李嘉豪 王懷林 肖前華 陶 宇 楊貴中 胡 曉

(1. 重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院， 重慶 401331；2. 重慶科技學(xué)院 法政與經(jīng)貿(mào)學(xué)院， 重慶 401331)

0 前 言

全球氣候變化已對(duì)人類社會(huì)構(gòu)成了巨大威脅，作為主要溫室氣體，CO2的減排呼聲響徹全球。全球CO2排放量逐年攀升，2020年CO2排放量高達(dá)315×108t，且仍在不斷增長[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，溫室氣體大量排放，導(dǎo)致全球氣候逐漸變暖。世界氣象組織發(fā)布的《2020年全球氣候狀況報(bào)告》指出，2020年全球平均氣溫比工業(yè)化前水平高出約1.2 ℃，氣溫上升速度明顯比預(yù)期快[2]。中國積極應(yīng)對(duì)氣候變化，大力推進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”工作。

CO2驅(qū)油技術(shù)能夠在提高油田經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳封存，促進(jìn)能源發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的有機(jī)統(tǒng)一，對(duì)推進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。CO2的捕集和封存能夠降低大氣中溫室氣體的含量，其中CO2驅(qū)油技術(shù)是實(shí)現(xiàn)CO2捕捉和封存的有效手段之一。對(duì)致密油/頁巖油開展CO2驅(qū)油能夠提高原油采收率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)雙贏[4]。隨著全球?qū)厥覛怏w排放等生態(tài)環(huán)境問題的高度重視，CO2驅(qū)油及封存一體化技術(shù)逐漸形成[5]。CO2驅(qū)油及封存技術(shù)是指通過向油藏中注入CO2來提高地層壓力、補(bǔ)充地層能量，以提高油田采收率、降低國家原油對(duì)外依存度。與此同時(shí)，氣驅(qū)油后大部分CO2永久封存于地下，達(dá)到了碳中和的目的[6]。全球油氣田使用CO2驅(qū)油技術(shù)可增加逾350×108t的石油開采量，且能將700×108～1 000×108t的CO2封存于地下[7-8]。我國有超過百億噸的石油地質(zhì)儲(chǔ)量適合CO2驅(qū)油，預(yù)計(jì)可增加7×108～14×108t的產(chǎn)油量。全國廢棄油氣田、無可開采的煤層和深部咸水層的CO2封存潛力較大，預(yù)計(jì)可封存逾2 300×108t的CO2，其中深部咸水層的封存潛力最大[9-11]。雖然我國的碳捕集利用與封存技術(shù)(CCUS)起步較晚，但取得了一定的成果，首個(gè)CCUS項(xiàng)目在陜北地區(qū)實(shí)施，進(jìn)展較為順利[12-14]。本次研究擬調(diào)研國內(nèi)外典型的CO2驅(qū)油及封存技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以期為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。

1 國內(nèi)外CO2驅(qū)油技術(shù)

1.1 國外CO2驅(qū)油技術(shù)

美國是世界上第一個(gè)研究并應(yīng)用了CO2-EOR技術(shù)的國家[4]。20世紀(jì)中葉，美國大西洋煉油公司發(fā)現(xiàn)在制氫工藝中產(chǎn)生的CO2能夠改善原油的流動(dòng)性。1952年，Whorton等人提出了世界首個(gè)CO2驅(qū)油專利，揭開了CO2驅(qū)油的歷史篇章[5, 15]。

繼美國之后，蘇聯(lián)快速推進(jìn)CO2驅(qū)油技術(shù)，特別是對(duì)驅(qū)油方式進(jìn)行了大量研究。1953年，蘇聯(lián)開始對(duì)注CO2提高采收率技術(shù)進(jìn)行研究。1963年，蘇聯(lián)開展了注CO2驅(qū)油現(xiàn)場生產(chǎn)試驗(yàn)，開發(fā)效果較好，其后又研發(fā)了CO2-水交替注入技術(shù)及工藝、混相驅(qū)和非混相驅(qū)技術(shù)，并將其投入礦場進(jìn)行實(shí)踐[16]。

