“双碳”目标下CCUS技术与CO2驱油技术间关联和展望

姚明伟

(吐哈油田吐鲁番采油管理区，新疆 吐鲁番 838000)

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。“双碳”目标是2015年《巴黎协定》通过后中国对应对全球变暖、降低温室气体排放所做的大国承诺，即力求在“十四五”期间实现单位国内生产总值能耗降低13.5%，二氧化碳排放降低18%。油气行业，作为化石能源最主要的生产行业，在原油勘探开发过程中也会产生大量的能量损耗，带来能源的逸散和排放。主要体现在两个方面：一方面是生产设备的运行需要能量。这些转化的机械能都是能源的燃烧带来的，若设备运行效率低，无效功多，则会带来更多的能量损耗以及温室气体的排放；另一方面体现在原油勘探开发过程中会由于工艺、设备等不足带来的能源逸散，或者是采出的油气的泄露，以及伴生气、火炬气的排放等，都会增加温室气体的排放。

针对上述油气行业存在的能源消耗和温室气体排放问题，国内三大石油相继开展了针对各个环节的节能提效技术研究和应用。CO2捕集、利用与封存技术(CCUS)，是中国实现“双碳”目标从根源实现负碳排放的一种;是除森林碳汇外最有效的方式之一，也是自2015年《巴黎协定》通过以来，国际能源署(IEA)、政府间气候变化专门委员会(IPCC)等可靠机构认为的一种去除大气中二氧化碳，减少能源密集型行业和发电企业CO2排放的关键技术。将CO2注入地层进行封存和利用是目前石油行业CO2驱油技术与CCUS技术关联性最为密切的一项技术，也是能够实现CO2有效利用的一种方式。本文从“双碳”目标实现的角度，分析CCUS技术与CO2驱油技术之间的关系和区别及其发展前景。

1 化石能源提高采收率及绿色高效开发利用技术

面对当前全球紧张的能源形势，能源发展与技术创新是国家发展的战略，是保障能源安全、促进能源转型、引领能源革命和支撑“碳达峰、碳中和”目标等的需求，也是坚持能源科技创新、补强能源技术装备短板、引领低碳清洁能源发展的需要。绿色高效化石能源开发利用技术是《“十四五”能源领域科技创新规划》的重要任务，是增强油气安全的保障，是大于油气勘探开发的有效支撑。提升低渗透老油田、高含水油田以及深层油气等陆上常规油气的采收率和储量动用率重点是不断提高油气安全保障供应技术，重点要开展低渗透老油田大幅提高采收率技术[2]。

随着我国常规中高渗油藏开发进入中后期，低渗透、致密油气的开采对低渗透老油田、致密油气藏的资源储量占比也开始突显出来。目前中国仍有70%左右的低渗透致密油气探明储量需要开发，在油气开发中的主体地位更加重要。低渗透、致密油气之所以难开发、采收率低是因为该类储层孔隙度低、渗透率小、孔喉细小、可动流体饱和度低，使得常规增产措施和提高采收率技术难以达到预期效果，水驱往往存在注不进、采不出，以及高压欠注等问题。针对该类油田，采用易注入、地层内易流动、分子量小、易驱动的驱油介质是提高采收率的最有效措施。纳米驱油技术和CO2驱油技术是当前最具潜力和规模的针对低渗、致密油藏的提高采收率的技术。纳米驱油技术主要是通过纳米级流体作为驱油剂，增加在致密储层内的渗透和驱油作用。纳米驱油具有尺寸小、渗透和扩散能力强，表面活性高、润湿性强、降黏等特征，目前第一代纳米驱油技术已经取得了一定的进展。“十四五”的重点工作需要进一步完善纳米驱油开发理论，研发表征评价技术装备，发展第二代纳米驱油技术。CO2驱油技术是目前被公认的最具发展前景的提高石油采收率的技术和方法，主要是利用CO2易达到临界状态，且超临界CO2具有易注入、易混相的优势，对低渗、致密油藏内的原油具有增能、降黏、传质等有益于驱替的作用。目前中国三大石油公司都针对CO2驱油技术进行了多次的现场试验和研究，明确了CO2驱油技术具有提高采收率和实现埋存的作用，对化石能源增能提效以及“双碳”目标下绿色低碳的可持续发展都有积极的促进作用。但目前CO2驱油技术的驱油机理还有待进行进一步的深入研究，同时，如何降低注入成本，实现CO2的有效埋存都有待进一步的解决。

2 “双碳”目标下CO2捕集、利用、封存技术

2.1 CCUS技术即CO2捕集、利用与封存技术

CCUS技术是碳捕集、利用与封存技术，可以实现碳减排和碳移除的双重作用，是中国实现“双碳”目标从根源实现负碳排放的一种最有效的方式[3]，也是自2015年《巴黎协定》通过以来，国际能源署(IEA)、政府间气候变化专门委员会(IPCC)等可靠机构的认为的一种去除大气中二氧化碳，减少能源密集型行业和发电企业CO2排放的关键技术。是在CCS技术的基础上，适合中国国情的一项实现“双碳”目标的高效、潜能技术。其中，CO2捕集技术基本已经涵盖了碳排放源的绝大部分类型，主要通过新建发电厂燃烧前碳脱除等技术将燃料中的碳脱除，实现燃烧前碳捕集；或者对发电厂、化工厂等燃烧后产生的二氧化碳进行分离、烟气再循环等方法进行燃烧后捕集或富氧燃烧手段进行碳捕集。在利用和封存方面，涉及地质、化工、生物等领域，且与所在领域较为成熟的技术相结合，增加了其应用深度和广度。其中，最被认可且与油气行业最息息相关的CO2封存和利用技术当属CO2驱油技术，因其即可实现驱油以提高采收率，又可实现碳封存，备受油气行业青睐和推崇。

