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芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！

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芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！




芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！



全文刊載于《前瞻科技》2023年第2期”油氣鉆采科學技術?？?/span>”，點擊文末“閱讀原文”獲取全文。
芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！





芮振華


–教授

–中國石油大學（北京）碳中和未來技術學院副院長

–油氣資源與探測國家重點實驗室副主任

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！





李陽


–教授級高級工程師

–中國工程院院士


芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！

文章摘要

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！

CO2提高油氣采收率與地質封存是中國保障能源安全以及發展低碳經濟的關鍵技術，為中國實現“碳達峰、碳中和”目標提供重要技術支撐。文章梳理了CO2提高油氣采收率與地質封存的基本機制，總結了世界范圍內CO2提高油氣采收率與地質封存的關鍵技術及其應用現狀，從生態保護和經濟發展的角度展望了CO2提高油氣采收率與地質封存技術商業化的發展前景，詳細分析了該技術在中國實現商業化所面臨的挑戰，并提出了相關建議。作為碳排放與能源消費大國，應當結合中國基本國情，通過財政補貼、完善碳稅制度及碳市場來支持CO2提高油氣采收率與地質封存技術的推廣，同時加緊科研攻關與技術合作，健全碳捕集、利用與封存（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）全產業鏈，引領經濟健康與持續發展。


芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！

文章速覽

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！
近年來，隨著世界工業化進程的進一步加快，CO2等溫室氣體大量排放，全球氣候面臨著巨大的挑戰。根據世界氣象組織2021年發布的全球氣候狀況報告顯示，2021年全球平均氣溫（1—9月）較1850—1900年高出約1.09 ℃，且目前這種增長仍在持續。氣溫上升的結果是近年來極端天氣發生頻率大幅增加。因此，為了人類社會的可持續發展，采取各種措施以減少環境中的CO2排放量勢在必行。為了實現“碳達峰、碳中和”（簡稱“雙碳”）目標，中國正采取一系列措施來降低碳排放，碳捕集、利用與封存（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）被認為是降低碳排放的有效方式之一。在油氣開發領域，CCUS技術是指將捕集到的CO2注入油氣藏，把地下油氣采出地面，而CO2滯留在地下空間，在CO2封存的同時達到提高油氣采收率的目的。中國的碳排放形勢與能源消費結構決定了該技術在中國有著巨大的發展潛力。目前中國處于經濟高速發展的階段，工業生產碳排放量大。同時中國的能源消費結構仍然以煤炭、石油、天然氣等化石燃料為主（圖1）。CCUS技術可以有效降低化石能源開采過程中的碳排放（圖2），有助于實現化石能源的清潔利用。

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！

圖1　中國一次能源消費結構變化趨勢

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圖2　基于CCUS技術的化石能源清潔利用模式
在國外，CCUS技術被廣泛應用于油氣開采與CO2地質封存過程。美國早在1958年就開始了注CO2的礦場試驗，油氣采收率提高幅度目前已達30%，僅在2021年就實現了增產1600萬t原油、封存5000萬t CO2。與之相比，中國在CCUS技術研發上起步較晚，同時油氣藏地質條件更加復雜，不同油氣藏物性差異大，在CO2提高采收率幅度與封存率上與發達國家仍有較大的差距，目前在理論與技術體系上仍處于初級階段，應用規模小?？紤]到中國目前碳減排需求，應當充分利用好中國巨大的油氣資源開發潛力，探索適于中國油氣藏的先進CCUS技術，深入研究不同類型油氣藏地質體CO2提高采收率與地質封存機制，同時開發與應用先進的CO2監測技術，保障CO2封存的長期安全性，實現碳封存與油氣開采的協同優化。

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CO2提高油氣采收率與地質封存機制及關鍵技術

CCUS技術應用于油氣田開發領域的目的主要有兩個：一是進一步提高油氣采收率，二是實現CO2的安全高效封存。因此，除了CO2捕集和運輸以外，CCUS項目的關鍵技術有CO2提高油氣采收率技術、CO2封存技術及CO2安全監測技術等。

