全球CO2驅油及封存技術發(fā)展現(xiàn)狀

李嘉豪 王懷林 肖前華 陶 宇 楊貴中 胡 曉

(1. 重慶科技學院 石油與天然氣工程學院， 重慶 401331；2. 重慶科技學院 法政與經(jīng)貿(mào)學院， 重慶 401331)

0 前 言

全球氣候變化已對人類社會構成了巨大威脅，作為主要溫室氣體，CO2的減排呼聲響徹全球。全球CO2排放量逐年攀升，2020年CO2排放量高達315×108t，且仍在不斷增長[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，溫室氣體大量排放，導致全球氣候逐漸變暖。世界氣象組織發(fā)布的《2020年全球氣候狀況報告》指出，2020年全球平均氣溫比工業(yè)化前水平高出約1.2 ℃，氣溫上升速度明顯比預期快[2]。中國積極應對氣候變化，大力推進“碳達峰、碳中和”工作。

CO2驅油技術能夠在提高油田經(jīng)濟效益的同時實現(xiàn)碳封存，促進能源發(fā)展與環(huán)境保護的有機統(tǒng)一，對推進全球經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。CO2的捕集和封存能夠降低大氣中溫室氣體的含量，其中CO2驅油技術是實現(xiàn)CO2捕捉和封存的有效手段之一。對致密油/頁巖油開展CO2驅油能夠提高原油采收率，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境保護雙贏[4]。隨著全球對溫室氣體排放等生態(tài)環(huán)境問題的高度重視，CO2驅油及封存一體化技術逐漸形成[5]。CO2驅油及封存技術是指通過向油藏中注入CO2來提高地層壓力、補充地層能量，以提高油田采收率、降低國家原油對外依存度。與此同時，氣驅油后大部分CO2永久封存于地下，達到了碳中和的目的[6]。全球油氣田使用CO2驅油技術可增加逾350×108t的石油開采量，且能將700×108～1 000×108t的CO2封存于地下[7-8]。我國有超過百億噸的石油地質儲量適合CO2驅油，預計可增加7×108～14×108t的產(chǎn)油量。全國廢棄油氣田、無可開采的煤層和深部咸水層的CO2封存潛力較大，預計可封存逾2 300×108t的CO2，其中深部咸水層的封存潛力最大[9-11]。雖然我國的碳捕集利用與封存技術(CCUS)起步較晚，但取得了一定的成果，首個CCUS項目在陜北地區(qū)實施，進展較為順利[12-14]。本次研究擬調研國內(nèi)外典型的CO2驅油及封存技術發(fā)展現(xiàn)狀，以期為實現(xiàn)“雙碳”目標作出貢獻。

1 國內(nèi)外CO2驅油技術

1.1 國外CO2驅油技術

美國是世界上第一個研究并應用了CO2-EOR技術的國家[4]。20世紀中葉，美國大西洋煉油公司發(fā)現(xiàn)在制氫工藝中產(chǎn)生的CO2能夠改善原油的流動性。1952年，Whorton等人提出了世界首個CO2驅油專利，揭開了CO2驅油的歷史篇章[5, 15]。

繼美國之后，蘇聯(lián)快速推進CO2驅油技術，特別是對驅油方式進行了大量研究。1953年，蘇聯(lián)開始對注CO2提高采收率技術進行研究。1963年，蘇聯(lián)開展了注CO2驅油現(xiàn)場生產(chǎn)試驗，開發(fā)效果較好，其后又研發(fā)了CO2-水交替注入技術及工藝、混相驅和非混相驅技術，并將其投入礦場進行實踐[16]。

進入20世紀70年代后，CO2驅油技術的研究重心向提高采收率機理偏移。1974年，Holm通過研究CO2驅油機理得出，CO2對原油中輕質組分具有抽提作用，并能得到最優(yōu)的驅替壓力[17-18]。

進入20世紀80年代后，在機理研究的基礎上，對注CO2如何更好地提高采收率開展了一系列探索。1981年，美國對RE砂層試驗區(qū)進行了混相劑驅油試驗，主要是向RE砂層試驗區(qū)注入CO2、正丁烷及甲烷混合物，增油效果顯著。這類似于近年來逐漸被重視的注烴類氣驅及注混合氣驅技術。另外，還進行了一系列混相驅與非混相驅實施與應用的研究，大部分油田的混相驅效果較好，但對于實際地層很少能達到混相驅的效果，事實證明非混相驅也能達到大幅度提高原油采收率的效果[16]。

