基于生命周期思想的油頁(yè)巖原位開(kāi)采碳排放核算

劉博，王曉榮，劉伯約，苑宏英，紀(jì)冬麗，何少林，宋陽(yáng)，徐薇

1.中國(guó)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(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出：“中國(guó)將提高國(guó)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(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。這是中國(guó)首次明確提出“雙碳”目標(biāo)，要實(shí)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(duì)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(duì)性降碳措施的關(guān)鍵［5］。

張振芳等［6］對(duì)地下煤礦開(kāi)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(shí)現(xiàn)碳減排的重要途徑；才慶祥等［7］對(duì)露天煤礦的開(kāi)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(kāi)發(fā)碳排放測(cè)算模型以及能源替代視角下礦區(qū)碳排放測(cè)算模型；王曉琳等［9］對(duì)煤炭礦區(qū)各開(kāi)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(duì)實(shí)例提出碳減排建議。當(dāng)前，對(duì)煤炭、石油、天然氣的碳排放研究較多［12-14］，對(duì)于油頁(yè)巖原位開(kāi)采的研究則主要集中在油頁(yè)巖原位開(kāi)采對(duì)地下水的影響以及油頁(yè)巖熱解的物性分析方面［15-16］。

本文主要針對(duì)油頁(yè)巖原位開(kāi)采礦區(qū)的碳排放進(jìn)行研究，立足于油頁(yè)巖原位開(kāi)采的生產(chǎn)實(shí)際，研究分析當(dāng)前行業(yè)內(nèi)碳排放核算存在的問(wèn)題［17］；同時(shí)從油頁(yè)巖原位開(kāi)采的生命周期角度出發(fā)，考慮各個(gè)源項(xiàng)的碳排放核算問(wèn)題，參考相關(guān)行業(yè)已有的核算指南、IPCC（聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)）發(fā)布的《IPCC 2006 年國(guó)家溫室氣體清單指南2019年修訂》（簡(jiǎn)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(kāi)采的碳排放核算模型，進(jìn)行碳排放量核算和分析，針對(duì)核算出的碳排放量制定相應(yīng)的減排計(jì)劃，為油頁(yè)巖開(kāi)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(yè)巖行業(yè)碳排放核算存在的問(wèn)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(guó)針對(duì)油頁(yè)巖原位開(kāi)采碳排放核算方面還沒(méi)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(yè)巖原位開(kāi)采涉及到前期的場(chǎng)地開(kāi)發(fā)，開(kāi)采中的鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與分離、油氣運(yùn)輸，以及廢水、廢棄物的處置和開(kāi)采后的場(chǎng)地恢復(fù)，且不同地區(qū)的油頁(yè)巖開(kāi)采加熱方式也各有不同［18-20］，這使油頁(yè)巖原位開(kāi)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(huì)造成核算結(jié)果準(zhǔn)確度較低。因此，油頁(yè)巖行業(yè)碳排放核算急需相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)對(duì)油頁(yè)巖原位開(kāi)采過(guò)程中的場(chǎng)地開(kāi)發(fā)，鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與分離、油氣運(yùn)輸，以及廢水、廢棄物的處置和場(chǎng)地恢復(fù)等全生命周期建立核算指南；針對(duì)油頁(yè)巖原位開(kāi)采過(guò)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(hào)的排放，不同運(yùn)輸車輛、不同設(shè)備的柴油、電力消耗量，管道、脫硫罐、儲(chǔ)油罐、閥門、火炬系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、裝卸過(guò)程等有組織和無(wú)組織的氣體逸散都應(yīng)建立不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)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(yè)巖原位開(kāi)采過(guò)程的碳排放量降到最低是企業(yè)的社會(huì)責(zé)任，也是降低成本、提質(zhì)增效的關(guān)鍵措施?，F(xiàn)有的針對(duì)相關(guān)企業(yè)碳排放量的減碳措施較為空泛，缺乏針對(duì)企業(yè)各個(gè)生產(chǎn)流程、各類能源消耗、各種設(shè)備選型的具有實(shí)際可行性的技術(shù)措施，對(duì)企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(yè)巖開(kāi)采過(guò)程中碳排放的重點(diǎn)因素，從而更有針對(duì)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(xiàng)

目前，油頁(yè)巖原位開(kāi)采中的熱解技術(shù)主要有傳導(dǎo)加熱、對(duì)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(duì)油頁(yè)巖層進(jìn)行加熱；對(duì)流加熱技術(shù)是通過(guò)向地下注入氣體形成熱交換從而對(duì)油頁(yè)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(yè)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(shí)現(xiàn)油氣的采出［25］。顯然，不同加熱方式對(duì)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(duì)于油頁(yè)巖原位開(kāi)采壓裂油頁(yè)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)將天然氣流噴射到加壓水中來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同壓裂技術(shù)對(duì)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(yè)巖原位開(kāi)采生成的頁(yè)巖油和熱解頁(yè)巖氣通過(guò)生產(chǎn)井驅(qū)提至地面，進(jìn)入三相分離器，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣和水分三相的分離，分離出的頁(yè)巖油運(yùn)送至煉油廠提煉，頁(yè)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(guò)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(guò)程的逸散排放。