1.1 CO2提高油氣采收率機制

總體來看，CO2提高油氣采收率的主要機制包括與原油的混相、相態反轉、溶脹、改善水油流度比、擴散、競爭吸附及改善儲層物性等作用。對于不同類型的油氣藏（如低滲/特低滲油藏、致密油藏、頁巖油氣藏、高含水油藏等），CO2提高采收率與增產機制具有一定的差異性。表1為CO2提高油氣采收率與增產機制及其適用范圍。

表1　CO2提高油氣采收率與增產機制及其適用范圍

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！注：注CO2開發過程中，應當根據目標油藏類型及儲層物性特征，深入研究CO2與儲層流體及巖石礦物之間的物理化學作用特征及提高油氣采收率機制，選取合適的開發方式，充分發揮CO2在原油混相、溶脹降黏、擴散運移、競爭吸附及礦物溶蝕等方面的作用，實現不同類型油氣藏的高效開發。

1.2 CO2提高油氣采收率關鍵技術

CO2提高油氣采收率所采用的技術由CO2采油采氣機制以及油氣藏的類型所決定。對于不同的油氣藏類型，如低滲/特低滲油藏、致密油藏、高含水油藏等，考慮儲層物性（如孔隙度、滲透率、流體飽和度、巖性）、流體物性（如黏度、密度）等的差異，其開發方式與提高采收率機制也各不相同。
1.2.1 低滲/特低滲油藏提高采收率技術
在中國，以低滲/特低滲油藏為代表的低品位油藏儲量相當龐大，具有廣闊的開發前景。低滲/特低滲油藏CO2驅技術以混相驅為主。研究表明，將CO2與其他氣體（如煙道氣、氮氣等）以段塞的形式注入，可以降低注入段塞前端CO2的彌散擴散，同時后段氣體的注入可以提高驅替壓力以實現混相。與純CO2相比，在正常油藏壓力下注CO2+N2可使油藏采出程度提高2%~3%。此外，目前國外在注CO2過程中已大量采用注超臨界CO2的方式來提高低滲油藏的混相驅油效果，而國內在超臨界CO2提高低滲油藏采收率方面應用還不是非常廣泛。因此，需要進一步開展低滲/特低滲油藏超臨界CO2混相驅技術研究，同時加強油田伴生氣及工業廢氣的回收利用，提高CO2驅油效率和封存率。
1.2.2 致密油藏提高采收率技術
致密油藏是指基質滲透率低于0.1×10-3 μm2的油藏，具有納米孔喉主導、裂縫不發育、孔隙結構復雜、基質滲透率極低、儲層巖性復雜及毛管滲流阻力大等特點，因此原油在此類油藏中的通過能力極差。由于CO2具有流動性好、溶于原油、在油藏溫壓條件下易與致密油形成混相等特點，因此注CO2被認為是提高致密油采收率的有效方式。目前，利用CO2開采致密油的工藝與技術主要有體積壓裂后CO2吞吐、碳化水驅、超臨界CO2驅、CO2水氣交替注入、CO2泡沫驅等?？紤]到致密油藏低孔低滲的特點，在CO2吞吐之前，對儲層進行體積壓裂改造形成復雜縫網，為原油流動提供通道，以進一步提高CO2吞吐的開發效果。根據馬銓錚的研究，在適當的條件下，體積壓裂后致密油藏CO2吞吐可進一步提高采收率超過16%。此外，致密油藏進入高含水期后，可以利用CO2溶于水的特性，形成碳化水驅，通過CO2在水相與油相之間的相間傳質作用進一步提高水驅后致密油藏的采收率（圖3）。于海洋等認為，碳化水驅還可以與表面活性劑驅等三次采油技術相結合，進一步提高致密油藏的開發效果。

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！圖3　碳化水驅CO2從水相傳遞到油相的過程

此外，還可以通過注采方式優化對CO2不同的提高采收率機制進行協同創新。驅吐協同是開發致密油藏過程中利用滲吸驅油，使CO2進入致密儲層的納米級孔隙，對基質中原油產生有效驅替的技術。通過注入、采出井的周期性開閉，循環進行CO2驅與CO2吞吐兩個過程（圖4），以此擴大致密油藏中CO2與原油的接觸范圍，實現CO2驅與CO2吞吐兩種不同機制的協同優化，進一步提高致密油的采收率。因此，對于傳統驅替模式難以見效的致密油藏，可以利用CO2在多孔介質中的擴散作用，發展并優化多類型CO2注入工藝，實現致密油藏的高效開發。同時，可以考慮將致密油藏CO2開發的成功經驗應用于頁巖油氣藏等孔喉更加細小的油氣藏中，進一步拓寬技術的應用范圍。

