“雙碳”目標下CCUS技術(shù)與CO2驅(qū)油技術(shù)間關(guān)聯(lián)和展望

姚明偉

(吐哈油田吐魯番采油管理區(qū)，新疆 吐魯番 838000)

2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[1]?！半p碳”目標是2015年《巴黎協(xié)定》通過后中國對應對全球變暖、降低溫室氣體排放所做的大國承諾，即力求在“十四五”期間實現(xiàn)單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低13.5%，二氧化碳排放降低18%。油氣行業(yè)，作為化石能源最主要的生產(chǎn)行業(yè)，在原油勘探開發(fā)過程中也會產(chǎn)生大量的能量損耗，帶來能源的逸散和排放。主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是生產(chǎn)設(shè)備的運行需要能量。這些轉(zhuǎn)化的機械能都是能源的燃燒帶來的，若設(shè)備運行效率低，無效功多，則會帶來更多的能量損耗以及溫室氣體的排放；另一方面體現(xiàn)在原油勘探開發(fā)過程中會由于工藝、設(shè)備等不足帶來的能源逸散，或者是采出的油氣的泄露，以及伴生氣、火炬氣的排放等，都會增加溫室氣體的排放。

針對上述油氣行業(yè)存在的能源消耗和溫室氣體排放問題，國內(nèi)三大石油相繼開展了針對各個環(huán)節(jié)的節(jié)能提效技術(shù)研究和應用。CO2捕集、利用與封存技術(shù)(CCUS)，是中國實現(xiàn)“雙碳”目標從根源實現(xiàn)負碳排放的一種;是除森林碳匯外最有效的方式之一，也是自2015年《巴黎協(xié)定》通過以來，國際能源署(IEA)、政府間氣候變化專門委員會(IPCC)等可靠機構(gòu)認為的一種去除大氣中二氧化碳，減少能源密集型行業(yè)和發(fā)電企業(yè)CO2排放的關(guān)鍵技術(shù)。將CO2注入地層進行封存和利用是目前石油行業(yè)CO2驅(qū)油技術(shù)與CCUS技術(shù)關(guān)聯(lián)性最為密切的一項技術(shù)，也是能夠?qū)崿F(xiàn)CO2有效利用的一種方式。本文從“雙碳”目標實現(xiàn)的角度，分析CCUS技術(shù)與CO2驅(qū)油技術(shù)之間的關(guān)系和區(qū)別及其發(fā)展前景。

1 化石能源提高采收率及綠色高效開發(fā)利用技術(shù)

面對當前全球緊張的能源形勢，能源發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新是國家發(fā)展的戰(zhàn)略，是保障能源安全、促進能源轉(zhuǎn)型、引領(lǐng)能源革命和支撐“碳達峰、碳中和”目標等的需求，也是堅持能源科技創(chuàng)新、補強能源技術(shù)裝備短板、引領(lǐng)低碳清潔能源發(fā)展的需要。綠色高效化石能源開發(fā)利用技術(shù)是《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》的重要任務，是增強油氣安全的保障，是大于油氣勘探開發(fā)的有效支撐。提升低滲透老油田、高含水油田以及深層油氣等陸上常規(guī)油氣的采收率和儲量動用率重點是不斷提高油氣安全保障供應技術(shù)，重點要開展低滲透老油田大幅提高采收率技術(shù)[2]。

隨著我國常規(guī)中高滲油藏開發(fā)進入中后期，低滲透、致密油氣的開采對低滲透老油田、致密油氣藏的資源儲量占比也開始突顯出來。目前中國仍有70%左右的低滲透致密油氣探明儲量需要開發(fā)，在油氣開發(fā)中的主體地位更加重要。低滲透、致密油氣之所以難開發(fā)、采收率低是因為該類儲層孔隙度低、滲透率小、孔喉細小、可動流體飽和度低，使得常規(guī)增產(chǎn)措施和提高采收率技術(shù)難以達到預期效果，水驅(qū)往往存在注不進、采不出，以及高壓欠注等問題。針對該類油田，采用易注入、地層內(nèi)易流動、分子量小、易驅(qū)動的驅(qū)油介質(zhì)是提高采收率的最有效措施。納米驅(qū)油技術(shù)和CO2驅(qū)油技術(shù)是當前最具潛力和規(guī)模的針對低滲、致密油藏的提高采收率的技術(shù)。納米驅(qū)油技術(shù)主要是通過納米級流體作為驅(qū)油劑，增加在致密儲層內(nèi)的滲透和驅(qū)油作用。納米驅(qū)油具有尺寸小、滲透和擴散能力強，表面活性高、潤濕性強、降黏等特征，目前第一代納米驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進展?！笆奈濉钡闹攸c工作需要進一步完善納米驅(qū)油開發(fā)理論，研發(fā)表征評價技術(shù)裝備，發(fā)展第二代納米驅(qū)油技術(shù)。CO2驅(qū)油技術(shù)是目前被公認的最具發(fā)展前景的提高石油采收率的技術(shù)和方法，主要是利用CO2易達到臨界狀態(tài)，且超臨界CO2具有易注入、易混相的優(yōu)勢，對低滲、致密油藏內(nèi)的原油具有增能、降黏、傳質(zhì)等有益于驅(qū)替的作用。目前中國三大石油公司都針對CO2驅(qū)油技術(shù)進行了多次的現(xiàn)場試驗和研究，明確了CO2驅(qū)油技術(shù)具有提高采收率和實現(xiàn)埋存的作用，對化石能源增能提效以及“雙碳”目標下綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展都有積極的促進作用。但目前CO2驅(qū)油技術(shù)的驅(qū)油機理還有待進行進一步的深入研究，同時，如何降低注入成本，實現(xiàn)CO2的有效埋存都有待進一步的解決。

