劉博，王曉榮，劉伯約，苑宏英，紀(jì)冬麗，何少林，宋陽，徐薇

1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京 100083；2.北京中陸咨詢有限公司，北京 100083；3.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384

0 引言

中國國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和”。這是中國首次明確提出“雙碳”目標(biāo)，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要各行各業(yè)的共同努力和積極參與［1-2］。在引起全球氣候變暖的諸多因素中，工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的碳排放占比較大［3］，是產(chǎn)生溫室氣體的主體［4］。對工業(yè)企業(yè)的碳排放進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的核算，是確定碳排放總量和提出針對性降碳措施的關(guān)鍵［5］。

張振芳等［6］對地下煤礦開發(fā)碳排放源進(jìn)行分析，建立碳排放核算模型，得出提高瓦斯利用率是實現(xiàn)碳減排的重要途徑；才慶祥等［7］對露天煤礦的開采進(jìn)行碳排放源分析并建立碳排放核算模型；張震等［8］建立了煤炭礦區(qū)開發(fā)碳排放測算模型以及能源替代視角下礦區(qū)碳排放測算模型；王曉琳等［9］對煤炭礦區(qū)各開采環(huán)節(jié)碳排放源的構(gòu)成進(jìn)行了分析；劉業(yè)業(yè)［10］分別從石油煉制企業(yè)層面和行業(yè)層面進(jìn)行了碳排放核算；牛亞群［11］構(gòu)建了煤制天然氣全生命周期碳排放核算模型，并針對實例提出碳減排建議。當(dāng)前，對煤炭、石油、天然氣的碳排放研究較多［12-14］，對于油頁巖原位開采的研究則主要集中在油頁巖原位開采對地下水的影響以及油頁巖熱解的物性分析方面［15-16］。

本文主要針對油頁巖原位開采礦區(qū)的碳排放進(jìn)行研究，立足于油頁巖原位開采的生產(chǎn)實際，研究分析當(dāng)前行業(yè)內(nèi)碳排放核算存在的問題［17］；同時從油頁巖原位開采的生命周期角度出發(fā)，考慮各個源項的碳排放核算問題，參考相關(guān)行業(yè)已有的核算指南、IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）發(fā)布的《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南2019年修訂》（簡稱《清單指南》）中提供的排放因子法和碳質(zhì)量守恒法，構(gòu)建原位開采的碳排放核算模型，進(jìn)行碳排放量核算和分析，針對核算出的碳排放量制定相應(yīng)的減排計劃，為油頁巖開采行業(yè)編寫核算標(biāo)準(zhǔn)、制定合理的減排方案提供參考和依據(jù)。

1 油頁巖行業(yè)碳排放核算存在的問題

1.1 缺乏相應(yīng)的統(tǒng)一參考標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

目前中國針對油頁巖原位開采碳排放核算方面還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，只能參考石油、化工、煤炭等行業(yè)的規(guī)范。但是油頁巖原位開采涉及到前期的場地開發(fā)，開采中的鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與分離、油氣運輸，以及廢水、廢棄物的處置和開采后的場地恢復(fù)，且不同地區(qū)的油頁巖開采加熱方式也各有不同［18-20］，這使油頁巖原位開采有別于其他行業(yè)，參考其他行業(yè)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)可能會造成核算結(jié)果準(zhǔn)確度較低。因此，油頁巖行業(yè)碳排放核算急需相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)對油頁巖原位開采過程中的場地開發(fā)，鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與分離、油氣運輸，以及廢水、廢棄物的處置和場地恢復(fù)等全生命周期建立核算指南；針對油頁巖原位開采過程中電力、柴油等能源消耗，鉆機(jī)、泵、鍋爐等不同設(shè)備、不同型號的排放，不同運輸車輛、不同設(shè)備的柴油、電力消耗量，管道、脫硫罐、儲油罐、閥門、火炬系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、裝卸過程等有組織和無組織的氣體逸散都應(yīng)建立不同等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫以供參考。