進入21世紀后，國外研究進入地質封存與提高采收率技術相結合的階段。Robert等人向CO2中加入稠化劑以增加注入流體的流度，通過改善流度比提高CO2驅油效果，降低氣竄影響。Bossie等人利用數(shù)值模擬方法評價了枯竭油藏封存CO2的潛力[19]。

加拿大也是較早研發(fā)和應用EOR技術的國家之一。加拿大政府通過調整相關能源政策，推動CO2-EOR技術快速發(fā)展與應用[15]。2006年，加拿大采取氣驅采油技術獲得的原油產(chǎn)量高于采取熱力采油技術獲得的原油產(chǎn)量。2012年，加拿大注氣項目占總EOR項目的75.5%，EOR增產(chǎn)量占原油總產(chǎn)量的20.0%[20]。

由全球CO2驅油項目分布(見表1)可知[21-24]，全球開展了大量的CO2驅油項目，大部分以混相驅為主。混相驅降低了原油黏度和油氣界面的影響，而非混相驅增加了界面張力對驅油的影響。整體而言，CO2驅油技術具有很好的應用前景[16]。

表1 全球CO2驅油項目分布

1.2 國內(nèi)CO2驅油技術

20世紀60年代后期，我國開始探索CO2驅油技術[5, 10]。1963年，大慶油田首先對CO2驅油提高采收率技術進行研究，之后分別在1966年、1969年開展了注CO2先導試驗[5]。1980年，濮城油田沙一下油藏實施了CO2混相驅油先導試驗，達到了提產(chǎn)的目的。1995年，吉林油田開展了CO2單井吞吐試驗，利用液態(tài)CO2吞吐和CO2泡沫壓裂技術實現(xiàn)了累計增油1 420 t。1996年，江蘇富民油田開展了CO2驅替試驗，截至2002年累計試驗36次，采收率提高了50%[25]。1998年末，江蘇油田富14斷塊開展了CO2-水交替注入試驗，截至2000年采收率提高了4%[26]。1998年，勝利油田開展了CO2單井吞吐試驗，單井產(chǎn)油量增加了200 t以上[27]。2002年，茨榆坨油田13斷塊開展了CO2驅替試驗，增油效果顯著，日產(chǎn)油量增加了8.2 t[28]。2014年，靖邊油田開展了CO2-水交替注入試驗，驅油效率達到77.3%[29]。以下為國內(nèi)幾個典型的CO2驅油及封存項目簡介。

(1) 中原油田CO2驅油及封存項目[30]。1980年投入開發(fā)，因油井產(chǎn)水量較高導致大部分井停產(chǎn)。1988年，綜合含水量高達98.1%，采出程度僅為49.2%，基本進入水驅廢棄階段。2008年，中原油田開始應用CO2-水交替注入技術。據(jù)統(tǒng)計，中原油田自開展CO2驅油礦場試驗以來，原油采收率提高了15%，地質封存CO2已達近萬噸。

(2) 草舍油田CO2驅油及封存項目[31]。自開展注氣措施以來，CO2累計注入量為18×104t，累計增油8×104t，原油采收率提高了7.9%。

(3) 勝利油田4×104t/a CO2驅油及封存項目[32]。2008年初開始連續(xù)向地層中注入CO2，截至目前，CO2累計注入量為24.0×104t，累計增油5.5×104t，CO2動態(tài)封存率達92%。

(4) 腰英臺油田CO2驅油及封存項目[30]。自2011年開始注氣以來，共計向12口井中注入高含CO2天然氣19.8×104t，累計增油6.5×104t。沈平平等人指出，適合應用CO2驅油技術開采的原油地質儲量約為1.2×1010t，可累計增產(chǎn)1.6×109t[33]。

1.3 CO2驅油技術存在的問題及經(jīng)驗總結

1.3.1 CO2驅油技術存在的問題

(1) 井筒腐蝕問題。向井下注入CO2會對管柱造成不可逆轉的腐蝕傷害(如管柱穿孔、變形、斷落等)，導致生產(chǎn)效率降低。

(2) 重質組分沉積。在CO2驅替過程中，由于輕質組分的抽提，且輕質組分更易于流動，導致固相沉積，進而影響儲層的滲流能力和流體的可動用性。

(3) 氣竄。氣體在儲層中的流動能力遠遠大于油、水，相較于注水開發(fā)，注氣開發(fā)的井間干擾程度非常大，一旦出現(xiàn)氣竄，很難繼續(xù)提高采收率。

(4) 油藏飽和度計算問題。驅油作業(yè)過程中，基于西格瑪?shù)腃O2飽和度測算方法具有較高的不確定性，傳統(tǒng)的碳氧測井含油飽和度也會受到油相中混相CO2的影響，難以獲取油氣飽和度分布。此外，孔隙度是飽和度和體積計算的關鍵部分，為準確計算飽和度，必須測量酸處理所增加的孔隙度。

