我国石油工业二氧化碳地质封存研究

我国石油工业二氧化碳地质封存研究
段海燕;王雷
【摘要】石油工业二氧化碳地质封存,既能提高石油采收率又可实现二氧化碳永久封存.应用实证研究和对比分析的方法,研究我国与美国的油藏条件、技术水平等相关状况的差异,分析我国二氧化碳地质封存的潜力与现实障碍,发现我国需要通过国际合作开展温室气体地质封存.<京都议定书>规定的清洁发展机制提供了项目合作平台,温室气体封存项目合作,不仅能使我国实现经济开发和环境保护的双赢,还为发达国家提供"经核证的减排量",帮助其完成国际碳减排任务,项目合作前景广阔.但当前政治、成本、技术风险等因素制约着合作项目的广泛开展,由此,贯彻落实科学发展观,借鉴国外经验,进行自主技术创新,是我国现阶段实现二氧化碳地质封存的现实选择.
【期刊名称】《石油钻采工艺》
【年(卷),期】2009(031)001
【总页数】4页(P121-124)
【关键词】二氧化碳捕捉和封存(CCS);二氧化碳驱提高石油采收率(CO2-EOR);清洁发展机制(CDM)
【作者】段海燕;王雷
【作者单位】吉林大学东北亚研究院,吉林长春130012;中石化国际勘探开发公司,北京 100080
【正文语种】中文
【中图分类】X701.7
全球气候变暖已日益成为各国政府和民众普遍关注的社会问题，如何处置过量排放的温室气体、减缓温室效应是全人类共同面临的重大挑战，寻求有效的温室气体减排方案成为各国努力的方向。

国际社会正在积极采取措施应用包括提高能源效率、向低含碳量燃料转变、核能、可再生能源、增加生物汇、非CO2温室气体的减排以及二氧化碳捕捉和封存（CCS）在内的温室气体减缓方案，应对全球气候变暖。

研究表明，二氧化碳捕捉和封存作为一种通过地质封存实现温室气体减排的方案，能有效促进大气中温室气体稳定目标的实现。

而石油工业领域开展二氧化碳捕捉和封存还能提高原油采收率，实现经济开发与环境保护的双赢。

二氧化碳捕获和封存（CCS）是指把二氧化碳从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程。

政府间气候变化专门委员会（IPCC）特别报告指出二氧化碳捕获和封存是稳定大气温室气体浓度的一种方案。

如果二氧化碳被注入深度在800 m以下适当的油田或天然气田或盐沼池构造，各种物理、地球化学的俘获机理将阻止其向地面移动，实现永久封存；而且，二氧化碳地质封存过程中能提高石油、天然气等能源的采收率，实现经济开发与环境保护的双赢。

在世界范围内，地质构造的技术潜力至少可达到约2000 Gt CO2（545 Gt C）的封存容量。

在大多数大气中温室气体浓度稳定在450～750 mL/m3CO2之间，在一个成本最低的减缓方案组合中，二氧化碳捕获和封存的经济潜力累积总量为220～2200 Gt CO2（60～600 Gt C），这意味着在一系列基准情景的平均状态下，二氧化碳捕捉和封存贡献了2100年以前世界努力累积减排量的15%～
55%[1]。

但受技术、成本控制,封存风险的科学不确定性等因素的影响，二氧化碳捕捉和封存并未在全球范围内展开。

虽然一些国家和地区在石油、天然气和煤层气的开采中注入了二氧化碳并获得了较大的经济收益，但其主要目的是提高石油、天
然气和煤层气的采收率，并非封存温室气体。

所以，应积极开发相关项目将二氧化碳封存与提高石油采收率、提高天然气采收率和提高煤层气采收率之间进行结合。

政府间气候变化专门委员会报告显示，石油工业二氧化碳驱提高石油采收率已经是一项成熟的市场技术，二氧化碳提高天然气采收率在一定条件下经济可行，而二氧化碳提高煤层气采收率尚处于示范阶段。