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！圖4　致密油驅吐協同過程

1.2.3 中高滲高含水油藏控水增油技術
對于進入高含水階段的中高滲油藏，通過CO2泡沫驅或者將CO2與其他三次采油技術相結合，可以起到調剖堵水及擴大波及的作用，相關技術在勝利油田等傳統主力油田中應用效果較好，顯著提高了原油產量。以CO2泡沫驅為例，其在中高滲油藏中主要利用CO2泡沫對油藏含水層位選擇性封堵的特性來實現增油控水的效果。該技術的核心在于研發合適的起泡劑和穩泡劑，以提高其耐鹽、耐溫、耐油性、洗油性及穩定性。根據任韶然等、李兆敏等的研究，基于胺類化合物的CO2敏感性泡沫劑體系是目前較為先進的CO2泡沫驅體系，對中高滲油藏調驅具有較好的效果。此外，隨著三次采油技術的進步，CO2驅油與聚合物驅、堿驅及三元復合驅等三次采油技術進一步融合，發展成為新型綠色高效的驅油技術。例如，李陽等通過對江蘇油田區塊的驅油挖潛實踐發現，向長期水驅后的油藏注入洗油劑和CO2，可以有效改變儲層潤濕性，進一步降低殘余油飽和度，同時控制含水率的進一步上升，達到控水增油的目的。這種新型提高采收率技術被稱為2C（CO2+Chemical）技術，是利用新技術開發老油田的典型代表，使高含水老油田重新煥發生機。隨著中國的主力油藏逐步進入高含水、高采出程度的“雙高”階段，應當大力發展CO2驅三采工藝，同時利用枯竭老油田作為CO2安全封存的理想場所，進一步挖掘老油田地下空間的利用價值。
1.2.4 頁巖油氣藏CO2壓裂技術
CO2壓裂技術是利用CO2作為壓裂液成分的儲層增產技術，具有低耗水、環保、高效、低儲層傷害的特點，可應用于頁巖油氣藏、煤層氣、致密及低滲油藏的儲層改造與增產。與傳統的水力壓裂技術相比，CO2壓裂技術不會引起黏土膨脹，因此適用于水敏地層，同時沒有水鎖現象，沒有聚合物殘留，因此對儲層傷害小。在CO2壓裂造縫過程中還可以降低原油黏度，在儲層改造的同時提高采收率。
CO2壓裂技術經過幾十年的發展，方法和工藝也不斷得到改進。近年來，超臨界CO2以其不同于液態和氣態的獨特性質被應用于CO2壓裂技術中。超臨界CO2密度近似液態，而黏度接近氣態，擴散性好，解決了液態CO2在油藏條件下穩定性差的問題。2011年，沈忠厚等在國內首次提出了超臨界CO2壓裂技術。隨后，王海柱等進一步證實，采用超臨界CO2作為壓裂液對非常規儲層進行壓裂改造，可以有效解決傳統水力壓裂帶來的儲層傷害等問題。
除了純CO2壓裂以外，將CO2壓裂與常規水力壓裂相結合是當前頁巖油氣藏儲層改造的重要發展方向。例如，黃倩等提出了CO2前置增能加砂壓裂技術，利用滑溜水結合CO2的低黏特性，克服了純CO2壓裂造縫形態復雜、縫寬小的問題，降低了壓裂液對地層的傷害。在此基礎上，有學者進一步提出了CO2常壓混砂準干法壓裂技術及CO2泡沫壓裂技術等，通過新型壓裂液增稠劑的研發，提升CO2壓裂的效果。
目前，CO2提高采收率相關技術已逐漸應用于低滲/特低滲油藏、致密油藏以及頁巖油氣藏等低孔、低滲、低品位非常規油氣藏。在CO2吞吐、CO2泡沫驅、CO2無水壓裂工藝及多種工藝協同方面仍需加強攻關。

