碳中和目標(biāo)下CCUS技術(shù)在油田的應(yīng)用前景

彭會(huì)君

大慶榆樹林油田開發(fā)有限責(zé)任公司

2020年9月，我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上向國(guó)際社會(huì)承諾：中國(guó)CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2021 年9 月，中共中央國(guó)務(wù)院發(fā)布文件《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，明確了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的總體要求、主要目標(biāo)和具體措施。工作意見中提出，要推進(jìn)規(guī)模化碳捕集利用與封存技術(shù)（CCUS 技術(shù)）研發(fā)、示范和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。CCUS 技術(shù)是指將收集到的CO2直接加以利用或注入地層實(shí)現(xiàn)CO2減排的過程[1]。國(guó)內(nèi)大多數(shù)油田已開展多項(xiàng)CCUS 項(xiàng)目，科研技能水平逐漸提升，試點(diǎn)示范項(xiàng)目規(guī)模不斷壯大，已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。在碳中和目標(biāo)背景下，開展CCUS技術(shù)在油田的應(yīng)用前景分析，對(duì)油田開展碳中和路徑研究和CCUS應(yīng)用具有重要的意義。

1 CCUS技術(shù)對(duì)碳中和的重要作用

碳中和是指1 個(gè)組織在1 年內(nèi)的CO2排放通過CO2消除技術(shù)達(dá)到平衡，或稱為凈零CO2排放[2]。實(shí)現(xiàn)碳中和的對(duì)策可以分為碳替代、碳減排、碳封存、碳循環(huán)四種主要途徑。碳替代主要包括用電替代、用熱替代和用氫替代等；碳減排主要包括節(jié)約能源和提高能效；碳封存（CCS）是指將大型火力發(fā)電、煉鋼廠等產(chǎn)生的CO2收集后，利用工程技術(shù)手段注入深部地質(zhì)儲(chǔ)層，長(zhǎng)時(shí)間與大氣隔離封存；碳循環(huán)包括人工碳轉(zhuǎn)化和森林碳匯。依據(jù)技術(shù)成熟度或與常規(guī)化石能源價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)性，中國(guó)科學(xué)院鄒才能院士對(duì)四種途徑對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2050 年，碳替代、碳減排、碳封存和碳循環(huán)占全球碳中和的貢獻(xiàn)率分別為47%、21%、15%和17%[3]，且碳封存的作用不可替代。

CCUS是在CCS的基礎(chǔ)上增加了“利用(Utilization)”。國(guó)家科學(xué)技術(shù)部社會(huì)發(fā)展科技司編著的《中國(guó)碳捕集利用與封存技術(shù)發(fā)展路線圖》等研究，將CCUS技術(shù)定位為“可實(shí)現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的戰(zhàn)略儲(chǔ)備技術(shù)”[1，4-6]。CCUS 技術(shù)的重要作用主要有以下幾點(diǎn)：①是實(shí)現(xiàn)化石能源凈零排放的唯一技術(shù)選擇；②是火電參與零碳電力調(diào)峰的重要技術(shù)前提；③是鋼鐵水泥等難減排行業(yè)深度脫碳的可行技術(shù)方案；④是未來(lái)獲取非化石碳原料的主要技術(shù)手段；⑤CCUS 耦合生物質(zhì)能等負(fù)排放技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的托底技術(shù)保障。因此，CCUS 是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳化利用的減排技術(shù)，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)2060 年碳中和目標(biāo)技術(shù)組合的重要構(gòu)成部分，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。

2 技術(shù)路線分析

CCUS 技術(shù)由CO2捕集、CO2運(yùn)輸、CO2利用及封存等構(gòu)成。本文重點(diǎn)對(duì)CO2捕集、CO2利用及封存的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 CO2捕集

CO2捕集是指利用化石能源過程中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行分離和富集的過程。針對(duì)不同的CO2氣源，采用相應(yīng)的捕集技術(shù)。

對(duì)于電力行業(yè)，根據(jù)碳捕集與燃燒過程的先后順序，碳捕獲方式包括燃燒前捕獲、富氧燃燒和燃燒后捕獲。燃燒后捕獲不改變?cè)腥紵绞剑瑑H需要在現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)后增設(shè)CO2捕集裝置，對(duì)原有系統(tǒng)變動(dòng)較少，是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛且成熟的技術(shù)[7-8]。煤化工、天然氣處理、鋼鐵、水泥等行業(yè)中排放的CO2，為了后續(xù)合成加工需要將CO2脫除和分離。

