中美二氧化碳捕集和驅(qū)油發(fā)展狀況分析

徐婷，楊震，周體堯，李凌( .中國石油天然氣集團公司規(guī)劃計劃部；.中國石油勘探開發(fā)研究院；.中國石油集團經(jīng)濟技術研究院 )

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中美二氧化碳捕集和驅(qū)油發(fā)展狀況分析

徐婷1，楊震1，周體堯2，李凌3
( 1.中國石油天然氣集團公司規(guī)劃計劃部；2.中國石油勘探開發(fā)研究院；3.中國石油集團經(jīng)濟技術研究院 )

摘 要：中國已超越美國成為世界碳排放第一大國，二氧化碳的捕集、利用和埋存已被提上日程。其中，利用二氧化碳驅(qū)油在提高低滲透儲層有效動用儲量和單井產(chǎn)油量方面效果明顯，具有較好的推廣應用前景。美國的“清潔能源和能源安全法案”“能源政策法”“國家提高石油采收率計劃”都促進了美國的二氧化碳捕集和利用。美國是世界上利用二氧化碳驅(qū)油最多的國家，歷經(jīng)60年的實踐，二氧化碳驅(qū)油技術在美國已發(fā)展成熟。中國具有開展二氧化碳捕集和驅(qū)油的巨大潛力，但由于與美國相比在地質(zhì)條件、氣源條件、政策支持等方面都有差異，不能照搬美國的技術和經(jīng)驗，需要理性推動中國的二氧化碳捕集、驅(qū)油項目發(fā)展，有針對性地開展國際合作，創(chuàng)造適合中國低滲透/超低滲透油田特點的二氧化碳驅(qū)油提高采收率配套技術。

關鍵詞：二氧化碳捕集；二氧化碳驅(qū)油；二氧化碳減排；提高采收率；激勵政策

2009年12月，聯(lián)合國氣候變化框架公約（UNFCCC）第15次締約方會議上，將全球溫度升高控制在2℃之內(nèi)的目標寫入了《哥本哈根協(xié)定》。這意味著需要將大氣層中的溫室氣體濃度控制在450ppm二氧化碳當量左右[1]。國際能源署（IEA）據(jù)此預測，除現(xiàn)行政策外，必須通過政府對二氧化碳排放的進一步干預，使得2020年的排放水平再降低38億噸，到2030年則應再降低138億噸[2]。世界上許多國家提出了各自的減排目標，中國計劃到2020年將單位GDP的二氧化碳排放在2005年水平上減少40%～45%[3]。

綜合考慮二氧化碳減排成本和潛力等多方面因素，可以認定，二氧化碳捕集后進行商業(yè)利用成為重要的減排方式，將捕集后的二氧化碳注入油藏以提高石油采收率（CCS-EOR）具備明顯的經(jīng)濟效益優(yōu)勢，不僅可以實現(xiàn)二氧化碳的地下封存，還可以增加國家的能源供給，提高企業(yè)的收益。目前，美國是利用二氧化碳驅(qū)油最多的國家，二氧化碳驅(qū)油提高采收率技術已發(fā)展成熟。借鑒美國的成功經(jīng)驗，充分認識中美CCS-EOR在地質(zhì)條件、氣源條件、政策支持等方面的差異，對理性推動中國的CCS-EOR技術發(fā)展有一定的參考價值。

1　中國推動CCS-EOR的背景與現(xiàn)狀

1.1中國應對氣候變化的國內(nèi)外壓力日益增大

2003-2012年，中國的GDP、一次能源消耗和二氧化碳排放量分別增長3.9倍、1.21倍和1.12倍[4-5]。2006年，中國的碳排放量超過美國，成為世界上最大的碳排放國。2013年中國的碳排放總量是79億噸，占世界排放總量的25%。據(jù)有關專家和機構估測，2015年中國的碳排放總量可能超過90億噸。盡管中國承諾2020年單位GDP的二氧化碳排放在2005年水平上減少40%～45%，但碳排放總量仍將持續(xù)增長，減排的國內(nèi)外壓力日益增大。

