碳達(dá)峰碳中和背景下發(fā)展CO2-EGR的思考

張烈輝 曹 成 文紹牧 趙玉龍 彭 先 吳建發(fā)

1. “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2. 中國石油西南油氣田公司

3.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 4. 中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

0 引言

2020年9月，中國正式宣布將采取有力措施實(shí)現(xiàn)二氧化碳（CO2）年排放量力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，展現(xiàn)出了中國綠色低碳發(fā)展的決心。2021年我國CO2排放量達(dá)到了119×108t[1]，可見實(shí)現(xiàn)碳中和具有很大難度?？紤]到歐美等主要發(fā)達(dá)國家從碳達(dá)峰到實(shí)現(xiàn)碳中和往往需要50～70年時間，而我國規(guī)劃僅用30年實(shí)現(xiàn)，更是面臨巨大挑戰(zhàn)?；茉词俏覈饕亩趸寂欧旁矗?021年我國能源消費(fèi)總量達(dá)到52.4×108t標(biāo)準(zhǔn)煤[2]，與能源相關(guān)的二氧化碳排放達(dá)到了105.23×108t[3]，占CO2排放總量的88%，并且排放量還在持續(xù)增加，因此降低化石能源碳排放是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)（以下簡稱“雙碳”目標(biāo)）的重中之重。天然氣作為碳排放強(qiáng)度最低的化石能源，具有大規(guī)模穩(wěn)定供應(yīng)的基礎(chǔ)，是替代煤炭進(jìn)而實(shí)現(xiàn)化石能源“低碳化”最現(xiàn)實(shí)的選擇[4]。天然氣作為清潔、綠色的化石能源，在相當(dāng)長一段時間內(nèi)將占據(jù)重要地位。

我國天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比較低，2021年僅占比8.9%。從人均天然氣消費(fèi)來看，2021年我國人均天然氣消費(fèi)量為261 m3，僅為世界平均水平的51%，具有較大的上升空間。我國包括有水氣藏、致密氣藏、頁巖氣藏等在內(nèi)的很多氣藏具有很大的挖潛潛力。以四川盆地有水氣藏為例，作為我國天然氣增儲上產(chǎn)的主戰(zhàn)場，四川盆地共有氣田116個，已開發(fā)氣田112個，其中產(chǎn)水氣田98個，年產(chǎn)水量達(dá)607.86×104m3。在中國石油西南油氣田公司所屬472個氣藏和含氣構(gòu)造中，有水氣藏達(dá)240個，占總氣藏?cái)?shù)的50.85%。有水氣藏出水后，致使大量氣井水淹、甚至停產(chǎn)，大量天然氣滯留地下、氣藏采收率不高。因此，大力發(fā)展CO2-EGR提高氣藏采收率，既可以促進(jìn)天然氣產(chǎn)量增加，增強(qiáng)我國天然氣自主保障能力，又可以推動枯竭氣藏CO2封存技術(shù)示范，助力我國 “雙碳”目標(biāo)。目前，我國CO2-EGR尚處于起步階段。為此，針對CO2-EGR發(fā)展的全局性問題，系統(tǒng)分析了“雙碳”目標(biāo)下發(fā)展CO2-EGR的意義，CO2-EGR的潛力、發(fā)展現(xiàn)狀以及面臨的挑戰(zhàn)，進(jìn)而針對我國CO2-EGR的發(fā)展提出了建議，以期為我國CO2-EGR技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考，保障國家能源安全。

1 碳達(dá)峰碳中和背景下發(fā)展CO2-EGR的意義

1.1 保障我國能源安全

在“雙碳”目標(biāo)對清潔能源的驅(qū)動之下，我國天然氣需求旺盛，2021年我國天然氣消費(fèi)量增長至3 690 ×108m3，在一次能源消費(fèi)總量中的占比提升至8.9%。但是，2021年我國天然氣進(jìn)口量達(dá)到1 680 ×108m3，同比增長19.9%[5]，我國天然氣對外依存度達(dá)到了45.5%，嚴(yán)重影響我國能源安全。在當(dāng)前和今后一段時期，天然氣仍然是我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，并且我國的天然氣需求量將進(jìn)一步增大。由表1可知，世界重要機(jī)構(gòu)預(yù)測我國天然氣年消費(fèi)量在2030年將達(dá)到3 700×108～5 800×108m3，平均值為4 990 ×108m3；我國天然氣年消費(fèi)將在2035—2040年達(dá)到峰值，對應(yīng)的消費(fèi)量為4 000×108～ 6 840×108m3，平均值為 5 660×108m3；我國天然氣年消費(fèi)量在2050年仍保持在較高水平，為3 140×108～ 6 470×108m3，平均值為 4 560×108m3。與我國2021年天然氣產(chǎn)量 2 076×108m3相比，我國天然氣年消費(fèi)峰值存在1 920×108～4 720×108m3的缺口，將給我國能源安全構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，加大國內(nèi)天然氣勘探開發(fā)力度，采用CO2-EGR技術(shù)增加國內(nèi)天然氣產(chǎn)量是我國天然氣資源綠色開發(fā)、可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略領(lǐng)域之一，對于保障我國能源安全及“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