2 “雙碳”目標下CO2捕集、利用、封存技術(shù)

2.1 CCUS技術(shù)即CO2捕集、利用與封存技術(shù)

CCUS技術(shù)是碳捕集、利用與封存技術(shù)，可以實現(xiàn)碳減排和碳移除的雙重作用，是中國實現(xiàn)“雙碳”目標從根源實現(xiàn)負碳排放的一種最有效的方式[3]，也是自2015年《巴黎協(xié)定》通過以來，國際能源署(IEA)、政府間氣候變化專門委員會(IPCC)等可靠機構(gòu)的認為的一種去除大氣中二氧化碳，減少能源密集型行業(yè)和發(fā)電企業(yè)CO2排放的關(guān)鍵技術(shù)。是在CCS技術(shù)的基礎(chǔ)上，適合中國國情的一項實現(xiàn)“雙碳”目標的高效、潛能技術(shù)。其中，CO2捕集技術(shù)基本已經(jīng)涵蓋了碳排放源的絕大部分類型，主要通過新建發(fā)電廠燃燒前碳脫除等技術(shù)將燃料中的碳脫除，實現(xiàn)燃燒前碳捕集；或者對發(fā)電廠、化工廠等燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳進行分離、煙氣再循環(huán)等方法進行燃燒后捕集或富氧燃燒手段進行碳捕集。在利用和封存方面，涉及地質(zhì)、化工、生物等領(lǐng)域，且與所在領(lǐng)域較為成熟的技術(shù)相結(jié)合，增加了其應用深度和廣度。其中，最被認可且與油氣行業(yè)最息息相關(guān)的CO2封存和利用技術(shù)當屬CO2驅(qū)油技術(shù)，因其即可實現(xiàn)驅(qū)油以提高采收率，又可實現(xiàn)碳封存，備受油氣行業(yè)青睞和推崇。

目前，CCUS技術(shù)在我國擁有巨大的應用市場和發(fā)展前景，在提高采收率方面約有130億t原油地質(zhì)儲量適用于提高采收率技術(shù)，在實現(xiàn)碳封存的同時也會為油氣行業(yè)提高采收率帶來巨大的收益。雖然CCUS技術(shù)未來會形成完整的技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)的集群化，但目前在國內(nèi)仍存在諸多困難和挑戰(zhàn)去不斷的攻克。

2.2 CO2利用與封存——CO2驅(qū)油提高采收率

CO2驅(qū)油技術(shù)屬于提高采收率技術(shù)中注氣驅(qū)油技術(shù)中的一種類型，同時也是CCUS技術(shù)中實現(xiàn)CO2利用和封存的一種可用于油氣行業(yè)的最具發(fā)展前景的更細致、專業(yè)化更強的分支技術(shù)。是充分考慮CO2的物性特征：CO2易達到臨界溫度和壓力，且在超臨界狀態(tài)下性質(zhì)會產(chǎn)生變化，呈現(xiàn)出密度接近于液體，黏度接近于氣體的一種特性[4]，使得該超臨界狀態(tài)下的CO2擴散系數(shù)大，溶解能力強；二是充分應用CO2與原油之間相互作用關(guān)系：CO2在原油中具有較強的溶解能力，能夠降低原油的密度，降低油水界面張力，改變儲層潤濕性。此外，還考慮CO2在不同的溫度、壓力、滲透率條件下，所處形態(tài)各不相同，且與不同黏度、不同密度的原油的混合程度、溶解程度也會有所差異。對CO2驅(qū)油技術(shù)在上述三方面進行驅(qū)油原理的應用與研究，國外早在20世紀50年代就已經(jīng)開始了相關(guān)研究，目前在國際上已經(jīng)是一項相對成熟的技術(shù)。美國是世界上使用CO2驅(qū)油技術(shù)最多國家，據(jù)統(tǒng)計，2014年美國CO2驅(qū)油項目就已經(jīng)其注氣驅(qū)項目的78.2%[5]。我國CO2驅(qū)油技術(shù)起步相對較晚，目前雖然與國外同類技術(shù)還存在一定差距，但發(fā)展迅速，室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗都已取得一定成果和進展。

