碳中和與中國海洋油氣發(fā)展的內(nèi)在聯(lián)結(jié)性

鐘誠 杜鵬 劉自亮 朱松柏 錢培元

1.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州) 2.香港科技大學(xué) 3.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 4.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·成都理工大學(xué) 5.中國石油塔里木油田分公司克拉油氣開發(fā)部

溫室氣體排放對地球生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,造成全球氣候變化、極端天氣頻發(fā)、海平面上升、生物多樣性大幅下降,進(jìn)而引發(fā)一系列環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會、健康等方面的問題[1-3]。第二十六屆聯(lián)合國氣候變化峰會(COP26)重申《巴黎協(xié)定》目標(biāo),即把全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平以上低于2 ℃之內(nèi),并努力將氣溫升幅限制在工業(yè)化前水平以上1.5 ℃之內(nèi),從而減緩氣候變化帶來的危害[4]。

中國要實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰,碳中和”目標(biāo)(以下簡稱“雙碳”目標(biāo)),充分利用海洋資源是關(guān)鍵。一方面海洋約占地球表面三分之二的面積,其生態(tài)系統(tǒng)的總體積是陸地生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)百倍,多種多樣的海洋生態(tài)系統(tǒng)對于調(diào)節(jié)氣候變化與地球元素循環(huán)起著關(guān)鍵作用[5]。中國擁有遼闊的海洋疆域,豐富的海洋資源帶來了漁業(yè)、服務(wù)業(yè)、生物醫(yī)藥等多種多樣的海洋經(jīng)濟(jì),是中國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱。另一方面,全球約三分之一油氣資源量位于海洋,開發(fā)區(qū)主要集中在波斯灣、巴西的圖皮油田、安哥拉和尼日利亞近海、北海(大西洋)和墨西哥灣[6]。中國海洋油氣資源量占中國油氣資源總量的20%～30%[7],與全球總體分布趨勢基本一致,具有巨大的勘探與開發(fā)潛力,已成為未來能源和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的重大推動力。

中國高度重視海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)與生態(tài)文明建設(shè),在“十四五”規(guī)劃中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋的必要性,提出要進(jìn)一步加強(qiáng)海洋環(huán)境污染防治,保護(hù)海洋生物多樣性,實(shí)現(xiàn)海洋資源的可持續(xù)性開發(fā)和利用[8-9]。近年來,國家部委、廣東省政府、香港特別行政區(qū)等各級行政單位和科研、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)多次組織科考航次,使得中國在海洋生態(tài)、海洋環(huán)境污染、海洋油礦資源等領(lǐng)域的研究皆取得重大突破。由于海洋中復(fù)雜的資源、產(chǎn)業(yè)、生境結(jié)構(gòu),探索海洋跨部門之間更深層次的聯(lián)結(jié)會有利于促進(jìn)海洋資源的可持續(xù)性開發(fā)利用,為推動碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)和海洋油氣資源開發(fā)可持續(xù)發(fā)展道路的探索提供更豐富的理論支撐。

本研究基于海洋基礎(chǔ)研究的角度,率先將海洋生態(tài)系統(tǒng)、海洋碳匯以及海洋油氣勘探與開發(fā)作為整體進(jìn)行探討,并研究作為海洋碳儲庫重要載體的海洋油氣資源與海洋生態(tài)系統(tǒng)之間跨時(shí)空域的復(fù)雜耦合關(guān)系,厘清二者聯(lián)系可為碳中和背景下海洋油氣的勘探開發(fā)科學(xué)決策提供理論依據(jù),對啟發(fā)海洋油氣勘探開發(fā)新型策略、保障中國海洋經(jīng)濟(jì)和海洋環(huán)境的安全及綠色發(fā)展、助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