表1 重要機(jī)構(gòu)對中國天然氣消費(fèi)量預(yù)測情況表

1.2 加速清潔能源體系建設(shè)推動能源轉(zhuǎn)型

由圖1可以看出，我國能源消費(fèi)仍然以煤炭為主，2021年煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56%，因此我國能源結(jié)構(gòu)存在高碳能源消費(fèi)占比高、碳排放強(qiáng)等挑戰(zhàn)，推進(jìn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的迫切需要和重要抓手[13]。在可再生能源成為主力能源之前，天然氣將是我國及全球?qū)崿F(xiàn)能源結(jié)構(gòu)從高碳向低碳轉(zhuǎn)型升級的最現(xiàn)實(shí)能源。天然氣產(chǎn)業(yè)還可以通過天然氣制氫等技術(shù)手段拉動氫能[14]、CCUS（碳捕集、利用與封存）等產(chǎn)業(yè)發(fā)展[15]，不斷推進(jìn)我國能源轉(zhuǎn)型和清潔能源體系建設(shè)。甲烷作為天然氣的主要成分，在所有碳?xì)浠衔镏芯哂凶罡叩臍涮急?，因而利用天然氣制氫具有高效率、低碳排放、并適用于規(guī)模化制氫等優(yōu)點(diǎn)[14]，因此天然氣與氫氣協(xié)同發(fā)展，將加速低碳時代的到來。此外，由于天然氣發(fā)電具有啟動停止快、應(yīng)急能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決風(fēng)能、太陽能等可再生資源發(fā)電波動強(qiáng)度大等短板，因而天然氣與可再生資源融合發(fā)展可以助推新能源穩(wěn)定供應(yīng)和規(guī)模應(yīng)用[16]，進(jìn)一步加速清潔能源體系建設(shè)。因此，大力發(fā)展CO2-EGR并提高天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比，可以加快能源轉(zhuǎn)型步伐，助推我國清潔能源體系建設(shè)。

圖1 中國能源消費(fèi)趨勢圖（數(shù)據(jù)自參考文獻(xiàn)[2]、[12]）

1.3 推動盡早實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”

由圖2可知，我國與能源相關(guān)的CO2排放經(jīng)歷了緩慢上升期（1980—2001年）、高速上升期（2002—2013年），目前處于低速上升期（2014—2021年）。由于未來10年是我國基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化建設(shè)的重要時期，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化多重發(fā)展將進(jìn)一步增加碳排放[12]，因此要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)面臨巨大挑戰(zhàn)。在應(yīng)對氣候問題方面，增加高氫碳比的天然氣在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比，是減少CO2排放的重要措施，再與CCUS技術(shù)集成耦合使用，則可以進(jìn)一步降低碳排放。CCUS是減少碳排放的重要技術(shù)途徑[17-18]，根據(jù)國際能源署預(yù)測，到2050年CCS技術(shù)可以承擔(dān)全球19%的CO2減排量[19]?；茉丛谖覈茉聪M(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要作用，而CCUS是目前實(shí)現(xiàn)大規(guī)模化石能源零排放利用的唯一技術(shù)選擇[20]。

圖2 中國碳排放趨勢圖（數(shù)據(jù)自參考文獻(xiàn)[3]、[12]）

相較于其他CCUS技術(shù)，CO2-EGR具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下5個方面：①氣藏由于長期賦存天然氣，其構(gòu)造封閉性和完整性可以得到保障，降低了CO2泄漏的風(fēng)險；②氣田開采井以及相關(guān)井下和地面基礎(chǔ)設(shè)施齊全，稍加改造就可以應(yīng)用于注CO2，大大降低了CO2封存成本；③對原始地層壓力的擾動更小，因?yàn)殚L期的天然氣開采造成地層壓力下降，因此向枯竭氣藏中注CO2會恢復(fù)地層壓力；④提高采收率可以額外增加天然氣產(chǎn)量，也可以進(jìn)一步抵消部分封存成本；⑤與枯竭油藏相比，由于天然氣的壓縮性更高，因而單位體積孔隙中CO2封存容量更大[21]，在鹽水層中CO2封存大規(guī)模運(yùn)用之前，枯竭氣藏封存CO2是很好的技術(shù)選擇。因此，開展CO2-EGR既可以促進(jìn)天然氣產(chǎn)量增加，又可以推進(jìn)碳捕集利用與封存技術(shù)應(yīng)用示范，推進(jìn)天然氣生產(chǎn)過程綠色化，從而助力我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

