美國CO2驅油補充項目的潛力分析

編譯:張蕾 (大慶油田勘探開發研究院)

審校:何先華 (大慶油田勘探開發研究院)

美國CO2驅油補充項目的潛力分析

編譯:張蕾 (大慶油田勘探開發研究院)

審校:何先華 (大慶油田勘探開發研究院)

由于原油價格持續走高、美國常規原油產量持續下降和對溫室氣體排放的關注,人們對CO2EOR技術重新產生了興趣。該技術面臨的挑戰在于是否可以獲得足夠量的CO2,基礎設施能否滿足要求,以及CO2的成本是不是足夠低。對1673個潛在CO2EOR的候選油藏進行了分析。為了確定CO2的可利用性,圖示了EOR候選油藏沿線的天然和工業CO2資源。工業CO2運輸到生產現場其成本包括收集成本和管線運輸費,由此可以確定EOR項目的經濟性和開發情況。分析表明,如果通過大規模地收集和購買工業源CO2增加CO2的供應量,并且油價在＄45～60/bbl之間,可以實現CO2EOR日增油1.2×106bbl和日埋存CO2300 ×106t。

CO2EOR CO2埋存 CO2來源 潛力分析

1 前言

美國原油產量的持續下降和對氣候改變的日益關注這兩種趨向交匯到一起,為石油工業的發展提供了良好的契機。

美國常規原油產量持續下降的同時,對原油和原油精煉成品的需求卻在上升。根據美國能源信息署 (EIA)的數據,到2030年美國需求量將超過27×106bbl/d(1 bbl/d=0.159 m3/d),而屆時美國的產量僅在10×106bbl/d以下 (圖1),不足的數量需要通過進口來彌補。

包括CO2在內的溫室氣體的排放使氣候發生了變化的觀點越來越被大家認可。在過去的幾十年內,美國一直是CO2的主要排放國。根據EIA的報告,美國在2006年排放的CO2超過100×1012ft3(1 ft3=28.317 dm3)。從圖2可以看出,這一數字與1990年的排放量相比增加了20%以上。為此,科學家和政治家們提出了多個建議,其中就包括用以控制CO2排放和進行地下埋存的“cap and trade”計劃。

已經出現的一個減排契機就是廣泛應用CO2EOR技術。如果工業來源的CO2能夠用于 EOR,就會在減少這種溫室氣體排放量的同時有效增加原油產量和儲量。

圖1 美國原油消耗和需求預測 (美國能源部 EIA“2006年度能源展望”)

主要有4個因素能夠影響到CO2EOR的實施:目標油藏、技術、CO2的供應量和經濟性。為了確定可以實現的潛在產量和效益,對這4個因素逐一進行了評估。本文還詳述了計算天然來源和工業來源CO2的成本和用量的方法。最后,討論了經濟性問題和潛在產量以及其他能夠得到的效益。

2 目標油藏

在美國48個州中有1673個陸上油藏是CO2混相驅的候選油藏。這些油藏是通過下述標準篩選出來的:

◇API重度大于22

◇儲層壓力高于最小混相壓力

◇深度超過2 500 ft(1 ft=30.48 cm)

◇原油黏度小于10 mPa·s

◇目前含油飽和度大于20%PV

◇砂巖或者碳酸鹽巖儲層

這些油藏的位置見圖2。利用根據CO2PM3預測模型開發的一個模擬軟件計算出了每個油藏的技術產量。假定產量為1.0烴類占據的孔隙體積,經過40年后,這些油藏的總技術產量將達到186× 108bbl。

圖2 美國CO2EOR候選油田

3 技術

近30年來的應用已經證明,CO2EOR技術的商業性應用在經濟上是可行的。截至2006年,美國有80個 CO2EOR項目,項目貢獻的產量是23.4×104bbl/d。這些項目中有10項始于2004—2006年間。從圖3可以看出美國以往開展的CO2項目數量和產量的增長。2006年在產的項目中,有56個位于二疊系盆地。這其中的部分原因在于該地區存在許多候選油藏,另外的原因在于這里的天然CO2資源能夠為EOR項目提供穩定的CO2供應。

