二氧化碳封存技術(shù)在油氣行業(yè)應(yīng)用進(jìn)展

姜 睿

（中國石油化工集團(tuán)有限公司能源管理與環(huán)境保護(hù)部，北京 100728）

1 研究背景

《巴黎協(xié)定》明確提出，到21世紀(jì)末，將全球溫升保持在相對于工業(yè)化前水平2℃以內(nèi)，并為全球溫升控制在1.5℃以內(nèi)付出努力。然而，當(dāng)前國際社會(huì)還高度依賴石油、天然氣、煤炭等化石能源，因此，采用另一種方式，將化石能源使用過程產(chǎn)生的二氧化碳封存于地下，從而降低其在大氣中的含量，對于減緩全球氣候變暖有著十分重要的意義。

碳捕集與封存（CCS）技術(shù)是聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）所提出的一項(xiàng)碳減排技術(shù)，中國針對自身國情提出了碳捕集、利用與封存（CCUS）的概念，在封存二氧化碳的基礎(chǔ)上，增加了對其提純后的利用過程[1]。目前，將二氧化碳封存的方法主要有地質(zhì)封存、海洋封存、化學(xué)封存等，其中，地質(zhì)封存是通過把二氧化碳注入到各種不同的地質(zhì)體中（一般封存深度在地表800米以下），使二氧化碳在超臨界狀態(tài)下封存于地下，該方法可在一定條件下實(shí)現(xiàn)對二氧化碳的永久性封存。理論研究和實(shí)踐表明，當(dāng)前可進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)封存的地質(zhì)體主要有油氣藏、深部咸水層、玄武巖、不可采煤層等，其中，油氣藏由于其自身良好的封閉性（可長時(shí)間將油氣封存），與其他地質(zhì)體相比，二氧化碳封存于其中的泄漏風(fēng)險(xiǎn)最小，并且由于油氣藏中已部署了生產(chǎn)井和注入井，對二氧化碳進(jìn)行封存也更為方便，經(jīng)濟(jì)效益也更好。

2 油氣藏封存原理及封存條件

利用油氣藏封存二氧化碳是一種永久封存二氧化碳的方法，通過油田注入井或生產(chǎn)井將超臨界狀態(tài)的二氧化碳注進(jìn)油氣藏中，是進(jìn)行二氧化碳封存的主要方式之一。目前，二氧化碳油氣藏封存的主要方式是結(jié)合提高原油采收率進(jìn)行的。與水驅(qū)類似，油氣藏封存是通過利用二氧化碳驅(qū)動(dòng)原油流向生產(chǎn)井的方式提高原油的采收率（見圖1）。美國早在20世紀(jì)70年代就對此進(jìn)行了嘗試，但直到90年代，麻省理工學(xué)院發(fā)起CCS項(xiàng)目，才有了將該方法用于溫室氣體減排的概念[2]。

圖1 二氧化碳驅(qū)油技術(shù)原理

注入油氣藏中的二氧化碳一般以3種形式存在：一是分子形式，注入的二氧化碳在儲(chǔ)層中受浮力作用存在于蓋層下，經(jīng)擴(kuò)散后形成二氧化碳儲(chǔ)層；二是溶解形式，隨著封存時(shí)間增長，二氧化碳逐漸在地層水中溶解，在地層中得到長期封存；三是化合物形式，地層的壓力、溫度使得二氧化碳與礦物反應(yīng)生成化合物，從而使二氧化碳得以封存。其中，最常見的是二氧化碳以分子形式封存于巖石孔隙中，有的甚至可以達(dá)到上萬年的時(shí)間。

對二氧化碳進(jìn)行油氣藏封存，首先要符合一定的經(jīng)濟(jì)條件，要考慮封存在經(jīng)濟(jì)上是否合理。同時(shí)，封存能力要強(qiáng)，地層孔隙度高且油氣開采潛力大。從安全角度出發(fā)，要求地質(zhì)體的圈閉構(gòu)造好，蓋層的巖性、厚度及連續(xù)性好，盆地地質(zhì)構(gòu)造最佳，并且要遠(yuǎn)離活火山發(fā)育帶及地震帶，地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定，從而保證封存環(huán)境的穩(wěn)定性，確保環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故不會(huì)發(fā)生。