2 CO2-EGR潛力與發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 提高采收率潛力

CO2-EGR示意圖如圖3所示，注入儲層的CO2通過驅(qū)替作用和重力分異作用等機(jī)制實(shí)現(xiàn)提高氣藏的采收率。具體地，CO2驅(qū)提高氣藏采收率的作用機(jī)理主要有以下4個方面：①提高儲層壓力，增大壓力梯度，從而提高天然氣滲流速度；②CO2與天然氣之間顯著的密度差異會導(dǎo)致重力分異，因此儲層底部的CO2對天然氣具有抬升作用；③在儲層溫度壓力條件下，CO2往往呈超臨界狀態(tài)，其黏度遠(yuǎn)高于天然氣，會產(chǎn)生有利于驅(qū)替的流度比；④CO2通過競爭吸附作用置換出儲層中的CH4，對于存在邊底水的氣藏，注入CO2還可以抑制和減緩水侵，延長無水和低水開采期。有水氣藏初始采收率低，通常僅30%～50%，因此提高采收率潛力大，此外，凝析氣藏、煤層氣藏、致密氣藏、頁巖氣藏也可依靠CO2-EGR提高采收率。CO2-EGR提高采收率的潛力為10%～35%[22]。如圖4所示，儲層巖石性質(zhì)和流體性質(zhì)及其耦合作用會影響提高采收率效果，包括巖石孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組分、非均質(zhì)性、表面性質(zhì)、敏感性、天然氣組分、注入氣組分、地層水含量及化學(xué)成分等。此外，地質(zhì)構(gòu)造、溫度壓力分布、井網(wǎng)部署、注采層位、注氣時機(jī)、注入速率、注氣總量等工程參數(shù)也會顯著影響驅(qū)替效率和提高采收率效果，因此對于特定的氣藏，CO2的提高采收率潛力應(yīng)予具體分析。

圖3 CO2-EGR作用機(jī)理示意圖

圖4 CO2-EGR影響因素圖

2.2 CO2封存潛力

枯竭氣藏（DGR）是封存CO2的重要場所，具有較大的封存潛力。此外在CO2-EGR過程中，由于CO2滯留儲層，也可以封存一定量的CO2[23]。我國氣藏總的CO2封存容量約為304.8×108t，主要分布于鄂爾多斯盆地、四川盆地、鶯歌海盆地、塔里木盆地、準(zhǔn)格爾盆地和渤海灣盆地，其對應(yīng)的CO2封存量分別為 85.88×108t、58.87×108t、37.47×108t、26.78×108t、15.95×108t、14.46×108t[24]。為降低注入成本，考慮深度為800～3 000 m的淺層氣藏，適合實(shí)施CO2封存的天然氣藏共有754個，主要分布于鄂爾多斯盆地、四川盆地、渤海灣盆地和塔里木盆地[25]?？紤]城市層面的源匯匹配，氣藏總的封存容量達(dá)到243.39×108t，其中通過EGR可封存90.18×108t CO2，通過枯竭氣藏可以封存153.21×108t CO2。EGR過程中CO2封存潛力超過100×104t的氣田共348個，對應(yīng)的EGR封存量為89.16×108t，占所有氣田EGR封存量的99%[25]。EGR過程中CO2封存量最大的是蘇里格氣田，對應(yīng)封存量為19.59×108t，其次是神木氣田、大牛地氣田、合川氣田以及安岳氣田，它們分別可以封存 5.57×108t、4.83×108t、4.58×108t、3.39×108t。停止驅(qū)氣提采轉(zhuǎn)為封存階段之后，對應(yīng)的封存量有所上升。上述5個氣藏也是DGR封存潛力最大的氣藏，對應(yīng)的CO2封存 量分 別 為 31.09×108t、8.85×108t、7.66×108t、7.27×108t、5.38×108t。因此，在鹽水層 CO2封存規(guī)?；茝V之前，可以重點(diǎn)圍繞上述盆地及氣藏開展CO2-EGR。

