碳中和背景下的深層頁(yè)巖勘探開(kāi)發(fā)

何玉麒，章靚慧，甘薇，王文靜，顧東清

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制學(xué)院，江蘇 徐州 221016；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，江蘇 徐州 221016；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221016；4.河北大學(xué)生態(tài)與環(huán)境治理研究所，河北 保定 071030；5.江蘇省能源研究會(huì)，南京 210008)

全球氣候系統(tǒng)在近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)的變化是顯著的，引起了全球?qū)W界的關(guān)注[1]。全球變暖引發(fā)了如超大型災(zāi)難、海平面上升及海洋酸化等問(wèn)題，而溫室氣體所引起的溫室效應(yīng)是引發(fā)全球變暖的重要因素，與該效應(yīng)息息相關(guān)的二氧化碳排放與固定等安排也因此被提上議程。研究表明，人類活動(dòng)導(dǎo)致的溫室氣體排放是近年來(lái)氣候變化的主導(dǎo)因素，在工業(yè)過(guò)程中因化石燃料燃燒排放的溫室氣體占據(jù)了重要比例[2]，因此，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)成為人類應(yīng)對(duì)氣候變化組合行動(dòng)的重要選擇。

在氣候變化問(wèn)題日漸嚴(yán)峻的情況下，碳中和已被多個(gè)國(guó)家提上日程，而碳中和是指進(jìn)入大氣層的溫室氣體的排放量與吸收量達(dá)到相對(duì)平衡的一種新型環(huán)保形式[3]。在低碳、減碳和固碳的背景下，在能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型過(guò)程中涉及到的非常規(guī)油氣是我們實(shí)現(xiàn)碳中和等目標(biāo)里不可忽視的重點(diǎn)，而關(guān)于非常規(guī)油氣在不同學(xué)者中有著不同的定義，普遍而言，非常規(guī)油氣是指利用非傳統(tǒng)技術(shù)獲取、在烴源巖附近連續(xù)聚集或殘留于烴源巖中的需用新技術(shù)采集獲取的油氣資源[4-5]。屬于非常規(guī)油氣的深層頁(yè)巖氣在我國(guó)四川盆地等能源區(qū)內(nèi)的分布較為廣泛，且具有資源儲(chǔ)量豐富、含氣性好等優(yōu)勢(shì)[6]。四川盆地具備良好的深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)前景，業(yè)界針對(duì)在勘探開(kāi)發(fā)中遇到的問(wèn)題逐步形成了深層頁(yè)巖開(kāi)發(fā)的新技術(shù)體系[7]。在碳中和政策背景下，加速實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，深層頁(yè)巖氣的進(jìn)一步勘探開(kāi)發(fā)具有迫切性與必要性。文中從碳中和背景下的傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型出發(fā)，探討碳中和背景下的能源結(jié)構(gòu)特征的升級(jí)變化，揭示深層頁(yè)巖氣資源在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的接續(xù)作用，結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)，討論深層頁(yè)巖儲(chǔ)層碳捕集、封存與利用(CCUS)，即碳捕獲、利用與封存技術(shù)的應(yīng)用前景。

1 碳中和背景下的傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型

我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，能源結(jié)構(gòu)天然的具有富煤、貧油和少氣的特點(diǎn)[8]，近年來(lái)，煤炭資源在我國(guó)能源消費(fèi)中的占比長(zhǎng)期高于50%，石油資源占比低于20%。2016年—2019年我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)從碳中和角度逐漸優(yōu)化，體現(xiàn)在電力和其它非化石能源的上升，天然氣等相對(duì)清潔綠色能源消費(fèi)占比提高。我國(guó)的煤炭消耗長(zhǎng)期占比均在60%左右，石油占比在國(guó)家調(diào)控下較為穩(wěn)定，而受我國(guó)固有資源賦存特點(diǎn)的限制以及新能源利用技術(shù)發(fā)展速度的制約，天然氣和其它清潔能源的消費(fèi)占比雖略有增長(zhǎng)，但幅度都不大。傳統(tǒng)能源在我國(guó)的能源消費(fèi)中，仍將在一定時(shí)期內(nèi)占據(jù)主體地位，國(guó)際能源署曾預(yù)測(cè)，截止到2030年，煤炭在中國(guó)一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中仍將占據(jù)主導(dǎo)地位，而且在短期內(nèi)不會(huì)有大的改變[9]。