3 油氣藏封存二氧化碳現(xiàn)狀

3.1 枯竭油氣田封存

利用油氣藏對二氧化碳進(jìn)行封存，選擇之一是將其封存在枯竭油氣田中，這是二氧化碳最為理想的埋存地點(diǎn)。19世紀(jì)末，挪威開始在枯竭氣田封存二氧化碳，其在北海海床上建立的氣田地層封存二氧化碳項(xiàng)目，至今仍無因地震等因素造成二氧化碳泄漏的事件發(fā)生。當(dāng)前，世界范圍內(nèi)已投運(yùn)的具有代表性的枯竭油氣田二氧化碳封存項(xiàng)目見表1[3]。

表1 枯竭油氣田二氧化碳封存項(xiàng)目

從表1可以看出，利用枯竭油氣田封存二氧化碳是一種安全且永久性的措施，而且早在10多年前美國等國家就開始嘗試使用該方法，但截至目前，世界范圍內(nèi)利用枯竭油氣田封存二氧化碳的項(xiàng)目依然屈指可數(shù)。這主要是由于受到地域及埋存條件等因素的限制，且封存的經(jīng)濟(jì)性較差。因此，雖然枯竭油氣田是最理想的二氧化碳埋存方式，但依然無法得到真正的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

3.2 二氧化碳驅(qū)油封存

二氧化碳驅(qū)油提高采收率（CO2-EOR）技術(shù)是對二氧化碳進(jìn)行附屬封存的技術(shù)。與枯竭油氣田封存二氧化碳不同，該技術(shù)是將二氧化碳注進(jìn)還在生產(chǎn)的油井中，通過高壓注入，使二氧化碳和原油形成混合物，在封存二氧化碳的同時(shí)，將油驅(qū)替出來，通過提高原油采收率來提高原油產(chǎn)量。

近年來，全球大型二氧化碳驅(qū)油封存示范工程項(xiàng)目數(shù)大幅度增長。據(jù)《全球碳捕集與封存現(xiàn)狀2020》報(bào)告顯示，截至2020年底，全球共有65個(gè)商業(yè)化CCUS項(xiàng)目，其中，26個(gè)項(xiàng)目正在運(yùn)行，3個(gè)項(xiàng)目在建，13個(gè)項(xiàng)目處于工程設(shè)計(jì)階段，21個(gè)項(xiàng)目處于開發(fā)早期。目前，運(yùn)行中的CCUS項(xiàng)目每年可捕集和封存約4 000萬噸二氧化碳，其中，78%的項(xiàng)目用于CO2-EOR項(xiàng)目，項(xiàng)目主要分布在美國、加拿大和巴西，占比超過90%[4]。

據(jù)國際能源署統(tǒng)計(jì)和預(yù)測，未來全球二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目數(shù)和驅(qū)油產(chǎn)量將持續(xù)增加，預(yù)計(jì)到2040年，全球二氧化碳驅(qū)油產(chǎn)量將達(dá)到150萬桶/日，為首要的提高原油采收率技術(shù)。

