碳中和背景下的深层页岩勘探开发

何玉麒，章靓慧，甘薇，王文静，顾东清

(1.中国矿业大学信息与控制学院，江苏 徐州 221016；2.中国矿业大学材料学院，江苏 徐州 221016；3.中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221016；4.河北大学生态与环境治理研究所，河北 保定 071030；5.江苏省能源研究会，南京 210008)

全球气候系统在近一个世纪以来的变化是显著的，引起了全球学界的关注[1]。全球变暖引发了如超大型灾难、海平面上升及海洋酸化等问题，而温室气体所引起的温室效应是引发全球变暖的重要因素，与该效应息息相关的二氧化碳排放与固定等安排也因此被提上议程。研究表明，人类活动导致的温室气体排放是近年来气候变化的主导因素，在工业过程中因化石燃料燃烧排放的温室气体占据了重要比例[2]，因此，优化能源结构成为人类应对气候变化组合行动的重要选择。

在气候变化问题日渐严峻的情况下，碳中和已被多个国家提上日程，而碳中和是指进入大气层的温室气体的排放量与吸收量达到相对平衡的一种新型环保形式[3]。在低碳、减碳和固碳的背景下，在能源结构的转型过程中涉及到的非常规油气是我们实现碳中和等目标里不可忽视的重点，而关于非常规油气在不同学者中有着不同的定义，普遍而言，非常规油气是指利用非传统技术获取、在烃源岩附近连续聚集或残留于烃源岩中的需用新技术采集获取的油气资源[4-5]。属于非常规油气的深层页岩气在我国四川盆地等能源区内的分布较为广泛，且具有资源储量丰富、含气性好等优势[6]。四川盆地具备良好的深层页岩气开发前景，业界针对在勘探开发中遇到的问题逐步形成了深层页岩开发的新技术体系[7]。在碳中和政策背景下，加速实现能源结构转型，深层页岩气的进一步勘探开发具有迫切性与必要性。文中从碳中和背景下的传统能源转型出发，探讨碳中和背景下的能源结构特征的升级变化，揭示深层页岩气资源在能源结构调整中的接续作用，结合地质特点，讨论深层页岩储层碳捕集、封存与利用(CCUS)，即碳捕获、利用与封存技术的应用前景。

1 碳中和背景下的传统能源转型

我国是一个能源消耗大国，能源结构天然的具有富煤、贫油和少气的特点[8]，近年来，煤炭资源在我国能源消费中的占比长期高于50%，石油资源占比低于20%。2016年—2019年我国能源消费结构如图1所示，从图中可以看出，我国能源结构从碳中和角度逐渐优化，体现在电力和其它非化石能源的上升，天然气等相对清洁绿色能源消费占比提高。我国的煤炭消耗长期占比均在60%左右，石油占比在国家调控下较为稳定，而受我国固有资源赋存特点的限制以及新能源利用技术发展速度的制约，天然气和其它清洁能源的消费占比虽略有增长，但幅度都不大。传统能源在我国的能源消费中，仍将在一定时期内占据主体地位，国际能源署曾预测，截止到2030年，煤炭在中国一次性能源消费结构中仍将占据主导地位，而且在短期内不会有大的改变[9]。

图1 2016年—2019年我国能源消费结构

为实现碳达峰和碳中和的战略性目标，对我国传统能源消费结构的调整已势在必行，而且迫在眉睫。在“十四五”规划和“2035年远景目标纲要”中，我国提出要加快发展非化石能源的开发利用，在合理控制煤电建设规模和发展的前提下，逐步推进以电代煤，同时完善相关体系及加快天然气主干管道的建设，以达到完善油气互联互通网络的目的。对于煤炭、电力、石化和钢铁等大宗能源消耗产业，需制定切实可行的碳中和规划。针对煤炭行业，碳中和所关注的重点在于做到科学开采与利用煤炭资源[10]，同时重视煤炭开采地区生态修复的技术与方法[11]，并关注相关下游产业在科学用煤上的重要作用，但必须强调的是，脱碳、减碳不等同于去煤[12]，应在考虑国情的前提下，合理高效地争取碳达峰及碳中和。电力行业相关方面将着重于技术、政策、机制和模式方面的创新，促进行业绿色低碳环保资源的共享，并扩大其替代的广度与深度[13]。在石化行业方面，相关公司需要落实绿色低碳发展战略，提升能源的利用效率，利用相关的政策工具与手段，加快产业结构的调整，全面推动绿色生产与开发建设，同时，还应主动利用绿色清洁能源进行替代[14-15]。在钢铁行业方面，相关企业需要通过提高能源利用率和自身的管理水平降低能耗[16]，在已发布的《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》中，钢铁行业暂定的目标是：力争到2025年，钢铁工业基本形成高质量可持续发展的、绿色的格局。

2 深层页岩气资源在能源结构调整中的接续作用

在化石能源利用领域，加强非常规能源占比将是重要的过渡措施。我国非常规能源利用类型以页岩气和致密油气为主，煤层气等资源类型增长相对缓慢[17-18]。页岩气是指以附存于以富有机质页岩为主，并以吸附和游离两种状态为主要存在方式的非常规天然气[17]，它具有开采寿命长、分布面积广、运移距离相对较短和普遍含气的特点[18]，根据《页岩气发展规划(2016年—2020年)》可知，2015年国土资源部给出最新结果显示我国的页岩气技术可采资源量达到21.8万亿m3，而经过近年的勘察实践也证实页岩气的开发潜能及良好潜力。我国三类主要非常规油气资源的产能[19-20]见表1。