1 中國海洋油氣開發(fā)現(xiàn)狀及潛力

人類的發(fā)展史與能源演化史密切相關(guān)[10]。中國海洋蘊(yùn)含豐富的油氣資源,尋找海洋優(yōu)質(zhì)油氣和提高資源開發(fā)效率是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)的必由之路。如今,能源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的內(nèi)在矛盾成為人類社會走向可持續(xù)化發(fā)展的瓶頸。其中,解決低碳社會和傳統(tǒng)化石能源產(chǎn)業(yè)之間的潛在矛盾,將石化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化為促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的積極動力,最終實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要挑戰(zhàn)。目前,中國能源行業(yè)從業(yè)人數(shù)接近2 000萬,居全球首位。2021年,中國石化行業(yè)實(shí)現(xiàn)營收14.45萬億元,利潤總額1.16萬億元,均為歷史新高[11]。因此,社會的穩(wěn)定轉(zhuǎn)型涉及建立碳減排和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的良性互動關(guān)系[4]。相較于歐美國家,中國公共政策與石化企業(yè)緊密聯(lián)系的現(xiàn)狀,是碳中和背景下探索石化行業(yè)勘探開發(fā)新模式的契機(jī)和優(yōu)勢。為此,我國科學(xué)家和相關(guān)單位都在積極探索碳中和背景下油氣及其相關(guān)資源的勘探與開發(fā)新模式和新策略[12-16]。

中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的巨大需求推動了油氣勘探與開發(fā)工作戰(zhàn)略和技術(shù)革新,“雙碳”目標(biāo)下的能源轉(zhuǎn)型正加速這一進(jìn)程。燃料能源轉(zhuǎn)型的形式具體為：由氫碳比最低的煤炭,逐漸轉(zhuǎn)型到氫碳比最高的天然氣(在產(chǎn)生相同發(fā)熱量的情況下,天然氣的碳排放量最低),最終再過渡到凈零碳排放的可再生清潔能源如太陽能、風(fēng)能。中國從當(dāng)前碳排放量到實(shí)現(xiàn)國家碳達(dá)峰目標(biāo)的過渡期僅有7年,從碳達(dá)峰到碳中和的時(shí)間僅有30年。這意味著占中國全部溫室氣體排放量73%的能源行業(yè)將在未來10年內(nèi)迅速步入深度低碳轉(zhuǎn)型過程[12]。

以中國石油天然氣集團(tuán)有限公司的新能源總體部署為例,至2035年和2050年,新能源預(yù)計(jì)占比分別為33%和50%。由于受資源、安全、技術(shù)、成本等眾多因素限制,短期內(nèi)非化石能源完全替代化石能源可能難以實(shí)現(xiàn)[12]。而在化石能源端,中國陸地油氣發(fā)展形勢呈現(xiàn)：新增非常規(guī)油氣為主[17-18],開采深度不斷加深[19-21],相應(yīng)開采難度不斷加大[10,22],油氣對外依存度持續(xù)增加(圖1)[23-25]。緊張的國際形勢及貿(mào)易爭端等是油氣進(jìn)口的不穩(wěn)定因素,過度依賴資源進(jìn)口對中國能源安全造成威脅。綜上,在能源轉(zhuǎn)型期尋找優(yōu)質(zhì)油氣資源以構(gòu)建清潔低碳、高效安全的能源體系至關(guān)重要。

整合中國5年內(nèi)石油與天然氣產(chǎn)量變化趨勢分析,原油產(chǎn)量上升較緩,天然氣產(chǎn)量上升明顯;海洋原油與天然氣產(chǎn)量均有增加,相較于總體產(chǎn)量仍處于低位(圖2)[25-26]。然而,2022年中國海洋石油產(chǎn)量達(dá)5 862×104t,同比增長6.9%,增產(chǎn)量占全國石油增產(chǎn)量一半以上;海洋天然氣產(chǎn)量達(dá)216×108m3,同比增長8.6%,約占全國天然氣產(chǎn)量增量的13%[27]。由此可見,海洋油氣生產(chǎn)是中國油氣開采強(qiáng)勁增長點(diǎn),雖尚未成為生產(chǎn)主力,但其發(fā)展?jié)摿χ档弥攸c(diǎn)研究。

