二氧化碳捕集、利用與封存技術——二氧化碳變為寶 驅動石油產出來

本報記者 李 蕊

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二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）技術，是指把工業生產等過程中排放的二氧化碳捕集提純，繼而投入新的生產過程進行再利用和封存。2022年，我國首個百萬噸級CCUS項目中國石化“齊魯石化—勝利油田百萬噸級CCUS項目”正式注氣運行，每年約減排二氧化碳100萬噸，相當于每年植樹近900萬棵，有力推動了能源綠色低碳轉型。

導致全球變暖的二氧化碳，不僅能注入地下封存、實現減排，還能成為增產石油的“香餑餑”？

在山東淄博齊魯石化第二化肥廠，矗立著兩個巨型儲罐。經過處理的液體二氧化碳從罐中出發，搭乘專屬“地鐵”——我國最長的二氧化碳輸送管道，一路向北輸送109公里后，抵達“終點站”勝利油田正理莊油田生產區，被注入地下油藏封存的同時，驅動更多石油產出來。

這是中國石化勝利油田和齊魯石化聯手打造的國內首個百萬噸級二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）示范工程。“把工業生產等過程中排放的二氧化碳捕集提純，繼而投入新的生產過程進行再利用和封存，正是CCUS技術的原理。”勝利油田CCUS油藏開發研究高級專家張傳寶說。

中國石化“齊魯石化—勝利油田百萬噸級CCUS項目”二氧化碳輸送管道工程首站。勝利油田供圖

據測算，項目預計15年可增油300萬噸，每年約減排二氧化碳100萬噸，相當于每年植樹近900萬棵，有力推動了能源綠色低碳轉型。

打開技術“大門”——

“磨刀石”里采石油

不止一次，張傳寶恨不得鉆到3000米深的地下油層中一探究竟，“到底怎么把油從‘磨刀石’里擠出來？”

“地下的石油并非像河流一樣自由流動，有些低滲透油藏儲存在地下幾千米深的巖石縫隙中，開采難度大。喚醒這塊‘沉睡’的地下寶藏，對我國能源安全具有重要意義。”幾十年來，張傳寶一直在試圖“啃下”油田開發的一塊“硬骨頭”——低滲透油藏。

要想把石油采出，往往要靠水來驅動，可低滲透油藏的儲層巖石像磨刀石一樣致密、堅硬。一些情形下，水注不進去，油采不出來。

水注不進去，無孔不入的氣行不行？科研工作者盯上了二氧化碳。“超臨界二氧化碳有獨特的性能，密度像液態，黏度像氣體，分子結構小、黏度小，更容易進入低滲巖石的孔隙中。如果能讓它與原油混相為一種液體，增加原油流動性，就能讓原本躲藏在孔隙中的原油‘現身’，提高原油產量。”張傳寶說。

當時，國內CCUS技術尚屬科研“無人區”。1996年開始，科研工作者花了3年時間，自行設計物理模擬裝置，通過一次次物理評價和試驗，找到了影響二氧化碳與原油混相的三大因素——壓力、溫度、原油物性，為后期理論研究奠定了基礎。

理論證明了二氧化碳驅油行之有效，但實踐起來并不順利。2008年，油田科研工作者在勝利油田高89—1區塊進行試驗。“在地下，油藏壓力達到一定值，二氧化碳處于超臨界狀態，有較大溶解能力，原油溶入二氧化碳，混相為一種液體。可實際操作時，壓力達不到合適值，導致氣和油‘各行其道’、難以互溶。”張傳寶說。

到底多大壓力，才能讓原油和二氧化碳在地下互溶？2013年，油田科研工作者移師勝利油田樊142區塊，開展了長達1800多天的試驗，壓力值從17兆帕一點點往上提……終于，當壓力值升到40兆帕時，石油從井口噴薄而出。

破解混相壓力值這個關鍵難題后，二氧化碳與孔隙中的原油成功互溶，原油充分流動起來，區塊內石油產量大大提升。由此，“二氧化碳高壓混相驅”技術形成，并取得礦場應用突破，成功打開了CCUS技術“大門”。

打通應用堵點——

實現二氧化碳全密閉高效注入

試驗數據顯示，二氧化碳驅油效率比常規水驅高40%，可提高石油采收率7至20個百分點。但從先導試驗走向規模化應用，并不容易。

“到底怎么把二氧化碳安全高效注入地下？”在勝利油田CCUS項目部建設保障部高級主管趙鐵軍看來，這是阻礙應用的難點。在原有的注入模式下，隨著壓力和溫度的變化，液化的二氧化碳中有20%—30%會變成氣態，悄悄“溜走”，降低了封存效率。

