油田開發后期強化采油封存CO2

編譯:賈新剛 (西安石油大學化學化工學院)

審校:燕永利 (西安石油大學化學化工學院)

油田開發后期強化采油封存CO2

編譯:賈新剛 (西安石油大學化學化工學院)

審校:燕永利 (西安石油大學化學化工學院)

為減緩溫室氣體效應,CO2封存是當前研究的熱點之一。強化采油技術的發展給CO2封存帶來了新的機遇。本文通過實例分析,提出了一個用于量化CO2封存/EOR聯合實施的技術經濟模型。該模型考慮了封存過程中的能量需求和固有的CO2排放量。運用該模型量化了CO2封存/EOR聯合實施的經濟和社會環境效益。最后,得出了油田開發后期強化采油封存大量CO2的經濟技術可行性結論。

CO2封存 強化采油 動態系統分析 經濟分析

1 引言

CO2封存的定義為移除排放到大氣中的CO2和隨后將其封存在一個安全合理的地方。CO2封存的特征可以從兩個方面來描述:直接和間接封存。直接封存是在氣體生成源地的CO2排放到大氣之前,被捕獲并將其封存在地質層或海洋環境中長達數百年至數千年。間接封存是CO2氣體在排入到大氣之后,通過植物吸收和固定在土壤或海洋中。

本文考慮通過強化采油實施CO2的直接封存,這種工藝分為以下幾個步驟:捕獲、壓縮、運輸和封存或再利用。這一工藝的主要優勢就是能夠推廣而能量供應不會發生大的變化。

有幾種方法來分離和捕獲人為來源的CO2,廣為人知的有吸收、吸附、薄膜分離和低溫。這些方法的闡釋不屬于本文討論的范圍,但關于這些方法的一些認識可以從政府間氣候變化專門委員會(IPCC,Intergovernment Panel on Climate Change)特別報告和Salaki文獻獲得。

對于不同CO2儲存方式的研究包括以下選擇方案:深鹽沼池構造、油氣田、煤田、海洋和森林。

世界上有許多天然CO2氣藏,其中一些存在了幾百年乃至數千年。這種氣藏非常類似于天然氣藏。天然CO2氣藏的存在表明在適宜的環境下,在地質生成時期CO2能保留在某種地質結構類型中。另外,許多含一定數量的CO2混有烴類氣體的天然油氣藏證實了這種氣藏遏制的完整性。其他諸如森林和海洋封存的方法所表現出來的弊端是相對較短時間的封存和不太現實的成本。

在這些封存方法中,通過在油藏中強化采油的方法處置CO2是限制溫室氣體排入大氣中的幾種方法之一。而且,這種方法可使作為能源的化石燃料以更持續的方式加以利用,在當前高油價下,更有吸引力。由于低成本、技術上可行或來自于額外采油的收入,最好封存方法的選擇似乎是應用于油藏強化采油。全球可用油藏封存CO2的能力估計大約在733×108～2 388×108t。

這項工作的主要動力是減少CO2排放的必要性與CO2氣驅提高老油田原油產量的可能性二者的結合。CO2封存又與社會密切相關,因為它幫助減小溫室效應和改善環境質量。另一相關因素是開采殘余油的可能性,通過這種方式延長油田的生命周期,擴大地方社區的社會效益。在油田開發后期實施這一項目的一些地區可能會使經濟和社會雙受益,如位于巴西東北部的Bahian Reconcavo。

本文旨在提供一種用于評估提高原油采收率項目中CO2封存的技術經濟可行性的方法。通過一個有代表性的巴西老油田實例,用動態系統方法分析CO2封存的經濟可行性,重點放在質量能量守恒和熵衡。

2 CO2提高采收率技術

強化采油是指開采常規采油之外額外石油的一種方法。通過流體注入或其他方法來提高采收率。有幾種強化采油方法:化學法、熱力法和基于氣體注入的方法。本文重點是通過易混相氣體注入提高采收率。

用CO2作為一種注入溶劑來改善原油流動性提高采收率已實施了40多年,但直到近來才顯示出其作為一種封存方法的潛力。

在超臨界狀態下CO2通過強化采油從老油田提取更多的原油。在一次采油和二次采油之后,它驅逐出油藏中的殘余油。這種方式能開采6%～15%的原油儲量,原油總產量提高10%～30%。