海洋油氣資源主要分布在大陸架,約占全球海洋油氣資源的60%。在已探明儲量中,目前淺海儲量仍占主導(dǎo)地位。中國海洋油氣資源擁有巨大潛力,開發(fā)主體趨勢呈現(xiàn)“由北向南,出淺入深”(圖3)。油氣開采作業(yè)區(qū)主要分布于渤海灣(水深10～30 m)、南海西部(水深40～1 500 m)、南海東部(水深100～1 500 m)、東海(水深90 m),多集中在渤海水深小于500 m的淺海水域。近年,渤海,南海西部,南海東部三大油田已被劃入全國十大油田。其中,渤海油田成為中國海上最大的油田,已探明石油儲量超3×108t,并于2021年實(shí)現(xiàn)原油年產(chǎn)量超3 000×104t[28]。不僅如此,中國海洋石油、天然氣剩余探明技術(shù)可采儲量分別占總石油、天然氣剩余技術(shù)可采儲量的34%和52%,并且探明程度較低,未來勘探開發(fā)潛力巨大[29-30]。

挺進(jìn)深海是未來海洋油氣資源發(fā)展的必然趨勢。按照國際石油界的定義,鉆井作業(yè)水深超過500 m的海域?yàn)樯钏蜌馓?水深超過1 500 m則為超深海油氣田。全球海洋油氣資源約30%～50%位于深海區(qū),2011年以來約70%的重大勘探成果來自深海區(qū)[31-33]。目前,海洋石油鉆探和油田開發(fā)的作業(yè)最大水深已經(jīng)超過3 000 m。墨西哥灣、巴西海域和西非海域是三大傳統(tǒng)深水油氣區(qū),東地中海、東非海域也取得了深水油氣的勘探突破。

中國海域天然氣資源54%在深水及超深水區(qū)域,其中多個(gè)海洋盆地有待勘探開發(fā)。近年來,中國海洋油氣可采水深呈持續(xù)增長的趨勢,推動深海油氣田開發(fā)迅速崛起。中國南海海域超過60%的作業(yè)海域水深達(dá)到300 m以上,深海油氣勘探開發(fā)作業(yè)區(qū)包括荔灣深水氣田,陵水深水氣田和流花深水氣田[31]。2012-2021年,我國已自主完成南海的73口深井及超深井的鉆完井作業(yè)[34],并實(shí)現(xiàn)“海洋石油981”“深海一號”等一系列深海鉆井平臺的研發(fā)[35]。同時(shí),得益于深海海床極端的高壓、低溫賦存環(huán)境,中國廣泛的深海海床儲藏大量的氫碳比高、能量密度大的天然氣水合物(可燃冰),其兼具儲層、蓋層,與傳統(tǒng)油氣開發(fā)之間存在共通性[36]。南海神狐海域和荔灣3-1白云凹陷區(qū)成功開展兩次天然氣水合物試采工作,實(shí)現(xiàn)日均產(chǎn)氣量6 800 m3、持續(xù)產(chǎn)氣31天的突破[37]。

2 中國海洋生態(tài)多樣性和藍(lán)碳潛能

海洋藍(lán)碳(又稱海洋碳匯)是指海洋能夠吸收大氣中的CO2,并將其固定、儲存在海洋的過程[38]。它是將海洋生態(tài)系統(tǒng)健康與碳中和相聯(lián)結(jié)的核心概念,認(rèn)識海洋藍(lán)碳的潛能是在面臨海洋能源開采的情景下堅(jiān)持保護(hù)海洋生態(tài)多樣性的基石。因此,廣闊的海洋成為碳增匯的最佳場所。海洋吸收CO2的主要機(jī)制包括溶解度泵、碳酸鹽泵、生物泵及微型生物碳泵。生物泵和微型生物碳泵是指海洋中有機(jī)物的生產(chǎn)、消費(fèi)、傳遞等一系列生物學(xué)過程及由此導(dǎo)致的顆粒有機(jī)碳由海洋表層向深海乃至海底轉(zhuǎn)移的過程,對于海洋固碳與儲碳至關(guān)重要[39-40]。具體而言,中國海域儲存及向大洋傳輸?shù)膬μ剂考s100×1012g/a,相當(dāng)于342×1012g CO2[35]。其中,海岸帶藍(lán)碳的碳匯總量相對較小,紅樹林、鹽沼濕地、海草床有機(jī)碳埋藏通量為0.36×1012g/a,海草床溶解有機(jī)碳輸出通量為0.59×1012g/a[41]。開闊海域碳匯量相對較大,這種龐大的匯碳能力,是未來我國實(shí)現(xiàn)碳中和的主要力量,據(jù)初步估算：中國陸架邊緣海的沉積有機(jī)碳通量為20.49×1012g/a;東海和南海向鄰近大洋輸送的有機(jī)碳通量分別為(15.25～36.70)×1012g/a和43.39×1012g/a[41]。