2.3 CO2-EGR主要工程項(xiàng)目

全球CO2-EGR總體處于機(jī)理探索及小規(guī)模先導(dǎo)試驗(yàn)階段，主要包括澳大利亞CO2CRC Otway項(xiàng)目、加拿大Alberta項(xiàng)目、荷蘭K12-B項(xiàng)目等。此外還開展了一些研究項(xiàng)目，包括德國Altmark氣田（CLEAN項(xiàng)目）、澳大利亞CO2CRC Otway項(xiàng)目、澳大利亞CASTOR項(xiàng)目。目前全球已經(jīng)規(guī)劃、在建和運(yùn)行中的商業(yè)化CCUS項(xiàng)目仍然以地質(zhì)封存和EOR為主，極少見CO2-EGR項(xiàng)目。中國針對凝析氣藏開發(fā)末期注CO2提高采收率的研究和實(shí)施相對較多，并在沁水盆地開展了CO2驅(qū)煤層氣的小規(guī)模先導(dǎo)試驗(yàn)，但迄今尚未開展規(guī)?；疌O2-EGR的現(xiàn)場實(shí)施應(yīng)用。

加拿大Alberta項(xiàng)目[26]由于油氣枯竭，將2口采氣井轉(zhuǎn)換成了酸氣回注井，從2002年開始向F氣藏實(shí)施酸氣（98%CO2+ 2%H2S）回注，注入后1～3年內(nèi)采氣井有CO2突破，2005年由于酸氣的突破而停止注氣。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CO2突破早于H2S，在某些井中突破的時間差高達(dá)1年。其原因在于CO2的溶解度遠(yuǎn)低于H2S，導(dǎo)致H2S會優(yōu)先溶于注入井附近的地層水，飽和H2S的地層水進(jìn)一步降低了CO2的溶解能力，CO2只能以氣相形式向遠(yuǎn)端運(yùn)移，因此CO2突破早于H2S。這種色譜分離現(xiàn)象可以應(yīng)用于對CO2的監(jiān)測，將溶解度遠(yuǎn)低于CO2的N2與其共同注入地層，則N2會先于CO2到達(dá)監(jiān)測井，因此N2的突破可以作為CO2發(fā)生突破的監(jiān)測信號[27]。

澳大利亞Otway項(xiàng)目[28]是在CO2CRC框架下開展的首個澳大利亞CO2安全生產(chǎn)、運(yùn)輸、灌注和地下封存的示范項(xiàng)目。Otway項(xiàng)目將產(chǎn)自臨近Buttress氣藏的氣體（80%CO2+ 20%CH4），注入Otway盆地Naylor氣藏，儲層為埋深2 000 m，厚25～30 m砂巖地層，儲層孔隙度為20%，滲透率介于1～5 mD，封存容量達(dá)15 ×104t。從2008年3月至2009年8月累計(jì)注入量為6.5×104t。由于斷層作用下儲層三面均為厚度為300 m的泥巖，將CO2運(yùn)移范圍限制在0.5 km2范圍之內(nèi)。這可以為我國開展早期非均質(zhì)儲層CO2-EGR先導(dǎo)試驗(yàn)提供參考，我國可以選擇類似的封閉儲層開展CO2-EGR先導(dǎo)試驗(yàn)，盡可能地降低CO2-EGR工程上的不確定性。Otway項(xiàng)目地震圖像和流體采樣分析證實(shí)了地質(zhì)力學(xué)模型和地球化學(xué)模型分析的正確性。監(jiān)測結(jié)果顯示，大氣、土壤、淺層地下水中均無示蹤劑，證實(shí)了枯竭氣藏CO2封存的安全性和有效性。

