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隨著油氣勘探開發(fā)持續(xù)深入，枯竭油氣藏逐漸增多。國際能源署（IEA）分析了全球800個主要油田的生產(chǎn)和儲量情況，認為全球現(xiàn)有油田產(chǎn)量以平均9%的自然遞減率減少，大多數(shù)非歐佩克產(chǎn)油國的石油產(chǎn)量要么已過高峰期，要么在未來20年內將達到高峰期。我國老油田年產(chǎn)量遞減率為10%～15%，非常規(guī)油氣田的產(chǎn)量遞減率更高，油氣藏衰竭迅速，導致枯竭油氣藏、廢棄井數(shù)量迅速攀升。根據(jù)美國環(huán)境保護署統(tǒng)計，全美備案的廢棄油井數(shù)量相比“頁巖革命”前增加了12%以上，廢棄井泄漏、地面坍塌等引發(fā)的安全環(huán)保問題已引起廣泛關注。

另外，在全球低碳發(fā)展的背景下，油公司在油氣投資決策中計入碳價格，提高了油氣勘探開發(fā)的門檻，使更多的油氣資源不可開發(fā)。妥善處理枯竭油氣藏相關的資產(chǎn)及安全環(huán)保問題、謀取在新型能源體系中的地位，成為油氣企業(yè)轉型的重要考量。2023年，國家能源局發(fā)布《加快油氣勘探開發(fā)與新能源融合發(fā)展行動方案（2023—2025）》，提出要大力推動油氣勘探開發(fā)與新能源融合發(fā)展。我國油公司在勘探開發(fā)中積極強化新能源開發(fā)利用，但多以內部用能清潔替代為目的，對于外部供能多樣化、提供更多低碳能源方面缺乏深入研究和規(guī)劃。本版總結了枯竭油氣藏與新能源融合發(fā)展的主要技術進展，提出了推動枯竭油氣藏與新能源融合發(fā)展的建議，旨在為制定油氣企業(yè)科技規(guī)劃、油氣田開發(fā)計劃、新能源發(fā)展規(guī)劃等提供參考。

□ 中國石化石油工程技術研究院 閆 娜

枯竭油氣藏與新能源融合發(fā)展的主要優(yōu)勢

降低新能源開發(fā)利用的風險和成本

太陽能、風能、地熱、氫能等新能源在低碳環(huán)保方面有著明顯優(yōu)勢，但前期投資成本較高、回報周期較長，限制了其規(guī)模發(fā)展。另外，太陽能、風能受天氣條件影響大，能源生產(chǎn)波動性強，且受到儲能高成本、低效率的制約?？萁哂蜌獠乜蔀轱L能、光能、地熱、氫能等能源提供低成本的運輸通道、存儲空間、基礎設施和施工經(jīng)驗，通過油氣技術移植和拓展，可降低新能源開發(fā)利用的風險和成本，提升其規(guī)?；l(fā)展的速度?？萁哂蜌獠嘏c新能源融合發(fā)展主要有以下優(yōu)勢：

減少廢棄井帶來的安全環(huán)保問題。廢棄井里含有大量的甲烷、苯、硫化氫等物質，易污染空氣、地表水和地下水，還有安全風險。2021年，美國啟動了為期10年的廢棄井治理計劃，投資800億美元進行廢棄井封堵。枯竭油氣藏的資源化利用可以恢復廢棄井的使用和運行，能有效減少廢棄井帶來的安全環(huán)保問題。

節(jié)約投資。一是降低油氣井廢棄及維護成本。環(huán)保要求日益提高，使油氣井的廢棄成本越來越高。據(jù)統(tǒng)計，加拿大陸上油氣井的廢棄成本為每口井2萬～16萬加元；尼日利亞陸上油氣井的廢棄成本為每口井約100萬美元；荷蘭Schoonebeek油氣田油氣井的廢棄總成本估計為2.61億美元。海上油田油氣井的廢棄成本更加高昂，墨西哥灣地區(qū)油井的廢棄總成本預計高達290億美元，北海地區(qū)油井廢棄成本每年高達30億美元，總費用預計為400億美元。二是節(jié)約新能源基礎設施投資。油氣田大多占地面積大，距離居民區(qū)較遠，交通和物流基礎設施完善，利用枯竭油氣藏開發(fā)新能源，可以利用已建成的基礎設施，從而節(jié)約新能源建設投資，提高新能源開發(fā)利用的經(jīng)濟可行性。