1.2 相關(guān)碳減排方案較為空泛

在“雙碳”背景下，使油頁巖原位開采過程的碳排放量降到最低是企業(yè)的社會責(zé)任，也是降低成本、提質(zhì)增效的關(guān)鍵措施。現(xiàn)有的針對相關(guān)企業(yè)碳排放量的減碳措施較為空泛，缺乏針對企業(yè)各個生產(chǎn)流程、各類能源消耗、各種設(shè)備選型的具有實際可行性的技術(shù)措施，對企業(yè)的實際應(yīng)用價值較小。

應(yīng)制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，準(zhǔn)確反映油頁巖開采過程中碳排放的重點因素，從而更有針對性地提出或部署碳減排方案；在標(biāo)準(zhǔn)中要體現(xiàn)出不同規(guī)格企業(yè)應(yīng)達(dá)到的碳排放量水平，幫助企業(yè)尋找差距，促進(jìn)企業(yè)技術(shù)水平、管理水準(zhǔn)、生產(chǎn)效率的提升，進(jìn)而完成碳減排的目標(biāo)。

2 碳排放核算模型的建立

2.1 影響碳排放量的源項

目前，油頁巖原位開采中的熱解技術(shù)主要有傳導(dǎo)加熱、對流加熱、燃燒加熱、輻射加熱等［21-22］。傳導(dǎo)加熱技術(shù)是利用電加熱器對油頁巖層進(jìn)行加熱；對流加熱技術(shù)是通過向地下注入氣體形成熱交換從而對油頁巖層進(jìn)行熱解［23］；燃燒加熱技術(shù)是在燃燒井中建立燃燒室，加熱油頁巖層，使干餾后的瀝青質(zhì)和固定碳發(fā)生氧化反應(yīng)［24］，從而為后續(xù)熱解提供熱源；輻射加熱技術(shù)是利用射頻加熱和超臨界流體做載體實現(xiàn)油氣的采出［25］。顯然，不同加熱方式對于能源的消耗存在差異，由此所產(chǎn)生的碳排放量也不同。

當(dāng)前對于油頁巖原位開采壓裂油頁巖層的方式主要有水力壓裂、超臨界CO2壓裂、天然氣泡沫壓裂等多種技術(shù)［26］。水力壓裂是通過高壓泵組向地層注入大量混合液體形成裂縫，裂縫在擴(kuò)展過程中延伸貫通，在油層與井筒之間建立起一條新的流體通道［27］；超臨界CO2壓裂是將密度接近于液體，黏度接近于氣體的超臨界CO2作為壓裂流體對注入地層進(jìn)行壓裂［28-29］；天然氣泡沫壓裂技術(shù)主要通過將天然氣流噴射到加壓水中來實現(xiàn)。不同壓裂技術(shù)對于柴油、電力等能源的消耗比例不同，碳排放量就不同；由于壓裂液的成分差異，造成逸散的排放量也不同。

油頁巖原位開采生成的頁巖油和熱解頁巖氣通過生產(chǎn)井驅(qū)提至地面，進(jìn)入三相分離器，實現(xiàn)頁巖油、頁巖氣和水分三相的分離，分離出的頁巖油運送至煉油廠提煉，頁巖氣先進(jìn)入脫硫管脫硫，再進(jìn)入氣體分離裝置進(jìn)行不同組分氣體的分離，水則大部分回注于地下循環(huán)利用。在此過程中，不僅存在能源消耗產(chǎn)生的碳排放，也存在收集與分離過程的逸散排放。

2.2 碳排放核算邊界和碳排放源的確定

對油頁巖原位開采礦區(qū)來說，碳排放核算邊界為開采過程中產(chǎn)生的排放，分為直接碳排放和間接碳排放。直接碳排放是指開采過程中能源消耗引起的碳排放，間接碳排放則是指為了滿足開采需求而排放的不屬于組織邊界內(nèi)的一些排放源，如外購電力產(chǎn)生的排放。