2.2 碳排放核算邊界和碳排放源的確定

對(duì)油頁(yè)巖原位開(kāi)采礦區(qū)來(lái)說(shuō)，碳排放核算邊界為開(kāi)采過(guò)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(kāi)采過(guò)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(kāi)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(gòu)電力產(chǎn)生的排放。

油頁(yè)巖原位開(kāi)采工藝流程比較復(fù)雜，本文將開(kāi)采過(guò)程的鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運(yùn)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(kāi)采過(guò)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(guò)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(jì)算，將CH4和N2O 氣體的排放量通過(guò)溫室效應(yīng)換算轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量來(lái)進(jìn)行計(jì)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(yè)巖原位開(kāi)采過(guò)程分析，分為鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運(yùn)輸?shù)? 個(gè)開(kāi)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(gè)過(guò)程的逸散排放，如圖1 所示。

圖1 油頁(yè)巖原位開(kāi)采碳排放核算邊界

1）油頁(yè)巖原位開(kāi)采過(guò)程的碳排放總量為核算邊界內(nèi)所有碳排放量之和，計(jì)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(yùn)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(kāi)采全過(guò)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(yùn)輸?shù)? 個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放量分別是其對(duì)電力、柴油等能源消耗產(chǎn)生的碳排放量，計(jì)算公式如下：

式中：i——鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運(yùn)輸環(huán)節(jié)；Ei——鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運(yùn)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(duì)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(jí)溫室氣體清單編制指南》（簡(jiǎn)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(shí)例研究

以某油頁(yè)巖原位開(kāi)采先導(dǎo)示范區(qū)為例，前期完成勘探井、溫度監(jiān)測(cè)井、注氣燃燒井、生產(chǎn)井、地下水源監(jiān)測(cè)井等鉆井工程，之后采用原位豎井水力壓裂油頁(yè)巖層建立油氣連通通道，實(shí)現(xiàn)油頁(yè)巖原位加熱、注氣燃燒、干餾驅(qū)提頁(yè)巖油氣至地面、油氣分離與收集的工藝路線，最終運(yùn)輸至煉油廠進(jìn)行精煉加工。參考該示范區(qū)域的環(huán)評(píng)報(bào)告得到，頁(yè)巖油產(chǎn)量為1×105t/a，油頁(yè)巖含油率約為6.453%，生活垃圾的產(chǎn)生量為34.3 t/a，危險(xiǎn)廢棄物的產(chǎn)生量為3.18 t/a，運(yùn)送至污水處理廠廢水總量為2.79×103m3，施工周期按4.25 a 計(jì)算，產(chǎn)出頁(yè)巖氣收集再利用，不計(jì)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(duì)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(píng)估報(bào)告中對(duì)應(yīng)的全球增溫潛勢(shì)值，將溫室氣體轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量來(lái)核算，得到柴油總的碳排放因子為3.20 kgCO2/kg（見(jiàn)表1）。

表1 柴油碳排放因子計(jì)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(bào)告管理相關(guān)重點(diǎn)工作的通知》（環(huán)辦氣候函〔2022〕111 號(hào)），對(duì)于購(gòu)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(kāi)采、石油開(kāi)采等逸散的排放因子對(duì)于油頁(yè)巖原位開(kāi)采行業(yè)都不具有參考性，本文利用碳質(zhì)量守恒來(lái)計(jì)算逸散的排放因子，計(jì)算公式為：逸散氣體排放量=（原巖開(kāi)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(jiàn)表2）計(jì)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(shí)例計(jì)算

該油頁(yè)巖原位開(kāi)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(guò)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(gè)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(yè)巖原位開(kāi)采過(guò)程中鉆井、壓裂、加熱、油氣收集與處理、油氣運(yùn)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(yè)巖原位開(kāi)采碳排放核算模型。通過(guò)對(duì)油頁(yè)巖原位開(kāi)采碳排放的核算，對(duì)原位開(kāi)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(duì)策提供依據(jù)，可采取相應(yīng)的措施在源頭上實(shí)現(xiàn)碳減排。

基于油頁(yè)巖原位開(kāi)采的碳排放核算模型，對(duì)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(yè)巖原位開(kāi)采礦區(qū)應(yīng)積極開(kāi)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(shì)的電力來(lái)源，如風(fēng)電、太陽(yáng)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(yùn)距，減少運(yùn)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。