促進油氣產(chǎn)業(yè)轉型及新能源快速發(fā)展?？萁哂蜌獠嘏c新能源融合發(fā)展可為油氣行業(yè)的退出人員提供就業(yè)機會，為油氣生產(chǎn)提供綠色能源，推動當?shù)啬茉崔D型。油氣田開發(fā)中積累的地質環(huán)境、儲層條件等基礎數(shù)據(jù)，生產(chǎn)井、注入井的歷史數(shù)據(jù)，油氣從業(yè)人員的經(jīng)驗，可為新能源開發(fā)提供信息支撐，降低新能源發(fā)展風險，推動相關技術快速發(fā)展。

枯竭油氣藏與新能源融合的技術進展

不同技術發(fā)展成熟度差異較大

由于技術可移植借鑒的程度不同，枯竭油氣藏與新能源融合的技術發(fā)展成熟度有很大差異：利用枯竭油氣藏開采地熱資源在全球已有較多成功應用案例；利用枯竭油氣藏儲能處于現(xiàn)場驗證階段；利用枯竭油氣藏儲氫已有少數(shù)成功的先導試驗，但距離大規(guī)模、長周期、純氫的存儲仍有很多基礎性問題待解決；利用枯竭油氣藏原位開采氫及鋰的技術應用邊界條件不清晰，推廣應用的可行性還沒有得到驗證。

①地熱開采

地熱資源常與油氣伴生，地熱能與油氣資源的勘探開發(fā)技術有較大程度的重疊，技術可移植的程度很高。利用廢棄井的井筒和地面設施開采地熱資源，是油氣與新能源融合最常見的方式，主要有聯(lián)產(chǎn)和廢棄油氣井轉地熱井兩種方式。

聯(lián)產(chǎn)是指在油氣開采過程中提取油氣井產(chǎn)出液中的熱量，同時生產(chǎn)碳氫化合物和地熱能。老油田油井產(chǎn)出液的含水率最高達99%，其溫度為65～150攝氏度，可轉化為熱能或電能。

廢棄油氣井轉為地熱井的井筒改造方法主要有開窗側鉆法、改造泵室射孔法和直接射孔法。中原油田采用改造泵室射孔法，將馬古6井改造為地熱井，驗證了改造方案和配套技術的可行性和可靠性；大港油田應用直接射孔法對濱海新區(qū)的廢棄油井進行改造，采用“一采兩灌”模式開發(fā)地熱，獲得了達到供暖要求的地熱能，供熱面積達39萬立方米；長慶油田在陜北姬塬油區(qū)建成了長停油井地熱能開發(fā)利用示范工程。

2020年，加拿大利用二氧化碳羽流系統(tǒng)開采廢棄井地熱進入測試階段，用超臨界二氧化碳代替水作為工作流體，在地層溫度90攝氏度條件下也可以運行，降低了對地層溫度的要求（通常地熱發(fā)電的地層溫度要高于160攝氏度），提高了利用廢棄井建設發(fā)電廠的經(jīng)濟可行性。

②儲能

壓縮氣體儲能是用可再生能源發(fā)電對氣體加壓，通過廢棄井注入地下儲存，壓縮氣體產(chǎn)生的熱能也在地下儲存；當需要恢復電能時，氣體從井下釋放并受熱，膨脹做功用于發(fā)電。2009年，美國太平洋天然氣電力公司從地質評價及選址、儲庫建設與運維及監(jiān)測分析等方面，研究了利用枯竭氣藏進行壓縮空氣儲能技術的經(jīng)濟可行性。2020年，美國再生能源實驗室提出壓縮氣體儲能設計方案，考慮到與枯竭油氣田基礎設施的兼容度，采用天然氣作為能量載體儲能，模擬結果顯示，不同巖層溫度的往返效率為40%～70%，但目前該方案處于研究分析階段，還未進行現(xiàn)場試驗。近年來，國內也進行了壓縮氣體儲能的探索。江都區(qū)新型空氣儲能源網(wǎng)荷儲一體化項目設計利用真武油田廢棄油井進行壓縮空氣儲能發(fā)電，裝機容量120兆瓦，年發(fā)電量1.5億千瓦時，建設期兩年；勝利油田計劃與清華大學聯(lián)手，在墾東區(qū)塊開展兆瓦級空氣儲能試驗。

水力儲能是將能量轉化為高水位和低水位之間的差值來實現(xiàn)發(fā)電，具有儲能效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點，但在場地選擇、建設成本方面有諸多限制。泵壓水力儲能是利用廢棄井建立一個連接至油氣藏的地下封閉水庫，通過地面控制，能在電網(wǎng)負荷高峰期間提供短時間、高功率的電力輸出。美國得州Quidnet公司發(fā)明了模塊式渦流發(fā)電機，可使枯竭油氣藏儲能的往返效率在70%～75%，與抽水儲能效率相當。美國Sage Geosystems公司推出了“EarthStore”泵壓儲能技術，類似“吸氣和呼氣”的作用機制，將水與熱巖結合在一起，多個鄰近的油氣井可以組合成多缸熱/壓力發(fā)動機，18～20個這樣的裝置就可形成一個50兆瓦的可再生能源儲存廠。