油頁巖原位開采工藝流程比較復(fù)雜，本文將開采過程的鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運輸，以及廢水、廢棄物、生活垃圾的處理作為碳排放核算邊界。根據(jù)核算邊界確定碳排放源，主要包括開采過程中各環(huán)節(jié)消耗的柴油及電網(wǎng)電力等能源的排放，以及廢水、廢棄物、生活垃圾處理產(chǎn)生的碳排放和逸散排放。

在本次研究過程中，主要探討的是CO2、CH4以及N2O 這3 種氣體的碳排放，為了統(tǒng)一計算，將CH4和N2O 氣體的排放量通過溫室效應(yīng)換算轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量來進(jìn)行計算。

2.3 碳排放核算模型的建立

本研究涉及的碳排放核算主要圍繞油頁巖原位開采過程分析，分為鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運輸?shù)? 個開采環(huán)節(jié)，包含廢水、廢棄物和生活垃圾的處理以及貫穿整個過程的逸散排放，如圖1 所示。

圖1 油頁巖原位開采碳排放核算邊界

1）油頁巖原位開采過程的碳排放總量為核算邊界內(nèi)所有碳排放量之和，計算公式如下：

式中：Eall——核算邊界內(nèi)產(chǎn)生的碳排放總量，tCO2；Ezj——鉆井環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；Eyl——壓裂環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；Ejr——加熱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；Esj——油氣收集與處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；Eys——油氣運輸環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；Efs——廢水處理產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；Efw——固體廢棄物處理產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；Elj——生活垃圾處理產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；Eyis——開采全過程產(chǎn)生的逸散排放量，tCO2。

2）鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運輸?shù)? 個環(huán)節(jié)的碳排放量分別是其對電力、柴油等能源消耗產(chǎn)生的碳排放量，計算公式如下：

式中：i——鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運輸環(huán)節(jié)；Ei——鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運輸環(huán)節(jié)的碳排放量，tCO2；Edf——該環(huán)節(jié)柴油消耗產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；Ee——該環(huán)節(jié)電力消耗產(chǎn)生的碳排放量，tCO2；Eother——該環(huán)節(jié)使用其他能源消耗產(chǎn)生的碳排放量，tCO2。其中，能源消耗產(chǎn)生的碳排放量分別是由各自消耗量與對應(yīng)的碳排放因子的乘積得到。

3）廢水、固體廢棄物和生活垃圾處理產(chǎn)生的碳排放量參考《省級溫室氣體清單編制指南》（簡稱《指南》）進(jìn)行估算。

廢水處理產(chǎn)生的CH4和N2O 排放核算公式如下。

生活垃圾和固體廢棄物焚燒處理的碳排放核算公式如下。

式中：ECO2——固廢處理產(chǎn)生的CO2排放量，104tCO2/a；Wi——廢棄物的焚燒量，104t/a；WiCC——廢棄物中碳含量比例，%；FiFC——廢棄物中礦物碳在碳總量中比例，%；EiF——廢棄物焚燒爐的燃燒效率，%。

3 實例研究

以某油頁巖原位開采先導(dǎo)示范區(qū)為例，前期完成勘探井、溫度監(jiān)測井、注氣燃燒井、生產(chǎn)井、地下水源監(jiān)測井等鉆井工程，之后采用原位豎井水力壓裂油頁巖層建立油氣連通通道，實現(xiàn)油頁巖原位加熱、注氣燃燒、干餾驅(qū)提頁巖油氣至地面、油氣分離與收集的工藝路線，最終運輸至煉油廠進(jìn)行精煉加工。參考該示范區(qū)域的環(huán)評報告得到，頁巖油產(chǎn)量為1×105t/a，油頁巖含油率約為6.453%，生活垃圾的產(chǎn)生量為34.3 t/a，危險廢棄物的產(chǎn)生量為3.18 t/a，運送至污水處理廠廢水總量為2.79×103m3，施工周期按4.25 a 計算，產(chǎn)出頁巖氣收集再利用，不計入碳排放量。