2014年11月，亞太經(jīng)濟合作組織（APEC）會議期間，作為世界上最大的兩個碳排放國，中美雙方就溫室氣體減排目標達成一致，中國國家主席習近平和美國總統(tǒng)奧巴馬共同宣布中美兩國就氣候問題簽署協(xié)議。美國提出到2025年溫室氣體排放較2005年整體下降26%～28%，一改之前承諾的2020年碳排放比2005年減少17%，意味著減排速度進一步提高。中國提出，2030年中國碳排放有望達到峰值，并將于2030年將非化石能源在一次能源消費中的比重提升到20%[6]。中美兩國此次宣布碳排放減排目標對減少世界碳排放具有里程牌式的意義。

1.2二氧化碳的捕集、利用和埋存已成為國際社會的

共識和行動

電力行業(yè)、化石能源等資源開采行業(yè)、化工行業(yè)、冶金和水泥等行業(yè)是二氧化碳的大規(guī)模集中排放源。減少二氧化碳排放，主要通過三個途徑：一是提高能源效率，二是利用可再生能源，三是開展二氧化碳捕集和埋存（CCS）。其中，提高能效和利用可再生能源是通過間接手段減排二氧化碳，而發(fā)展可再生能源會直接限制化石能源的利用，但要受成本、資源分布、技術成熟度及政策環(huán)境力度等多方面因素的影響。從目前看，可再生能源減排還不能替代CCS技術，例如陸地風能雖然成本較低，但受資源限制，其減排潛力小，資源豐富的光伏技術，成本遠高于CCS技術（見圖1）[7]。

為進一步提升CCS技術的優(yōu)勢，降低其成本，增強其發(fā)展的可持續(xù)性，二氧化碳捕集后的商業(yè)利用被提上研究日程。捕集后的二氧化碳可以被廣泛地利用在石油開采、機械加工、化工、消防、食品加工和生物養(yǎng)殖等行業(yè)。其中，利用二氧化碳驅(qū)油提高采收率（EOR）技術可提高石油資源的利用率，增加國家的能源供給，并提高企業(yè)的收益，其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是各種利用方式中相對較高的。國內(nèi)外現(xiàn)場試驗結果表明，二氧化碳驅(qū)油在提高低滲透儲層有效動用儲量和單井產(chǎn)量方面效果明顯，具有較好的推廣應用前景。

圖1　可再生能源利用與CCS技術的成本對比

1.3中國具有開展CCS-EOR的巨大潛力

中國973項目《溫室氣體提高采收率的資源化利用及地下埋存》的評價認為，中國二氧化碳驅(qū)油埋存的潛力巨大。目前，全國約有130億噸原油地質(zhì)儲量適合采用二氧化碳驅(qū)油，可增加可采儲量19.2億噸，其中，低滲透難動用儲量占60%以上，埋存二氧化碳約50億～60億噸。

中國政府早在2003年就開始關注二氧化碳捕集、商業(yè)利用與埋存技術（CCUS）[8]，較早參與CCUS的部門是科技部和發(fā)展改革委應對氣候變化司，目前國家能源局、工業(yè)和信息化部和國土資源部等部門也已經(jīng)參與到CCUS技術中，反映出CCUS技術受到了更多的重視。隨著CCUS項目示范規(guī)模的進一步擴大和未來可能的商業(yè)化進程，會有更多的政府部門介入CCUS項目監(jiān)督管理和相關法律法規(guī)、標準規(guī)范的制訂中。

以筆者的工作經(jīng)歷和觀察，中國政府已將CCUS視為一種潛在的重要減排戰(zhàn)略技術，尤其關注其對煤炭清潔化利用的貢獻和二氧化碳的再利用途徑。但在批準CCUS項目廣泛開展之前，需要解決碳捕集和能耗損失、CCUS高昂的成本和大規(guī)模實施的安全隱患等關鍵問題[9]。預計在近期，有關部門仍將通過科研立項支持研究機構和企業(yè)進行CCUS研發(fā)示范，政府將給予這些示范項目公共資金支持，同時政府通過設立強制性減排指標、制定相關法規(guī)規(guī)范等來推動CCUS；在遠期，為應對氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟，國家將出臺相關政策和機制，例如設立碳稅、建立“總量控制和排放權交易”引入靈活的市場機制等，將對CCUS起到進一步的推動作用。但CCUS如何發(fā)展還取決于眾多具體條件，例如碳稅征收辦法、碳交易定價、碳市場供需關系、減排目標壓力、CCUS技術成本和技術成熟度及其他減排技術的成本變化等。

