油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)戰(zhàn)略意義及研究方向探討

陳 宇 沈全鋒 陳情來

中國石油工程建設(shè)有限公司, 北京 100120

0 前言

針對中國能源體系現(xiàn)狀,建立多元化、清潔化、低碳化的能源供應(yīng)體系是中國能源轉(zhuǎn)型的總體戰(zhàn)略目標。在中國能源體系向“清潔、低碳、智慧”轉(zhuǎn)型的過程中,氫能將扮演“清潔高效的二次能源、靈活智慧的能源載體、綠色低碳的工業(yè)原料”三重角色[1],全社會氫能需求有望大幅增長。氫能目前已經(jīng)成為新能源/替代能源重點布局領(lǐng)域,研究布局從制氫、儲氫、液化到氫能利用全產(chǎn)業(yè)鏈,其中如何提升制氫能力是整個產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵。

國內(nèi)油氣資源低品位難動用儲量占比大,具有開發(fā)難度大、開發(fā)成本高等特點,常規(guī)開發(fā)方式在成本、環(huán)保等方面沒有競爭力。油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)能夠充分利用低品位油氣藏資源,是高效、綠色的油氣開發(fā)技術(shù)。在氫能利用產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟的大環(huán)境下,通過該技術(shù)提升國內(nèi)制氫能力,對國家能源安全,實現(xiàn)中國“能源獨立”具有戰(zhàn)略意義。

1 油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)基本原理

油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫簡單地說即通過加熱油氣藏儲層產(chǎn)生游離氫,然后提取純氫氣、熱量和其他高附加值組分。在井口制備富氧空氣或者純氧,然后通過“氧注入井”將氣體注入油氣藏儲層中,并點燃碳氫化合物使之在底層中燃燒(這一過程稱為原位燃燒)。儲層溫度升高,必要時可通過射頻輻射進一步提高溫度,當溫度超過500 ℃時,附近的碳氫化合物和周圍的水(或者注入井注入的水蒸氣)的分子鍵破裂,水蒸氣與碳氫化合物反應(yīng)生成合成氣,即一氧化碳、二氧化碳、氫氣的混合物。合成氣可以通過地面處理裝置進行分離獲得氫氣等高附加值組分,熱能可以回收利用。也可以在地下利用合金膜(僅允許氫擴散通過金屬晶格),將氫氣以外的氣體和組分保留在地下。原位轉(zhuǎn)化典型反應(yīng)方程式如下:

(1)

2 油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)戰(zhàn)略意義

2.1 低品位油氣開采新方法

隨著中國油氣勘探程度的不斷深入,油氣探明儲量在持續(xù)保持較高增長的同時,低品位難動用儲量占比不斷增加。中國常規(guī)及非常規(guī)油氣資源開采成本遠遠高于伊拉克、俄羅斯、美國等能源大國的開采成本,國內(nèi)油氣開發(fā)上游公司在國際油價劇烈波動時常常出現(xiàn)虧損。

中國油藏條件先天不足。中東、美國、俄羅斯油藏多是海相沉積,中國油藏多為陸相沉積。二者相比較,陸相沉積油藏的連續(xù)性差很多,沉積過程中易受更多的因素干擾。低壓、低滲透區(qū)塊在中國油田也很常見。中國油藏從勘探到鉆井到采油成本非常高,從油品性質(zhì)來說,高硫高鹽超稠油區(qū)塊在中國也不少,雖然不是世界上最惡劣的,但也較難開采。

根據(jù)著名咨詢機構(gòu)IHS Markit的估計,在2018年,全球范圍內(nèi)新增石油項目平均全周期盈虧平衡成本為44美元/桶。根據(jù)Global Data公司2018年7月報告,大部分石油公司都實現(xiàn)了將盈虧平衡降到35美元/桶以下,埃克森美孚、雪佛龍、EGO等公司,甚至將水平段長度7 560～10 500 ft(2 304～3 200 m)深井的盈虧平衡降到了26美元/桶以下。全球范圍內(nèi)新增石油項目平均全周期盈虧平衡成本大幅下降,但據(jù)IHS Markit估計,中國、加拿大兩國新增項目的平均盈虧成本高于60美元/桶。

中國工程院院士、中國石化總經(jīng)理馬永生[2]曾指出:“在大力加強國內(nèi)油氣勘探開發(fā)力度的大背景下,建議國家研究設(shè)立重大專項,重點加強深層、超深層、超稠油、致密等油氣藏的有效開發(fā)技術(shù)和裝備攻關(guān),進一步提升超深高溫高壓油氣藏的評價能力,持續(xù)提高低品位油氣藏的‘甜點’識別和單井產(chǎn)能,降低開采成本,實現(xiàn)規(guī)模有效動用?！?/p>