CO2分離技術(shù)根據(jù)CO2分離原理的不同，可分為溶劑吸收法、吸附法、膜分離法以及低溫精餾法等[8-9]。其中化學(xué)溶劑吸收法、變壓吸附法技術(shù)成熟，應(yīng)用最為廣泛，已成功應(yīng)用于化肥、水泥以及發(fā)電等行業(yè)。化學(xué)吸收法適合于低濃度CO2碳源，CO2捕集成本350～450 元/t，適用規(guī)模10×104～150×104t/a。變壓吸附法適合于中/高濃度CO2碳源，CO2捕集成本150～250 元/t，適用規(guī)模1×104～10×104t/a。

2.2 CO2利用與封存

CO2利用是指通過工程技術(shù)手段將捕集的CO2實(shí)施資源化利用的過程。根據(jù)工程技術(shù)手段的不同，可分為地質(zhì)利用、化學(xué)利用和生物利用[10]。化學(xué)利用主要是指通過熱催化、電催化和光催化等將CO2轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的化學(xué)品或燃料。生物利用主要是生物固碳，通過微藻、農(nóng)作物等進(jìn)行光合作用將CO2吸收。CO2地質(zhì)利用是將CO2注入地下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化能源生產(chǎn)、促進(jìn)資源開采的過程，如二氧化碳驅(qū)提高石油采收率（CO2-EOR），開采地?zé)帷⑸畈肯趟⑩櫟V等多種類型資源。化學(xué)利用、生物利用存在應(yīng)用條件局限、成本高、利用CO2規(guī)模小、無(wú)法實(shí)現(xiàn)CO2封存等不足，處于研發(fā)和中試階段，并沒有較大的商業(yè)化項(xiàng)目。

無(wú)法被利用的CO2則需要通過封存技術(shù)進(jìn)行封存。CO2封存按照封存位置不同，可分為陸地封存和海洋封存；按照地質(zhì)封存體的不同，可分為咸水層封存、枯竭油氣藏封存等。單獨(dú)的CO2封存技術(shù)成本較高，且沒有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，應(yīng)用規(guī)模較小。

CCUS 項(xiàng)目比CCS 項(xiàng)目更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，已成為主要的發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)已投運(yùn)或正在建設(shè)的CCUS 項(xiàng)目約40 個(gè)，捕集能力300×104t/a，以石油、煤化工、電力行業(yè)小規(guī)模的捕集驅(qū)油示范為主。其中油田CO2-EOR 已有幾十年的應(yīng)用歷史，該技術(shù)既可以通過驅(qū)油獲取經(jīng)濟(jì)收益，又可以實(shí)現(xiàn)CO2的大規(guī)模封存，是目前唯一實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的大規(guī)模碳減排技術(shù)。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

如上所述，油田CO2-EOR 是目前最具商業(yè)價(jià)值、可大規(guī)模碳減排、最有希望工業(yè)化應(yīng)用的CCUS 技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)吉林、大慶、勝利、長(zhǎng)慶等多個(gè)油田開展了十多個(gè)CO2-EOR項(xiàng)目，CO2利用和封存規(guī)模為154×104t/a，占國(guó)內(nèi)CO2利用與封存項(xiàng)目規(guī)模的80%以上，年產(chǎn)油約50×104t，提高采收率10～15 個(gè)百分點(diǎn)。經(jīng)過多年攻關(guān)，油田在碳捕集、碳運(yùn)輸、碳驅(qū)油和碳封存等技術(shù)領(lǐng)域已取得突破，形成了完整的CO2-EOR技術(shù)體系。

吉林油田以國(guó)家油氣重大專項(xiàng)“松遼盆地CO2驅(qū)油與埋存技術(shù)示范工程”項(xiàng)目為依托，捕集油田所轄的天然氣凈化廠脫除的CO2，針對(duì)水驅(qū)動(dòng)用效果差的特低滲透油層實(shí)施CO2驅(qū)油，相繼建成5 個(gè)CCUS-EOR 示范區(qū)。年捕集CO2達(dá)到15×104t，年封存CO2能力35×104t，已累計(jì)封存CO2達(dá)到210×104t，累計(jì)產(chǎn)油量為60×104t，是目前國(guó)內(nèi)CO2封存量最高的油田。其中具有代表性的區(qū)塊為黑79北小井距試驗(yàn)區(qū)和黑46區(qū)塊。