1.3 油氣藏CO2地質封存機制

CO2地質封存是指將CO2儲集于具有良好封閉性的地質體中，從而降低大氣中的CO2濃度。目前比較可靠的CO2封存方式有CO2驅油與封存、枯竭油氣藏封存、咸水層封存、煤層封存等。其中，枯竭油氣藏與咸水層封存難以在封存過程中創造較高的經濟效益，而煤巖限于自身的性質與開采方式而難以實現CO2的大規模封存，因此都具有一定的局限性。與之相比，CO2地質封存與提高采收率一體化技術可以在實現CO2大規模封存的同時提高油氣藏的采收率，因而具有更好的發展潛力。
CO2在油氣藏中的賦存狀態有自由態、溶解態及礦物狀態。通常情況下，CO2在同一油氣藏中的地質封存會受到構造封存、殘余封存、溶解封存及礦化封存多種CO2封存機制的共同作用。構造封存是指利用具有良好封閉性的蓋層遮擋來阻止油藏地質體內的CO2持續向上運移，進而實現CO2長期封存的目的。蓋層封閉性的好壞直接影響CO2在地質體中的封存量與封存時效。因此，在選取CO2封存地點時，應當嚴格評估目標區域的儲蓋組合關系，實時監測蓋層的有效性與完整性。對CO2通過擴散、裂縫泄漏及毛細泄漏等方式侵入蓋層的機制是目前研究的熱點。殘余封存是指地層中的CO2在毛管力的作用下以氣泡等分散相的形式被束縛在多孔介質中，又稱毛細封存。在較長的時間尺度上，CO2受毛管力作用，在地下多孔介質空間內具有較好的水力學穩定性，即以小氣泡的形式穩定滯留在儲層基質中。因此，殘余封存是實現CO2在油氣藏中長期封存的主要機制，同時也是最安全的CO2長期封存形式之一。溶解封存是指CO2注入地下后以溶解態的形式封存在地下流體（原油、地下水）中。對處于生產階段的油氣藏，溶解在原油中的大量CO2仍然會經由生產井采出，因此這一部分的CO2封存率較低，CO2主要封存于不與地面接觸的地下水體以及滯留于死孔隙的束縛水與殘余油中。因此，CO2溶解封存機制更多地被應用于枯竭油氣藏及咸水層封存過程中。礦化封存是指隨著CO2溶解量的增加和封存時間的推移，溶解了CO2的酸性地層水與富含鎂、鈣的碎屑巖及碳酸鹽巖發生化學反應，生成碳酸鹽類礦物或其他穩定的礦物的過程。由于產生的固相物質很難進一步運移或發生反應，因此礦化封存是目前最安全、最持久的封存方式。圖5為4種CO2封存方式的示意圖。

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！圖5　CO2封存方式的示意圖

以上4種CO2封存方式在封存容量及封存永久性與安全性方面各有優勢（圖6），短期內以構造封存和殘余封存為主，但從長遠來看，仍然需要依靠較為穩定的礦化封存來實現CO2的永久性封存。

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！圖6　不同CO2封存機制對比

1.4 油氣藏地質體CO2封存關鍵技術

根據1.3節的分析，構造封存和殘余封存在CO2短期封存貢獻率上起到了主要作用。因此，可通過合理的封存構造選擇及合適的注氣方式來達到高效注氣、大規模封存的目的。例如，在吉林油田的CCUS項目中，通過開發目標區塊巨量的非常規油氣資源為CO2地質封存提供了巨大空間，同時CO2穩定重力驅有效提高了油氣藏地質體的CO2封存率。Xu等認為，通過CO2泡沫驅的方式，可將CO2以分散相注入油氣藏，利用氣泡的界面張力作用提高CO2在地下多孔介質中的熱力學穩定性，提高封存效率。與CO2氣泡相比，CO2泡沫表觀黏度更高，可以有效抑制油藏中的“黏性指進”現象，從而提高CO2的波及效率，增大CO2在地質體中的封存量。對于以頁巖油氣藏為代表的非常規油氣藏CO2封存，可以通過適當延長燜井時間及提高注入壓力來提高CO2在頁巖儲層中的封存率。
對于CO2在地質體中長期封存的穩定性，主要通過較長時間范圍內CO2與儲層巖石及流體的物理化學作用來實現，而CO2與硅酸鹽巖礦物發生沉淀作用是CO2礦化封存的主要機制。除了向固體礦物轉化之外，注入油氣藏中的CO2可以通過與產甲烷菌發生化學反應產生甲烷，二次開采后可實現地球上碳資源的循環利用。CO2向生物燃料的轉化有助于廢棄油氣藏中殘余油的進一步動用，大大提高了中后期老油田的開采價值，延長了開采期限，同時對于擴大CO2封存容量、提高CO2封存穩定性具有重要意義。