3.3 美國二氧化碳驅(qū)油封存情況

20世紀(jì)30年代，美國率先提出利用二氧化碳驅(qū)進(jìn)行采油的理念，1952年美國人申請了第一個(gè)利用二氧化碳采油的專利。

從20世紀(jì)60年代起，石油公司開始嘗試二氧化碳驅(qū)油技術(shù)。大西洋煉油公司發(fā)現(xiàn)制氫工藝副產(chǎn)品中的二氧化碳有改善原油流動(dòng)性的作用，且進(jìn)一步研究表明，二氧化碳與原油接觸過程中存在相間傳質(zhì)、原油體積膨脹、黏度降低、油氣界面張力降低、油氣混相等特點(diǎn)，這也正是二氧化碳驅(qū)油的主要機(jī)理。1958年，殼牌公司率先在美國Permain盆地二疊系儲(chǔ)層實(shí)施了井組規(guī)模的二氧化碳驅(qū)油試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，向油藏中注二氧化碳可以補(bǔ)充地層能量，并提高原油產(chǎn)量。1972年，雪佛龍公司在美國德克薩斯州Kelly-Snyder油田SACROC區(qū)塊投產(chǎn)了世界首個(gè)二氧化碳驅(qū)油商業(yè)化項(xiàng)目，初期平均提高單井產(chǎn)量達(dá)3倍之多，該項(xiàng)目的成功標(biāo)志著二氧化碳驅(qū)油技術(shù)開始走向成熟。

目前，美國注二氧化碳用于油田驅(qū)油約6 000萬噸/年，其中，工業(yè)氣源占比超過30%，年產(chǎn)油量超過1 850萬噸。近年來，項(xiàng)目數(shù)和油產(chǎn)量有逐漸增加趨勢，二氧化碳驅(qū)以混相驅(qū)為主，占比90%以上。形成了4個(gè)最主要的二氧化碳驅(qū)基地：Permian Basin年注氣量3 380萬噸，油產(chǎn)量1 250萬噸；Gulf Coast年注氣量1 880萬噸，油產(chǎn)量210萬噸；Rocky Mountain年注氣量670萬噸，油產(chǎn)量260萬噸；Mid-Continent年注氣量90萬噸，油產(chǎn)量105萬噸。

美國之所以能夠大規(guī)模開展二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目，是由于其具有3方面優(yōu)勢：一是美國擁有豐富的二氧化碳?xì)庠?，且主要是天然的二氧化碳?xì)馓?；二是美國有發(fā)達(dá)的二氧化碳地面管輸網(wǎng)絡(luò)（約6 276 km）；三是美國油藏條件適合，海相儲(chǔ)層非均質(zhì)性低，裂縫不發(fā)育，混相壓力低，適合二氧化碳驅(qū)。

3.4 我國二氧化碳驅(qū)油封存情況

近年來，我國石油公司中國石油、中國石化、延長石油等針對水驅(qū)效果不好的低滲、特低滲油藏加大了二氧化碳驅(qū)油礦場試驗(yàn)力度，覆蓋儲(chǔ)量近1億噸，提高采收率6%～20%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，我國已實(shí)現(xiàn)累計(jì)注入二氧化碳超420萬噸，累計(jì)增油超80萬噸，綜合平均換油率約0.2噸/噸。

具體來看，大慶、吉林、勝利等油田都曾開展過二氧化碳驅(qū)油相關(guān)工作。1984年，大慶油田在薩南東部過渡帶進(jìn)行了二氧化碳驅(qū)油礦場試驗(yàn)，并與國外公司合作，直至1993年6月試驗(yàn)結(jié)束。1994年，大慶油田繼續(xù)開展試驗(yàn)，直到1995年底結(jié)束。但當(dāng)時(shí)的驅(qū)油試驗(yàn)主要考慮的是增加石油產(chǎn)量，缺少對二氧化碳在地下運(yùn)移、富集的監(jiān)測研究。2006年，由中國石油勘探開發(fā)研究院和吉林油田發(fā)起，聯(lián)合中科院地質(zhì)與地球物理所、華中科技大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)和中國石油大學(xué)等單位，向國家科技部申請了《溫室氣體的資源化利用和地下埋存》973基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，并得到了批準(zhǔn)。項(xiàng)目組立足于中國陸相油藏儲(chǔ)層特點(diǎn)和原油性質(zhì)，發(fā)展完善了二氧化碳混相驅(qū)油、埋存評價(jià)等關(guān)鍵理論與方法，以減排火山巖天然氣藏開發(fā)過程中副產(chǎn)的二氧化碳為目標(biāo)，初步形成了二氧化碳驅(qū)油與埋存的配套技術(shù)，并在吉林大情字井現(xiàn)場試驗(yàn)中得到成功應(yīng)用，奠定了我國利用二氧化碳驅(qū)油實(shí)現(xiàn)碳減排和資源化利用的產(chǎn)業(yè)模式基礎(chǔ)。2008年以來，勝利油田在灘壩砂、砂礫巖、濁積巖等低滲透油藏進(jìn)行了二氧化碳驅(qū)油礦場試驗(yàn)，形成了一系列二氧化碳混相驅(qū)開發(fā)技術(shù)，2018年，勝利油田設(shè)立重大示范工程《勝利油田低滲透油藏CO2驅(qū)開發(fā)技術(shù)研究及示范應(yīng)用》，批復(fù)建設(shè)中國石化氣驅(qū)提高石油采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。且勝利油田與清華大學(xué)、中科院武漢巖土力學(xué)所、中國礦業(yè)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展了二氧化碳驅(qū)油封存的環(huán)境監(jiān)測及評價(jià)方法開發(fā)，形成了勝利油田二氧化碳驅(qū)油示范區(qū)本底環(huán)境監(jiān)測方案，對驅(qū)油示范區(qū)土壤氣、地下水、植被、大氣、地面變形等方面開展環(huán)境監(jiān)測。