能否研發一套設備，避免二氧化碳“溜走”？翻文獻、詢專家、蹲現場……趙鐵軍與團隊反復修改設計方案，一次次建模、桌演、優化，攻克二氧化碳全密閉高效注入技術難關。

在正理莊油田生產區，有一臺具有完全自主知識產權的模塊化、自動化、標準化二氧化碳全密閉高效注入裝置，裝置旁布設著幾條白色管路，上面標記著“回流”“壓力”等。

“通過增設回流遇冷管路和高壓氣液分離裝置，讓‘溜走’的二氧化碳進入裝置，液化后可再次注入，實現了二氧化碳全密閉高效注入。”勝利油田CCUS項目部經理于法珍介紹。

二氧化碳實現高效注入，除了密閉，計量也是關鍵，向井下注二氧化碳時，得精準把控注入量。2018年，趙鐵軍曾到多個油田調研，發現CCUS技術推廣應用時，質量計量技術遲遲難以突破，若是從國外購置高壓精確流量計，支出不菲。

怎么給二氧化碳注入裝備安上“眼睛”？有一天，趙鐵軍給侄子輔導物理作業，正好講到了質量與密度的計算方法。“能不能用密度和體積換算，得出二氧化碳的質量？”趙鐵軍靈光一現。

半年時間里，趙鐵軍與團隊現場測取了上萬組數據，采集不同壓力下的二氧化碳密度，創新制作出最高壓力為40兆帕的密度圖版，再將二氧化碳集成到體積流量計中，從而精確計算出二氧化碳的質量。

規模化應用中，難題被一道道攻克：針對不同的氣竄通道，研發形成相應的封堵技術；實施采出氣液全程密閉集輸與處理工藝，將采出液中的二氧化碳回收，進行二次驅油與封存……封存率一次能到60%—70%，通過多次捕集、再注入，地下油藏就能成為完全封存二氧化碳的“保險箱”。

這些豐富的工程實踐經驗，為CCUS項目建設提供技術標準。2022年，中國石化“齊魯石化—勝利油田百萬噸級CCUS項目”正式注氣運行，標志著我國CCUS產業開始進入技術示范中后段——成熟的商業化運營。

補強產業鏈條——

建二氧化碳專屬“地鐵”

“工程覆蓋低滲透油藏儲量2500多萬噸，按照計劃，未來15年要向油田注入二氧化碳1000萬噸。”勝利油田機械設備高級專家叢巖說。

上千萬噸的二氧化碳從哪來？“在齊魯石化第二化肥廠，煤氣化裝置排放的二氧化碳尾氣屬于優質的二氧化碳資源，性能穩定，純度高達90%。”叢巖介紹，齊魯石化通過液化提純技術，回收煤氣化裝置尾氣中的二氧化碳，更加節能。

接著，二氧化碳要經歷“長途跋涉”，輸送至百公里外的正理莊油田生產區。怎樣確保遠距離運輸全程安全高效？

“起初用罐車，不環保，效率也低。”叢巖說，于是，他們想到為二氧化碳建一條專屬“地鐵”——二氧化碳運輸管道。

“理論上講，要實現二氧化碳在管道內液態輸送有兩種方式，一種是常壓低溫液化，但容易帶來土壤凍脹、環境損害等問題；另一種常溫高壓液化，前提是要確保管道內壓力始終高于液化壓力，這就需要一臺增壓設備。”叢巖說，在此前，成熟的二氧化碳增壓裝置技術一直是短板，裝置主要依賴進口。

在齊魯石化第二化肥廠廠區，距離儲罐不遠的輸送管道首站，一臺正在運轉的大排量增壓泵轟轟作響。“這是具有自主知識產權的國內首臺二氧化碳增壓泵。”叢巖介紹，“增壓泵設計壓力高達12兆帕，相當于指甲蓋大小的面積承受了120公斤的重量，確保了二氧化碳在長距離的管道內始終保持常溫液化狀態。”

2023年7月11日，我國首條百萬噸、百公里高壓常溫密相二氧化碳輸送管道正式投運，管道全長109千米，設計最大輸量可達170萬噸/年，標志著我國首次實現二氧化碳長距離密相管輸，對推動我國CCUS全產業鏈規模化發展具有重要意義。“這條專屬‘地鐵’每年可減少4萬輛罐車行駛損耗，節省車用天然氣約200萬立方米。”叢巖介紹。

今年6月，正理莊油田生產區已累計注入二氧化碳90萬噸，有21口油井實現自噴，日產原油從220噸提升至415噸。

耳畔是轟鳴的機器聲，眼前是一座座矗立的鉆塔。“一頭連著綠色低碳，一頭連著能源安全，CCUS技術大有可為。”正理莊采油管理區黨支部書記焦俊杰說。