CO2驅油的主要機理與CO2同原油形成混合物后界面相的行為有關,包括CO2在原油中高的溶解度,降低原油黏度和密度,提取原油中間組分,降低CO2/水/原油相互之間的界面張力,改善油層的滲透率,控制生產井附近的壓力。

CO2通過數個注入井注入到油層中。盡管注入CO2經常同混相驅工藝聯系,但在一般的油藏壓力和溫度下,純的 CO2氣體同石油不能形成混相。

在流動的過程中,石油和注入氣體重復接觸,通過組分的轉移而形成混相,這種過程稱為多次接觸或動態混相。根據 Klara和Byrer的研究結果,在大于等于最小混相壓力下注入的CO2同石油混合形成一種容易流向生產井的流體。

用CO2強化采油的優勢是形成動態混相所需要的壓力要小于天然氣、廢氣或者氮氣等。通常情況下,注入氣體的純度為97%～99%,雜質由氮氣、甲烷和氫氣等組成。根據經濟地質局的研究,用于CO2強化采油的候選油藏是那些進入水驅晚期階段的油藏。在這一生產階段,大部分的原油已經開采并且大量的殘余油不通過強化采油是無法開采的。

3 方法:系統動態分析和經濟分析

Forrester是動態系統方法和系統行為分析方面的先驅者之一。“動態”這一術語是指隨時間變化的系統環境,可以理解成因響應輸入變量的變化而引起的系統狀態變化。

生命周期評價在1970年形成于美國,是作為一種系統方法評估資源和能源的使用及相關的空氣、水和土壤的負荷影響。

在CO2生命周期分析中,可以量化消耗的物質和能量、封存/強化采油生命周期中相關消耗能量的排放量和對減小溫室效應的貢獻。CO2封存強化采油生命周期分析可用系統動態方法來模擬。

本文提議的方法量化了過程變量、能量需求、CO2排放量和從氣體捕獲到存儲、方法技術經濟評價整個過程中有關的費用和收入。所用方法結構如圖1所示。系統動態模擬使用STELLA軟件運行。

建立CO2封存模型以理解生命周期過程。應當強調的是采用這種模型目的不是替代傳統的強化采油模擬裝置,而是通過少量可獲得的信息評價方法的擴展性與適用性。經濟分析使用傳統的貼現現金流。

圖1 方法流程圖——系統動態分析和經濟分析

3.1 能量需求

氣體壓縮、運輸和強化采油所需的能量通過質量能量守恒和熵衡進行估算。假設源CO2氣體幾乎是純凈的,捕獲階段不需要大量的能量來凈化。因此,不計捕獲階段所需要的能量。

3.1.1 壓縮

在氣體壓縮過程中,要考慮壓縮機CO2進出口的壓力。除了熱力學方面諸如恒壓、絕熱和可逆過程的知識,是否有級間冷卻系統、壓縮效率等,多級壓縮過程中必須要考慮到壓縮機的級數。不計體系的動能和勢能,借助于CO2的壓焓圖,評價體系做的功,不僅僅要知道“壓縮機中CO2”體系中質量守恒和應用熱力學第一和第二定律,上述所有的這些信息都是必要的。

要考慮壓縮氣體至超臨界狀態便于輸送到油田所需要的能量。由于壓力發生很大變化,假設CO2經恒壓、絕熱和可逆過程三級壓縮,壓力從275.79 kPa到8.96 MPa。

壓縮機要做最小的功,壓縮每一級必須有相同的壓縮程度。由公式 (1)計算出最佳壓縮比:

式中,n為壓縮級數;Pn為出口壓力;P0為進口壓力;Pi/Pi-1為壓縮比。

在多級壓縮中,每一級的出口壓力等于下一級的進口壓力。

應用熱力學第一和第二定律,根據“壓縮機中CO2”體系質量能量守恒和熵衡,不計體系的動能和勢能變化,可以得到下述的簡化形式:

質量守恒:

能量守恒:

熵衡:為流體黏度。

如果 Re<2100,為層流;反之,如果 Re>2100,為湍流。

由公式 (10)計算得出管道中的壓降。

式中,ΔP為壓降;f為范寧摩擦系數 (無量鋼量);L為管道長度。

最后,運輸所需要做的功根據伯努力公式(11)計算得出。

泵的效率假定為60%。

3.1.3 強化采油

從一些文獻數據中量化強化采油過程中需要的能量,包括原油開采、油氣分離、突進、壓縮注入和再注入、產品泵運至市場、污水處理和重新注入等。據EPRI文獻,CO2強化采油每天每桶原油大約消耗能量所做的功為13.42×106J。

