□王 銳

碳作為化石能源的基礎(chǔ)原料，對人類工業(yè)文明發(fā)展作出了不可替代的貢獻(xiàn)。然而，隨著大量化石能源使用，大氣中人為排放的二氧化碳急劇增多，溫室氣體減排成為世界各國的共識。

捕集二氧化碳，輸送并注入地下儲層埋存，成為規(guī)?；瘻p排的主要途徑，受到全球各行業(yè)高度關(guān)注。含油氣盆地?fù)碛杏筒?、含水層、氣藏等多種封存場地，地質(zhì)資料翔實，工程實踐經(jīng)驗豐富，是碳封存利用優(yōu)先選擇的對象。

中國石化石油勘探開發(fā)研究院錨定含油氣盆地二氧化碳封存利用關(guān)鍵問題，攻關(guān)形成以“高效驅(qū)油封存、經(jīng)濟(jì)驅(qū)水利用、有效驅(qū)氣助存”為核心的二氧化碳封存利用工業(yè)化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)體系，成果入選中國科協(xié)“科創(chuàng)中國”綠色低碳先導(dǎo)技術(shù)榜單，為我國CCUS產(chǎn)業(yè)化未來發(fā)展“碳”明了方向。

十年磨一劍

突破傳統(tǒng)理論限制

與國外海相沉積儲層不同，我國陸相油藏原油含蠟量高，二氧化碳驅(qū)混相壓力較大，混相驅(qū)難度大。加之我國二氧化碳驅(qū)主要應(yīng)用于水驅(qū)難以動用的低滲、特低滲油藏，注采井間壓差大，即使能達(dá)到混相，注采井間的混相程度也非常有限。

二氧化碳驅(qū)在國內(nèi)到底能不能搞？能否大幅度提高采收率？

石勘院CCUS團(tuán)隊針對上述問題，提出了低滲透油藏二氧化碳非完全混相驅(qū)概念，形成了基于混相程度、增彈指數(shù)、降黏指數(shù)等8種參數(shù)的二氧化碳非完全混相驅(qū)替理論，提出了低滲透油藏二氧化碳高壓低速注入模式，提高混相程度，增強(qiáng)氣驅(qū)效果。

在國外，70%以上的二氧化碳驅(qū)案例是在水驅(qū)后實施的，高含水油藏是二氧化碳驅(qū)應(yīng)用的又一主戰(zhàn)場。然而，高含水、特高含水條件下剩余油呈現(xiàn)“整體分散、局部富集”特征，注入二氧化碳會被高含水條件屏蔽，無法直接接觸到剩余油，二氧化碳驅(qū)如何在水中“撈油”？

項目團(tuán)隊抽絲剝繭，發(fā)現(xiàn)了高含水條件下二氧化碳“透水替油”機(jī)制，闡明了水驅(qū)廢棄油藏二氧化碳驅(qū)油過程，提出了特高含水油藏二氧化碳“大段塞注入+長效燜井”氣水交替注入模式，能夠消除水屏蔽效應(yīng)的影響，進(jìn)一步提高采收率。

隨著二氧化碳驅(qū)應(yīng)用對象進(jìn)一步拓展，致密油藏成為潛在應(yīng)用陣地。與常規(guī)油藏壓差驅(qū)動相比，致密裂縫油藏難以建立有效驅(qū)動壓差，如何有效動用基質(zhì)中的原油，需要另辟蹊徑，尋找非壓差驅(qū)動方式。團(tuán)隊成員研制了高溫高壓二氧化碳擴(kuò)散萃取裝置，深度剖析了致密基質(zhì)與裂縫空間的“縫儲交換”作用過程，建立了非壓差驅(qū)動機(jī)理的數(shù)學(xué)表征模型，提出了驅(qū)替與吞吐相結(jié)合的“異步周期注采”開發(fā)模式，換油率高，驅(qū)油效果好。

CCUS團(tuán)隊十年磨一劍，形成了“非完全混相驅(qū)、透水替油、縫儲交換、脫氣降混”等系列陸相油藏二氧化碳驅(qū)基礎(chǔ)理論，突破了傳統(tǒng)混相驅(qū)理論油藏適應(yīng)條件限制，極大拓展了我國陸相油藏二氧化碳驅(qū)油封存應(yīng)用范圍，為規(guī)模化應(yīng)用提供了有效地下碳儲空間。

提高封存率

助力“零碳”油田建設(shè)