圖3 美國國內CO2混相驅項目和產量

4 CO2的來源

美國存在兩種類型的CO2:天然CO2和工業CO2。對這兩種類型CO2的可用性和井口成本進行了研究。

4.1 天然CO2資源

在美國,二疊系盆地、科羅拉多和密西西比的天然CO2資源以及俄克拉荷馬的一個氨廠每天的CO2產量約為30×108ft3。78%可使用的CO2提供給了二疊系盆地,其余的用于路易斯安那州的墨西哥灣岸區、科羅拉多州和懷俄明州。北達科他州大平原煤氣化廠產出的CO2被賣到了加拿大的韋本油田,這里的分析沒有包括這一部分。表1給出了CO2資源、輸送管線、輸送方向和主管線的日輸送能力。

表1 主要的CO2輸送管線

利用INTEK推導出的成本公式確定天然CO2的井口成本,該成本公式綜合考慮了油價和儲層位置這兩方面的因素。它考慮了高油價期需求增長帶來的CO2價格的改變和現有管線延伸不到的地區CO2的附加運輸成本。

表2所列是不同油價時二疊系盆地天然CO2成本價格的變化。由于這里的CO2是天然來源,所以收集成本很低。表中的成本主要反映了運輸費用的影響。

4.2 工業來源CO2

第二種類型的CO2是工業來源CO2。目前有少數幾個廠能夠為EOR提供CO2,包括得克薩斯的一個氣廠和俄克拉荷馬的一個化肥廠,這些被列到了天然來源類型中。本文研究了現有的其他工業來源,以此確定能夠為美國EOR項目提供CO2的數量。

表2 二疊系盆地天然CO2的價格

分析中用到的排放數據主要來自聯邦碳埋存數據庫和地理信息系統 (NATCARB)。NATCARB是一個由聯邦能源技術中心 (NETL)資助的統一數據庫,由堪薩斯地質調查局維護,它包括幾個關于碳源和碳聚集的地區數據庫。數據庫中提供的數據涉及到設備、乙醇、氣體處理、混凝土、鋼材、煉油廠、氨和其他工業資源。

NATCARB數據庫能夠提供 56.5×1012ft3CO2工業排放的數據。數據來源包括化石燃料廠、煉油廠、水泥廠、氫工廠、氨廠和乙醇廠。這些CO2資源最初是按照它們接近候選 EOR油田這一點來篩選的。按照排放量,對化石燃料發電廠做了進一步篩選。

化石燃料廠和煉油廠排放的CO2幾乎占CO2總排放量的90%。但是,乙醇廠排放的CO2有望在不久的將來呈現穩步的增長。乙醇廠的地點和排放數據來自美國可再生燃料協會。根據表3可以看出,從這些工業CO2源能夠獲得高達25×1012ft3/a的工業CO2。

表3 從工業CO2源獲得的CO2數量

4.3 確定工業CO2的井口成本

工業CO2的井口成本主要由兩部分構成:收集成本和輸送成本。假定輸送成本是管線運輸費,計算步驟如下:①將工業CO2源的位置圖與候選油田疊加,確定地理區域;②對每一種類型的工業CO2源計算出它們與油田之間的平均距離;③使用INTEK公司研發的管線運輸費模型計算出所需的每種CO2資源的最低運費。計算中,運費按照平均158 mile(1 mile=1.609 km)的距離計算。

每個地理區域和CO2來源之間都使用了這種計算方法。每一區域的距離范圍和相應的管線輸送費用見表4。與二疊紀盆地對應的西南地區,計算中使用的是現有CO2輸送管線。

關于CO2收集成本的數據主要來自全球能源技術戰略規劃報告,追加成本數據來自政府間氣候變化專門委員會的最新報告和其他一些報告以及公共數據。從表5可以看出,收集成本因技術而異,而且對不同的來源廠家類型,成本差異也很大。

表4 管線距離和使用費

表5 不同來源CO2的收集成本

4.4 可獲得CO2的總量

市場能夠提供高達26×1012ft3的天然CO2和工業CO2,其中的90%來自化石燃料廠和煉油廠。因此,東部岸區可獲CO2的規模為14×1012ft3/a (圖4)。墨西哥灣岸區坐擁美國大部分煉油廠,每年生產CO2約5.5×1012ft3。西南地區獲得的1× 1012ft3/a的CO2主要來自天然CO2資源和二疊紀盆地的煉油廠。其他比較重要的CO2來源包括3× 1012ft3來自落基山脈和1.2×1012ft3來自北部大平原。