海洋生態(tài)系統(tǒng)的多樣性支撐巨大的海洋藍(lán)碳潛力。中國濱海濕地面積約為67 000 km2,兼具海草床、紅樹林、濱海沼澤三大藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)。其中,海草床面積約200 km2,廣泛分布在全國沿海海域;紅樹林面積約250 km2,分布于浙江以南海域;濱海沼澤面積約120～340 km2,在全國范圍內(nèi)廣泛分布[42-43]。中國海洋物種數(shù)量從北至南遞增,約占世界海洋生物總數(shù)的10%以上,其中黃海、渤海為1 140種,東海為4 167種,南海為5 613種[43]。在南海等熱帶環(huán)境,廣泛分布有珊瑚礁和大型底棲生物,南海大型底棲生物部分優(yōu)勢種與東海相同,渤海及黃海等海域的軟體動物種類占有絕對優(yōu)勢,多毛類和軟體動物為主要貢獻(xiàn)類群[44-45]。

中國長期面臨著海洋生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞和物種多樣性減少的問題[46]。為此,我國在近海海域建立了一系列的國家級海洋自然保護(hù)區(qū),但深海自然保護(hù)區(qū)尚未建立。保護(hù)和修復(fù)海洋及沿海生物多樣性是現(xiàn)階段全球碳中和背景下的重要發(fā)展目標(biāo)[47]。中國深海海域不僅蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源,同時(shí)還具備三大海洋經(jīng)濟(jì)圈與珊瑚礁、冷泉等典型生態(tài)系統(tǒng),三大經(jīng)濟(jì)圈龐大的市場為海洋油氣開采提供了動力。針對南海海域海馬冷泉典型生態(tài)系統(tǒng)的深入調(diào)查,增進(jìn)了對“三氣合采”理論可行性的認(rèn)識[48],同時(shí)也發(fā)現(xiàn)深海區(qū)域化石能源與生物資源共存現(xiàn)象成為可能制約油氣開采的因素之一[49]。這意味著,我國海洋油氣資源、海洋生態(tài)和相關(guān)海洋經(jīng)濟(jì)三者之間彼此聯(lián)結(jié),這樣的聯(lián)結(jié)性的相互作用可能會影響碳中和進(jìn)程。例如,海洋油氣田的開發(fā)對于海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞性尚待研究,污染發(fā)生后,難以修復(fù)的海洋生態(tài)環(huán)境可能損害海洋原有藍(lán)碳能力,對碳中和進(jìn)程有負(fù)面的影響[48-49]。因此,海洋油氣勘探與開發(fā)方案可以與保護(hù)和修復(fù)海洋及沿海生物多樣性的目標(biāo)有效結(jié)合,減小環(huán)境污染和生態(tài)破壞,鞏固海洋的匯碳能力。

3 海洋油氣-生態(tài)系統(tǒng)的碳反饋閉環(huán)