2.2 經(jīng)濟性顯著

常規(guī)制氫工藝[3-8]成本高,不利于大規(guī)模氫能利用項目的開展與深化。目前，煤制氫成本最低,約8～10元/kg,天然氣制氫成本約12元/kg,可再生能源制氫成本約20元/kg,大規(guī)模的工業(yè)尾氣制氫成本約11.3元/kg,在甲醇價格3元/kg的情況下甲醇制氫成本約21.3元/kg。整體而言,制氫成本的順序為:煤制氫<工業(yè)尾氣制氫<天然氣制氫<可再生能源制氫<甲醇制氫[9]。

根據(jù)粗略估算,油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫開采氫氣成本極低,遠低于目前最便宜煤制氫成本。因此,加快攻關(guān)低品位油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫關(guān)鍵技術(shù),對于獲得廉價氫能具有重大的經(jīng)濟意義。

油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)同樣適用于已開采過的油氣區(qū)塊。該技術(shù)可利用這部分枯竭或者廢棄的、不具備開采價值的油氣資源,動用目前開采手段無法開采的資源,同時油氣井的相關(guān)設(shè)施,包括井筒、管線、相關(guān)配套設(shè)施,通過改造可以在原位轉(zhuǎn)化制氫項目上實現(xiàn)重復(fù)利用。

從以上分析可以看出,該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用前景廣闊,可在一定程度上解決國內(nèi)低品位油氣藏占比高的問題,還可以利用廢棄油氣藏資源,降低開采成本,是一種清潔、低成本的油氣藏開采技術(shù)。

2.3 能源清潔利用方式

經(jīng)過多年的工業(yè)積累,中國已成為世界最大的制氫國。初步評估,中國現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能約2 500×104t/a,預(yù)計到2050年,氫能將成為中國能源體系的重要組成部分,氫氣需求量將達到6 000×104t/a[10]。面對如此大的氫能需求,提升大規(guī)模制氫技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要;油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫有望成為中國氫源供給的主要來源。

氫能作為二次能源,不僅可以改善中國能源結(jié)構(gòu),大幅降低石油和天然氣消耗總量,同時可實現(xiàn)大規(guī)模儲能及調(diào)峰,有效實現(xiàn)清潔能源發(fā)展。

2.4 氫能技術(shù)研究是未來發(fā)展方向

目前,中國在氫能利用領(lǐng)域的研究主要集中在工業(yè)燃料、油品催化加氫和氫能源汽車等方面。大規(guī)模的航空航天、能源電力、現(xiàn)代工業(yè)等行業(yè)對于氫能的利用還處于起步階段,究其原因主要是受氫氣安全性、制氫規(guī)?；吧唐窔錃獬杀镜染C合影響。但是,從未來的能源結(jié)構(gòu)來看,加大對制氫、集輸、液化、儲氫等整個供應(yīng)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)的研究已是大勢所趨。未來氫能供應(yīng)鏈藍圖見圖1。

圖1 未來氫能供應(yīng)鏈藍圖Fig.1 A blueprint for future hydrogen energy supply chain

3 油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 油氣藏原位制氫技術(shù)

目前,油氣藏原位制氫技術(shù)還處于研發(fā)初期,尚未形成完整的工程化技術(shù)路線,國內(nèi)未見研發(fā)報道。國外目前僅有一家加拿大初創(chuàng)企業(yè)在加拿大地下700 m開展試驗，具體研究進展尚未對外公開。

國內(nèi)油氣勘探開發(fā)企業(yè)基本掌握已開發(fā)油區(qū)的地質(zhì)特性,具備勘探、測井、鉆井、開采、集輸、加工完整的產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)優(yōu)勢。對攻關(guān)低品位原位油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫技術(shù),油氣上游企業(yè)具有得天獨厚的優(yōu)勢,在油藏選區(qū)、油井改造、氣體凈化提純以及集輸?shù)确矫婢哂袊鴥?nèi)領(lǐng)先技術(shù)。

3.2 氫氣分離與純化技術(shù)

