封存利用，再創(chuàng)價(jià)值——二氧化碳在石油開采中的應(yīng)用

■ 陸 鳴

二氧化碳（CO2）是大氣中的主要溫室氣體，現(xiàn)在通常被認(rèn)為是導(dǎo)致全球氣候變暖、洪水、嚴(yán)重的熱帶風(fēng)暴、沙漠化和熱帶地區(qū)擴(kuò)大等生態(tài)問題的重要因素之一。

大氣中的二氧化碳主要是由燃燒煤和化石燃料產(chǎn)生的，這讓石油化工的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)不得不面臨嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)?？简?yàn)。

封存二氧化碳

目前降低二氧化碳的方法包括能源的合理使用，使用煤和石化燃料的替代品，通過熱帶雨林或農(nóng)場(chǎng)等陸地封存，以及海洋處置、礦物封存、地質(zhì)封存等。其中，減少二氧化碳排放最有效的方式是節(jié)能，其次是使用新能源，如天然氣、風(fēng)能、太陽(yáng)能和核能等，減少化石能源的使用，此外還應(yīng)發(fā)展二氧化碳收集、封存及再利用等技術(shù)。

二氧化碳地質(zhì)封存是將二氧化碳注入地下并長(zhǎng)期封存于1000～3000米深的地層中，用地層的孔隙空間儲(chǔ)存二氧化碳，還可分為咸水層封存、枯竭油田和氣田封存。全球都可能存在適合二氧化碳封存的沉積盆地，包括沿海地區(qū)。

二氧化碳從封存的地點(diǎn)泄漏到大氣中，有可能引發(fā)顯著的氣候變化。因此要求封存用的地層之上必須有透水層作為蓋層，以封存注入的二氧化碳，防止泄漏。但二氧化碳同樣不可以泄漏到地層深處，否則也會(huì)給人類、生態(tài)系統(tǒng)和地下水造成災(zāi)害。此外，對(duì)地質(zhì)封存二氧化碳效果進(jìn)行的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，注入地層深處的二氧化碳對(duì)貯藏帶的礦物質(zhì)有一定影響。

利用二氧化碳

對(duì)全球變暖而言，二氧化碳是場(chǎng)災(zāi)難；但對(duì)石油開采而言，二氧化碳或許就是一個(gè)利器。

在油田開采最初，一部分石油在巨大的壓力下，可以自己噴射出來，但是慢慢的，有些巖層孔隙中的石油就失去了自噴能力。后來科學(xué)家們相繼發(fā)明了注水驅(qū)油、化學(xué)驅(qū)油、蒸汽驅(qū)油等采油技術(shù)。而在這其中，利用二氧化碳開采石油，不僅能把孔隙中的石油開采出來，同時(shí)還能把二氧化碳埋存在地下，可以說是一舉兩得。

這歸結(jié)于二氧化碳的化學(xué)特性。二氧化碳是一種在油和水中溶解度都很高的氣體，當(dāng)它大量溶解于原油中時(shí)，可以使原油體積膨脹、黏度下降（黏度降低30%～80%），還可以降低油水間的界面張力、改變?cè)兔芏龋兄谠趦?chǔ)層形成較有利的原油流動(dòng)條件，有利于原油中輕質(zhì)餾分的汽化和抽取。

純度在90%以上的二氧化碳即可用于提高采油率。在石油采鉆業(yè)中，通常的做法是用鉆孔機(jī)將二氧化碳注入地層，二氧化碳在地層內(nèi)溶于石油。一般可提高原油采收率7%～15%，延長(zhǎng)油井生產(chǎn)壽命15～20年。所用二氧化碳可從工業(yè)設(shè)施如發(fā)電廠、化肥廠、水泥廠、化工廠、煉油廠、天然氣加工廠等排放物中回收，既可實(shí)現(xiàn)溫室氣體的減排，又可達(dá)到增產(chǎn)油氣的目的。

與其他驅(qū)油技術(shù)相比，二氧化碳驅(qū)油具有適用范圍大、驅(qū)油成本低、采收率提高顯著等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)評(píng)估，全世界適合二氧化碳驅(qū)油開發(fā)的資源約為3000～6000億桶。

目前，世界上大部分油田仍采用注水開發(fā)，面臨著需要進(jìn)一步提高采收率和水資源缺乏的問題。近年來，國(guó)內(nèi)外大力開展的二氧化碳驅(qū)油提高采收率（EOR）技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，不僅能滿足油田開發(fā)的需求，還可以解決二氧化碳的封存問題，保護(hù)大氣環(huán)境。