3.2 CO2排放

由于造成溫室氣體效應的化石燃料用來發電,除了發電消耗的燃料,工藝過程中CO2排放的數量需要考慮可能發生的CO2泄漏。因此,在強化采油項目中,有可能計算直接和間接的排放量。

3.3 CO2儲存

注入油藏的CO2僅一部分被有效儲存。考慮到項目實施年限,CO2儲存量能通過存儲系數輕易計算得到。部分沒有儲存的CO2隨原油一起采出又重新注入油藏。

不僅CO2排放和儲存量可以量化,考慮到項目中CO2的利用量,且避免其排入大氣中,還可以估算出其對環境的貢獻。

3.4 強化采油實施CO2封存的經濟性

介紹的經濟分析用于評價在強化采油實施中封存CO2的可行性。用 Gaspar等人所描述的方法進行分析。考慮到通過強化采油獲得的額外原油帶來的收益和CO2封存可能來自CO2信用額的收入、投資成本、資本開支、運行開支,以及巴西財政制度的稅收,得到一個現金流。通過簡化關系式(12)估計每年項目凈現金流。凈現值來自于現金流。靈敏度分析研究用來確定最重要的變量。

式中,NCF為凈現金流;R為總收入;CCO2為CO2信用額;Roy為所支付的總稅額;S T為社會稅;OPEX為運行開支;IW為投資費用;D為總折舊;

基于此以評價壓縮情況,通過CO2壓焓圖得到從進口到出口氣體的比焓變化情況。

冷卻和脫水階段中所做的功也要計算在內。氣體中水的絕大部分在壓縮的第一階段就被除去。另外,多級壓縮過程中每兩級中間要用到熱交換器冷卻CO2至起始溫度。這種情況下接近等溫過程,即每一級中的CO2氣體入口溫度是相同的。值得注意的是在等溫過程中所需要的功要少于絕熱過程,因此,在壓縮過程中,冷卻是非常有用的。假定在冷卻階段沒有壓強降,冷卻后,CO2的溫度大約為50℃。假定壓縮機的效率是85%,能計算出CO2壓縮至8.96 MPa所需要的能量。

3.1.2 運輸

在運輸過程中,為計算諸如密度和黏度等熱力學性質,有關管道直徑、CO2源到油田的距離、流體的流速、溫度和壓力、泵的效率等信息是必要的。根據這些信息,流體的流速由公式 (8)計算得出。

式中,ν為流速;Q為質量流量;A為管道橫截面積;ρ為CO2密度。

例如,在一定的溫度和壓力下,每天用直徑6 in(1 in=25.4 mm)的管道運輸具有超臨界密度下的CO2200 t,流速可以由公式 (8)計算得出。

由公式 (9)計算雷諾數,確定管道中的流體是層流或湍流。

式中,Re為雷諾數 (無量綱量);d為管道直徑;T為公司稅率。

CA PEX為總投資 (不包括投資費用),在10年內呈線性折舊。

4 實例研究

量化CO2封存/EOR的方法應用于位于巴西東北部Reconcavo流域一個CO2注入采油的老油田。CO2注入量為每天200 t,時間為20年。該項目的技術經濟數據和財務狀況見表1。

表1 技術經濟數據和財務狀況

5 模擬結果和討論

用系統動態方法和經濟分析方法計算CO2封存/強化采油。要強調的是該方法不能替代石油工程傳統的油藏模擬方法。

5.1 技術模型

介紹的系統由七個部分組成,分別為:①CO2供應部分;②石油生產部分;③能源消耗部分;④封存/強化采油引起的排放部分;⑤泄漏部分;⑥儲存部分;⑦最終產品排放部分。CO2供應部分的數量-流向結構見圖2。

圖2 CO2供應數量和流向

CO2排放量的計算應該基于所用化石燃料的類型和數量。CO2排放量由每一步消耗的能源和所消耗的化石燃料CO2含量的乘積組成。

原油中CO2含量約為75 t/TJ。1 bbl原油的能源含量是5.95 GJ。開采每桶原油CO2的排放系數約為0.436 t。假定原油精制產品與原油含有相同的能源含量,可以計算出最終原油產品使用而導致的CO2排放量。

根據公式 (13),可變CO2余額是CO2流入流出的結果。

式中 CO2B(t)——t時刻的CO2余額;