進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，CO2驅(qū)油技術(shù)的研究重心向提高采收率機(jī)理偏移。1974年，Holm通過研究CO2驅(qū)油機(jī)理得出，CO2對(duì)原油中輕質(zhì)組分具有抽提作用，并能得到最優(yōu)的驅(qū)替壓力[17-18]。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對(duì)注CO2如何更好地提高采收率開展了一系列探索。1981年，美國對(duì)RE砂層試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了混相劑驅(qū)油試驗(yàn)，主要是向RE砂層試驗(yàn)區(qū)注入CO2、正丁烷及甲烷混合物，增油效果顯著。這類似于近年來逐漸被重視的注烴類氣驅(qū)及注混合氣驅(qū)技術(shù)。另外，還進(jìn)行了一系列混相驅(qū)與非混相驅(qū)實(shí)施與應(yīng)用的研究，大部分油田的混相驅(qū)效果較好，但對(duì)于實(shí)際地層很少能達(dá)到混相驅(qū)的效果，事實(shí)證明非混相驅(qū)也能達(dá)到大幅度提高原油采收率的效果[16]。

進(jìn)入21世紀(jì)后，國外研究進(jìn)入地質(zhì)封存與提高采收率技術(shù)相結(jié)合的階段。Robert等人向CO2中加入稠化劑以增加注入流體的流度，通過改善流度比提高CO2驅(qū)油效果，降低氣竄影響。Bossie等人利用數(shù)值模擬方法評(píng)價(jià)了枯竭油藏封存CO2的潛力[19]。

加拿大也是較早研發(fā)和應(yīng)用EOR技術(shù)的國家之一。加拿大政府通過調(diào)整相關(guān)能源政策，推動(dòng)CO2-EOR技術(shù)快速發(fā)展與應(yīng)用[15]。2006年，加拿大采取氣驅(qū)采油技術(shù)獲得的原油產(chǎn)量高于采取熱力采油技術(shù)獲得的原油產(chǎn)量。2012年，加拿大注氣項(xiàng)目占總EOR項(xiàng)目的75.5%，EOR增產(chǎn)量占原油總產(chǎn)量的20.0%[20]。

由全球CO2驅(qū)油項(xiàng)目分布(見表1)可知[21-24]，全球開展了大量的CO2驅(qū)油項(xiàng)目，大部分以混相驅(qū)為主?；煜囹?qū)降低了原油黏度和油氣界面的影響，而非混相驅(qū)增加了界面張力對(duì)驅(qū)油的影響。整體而言，CO2驅(qū)油技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景[16]。

表1 全球CO2驅(qū)油項(xiàng)目分布

1.2 國內(nèi)CO2驅(qū)油技術(shù)

20世紀(jì)60年代后期，我國開始探索CO2驅(qū)油技術(shù)[5, 10]。1963年，大慶油田首先對(duì)CO2驅(qū)油提高采收率技術(shù)進(jìn)行研究，之后分別在1966年、1969年開展了注CO2先導(dǎo)試驗(yàn)[5]。1980年，濮城油田沙一下油藏實(shí)施了CO2混相驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)，達(dá)到了提產(chǎn)的目的。1995年，吉林油田開展了CO2單井吞吐試驗(yàn)，利用液態(tài)CO2吞吐和CO2泡沫壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了累計(jì)增油1 420 t。1996年，江蘇富民油田開展了CO2驅(qū)替試驗(yàn)，截至2002年累計(jì)試驗(yàn)36次，采收率提高了50%[25]。1998年末，江蘇油田富14斷塊開展了CO2-水交替注入試驗(yàn)，截至2000年采收率提高了4%[26]。1998年，勝利油田開展了CO2單井吞吐試驗(yàn)，單井產(chǎn)油量增加了200 t以上[27]。2002年，茨榆坨油田13斷塊開展了CO2驅(qū)替試驗(yàn)，增油效果顯著，日產(chǎn)油量增加了8.2 t[28]。2014年，靖邊油田開展了CO2-水交替注入試驗(yàn)，驅(qū)油效率達(dá)到77.3%[29]。以下為國內(nèi)幾個(gè)典型的CO2驅(qū)油及封存項(xiàng)目簡介。

(1) 中原油田CO2驅(qū)油及封存項(xiàng)目[30]。1980年投入開發(fā)，因油井產(chǎn)水量較高導(dǎo)致大部分井停產(chǎn)。1988年，綜合含水量高達(dá)98.1%，采出程度僅為49.2%，基本進(jìn)入水驅(qū)廢棄階段。2008年，中原油田開始應(yīng)用CO2-水交替注入技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中原油田自開展CO2驅(qū)油礦場試驗(yàn)以來，原油采收率提高了15%，地質(zhì)封存CO2已達(dá)近萬噸。

(2) 草舍油田CO2驅(qū)油及封存項(xiàng)目[31]。自開展注氣措施以來，CO2累計(jì)注入量為18×104t，累計(jì)增油8×104t，原油采收率提高了7.9%。