从20世纪70年代开始，二氧化碳驱提高石油采收率已经在商业上开始运作，自20世纪80年代以后二氧化碳驱提高石油采收率项目稳定增长。

美国拥有应用二氧化碳驱提高采收率（CO2-EOR）的成熟技术，具有最先进的CO2-EOR驱油技术，94%的CO2-EOR项目在美国。

2006年世界提高原油采收率产量为8716×104t/a，其中CO2-EOR产量占14.4%；美国提高石油采收率项目共计153 个，其中82个是CO2-EOR项目。

而且，国际能源机构（IEA）评估认为，世界适合开发二氧化碳提高石油采收率的资源约为3000～6000亿桶[2]。

所以，相对于天然气和煤层而言，石油工业二氧化碳地质封存可行性较大，二氧化碳驱提高石油采收率地质封存既有成熟的技术也有开发的潜力，是二氧化碳捕捉和封存的优先领域。

二氧化碳驱提高石油采收率方法适用于油田开发晚期，通过CO2-EOR技术（混相驱），原油采收率比注水方法约提高30%～40%；对于重质油藏，CO2-EOR 技术（非混相驱）一次开采采收率可达原始地质储量的20%以上。

根据油田地质和沉积类型的不同以及认识程度的差异，其增产幅度可以提高到25%～100%。

CO2-EOR技术能持续有效地提高原油采收率主要机理见文献[3]。

由于经济和技术原因，不是所有的储层都适合于CO2-EOR混相驱油，具体油田进行二氧化碳驱提高石油采收率需要与当地条件进行紧密结合。

二氧化碳驱提高石油采收率实施的储层地质条件为：储层的深度范围在1000～3000 m范围内；致密和高渗透率储层；原油黏度为低或中等级别；储层为砂岩或碳酸盐岩。

目前，较成功的CO2-EOR技术是在距地面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440～740 kg/m3。

沉积盆地是可以封存CO2的地质构造，国内适宜进行石油勘探的沉积盆地总面积约为550×104km2。

东部火力发电厂较为集中，油气田为数甚多，这是国内实施CO2地质封存的有利条件；国内低渗透和稠油资源非常丰富，在这些油藏中利用CO2提高采收率的潜力巨大。

中国石油勘探开发研究院沈平平教授认为，目前国
内已开发油田的标定采收率为32.2%，仍然有60%以上的地质储量需要采用“三
次采油”进行开采，有较大的余地提高采收率。

《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》结果显示，仅在参与此次评价的101.36 ×108t 常规稀油油田的储量中，适合CO2驱的原油储量约为12.3×108t，预计利用
CO2驱可增加可采储量约1.6×108t。

另外，新发现低渗透油藏储量63.2×108t 中，其中50%以目前成熟技术不能有效开发，可通过二氧化碳驱提高石油采收率
使得这些新发现低渗透油藏得到有效开发。

所以，国内石油工业二氧化碳驱提高石油采收率的潜力较大，即国内石油工业二氧化碳封存潜力较大。

20世纪70年代开始，国内一直在进行二氧化碳驱提高石油采收率的研究工作。

新疆、大庆、胜利油田都已进行了一定规模的矿场应用，吉林油田则开展了CO2
清洁泡沫压裂研究；中国石油大学（北京）曾针对辽河月东稠油进行了注CO2基础实验，结果表明CO2可以明显降低原油黏度，使原油体积膨胀、提高驱油效率；国内外室内研究和工业化应用结果表明，注入CO2是一类很有效的提高采收率方法。

但，由于国内缺少天然CO2气源，CO2驱提高石油采收率始终未能成为主导的研究与应用技术，二氧化碳地质封存项目的开展存在较大的现实障碍，主要表现在以下3点：
第一，技术上的障碍。