2　美國CCS-EOR發(fā)展狀況

2.1CCS-EOR發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

從美國大西洋煉油公司獲得首個二氧化碳驅(qū)油專利（1952年）至今，歷經(jīng)60年的實踐，二氧化碳驅(qū)油技術在美國已發(fā)展成熟。美國自上世紀60年代開始探索二氧化碳驅(qū)油礦場試驗，80年代進入工業(yè)化發(fā)展，因混相條件下二氧化碳驅(qū)油的增產(chǎn)效果和項目效益顯著，此項技術應用得到了規(guī)模發(fā)展。截至2014年10月，美國有136個油田開展了二氧化碳驅(qū)油項目，是世界上利用二氧化碳提高采收率最多的國家，鋪設二氧化碳輸送管線5800千米，每天向油田供應二氧化碳約18.7萬噸，生產(chǎn)原油30萬桶/日，二氧化碳驅(qū)油累積生產(chǎn)原油高達20億桶。

2.2不同地區(qū)CCS-EOR商業(yè)運行模式

在美國的不同盆地，CCS-EOR商業(yè)運行模式存在差異。在二疊紀盆地，二氧化碳氣源主要來自天然二氧化碳氣藏（二氧化碳含量＞96%），初始主要由監(jiān)管機構（鐵路委員會）操控，目前由大型石油公司經(jīng)營運作，用于油田提高原油產(chǎn)量；在落基山盆地，二氧化碳氣源主要來自天然氣開發(fā)過程中的二氧化碳副產(chǎn)品，二氧化碳驅(qū)油項目的推進主要依靠州政府施壓；在墨西哥灣地區(qū)，二氧化碳氣源來自天然二氧化碳氣藏開采，各大公司在二氧化碳驅(qū)油項目上具備較大的自主性和獨立性；在中大陸地區(qū)以及威利斯頓盆地，二氧化碳多來自工業(yè)排放源，均通過管道運輸?shù)接吞镞M行二氧化碳驅(qū)油，主要以提高油田采收率為主，獨立封存項目較少。

據(jù)美國一些石油公司預測，通過進一步技術創(chuàng)新，二氧化碳驅(qū)油技術可為美國增加600億～800億桶原油儲量，石油儲量翻番，對美國的能源安全意義重大。從美國幾十年的二氧化碳驅(qū)油發(fā)展歷程看，相對高的油價以及低廉穩(wěn)定的二氧化碳氣源是項目成功的保障。

2.3二氧化碳減排激勵政策

為推動二氧化碳捕集和埋存（CCS）發(fā)展，美國、澳大利亞、歐盟國家（例如挪威）等國家和一些國際組織制訂了CCS相關的政策、法規(guī)和標準?！懊绹鍧嵞茉春湍茉窗踩ò浮保ˋCES）和美國東北各州的針對電廠的“區(qū)域溫室氣體行動計劃”都允許排放主體將因排放權交易產(chǎn)生的成本分攤到能源消費者身上?！懊绹鍧嵞茉春湍茉窗踩ò浮贬槍﹄姀SCCS項目發(fā)展的不同階段，分別設計了基于減排效率以及基于競標和“先到先得”原則的政府資金分配方案。伊利諾伊州“清潔煤標準總則”規(guī)定，電網(wǎng)必須保證一定比例的電力購自應用了CCS的電廠?！懊绹鍧嵞茉春湍茉窗踩ò浮焙汀澳茉凑叻ā边€對CCS早期研發(fā)和實踐提供了有效的財政激勵和豐厚的信貸額度，但是新型CCS示范項目能否獲得政府資金支持仍具有很大的不確定性。目前，美國政府對CCS示范項目的激勵主要是通過給予稅收抵免額度來實現(xiàn)的，抵免額度上限為7500萬噸二氧化碳，迄今已用了2700萬噸，剩余的補貼額度預計在3～5年內(nèi)用完，因而不能確保投資者獲得相應的稅收抵免。此外，由于現(xiàn)有的激勵政策補貼金額較低（每噸二氧化碳補貼10美元），補貼對很多CCS項目的作用有限。