4 開展二氧化碳驅(qū)油優(yōu)勢

由于我國經(jīng)歷全開發(fā)周期的二氧化碳驅(qū)油礦場試驗(yàn)較少，雖然技術(shù)基本成熟、部分試驗(yàn)效果顯著，但總體而言，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果與國外相比還存在著較大的差距。隨著碳達(dá)峰、碳中和政策和各行業(yè)行動(dòng)方案的進(jìn)一步落地，二氧化碳驅(qū)油產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展的機(jī)遇期。對我國而言，發(fā)展二氧化碳驅(qū)油產(chǎn)業(yè)主要有以下3方面優(yōu)勢。

首先，我國二氧化碳封存潛力大。有專家對我國一些主要的潛在二氧化碳封存地的封存潛力進(jìn)行過初步評估，結(jié)果顯示，我國的二氧化碳理論封存潛力為3 088 Gt，其中，油田封存容量為4.8 Gt。另據(jù)中國能源研究會(huì)《中國能源展望2030》測算，我國適宜二氧化碳驅(qū)油的石油地質(zhì)儲(chǔ)量約為130億噸，通過實(shí)施CO2-EOR預(yù)計(jì)可提高采收率15%，增加石油可采儲(chǔ)量19億噸，將為保障國家能源安全提供有力支撐。

其次，我國二氧化碳減排潛力大?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中二氧化碳的排放源很多，如水泥、鋼鐵、電力、石化等行業(yè)都是二氧化碳排放大戶。高度依賴化石能源的用能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了大量的二氧化碳排放，2020年我國的煤、石油、天然氣等3種化石能源消耗合計(jì)約為41億噸標(biāo)煤，占能源消費(fèi)總量超80%，帶來的二氧化碳排放約為103億噸，形成了巨大的碳減排潛力。

另外，發(fā)展二氧化碳驅(qū)油產(chǎn)業(yè)可為油氣產(chǎn)業(yè)提供新機(jī)遇，利用CO2-EOR能顯著提高我國石油自給能力，進(jìn)而保障國家能源安全。2020年，我國的石油對外依存度已到達(dá)73%，面對復(fù)雜的國內(nèi)外政治經(jīng)濟(jì)形勢，以及支撐構(gòu)建新發(fā)展格局的要求，保障國家能源安全的壓力將持續(xù)增大。盡管“雙碳”目標(biāo)下我國的石油需求預(yù)期將會(huì)下降，但有預(yù)測表明，即使到2060年，國內(nèi)產(chǎn)量仍不能完全滿足國內(nèi)需求，且中短期內(nèi)較高的石油對外依存度和持續(xù)擴(kuò)張的進(jìn)口規(guī)模，都要求國內(nèi)要持續(xù)加大石油勘探開發(fā)力度，不能通過縮減規(guī)模的方式實(shí)現(xiàn)降碳目標(biāo)。

