未來油氣開發(fā)可以減碳？ ——揭開CCUS的面紗

2021年7月5日，山東省高青縣，勝利油田高89—樊142井區(qū)，我國首個百萬噸級CCUS項目正式啟動建設。計劃建設10座無人值守注氣站，向附近73口井注入齊魯石化捕集的二氧化碳，同時油氣集輸系統(tǒng)全部采用密閉管輸，進一步提高二氧化碳封存率，預計未來15年，可累計注入二氧化碳1068萬噸，可實現(xiàn)增油近300萬噸。按百萬噸級CCUS計算，每年可減排二氧化碳100萬噸，相當于近60萬輛經濟型轎車停開一年。那么這個CCUS為什么如此厲害？讓我們一起來揭開它的神秘面紗吧。

勝利油田萊113區(qū)塊存儲能力達50噸的二氧化碳儲罐

CCUS指的是什么？

數(shù)百年來，為了滿足人類日益增長的能源需求，越來越多的化石燃料被生產消耗，并產生了大量以二氧化碳為主的溫室氣體。長此以往，溫室氣體的大量排放造成全球氣候變暖，這已經成為國際社會所面臨的重要挑戰(zhàn)。時至今日，減少二氧化碳的排放量勢在必行。由此全球能源界也逐漸開始流行一個響亮的詞匯——CCUS。

CCUS是四個英文單詞首字母的縮寫：第一個字母“C”指“Carbon”，即碳；第二個字母“C”指“Capture”，即捕集；第三個字母“U”指“Utilization”，即利用；第四個字母“S”指“Storage”，即封存。CCUS即把生產、生活等相關過程中排放出來的碳，通過一系列手段分離出來，進行提純，輸送到指定地點，繼而投入到新的生產過程中，循環(huán)再利用，或者是注入地下進行封存，與大氣隔絕起來。

CCUS是怎么發(fā)展起來的？

CCUS這一概念是在早期的CCS基礎上發(fā)展而來的。CCS最初的設想是將二氧化碳從大氣中捕集，并將其注入深部地層之中。陸上可用于二氧化碳封存的地層通常為埋深大于800米且有蓋層封閉的砂巖咸水層、已封閉的廢舊煤礦和枯竭的油田。以油田為例，由于在開發(fā)過程中，油氣資源從地層中采集出來，使得深部地層產生了新的儲集空間，具備作為二氧化碳封存的潛在條件。

CCS的設想固然很美好，國際上諸多高校和科研院所已對其開展了多年的研究，但除了技術性困難以外，其自身還有一定局限性，那就是高能耗、高成本，這使得其多年來尚未實現(xiàn)規(guī)模性商業(yè)化應用，限制了其迅速推廣。

根據國際能源署（IEA）估計，這一技術要想對緩解氣候變化產生實質上的效應，全球至少需要有6000個項目，且每個項目每年往地下注入100萬噸二氧化碳。當前碳捕集是整個流程中能耗與成本最高的環(huán)節(jié)。如果碳捕集之后的流程不能產生經濟效益，勢必會影響該技術的廣泛應用。單純?yōu)榱丝刂铺寂欧牛笃髽I(yè)額外增加投資運營成本或單靠國家財政投入支撐，在全世界許多地方看來都是不可取的，難以為繼。基于此種原因，CCUS逐漸成為CCS的替代。

CCUS中的“U”強調了將捕集到的二氧化碳資源化循環(huán)再利用，而不是簡單地封存在地層中，其關鍵之處在于能夠產生經濟效益，因此更具有現(xiàn)實操作性。CCUS技術這一整套過程是一個完整的循環(huán)：工業(yè)生產的碳被捕集，并于工業(yè)生產之中進行再利用。全球能源界認為通過CCUS技術可以實現(xiàn)大規(guī)模碳減排，在應對全球氣候變化、控制溫室氣體排放、實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》等方面有著特殊的意義。