目前，CCUS技术在我国拥有巨大的应用市场和发展前景，在提高采收率方面约有130亿t原油地质储量适用于提高采收率技术，在实现碳封存的同时也会为油气行业提高采收率带来巨大的收益。虽然CCUS技术未来会形成完整的技术体系和产业的集群化，但目前在国内仍存在诸多困难和挑战去不断的攻克。

2.2 CO2利用与封存——CO2驱油提高采收率

CO2驱油技术属于提高采收率技术中注气驱油技术中的一种类型，同时也是CCUS技术中实现CO2利用和封存的一种可用于油气行业的最具发展前景的更细致、专业化更强的分支技术。是充分考虑CO2的物性特征：CO2易达到临界温度和压力，且在超临界状态下性质会产生变化，呈现出密度接近于液体，黏度接近于气体的一种特性[4]，使得该超临界状态下的CO2扩散系数大，溶解能力强；二是充分应用CO2与原油之间相互作用关系：CO2在原油中具有较强的溶解能力，能够降低原油的密度，降低油水界面张力，改变储层润湿性。此外，还考虑CO2在不同的温度、压力、渗透率条件下，所处形态各不相同，且与不同黏度、不同密度的原油的混合程度、溶解程度也会有所差异。对CO2驱油技术在上述三方面进行驱油原理的应用与研究，国外早在20世纪50年代就已经开始了相关研究，目前在国际上已经是一项相对成熟的技术。美国是世界上使用CO2驱油技术最多国家，据统计，2014年美国CO2驱油项目就已经其注气驱项目的78.2%[5]。我国CO2驱油技术起步相对较晚，目前虽然与国外同类技术还存在一定差距，但发展迅速，室内实验和现场试验都已取得一定成果和进展。

目前CO2驱油技术也存在一定问题和技术难点：

①CO2捕集问题。无论是CO2是天然储藏捕获还是人工捕获，我国目前存在CO2起源规模小，人工捕获存在捕获成本高的问题。②CO2注入和埋存问题。由于CO2易溶于水，流动性强，对低渗油藏、致密油藏有有效驱油作用，但同时也会对非均质性强的储层带来气窜问题，会给高含水油田造成井筒或者近井地层结垢等问题。③在埋存方面，据统计，用于CO2驱油技术的CO2大约有40%用于循环使用，有60%的被埋存于地下。其中，被循环使用的CO2会由于驱油过程中发生组分变化，随着原油的采出，发生组分变化的CO2会被回收、处理，达到回注标准后被再次回注到地层进行循环使用；但对于埋存的CO2,能否实现永久的埋存，需要对埋存技术和监测技术等做进一步的攻关和研究，确定CO2的封存量、存留时间，确保监测的精度以及可靠性、确保无泄露风险等，实现长效埋存。

2.3 CCUS技术与CO2驱油技术的关联

CCUS技术出发点是针对环境气候问题而提出来的一项可以实现净零排放的减排和碳移除技术。其中，CCUS的利用与封存作为该技术的最重要环节和最终阶段，主要是通过利用CO2的物理、化学或者生物作用，将 CO2在地质领域进行利用，如石油开采时提高采收率，用于天然气、煤层气、页岩气等开采；将CO2在化工领域进行利用，如重整制备合成气、合成甲醇、可降解聚合物等。将CO2在生物领域进行应用，诸如转化为食品和饲料、生物肥料、化学品等。对于CO2的地质封存可通过化学吸收和物理吸收的方法实现。CO2驱油技术是针对油气行业提高原油采收率而提出的一种气驱技术，该技术开始大规模工业应用的时间早于CCUS概念提出的时间。CO2驱油提高原油采收率技术是目前CCUS技术最受瞩目、最具发展潜能的方向，可实现利用与封存双重作用。目前，利用CO2驱油已经取得了一定成果，但在地质利用方面依旧相对薄弱，且在埋存方面对于埋存环境的密闭性要求高，防泄漏以及监测技术尚未成熟，埋存技术尚需不断探索和研究。

3 展望与建议

CCUS技术在未来发展中将从捕集、利用、封存的各个环节呈现出产业链条化的新业态形势，CO2驱油技术因兼顾驱油提采和封存的双重作用，在经济和环境效益方便表现突出，成为CCUS的主要技术发展方向，因此，攻克CO2驱油技术的瓶颈问题，将会对化石能源增储上产和绿色发展、节能低碳创造巨大价值。

在进行CO2埋存选井过程中，可以选择CO2驱油的老井或即将报废的井，一方面可以提高老井的采收率，驱出剩余油，另一方面增加对CO2驱油效果的效果监测以及对注入的CO2的留存时间进行监测；在老井或者即将报废井产油价值不高时，转为CCUS技术作业的优选埋存地层和井位，在之前CO2驱油作业的基础上，将更多的地面注入设备应用于CCUS技术的CO2埋存作业环节，一方面节约了设备移动的开支和成本，另一方面也对已经注入的部分存留的CO2进行了进一步的埋存。