中国石油大学（北京）岳湘安教授介绍，在国外（尤其是美国）CO2混相驱已成为提高原油采收率的主导技术，而国内油藏中原油的突出特
点是黏度高、蜡和胶质含量高、凝固点高，多数油藏中的原油与CO2的最小混相压力较高，难以实现混相驱，所以CO2非混相驱是国内注CO2提高采收率的主
要技术。

与CO2-EOR混相驱油项目相比，CO2-EOR非混相驱油项目较少。

非混相驱油需要380 m3CO2驱替1桶原油，提高采收率幅度最大为20%。

北京大学能源与资源工程系教授李克文认为，注CO2采油方法与技术尽管在美国等国家取得了一定的成功，但许多科学与技术问题仍有待解决。

同时，国内复杂的油藏条件决定了要在国内大规模地利用CO2提高采收率将面临更多特殊的理论与技术难点。

第二，CO2捕捉成本高。

北美多数二氧化碳驱提高石油采收率项目使用的CO2主要来自天然CO2气藏，只有少量项目的CO2来自人工捕获的CO2。

国内缺少天
然CO2气源，而油田应用CO2的规模一般都很大，在CO2减排的大背景下，就需尽量避免开采地下天然CO2矿藏，通过回收利用来提供CO2气源。

虽然目前CO2的捕集技术很多，但成本较高[1]。

即使地质封存可带来高额的经济收益，二氧化碳封存项目整体成本仍很高。

中国石油勘探开发研究院沈平平教授指出，如果CO2捕集的成本能够从目前的每吨40～50美元降到20～30美元，则可实现其
在提高石油采收率中的大规模推广。

第三，二氧化碳封存项目风险较大。

国内二氧化碳驱提高石油采收率面临的突出问题主要有CO2在油藏中的窜流和有机固相沉积。

国内油藏层间非均质性严重，同一油藏内的储层渗透率差异可达数十倍至上千倍。

在许多油藏（尤其是低渗透油藏）中具有较发育的天然裂缝，连通的天然裂缝构成了注入水和气的窜流通道。

国外注CO2提高采收率的油藏条件大都较好，原油黏度较低、油藏非均质性不是很强，
而国内油藏中由于强非均质性和窜流通道而导致的CO2的窜流将严重地影响波及效率。

国内多数油田原油组成的突出特点是原油中蜡、沥青质和胶质含量高，因此在注CO2采油过程中有机固相沉积以及由此而引起的油藏伤害，要比国外许多油田严重得多。

另外，CO2管道运输相关联的局部风险与已经在使用中的碳氢化合
物输送管道的风险相似或者更低。

突发的CO2大量释放，如果使空气中CO2浓
度超过了（7～10）%，则会对人类生命和健康产生直接威胁。

在地下浅层CO2
浓度升高会对植物及土层动物造成致命的影响和地下水污染；由于CO2注入导致的压力积聚可能引发小地震事件。

复杂的油藏条件决定了国内注二氧化碳驱提高采收率面临较大的技术难题，而且较高的二氧化碳捕集成本限制着规模温室气体封存项目的广泛开展。

业内专家建议，国内可通过国际合作来开展二氧化碳地质封存项目。

《京都议定书》第十二条规定的温室气体减排国际合作机制——清洁发展机制（CDM）为二氧化碳地质封存项目的开展提供了平台。

清洁发展机制是基于市场
的灵活机制，其核心内容是允许发达国家通过投入资金和技术的方式在发展中国家境内开展温室气体减排项目。

它是一种双赢的合作机制，一方面，发达国家通过较低的投资成本获得经核证的温室气体减排量，来抵消国内减排；另一方面发展中国家通过合作可引进资金和先进的技术，促进该国的可持续发展。

所以，国内石油工业领域开展二氧化碳地质封存清洁发展机制项目（CO2-EOR-CDM）合作，一方
面可以引进资金和技术，克服国内资金、技术等困难，提高东道国原油的采收率，杜绝资源浪费、提高经济收益；另一方面，可以使二氧化碳实现永久封存，产生实际的、可测量的和长期的温室气体减排效益，帮助发达国家完成减排任务。