海洋生態(tài)環(huán)境對于我國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義,然而海洋油氣的勘探與開發(fā)和海洋生態(tài)環(huán)境之間的相互作用關(guān)系至今仍不明晰,其難點(diǎn)在于油氣勘探開發(fā)和生態(tài)反饋所呈現(xiàn)出的時(shí)間尺度上的不一致。本研究以碳收支為核心搭建了海洋油氣資源-生態(tài)系統(tǒng)之間的協(xié)同反饋閉環(huán)體系,以該體系為核心,呈現(xiàn)能源需求與海洋生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展之間的關(guān)系。該循環(huán)的各個(gè)過程最終都會反饋到碳的固定、封存和排放。氣候變化以及能源需求共同推動清潔型油氣資源勘探開發(fā)向低碳?xì)浔?、低碳排放、低耗水模式發(fā)展(圖4),該模式能有效緩解氣候變化,對海洋碳循環(huán)過程形成正反饋。另一方面,隨著油氣勘探開發(fā)力度的加大,(微)生物碳泵不斷衰退,用于生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的投入能量增加,海底埋藏溫室氣體泄漏,對海洋碳循環(huán)過程形成負(fù)反饋。油氣開發(fā)對海底沉積環(huán)境造成擾動所引發(fā)的溫室氣體泄漏主要有兩種途徑：①油氣勘探開發(fā)力度增大對沉積結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的力學(xué)破壞,導(dǎo)致富集在沉積物孔隙中的烴類氣體泄漏;②海底天然氣水合物通常與深部油氣藏共存,油氣開發(fā)不當(dāng)可能導(dǎo)致天然氣水合物分解,釋放的大量甲烷氣體會顯著改變周圍的生態(tài)環(huán)境,例如造成海水酸化、生物群落衰退,同時(shí)加劇海洋深層向表層及大氣的溫室氣體排放,加速全球氣候變暖。在局部范圍內(nèi),油田工作液及工業(yè)、生活廢水的不當(dāng)排放和泄漏也會對當(dāng)?shù)睾Ｋ鷳B(tài)系統(tǒng)造成傷害。海洋油氣-生態(tài)系統(tǒng)的碳反饋閉環(huán)模型可為中國碳中和目標(biāo)以及海洋油氣資源可持續(xù)開發(fā)的路徑部署提供全新的視野。

4 海洋生物地理特征對海洋油氣綠色開采的啟示

海洋獨(dú)特的生物地理特征是海洋油氣-生態(tài)系統(tǒng)的碳反饋閉環(huán)模型框架中的重要影響因素。在空間維度上,海洋空間呈現(xiàn)特異性和連通性。海洋是典型立體系統(tǒng),橫向上劃分為河口、近岸及遠(yuǎn)洋環(huán)境,縱向上劃分為淺海和深海。這樣的立體系統(tǒng)增加了海洋油氣勘探開發(fā)過程中生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估和修復(fù)的復(fù)雜性(圖5)。近岸河口海岸帶連接陸地與海洋,是人類賴以生存、生活的主要區(qū)域,同時(shí)也是碳循環(huán)的活躍區(qū)域。因此,社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)文明和人類健康可能成為評估此區(qū)域海洋油氣開發(fā)的重要因素。遠(yuǎn)洋地區(qū)的深海生境更加脆弱,體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)更加敏感,受損恢復(fù)難度大。同時(shí),從淺海至深海,海洋油氣開發(fā)難度逐漸增大,投入成本增加。深海地區(qū)與鄰國毗鄰,在油氣開發(fā)和環(huán)境修復(fù)方面存在多方協(xié)調(diào)問題,資源開發(fā)及環(huán)境修復(fù)效率較低[50]。重要的是,海洋廣闊生境之間存在不易察覺的連通性,即生態(tài)系統(tǒng)之間通常會通過水文、生物、地質(zhì)和地球化學(xué)過程耦合連通[51]。以深海帽貝(Bathyacmaeanipponica)為例,中國南海冷泉區(qū)與西北太平洋其他熱液區(qū)及冷泉區(qū)的宏生物群體間存在基因流動,表明深海生態(tài)系統(tǒng)存在生物連通性[52]。