荷蘭K12-B項(xiàng)目[29]位于北海，在海上平臺將采出氣中的CO2（濃度達(dá)13%）分離出來注入地層，這是世界首次將采出CO2回注入原氣藏。儲層在海平面下約3 800 m，地層壓力從原始地層壓力40 MPa降低至4 MPa（采收率90%），地層溫度為128 ℃，儲層由滲透率為300～500 mD的高滲透地層與滲透率為5～30 mD的中低滲透率地層組成，蓋層為厚達(dá)500 m的鹽巖。注氣時間為2003—2017年，注入氣成分為95%CO2+ 5%CH4，累計(jì)注入量超過10×104t。項(xiàng)目分為以下3個研究階段。第一階段：研究利用現(xiàn)有管柱和設(shè)備實(shí)施注CO2的適應(yīng)性研究，具體包括厘清CO2對設(shè)備、地層和采氣的影響、對地面及井下設(shè)備的要求、考察合適的注入井廢棄流程、考察法律法規(guī)及社會方面的可行性、HSE評價分析、經(jīng)濟(jì)性評價。第二階段：研究CO2注入和封存相關(guān)的技術(shù)、操作、安全、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等相關(guān)問題，并通過項(xiàng)目獲得相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，這個過程持續(xù)了15年。第三階段：研究將CO2注入及封存規(guī)模從示范規(guī)模擴(kuò)展到商業(yè)規(guī)模的適應(yīng)性。 第一階段和第二階段已經(jīng)通過項(xiàng)目完成了，第三階段任務(wù)仍在評估中。采用溫度壓力梯度測試、采出氣水分析、測井、示蹤劑、電磁成像工具等分析方法監(jiān)測CO2的影響，項(xiàng)目運(yùn)行期間未發(fā)生明顯的事故，證實(shí)了CO2在荷蘭大陸架枯竭氣藏封存的適應(yīng)性和安全性可以得到保障。

德國CLEAN項(xiàng)目[30]由德國聯(lián)邦教育和研究部資助（2008—2011年），針對將CO2注入Altmark氣藏驅(qū)氣提高采收率及其地質(zhì)封存，在CO2注入地質(zhì)風(fēng)險評價、井筒完整性、環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測等方面開展了系統(tǒng)的研究。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和礦場試驗(yàn)證實(shí)了Altensalzwedel儲層封存10×104t CO2的安全性。盡管由于未獲批準(zhǔn)，沒能大規(guī)模實(shí)施注氣，但仍為全球CO2-EGR提供了系統(tǒng)豐富的技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)。

3 CO2-EGR發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

3.1 碳減排難以量化核算

全國碳排放權(quán)交易市場已于2021年7月16日正式上線交易，截至2022年9月13日，全國碳市場碳排放配額（CEA）累計(jì)成交量1.95×108t ，累計(jì)成交額85.59×108元，成交均價43.89 元/t。然而關(guān)于CO2-EGR過程中產(chǎn)生的量化碳減排效果，國內(nèi)外尚缺乏統(tǒng)一、科學(xué)的核算方法，致使通過CO2-EGR技術(shù)的減排貢獻(xiàn)無法被準(zhǔn)確核算，因此CO2-EGR的封存減碳配額難以納入碳交易市場，無法實(shí)現(xiàn)碳匯效益。

3.2 技術(shù)挑戰(zhàn)

CO2-EGR是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多相多組分流動、CO2—地層流體—巖石化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)過程。盡管國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作，但仍存在一些技術(shù)瓶頸，主要體現(xiàn)在CO2多元混合體系相行為預(yù)測、非均質(zhì)氣藏CO2提高采收率潛力評價、CO2—地層流體—巖石耦合作用評價、CO2—天然氣混合控制、氣藏地質(zhì)體穩(wěn)定性評價等幾個方面。

3.2.1 CO2多元混合體系相行為預(yù)測

由于CO2捕集及提純成本占整個CCUS流程的70%左右[31]，因此將含雜質(zhì)的CO2用于驅(qū)氣提高采收率及封存具有非常重要的意義。尾氣、煙氣是CO2的重要來源，其中的雜質(zhì)氣體如N2、O2、H2O、H2S、SO2等，以及氣藏中的CH4會對CO2的相態(tài)特征造成顯著影響，并且注入的CO2多元混合氣體在驅(qū)氣及封存過程中經(jīng)歷溫度壓力的大幅變化，造成CO2多元混合氣體在多孔介質(zhì)中的相行為難以準(zhǔn)確預(yù)測。

3.2.2 非均質(zhì)氣藏CO2提高采收率潛力評價

非均質(zhì)氣藏，如孔隙—裂縫—洞穴多重介質(zhì)儲層儲集空間形態(tài)復(fù)雜，會對CO2的擴(kuò)散系數(shù)造成影響，導(dǎo)致CO2在儲層中賦存運(yùn)移狀態(tài)難以準(zhǔn)確定量描述。在裂縫發(fā)育的儲層中，CO2容易通過裂縫發(fā)生氣竄，致使難以精確描述CO2驅(qū)氣前緣。此外，CO2多元體系在非均質(zhì)儲層中的復(fù)雜相變行為會對混合氣體的密度、黏度、擴(kuò)散系數(shù)等物性參數(shù)造成影響，進(jìn)而影響驅(qū)氣提高采收率效果，致使CO2提高采收率潛力難以準(zhǔn)確評價。需要指出的是，由于非均質(zhì)氣藏具有的復(fù)雜儲層孔隙結(jié)構(gòu)，CO2在其中的封存潛力同樣難以準(zhǔn)確評價。