1.5 油氣藏地質體CO2泄漏安全監測關鍵技術

由于CO2注入后在地下始終處于不斷運移的過程，同時鉆井等地下活動的發生以及地質體本身存在裂縫、溶洞，因此處于封存狀態的CO2存在一定的泄漏風險（圖7）。CO2的泄漏除了會使運行中的CO2封存項目失敗以外，對生態環境及生物安全也會造成極大的破壞。因此，在研究CO2地質封存技術、提高封存效率的同時，應注重CO2泄漏安全監測技術的研發，以達到CO2長久、安全封存的目的。

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！圖7　地質封存過程中CO2泄漏示意圖

根據監測原理的不同，CO2封存安全監測技術可分為地表以下CO2監測技術及地表以上CO2監測技術（表2）。其中，地表以下CO2監測技術主要是利用土壤、巖石在聲、電、磁、熱等方面的特征，對其中的CO2濃度以及氣體泄漏造成的巖石形變進行監測。目前，比較先進并得到一定程度運用的地表以下CO2監測技術有長電極電阻斷層掃描技術、分布式熱式傳感器、CO2飽和度監測工具及偶極聲吶成像系統等。地表以上CO2監測技術主要通過大氣CO2濃度的測量來實現CO2的監測，目前運用該原理的主要技術有紅外氣體分析儀、集聚氣室監測方法等。這些技術的原理先進，并得到了一些現場應用，但大部分監測方法存在價格昂貴、監測步驟復雜、無法實現實時監測等問題，這些方面也是日后進一步研究的重點。

表2　CO2封存安全監測方法對比

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注：LIDAR，Light Detection and Ranging，激光探測及測距；EC，Eddy Covariance，渦流協方差；AC，Acoustic Logging，聲波測井；IRGA，Infra-Red Gas Analyzer，紅外氣體分析儀。


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CO2提高油氣采收率與地質封存技術應用現狀

2.1 國外應用現狀

自20世紀50年代美國大西洋煉油公司獲得首個CO2驅油專利起，CO2便逐漸應用于油氣生產過程中；經過60年代CO2驅油的礦場試驗及70年代的工業化發展，應用于CO2驅油的CCUS技術在美國已經發展成熟。目前，國外已有多個大型油氣田碳封存項目正在運行，如加拿大的Weyburn油田、挪威的Sleipner天然氣田及美國Petra Nova油田等。
由于以美國為首的西方國家在CO2提高采收率與封存領域研究較早，技術積累雄厚，加之得天獨厚的油藏地質條件及穩定的CO2氣源供應，因此無論是理論上還是技術上都處于較為先進的水平。從理論研究上來看，國外在微納尺度CO2/油/水/巖石相互作用機制、CO2提高采收率與封存數值模擬技術、CO2體積壓裂改造與增產機制、CO2泄漏風險識別與控制技術等領域都處于領先水平，并形成了CO2多相多尺度滲流理論與熱力學數據庫，為相關項目的開展提供了大量的技術儲備。同時，國外用于CO2提高采收率與封存項目的油氣藏性質相對較好，具有原油黏度低（<10 mPa·s）、易混相的特點，有助于項目的開展。截至2021年，美國此類項目提高采收率幅度超過了25%，實現原油增產0.16億t，CO2封存量達0.5億t，是CO2提高采收率與封存技術的應用典范。表3列出了國外代表性CO2提高采收率與地質封存項目。

表3　國外代表性CO2提高采收率與地質封存項目

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2.2 國內應用現狀

與國外相比，中國將CO2應用于油氣田開發的時間也并不算晚，早在1965年大慶油田已經開始進行CO2驅油的礦場試驗。20世紀80年代以后，吉林油田、冀東油田和江蘇油田等單位也陸續開展CO2驅油的相關試驗，但尚未進行規?；瘧?。直到2005年前后，中國才形成了CCUS的相關概念。2021年，齊魯石化-勝利油田CCUS項目正式啟動建設（中國首個百萬噸級的CCUS項目），同時延長油田、長慶油田及吉林油田等單位也加快了CCUS項目的大規模商業應用（表4）。與美歐發達國家相比，目前中國的CO2大幅度提高油氣采收率及封存理論與技術體系發展仍然處于初級階段，且應用規模較小。但考慮到中國目前較快的經濟發展速度，CO2來源充足，碳減排需求量大，未來隨著更多的CCUS項目在中國各大油田落地實施，預計未來中國的CCUS技術在油氣開發領域將十分廣闊。