但實際上，只有高度成熟的CCUS技術才能真正實現(xiàn)碳減排，目前該技術仍處于起步階段。如今，為了實現(xiàn)碳減排在經濟性、安全性、穩(wěn)定性、持續(xù)性等方面的創(chuàng)新和突破，全球各界都對CCUS技術的不同流程環(huán)節(jié)進行研究攻關。在碳捕集方面力求降低能耗成本，在碳利用方面開展廣泛應用試驗，在碳封存方面加強地質環(huán)境監(jiān)控等。這些努力與嘗試，都有效地推動了CCUS技術的快速發(fā)展。

CCUS有什么成熟應用？

近些年，二氧化碳的資源化利用技術已在多個產業(yè)開展了廣泛的研發(fā)應用，其中油田驅油技術產業(yè)化應用前景最為廣闊。

很多燃煤電廠、水泥、鋼鐵、化工等企業(yè)工業(yè)排放的碳，其中90%可以被捕集。通過收集工業(yè)煙氣并添加溶劑，將二氧化碳與其他成分分離，提純后回收。這些從廢氣中收集到的二氧化碳經過壓縮、冷卻后，可成為液態(tài)，隨后便可將這些液態(tài)的二氧化碳通過罐車、輪船、管道等方式運輸?shù)接蜌馓铩?/p>

在油氣田可以通過特殊的裝置將得到的二氧化碳加工形成超臨界二氧化碳注入地層中。到了地下之后，一部分二氧化碳會被封存在地層之中，充填進入油氣采集后的儲集空間；還有一部分超臨界二氧化碳，易與原油混相，可以和地層中的原油融合在一起，從而提高原油的流動性，實現(xiàn)二氧化碳對原油的驅替，使得原油采收率（采出原油的數(shù)量與油藏原始地質儲量之比）提高10%到20%，極大地提高原油的產量。按照中國石油評估，該技術可增加可采儲量8.3億噸（大慶油田2021年產油氣當量0.43億噸）。

小貼士：超臨界二氧化碳是二氧化碳的超臨界狀態(tài)，也就是二氧化碳隨著溫度和壓力的變化，超出了二氧化碳氣液的臨界溫度、臨界壓力、臨界容積狀態(tài)的二氧化碳，表現(xiàn)為一種黏度近似氣體、密度近似液體的二氧化碳物理狀態(tài)。

當前，二氧化碳驅油技術是所有CCUS技術中從碳捕集、運輸?shù)嚼?、封存一體化最為成熟的商業(yè)模式。此外我國還在研究超臨界二氧化碳攜砂壓裂技術，以此改變地層巖石力學性質。該技術可應用于頁巖氣和干熱巖等地質資源的開發(fā)，甚至可實現(xiàn)頁巖氣和干熱巖生產過程中的負碳排放。利用二氧化碳比甲烷更易吸附在煤層表面的性質，同樣可通過CCUS技術提高煤層氣采收率。

這些聚焦前沿的能源開發(fā)方式創(chuàng)新，使得二氧化碳從“上天為害”變成“入地為寶”。通過CCUS技術減排100萬噸二氧化碳，其效果相當于種植近900萬顆樹，或是近60萬輛經濟型轎車停開一年，當真是在油氣開采方面實現(xiàn)了減碳。

長慶油田黃3區(qū)CO2驅（CCUS）國家示范工程

CCUS的意義何在？

中國已經確定了要在2030年前實現(xiàn)“碳達峰”、在2060年前實現(xiàn)“碳中和”的目標。“碳中和”的核心是降低甚至消除碳排放量，但并非完全無碳排放，而是利用技術手段實現(xiàn)碳排放量和碳吸收量的平衡，達到“凈零排放”。這對于改善生態(tài)環(huán)境、應對氣候變化、助推高質量發(fā)展具有重要意義。

由于人類對能源的高需求和新能源開發(fā)的瓶頸，通過調整能源結構等“源頭減碳”的方式在短期內很難達到預期效果。因此，推廣CCUS技術將在實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的過程中發(fā)揮重要的保障作用。CCUS技術未來發(fā)展的核心在于突破以二氧化碳為原料的循環(huán)利用技術制約，既要提高其利用效果，也要降低其應用成本。日趨成熟的CCUS技術將助力我國沿著“清潔、低碳、安全、高效”的道路實現(xiàn)“碳中和”的終極目標。

作者：中國地質調查局油氣資源調查中心 高堋