3.2.3 CO2—地層流體—巖石耦合作用評價

CO2—地層流體—巖石作用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)往往受制于時間和空間的限制，不能有效反映CO2-EGR過程中跨時間尺度和空間尺度下CO2—地層流體—巖石耦合作用。數(shù)值模擬可以解決時間和空間尺度的問題，但是存在多尺度三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型以及精細(xì)化水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型難以構(gòu)建的問題，而用于模擬的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)由于應(yīng)用尺度的擴(kuò)展往往難以準(zhǔn)確描述礦場尺度下的水巖反應(yīng)，此外地層的非均質(zhì)性和礦物分布的非均質(zhì)性難以精確表征，并且CO2—地層流體—巖石耦合作用的長期不確定性難以量化表征，導(dǎo)致CO2—地層流體—巖石長時耦合作用并不明確，致使難以精確預(yù)測CO2羽流、地層孔隙結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)性質(zhì)的演變規(guī)律。

3.2.4 CO2—天然氣混合控制

氣藏中注入的CO2與天然氣的混合會影響驅(qū)替效率，并導(dǎo)致CO2在生產(chǎn)井中快速突破，致使驅(qū)氣提高采收率的效果較差，而采出氣中的CO2又進(jìn)一步增加了地面處理工藝難度和成本，降低了CO2-EGR的綜合經(jīng)濟(jì)效益，因此控制CO2—天然氣混合具有重要意義。然而CO2-EGR過程中在壓力梯度驅(qū)替作用以及分子擴(kuò)散作用下，CO2—天然氣沒有明顯的分隔界面，CO2—天然氣存在混合區(qū)域，并且難以有效控制。

3.2.5 氣藏地質(zhì)體穩(wěn)定性評價

在開展CO2-EGR的整個過程中，包括選址、注入?yún)?shù)設(shè)計(jì)、監(jiān)測方案設(shè)計(jì)等均應(yīng)考慮氣藏地質(zhì)體的穩(wěn)定性。氣藏往往具有較為穩(wěn)定的儲蓋層組合及構(gòu)造圈閉，然而斷層和裂縫系統(tǒng)的存在增大了CO2泄漏的風(fēng)險性，因?yàn)镃O2注入后物理化學(xué)共同作用下可能誘發(fā)斷層活化及裂縫延伸，形成CO2泄漏通道。此外，注入的CO2可能腐蝕固井水泥環(huán)進(jìn)而破壞井筒完整性，也可能突破蓋層的毛細(xì)管壓力或者壓裂蓋層從而形成泄漏通道，如圖5所示。注入CO2后氣藏地質(zhì)體的穩(wěn)定性評價需要考慮熱—水—力—化多場耦合作用，目前CO2注入后物理化學(xué)共同作用下誘發(fā)斷層活化及裂縫延伸機(jī)制并未明確，致使CO2沿著斷層和裂縫泄漏的風(fēng)險性不能定量有效評估，CO2注后地質(zhì)體的長期穩(wěn)定性難以準(zhǔn)確評價。

圖5 CO2潛在泄漏通道示意圖（據(jù)參考文獻(xiàn)[32]修改）

4 CO2-EGR發(fā)展對策

4.1 明確CO2-EGR發(fā)展路徑

4.1.1 強(qiáng)化CO2-EGR在多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)中的減排作用

①探索可再生能源+ CO2-EGR的技術(shù)集成，由于開展CO2-EGR需要使用能源，因此將風(fēng)能、光伏、地?zé)崮艿瓤稍偕茉礊镃O2-EGR工藝過程提供電能，則可以進(jìn)一步拓展可再生能源使用空間，延展清潔固碳產(chǎn)業(yè)鏈。②探索儲能技術(shù)+ CO2-EGR的技術(shù)集成，對采收率較低的有水氣藏，采用CO2驅(qū)提高氣藏采收率，然后由驅(qū)氣開發(fā)轉(zhuǎn)換為儲氣庫建設(shè)，并持續(xù)注入一定量的CO2充當(dāng)儲氣庫的墊層氣，以期提高儲氣庫有效工作氣量。③擴(kuò)展CO2-EGR技術(shù)在新興能源與工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，例如將CO2-EGR與煤制氫技術(shù)集成耦合使用，可以同時滿足清潔化和經(jīng)濟(jì)性的雙重要求，助推傳統(tǒng)難減排的煤炭行業(yè)深度脫碳。

