi)托反應(yīng)的發(fā)生而形成大量烴類。地球深部存在大量的富二氧化碳流體和大量的富H流體，并不斷向外排放，這為費(fèi)托反應(yīng)的發(fā)生提供了物質(zhì)保障。另外，在很多沉積盆地中廣泛發(fā)育蛇紋石化超基性巖或玄武巖，這些催化劑的存在使得反應(yīng)的發(fā)生成為可能；在斷裂發(fā)育或深部流體活動(dòng)頻繁的地方，肯定會(huì)有大量溫度適宜的區(qū)域。

除參與費(fèi)托反應(yīng)外，在250℃條件下，二氧化碳還可以被Fe2SiO4直接還原為CH4，東營(yíng)凹陷部分烴類的生成就是這種反應(yīng)的結(jié)果。此外，深部富二氧化碳流體是熱能的良好載體，這種流體進(jìn)入沉積盆地后會(huì)為盆地介質(zhì)提供大量熱能，從而促進(jìn)烴源巖生烴。

世界范圍內(nèi)油氣田的分布規(guī)律也可以為費(fèi)托反應(yīng)的發(fā)生提供佐證。世界油氣的一半以上與板塊俯沖及其相聯(lián)系的各種斷裂有關(guān)，而且在這些斷裂區(qū)域正好是費(fèi)托反應(yīng)最可能發(fā)生的地方。這一分布規(guī)律也提醒我們要充分關(guān)注這種生烴機(jī)制，這種反應(yīng)的發(fā)生將會(huì)極大地拓展油氣的勘探領(lǐng)域。

地球內(nèi)部含有的二氧化碳臨界參數(shù)相對(duì)較低( 7.38MPa、31.1℃)，大部分二氧化碳以超臨界狀態(tài)存在。這種超臨界流體已經(jīng)作為一種優(yōu)質(zhì)的萃取劑，在生物、食品和醫(yī)藥等行業(yè)得以廣泛應(yīng)用。超臨界狀態(tài)的二氧化碳還能很快抽提出沉積物中的甾烷、藿烷和芳香烴，對(duì)油頁(yè)巖和煤中的有機(jī)質(zhì)也能進(jìn)行萃取。地球深部還含有大量分散的烴類，這已經(jīng)被超深鉆的結(jié)果所證實(shí)，而超臨界二氧化碳流體對(duì)于分散的有機(jī)質(zhì)具有非凡的富集能力，使得超臨界狀態(tài)深部流體對(duì)分散的油氣組分具有明顯的富集作用，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)機(jī)成因油氣藏的出現(xiàn)。例如，在澳大利亞奧特韋(Otway)盆地，發(fā)現(xiàn)油氣顯示的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)的大量高濃度的二氧化碳?xì)馓铮袑W(xué)者認(rèn)為，火山巖漿源的高濃度超臨界態(tài)二氧化碳對(duì)奧特韋和庫(kù)珀盆地油氣的形成可能起著重要作用。

另外，大量的二氧化碳進(jìn)入沉積盆地，會(huì)導(dǎo)致地層流體pH值的降低，從而導(dǎo)致地下碳酸鹽礦物和鋁硅酸鹽礦物的溶解。這類作用也可以使由碳酸巖礦物和鋁硅酸鹽礦物膠結(jié)的砂巖溶解，從而產(chǎn)生大量次生孔隙。這類孔隙的存在可以顯著改善儲(chǔ)層物性。

二氧化碳與油氣開(kāi)采

國(guó)際能源機(jī)構(gòu)評(píng)估認(rèn)為，全世界適合二氧化碳驅(qū)油開(kāi)發(fā)的資源約為3000～6000億桶，二氧化碳驅(qū)油是三次采油中最具潛力的提高采收率的方法之一。

二氧化碳驅(qū)油，是一種把二氧化碳注入油層中以提高油田采收率的技術(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，二氧化碳是一種無(wú)色、無(wú)味、比空氣重、在油和水中溶解度都很高的氣體，密度是1.977克/升。當(dāng)溫度壓力高于臨界點(diǎn)時(shí)，二氧化碳的性質(zhì)發(fā)生變化：形態(tài)近于液體，黏度近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)為液體的100倍。這時(shí)的二氧化碳是一種很好的溶劑，其溶解性、穿透性均超過(guò)水、乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑。當(dāng)原油溶于二氧化碳時(shí)，可以補(bǔ)充地層能量使原油體積膨脹，黏度下降，還可以降低油水間的界面張力，形成溶解氣驅(qū)，提高原油流動(dòng)能力及油藏性質(zhì)，從而提高油田驅(qū)油效率與原油采收率。

1970年，美國(guó)開(kāi)始在德克薩斯州把二氧化碳注入油田作為提高石油采收率(EOR)的一種技術(shù)手段，成為應(yīng)用二氧化碳驅(qū)油試驗(yàn)最早、最廣泛的國(guó)家。現(xiàn)今，二氧化碳驅(qū)油已成為美國(guó)主要提高采收率的技術(shù)。在2008年，全世界二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目已達(dá)到124個(gè)，年耗二氧化碳量2500萬(wàn)噸,每天產(chǎn)油27.4萬(wàn)桶，其中美國(guó)實(shí)施二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目108個(gè)，每天產(chǎn)油25萬(wàn)桶。世界上實(shí)施的大部分二氧化碳驅(qū)項(xiàng)目是混相驅(qū)，其中90%以上的項(xiàng)目屬美國(guó)。美國(guó)10個(gè)產(chǎn)油區(qū)的292個(gè)油田采用二氧化碳驅(qū)油，采收率可提高7%～15%。到2010年2月，注入二氧化碳已幫助一些成熟油田回收了近15億桶石油。