目前CO2驅(qū)油技術(shù)也存在一定問題和技術(shù)難點：

①CO2捕集問題。無論是CO2是天然儲藏捕獲還是人工捕獲，我國目前存在CO2起源規(guī)模小，人工捕獲存在捕獲成本高的問題。②CO2注入和埋存問題。由于CO2易溶于水，流動性強，對低滲油藏、致密油藏有有效驅(qū)油作用，但同時也會對非均質(zhì)性強的儲層帶來氣竄問題，會給高含水油田造成井筒或者近井地層結(jié)垢等問題。③在埋存方面，據(jù)統(tǒng)計，用于CO2驅(qū)油技術(shù)的CO2大約有40%用于循環(huán)使用，有60%的被埋存于地下。其中，被循環(huán)使用的CO2會由于驅(qū)油過程中發(fā)生組分變化，隨著原油的采出，發(fā)生組分變化的CO2會被回收、處理，達到回注標準后被再次回注到地層進行循環(huán)使用；但對于埋存的CO2,能否實現(xiàn)永久的埋存，需要對埋存技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)等做進一步的攻關(guān)和研究，確定CO2的封存量、存留時間，確保監(jiān)測的精度以及可靠性、確保無泄露風險等，實現(xiàn)長效埋存。

2.3 CCUS技術(shù)與CO2驅(qū)油技術(shù)的關(guān)聯(lián)

CCUS技術(shù)出發(fā)點是針對環(huán)境氣候問題而提出來的一項可以實現(xiàn)凈零排放的減排和碳移除技術(shù)。其中，CCUS的利用與封存作為該技術(shù)的最重要環(huán)節(jié)和最終階段，主要是通過利用CO2的物理、化學或者生物作用，將 CO2在地質(zhì)領(lǐng)域進行利用，如石油開采時提高采收率，用于天然氣、煤層氣、頁巖氣等開采；將CO2在化工領(lǐng)域進行利用，如重整制備合成氣、合成甲醇、可降解聚合物等。將CO2在生物領(lǐng)域進行應用，諸如轉(zhuǎn)化為食品和飼料、生物肥料、化學品等。對于CO2的地質(zhì)封存可通過化學吸收和物理吸收的方法實現(xiàn)。CO2驅(qū)油技術(shù)是針對油氣行業(yè)提高原油采收率而提出的一種氣驅(qū)技術(shù)，該技術(shù)開始大規(guī)模工業(yè)應用的時間早于CCUS概念提出的時間。CO2驅(qū)油提高原油采收率技術(shù)是目前CCUS技術(shù)最受矚目、最具發(fā)展?jié)撃艿姆较?，可實現(xiàn)利用與封存雙重作用。目前，利用CO2驅(qū)油已經(jīng)取得了一定成果，但在地質(zhì)利用方面依舊相對薄弱，且在埋存方面對于埋存環(huán)境的密閉性要求高，防泄漏以及監(jiān)測技術(shù)尚未成熟，埋存技術(shù)尚需不斷探索和研究。

3 展望與建議

CCUS技術(shù)在未來發(fā)展中將從捕集、利用、封存的各個環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)鏈條化的新業(yè)態(tài)形勢，CO2驅(qū)油技術(shù)因兼顧驅(qū)油提采和封存的雙重作用，在經(jīng)濟和環(huán)境效益方便表現(xiàn)突出，成為CCUS的主要技術(shù)發(fā)展方向，因此，攻克CO2驅(qū)油技術(shù)的瓶頸問題，將會對化石能源增儲上產(chǎn)和綠色發(fā)展、節(jié)能低碳創(chuàng)造巨大價值。

在進行CO2埋存選井過程中，可以選擇CO2驅(qū)油的老井或即將報廢的井，一方面可以提高老井的采收率，驅(qū)出剩余油，另一方面增加對CO2驅(qū)油效果的效果監(jiān)測以及對注入的CO2的留存時間進行監(jiān)測；在老井或者即將報廢井產(chǎn)油價值不高時，轉(zhuǎn)為CCUS技術(shù)作業(yè)的優(yōu)選埋存地層和井位，在之前CO2驅(qū)油作業(yè)的基礎(chǔ)上，將更多的地面注入設(shè)備應用于CCUS技術(shù)的CO2埋存作業(yè)環(huán)節(jié)，一方面節(jié)約了設(shè)備移動的開支和成本，另一方面也對已經(jīng)注入的部分存留的CO2進行了進一步的埋存。