(5) 經(jīng)濟有效性問題。CO2驅油技術受氣源和CO2氣體自身屬性的限制，成本太高，難以通過經(jīng)濟評價[6]。油田大多遠離城市，而大部分CO2排放源靠近城市，高額的集輸成本限制了CO2驅油及封存技術的發(fā)展。

(6) 安全性問題。CO2注入地層后會使儲層物性發(fā)生變化，從而產(chǎn)生一系列的連鎖反應，導致不穩(wěn)定因素增加。除此之外，CO2的腐蝕作用可能會帶來地震災害。

1.3.2 CO2驅油技術的經(jīng)驗總結

(1) 儲集層特征。巖性方面，CO2與大多數(shù)巖性配伍性較好。2014年，美國128個CO2混相驅項目中砂巖和碳酸鹽巖油藏分別為39和55個，共占73%[15, 34]。2014年美國CO2混相驅油藏巖性構成如圖1所示。孔隙性和滲透性方面，美國低孔低滲油藏均運用CO2混相驅油技術，儲層的平均孔隙度為13.23%，平均滲透率為38.1×10-3μm2，最小孔隙度為3.00%，最小滲透率為1.5×10-3μm2[15]。美國CO2混相驅用于淺層油藏的較少，且多數(shù)油藏溫度較低。截至2014年，美國75.8%的CO2混相驅項目油藏溫度低于65 ℃，平均單井日產(chǎn)量達到3.05 t；其中有16個項目油藏溫度低于38 ℃，平均單井日產(chǎn)量僅為1 t，說明溫度過低會影響CO2驅油效果。

圖1 2014年美國CO2混相驅油藏巖性構成

(2) 原油性質。輕質原油更容易與CO2發(fā)生相間傳質[15, 35]，這主要是因為較低的混相壓力使二者更容易實現(xiàn)混相。低黏度、低密度是輕質原油的主要表觀特征。

(3) 混相驅時機。從油田實施CO2混相驅之前的開發(fā)方式來看，水驅提高采收率技術的適應性較好，運用范圍較廣。只有部分油田在二次采油時直接進行CO2驅油。通過多次接觸實現(xiàn)CO2與原油的混相，有蒸發(fā)混相、凝析混相2種機理，混相驅替效率高，但需地層壓力高于最小混相壓力[36]。

(4) 非混相驅的選擇。由于地層壓力較低或原油性質較差，CO2可以降低原油黏度、膨脹地層原油和降低界面張力，但驅替效率較低[36]。美國CO2非混相驅技術于1980年前后開始應用，但其成熟度遠低于混相驅，并在施工過程中產(chǎn)生了一系列問題。例如，CO2氣體快速突破形成優(yōu)勢通道，導致CO2的波及系數(shù)較低、不同儲集層對CO2的適應性不同。但也有學者認為非混相驅不僅易于實現(xiàn)，而且驅油效果優(yōu)于混相驅。

2 國內(nèi)外油氣田CO2封存發(fā)展現(xiàn)狀

CO2封存是指通過工程技術手段將捕集到的CO2進行壓縮埋存或儲集，以實現(xiàn)CO2與大氣的有效隔絕。CCUS技術主要包括CO2捕集、運輸、封存與利用4個環(huán)節(jié)。CO2封存可分為地質封存、海洋封存、化學封存等3種方式。地質封存是將CO2注入廢棄油氣藏、煤層及近海地區(qū)深部的咸水層中，埋深一般在800 m以下[37]。CO2地質封存主要有枯竭油氣藏封存、深部咸水層封存和煤層封存等3種方式。

(1) 枯竭油氣藏封存[38]。大量專家學者結合相關地質資料，借助地層監(jiān)測技術和鉆井技術對CO2地質封存的可行性進行了綜合評價，經(jīng)過近10年的應用與研究，這種封存技術已發(fā)展得較為成熟。

(2)深部咸水層封存[39]。由于深部咸水層的特殊性，該儲層水不能飲用且沒有開采價值。初步估計，利用該方式可封存全球2015年前CO2預排放量的20%～50%。

(3) 煤層封存[40]。煤層對CO2的吸附能力是對CH-的2倍，通過競爭吸附置換原理置換出煤層中的CH-，以提高煤層采收率。但CO2注入煤層后會發(fā)生溶脹反應，從而縮小了煤巖的孔隙空間，降低了煤層的儲存能力，使CO2很難再注入其中，因此煤層封存能力有限。