圖1 2016年—2019年我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的戰(zhàn)略性目標(biāo)，對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整已勢(shì)在必行，而且迫在眉睫。在“十四五”規(guī)劃和“2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要”中，我國(guó)提出要加快發(fā)展非化石能源的開(kāi)發(fā)利用，在合理控制煤電建設(shè)規(guī)模和發(fā)展的前提下，逐步推進(jìn)以電代煤，同時(shí)完善相關(guān)體系及加快天然氣主干管道的建設(shè)，以達(dá)到完善油氣互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)的目的。對(duì)于煤炭、電力、石化和鋼鐵等大宗能源消耗產(chǎn)業(yè)，需制定切實(shí)可行的碳中和規(guī)劃。針對(duì)煤炭行業(yè)，碳中和所關(guān)注的重點(diǎn)在于做到科學(xué)開(kāi)采與利用煤炭資源[10]，同時(shí)重視煤炭開(kāi)采地區(qū)生態(tài)修復(fù)的技術(shù)與方法[11]，并關(guān)注相關(guān)下游產(chǎn)業(yè)在科學(xué)用煤上的重要作用，但必須強(qiáng)調(diào)的是，脫碳、減碳不等同于去煤[12]，應(yīng)在考慮國(guó)情的前提下，合理高效地爭(zhēng)取碳達(dá)峰及碳中和。電力行業(yè)相關(guān)方面將著重于技術(shù)、政策、機(jī)制和模式方面的創(chuàng)新，促進(jìn)行業(yè)綠色低碳環(huán)保資源的共享，并擴(kuò)大其替代的廣度與深度[13]。在石化行業(yè)方面，相關(guān)公司需要落實(shí)綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，提升能源的利用效率，利用相關(guān)的政策工具與手段，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，全面推動(dòng)綠色生產(chǎn)與開(kāi)發(fā)建設(shè)，同時(shí)，還應(yīng)主動(dòng)利用綠色清潔能源進(jìn)行替代[14-15]。在鋼鐵行業(yè)方面，相關(guān)企業(yè)需要通過(guò)提高能源利用率和自身的管理水平降低能耗[16]，在已發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中，鋼鐵行業(yè)暫定的目標(biāo)是：力爭(zhēng)到2025年，鋼鐵工業(yè)基本形成高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的、綠色的格局。

2 深層頁(yè)巖氣資源在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的接續(xù)作用

在化石能源利用領(lǐng)域，加強(qiáng)非常規(guī)能源占比將是重要的過(guò)渡措施。我國(guó)非常規(guī)能源利用類型以頁(yè)巖氣和致密油氣為主，煤層氣等資源類型增長(zhǎng)相對(duì)緩慢[17-18]。頁(yè)巖氣是指以附存于以富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為主，并以吸附和游離兩種狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣[17]，它具有開(kāi)采壽命長(zhǎng)、分布面積廣、運(yùn)移距離相對(duì)較短和普遍含氣的特點(diǎn)[18]，根據(jù)《頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016年—2020年)》可知，2015年國(guó)土資源部給出最新結(jié)果顯示我國(guó)的頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量達(dá)到21.8萬(wàn)億m3，而經(jīng)過(guò)近年的勘察實(shí)踐也證實(shí)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)潛能及良好潛力。我國(guó)三類主要非常規(guī)油氣資源的產(chǎn)能[19-20]見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)三類主要非常規(guī)油氣資源的產(chǎn)能 Gm3