二氧化碳驅(qū)油過程中，氣竄會導(dǎo)致40%~60%的注入氣產(chǎn)出，而且生產(chǎn)的原油燃燒后會排放二氧化碳，因此業(yè)界對驅(qū)油過程能否有效封存二氧化碳、實現(xiàn)凈零排放有較大爭議。

在二氧化碳注入早期，階段封存率在80%~90%。隨著二氧化碳?xì)飧Z加劇，封存率逐步降低，全生命周期的二氧化碳封存率僅為50%~60%，如何提高二氧化碳在地層中的滯留率、封存率，成為亟待解決的難題。

團(tuán)隊成員通過大量試驗研究，剖析了驅(qū)油過程中二氧化碳替換作用、二氧化碳束縛滯留、二氧化碳溶解作用、二氧化碳礦化作用四種封存機(jī)理，建立了二氧化碳驅(qū)油封存一體化數(shù)值模擬方法，可對驅(qū)油過程中封存機(jī)制貢獻(xiàn)率進(jìn)行實時預(yù)測，為開發(fā)技術(shù)對策制定奠定了基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的二氧化碳驅(qū)油過程優(yōu)化主要聚焦單一的采收率指標(biāo)，其優(yōu)化的方向是注入最少的二氧化碳，采出更多的原油。這與封存過程盡可能注入更多的二氧化碳、最小化產(chǎn)出二氧化碳的理念似乎背道而馳。

對此，團(tuán)隊提出并建立了采收率與封存率耦合的雙目標(biāo)函數(shù)，通過權(quán)重系數(shù)來調(diào)節(jié)不同驅(qū)油、封存情景下的優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建形成了二氧化碳驅(qū)油封存多目標(biāo)智能優(yōu)化設(shè)計方法，提出了“早期驅(qū)油為主、中期驅(qū)油封存兼顧、后期封存為主”的油田全生命周期驅(qū)油封存優(yōu)化設(shè)計原則。

注采參數(shù)調(diào)控、產(chǎn)出氣循環(huán)注入、化學(xué)分級封竄等技術(shù)組合，有望將封存率提高為70%~80%，甚至更高，助力“零碳”油田建設(shè)。

含水層經(jīng)濟(jì)驅(qū)水利用

尋找二氧化碳新去處

油氣區(qū)發(fā)育有大量的咸水層或含水層資源，具備天然的儲蓋組合和良好的封存條件，如何利用這些資源為二氧化碳找到新的封存去處？

首先要考慮的是“封哪里”。什么樣的含水層具備封存條件？如何找到這些儲層？在深入分析含油氣盆地特點后，團(tuán)隊創(chuàng)新提出了“四尺度、兩層級”的二氧化碳地質(zhì)封存選址標(biāo)準(zhǔn)，可以合理滿足目前CCUS集群化、規(guī)?；⒋笮突?、單體化等需求，契合了工業(yè)化推廣階段封存應(yīng)用的需要。

其次需要關(guān)注的是“封多少”。傳統(tǒng)的咸水層封存潛力評價方法主要借鑒油氣行業(yè)資源及儲量評價方法，封存潛力評價結(jié)果適用于早期的封存資源評估及規(guī)劃階段，在目前規(guī)?；瘜嵤╇A段存在局限性。對此，團(tuán)隊提出了適合含油氣盆地特點的理論封存容量、工程封存容量、經(jīng)濟(jì)封存容量三水平碳封存潛力評價方法，為規(guī)?；挤獯鎽?yīng)用提供了參考依據(jù)。

再次需要聚焦的是“如何封”。咸水層持續(xù)注入會導(dǎo)致儲層壓力不斷積聚，對注入性和安全性都會造成嚴(yán)重影響。項目團(tuán)隊借鑒油田開發(fā)過程，通過咸水聯(lián)產(chǎn)，實現(xiàn)“采水降壓擴(kuò)容”，有效增強(qiáng)了后期二氧化碳注入能力。他們優(yōu)化設(shè)計，明確了“少井多注、高注低采、間歇排采”技術(shù)對策，二氧化碳埋存能力提高3~5倍。

最后還需要實現(xiàn)“封得住”。封存安全性尤為重要，合理評估封存安全風(fēng)險是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。團(tuán)隊成員從孔隙結(jié)構(gòu)微觀層面揭示蓋層封閉機(jī)理，初步構(gòu)建了蓋層封閉性、斷層密閉性、井筒完整性評價方法體系；發(fā)現(xiàn)了礦物沉積的蓋層自封閉特性，明確了封存安全性風(fēng)險等級，為更安全封存二氧化碳提供依據(jù)。

