温室气体的地下埋存及在提高油气采收率中的资源化利用

温室气体的地下埋存及在提高油气采收率中的资源化利用关键词：温室气体提高油气采收率地质储存一、国内外有关背景、科学意义和发展前景1. 我国正面临着温室气体减排的严峻形势由于全球对石化燃料的依赖，工业和人类生活过程中产生的废气排放量日益增加，由此而导致的空气污染和温室效应已严重地威胁着人类赖以生存的地球环境。

减少温室气体的排放量已成为人类共同关注的热点问题。

截至2004年底，全世界已有141个国家批准了以减少温室气体为宗旨的《京都议定书》，该议定书已于2005年2月16日正式生效。

《议定书》规定，到2012年参与减排的工业化国家必须在1990年水平上平均削减温室气体5.2％。

虽然《议定书》中没有规定包括中国在内的发展中国家在2012年前的具体减排量，但是作为一个负责任大国必须承担的国际义务以及温室气体排放量迅速增加的趋势，我国正面临着履约的巨大压力。

我国经济的快速发展导致对能源生产和消费需求的迅速增长。

近年来，我国的电力工业发展很快，到2001 年总装机容量达3.386 亿kW，年发电量达14838 亿kWh，年增长率分别为6.0%和8.4%，其中燃煤发电占总发电量的81%。

根据我国保持平均经济增长率略高于7%，到2020 年GDP 翻四番的目标推算，电力需求年增长率将在5.5%到6.0%之间，而在2010 年前估计高达6.5%到7.0%。

另外，由于能源资源的限制，高含碳量的煤炭在今后相当长时间内仍是我国主要能源。

2000年煤炭在我国一次能源消费总量中约占66%；2004年我国煤炭产量达19亿吨。

在1980 年至2000 年期间，我国以能源翻一番支撑了国内生产总值翻两番。

按照目前的能源消费标准，到2020年，要使国内生产总值在2000年的基础上再翻两番，将消耗40亿吨标准煤，其中原煤22～23亿吨。

与低含碳量的石油和天然气相比，在原煤利用过程中产生的二氧化碳(CO2)及其它温室气体量更大。

2004年12月我国发布的温室气体排放清单主要覆盖各种CO2和甲烷排放源的排放，其中包括化石燃料燃烧、煤矿和天然气以及石油开采中的逸散性排放、工业过程排放以及农业和土地使用变化的排放。

化石燃料燃烧的CO2排放在20.50 亿 ~ 24.45 亿吨，估计约占CO2总排放量的80%；工业过程排放的CO2排为0.81 亿 ~ 1.04 亿吨；化石燃料生产的逸散性排放CH4为5.7 ~ 18.5Mt；而农业和土地利用与土地利用变化排放的CH4为12.6 ~ 20.9 Mt；与土地利用和土地利用变化相关的生物碳汇CO2为1.54 亿 ~ 3.15 亿吨。