3.1 碳排放因子的確定

3.1.1 柴油的碳排放因子

從《清單指南》中查柴油相關(guān)的CO2、CH4、N2O 的缺省碳排放因子，使查到的缺省值乘對應(yīng)熱值并換算單位，得到修正的碳排放因子，選取IPCC第三次評估報告中對應(yīng)的全球增溫潛勢值，將溫室氣體轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量來核算，得到柴油總的碳排放因子為3.20 kgCO2/kg（見表1）。

表1 柴油碳排放因子計算

3.1.2 電力的碳排放因子

按照生態(tài)環(huán)境部2022 年3 月15 日發(fā)布的《關(guān)于做好2022 年企業(yè)溫室氣體排放報告管理相關(guān)重點工作的通知》（環(huán)辦氣候函〔2022〕111 號），對于購入電力的的電網(wǎng)碳排放因子調(diào)整為0.581 tCO2/（MW·h）［30］。

3.1.3 逸散的排放量

煤礦開采、石油開采等逸散的排放因子對于油頁巖原位開采行業(yè)都不具有參考性，本文利用碳質(zhì)量守恒來計算逸散的排放因子，計算公式為：逸散氣體排放量=（原巖開采量×原巖含碳量-產(chǎn)油量×產(chǎn)油含碳量-產(chǎn)氣量×產(chǎn)氣含碳量-剩余半焦量×半焦含碳量）×44/12。根據(jù)本文研究區(qū)域情況（見表2）計算得到逸散碳排放量為5.17×104tCO2。

表2 研究區(qū)域?qū)嶋H情況

3.2 實例計算

該油頁巖原位開采先導(dǎo)示范區(qū)的碳排放源是能源消耗、生活垃圾和固體廢棄物處理、廢水處理和逸散產(chǎn)生的碳排放，具體的能源消耗量和核算結(jié)果如表3 所示。

表3 碳排放核算結(jié)果

根據(jù)核算結(jié)果可知，碳排放總量為5.06×105tCO2，加熱環(huán)節(jié)的碳排放占比最大，為29.44%，排放量是1.49×105tCO2，是所有工藝過程中排放量最大的環(huán)節(jié)；生活垃圾和固體廢棄物處理和廢水處理的碳排放量較少，占比不到1%；除此之外，各個環(huán)節(jié)中，電力消耗產(chǎn)生的碳排放量最大。

4 結(jié)論及建議

從生命周期的角度將油頁巖原位開采過程中鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運輸，以及廢水、廢棄物、生活垃圾的處置作為碳排放核算邊界，確定電力、柴油等能源的消耗，廢水、廢棄物、生活垃圾處理產(chǎn)生的碳排放和逸散排放為碳排放源，最終建立油頁巖原位開采碳排放核算模型。通過對油頁巖原位開采碳排放的核算，對原位開采的碳排放狀況有準(zhǔn)確的了解和定位，為制定相應(yīng)的對策提供依據(jù)，可采取相應(yīng)的措施在源頭上實現(xiàn)碳減排。

基于油頁巖原位開采的碳排放核算模型，對某先導(dǎo)示范基地進(jìn)行碳排放核算，結(jié)果表明，加熱環(huán)節(jié)碳排放量占比最大，為29.44%，各環(huán)節(jié)電力消耗產(chǎn)生的排放量最大。油頁巖原位開采礦區(qū)應(yīng)積極開展節(jié)電工程，控制能源消耗，合理管控高能耗設(shè)備，減少非生產(chǎn)能耗，采用一些具有低碳優(yōu)勢的電力來源，如風(fēng)電、太陽能電力、水電等。工藝技術(shù)方面應(yīng)提升設(shè)備工藝水平，選用先進(jìn)工藝設(shè)備；提高溫室氣體的收集和利用率，減少逸散等方法降低碳排放量。柴油方面合理安排生產(chǎn)，加大道路維護(hù)力度，縮短運距，減少運輸油耗；減少怠速油耗；加強(qiáng)管理，合理調(diào)配、使用車輛，嚴(yán)格用油等。