海洋的空間特異性和連通性要求在實(shí)際開采活動開始之前,利益相關(guān)方嚴(yán)格制定區(qū)域環(huán)境管理計(jì)劃(regional environmental management plan, REMP),且該計(jì)劃必須建立在堅(jiān)實(shí)的環(huán)境基線之上,具有嚴(yán)格的環(huán)境影響評估、環(huán)境損害的緩解/補(bǔ)償計(jì)劃、關(guān)閉計(jì)劃和海底生態(tài)恢復(fù)過程,并建立長期環(huán)境監(jiān)測計(jì)劃(開采前、開采期間和開采后)。災(zāi)害、事故控制是深入、可持續(xù)開發(fā)利用海洋資源的前提要求,包括對傳統(tǒng)油氣和天然氣水合物的開采。從墨西哥灣的“深水地平線”石油泄漏[53]、“若潮”號在毛里求斯觸礁漏油事故再到蓬萊19-3油田溢油等一系列事故都表明[54-55],油氣開采、運(yùn)輸過程中的事故會對海洋生態(tài)環(huán)境帶來巨大災(zāi)難,造成海洋碳泵嚴(yán)重破壞和產(chǎn)生大量無效碳排(部分碳?xì)浠衔餂]有高效轉(zhuǎn)換成能量供給時(shí)便被分解)。中國南海天然氣水合物儲層類型復(fù)雜,開采難度較大[56-57]。與傳統(tǒng)油氣開發(fā)相比,天然氣水合物開采前需著重考慮如何穩(wěn)定海底沉積物,避免天然氣水合物因海底沉積物失穩(wěn)分解而引發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全和穩(wěn)定問題[58]。降壓法是目前全球應(yīng)用最為廣泛的水合物開采方法[36]。然而,在降壓開采水合物過程中,可能由于儲層及管道中傳熱不足而出現(xiàn)二次水合物或冰生成的現(xiàn)象[59],導(dǎo)致開采及輸運(yùn)管道堵塞,制約開采效率并影響安全性。此外,在天然氣水合物開采過程中,儲層在孔隙壓力和地層應(yīng)力作用下發(fā)生蠕動變形,儲層結(jié)構(gòu)易被破壞[60]。因此,天然氣水合物開發(fā)過程中的地質(zhì)失穩(wěn)條件、氣體運(yùn)移路徑、天然氣水合物富集與分解及區(qū)域/全球生態(tài)系統(tǒng)變化之間的響應(yīng)關(guān)系亟需研究,以構(gòu)建長期的檢測-防治體系[12,61]。

海洋的空間特異性和連通性啟示總體“低碳布局”到局部“綠色調(diào)控”的模式有助于海洋油氣形成安全、低碳、高效開發(fā)的立體體系(圖6)。隨著對中國海域典型生態(tài)區(qū)域的認(rèn)識不斷加深,在制定傳統(tǒng)區(qū)域環(huán)境管理計(jì)劃基礎(chǔ)上,未來擁有評估海洋油氣開發(fā)周期過程中碳源及碳匯之間的轉(zhuǎn)化特征、油氣開發(fā)和生態(tài)系統(tǒng)之間的耦合機(jī)制,以及評估碳的“凈流量”(海洋藍(lán)碳和因油氣開發(fā)產(chǎn)生的碳之間的差值)的可能性,例如,評估海洋專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)主要的生態(tài)系統(tǒng)的含碳量、該系統(tǒng)原本能夠貢獻(xiàn)多少碳的流動,以及油氣開采是否會帶來當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的衰退,從而嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值。

本研究通過整合海上油田工作液使用情況來展示其類型的多樣性(表1),從而對海洋油氣-生態(tài)系統(tǒng)的碳反饋閉環(huán)模型局部范圍內(nèi)油田工作液和廢物污染做具體的闡述。由于其復(fù)雜性和可調(diào)控特點(diǎn),設(shè)計(jì)和優(yōu)化油田工作液(鉆井液、完井液)是局部“綠色調(diào)控方式”的重要切入點(diǎn)。總體而言,液體連續(xù)相(即水基、油基、合成基)的選擇對生態(tài)影響尤為顯著,油基工作液毒性較大,合成基工作液可優(yōu)化空間較大[62]。其他環(huán)境潛在污染物包括工作液中的固體顆粒物、納米材料、重金屬和化學(xué)添加劑[63-66]。天然產(chǎn)物往往具有良好的環(huán)保性能,例如壓裂液中的天然糖類,但是在極端條件下的工作性能(耐溫、耐鹽、耐剪切性能等)往往制約了天然產(chǎn)物的應(yīng)用。此外,以“儲碳”為出發(fā)點(diǎn)的CO2驅(qū)油替換天然氣水合物,或以固態(tài)水合物的形式封存溫室氣體,同時(shí)維持地層穩(wěn)定性等也是綠色調(diào)控方式的研究重點(diǎn)[60],其經(jīng)濟(jì)效益、適用范圍有待進(jìn)一步評估。由于海洋生物地理空間的特異性和連通性,油田工作液的設(shè)計(jì)需要考慮到海洋不同生境物種差異,避免局部影響擴(kuò)大。