目前，我国温室气体排放总量已居世界第二位，仅在美国之后，预测20年后我国CO2排放量很可能成为世界第一。

由以上数据可见，随着国民经济的高速发展，我国面临大量排放温室气体的严峻形势。

综上所述，由于我国正处于经济发展的高峰期，在今后相当长一段时间内，能源消耗快速增长所伴随的温室气体产出量的快速增长是必然的。

在现有技术条件下，如果按照《议定书》的定量方式履行温室气体减排的义务，势必会对我国经济发展造成巨大影响；如果不履行温室气体减排义务，我国的国际形象会受到损害。

所以我们必须尽快开展温室气体的资源化利用和储存技术研究，寻找既能减少温室气体排放量，又不影响我国经济发展速度的对策。

2. CO2地下储存的可行性地下储存CO2的温度为35℃，压力为11MPa。

从普通电厂排放、未经处理的烟道气仅含大约3% ~ 16%的CO2，可压缩性比纯的CO2小得多。

从燃煤电厂出来经过压缩的烟道气中CO2含量为15%，在这样的条件下储存1吨CO2大约需要68 m3储存空间。

如果能将烟道气里的CO2分离，并且经过压缩，在35℃和11MPa的条件下为一种超临界的流体，每吨大约只需要1.34 m3的储存空间。

所以，和压缩的烟气相比，处理纯的CO2所需的储存空间大约只有烟气的1/50。

因此，将CO2从烟气里分离出来，可以充分有效埋藏于地下孔隙空间中。

目前，比较成熟的处理技术是储存在距地面800 m或更深的地方，地热梯度为25 ~ 35℃/km，压力梯度为10.5 MPa/km，分离的CO2将处于超临界状态，它的浓度变化范围为440 ~ 740kg/ m3。

因此，在可渗透的多孔岩层中，不需要特别的压力条件就可以储藏CO2。

通常，在地层的温度和压力条件下，分离的CO2没有像水那样稠密。

为了防止CO2在自身的弹力作用下返回地表或者向其他层位迁移，需要密封整个储存空间，时间跨度至少为数千年甚至上万年。

利用常规地质圈闭构造和非常规地质圈闭构造来储存都是有效的方法。

常规圈闭构造包括气田、油田和不含烃的储气层（含水层）三种。

对于前面两种，由于熟悉已开采油气田的构造和地质条件，所以利用它们来储存CO2比较合适。

利用含水层有两个优点：一是含水层的圈闭比油田和气田更加普遍；二是在含水层中可能有一些适合于储存CO2的巨大的储气构造。

此外，还可将CO2埋藏于地下深部煤层，同时增加煤层气产量。

地下储存CO2的过程是CO2的溶解、转化的过程。

处于超临界状态下的CO2相对不活泼，不会与煤层气的岩石反应，因此不会被固定成碳酸盐矿物。

但是如果在富钙地层水的环境下，由于增加了CO2的含量，就可能形成方解石和其他碳酸盐岩的沉淀。

这样的化学反应为我们提供了一种在地下固定CO2，实现永久储存的途径。

CO2的地下储存技术已受到发达国家政府、科技和产业界越来越多的关注和重视。

从1996年开始，在挪威北海的Sleipner油田每年把100万吨CO2注入到900m深处的盐水饱和沙层中。

加拿大从2000年10月开始，每天通过管道把大约5000吨CO2从美国North Dakota州的火力发电厂输送到位于Williston Bsain 盆地的Weyburn油田，并灌注到早石炭世碳酸盐岩储层中，用以提高石油采收率，同时又使部分CO2被永久地储存于地下。

这些实例表明，CO2的地下储存是减少CO2排放极具潜力、并能在经济开发与环境保护上实现双赢的有效办法。

3. 注CO2提高原油采收率是实现温室气体资源化利用与地下储存的有效途径之一注CO2在我国石油开采中有着巨大的应用潜力。

据“中国陆上已开发油田提高采收率第二次潜力评价及发展战略研究”结果，仅在参与本次评价的101.36亿吨常规稀油油田的储量中，适合CO2驱的原油储量约为12.3亿吨，预计利用CO2驱可增加可采储量约1.6亿吨。