我國(guó)低滲透油藏現(xiàn)已探明原油儲(chǔ)量63.2億噸，其中尚未動(dòng)用的儲(chǔ)量50%左右，運(yùn)用二氧化碳驅(qū)比水驅(qū)有更明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在中國(guó)石化“低滲透油藏二氧化碳驅(qū)提高采收率”先導(dǎo)試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，燃煤發(fā)電廠煙氣二氧化碳捕集純化技術(shù)利用化學(xué)吸收法，將勝利發(fā)電廠燃煤煙氣中的二氧化碳進(jìn)行捕集、提純、液化。該裝置運(yùn)行后，液態(tài)二氧化碳日產(chǎn)量達(dá)100余噸，全年可捕集、液化二氧化碳達(dá)3～4萬(wàn)噸，二氧化碳經(jīng)處理后純度達(dá)99.5%以上，可全部用于勝利油田開(kāi)展的“低滲透油藏二氧化碳驅(qū)油”重大先導(dǎo)試驗(yàn)。2015年，山東勝利油田建成100萬(wàn)噸/年二氧化碳捕集裝置，該裝置建成后將成為全球最大的二氧化碳捕集裝置，同時(shí)利用捕集的二氧化碳驅(qū)油，油田的采收率可以提高10至15個(gè)百分點(diǎn)，每年預(yù)計(jì)可減少二氧化碳排放3萬(wàn)多噸。

對(duì)于中高滲水驅(qū)油藏，也可通過(guò)注入二氧化碳進(jìn)一步提高采收率，中原油田濮城水驅(qū)廢棄油藏就通過(guò)試驗(yàn)二氧化碳驅(qū)油再獲新生。2012年5月10日，中原油田首次開(kāi)展二氧化碳吞吐工藝試驗(yàn)，中原油田采油四廠在文88-平1井進(jìn)行二氧化碳吞吐工藝試驗(yàn)，標(biāo)志著油田二氧化碳吞吐試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)入實(shí)施階段。如果二氧化碳驅(qū)油在中原油田高含水油藏中全面推廣應(yīng)用，將覆蓋地質(zhì)儲(chǔ)量3億噸，預(yù)計(jì)可增加可采儲(chǔ)量2000～3000萬(wàn)噸。

二氧化碳與廢棄油藏

國(guó)內(nèi)外的油氣盆地勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，油氣藏是封閉條件良好的地下儲(chǔ)氣庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的長(zhǎng)期埋存；同時(shí)，二氧化碳注入油氣藏時(shí)，還可作為驅(qū)油劑顯著提高油氣采收率。迄今，二氧化碳地質(zhì)埋存已經(jīng)在美洲、歐洲、非洲得到實(shí)踐，在澳洲和亞洲也在研發(fā)和計(jì)劃之中。

油藏是二氧化碳地質(zhì)埋存的最小單元，一個(gè)具體油藏是否適合二氧化碳地質(zhì)埋存，首先要對(duì)該油藏所在沉積盆地進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，接著對(duì)其所在油田進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，最后是油藏方面安全評(píng)價(jià)。

盆地的溫度和壓力環(huán)境決定了二氧化碳密度的大小，從而會(huì)影響盆地的埋存能力。在一般盆地壓力體系下，二氧化碳密度最大可達(dá)850千克/立方米。一些超壓地層在盆地中埋藏較深（一般大于2000米），二氧化碳密度可達(dá)1060千克/立方米，但是由于注入成本及安全性，它們并不適合二氧化碳的地質(zhì)埋存。地?zé)崽荻容^低的、斷裂活動(dòng)較弱的擴(kuò)散型大陸邊緣盆地具有較好的二氧化碳埋存潛力。較低的地?zé)崽荻群偷責(zé)崃髦?，能使二氧化碳在較小的深度下達(dá)到較高的密度，有利于二氧化碳的地質(zhì)埋存。理想的二氧化碳埋存盆地應(yīng)該具有地表溫度低、地溫梯度小、大地?zé)崃髦敌?、遠(yuǎn)離地下熱源等特征。儲(chǔ)層的深度應(yīng)滿足二氧化碳以超臨界狀態(tài)的形式儲(chǔ)存，同時(shí)也應(yīng)考慮注入成本，深度一般應(yīng)在800～2000米左右。

廢棄井是二氧化碳泄露的潛在途徑之一。廢棄井一般用水泥封堵，而地層中的二氧化碳具有腐蝕性，在一定時(shí)期后（20～50年）腐蝕穿過(guò)水泥環(huán)，從而導(dǎo)致泄露。廢棄井的密度越低，二氧化碳泄露的隱患越低。

二氧化碳地質(zhì)埋存是將二氧化碳注入到地層孔隙中，借助地層的密封性實(shí)現(xiàn)溫室氣體的長(zhǎng)期封存。以二氧化碳為驅(qū)油劑提高油氣采收率不僅可以增加原油可采儲(chǔ)量，而且可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的長(zhǎng)期埋存，是二氧化碳高效利用與埋存的最佳途徑之一。