4.1.2 構(gòu)建CO2-EGR空間布局

結(jié)合“雙碳”目標(biāo)下重點(diǎn)行業(yè)的減排需求及路徑，建立全國統(tǒng)一大市場，加強(qiáng)CO2運(yùn)輸管網(wǎng)和集群設(shè)施建設(shè)，讓小規(guī)模碳捕集項(xiàng)目也可應(yīng)用于CO2-EGR，從而受益于規(guī)模經(jīng)濟(jì)。根據(jù)封存地質(zhì)場所開展大規(guī)模篩選，考慮CO2源匯匹配問題，構(gòu)建CO2-EGR空間布局，進(jìn)而明確CO2-EGR發(fā)展路線。

4.1.3 強(qiáng)化CO2-EGR數(shù)字融合

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革帶動了數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，也為天然氣勘探開發(fā)提質(zhì)增效和高質(zhì)量發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。當(dāng)前我國天然氣產(chǎn)業(yè)正處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展的重要階段，我國CO2-EGR應(yīng)高起點(diǎn)布局，在產(chǎn)業(yè)布局初期就重視與數(shù)字的深度融合，高水平構(gòu)建智能CO2-EGR產(chǎn)業(yè)鏈，高效推進(jìn)我國智慧能源體系建設(shè)，支撐我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

4.1.4 推進(jìn)國際合作與產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同

考慮到我國天然氣高度依賴進(jìn)口，因此應(yīng)充分發(fā)揮跨國資源優(yōu)勢互補(bǔ)，進(jìn)一步推進(jìn)國際合作，在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面開創(chuàng)CO2-EGR對外合作新局面。天然氣勘探開發(fā)主體可以考慮與科研院校合作建立科技創(chuàng)新聯(lián)合體，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)，積極推進(jìn)CO2-EGR產(chǎn)教融合，在CO2-EGR科研項(xiàng)目攻關(guān)、科技成果轉(zhuǎn)化、專業(yè)人才培養(yǎng)等方面深度合作，支撐CO2-EGR科技和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

4.2 加速建立CO2-EGR政策支持體系

面對“雙碳”目標(biāo)對天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，我國應(yīng)進(jìn)一步完善法律法規(guī)體系，將CO2-EGR納入重點(diǎn)鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)目錄、為CO2-EGR項(xiàng)目提供融資支持。此外，應(yīng)充分借鑒美國45Q稅收法案、加拿大CCS稅收抵免政策等國外政策，建立符合我國國情的稅收優(yōu)惠和補(bǔ)貼激勵政策，加速推動CO2-EGR商業(yè)化步伐。借鑒歐洲創(chuàng)新基金政策，創(chuàng)立CO2-EGR發(fā)展基金，支持創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)及其工業(yè)應(yīng)用，以期為加速CO2-EGR產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。

4.3 加快構(gòu)建CO2-EGR方法學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)體系

2022年3月，《中共中央、國務(wù)院關(guān)于加快建設(shè)全國統(tǒng)一大市場的意見》[33]指出，要建設(shè)全國統(tǒng)一的碳排放權(quán)交易市場，實(shí)行統(tǒng)一規(guī)范的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、交易監(jiān)管機(jī)制。但是目前我國CO2-EGR標(biāo)準(zhǔn)體系建立進(jìn)度較為緩慢，應(yīng)借鑒ISO/TC265 CCUS標(biāo)準(zhǔn)[34-37]、加拿大CSA-Z741 CCS標(biāo)準(zhǔn)[38]等國際標(biāo)準(zhǔn)以及我國天然氣行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[39-42]，建立CO2捕集、運(yùn)輸、驅(qū)氣提高采收率全產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范CO2-EGR項(xiàng)目的建設(shè)、運(yùn)營、和監(jiān)管。