表4　國內代表性CO2提高采收率與地質封存項目

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注：CCS，Carbon Capture and Storage，二氧化碳捕獲和封存技術；ECBM，Enhanced Coal Bed Methane Recovery，提高煤層氣采收率。

2.3 國內外技術發展現狀比較

與國外相比，國內在CCUS提高油氣采收率與CO2封存技術研發方面起步相對較晚，同時受限于精密儀器、計算機軟硬件的技術壁壘，在基礎研究方面相對比較薄弱，主要體現在油氣藏注CO2多組分流體熱力學性質及滲流規律研究、CO2提高采收率機制、碳封存動態協同理論與技術及CO2流動調控與泄漏風險控制理論研究等方面。目前，國內在精密實驗設備的加工及商業數值模擬軟件的研發上與國外先進水平仍有較大的差距，關鍵設備及模擬器長期依賴進口。因此，國內對微觀以下尺度的CO2/油/水/巖相互作用機制等仍缺乏清晰的認識，對于油氣藏地質體CO2多尺度運移演化機制的認識及其模擬方法的研究上也有待進一步攻關。此外，由于中國油氣藏類型多樣，地質特征及開發條件更為復雜，經過長期的探索與實踐，中國在復雜苛刻油氣藏CO2提高采收率理論與技術方面處于國際領先地位，為基礎理論應用于現場實踐提供了良好的條件。因此，中國應當立足于長期以來對復雜油氣藏的認識積累，加大在關鍵設備、先進油藏數值模擬軟件的國產化等“卡脖子”領域的投入，實現在CCUS技術提高油氣藏采收率與CO2封存領域關鍵技術的全面趕超。