CO2B(t-dt)——微小時間段內的 CO2余額;

CO2epu——最終石油產品使用排放的CO2;

CO2eEOR——強化采油過程中排放的CO2;

CO2v——泄漏的 CO2;

CO2s——油藏儲存的 CO2。

表2總結了CO2/EOR項目周期內相關變量隨時間變化的結果。模型模擬顯示 EOR對減少幾個耗能工業排放的溫室氣體做出的貢獻。原本排入大氣中CO2再利用和以超臨界狀態注入油藏有助于減少大約37%CO2余額。這一數額包括所有項目固有的排放量、儲存在油藏中CO2量、原油衍生產品使用過程中的排放量,以及考慮如果模擬項目不利用而排入大氣中約146×104t的CO2。表2顯示了當0.733×106t CO2儲存在油藏中時,采油量為3.650×106bbl。整個項目周期內大約要消耗1.159 PJ的電能和11.6 TJ的熱能。

關于 CO2儲存,每桶原油的凈存儲量用STELLA軟件進行分析。

注入量取決于油藏的特性。假定生產1 bbl原油需要注入0.4 t CO2,基于這一數量,有0.2 t CO2留在油藏中,其余隨原油一同采出。由于開采過程中消耗能量而排放的CO2(大約每桶原油排放0.02 t CO2),開采每桶原油 CO2凈存儲量約為0.18。

模型中使用了敏感度分析。由于輸入數據有變動,因此對變動引起的影響也進行了檢測。當儲存系數發生變化時,圖3表明了CO2余額組成部分的敏感度分析。如同預期那樣,儲存系數越大,CO2余額越小。也就是說,更多的CO2儲存在油藏中,更少的排入到大氣中。當儲存系數為0.495和0.99時,大氣中CO2量分別減少了36%和86%。相反,如果CO2沒有存儲,將增加14%。

觀察燃料對可變CO2余額的影響。燃油作為發電的燃料而不是使用天然氣,假定燃油作為能源,用相同的方法。CO2余額為儲存系數函數的敏感度分析表明,儲存系數分別為0.495和0.990時,CO2余額相應減少30%和80%;儲存系數為0.000時,有19%的增量。CO2余額為回收率函數的敏感度分析表明,回收越多的CO2,排入大氣中的CO2量就越少。當回收率為10%時,CO2余額是1.57×106t;而回收率為54.5%和99%時,相應 CO2余額是1.24×106t和0.925×106t。

圖3 不同儲存系數的CO2余額的敏感度分析

表2 CO2封存/EOR各變量隨時間變化關系

5.2 經濟分析

主要由于高的投資,最大的金融風險發生在項目的初期。不過,第六年可獲得回報。同油田開發項目周期相比,可以認為相對較早。對一個20年壽命、總產量為3.65×106bbl的油田而言,稅前凈現流是＄13.95×106(＄3.82/bbl),包括 CO2信用額度為＄16.67×106(＄4.57/bbl)。考慮到政府提取,凈現流 (除去所有稅收)為＄6.98×106(＄1.91/bbl)。應當強調指出,如果CO2信用額度不打折,有效凈現流將有＄860 000的盈余。凈現流重要性的對比分析如圖4所示。

圖4 凈現值情況

由于未來的不確定性,凈現流是未來現金流在靜態預測下的一個結果。可以認為凈現流是一個隨機變量,因此,均值上置信度不是絕對的。通過敏感度分析評估關鍵參數的不確定性,如原油價格、CO2信用額市場、原油產量、成本開支和運行開支等。考慮到 CO2封存/EOR項目經濟最優化,得到每一個輸入變量用于評估項目。

凈現流敏感度分析所選變量服從原始輸入數據50%的波動范圍。敏感度分析與原油價格、原油產量、壓縮、運輸和存儲過程的成本開支及運行開支、購買CO2費用以及CO2信用額度有關。原油價格和產量及成本開支的不確定性在整個CO2封存/EOR項目中發揮著重要作用。然而,實例中,因為所取值有限的變化范圍,CO2購買費用、CO2信用額度和壓縮、運輸及儲存過程運營成本被分離出來并服從于另一個敏感度分析。

結果表明,可變CO2購買費用和CO2信用額度有著重要的作用,這些值的增加會導致凈現流的增加。在這種情況下,凈現流對變量的敏感度舉例說明如下:原油價格升高＄1.00,凈現流增加＄1×106。同時,成本開支減少＄1×106,約增加＄860 000。CO2信用額度增加＄1,約增加＄187 000。