挑剔的二氧化碳

開采和封存石油時(shí)，用的二氧化碳并不是氣體，而是一種介于氣體和液體之間的狀態(tài)，這樣可以封存盡可能多的二氧化碳。但因?yàn)橛械挠吞镆驐l件所限，可能會(huì)使用二氧化碳和水交替注入的方式采油。

二氧化碳驅(qū)提高石油采收率方法適用于油田開發(fā)晚期，通過CO2-EOR技術(shù)(混相驅(qū))，原油采收率比注水方法約提高30%～40%；對(duì)于重質(zhì)油藏，非混相驅(qū)技術(shù)一次開采采收率可達(dá)原始地質(zhì)儲(chǔ)量的20%以上。根據(jù)油田地質(zhì)和沉積類型的不同以及認(rèn)識(shí)程度的差異，其增產(chǎn)幅度可以提高到25%～100%。我國(guó)低滲透和稠油資源非常豐富，在這些油藏中利用二氧化碳提高采收率的潛力巨大

由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)原因，不是所有的儲(chǔ)層都適合于CO2-EOR混相驅(qū)油，具體油田進(jìn)行二氧化碳驅(qū)提高石油采收率需要與當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行緊密結(jié)合。

二氧化碳驅(qū)提高石油采收率實(shí)施的儲(chǔ)層地質(zhì)條件為：儲(chǔ)層的深度范圍在1000～3000米范圍內(nèi)；致密和高滲透率儲(chǔ)層；原油黏度為低或中等級(jí)別；儲(chǔ)層為砂巖或碳酸鹽巖。目前，較成功的CO2-EOR技術(shù)是在距地面800米或更深的地方，地?zé)崽荻葹?5～35℃/km，壓力梯度為10.5MPa/km，分離的二氧化碳將處于超臨界狀態(tài)，它的深度變化范圍為440～740kg/m3。

前景廣闊的CCUS

近年來，我國(guó)在CCS（Carbon Capture and Storage，碳捕獲與封存）的研究上做了很多的工作，包括“973計(jì)劃”、“863計(jì)劃”在內(nèi)的國(guó)家重大課題都對(duì)CCS的研究進(jìn)行了立項(xiàng)，并取得了重大進(jìn)展。一些企業(yè)還在實(shí)踐上進(jìn)行了嘗試。2008年7月16日中國(guó)首個(gè)燃煤電廠二氧化碳捕集示范工程——華能北京熱電廠二氧化碳捕集示范工程正式建成投產(chǎn)，并成功捕集出純度為99.99%的二氧化碳。

CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage，碳捕獲、利用與封存）技術(shù)是CCS技術(shù)新的發(fā)展趨勢(shì)，即把生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳進(jìn)行提純，繼而投入到新的生產(chǎn)過程中，可以循環(huán)再利用，而不是簡(jiǎn)單地封存。與CCS相比，CCUS將二氧化碳資源化，能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，更具有現(xiàn)實(shí)操作性。

二氧化碳的資源化利用技術(shù)有合成高純一氧化碳、煙絲膨化、超臨界二氧化碳萃取、食品保鮮和儲(chǔ)存、焊接保護(hù)氣、滅火器、合成可降解塑料、培養(yǎng)海藻、油田驅(qū)油等。其中合成可降解塑料和油田驅(qū)油技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。勝利油田電廠已啟動(dòng)CCUS的示范項(xiàng)目。

勝利油田勝利發(fā)電廠是燃煤電廠，每年排放二氧化碳415萬(wàn)噸。從1998年底開始，勝利油田便展開二氧化碳捕集研究。2010年，“勝利燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集純化工程”正式開工建設(shè)。2012年，大規(guī)模燃煤電廠煙氣二氧化碳捕集、驅(qū)油及封存技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用示范項(xiàng)目啟動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，二氧化碳被注入地下后，約有50%～60%被永久封存于地下，剩余的40%～50%則隨著油田伴生氣返回地面，通過原油伴生氣二氧化碳捕集純化，可將伴生氣中的二氧化碳回收，就地回注驅(qū)油，進(jìn)一步降低了二氧化碳驅(qū)油成本。而電廠煙氣捕集所得的二氧化碳在注入地下后，可有效實(shí)現(xiàn)碳封存。

沉積盆地是可以封存二氧化碳的地質(zhì)構(gòu)造，國(guó)內(nèi)適宜進(jìn)行石油勘探的沉積盆地總面積約為550×104平方公里。東部火力發(fā)電廠較為集中，油氣田為數(shù)甚多，是國(guó)內(nèi)實(shí)施二氧化碳地質(zhì)封存的有利條件。可以預(yù)測(cè)，隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，二氧化碳將成為中國(guó)改善油田開發(fā)效果、提高原油采收率的重要資源。