吉林黑79 北小井距試驗(yàn)區(qū)是特高含水油藏轉(zhuǎn)CO2驅(qū)的典型區(qū)塊，油層空氣滲透率為4.5×10-3μm2，注氣前日產(chǎn)油量15.1 t，含水率90.5%，采油速度0.62%；2012年10月由水驅(qū)轉(zhuǎn)為CO2驅(qū)，采用80 m×240 m反七點(diǎn)井網(wǎng)，注氣井10口、采油井27口。由于區(qū)塊井距較小，受效較快，注氣1年后產(chǎn)量開始上升，日產(chǎn)油量峰值達(dá)到40 t，目前日產(chǎn)油穩(wěn)定在26 t，累計(jì)注氣量31.4×104t，注氣階段累計(jì)產(chǎn)油量為9.8×104t，預(yù)測(cè)最終提高采收率25 個(gè)百分點(diǎn)[11]。黑46區(qū)塊是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的工業(yè)化區(qū)塊，油層空氣滲透率為4.8×10-3μm2，注氣前日產(chǎn)油量為120 t，含水率87.9%，采出程度17.7%；2014年10月由水驅(qū)轉(zhuǎn)為CO2驅(qū)，井網(wǎng)調(diào)整后注氣井27口、采油井141口；由于區(qū)塊注采井距大、產(chǎn)出程度高，初期見效并不明顯，注氣2年后開始逐漸受效，目前日產(chǎn)油量上升到137 t，若繼續(xù)注水開發(fā)預(yù)測(cè)同期區(qū)塊日產(chǎn)油量遞減到43 t，CO2驅(qū)產(chǎn)量是水驅(qū)遞減的3倍，累計(jì)注氣量為81.5×104t，注氣階段累計(jì)產(chǎn)油量為27.6×104t，預(yù)測(cè)最終提高采收率15個(gè)百分點(diǎn)。

大慶油田捕集油田所轄的天然氣凈化廠脫除的CO2和周邊工業(yè)排放的CO2，針對(duì)水驅(qū)難動(dòng)用、動(dòng)用效果差的特低滲透油層和強(qiáng)水敏性油層實(shí)施CO2驅(qū)油，建成5個(gè)CCUS-EOR示范區(qū)，年捕集CO2達(dá)到20×104t，年封存CO2能力30×104t，已累計(jì)封存CO2達(dá)到172×104t，累計(jì)產(chǎn)油量為75×104t，最高年產(chǎn)油量達(dá)10×104t，CO2驅(qū)開發(fā)效果顯著，是目前國(guó)內(nèi)CO2驅(qū)年產(chǎn)量最高的油田。其中具有代表性的區(qū)塊為樹101試驗(yàn)區(qū)和貝14先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)。

大慶樹101 試驗(yàn)區(qū)是特低滲透油層直接CO2驅(qū)開發(fā)的典型區(qū)塊，油層空氣滲透率為4.5×10-3μm2，采用300 m×250 m矩形五點(diǎn)井網(wǎng)，注氣井7口、采油井17 口；此類儲(chǔ)層水驅(qū)開發(fā)時(shí)油井全部需要壓裂投產(chǎn)，該區(qū)塊采取超前注氣措施，油井投產(chǎn)時(shí)均未壓裂，自2007 年投產(chǎn)以來(lái)，注入能力、采油速度一直保持較高水平，是同類水驅(qū)區(qū)塊的3 倍以上，累計(jì)注入CO2達(dá)到32.5×104t，累計(jì)產(chǎn)油量為11.0×104t，采油速度0.6%，階段采出程度8.9%，預(yù)測(cè)最終提高采收率9個(gè)百分點(diǎn)[12]。貝14試驗(yàn)區(qū)是強(qiáng)水敏性特低滲透油層轉(zhuǎn)CO2驅(qū)開發(fā)的典型區(qū)塊，油層空氣滲透率為1.2×10-3μm2，注氣前日產(chǎn)油量為17 t，含水率10.3%，采出程度4.10%；2011 年由水驅(qū)轉(zhuǎn)為CO2驅(qū)，采用200 m 井距反九點(diǎn)面積井網(wǎng)，注氣井4口、采油井15口；注氣能力保持在注水能力的3倍以上，儲(chǔ)層動(dòng)用厚度比例提高15個(gè)百分點(diǎn)，區(qū)塊日產(chǎn)油量逐步上升到受效高峰時(shí)的34 t，累計(jì)注入CO2達(dá)到37.2×104t，注氣階段累計(jì)產(chǎn)油量為19.3×104t，采油速度0.4%，階段采出程度5.8%，預(yù)測(cè)最終提高采收率可達(dá)15 個(gè)百分點(diǎn)[13]。大慶油田規(guī)劃“十四五”期間開展CCUS技術(shù)推廣應(yīng)用，力爭(zhēng)在“十四五”末年封存CO2達(dá)到100×104t以上。