圖4 各區CO2獲得量和價格

圖4中的總成本可以低至＄0.92/106ft3(源自氨廠和氫工廠),也會高達＄3.22/106ft3(來自化石燃料廠)。乙醇廠CO2的成本最低,為＄0.99/ 106ft3,而且乙醇廠的CO2排放量在不久的將來有望穩步增長。不同類型的工廠生產的CO2其井口成本變化較大,借助于技術的進步,新建廠的CO2收集成本將會持續大幅下降。

技術和市場因素的限制使得美國不能立刻獲得上述總量的CO2。CO2市場的發展分為三個階段:①技術研發;②基礎設施建設;③上市能力。收集技術屬于研發階段,在這一階段不能獲得CO2。在基礎設施建設階段,將會出現收集設施、管線和壓縮機,但還是沒有CO2可用。在上市階段,收集技術廣泛采用,CO2首次可以使用。當大部分相關企業采用了收集技術后,將獲得最高數量的CO2。這里提供了一個可獲得CO2數量的上限。基于上述假設,相關來源的CO2,如來自氨廠、氫工廠和乙醇廠的CO2,在14年后可用,來自煉油廠和化石燃料廠的CO2在21年后可用。圖6給出了氨廠每年提供可用CO2的數量。對每一種工業來源CO2和天然CO2都給出了類似的可用數量曲線。

圖5 每年從氨廠得到的CO2

5 經濟性

對每一個項目進行了經濟評價,不管是天然CO2資源還是工業CO2資源,經濟評價過程中使用的都是一個詳細的現金流動模型,評價中的油價設定為＄45～60。對那些經濟上可行的項目隨后按地區進行了評價,確定是否能夠獲得足夠量的CO2。首先考慮最經濟的CO2資源。對項目運行期間只有單一CO2供應源的項目總合到地區或者國家級別以確定CO2EOR項目的效益情況。

6 補充CO2驅油項目的效益

圖6是美國補充CO2驅油項目的原油產量和CO2埋存能力曲線圖。到2030年,將實現日增油1.2×106bbl、每日埋存CO2近50×108ft3。埋存的CO2不同于注入和產出的CO2。CO2曲線圖中雙峰形狀的形成,原因在于從2021年開始來自煉油廠和電廠的CO2可用于補充項目。圖7顯示的是產量和CO2埋存量的區域性變化。從圖中可以看出,大部分原油將產自西南部。但是附加產量來自其他地區,中部大陸、北部大平原和西部岸區的產量將接近25×104bbl/d。

圖6 美國陸上補充CO2驅油項目Lower 48原油產量和CO2埋存量

圖7 各區原油產量和CO2埋存量

7 結論

當前美國有80個正在開展的CO2混相驅油項目,這些項目的原油日產量約為23.4×104bbl。美國CO2EOR的總產量有望達到190×108bbl。許多項目的實施得益于當前的高油價,CO2驅油項目在經濟上是可行的,只是受限于CO2的供應量。將工業CO2大規模用于EOR會使CO2的供應量從現在的30×108ft3/d(來自天然CO2資源)增加到近700×108ft3/d(來自天然CO2資源和工業CO2資源)。如此一來,將不僅僅是在二疊系盆地使用CO2,美國各個部分的油田都有CO2可用。如果有穩定的CO2來源,而且CO2的價格在＄1～3/106ft3之間,將有200個以上的CO2EOR項目可以實施,相應的增油產量將達1.2×106bbl/d。同時,這些項目還將埋存近50×108ft3/d的CO2。25年后,原油產量將超過55×108bbl,CO2埋存量接近30×1012ft3。

8 局限性分析

本文的分析存在局限性,主要表現在:

(1)是否獲得工業源CO2將受到各行業是否自愿參與其中的影響。各廠家是否收集CO2并使CO2能夠用于EOR將會影響各區CO2的用量和潛在的產量。

(2)這里的分析基于一個假設,就是在3～6年內CO2收集技術將獲得成功并且能夠實施。如果收集技術能夠成功使用,但必需的基礎設施沒有同步跟上或者CO2的價格超過預測范圍,計劃中的原油產量和CO2埋存量將受限。

(3)這里的分析沒有考慮到CO2EOR和其他EOR技術的競爭性。如果優先使用的是其他EOR技術,產量將達不到分析的數字。

(4)分析中假設油氣孔隙體積是1.0。如果CO2總注入量超過或者低于這一數值,技術采收率和原油產量將受到影響。

如果限制條件成立,上述限制條件將使本文的分析失效,這僅僅是對CO2EOR潛力的估測。

資料來源于美國《SPE 113975》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.003

2009-05-04)