(3) 勝利油田4×104t/a CO2驅(qū)油及封存項(xiàng)目[32]。2008年初開始連續(xù)向地層中注入CO2，截至目前，CO2累計(jì)注入量為24.0×104t，累計(jì)增油5.5×104t，CO2動(dòng)態(tài)封存率達(dá)92%。

(4) 腰英臺(tái)油田CO2驅(qū)油及封存項(xiàng)目[30]。自2011年開始注氣以來，共計(jì)向12口井中注入高含CO2天然氣19.8×104t，累計(jì)增油6.5×104t。沈平平等人指出，適合應(yīng)用CO2驅(qū)油技術(shù)開采的原油地質(zhì)儲(chǔ)量約為1.2×1010t，可累計(jì)增產(chǎn)1.6×109t[33]。

1.3 CO2驅(qū)油技術(shù)存在的問題及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1.3.1 CO2驅(qū)油技術(shù)存在的問題

(1) 井筒腐蝕問題。向井下注入CO2會(huì)對(duì)管柱造成不可逆轉(zhuǎn)的腐蝕傷害(如管柱穿孔、變形、斷落等)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低。

(2) 重質(zhì)組分沉積。在CO2驅(qū)替過程中，由于輕質(zhì)組分的抽提，且輕質(zhì)組分更易于流動(dòng)，導(dǎo)致固相沉積，進(jìn)而影響儲(chǔ)層的滲流能力和流體的可動(dòng)用性。

(3) 氣竄。氣體在儲(chǔ)層中的流動(dòng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油、水，相較于注水開發(fā)，注氣開發(fā)的井間干擾程度非常大，一旦出現(xiàn)氣竄，很難繼續(xù)提高采收率。

(4) 油藏飽和度計(jì)算問題。驅(qū)油作業(yè)過程中，基于西格瑪?shù)腃O2飽和度測算方法具有較高的不確定性，傳統(tǒng)的碳氧測井含油飽和度也會(huì)受到油相中混相CO2的影響，難以獲取油氣飽和度分布。此外，孔隙度是飽和度和體積計(jì)算的關(guān)鍵部分，為準(zhǔn)確計(jì)算飽和度，必須測量酸處理所增加的孔隙度。

(5) 經(jīng)濟(jì)有效性問題。CO2驅(qū)油技術(shù)受氣源和CO2氣體自身屬性的限制，成本太高，難以通過經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[6]。油田大多遠(yuǎn)離城市，而大部分CO2排放源靠近城市，高額的集輸成本限制了CO2驅(qū)油及封存技術(shù)的發(fā)展。

(6) 安全性問題。CO2注入地層后會(huì)使儲(chǔ)層物性發(fā)生變化，從而產(chǎn)生一系列的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致不穩(wěn)定因素增加。除此之外，CO2的腐蝕作用可能會(huì)帶來地震災(zāi)害。

1.3.2 CO2驅(qū)油技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

(1) 儲(chǔ)集層特征。巖性方面，CO2與大多數(shù)巖性配伍性較好。2014年，美國128個(gè)CO2混相驅(qū)項(xiàng)目中砂巖和碳酸鹽巖油藏分別為39和55個(gè)，共占73%[15, 34]。2014年美國CO2混相驅(qū)油藏巖性構(gòu)成如圖1所示?？紫缎院蜐B透性方面，美國低孔低滲油藏均運(yùn)用CO2混相驅(qū)油技術(shù)，儲(chǔ)層的平均孔隙度為13.23%，平均滲透率為38.1×10-3μm2，最小孔隙度為3.00%，最小滲透率為1.5×10-3μm2[15]。美國CO2混相驅(qū)用于淺層油藏的較少，且多數(shù)油藏溫度較低。截至2014年，美國75.8%的CO2混相驅(qū)項(xiàng)目油藏溫度低于65 ℃，平均單井日產(chǎn)量達(dá)到3.05 t；其中有16個(gè)項(xiàng)目油藏溫度低于38 ℃，平均單井日產(chǎn)量僅為1 t，說明溫度過低會(huì)影響CO2驅(qū)油效果。

圖1 2014年美國CO2混相驅(qū)油藏巖性構(gòu)成

(2) 原油性質(zhì)。輕質(zhì)原油更容易與CO2發(fā)生相間傳質(zhì)[15, 35]，這主要是因?yàn)檩^低的混相壓力使二者更容易實(shí)現(xiàn)混相。低黏度、低密度是輕質(zhì)原油的主要表觀特征。