美國“國家提高石油采收率計劃”（NEORI）提出了擴大并改革聯(lián)邦激勵政策的相關提案。第一，項目通過競爭招標確定每噸二氧化碳的稅收抵免金額，從政府角度確保二氧化碳驅(qū)油提高采收率補貼是最低額度，同時作業(yè)者可獲得長達10年的稅收抵免；第二，對成本高低不同的二氧化碳排放源和發(fā)電廠等，采取不同的稅收抵免額度，以確保不同來源的CCS項目都能獲得補貼激勵；第三，稅收抵免金額根據(jù)每年石油市場價格進行調(diào)整，高油價下補貼額度較低，低油價下補貼額度調(diào)高，既可避免高油價下納稅人撈取補貼獲益，也可減少低油價帶來的風險。該計劃認為，二氧化碳驅(qū)油提高采收率增加的石油稅收，將在10年內(nèi)超過政府稅收抵免的成本，從長遠看可為政府帶來顯著收益。

2.4二氧化碳管道輸送模式

美國CCS-EOR運行機制主要由政府協(xié)調(diào)，實行市場化定價機制效果顯著。二氧化碳管道可由二氧化碳排放企業(yè)和石油公司之外的第三方獨立運營。目前美國最大的二氧化碳管道運輸商和銷售商為Kinder Morgan能源公司，該公司擁有天然氣藏、二氧化碳氣藏以及世界最大的氣體處理廠，運營著808千米的長輸管線，將二氧化碳從西南科羅拉多輸送到西得克薩斯。長距離管線輸送降低了二氧化碳的運輸成本，使得二氧化碳驅(qū)油規(guī)?；⒐I(yè)化成為可能。

就二氧化碳運輸技術而言，選擇氣態(tài)或液態(tài)進行一般短距離、小規(guī)模的輸送，選擇超臨界狀態(tài)進行長距離、大規(guī)模的輸送，增壓設備主要選擇透平壓縮機，加壓設備主要選擇多級臥式離心泵，輸送管線材質(zhì)主要選擇X65、X70ERW-HIC。美國CCS-EOR項目地面系統(tǒng)中的二氧化碳捕集、管道輸送、環(huán)境監(jiān)測、運行監(jiān)控、教育培訓等均有專門的承包商經(jīng)營運作，工程中所采用的壓縮機、多級離心泵、分離設施、計量設施、閥門等設備、材料也均有專業(yè)的供應商全程提供服務保障。

2.5二氧化碳循環(huán)利用和安全環(huán)保檢測管理

美國二氧化碳驅(qū)油項目初期的二氧化碳純度一般都達到99%以上。隨著項目的運行，后期采用的二氧化碳來自采出液伴生氣的分離、提純和循環(huán)利用，主要有變壓吸附分離提純工藝，二氧化碳純度要求95%以上。采出流體中回收的二氧化碳與商業(yè)采購的二氧化碳混合后注入油田循環(huán)利用，實現(xiàn)動態(tài)埋存，既可降低二氧化碳采購成本，又可提高油田的開發(fā)效益。二氧化碳注入油藏后，會引起儲層物性、孔隙結構發(fā)生變化[10]，項目作業(yè)者通過模擬與仿真集成技術等對項目進行風險評估，評價和推斷項目的可執(zhí)行性，通過儲存構造研究、油田測試（脈沖中子測井、4D地震、溫壓監(jiān)測、操作數(shù)據(jù)分析、近地面觀測）等確保埋存安全，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測與管理，提升項目的運營價值。