表1 海洋油氣開發(fā)工作液分類和適用范圍工作液種類適用海域鉆井液水基硅酸鹽防塌低溫(4 ℃),高壓(18 MPa),淺海(井深1 800 m)[67]甲酸鹽防塌低溫(-5～20 ℃),高壓(18.8 MPa),淺海(井深1 400 m)[68]甲基葡萄糖甙防塌40～100 ℃,淺海(井深2 438 m)[69]聚合物體系深海(井深6 066 m) [70]4 ℃,13～18 MPa,海面下1 300 m[71]合成基合成基體系深海(井深6 066 m和6 037 m)[72]水深1 700 m(井深2 483 m) [73]油基MO-DRILL油基鉆井液深海(斜深6 714 m,垂深4 345 m)[74]完井液無固相UltraFLO南海東部海上油氣田淺層稠油砂巖油藏溫度為80 ℃左右 [75]低固相低滲漏低傷害有機(jī)酸淺海,水深100 m(井深3 500～4 000 m),常壓,130～140 ℃ [76]渤海B油田,油氣藏(垂深為996～1 521 m)[77]壓裂液人工合成聚合物耐高溫高礦化度海水基渤海灣某油田X-11井壓裂施工井段為3 901 m,儲層溫度達(dá)到155 ℃左右[78]天然植物膠多糖可滿足連續(xù)混配的低溫速溶海水基渤海海域L油田儲層(埋深1 500～2 000 m)[78]儲層溫度55～65 ℃ [79]瓜膠壓裂液南海A井,淺海,水深120 m(實(shí)測井深3 013 m,垂深1 252 m)[80]纖維壓裂防砂增產(chǎn)南海淺水域：水深120 m[81]

低碳、環(huán)保的工作液體系具有更高的循環(huán)利用潛力,例如應(yīng)用于相鄰渤海灣陸上工業(yè)活動,以緩解中國華北地區(qū)缺水的問題[66]。此外,海洋油氣還具有可以利用海水作為工作液基底的天然節(jié)水優(yōu)勢。相關(guān)節(jié)水、循環(huán)利用等策略對水質(zhì)檢測和廢物管理提出了更高的要求。

5 可持續(xù)發(fā)展路徑分析

我國油氣開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展路徑的宏觀分析和展望是未來實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)可行性和制定相關(guān)計(jì)劃的理論基礎(chǔ)?；谏钊胝撟C海洋油氣與碳中和的關(guān)聯(lián)性,本研究將海洋油氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀嵌入可持續(xù)發(fā)展框架模型進(jìn)行分析(圖7)[82]。其中,需求回應(yīng)、市場引導(dǎo)、供應(yīng)保障、過程優(yōu)化、監(jiān)管完善、能源轉(zhuǎn)型是可持續(xù)化發(fā)展的6個(gè)主要經(jīng)歷階段,各階段相互影響制約,共同構(gòu)成了一條立體發(fā)展路徑。其中,僅滿足生產(chǎn)需求會阻礙生態(tài)環(huán)境建設(shè),從而背離中國長期發(fā)展規(guī)劃;僅滿足生態(tài)需求會降低能源開發(fā)利用效率,導(dǎo)致能源儲備無法支撐中國經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定發(fā)展的需要和廣大基層民眾的基本生活需求。