(3) 混相驅(qū)時(shí)機(jī)。從油田實(shí)施CO2混相驅(qū)之前的開發(fā)方式來看，水驅(qū)提高采收率技術(shù)的適應(yīng)性較好，運(yùn)用范圍較廣。只有部分油田在二次采油時(shí)直接進(jìn)行CO2驅(qū)油。通過多次接觸實(shí)現(xiàn)CO2與原油的混相，有蒸發(fā)混相、凝析混相2種機(jī)理，混相驅(qū)替效率高，但需地層壓力高于最小混相壓力[36]。

(4) 非混相驅(qū)的選擇。由于地層壓力較低或原油性質(zhì)較差，CO2可以降低原油黏度、膨脹地層原油和降低界面張力，但驅(qū)替效率較低[36]。美國CO2非混相驅(qū)技術(shù)于1980年前后開始應(yīng)用，但其成熟度遠(yuǎn)低于混相驅(qū)，并在施工過程中產(chǎn)生了一系列問題。例如，CO2氣體快速突破形成優(yōu)勢通道，導(dǎo)致CO2的波及系數(shù)較低、不同儲(chǔ)集層對(duì)CO2的適應(yīng)性不同。但也有學(xué)者認(rèn)為非混相驅(qū)不僅易于實(shí)現(xiàn)，而且驅(qū)油效果優(yōu)于混相驅(qū)。

2 國內(nèi)外油氣田CO2封存發(fā)展現(xiàn)狀

CO2封存是指通過工程技術(shù)手段將捕集到的CO2進(jìn)行壓縮埋存或儲(chǔ)集，以實(shí)現(xiàn)CO2與大氣的有效隔絕。CCUS技術(shù)主要包括CO2捕集、運(yùn)輸、封存與利用4個(gè)環(huán)節(jié)。CO2封存可分為地質(zhì)封存、海洋封存、化學(xué)封存等3種方式。地質(zhì)封存是將CO2注入廢棄油氣藏、煤層及近海地區(qū)深部的咸水層中，埋深一般在800 m以下[37]。CO2地質(zhì)封存主要有枯竭油氣藏封存、深部咸水層封存和煤層封存等3種方式。

(1) 枯竭油氣藏封存[38]。大量專家學(xué)者結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，借助地層監(jiān)測技術(shù)和鉆井技術(shù)對(duì)CO2地質(zhì)封存的可行性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，經(jīng)過近10年的應(yīng)用與研究，這種封存技術(shù)已發(fā)展得較為成熟。

(2)深部咸水層封存[39]。由于深部咸水層的特殊性，該儲(chǔ)層水不能飲用且沒有開采價(jià)值。初步估計(jì)，利用該方式可封存全球2015年前CO2預(yù)排放量的20%～50%。

(3) 煤層封存[40]。煤層對(duì)CO2的吸附能力是對(duì)CH-的2倍，通過競爭吸附置換原理置換出煤層中的CH-，以提高煤層采收率。但CO2注入煤層后會(huì)發(fā)生溶脹反應(yīng)，從而縮小了煤巖的孔隙空間，降低了煤層的儲(chǔ)存能力，使CO2很難再注入其中，因此煤層封存能力有限。

全球陸上理論封存容量為(6～42)×1012t，海洋理論封存容量為 (2～13)×1012t。其中，深部咸水層封存占據(jù)主導(dǎo)位置，其封存容量占比達(dá)到 98%；枯竭油氣藏由于具有完整的構(gòu)造、詳細(xì)的地質(zhì)勘探等基礎(chǔ)資料，是CO2封存的適宜場所[41]。

中國地質(zhì)封存潛力約為(1.21～4.13)×1012t。油藏封存方面，通過CO2驅(qū)油協(xié)同CO2封存可以實(shí)現(xiàn)約51×108t的CO2封存量。氣藏封存方面，通過將CO2注入枯竭氣藏，可實(shí)現(xiàn)約153×108t的CO2封存量。另外，通過注CO2提高天然氣采收率協(xié)同CO2封存，可實(shí)現(xiàn)約90×108t的CO2封存量。深部咸水層封存方面，中國深部咸水層的CO2封存量約為2.42×1012t[41]。

截至2020年，全球共有65個(gè)商業(yè)CCUS項(xiàng)目，其中正在運(yùn)行的26個(gè)，暫停運(yùn)行的2個(gè)，在建設(shè)施的3個(gè)，已經(jīng)進(jìn)入前端工程設(shè)計(jì)階段的13個(gè)，處于開發(fā)早期的21個(gè)[41]。