氣藏有效驅(qū)氣助存

助力天然氣增產(chǎn)脫碳

地下儲氣庫往往利用枯竭氣藏改造而成，枯竭氣藏可以儲存天然氣，是否能封存二氧化碳？在枯竭氣藏中注入二氧化碳，能否使其“起死回生”？儲氣庫與碳封存能否協(xié)同？一系列前瞻性問題成為團(tuán)隊攻關(guān)的方向。

項目團(tuán)隊通過建立天然氣藏二氧化碳驅(qū)氣封存物理模擬試驗裝置方法，發(fā)現(xiàn)在超臨界條件下二氧化碳與天然氣存在重力分異現(xiàn)象，其擴(kuò)散過程更接近氣液間的擴(kuò)散，在礦物中的吸附能力較甲烷氣體更強(qiáng)，證實了向氣藏中注入二氧化碳，能夠發(fā)揮“墊氣增能、慢速混溶、競爭吸附”等作用，從而提高天然氣采收率。

為有效利用上述機(jī)理，實現(xiàn)驅(qū)氣封存協(xié)同，研究團(tuán)隊優(yōu)化注采方式，明確了“低注高采、慢注慢采、異步注采”等技術(shù)對策，為枯竭天然氣藏進(jìn)一步提高采收率協(xié)同封存提供了可選技術(shù)路徑。（作者為石油勘探開發(fā)研究院提高采收率技術(shù)研究所副所長）

鏈接

含油氣盆地二氧化碳地質(zhì) 利用與封存工業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)

■技術(shù)1

含油氣盆地二氧化碳封存選址及潛力分級評價技術(shù)

認(rèn)識到含油氣盆地是目前二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）工業(yè)化推廣階段的首選場所，提出了適合含油氣盆地CCUS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求的“四尺度、兩層級、三水平”封存選址及潛力評價方法?！芭璧?、坳陷、區(qū)帶、圈閉”四尺度劃分原則能夠有效滿足CCUS集群化、規(guī)?；?、大型化、單體化等封存項目建設(shè)需要，“盆地級、圈閉級”兩層級選址標(biāo)準(zhǔn)可滿足宏觀層面產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和微觀層面技術(shù)設(shè)計需求，“理論封存容量、工程封存容量、經(jīng)濟(jì)封存容量”三水平碳封存潛力評價方法可有效契合規(guī)?；獯鎽?yīng)用的需要。

■技術(shù)2

二氧化碳地質(zhì)利用與封存協(xié)同機(jī)制及優(yōu)化技術(shù)

系統(tǒng)研究了含油氣盆地油藏、氣藏、咸水層二氧化碳地質(zhì)利用與封存協(xié)同機(jī)制，提出了協(xié)同開發(fā)新模式，形成了優(yōu)化設(shè)計新方法。

針對陸相沉積油藏特點，明確了陸相油藏“非完全混相驅(qū)、透水替油、縫儲交換、脫氣降混”的注氣主控機(jī)理，提出了“高壓低速注入、大段塞注入+長效燜井、驅(qū)吐結(jié)合”等開發(fā)新模式，形成了面向驅(qū)油封存協(xié)同的多目標(biāo)智能優(yōu)化技術(shù)，指導(dǎo)了中國石化不同類型油藏二氧化碳驅(qū)油技術(shù)的推廣應(yīng)用；針對咸水層二氧化碳持續(xù)注入導(dǎo)致壓力積聚、注入困難、安全隱患等問題，明確了“采水降壓擴(kuò)容”機(jī)制，提出了“少井多注、高注低采、間歇排采”等開發(fā)模式，二氧化碳埋存能力提高3~5倍；針對氣藏衰竭后進(jìn)一步提高采收率的技術(shù)問題，明確了天然氣藏二氧化碳具有“墊氣增能、慢速混溶、競爭吸附”等特點，提出了“低注高采、慢注慢采、異步注采”等技術(shù)政策界限，為枯竭天然氣藏進(jìn)一步提高采收率協(xié)同封存提供了可選技術(shù)路徑。

■技術(shù)3

二氧化碳地質(zhì)封存機(jī)理量化表征及安全性評估技術(shù)