全球陸上理論封存容量為(6～42)×1012t，海洋理論封存容量為 (2～13)×1012t。其中，深部咸水層封存占據(jù)主導位置，其封存容量占比達到 98%；枯竭油氣藏由于具有完整的構造、詳細的地質勘探等基礎資料，是CO2封存的適宜場所[41]。

中國地質封存潛力約為(1.21～4.13)×1012t。油藏封存方面，通過CO2驅油協(xié)同CO2封存可以實現(xiàn)約51×108t的CO2封存量。氣藏封存方面，通過將CO2注入枯竭氣藏，可實現(xiàn)約153×108t的CO2封存量。另外，通過注CO2提高天然氣采收率協(xié)同CO2封存，可實現(xiàn)約90×108t的CO2封存量。深部咸水層封存方面，中國深部咸水層的CO2封存量約為2.42×1012t[41]。

截至2020年，全球共有65個商業(yè)CCUS項目，其中正在運行的26個，暫停運行的2個，在建設施的3個，已經(jīng)進入前端工程設計階段的13個，處于開發(fā)早期的21個[41]。

截至2020年，中國正在運行或建設中的CCUS項目約40個，捕集能力為300×104t/a[41]，主要分布在19個省份，捕集源行業(yè)和封存利用類型呈多樣化分布。大多以石油、煤化工、電力行業(yè)小規(guī)模的CO2捕集及驅油項目為主，缺乏大規(guī)模的多種技術組合的全流程工業(yè)化CCUS設施。13個涉及電廠和水泥廠的純捕集項目的CO2捕集能力超過85×104t/a；11個CO2驅油與封存項目的規(guī)模達182.1×104t/a，其中CO2利用規(guī)模約為154×104t/a。

碳達峰、碳中和已成為全球研究熱點，歐洲和北美已啟動55個項目對CCUS技術進行超前研究，以搶占利潤豐厚的碳減排市場[43-44]。

3 CO2驅油與封存的優(yōu)化平衡研究

通過學習和借鑒國外的成功經(jīng)驗，我國CO2驅油技術得到了很好的發(fā)展，擁有了多項優(yōu)化平衡關鍵技術[30,45]。

(1) 不同CO2排放源的捕集技術：包括石油化工廠、燃煤電廠及煤炭化工廠等不同CO2排放源。

(2) CO2驅油開發(fā)實驗分析技術：如氣驅油藏流體相態(tài)分析、巖心驅替、巖礦反應等。

(3) CO2驅油藏工程設計技術：以注入和采出等生產(chǎn)指標預測為核心。

(4) CO2驅油與封存評價技術：主要涵蓋CCUS資源潛力評價及油藏篩選。

(5) CO2腐蝕評價技術：可以找到CCUS過程中相關材質的腐蝕規(guī)律及防腐對策。

(6) CO2驅注采工藝技術：主要采用水氣交替注入工藝、多相流舉升工藝。

(7) CO2驅地面工程設計與建設技術：主要涵蓋CO2運輸、注入及產(chǎn)出流體處理與循環(huán)注入。

(8) 氣驅油藏生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測評價技術：采用氣驅生產(chǎn)調整的手段對油藏生產(chǎn)動態(tài)進行監(jiān)測評價。

(9) CO2驅安全防控技術：主要對“空天 — 近地表 — 油氣井 — 地質體 — 受體”進行一體化安全監(jiān)控與預警。

(10) 經(jīng)濟評價技術：主要對CCUS經(jīng)濟潛力及CO2驅油項目經(jīng)濟可行性進行評價。

上述涵蓋捕集、選址、容量評估、注入、監(jiān)測和模擬等在內(nèi)的關鍵技術，為全流程CCUS工程示范提供了重要的技術支撐，并在實踐過程中得到了逐步完善。近十余年的CO2驅油及封存實踐表明，必須注重二者的優(yōu)化平衡，才能實現(xiàn)安全與發(fā)展的良性互動[30]。

4 結 語

(1) CO2驅油具有很長的發(fā)展歷史，技術已非常成熟，驅油效果較好，但也存在腐蝕、氣竄和難以進行數(shù)值模擬等常見問題。

(2) 全球CO2封存潛力巨大，可以實現(xiàn)數(shù)萬億噸的封存潛力。中國油氣藏封存潛力達到數(shù)百億噸，目前已實現(xiàn)上百萬噸的封存規(guī)模。

(3) CO2驅油技術可以實現(xiàn)提高油田采收率和封存的雙贏局面，但需注重二者之間的優(yōu)化平衡，才能實現(xiàn)安全與發(fā)展的良性互動。