表1 我国三类主要非常规油气资源的产能 Gm3

页岩气资源是我国非常规能源中的主要利用类型，目前主要页岩气产区位于四川盆地，对四川盆地的页岩气资源开发主要是对中层页岩气资源的开发，正在逐步进入深层页岩气勘探及初步开发阶段[21]。深层页岩物性与中浅层页岩存在差异，需要面临储层力学结构、孔隙系统和非均质性等方面的特殊性，开发成本高，精准勘探需求大，许多方面都面临新的挑战[22-24]。但随着我国中浅层页岩气资源的耗竭，增加深层页岩油气资源的开发已迫在眉睫。

3 深层页岩储层在CCUS技术的应用前景

碳捕集、封存与利用(CCUS)技术是把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中，可以循环再利用，而不是简单地封存。CCUS技术能够降低碳排放量，是稳定温室气体排放、保护生态环境组合行动的重要举措，是我国减少二氧化碳排放的重要手段。CCUS技术与传统能源的统合发展将有效促进碳减排和碳达峰目标的实现，同时，也有助于强化化石能源的开发效率，尤其是相对绿色清洁的非常规能源的开发效率。常用的二氧化碳地质利用技术有二氧化碳减排与资源化绿色利用、二氧化碳增产页岩气开采等，因纳米孔隙系统等特性，深层页岩储层作为CO2地质利用的有效载体。

深层页岩储层除所赋存、富集的天然气资源外，其本身所具有的纳米孔隙系统也为二氧化碳强化页岩气开发和碳捕集、封存和利用提供了物质基础[25-27]。我国能源结构的复杂性决定碳中和路径将依赖于多元因素的调整与替代，强化页岩气开发是我国CCUS技术的重要环节，碳捕集、封存与利用(CCUS)技术范畴如图2所示。深层页岩气资源开发面临的一大问题是开发成本较高，但通过二氧化碳驱替增产等措施，可以增加深层页岩气资源产率，降本增效，属于二氧化碳地质利用的范畴[28]。

图2 碳捕集、封存与利用(CCUS)技术范畴

二氧化碳等温室气体的地质封存则是指以适宜的技术手段将温室气体封存于特定的地质构造中，实现其与大气的隔绝，降低温室气体排放对气候的影响，枯竭油气藏是地质封存的重要场所。二氧化碳在深层页岩地层中的地质封存正是对页岩储层本身孔隙性的利用，属于对纳米储集空间资源的开发利用。深层页岩储层本身力学性质稳定，纳米孔隙发育、吸附储集性能较好[29]，由于储层本身层理构造的发育导致其自封性较好[30]，储集气体不易逸散排出，可以更好地隔绝其与大气的接触途径，深地的特点本身也增加了封存温室气体释放的速率。CCUS技术的发展和应用需要国家政策的倾斜与配合[31]，因此，在明确地质条件、完善技术储备的基础上[32]，在国家政策引导下统筹二氧化碳驱替增产以及二氧化碳在深层页岩中的地质封存，形成深层页岩CCUS技术，将有潜力引发深层页岩资源的增效开发以及深地CCUS技术的进一步发展。相比过去传统的油气开发技术手段，二氧化碳驱替增产等二氧化碳地质利用技术同时优化了生产效率并减少了温室气体排放，在石油、天然气和地热资源利用中得到了实践。目前，二氧化碳驱替石油已相对成熟，如加拿大Weyburn项目，每天产量为3 050 t合成天然气，同时产生13 000 t废气，其中96%是CO2，输送至Weyburn油田，在高压下形成超临界流体。高压下的CO2被注入到37口注入井中，促使原油流向145口正在采油的生产井。据预测，二氧化碳去替石油技术将使得油田可以多生产1亿3 000万桶原油，约有2 000万tCO2将被注入并在此项目的生命期中永久储存在1 400 m深的地下[32]，但驱替天然气和地热资源等还处于研发或试验验证阶段，因其降低温室气体排放，优化生产效率等特性，在碳中和背景下具有良好前景。

从CCUS技术应用强化效果预测来看，CCUS可以有效提高化石能源的采收率，强化页岩气开发潜力巨大，二氧化碳强化页岩气开采具有393～899亿t碳封存容量(P10：10%置信区间～P90：90%置信区间)，CCUS技术下的增采量可达66 300亿m3～152 000亿m3(P10：10%置信区间～P90：90%置信区间)，CCUS能源增采与碳封存量见表2。

表2 CCUS能源增采与碳封存量

4 结语

随着新能源技术的发展进步及相关环境与气候变化等问题日益严峻的现状推动，结合我国资源特点进行转型发展势在必行。碳中和背景下，我国能源结构转型受到政策推力的影响，同时也受到固有赋存资源特点的制约，将在化石能源开发与新能源发展的双轨上协同发展，非常规能源作为重要的清洁化石能源类型，它在能源结构转型中占有重要位置。深层页岩勘探开发是确保非常规能源接续发展的重要途径，据中国石油集团经济技术研究院发布《2013年国内外油气行业发展报告》称，2013年中国石油和天然气的对外依存度分别达到58.1%和31.6%，中国已成为全球第三大天然气消费国。开发页岩气对于平衡我国能源需求种类、化解进口依存度过高带来的能源供应隐患有着不可或缺的作用。从环保角度看，天然气对环境的污染比煤和石油小得多，其燃烧产生的SO2、NOx和温室气体极少。从节能高效的角度看，天然气的热值为33 440～418 00 kJ/m3，热效率可达70%以上，远高于煤炭和石油。同时，由于深层页岩自封性好、纳米储集空间发育所拥有的地质特点，深层页岩储层CCUS技术前景广阔，主要体现在二氧化碳强化页岩气开采和深层页岩储层碳储集两个方面。