目前成熟的合成氣分離技術(shù)是變壓吸附(PSA)技術(shù)和膜分離技術(shù)。國外在變壓吸附技術(shù)方面的研究起步較早,核心技術(shù)供應(yīng)商主要為美國的UOP公司和德國的Linde公司。截至目前,UOP公司已向70多個國家提供PSA裝置,這些裝置主要用于煉油、石油化工、高分子、鋼鐵、電力等行業(yè)的氣體凈化;近幾年UOP等公司深入開展了變壓吸附與膜分離相結(jié)合的氣體分離凈化技術(shù)研究,但是在氫能領(lǐng)域的報道不多。

20世紀90年代,中國的四川天一、四川達科特等公司通過技術(shù)攻關(guān),實現(xiàn)了粗煤氣提氫及氫氣純化裝置國產(chǎn)化,結(jié)束了國外技術(shù)壟斷的局面。但是,針對大規(guī)模分離和提純氫氣來說,變壓吸附技術(shù)還需要進一步研發(fā)容量更大、壽命更長、強度更高的新型吸附劑,并進一步優(yōu)化加壓、均壓、降壓和沖洗程序,攻關(guān)、優(yōu)化吸附劑再生方法。

金屬鈀(鈀-銀)膜分離技術(shù)提取高純度氫氣技術(shù)目前國內(nèi)外均有研究,理論技術(shù)成熟,小型裝置有應(yīng)用案列[11],但尚未見大規(guī)模使用的報道。

3.3 氫氣存儲技術(shù)

對于氫能的綜合利用來說,氫氣的儲存是關(guān)鍵,也是目前氫能應(yīng)用的主要技術(shù)難點。氫在-253 ℃時為液體,密度僅為水密度的1/15,所以氫氣很難高密度地儲存。目前,常用的氫氣儲存方式主要有氣體儲氫、液體儲氫和固體儲氫三種方式[12]。

對于氣體儲氫來說,通常采用鋼瓶作為承裝容器,由于氫氣密度小,故儲氫效率很低,加壓到15 MPa,質(zhì)量儲氫密度≤3%。若進一步升壓,易導(dǎo)致氫分子從容器壁溢出造成氫脆破壞。近年隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,儲氫容器材質(zhì)得到進一步提升,承壓最大可到70 MPa,但是對于大規(guī)模儲氫來說,該方式是不適宜的。

液體儲氫,是在常壓和-253 ℃時存儲液態(tài)氫的過程。液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫密度的845倍。因此,液體存儲特別適合大規(guī)模制氫及氫能利用企業(yè)使用。但是對于低溫存儲來說,容器的材質(zhì)可靠性、絕熱系統(tǒng)及運行安全性等技術(shù)的研究還需進一步深化。

固體儲氫種類較多,應(yīng)用最廣的就是吸附式儲氫。但由于該技術(shù)存儲能力有限、受外界影響因素多,運行成本高,不適用大規(guī)模儲氫。

3.4 氫氣液化技術(shù)

根據(jù)制冷方式的不同，氫液化系統(tǒng)主要有預(yù)冷型Linde-Hampson系統(tǒng)、預(yù)冷型Claude系統(tǒng)和氦制冷的氫液化系統(tǒng)[13]。三種流程形式各有特點：預(yù)冷型Linde-Hampson系統(tǒng)因為系統(tǒng)簡單、能耗高，不適合大規(guī)模系統(tǒng)應(yīng)用;預(yù)冷型Claude系統(tǒng)綜合考慮設(shè)備以及運行經(jīng)濟性，能耗大幅降低，適用于大規(guī)模的液氫生產(chǎn);氦制冷的氫液化系統(tǒng)由氫氣液化和氦制冷兩部分組成，近年來氦制冷機取得了長足發(fā)展，其采用的間壁式換熱形式安全性更高，但系統(tǒng)較為復(fù)雜，目前僅在實驗室規(guī)模得到應(yīng)用。

總而言之，氫氣液化過程的關(guān)鍵在于能耗的高低和系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前各種氫氣液化工藝各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)液化規(guī)模、設(shè)備投資、安全性等綜合考慮合理選擇液化技術(shù)。

4 油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)研究方向

4.1 油氣藏原位轉(zhuǎn)化選址技術(shù)

通過已有的油氣區(qū)塊地質(zhì)資料研究高溫高壓氣化組分分析、氣化區(qū)密閉性評價、氣化動態(tài)模擬等,形成資源評價及有利區(qū)優(yōu)選、密閉性評價、選址綜合評價、產(chǎn)能評價等地質(zhì)評價技術(shù)方法,形成目標區(qū)地球物理綜合評價技術(shù)、燃燒爐選址綜合評價技術(shù)(井中地震評價技術(shù)、地球物理測井評價技術(shù))等資源評價與選址技術(shù)體系。