5 結(jié)論及建議

隨著全球氣候變暖問題日益受到更多關(guān)注，對二氧化碳減排的要求也不斷提高，據(jù)國際能源署預(yù)計(jì)，到2060年，全球范圍內(nèi)由地質(zhì)封存實(shí)現(xiàn)的二氧化碳減排量將占到二氧化碳總減排量的1/6。因此，利用油氣藏封存二氧化碳有著廣闊的發(fā)展前景，應(yīng)主動(dòng)探尋碳捕集、碳封存及二氧化碳驅(qū)油相結(jié)合的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式?？紤]到我國多發(fā)育低滲、特低滲及稠油油藏，進(jìn)入3次采油階段，開發(fā)難度較大，更適宜發(fā)展二氧化碳驅(qū)油技術(shù)。該技術(shù)具有驅(qū)油和減排的雙重效益，契合碳達(dá)峰、碳中和國家戰(zhàn)略，應(yīng)用前景廣闊。

1）要加快二氧化碳驅(qū)油技術(shù)攻關(guān)和規(guī)?；瘧?yīng)用。目前，二氧化碳資源的捕集和運(yùn)輸是制約其有效應(yīng)用的關(guān)鍵，亟需構(gòu)建低成本的二氧化碳捕集利用技術(shù)體系。綜合考慮國內(nèi)外二氧化碳捕集技術(shù)應(yīng)用情況，在高濃度的石油、化工等工業(yè)過程中，二氧化碳捕集成本約為15～25美元/噸，在低濃度的電力部門，二氧化碳捕集成本高達(dá)40～80美元/噸。雖然我國適宜二氧化碳驅(qū)油的油藏潛力巨大，但目前，井口氣價(jià)為500～650元/噸，嚴(yán)重制約了二氧化碳驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用。因此，要完善二氧化碳捕集技術(shù)、超臨界輸送、循環(huán)注入等關(guān)鍵工程技術(shù)，推動(dòng)二氧化碳輸送管網(wǎng)規(guī)劃，完善源匯匹配，降低CO2-EOR項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行成本。

2）要加強(qiáng)二氧化碳驅(qū)油技術(shù)各環(huán)節(jié)的指標(biāo)監(jiān)測，探尋如何更加精確、科學(xué)的量化、監(jiān)測二氧化碳泄漏量。二氧化碳作為危險(xiǎn)品，大規(guī)模的泄漏將會(huì)造成人員傷害。安全監(jiān)測是二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目必不可少的組成部分。要構(gòu)建全時(shí)空多指標(biāo)監(jiān)測體系，包括地球物理和化學(xué)監(jiān)測、井筒完整性監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測、地下水環(huán)境監(jiān)測、地表水環(huán)境監(jiān)測、土壤環(huán)境監(jiān)測等，形成一體化連續(xù)二氧化碳監(jiān)測系統(tǒng)。

3）要加強(qiáng)二氧化碳驅(qū)油封存碳減排方法學(xué)的研究，為二氧化碳驅(qū)油所產(chǎn)生的碳減排量提供計(jì)算依據(jù)。目前，對于二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目，國內(nèi)外普遍缺乏相應(yīng)的碳減排方法學(xué)，因此，二氧化碳驅(qū)油所產(chǎn)生的碳減排量無法被嚴(yán)格認(rèn)證，更不能進(jìn)入碳交易市場或碳減排項(xiàng)目市場進(jìn)行交易，碳減排的金融屬性未得到充分體現(xiàn)，對二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而影響企業(yè)開展二氧化碳驅(qū)油的積極性。

4）將高壓二氧化碳作為驅(qū)替氣體注入地下后，溶水后的二氧化碳具有強(qiáng)腐蝕性，會(huì)造成井下管柱、井筒、地面集采輸管線和設(shè)備的局部腐蝕，甚至造成油管和套管的穿孔、斷裂，應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析對腐蝕機(jī)理進(jìn)行深入研究。同時(shí)，要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選用耐腐蝕材料、緩蝕劑等，建立完善的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中出現(xiàn)的腐蝕問題，采取有針對性的防腐措施。