另外，对于我国现已探明的63.2亿吨的低渗透油藏原油储量，尤其是其中50%左右尚未动用的储量，CO2驱比水驱具有更明显的技术优势。

但是，CO2驱技术在我国至今尚未成为研究和应用的主导技术，其原因除了我国油藏和原油条件特殊性所导致的技术难点外，关键是缺少CO2气源。

因此，对地球环境造成恶劣影响的工业废气将成为我国改善油田开发效果、提高原油采收率的重要资源。

提高原油采收率对温室气体中CO2的需求量巨大。

仅以一个小型的CO2驱油先导性实验为例，每天消耗CO2的总量约为1.4×106m3~ 2.8×106m3。

而且在驱油过程中，如果采用适当的技术措施，可使大部分注入的CO2滞留在封闭的油藏中，随原油采出的少量CO2经分离后可再回注至油藏中。

可以预测，随着技术的发展和应用范围的扩大，我国在提高原油采收率应用中封存于油藏内的温室气体总量将逐渐增大。

油气藏是一个封闭非常好的天然储气库。

据先进能源国际有限公司（ARI）对美国的三个具有商业价值的天然CO2气藏的研究表明，CO2可以在地层中封存长达几百万年。

加拿大Regina大学应用四维地震检测技术检测Sasktchewan省WeyburnCO2驱中的油层顶部岩石的完整性，证明CO2可以长期储存于油藏中。

据估计，全球范围内枯竭油气田封存CO2的能力大约为9230×108吨，相当于目前全世界电厂125年内燃烧释放的CO2排放总量。

因此，利用CO2提高原油采收率是永久封存CO2的最佳方法，不仅具有巨大的经济效益，而且有着巨大的环境效益。

4. 注CO2提高原油采收率的技术现状与发展前景注CO2提高原油采收率技术的研究与应用起始于20世纪50年代。

国内外大量研究结果和矿场试验已经证明，以CO2作为驱油剂注入油藏，可以大幅度地提高原油采收率。

例如，美国的Wasson San Anros油田利用CO2混相和非混相驱，使原油采收率在水驱基础上提高了12.2%。

在美国，由于拥有巨大的天然CO2资源，CO2驱已成为其主要的提高采收率技术。

据统计，目前美国注入油藏的CO2量约为2000 ~ 3000万吨/年，其中约有300万吨来源于煤气化厂和化肥厂的废气。

2004年，美国共实施了71个CO2驱油项目，其日产油量达到32731.8m3/d。

加拿大从1990年起至今共实施了43个注CO2提高原油采收率项目，Weyburn 油田的项目是其中最成功的例子。

该油田于2000年9月开始注来自美国北达科他州Beulah煤气化工厂的CO2。

预计这一项目可封存大约2000×104吨CO2，增产原油1.3×108bbl。

丹麦、阿根廷、特立尼达、土耳其、巴西等国也相继开展了CO2地下储存及提高原油采收率的研究与应用。

沙特阿拉伯的“阿拉伯－美国石油公司AramCO”是世界最大的石油生产商及出口商，最近正在评估沙特储油层注CO2提高原油采收率的可行性。

我国对CO2驱油技术也进行了大量的前期研究。

例如，大庆油田利用炼油厂加氢车间的副产品—高纯度CO2（96％）进行CO2非混相驱矿场试验。

虽然该矿场试验由于油藏的非均质性导致的气窜影响了波及效率，但总体上还是取得了降低含水率、提高原油采收率的效果。

最近，中原油田石油化工总厂建成了利用炼油废气生产液态二氧化碳的装置，其年生产能力达2万吨。

这些CO2将全部用于中原油田进行CO2驱油，预计可提高原油采收率15 ~ 20％，年增产原油5万多吨。

5. CO2在油气开采领域中的其他应用除了在提高原油采收率方面的应用之外，CO2在油气田开采的其他领域内也有着十分广泛的应用前景。

例如，向煤层中注CO2，可以利用煤对CO2的吸附强度远大于对CH4吸附强度的特性（煤对CO2、CH4、N2的吸附强度比例大致为4:2:1），置换煤层中被吸附的CH4来实现提高煤层气采收率的目的。

先导性试验结果已证实表明CO2提高煤层气采收率技术原理的可行性，但由于许多理论和技术难点尚未攻克，其效果还不很理想。

另外，稠油油藏的CO2吞吐、CO2泡沫压裂、天然气藏注CO2开采技术等等，都是CO2非常有前景的应用领域。

综上所述，国外利用天然CO2气源提高原油采收率已取得了成功，证实了作为温室气体减排和资源化利用之间的结合点——注CO2提高原油采收率在各类油藏中具有十分广泛的应用前景。