3　中美CCS-EOR技術差異對比分析

中國近年來在國家有關部委和石油公司的支持下，開展了多個二氧化碳驅(qū)油提高采收率項目，為發(fā)展CCSEOR技術打下了基礎。其中，中國石油集團在吉林油田開展了首個CCS-EOR示范工程研究。1999年，吉林油田開始CCS-EOR的基礎研究和礦場試驗；2005年以吉林長嶺氣田伴生二氧化碳為氣源，系統(tǒng)地開展了CCS-EOR的技術研究和試驗，目前已進入工業(yè)化推廣階段，具備年埋存二氧化碳50萬噸的能力，年產(chǎn)油能力近20萬噸，不僅提高了油田采收率，同時解決氣田開發(fā)過程中的二氧化碳去向問題，實現(xiàn)了有效益的二氧化碳減排。2003年，大慶油田開展了二氧化碳驅(qū)油技術的研究及礦場試驗，也取得了初步效果。此外，中國石化集團在勝利油田開展了針對燃煤電廠煙氣的CCS-EOR技術研究；延長石油集團在靖邊油田開展了針對陜北煤化工項目的CCS-EOR的技術研究。

3.1中美兩國二氧化碳驅(qū)油項目的氣源不同

美國CCS-EOR項目所用的二氧化碳有三個來源：一是純二氧化碳氣藏，占80%；二是含二氧化碳天然氣藏分離出的二氧化碳，占15%；三是人工捕集的工業(yè)排放的二氧化碳，占5%，主要來自電廠、煤制氣、制甲醇、煉油廠、水泥廠、制氫廠等項目的工業(yè)排放。二氧化碳氣藏的開采成本為10美元/噸，二氧化碳捕集的成本較高，達到35 ～45美元/噸，以天然二氧化碳氣藏開發(fā)為主是美國CCSEOR項目成本較低的主要原因。

中國天然二氧化碳氣源少，工業(yè)排放二氧化碳氣源類型多，主要來自煤電、水泥、鋼鐵及煤化工企業(yè)，實施CCS-EOR項目需要跨部門合作，導致成本更高。不同行業(yè)的二氧化碳排放規(guī)模相差大，煤電企業(yè)多在1000萬噸/年左右；電石、煉油、合成氨和聚苯乙烯企業(yè)的年排放規(guī)模一般為數(shù)十萬到數(shù)百萬噸，大多不超過500萬噸/年；煤化工、鋼鐵、水泥行業(yè)的二氧化碳排放量范圍很大，多在100萬～3000萬噸/年。除煤化工行業(yè)外，二氧化碳捕集成本均較高。另外，中國的二氧化碳氣源主要集中在人口稠密的東部地區(qū)，而封存潛力區(qū)主要集中在西部地區(qū)，空間距離提高了二氧化碳運輸與利用成本，也加大了風險。

3.2中美兩國的油藏條件存在差異

油藏技術專家們的一個基本共識是，水驅(qū)開發(fā)效果好的油藏，采用二氧化碳驅(qū)油也能取得不錯的效果[11]。美國二氧化碳驅(qū)油技術一般用于水驅(qū)后進一步提高采收率，其油藏以海相沉積為主，儲層物性和非均質(zhì)性均好于中國用于二氧化碳驅(qū)油的油藏。例如，美國使用二氧化碳驅(qū)油技術規(guī)模最大、歷史最長的SACROC油田，油藏平均滲透率為20～30毫達西（mD），實施二氧化碳驅(qū)油的產(chǎn)量較高，平均單井日產(chǎn)油在8噸以上，產(chǎn)液量在80噸左右。但對于滲透率低于10毫達西的油藏，二氧化碳驅(qū)油技術目前也處于研究階段，并且重點在4～6毫達西的油藏，對小于3毫達西的油藏暫不考慮。

中國的中高滲油藏對化學驅(qū)油適應程度較高，技術相對成熟，二氧化碳驅(qū)油技術主要用于低滲透油藏提高采收率以及超低滲難采儲量的有效動用。二氧化碳驅(qū)油的目標油藏多為水驅(qū)效果不好、難以注進水甚至不適宜注水的油藏[12-13]，二氧化碳驅(qū)油的油藏滲透率一般小于3毫達西，有些油藏的滲透率甚至小于1毫達西，且裂縫發(fā)育，非均質(zhì)性較強。目標油藏的單井日產(chǎn)液量一般低于6噸，與美國油藏相比差別較大。

因此，油藏對象不同，加大了中國二氧化碳驅(qū)油的開發(fā)難度。美國以水氣交替（WAG）為主體的開發(fā)模式，難以應用在中國的特低/超低滲油田，相應的開發(fā)技術及工程配套技術沒有先例，中國需要自行研究攻關。