此外,風險分析模擬了不確定變量的情況。風險分析中輸入變量有原油價格、CO2注入量、存儲率以及壓縮、運輸和儲存過程中運行費用。上述提及的輸入變量變化范圍服從概率分布。例如,原油價格和折扣率不確定性模仿用對數分布,而儲存率用正態分布。反過來,三角分布用于下列參數:儲存率、CO2購買費用和壓縮、運輸及存儲的運營成本。

模擬結果表明頻率分布如圖5所示。可以看出,凈現值有較大的波動,變化在＄15.00×106和＄40.00×106之間。凈現值為負值的可能風險約為30%,取決于決策者的風險承受度,該風險被認為高或者更低。比如,凈現值大于＄25.00×106概率約有10%;相反,凈現值小于＄25.00×106概率約有90%。

圖5 凈現值累計概率圖

更進一步詳細分析,凈現值累積概率函數與特定變量諸如CO2購買費用、CO2信用額度和封存過程每一階段的運營成本有關。結果突出了兩個變量:CO2購買費用和CO2信用額度。考慮到前者,凈現值變動的范圍為＄3.00×106～＄5.50×106;考慮到后者,凈現值變動的范圍為＄5.50×106～＄10.00×106。意味著較高風險的變量是CO2購買費用,因為低的波動意味著較低的風險,其余剩余變量 (CO2封存每一階段的運營成本)對凈現值影響較小。

6 結論

CO2封存是控制溫室氣體排入大氣的一個重要途徑。Reconcavo流域地區CO2強化采油項目研究表明,仍舊允許石化燃料繼續使用的同時,地下存儲巨大數量的CO2是可能的。

CO2封存技術實施的主要困難是相關高昂的費用。然而,認知和經驗水平的提高與CO2封存領域新技術的貢獻可能減少這種費用。此外,另一個障礙是在許多國家缺乏激勵和信用體系支持企業CO2封存長期投資。

由于額外開采原油的收入能夠幫助抵消CO2封存的費用,通過CO2封存/EOR,這種高昂的費用可以減至最小。除了費用外,整個CO2封存/EOR項目中CO2生命周期分析在量化能量需求、直接和間接排放及油藏的有效存儲方面都有著至關重要的作用。

與減少能量需求相關導致的較少排放和較少花費的一些變量在壓縮和傳輸階段。在壓縮階段,壓縮進程中高的CO2進口壓力需要較少的能量。壓縮機出口的壓力越低,也就是油藏的注入壓力越低,能量需求就越少。

值得提及的是并非所有注入的CO2都儲存在油藏中,一些同原油采出,然后進入分離過程,再注入到油藏。人為源頭排放CO2的捕獲,包括儲存過程直至原油最終產品的使用階段保證整個封存所需要的能量都要考慮在內。本文中,用動態模型模擬CO2封存/EOR系統隨時間變化的行為特征,且把整個封存過程所需要的能源考慮在內。

結果表明,強化采油工藝盡管高耗能,但其排放體積仍遠小于其他對減少溫室氣體做出貢獻的工藝。因此,封存手段的強化采油優勢就是允許石化燃料以可持續的方式繼續使用。

如同預期,靈敏度分析表明了大氣中CO2的量隨儲存系數的增高而減少。因此,旨在最大化存儲CO2和提高原油產量戰略性研究的重要性應當引起重視。

分析了回收率對可變CO2余額的影響。如果沒有回收,所有伴隨原油采出的CO2將被分離并排入到大氣中。

實例研究中油田的相關經濟分析結果表明,原油價格、原油產量和資本支出在項目可行性中發揮重要作用。敏感度分析結果說明,較高的原油價格能促進CO2封存/EOR的投資。CO2信用額認為較小不足以影響到凈現流。即使沒有信貸激勵,聯合實施CO2封存/強化采油也是經濟的。不過,高的CO2信用額值在項目中有非常重要的影響。如果信用額度值能顯著提高,那么油田經營者封存CO2就能獲得好的投資回報。如果費用降低和信用額度值提高,CO2封存經濟上是可行的。另外,新的市場機制用于提供新技術投資是非常必要的。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.8.006

資料來源于美國《Journal of Petroleum Science and Engineering》2009

2009-04-26)