截至2020年，中國正在運(yùn)行或建設(shè)中的CCUS項(xiàng)目約40個(gè)，捕集能力為300×104t/a[41]，主要分布在19個(gè)省份，捕集源行業(yè)和封存利用類型呈多樣化分布。大多以石油、煤化工、電力行業(yè)小規(guī)模的CO2捕集及驅(qū)油項(xiàng)目為主，缺乏大規(guī)模的多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)化CCUS設(shè)施。13個(gè)涉及電廠和水泥廠的純捕集項(xiàng)目的CO2捕集能力超過85×104t/a；11個(gè)CO2驅(qū)油與封存項(xiàng)目的規(guī)模達(dá)182.1×104t/a，其中CO2利用規(guī)模約為154×104t/a。

碳達(dá)峰、碳中和已成為全球研究熱點(diǎn)，歐洲和北美已啟動(dòng)55個(gè)項(xiàng)目對(duì)CCUS技術(shù)進(jìn)行超前研究，以搶占利潤豐厚的碳減排市場[43-44]。

3 CO2驅(qū)油與封存的優(yōu)化平衡研究

通過學(xué)習(xí)和借鑒國外的成功經(jīng)驗(yàn)，我國CO2驅(qū)油技術(shù)得到了很好的發(fā)展，擁有了多項(xiàng)優(yōu)化平衡關(guān)鍵技術(shù)[30,45]。

(1) 不同CO2排放源的捕集技術(shù)：包括石油化工廠、燃煤電廠及煤炭化工廠等不同CO2排放源。

(2) CO2驅(qū)油開發(fā)實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)：如氣驅(qū)油藏流體相態(tài)分析、巖心驅(qū)替、巖礦反應(yīng)等。

(3) CO2驅(qū)油藏工程設(shè)計(jì)技術(shù)：以注入和采出等生產(chǎn)指標(biāo)預(yù)測為核心。

(4) CO2驅(qū)油與封存評(píng)價(jià)技術(shù)：主要涵蓋CCUS資源潛力評(píng)價(jià)及油藏篩選。

(5) CO2腐蝕評(píng)價(jià)技術(shù)：可以找到CCUS過程中相關(guān)材質(zhì)的腐蝕規(guī)律及防腐對(duì)策。

(6) CO2驅(qū)注采工藝技術(shù)：主要采用水氣交替注入工藝、多相流舉升工藝。

(7) CO2驅(qū)地面工程設(shè)計(jì)與建設(shè)技術(shù)：主要涵蓋CO2運(yùn)輸、注入及產(chǎn)出流體處理與循環(huán)注入。

(8) 氣驅(qū)油藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測評(píng)價(jià)技術(shù)：采用氣驅(qū)生產(chǎn)調(diào)整的手段對(duì)油藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測評(píng)價(jià)。

(9) CO2驅(qū)安全防控技術(shù)：主要對(duì)“空天 — 近地表 — 油氣井 — 地質(zhì)體 — 受體”進(jìn)行一體化安全監(jiān)控與預(yù)警。

(10) 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)技術(shù)：主要對(duì)CCUS經(jīng)濟(jì)潛力及CO2驅(qū)油項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

上述涵蓋捕集、選址、容量評(píng)估、注入、監(jiān)測和模擬等在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)，為全流程CCUS工程示范提供了重要的技術(shù)支撐，并在實(shí)踐過程中得到了逐步完善。近十余年的CO2驅(qū)油及封存實(shí)踐表明，必須注重二者的優(yōu)化平衡，才能實(shí)現(xiàn)安全與發(fā)展的良性互動(dòng)[30]。

4 結(jié) 語

(1) CO2驅(qū)油具有很長的發(fā)展歷史，技術(shù)已非常成熟，驅(qū)油效果較好，但也存在腐蝕、氣竄和難以進(jìn)行數(shù)值模擬等常見問題。

(2) 全球CO2封存潛力巨大，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)萬億噸的封存潛力。中國油氣藏封存潛力達(dá)到數(shù)百億噸，目前已實(shí)現(xiàn)上百萬噸的封存規(guī)模。

(3) CO2驅(qū)油技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)提高油田采收率和封存的雙贏局面，但需注重二者之間的優(yōu)化平衡，才能實(shí)現(xiàn)安全與發(fā)展的良性互動(dòng)。