頁(yè)巖氣資源是我國(guó)非常規(guī)能源中的主要利用類型，目前主要頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)位于四川盆地，對(duì)四川盆地的頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)主要是對(duì)中層頁(yè)巖氣資源的開(kāi)發(fā)，正在逐步進(jìn)入深層頁(yè)巖氣勘探及初步開(kāi)發(fā)階段[21]。深層頁(yè)巖物性與中淺層頁(yè)巖存在差異，需要面臨儲(chǔ)層力學(xué)結(jié)構(gòu)、孔隙系統(tǒng)和非均質(zhì)性等方面的特殊性，開(kāi)發(fā)成本高，精準(zhǔn)勘探需求大，許多方面都面臨新的挑戰(zhàn)[22-24]。但隨著我國(guó)中淺層頁(yè)巖氣資源的耗竭，增加深層頁(yè)巖油氣資源的開(kāi)發(fā)已迫在眉睫。

3 深層頁(yè)巖儲(chǔ)層在CCUS技術(shù)的應(yīng)用前景

碳捕集、封存與利用(CCUS)技術(shù)是把生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中，可以循環(huán)再利用，而不是簡(jiǎn)單地封存。CCUS技術(shù)能夠降低碳排放量，是穩(wěn)定溫室氣體排放、保護(hù)生態(tài)環(huán)境組合行動(dòng)的重要舉措，是我國(guó)減少二氧化碳排放的重要手段。CCUS技術(shù)與傳統(tǒng)能源的統(tǒng)合發(fā)展將有效促進(jìn)碳減排和碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，也有助于強(qiáng)化化石能源的開(kāi)發(fā)效率，尤其是相對(duì)綠色清潔的非常規(guī)能源的開(kāi)發(fā)效率。常用的二氧化碳地質(zhì)利用技術(shù)有二氧化碳減排與資源化綠色利用、二氧化碳增產(chǎn)頁(yè)巖氣開(kāi)采等，因納米孔隙系統(tǒng)等特性，深層頁(yè)巖儲(chǔ)層作為CO2地質(zhì)利用的有效載體。

深層頁(yè)巖儲(chǔ)層除所賦存、富集的天然氣資源外，其本身所具有的納米孔隙系統(tǒng)也為二氧化碳強(qiáng)化頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)和碳捕集、封存和利用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[25-27]。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定碳中和路徑將依賴于多元因素的調(diào)整與替代，強(qiáng)化頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)是我國(guó)CCUS技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，碳捕集、封存與利用(CCUS)技術(shù)范疇如圖2所示。深層頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)面臨的一大問(wèn)題是開(kāi)發(fā)成本較高，但通過(guò)二氧化碳驅(qū)替增產(chǎn)等措施，可以增加深層頁(yè)巖氣資源產(chǎn)率，降本增效，屬于二氧化碳地質(zhì)利用的范疇[28]。

圖2 碳捕集、封存與利用(CCUS)技術(shù)范疇

二氧化碳等溫室氣體的地質(zhì)封存則是指以適宜的技術(shù)手段將溫室氣體封存于特定的地質(zhì)構(gòu)造中，實(shí)現(xiàn)其與大氣的隔絕，降低溫室氣體排放對(duì)氣候的影響，枯竭油氣藏是地質(zhì)封存的重要場(chǎng)所。二氧化碳在深層頁(yè)巖地層中的地質(zhì)封存正是對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層本身孔隙性的利用，屬于對(duì)納米儲(chǔ)集空間資源的開(kāi)發(fā)利用。深層頁(yè)巖儲(chǔ)層本身力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，納米孔隙發(fā)育、吸附儲(chǔ)集性能較好[29]，由于儲(chǔ)層本身層理構(gòu)造的發(fā)育導(dǎo)致其自封性較好[30]，儲(chǔ)集氣體不易逸散排出，可以更好地隔絕其與大氣的接觸途徑，深地的特點(diǎn)本身也增加了封存溫室氣體釋放的速率。CCUS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需要國(guó)家政策的傾斜與配合[31]，因此，在明確地質(zhì)條件、完善技術(shù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上[32]，在國(guó)家政策引導(dǎo)下統(tǒng)籌二氧化碳驅(qū)替增產(chǎn)以及二氧化碳在深層頁(yè)巖中的地質(zhì)封存，形成深層頁(yè)巖CCUS技術(shù)，將有潛力引發(fā)深層頁(yè)巖資源的增效開(kāi)發(fā)以及深地CCUS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。相比過(guò)去傳統(tǒng)的油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)手段，二氧化碳驅(qū)替增產(chǎn)等二氧化碳地質(zhì)利用技術(shù)同時(shí)優(yōu)化了生產(chǎn)效率并減少了溫室氣體排放，在石油、天然氣和地?zé)豳Y源利用中得到了實(shí)踐。目前，二氧化碳驅(qū)替石油已相對(duì)成熟，如加拿大Weyburn項(xiàng)目，每天產(chǎn)量為3 050 t合成天然氣，同時(shí)產(chǎn)生13 000 t廢氣，其中96%是CO2，輸送至Weyburn油田，在高壓下形成超臨界流體。高壓下的CO2被注入到37口注入井中，促使原油流向145口正在采油的生產(chǎn)井。據(jù)預(yù)測(cè)，二氧化碳去替石油技術(shù)將使得油田可以多生產(chǎn)1億3 000萬(wàn)桶原油，約有2 000萬(wàn)tCO2將被注入并在此項(xiàng)目的生命期中永久儲(chǔ)存在1 400 m深的地下[32]，但驅(qū)替天然氣和地?zé)豳Y源等還處于研發(fā)或試驗(yàn)驗(yàn)證階段，因其降低溫室氣體排放，優(yōu)化生產(chǎn)效率等特性，在碳中和背景下具有良好前景。