4.2 油氣井及相關(guān)設(shè)施改造復(fù)用技術(shù)

結(jié)合已有的油氣井參數(shù)及相關(guān)設(shè)施屬性,根據(jù)油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫注入井和生產(chǎn)井的技術(shù)要求,研究已有油氣井的改造工藝以及相關(guān)設(shè)施復(fù)用評價體系。

4.3 原位燃燒腔建造、監(jiān)測及控制技術(shù)

以保證燃燒腔穩(wěn)定、密閉、長壽命為研究目標,研究燃燒腔設(shè)計、鉆井、完整性控制、溫度壓力檢測、燃燒控制等技術(shù),研制可燃套管新裝置,解決燃燒腔建造面臨的井下超高溫環(huán)境、復(fù)雜工況下注入及燃燒控制等帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)。研究燃燒腔建造設(shè)計理論、全生命周期完整性控制理論,形成原位燃燒腔建造、監(jiān)測及控制技術(shù)。

4.4 合成氣分離提純技術(shù)

合成氣具有高溫、高壓、組分復(fù)雜的特點,如何有效提取其中高附加值組分及高效利用其中熱能是研究重點。通過對地面集輸處理全流程的研究,形成一套適合低品位油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)產(chǎn)氣規(guī)律的地面處理工藝和技術(shù),最大化提取合成氣中有價值成分及熱量,提升收益。

針對合成氣高溫、高壓的特點,研究大調(diào)解比的余熱發(fā)電技術(shù),提高余熱發(fā)電的適應(yīng)性,攻關(guān)燃氣發(fā)電機組與余熱發(fā)電匹配的關(guān)聯(lián)性研究。

針對組分復(fù)雜的特點,研究伴生物危害分析及富集處置工藝,開發(fā)相關(guān)的凈化裝置。

4.5 大規(guī)模氫氣液化工藝及低溫儲存技術(shù)

20世紀末中國自主開發(fā)了氦膨脹機制冷的小型氫液化裝置，但裝備質(zhì)量和制造水平和發(fā)達國家存在較大差距，目前中國的液氫產(chǎn)業(yè)還停留在航天應(yīng)用上。隨著氫能商業(yè)應(yīng)用不斷深入，打破技術(shù)壁壘，獨立研發(fā)大規(guī)模氫液化裝置迫在眉睫。目前，氫氣液化裝置可從以下幾個關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)[14]。

1)大型化、規(guī)?；簹淞鞒痰难邪l(fā)。液氫規(guī)?；a(chǎn)必須依靠氫氣液化裝置大型化,且氫氣液化裝置大型化有助于降低整個裝置單位能耗,從而降低用氫成本。

2)膨脹機的設(shè)計和制造。膨脹機是氫氣液化裝置的關(guān)鍵部件,其熱力性能、力學性能決定了裝置的經(jīng)濟性和可靠性,是系統(tǒng)中技術(shù)含量高、研制難度大的部件[15]。

3)裝置安全性以及可靠性研究。氫氣在空氣中可燃范圍為4%～75%,極易泄漏,對材料的強度、密封性有很高的要求。攻關(guān)在低溫氫工作環(huán)境下適用的材料是研究氫氣液化裝置的基礎(chǔ)工作。同時,應(yīng)逐步建立液氫相關(guān)安全規(guī)范。研究氫液化器的可靠性,提高整機運行時間,對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟性具有重要意義。

5 結(jié)論

1)油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用前景廣闊,適合國內(nèi)低品位油氣藏占比高的資源稟賦,是一種清潔的、低成本油氣藏開采技術(shù)。

2)國內(nèi)油氣勘探開發(fā)企業(yè)具備勘探、測井、鉆井、開采、集輸、加工完整的產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)優(yōu)勢,對攻關(guān)油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)具有得天獨厚的優(yōu)勢,在油藏選區(qū)、油井改造、氣體凈化提純以及集輸?shù)确矫婢哂袊鴥?nèi)領(lǐng)先技術(shù)。

3)油氣藏原位轉(zhuǎn)化選址技術(shù),油氣井及相關(guān)設(shè)施改造復(fù)用技術(shù),燃燒腔建造、監(jiān)測及控制技術(shù),合成氣分離提純技術(shù),大規(guī)模氫氣液化工藝及低溫儲存技術(shù)是油氣藏原位轉(zhuǎn)化制氫產(chǎn)業(yè)鏈的主要研究方向。