在此框架中,海洋油氣開發(fā)的合理性源于海洋豐富的自然資源和復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)結(jié),海洋油氣開發(fā)利用是聯(lián)結(jié)兩者的重要元素。海洋油氣開發(fā)毗鄰中國沿海地區(qū),包括大灣區(qū)、東南沿海到京津冀經(jīng)濟(jì)區(qū),這些地區(qū)人口稠密,經(jīng)濟(jì)、科技發(fā)達(dá),生產(chǎn)活躍,海洋油氣有巨大的市場需求,并有望與其他海洋產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展,支持形成環(huán)渤海、長三角、珠三角等產(chǎn)業(yè)集群。中國海洋油氣正處于承上啟下的階段(圖7)[82],正在實(shí)現(xiàn)面對巨大市場需求下的供應(yīng)保障,即建立基礎(chǔ)設(shè)施和供應(yīng)鏈等措施。未來,海洋油氣面臨勘探開發(fā)過程的系統(tǒng)優(yōu)化,優(yōu)化舉措可能體現(xiàn)在提高油氣開發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行效率(降低碳排)、降低油氣開發(fā)對生態(tài)環(huán)境影響等。建立和完善相關(guān)監(jiān)管制度可以穩(wěn)固優(yōu)化結(jié)果,例如合理劃分開發(fā)區(qū)域,油氣開發(fā)前、中、后期的區(qū)域環(huán)境評估和工藝技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定。能源轉(zhuǎn)型的形式反映在油氣部門通過自身收益和國家調(diào)整能源政策以及資金流動逐步實(shí)現(xiàn)對新能源的投資[83]。

分析指出,海洋油氣發(fā)展可以融入可持續(xù)性發(fā)展路徑,但最佳路徑仍需不斷探索和優(yōu)化。

6 結(jié)語

中國海疆廣闊,擁有巨大的常規(guī)油氣開發(fā)潛力及龐大的非常規(guī)能源儲備,海洋生態(tài)系統(tǒng)及海洋生物多樣性是抵御氣候變化,實(shí)現(xiàn)海洋碳匯的有力工具。藍(lán)碳的概念已經(jīng)將海洋生態(tài)健康與碳中和目標(biāo)緊密連接起來。然而,油氣和海洋領(lǐng)域之間的聯(lián)結(jié)性還未得到足夠的重視。研究表明,海洋油氣資源是影響中國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要因素,大規(guī)模海洋油氣開采可能造成海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降,從而影響海洋整體藍(lán)碳能力,進(jìn)而降低海洋固碳潛力,相反,高效的海洋油氣開發(fā)不僅可以保障我國的能源安全,也可以促進(jìn)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),因此,海洋油氣開采與海洋生態(tài)環(huán)境具有深刻的內(nèi)在聯(lián)結(jié),是我國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要因素。

本研究強(qiáng)調(diào)了海洋具有空間特異性與整體連通性,其生態(tài)系統(tǒng)敏感而復(fù)雜,獨(dú)特的海洋生物地理特征是油氣開發(fā)過程生態(tài)環(huán)境評估中的重要環(huán)節(jié)。在從傳統(tǒng)油氣能源向新型可再生能源轉(zhuǎn)型的特殊時(shí)期,建議建立完善一套開發(fā)與保護(hù)雙向同行的海洋油氣可持續(xù)開發(fā)體系,堅(jiān)持重視區(qū)域生態(tài)價(jià)值評估,開發(fā)綠色低碳油氣開采材料,建立相關(guān)監(jiān)督模式以進(jìn)行多層次、多體系的全局管理,在尋求海洋重要資源開采的同時(shí),兼顧開發(fā)區(qū)的生態(tài)環(huán)境價(jià)值;同時(shí),石油與海洋跨部門之間應(yīng)增強(qiáng)研究合作和交流,共同為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)及探索中國油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路提供科學(xué)理論支撐,實(shí)現(xiàn)安全、低碳、高效開發(fā)利用海洋資源的目標(biāo),以藍(lán)色海洋產(chǎn)業(yè)作為強(qiáng)大的推動力,實(shí)現(xiàn)中國“雙碳”目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展,推動構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。

致謝

感謝自然資源部第一海洋研究所船舶管理中心,“向陽紅01”船和“開拓者”號ROV的支持。