從CCUS技術(shù)應(yīng)用強(qiáng)化效果預(yù)測(cè)來(lái)看，CCUS可以有效提高化石能源的采收率，強(qiáng)化頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)潛力巨大，二氧化碳強(qiáng)化頁(yè)巖氣開(kāi)采具有393～899億t碳封存容量(P10：10%置信區(qū)間～P90：90%置信區(qū)間)，CCUS技術(shù)下的增采量可達(dá)66 300億m3～152 000億m3(P10：10%置信區(qū)間～P90：90%置信區(qū)間)，CCUS能源增采與碳封存量見(jiàn)表2。

表2 CCUS能源增采與碳封存量

4 結(jié)語(yǔ)

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步及相關(guān)環(huán)境與氣候變化等問(wèn)題日益嚴(yán)峻的現(xiàn)狀推動(dòng)，結(jié)合我國(guó)資源特點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)型發(fā)展勢(shì)在必行。碳中和背景下，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型受到政策推力的影響，同時(shí)也受到固有賦存資源特點(diǎn)的制約，將在化石能源開(kāi)發(fā)與新能源發(fā)展的雙軌上協(xié)同發(fā)展，非常規(guī)能源作為重要的清潔化石能源類型，它在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中占有重要位置。深層頁(yè)巖勘探開(kāi)發(fā)是確保非常規(guī)能源接續(xù)發(fā)展的重要途徑，據(jù)中國(guó)石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布《2013年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》稱，2013年中國(guó)石油和天然氣的對(duì)外依存度分別達(dá)到58.1%和31.6%，中國(guó)已成為全球第三大天然氣消費(fèi)國(guó)。開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣對(duì)于平衡我國(guó)能源需求種類、化解進(jìn)口依存度過(guò)高帶來(lái)的能源供應(yīng)隱患有著不可或缺的作用。從環(huán)保角度看，天然氣對(duì)環(huán)境的污染比煤和石油小得多，其燃燒產(chǎn)生的SO2、NOx和溫室氣體極少。從節(jié)能高效的角度看，天然氣的熱值為33 440～418 00 kJ/m3，熱效率可達(dá)70%以上，遠(yuǎn)高于煤炭和石油。同時(shí)，由于深層頁(yè)巖自封性好、納米儲(chǔ)集空間發(fā)育所擁有的地質(zhì)特點(diǎn)，深層頁(yè)巖儲(chǔ)層CCUS技術(shù)前景廣闊，主要體現(xiàn)在二氧化碳強(qiáng)化頁(yè)巖氣開(kāi)采和深層頁(yè)巖儲(chǔ)層碳儲(chǔ)集兩個(gè)方面。