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技術潛在價值、未來發展方向與挑戰

3.1 技術潛在價值

隨著全球氣候變暖，各國對環境保護的要求日益迫切。同時，在當代能源消費結構中，石油、天然氣仍然是重要支柱，短期內人類對化石能源的消費需求仍然旺盛。因此，世界主要發達國家相繼大力開展了以CCUS為代表的碳移除技術的研究工作并提供相應的政策支持。例如，美國政府近期出臺了《兩黨基礎設施法》《通貨膨脹削減法案》等一系列法律文件，而歐盟也出臺了《2030年氣候與能源政策框架》《2050長期戰略》《歐洲氣候法》等一系列重要文件，在CCUS制度化和規范化上走在了世界前列。據估計，這些政策的提出將使2030年整個經濟體的溫室氣體排放量比2005年降低40%；歐盟則計劃2030年前碳排放量減少50%~55%（與1990年相比）并提供至少每年2600億歐元的投資。相應地，中國的政策重點也開始將“減碳”提升到了新的戰略高度。其中，重要政策之一是降低石化、煤電以及鋼鐵等行業的碳排放，以達到綠色發展的目的。
3.1.1 生態價值
由于CO2是引起氣候變化的主要溫室氣體，以CO2提高采收率與封存技術為代表的減碳技術符合全球生態環境保護的基本要求，有助于減緩目前地球的升溫趨勢，降低極端氣候的發生概率。依據國際能源署（International Energy Agency, IEA）推算，若不進行各項減碳措施，2060年全球氣溫上升溫度將達6 ℃。根據IEA的預測，若2060年氣溫上升控制在2 ℃，依靠CO2地質封存可實現的減碳量約占總減碳量的15.9%，約為49億t；若2060年氣溫上升控制在1.75 ℃，依靠CO2地質封存可實現的減碳量為91億t，占總減碳量的22.9%，無論是總量還是占比都相當可觀?？傮w上看，以CO2地質封存為代表的CCUS技術對碳減排的貢獻量約占15%，因此，發展CO2提高采收率與封存技術等減碳技術對于生態環境保護、發展低碳經濟具有十分重要的意義。
3.1.2 經濟與市場潛力
國外在CO2提高采收率與地質封存技術商業化應用上起步較早，相關政府部門在對產業的扶持方面也提出了許多優惠政策。在考慮政府充分干預后，一些學者對該技術商業化的經濟性進行了評估。例如，Shukla等分析了油價、驅油成本、CO2捕集與儲運成本及碳稅等因素對項目收益的影響，認為油價是項目收益的主要來源，CO2捕集與儲運在成本中占比最高，而先進的CO2注入工藝有助于進一步降低CO2驅油與封存的成本。Kamali等進一步指出，對CO2排放的全面征稅有助于進一步降低CO2氣源價格，使得項目獲得更高的經濟效益?？傮w來說，國外CO2提高采收率與封存項目的順利商業化是技術進步與政策支持共同作用的結果。
相比于國外，中國與商業化運行相關的基礎設施與政策體系尚未完全建立，但考慮到廣袤的國土面積以及較為迫切的碳減排需求，中國仍然具備促使CO2提采與封存技術商業化的市場潛力。目前，中國陸上油田可實行CO2碳封存與提高采收率的油氣田主要集中于華北與東北地區（包括大慶、勝利、吉林、遼河、冀東等油氣田），其理論封存量約為3.6×109 t，根據計算，其全部廢棄時可實現CO2封存量為4.6×109 t，且這些區域人口密集、經濟發達、CO2排放量高，可提供較為充足的CO2氣源，是中國CO2提高采收率與地質封存項目優先選擇的區域，具有較大的應用潛力。而根據袁士義等的觀點，按照國際油價324.9美元/t，如果中國采取與美國45Q法案類似的碳減排政策，中國用于驅油與封存的CO2總產值超過10000億元人民幣。如果中國能夠實現每年注入3000萬t CO2，則有望每年獲得1000萬t的產油量及2000萬t的CO2封存量，相當于10余家大型煉化企業的碳排放量。因此，持續推進CO2提高采收率與封存技術商業化與規?；l展，有助于實現中國能源結構平穩安全轉型，在實現“碳中和”目標的過程中獲取盡可能多的收益。

3.2 未來發展方向

根據上述研究內容，應用于油氣田開發的CCUS技術的主要目標有兩個：一是提高CO2的封存率，二是在現有條件下使項目獲得盡可能高的收益，這體現了CCUS技術環保性與收益性之間的平衡。因此，需要通過一定的優化方法實現封存與提高采收率的局部或全局最優解。
早期CO2提高采收率與封存技術是在油氣田開發的基礎上提出的，因此首先需要滿足提高采收率的基本要求。在這一階段，往往通過油藏數值模擬技術及局部參數優化來實現對驅油與封存兩大問題的初步優化，在數值模擬初步優化的基礎上提出協同優化的概念，通過碳稅、油價及影子價格等經濟學概念對油藏模型進行約束，經濟學與CCUS技術的融合標志著CO2提高采收率與地質封存協同優化理論走向成熟。
近年來，隨著CO2提高采收率與封存協同優化理論架構的成熟，以及優化目標的清晰，更多研究主要集中在協同優化的實現上，并將這些方法應用于工程項目。在實現協同優化目標的方法上，一方面，繼續研究傳統CO2驅油技術相關參數的優化，以克服項目實施過程中面臨的氣竄、難混相等問題；另一方面，通過引入粒子群算法和人工神經網絡等人工智能算法，可以進一步對CO2提高采收率與封存的協同關系進行優化。通過人工智能技術在油氣開發與CO2封存領域的應用，驗證了此類前沿技術應用于協同優化設計的可行性。此外，在注入的CO2氣體中添加醚類或醇類物質也可以進一步挖掘CO2提高采收率與封存的潛力，研究成果已應用于加拿大Weyburn油田及美國Petra Nova等國際領先的CO2提高采收率與封存項目并取得了突出的應用效果。隨著先進技術的不斷加入，協同優化技術不斷發展壯大，通過協同優化實現油氣田開發降本增效的項目也不斷增加，通過項目的實踐與反饋，又促進了CO2提高采收率封存協同優化理論的完善與創新，形成了產研一體、共同進步的良性循環。