3.3中美二氧化碳驅(qū)油的采油技術及地面工藝不同

美國二氧化碳驅(qū)油的注采井口將安全控制和數(shù)據(jù)采集等裝置集中布設，整體結構簡單；同時油井生產(chǎn)與伴生氣利用緊密結合，采用電潛泵或氣舉等舉升方式。與中國通常采用的抽油機采油相比，增加了生產(chǎn)時率。美國二氧化碳驅(qū)油項目地面、井筒和其他方面的投資比例為6∶3∶1。中國的吉林、大慶等油田二氧化碳驅(qū)油項目從試驗安全生產(chǎn)的角度考慮，主要采用標準的耐二氧化碳氣井井口，結構相對復雜；井下使用氣密封扣油管柱，總體成本相對較高。從項目現(xiàn)場試驗看，高氣油比的油井面臨如何實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。地面系統(tǒng)的二氧化碳選擇、輸送方式、氣水注入、集輸工藝、計量水平、分離技術、循環(huán)利用以及防腐防垢等方面，需進一步提高生產(chǎn)效率，降低能耗和生產(chǎn)成本，使低滲透油田工業(yè)化二氧化碳驅(qū)油達到長期、安全、高效的生產(chǎn)要求。

4　結論

美國發(fā)展CCS-EOR的過程也歷經(jīng)波折，目前針對滲透率10毫達西以上油藏的二氧化碳驅(qū)油技術基本成熟，但對于滲透率小于3毫達西的低產(chǎn)液油藏，如何實現(xiàn)二氧化碳驅(qū)油技術的效益開發(fā)也面臨巨大挑戰(zhàn)。

中國開展CCS-EOR仍面臨許多實際困難。發(fā)展CCSEOR需借鑒美國的成功經(jīng)驗與成熟技術，也要充分認識到，由于地質(zhì)條件、氣源條件、政策支持等方面的差異，不可完全照搬美國經(jīng)驗，必須從中國的實際情況出發(fā)，總結國內(nèi)CCS-EOR的經(jīng)驗教訓，選擇最佳的技術組合，針對重點技術開展攻關，創(chuàng)造適合中國低滲透/超低滲透油田特點的二氧化碳驅(qū)油配套技術，為編制中國CCS-EOR路線圖提供科學依據(jù)?？傊?，中國推進CCS-EOR任重而道遠。

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編輯：張一馳

編審：周勇

Carbon capture and storage (CCS) and CO2flooding technology development in the United States and China

XU Ting1, YANG Zhen1, ZHOU Tiyao2, LI Ling3
(1. CNPC Planning Department; 2. CNPC Research Institute of Petroleum Exploration & Development; 3. CNPC Economics & Technology Research Institute)

Abstract：The capture, use and storage of CO2have been put on the agenda, since China became the biggest carbon emission country in the world. The CO2flооding is рrоvеd tо hаvе gооd еffесt in imрrоving thе dеvеlорmеnt оf lоw реrmеаbilitу rеsеrvоir and production of single well, which shows a bright future of application and dissemination. American government has promulgated several acts and plans to promote the capture and utilization of CO2, such as the Clean Energy and Energy Security Act, Energy Policy Act and National Plan of Enhancing Oil Recovery. After over six decades of practice, the CO2flооding tесhnоl(xiāng)оgу hаs bесоmе a proven technique in America with the largest number of CO2flооding рrоjесts аll оvеr thе wоrld. Сhinа hаs grеаt роtеntiаl оn developing CO2flооding tесhnоl(xiāng)оgу, but still nееds tо bе саutiоus аbоut rеfеrеnсing thе suссеssful ехреriеnсе оf Аmеriса, bесаusе of the differences such as geological condition, gas source and policy support. We should develop the CCS and EOR technology that suits China’s characteristics of low/super-low permeability reservoirs, rationally promote CO2flооding tесhnоl(xiāng)оgу аnd саrrу оut international cooperation.

Key words：CCS; CO2flооding; СО2emission reduction; EOR; incentive policy

收稿日期：2016-01-22