勝利油田捕集燃煤電廠尾氣中的CO2，針對(duì)水驅(qū)動(dòng)用效果差的特低滲透油層實(shí)施CO2驅(qū)油[14]，建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)燃煤電廠煙氣CCUS 全流程示范工程，年捕集CO2達(dá)到4×104t，年封存CO2能力10×104t，已累計(jì)封存CO245×104t，累計(jì)產(chǎn)油量為9×104t。長(zhǎng)慶油田以“CO2碳捕集、驅(qū)油與封存技術(shù)”國(guó)家示范工程為依托，捕集油田周邊工業(yè)排放的CO2，針對(duì)水驅(qū)難以動(dòng)用的超低滲透油層實(shí)施CO2驅(qū)油，建成1 個(gè)CCUS-EOR 示范區(qū)，已累計(jì)封存CO2達(dá)到13×104t，累計(jì)產(chǎn)油量為2×104t。

4 應(yīng)用前景

在碳中和目標(biāo)下，油田開展CCUS 具有廣闊的應(yīng)用前景。主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）油田具有良好的CCUS 資源基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。源匯匹配是CCUS能否規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵，是指排放源與封存場(chǎng)地的地理位置關(guān)系和環(huán)境適宜性，松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地均具有較好的CCUS 源匯匹配基礎(chǔ)。油田擁有大量可利用的注采井、完整的地面注入集輸系統(tǒng)，具有成熟的鉆井工程、油藏工程、測(cè)試測(cè)井工程、采油氣工程和地面工程等技術(shù)系列，擁有強(qiáng)大的專業(yè)技術(shù)人才隊(duì)伍，開展CCUS具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

（2）CCUS 是油田實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要。我國(guó)老油田普遍面臨接替儲(chǔ)量品味差、穩(wěn)產(chǎn)難度大的問題，近20 年石油探明儲(chǔ)量中低滲透油藏占70%以上[15]，石油探明的低滲透儲(chǔ)量目前超過80×108t，由于水驅(qū)、化學(xué)驅(qū)等技術(shù)存在注不進(jìn)、采不出的難題，儲(chǔ)量動(dòng)用率僅50%。CO2-EOR 具有降低原油黏度、降低油水界面張力、混相驅(qū)油、注入能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)特低滲透儲(chǔ)量的有效動(dòng)用，將為油田原油穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

（3）CCUS 是油田實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的必然選擇。油田既是能源生產(chǎn)大戶，也是能源消耗大戶，以大慶油田為例，2020 年用能總量約600×104t 標(biāo)煤，折算CO2年排放量約1 800×104t，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)任重道遠(yuǎn)。CCUS 項(xiàng)目是油田大規(guī)模減少CO2排放的有效途徑，將為油田實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供有力支撐。2021 年，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司提出要加大CCUS技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用示范，2025年建成年CO2捕集500×104t的總體目標(biāo)，油田CCUS技術(shù)將迎來(lái)新的更大的發(fā)展機(jī)遇。

5 結(jié)論

CCUS 是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳化利用的減排技術(shù)，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)。油田CO2-EOR 是目前最具商業(yè)價(jià)值、可大規(guī)模碳減排、最有希望推廣應(yīng)用的CCUS 技術(shù)。油田具有良好的CCUS 資源基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，在碳中和目標(biāo)背景下，開展CCUS技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

建議油田將CCUS 技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要途徑之一，積極落實(shí)CCUS 潛力和規(guī)劃部署，加大碳捕集、輸送與封存各環(huán)節(jié)的投資力度與建設(shè)規(guī)模，加快突破大規(guī)模CCUS 全流程示范的相關(guān)技術(shù)瓶頸，以實(shí)現(xiàn)油田大規(guī)模減排和原油增產(chǎn)的雙贏目標(biāo)。