3.3 面臨的挑戰及發展建議

盡管CO2提高油氣采收率與地質封存技術在國外已經實現了商業化運營，但中國在技術研發、工程應用、產業化及政策機制等方面與歐美發達國家仍然存在一定的距離，目前主要面臨以下問題與挑戰。
（1）在技術研發方面，中國油藏以陸相沉積油藏為主，普遍存在黏度高、混相壓力高等特點，在地層壓力下難以形成混相，驅替壓力過高又容易壓穿地層，導致氣體泄漏的發生，CO2驅采收率低、易氣竄、采出氣CO2濃度高、埋存效率低，與歐美發達國家差距較大。
（2）在產業化方面，中國CO2氣源與油氣藏分布存在比較嚴重的源匯不匹配的問題。中國的CO2排放主要集中于東部經濟發達地區，而適于CO2封存的油藏地質體則廣泛分布在西北、西南及東北等人口稀少地區，造成了油氣田所在地氣源短缺與大城市碳排放超標之間的矛盾，同時中國的CCUS產業多處于早期階段，與國外相比規模較小。
（3）在工程應用方面，目前中國的CCUS項目應用規模相對較小，大部分低于30萬t/a，同時目前的輸送管網等基礎設施難以支持大規模CO2的遠距離運輸，即CO2的捕集與運輸能力不配套，與國外存在較大差距。
（4）在政策激勵方面，目前中國仍然沒有體系化的CCUS政策機制，企業的權利與義務不夠明確，財稅支持與資金保障仍然有待加強，同時商業與金融生態建設也有待創新。
要盡快實現CO2提高采收率與封存技術的商業化、規?；\行，提出以下發展建議。
（1）加強CCUS相關領域的基礎研究工作，用以支撐CCUS全產業鏈的技術研究與創新，構建新的CCUS技術體系，突破碳利用與封存兩大理論與技術瓶頸，支持產業全方位發展。
（2）立足中國區域國土空間和資源稟賦差異大的客觀實際，以綜合減排成本最小化為目標，加強區域CCUS技術和產業的發展，優化能源、產業結構，在保證經濟社會安全發展的情況下，確?！半p碳”目標的實現。
（3）由于CCUS具有較長的技術與產業鏈，應用場景更多地與傳統的產業融合，因此需通過技術的系統集成耦合，并與產業、區域協同優化，實現循環型零碳排放的變革性重構。
（4）充分利用大數據、人工智能及第5代通信技術（5G）等現代科技成果，與CCUS技術高度融合，促進CCUS產業高速、高質量發展。
（5）充分發揮法律法規、標準碳市場、碳稅、綠色金融等政策制度和市場機制的支持引導作用，通過市場調節、政策法規制度保障及金融支持，助力CCUS快速發展。
目前，CCUS技術已具備規?；瘧煤彤a業化發展的基礎，應當立足中國實際，充分將新技術革命成果與CCUS技術相融合，多學科、多領域共同努力，共同推動CCUS技術和產業化的發展，為中國實現“碳達峰、碳中和”目標貢獻技術和方案。

4

結束語

經過幾十年的發展，國內外逐步將CCUS技術應用于油氣藏提高采收率與CO2地質封存領域并取得了突出的成果。研究表明，針對不同的油氣藏類型，CO2可以通過不同的機制實現油氣增產與碳封存，與其他CO2地質封存技術相比具有更好的經濟效益和更為廣闊的發展空間。同時，在CO2泄漏安全監測上也取得了一系列的成果。目前，國內外已經有大量的CO2提高采收率與地質封存項目投入商業化運營，展現了該技術在生態保護及經濟上的巨大潛力。
與此同時，也應當看到國內相關領域與國際先進水平之間的差距。在技術研發、產業化、工程應用以及政策激勵上應當給予更大的支持，增大在關鍵技術領域（如精密儀器、數值模擬器等）的科研投入，支撐CCUS全產業鏈的技術研究與創新，助力實現中國的“雙碳”目標。
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芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！

2023中國油氣人工智能科技大會

2023中國油氣人工智能科技大會與《石油鉆探技術》、《石油科學通報》聯合征稿，評選出的一二等優秀論文將刊發在《石油鉆探技術》數字化專題或者《石油科學通報》?？?。

芮振華，李陽，等：CO?提高油氣采收率與地質封存關鍵技術發展建議！

會議報名聯系人：劉詩園 15822801766

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