構(gòu)建了二氧化碳—水—油混合流體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，形成了“置換作用、溶解作用、滯留作用、礦化作用”四種封存機(jī)制量化表征模型，為封存機(jī)制演化機(jī)制剖析奠定基礎(chǔ)。剖析了孔隙層面二氧化碳蓋層突破機(jī)制，明確了斷層/蓋層力學(xué)失穩(wěn)機(jī)制，構(gòu)建了蓋層封閉性、斷層密閉性、井筒完整性評價方法體系；從天然類似物宏觀尺度剖析二氧化碳封存時空演化規(guī)律，建立了基于地質(zhì)驗證的二氧化碳封存安全性評價數(shù)值模擬方法，為更安全封存二氧化碳提供技術(shù)依據(jù)。

勝利油田 “加減”中實現(xiàn)雙贏

勝利油田員工在高青5號注入站儲罐區(qū)巡檢。朱克民 攝

□本報記者 于 佳 通訊員 王彥磊

在山東省淄博市高青縣唐坊鎮(zhèn)，幾個巨大的白色儲罐點綴在空曠的田野里。每天，二氧化碳從齊魯石化源源不斷輸送到這里，再注入地下用于原油生產(chǎn)。

去年8月，我國最大的碳捕集、利用與封存全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉痘?、國?nèi)首個百萬噸級CCUS項目——“齊魯石化-勝利油田百萬噸級CCUS項目”正式注氣運行，標(biāo)志著我國CCUS產(chǎn)業(yè)進(jìn)入成熟的商業(yè)化運營階段。

二氧化碳具備驅(qū)油功效，早在20世紀(jì)60年代就引起了勝利油田科研人員的注意，當(dāng)時的研究主要停留在室內(nèi)研究階段。

2007年，科研人員在特低滲油藏高89-1塊正式開展二氧化碳驅(qū)先導(dǎo)試驗，利用二氧化碳給油藏補充地層能量，但未取得預(yù)期效果。

經(jīng)過研究，科研人員發(fā)現(xiàn)，二氧化碳驅(qū)要想收到好的開發(fā)效果，必須實現(xiàn)混相驅(qū)替，即在一定壓力和溫度下，實現(xiàn)二氧化碳與原油相互溶解。所謂“混相”，就像水和酒精融在一起，將超臨界狀態(tài)的二氧化碳和原油融為一體，有助于提高采收率。

2013年，勝利油田勘探開發(fā)研究院與魯明公司成立高壓混相驅(qū)項目組，在樊142-7-X4井組開展試驗。在現(xiàn)場試驗的3年半里，6口油井始終處于關(guān)井狀態(tài)，只有1口注氣井源源不斷地注入二氧化碳。

在注入1.9萬噸二氧化碳后，2017年，試驗井組的油井地層壓力由17兆帕升至40兆帕，實現(xiàn)高壓混相，油井開井后全部自噴，單井日產(chǎn)油由1噸升為6噸，以日均產(chǎn)油5噸的水平穩(wěn)產(chǎn)兩年。

至此，二氧化碳高壓混相驅(qū)技術(shù)在勝利油田取得突破，實現(xiàn)“加油與減碳”雙贏，堅定了推廣二氧化碳驅(qū)油的信心。

百萬噸級CCUS項目啟動以來，針對液態(tài)二氧化碳易氣化外排及多井同時注入計量分配難度大的難題，勝利油田攻關(guān)研發(fā)全密閉高效注入技術(shù)，形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的注入系列裝備，破解了“零排放、低溫計量、分壓分注”等核心技術(shù)難題。

華東油氣 老油田“駐顏”有術(shù)

華東油氣員工在二氧化碳回收裝置巡檢。沈志軍 攝

□本報記者 沈志軍 通訊員 耿 捷 孫婧槐

3月22日，華東油氣泰州采油廠草舍聯(lián)合站的員工正認(rèn)真檢查著站區(qū)注氣泵泵壓和管線情況。每天都有近130噸二氧化碳被輸送草中、草南的9口注氣井中。截至2022年底，華東油氣已建成16個二氧化碳驅(qū)開發(fā)單元，覆蓋儲量1723萬噸，占總儲量30%，累計注氣超120萬噸，累計增油31.6萬噸。

在CCUS的征程中，華東油氣可謂獨樹一幟。

草舍油田于1979年發(fā)現(xiàn)，屬于典型的陸相復(fù)雜小斷塊油田，在經(jīng)過近十年的彈性開發(fā)后，地層壓力降低一半多，年平均遞減率大于20%。對此，華東油氣設(shè)計了涵蓋不同油藏類型的12井次的單井二氧化碳吞吐方案，累計注氣4490噸、增油10724噸。