国内实行CO2-EOR-CDM地质封存项目的减排效益具有明显的额外性，首先表现在，虽然CO2-EOR技术是一项成熟的市场技术，并从20世纪70年代已经在商
业上开始运作，但当该项技术用于二氧化碳封存时，其仅是在特定条件下经济可行；同时，由于国内缺少天然CO2气源，CO2-EOR技术始终未能成为国内主导的研
究与应用技术，CO2-EOR技术在国内尚未国产化或商业化。

所以，不开展清洁发展机制项目，国内实现二氧化碳的永久封存面临较大的困难。

其次，虽然目前二氧化碳的捕集技术很多，但成本较高，技术、成本和投资风险带来的投资或融资障碍，
使目前靠国内条件尚难以实现二氧化碳地质封存。

所以二氧化碳地质封存项目可以作为清洁发展机制项目进行合作开发。

目前，美国拥有世界上最先进的CO2-EOR技术，拥有成熟的二氧化碳捕捉和封
存技术。

所以，目前全球范围内美国最具有技术和资金实力作为清洁发展机制项目的投资国。

但美国作为全球温室气体第一大排放国，并未签署《京都议定书》，国际社会也无力强制其承担有约束力的温室气体减排任务。

所以，如果美国不签署《京都议定书》、不承担温室气体减排任务，就不会成为清洁发展机制项目的投资国，国内可能因缺少投资合作方而难以实现封存项目合作。

即使美国签署了《京都议定书》，受技术、成本控制以及科学不确定性等因素的制约，也不一定会投资CO2-EOR-CDM地质封存项目，相同条件下，美国会选择成本较小、风险较少的投资项目来获取温室气体减排量。

所以，国内与发达国家近期内实现CO2-EOR-CDM地质封存项目合作的可行性不大。

（1）复杂国际形势和国内的油藏条件决定了现阶段通过国际合作的方式开展二氧化碳地质封存项目的可行性不大，要想实现温室气体减排与提高原油采收率双赢，必须贯彻落实科学发展观，从实际情况出发，借鉴国外发展经验，进行自主技术创新，进一步克服技术障碍、降低CO2捕集成本、降低CO2封存的科学不确定性；加大科研投资力度，组织安排科研工作和实验工程，通过产学研结合的方式，研究CO2分离、富集、输送、封存过程的科技问题，建立碳隔离机制，确定封存CO2及可能利用的方案，逐步建立适合中国国情的碳隔离技术体系。

（2）二氧化碳地质封存项目是温室气体减排潜力最大的清洁发展机制项目，它既能为发展中国家带来经济收益，又能为发达国家提供温室气体减排量，还能促进大气中温室气体稳定目标的实现。

2007年“巴厘岛路线图”规定，《联合国气候变化框架公约》的所有发达国家缔约方都要履行可测量、可报告、可核实的温室气体减排责任，并在2009年年底之前，达成接替《京都议定书》的旨在减缓全球变暖
的新协议，为下一步落实《联合国气候变化框架公约》设定了时间表，这也为温室气体地质封存项目的开展提供了广阔的前景。

References:
［1］IPCC. Carbon dioxide capture and storage［M］. U. K.: Cambridge University Press, 2005.
［2］潘丹丹. 2006年国外石油科技十大进展［N］.中国石油报，2007-01-18，第3版.
PAN Dandan. Ten key world petroleum technological advancements［N］. China Petroleum Daily, 2007-01-18, third page.
［3］许志刚，陈代钊，曾荣树. CO2的地质埋存与资源化利用进展［J］.地球科学进展，2007，22（7）：698-707.
XU Zhigang, CHEN Daizhao, ZENG Rongshu. Geological storage of CO2and commercial utilization［J］. Advances in Earth Science, 2007, 22（7）: 698-707.。