4.4 積極開展CO2-EGR關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

針對CO2-EGR存在的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，應(yīng)著重在以下7個方面開展技術(shù)攻關(guān)：①建立CO2多元體系相平衡模型，研究CO2多元體系的相平衡規(guī)律，明確CO2多元混合體系從地面注入到驅(qū)氣過程中的相態(tài)變化特征；②建立有水氣藏、非均質(zhì)氣藏、致密氣藏、頁巖氣藏注CO2提高采收率潛力評價方法，進(jìn)而構(gòu)建不同類型氣藏的CO2提高采收率評價指標(biāo)體系；③構(gòu)建CO2—地層水—巖石化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型、明確CO2—地層水作用下巖石礦物轉(zhuǎn)化規(guī)律、巖石孔隙結(jié)構(gòu)和孔滲特性的演化規(guī)律，進(jìn)而明確高溫高壓條件下CO2-CH4—地層水—巖石微觀耦合作用機(jī)制；④建立CO2作用下熱—水—力—化多場耦合作用下巖石強(qiáng)度理論與破壞準(zhǔn)則，明確巖石損傷機(jī)制和蓋層封閉性演化規(guī)律，進(jìn)而明確CO2對地層巖石的長時耦合作用機(jī)制；⑤研究CO2作用下結(jié)構(gòu)面剪切滑移規(guī)律以及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度力學(xué)、化學(xué)劣化機(jī)制及實(shí)效特征，構(gòu)建CO2注入引起的物理、化學(xué)作用下斷層活化判據(jù)和裂縫延伸判據(jù)，明確結(jié)構(gòu)面封閉性演化規(guī)律；⑥明確CO2-CH4-H2O多元體系在地層條件下的相態(tài)特征及擴(kuò)散規(guī)律，建立考慮水巖反應(yīng)影響的多相多組分流體在氣藏多重介質(zhì)中的滲流理論，明確CO2-CH4—水多元體系在孔隙—裂縫—洞穴復(fù)雜多重介質(zhì)中的滲流規(guī)律和賦存狀態(tài)演變機(jī)制；⑦明確地質(zhì)工程條件、氣藏開發(fā)歷程對CO2-EGR的影響規(guī)律，進(jìn)而建立CO2-EGR及封存一體化設(shè)計(jì)方法。

4.5 建立CO2-EGR規(guī)模產(chǎn)業(yè)集群

成本是制約包括CO2-EGR在內(nèi)的CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要原因，而建立規(guī)模產(chǎn)業(yè)集群可以顯著降低產(chǎn)業(yè)綜合成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。因此，應(yīng)圍繞鄂爾多斯盆地、四川盆地、渤海灣盆地和塔里木盆地構(gòu)建CO2-EGR產(chǎn)業(yè)集群，突出規(guī)模效應(yīng)?？紤]到四川盆地有水氣藏發(fā)育，已開發(fā)的98個有水氣藏尚存50%～70%的剩余天然氣。此外，《四川省“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》[43]《中共四川省委關(guān)于以實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)為引領(lǐng)推動綠色低碳優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的決定》[44]等文件，指出積極發(fā)展清潔能源，推動天然氣增儲上產(chǎn)，建成“氣大慶”，打造國家天然氣千億立方米級產(chǎn)能基地，開展碳捕集利用與封存等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，以及先進(jìn)綠色低碳技術(shù)示范應(yīng)用，為四川盆地CO2-EGR示范區(qū)建設(shè)提供了政策保障。因此可以優(yōu)先在四川盆地建立CO2-EGR示范區(qū)，打造國內(nèi)CO2-EGR示范基地，然后進(jìn)一步在全國推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

1）“雙碳目標(biāo)”的提出給中國CO2-EGR產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展帶來了機(jī)遇，發(fā)展CO2-EGR對于保障我國能源安全、加速清潔能源體系建設(shè)推動能源轉(zhuǎn)型、從而助推實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”均具有重要推動作用。

2）由于CO2-EGR存在碳減排難以量化核算、CO2—天然氣混合難以控制、CO2注后地質(zhì)體的長期穩(wěn)定性難以準(zhǔn)確評價等挑戰(zhàn)，CO2-EGR發(fā)展較為緩慢。為此，我國應(yīng)借鑒美國的稅收抵免政策和歐洲的創(chuàng)新基金政策，建立CO2-EGR政策支持體系，積極開展CO2-EGR關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，加快構(gòu)建CO2-EGR方法學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)體系。

3）強(qiáng)化CO2-EGR在多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)中的減排作用，助推可再生能源規(guī)?；\(yùn)用，并推動傳統(tǒng)難減排的煤炭行業(yè)深度脫碳；強(qiáng)化CO2-EGR數(shù)字融合，從而推動行業(yè)快速高質(zhì)量規(guī)范發(fā)展；構(gòu)建CO2-EGR空間布局，率先在四川盆地建立CO2-EGR示范區(qū)，然后向全國推廣運(yùn)用，通過規(guī)模產(chǎn)業(yè)集群提升CO2-EGR的綜合經(jīng)濟(jì)效益。