2000年，華東油氣瞄準(zhǔn)注水開發(fā)后“高采出、高含水、低速、低效”的儲家樓油田戴南組油藏，試驗非混相氣水交替驅(qū)，半年完成4個交替注氣段塞，對應(yīng)3口油井含水率下降，井組3口采油井日增油8.7噸，累計增油5000噸。

2005~2013年，華東油氣在開發(fā)20多年的草舍泰州組部署5注16采注氣井網(wǎng)，累計注氣20.8萬噸、增油11.6萬噸，階段采收率提高13.2個百分點，并且第一次實現(xiàn)了混相驅(qū)。經(jīng)過2015年二次注氣，目前的采收率為36.86%，累計增油12.68萬噸。

頁巖油是蘇北盆地原油資源戰(zhàn)略接替陣地，華東油氣2021年在蘇北盆地實現(xiàn)了頁巖油勘探重大突破，先后部署沙垛1斜、帥頁3-7HF、溱頁1HF等7口頁巖油井。為了解決頁巖油開采后期能量不足的問題，科研人員開展頁巖油注氣增產(chǎn)機(jī)理和潛力研究，2022年11月在溱潼凹陷沙垛1斜井開展阜二段頁巖油二氧化碳壓吞試驗，這是國內(nèi)外首次實施頁巖油單井萬噸級規(guī)模二氧化碳壓吞試驗。該井于今年2月放噴生產(chǎn)，日產(chǎn)油30噸，日增油23噸。

江蘇油田 “米?！鄙暇?xì)雕花

江蘇油田員工在錄取二氧化碳驅(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。裘國嵐 攝

□王慶輝

3月24日，江蘇油田馬3區(qū)塊實施二氧化碳驅(qū)油后見效明顯，馬5-23井日增油3.5噸，讓這個平均單井日產(chǎn)量僅有0.5噸的低滲區(qū)塊見到了新希望。

截至目前，江蘇油田氣驅(qū)單元達(dá)到20個，已累計注二氧化碳23.6萬噸；累計增油9萬噸，二氧化碳驅(qū)階段換油率為0.38，實現(xiàn)封碳與增油雙贏。

由于蘇北盆地復(fù)雜小斷塊油藏斷層多、單塊油藏面積小，開展CCUS項目建設(shè)，猶如在“米?！鄙系窕ā?/p>

“針對復(fù)雜小斷塊油藏特性，我們采用接點織網(wǎng)、連塊成帶的思路，探索早期注氣、超前注氣，拓展新區(qū)產(chǎn)能建設(shè)，實現(xiàn)復(fù)雜斷塊二氧化碳驅(qū)技術(shù)實踐由多類型礦場試驗向規(guī)模化應(yīng)用轉(zhuǎn)變?！苯K油田二氧化碳驅(qū)項目經(jīng)理金勇說。

聯(lián)38塊是滲透率不足10毫達(dá)西、儲層厚度差異超10倍的構(gòu)造巖性油藏?？蒲腥藛T加強(qiáng)精細(xì)地質(zhì)和氣驅(qū)模式研究，在儲層主河道高部位部署氣井，形成水平驅(qū)替的“氣墻”，擴(kuò)大氣驅(qū)范圍。目前，聯(lián)38塊4口油井見到明顯增油效果。

他們還通過CCUS盤活難采停產(chǎn)單元。李1斷塊屬于典型的特低滲、低豐度油藏，儲層有效厚度僅2米，瀕臨棄采。“我們根據(jù)之前實踐認(rèn)為氣驅(qū)的波及范圍明顯超過水驅(qū)，因此探索了大井距超前注氣試驗?！苯K油田二氧化碳驅(qū)油藏負(fù)責(zé)人王智林說。他們在李1斷塊部署實施注氣井李1-1井和采油井李1-2井，制定二氧化碳驅(qū)方案，實施一年多的超前注氣。2022年11月，李1塊難采儲量獲新生，區(qū)塊峰值日增油7.1噸。

江蘇油田還聚焦新區(qū)，在花43、楊53等區(qū)塊開展氣驅(qū)產(chǎn)能建設(shè)，實現(xiàn)二氧化碳驅(qū)技術(shù)由提高采收率手段向開發(fā)方式轉(zhuǎn)變?；?3區(qū)塊屬于近年來新開發(fā)的特低滲油藏，產(chǎn)量遞減較快。他們在含油區(qū)中心部署點狀重力驅(qū)井網(wǎng)，實現(xiàn)氣線均勻擴(kuò)散，達(dá)到最大波及范圍。經(jīng)過3個多月的注氣，花43區(qū)塊見到氣驅(qū)效果，花X43井日增油1.5噸。