③儲氫

枯竭油氣藏儲氫具有容積大、地質認識程度高、密封性好和地理分布比較廣等優(yōu)點，與新建儲氫設施相比，具有顯著的成本優(yōu)勢。歐盟早在2012年就啟動了HyUnder項目，主要目的是評估歐洲大規(guī)模地下儲氫的潛力。2021年歐盟資助了HyStorIES項目，探索在地下含水層或枯竭油氣藏中儲存純氫的可行性，評估了愛爾蘭、意大利等國家枯竭氣藏儲氫的潛力和可行性。

2014~2017年，RAG公司在奧地利的Gampern氣田，將氫氣（10%）和天然氣（90%）的混合物注入枯竭油氣藏，發(fā)現(xiàn)10%的氫氣對儲層的密封性、力學性質和設備材料無顯著影響，注入氫氣的82%可以被回收。2023年，RAG公司在該油田啟動了枯竭油氣藏儲氫示范項目。雖然枯竭油氣藏儲氫可利用天然氣儲氣庫的建設經(jīng)驗，但氫氣的特殊性使其地下流動行為與流固相互作用更為復雜，利用枯竭油氣藏儲氫仍在探索階段，且面臨巨大挑戰(zhàn)。據(jù)IEA的統(tǒng)計，全球13個儲氫項目中，有50%處于概念論證階段，極少數(shù)處于試驗和運營階段。要推動地質儲氫發(fā)展，急需開展多尺度多場耦合氫損耗機制、氫氣體運移及泄漏監(jiān)測體系、場地尺度數(shù)值模擬等攻關研究。

④其他能源開采

廢棄井采氫。目前，利用枯竭油氣藏采氫有地下原位燃燒和微生物發(fā)酵兩種方式。加拿大Proton公司提出了地下原位燃燒采氫技術，并于2020年在加拿大一個廢棄油田進行了現(xiàn)場試驗，氫氣日產(chǎn)量超過30噸。但由于注入儲層的是空氣，其中70%以上的氮氣既不參與合成反應，也達不到超臨界狀態(tài)，而是在地下積存，影響了氫氣的持續(xù)生產(chǎn)。目前，該公司計劃在地面建設氧氣站，向地下注入純氧氣，以解決氮氣的地下積存問題。美國Cemvita Factory公司研發(fā)了利用枯竭油氣藏的天然微生物采氫技術，并將采出的氫定義為金氫。該技術是將循環(huán)水、食用微生物和抑制物質通過廢棄井注入儲層，通過生物刺激發(fā)生專有反應，產(chǎn)生氫氣和二氧化碳，氫氣通過井筒采出，二氧化碳封存在地下，2022年在美國二疊紀盆地枯竭油田進行現(xiàn)場試驗并成功采出氫氣。

廢棄井采鋰金屬。鋰金屬是新能源領域的關鍵礦產(chǎn)，主要存在于偉晶巖礦物及鹽水中，在自然界中沒有單質存在，目前主要通過礦石提煉和鹵水萃取來生產(chǎn)，需要占用大量土地和水資源。由于油氣開發(fā)產(chǎn)出的鹽水中通常含有鋰，隨著鋰需求量的增加，從廢棄井中開采鋰金屬已引起廣泛關注。目前，加拿大、美國等國家已進行了廢棄井采鋰技術的現(xiàn)場試驗，我國仍處于起步階段。加拿大Prairie Lithium公司購買了3口廢棄井，計劃加深鉆至富含鋰的鹽水層，進行鋰金屬開采。美國A1 Lithium公司計劃在Paradox盆地的廢棄油氣井進行鋰的勘探開發(fā)。2023年，中國石油西南油氣田公司采用氣田出水預處理和吸附-膜-沉淀法耦合的提鋰工藝，在龍王廟組氣藏成功產(chǎn)出首批碳酸鋰成品，鋰吸附劑回收率在85%～95%，實現(xiàn)了國內油氣田采出水提鋰零的突破。

枯竭油氣藏與新能源融合發(fā)展建議

建立相關平臺，形成標準體系，探索商業(yè)模式

枯竭油氣藏與新能源融合發(fā)展已進行了多種路徑的探索，但受技術發(fā)展階段、行業(yè)壁壘、信息壁壘、行政審批和商業(yè)模式等因素限制，目前仍未形成順暢的發(fā)展態(tài)勢。為切實發(fā)揮枯竭油氣藏與新能源融合發(fā)展的潛力，需要在建立枯竭油氣藏信息共享平臺和廢棄油氣井資源化利用研發(fā)平臺、形成油氣藏資源化利用標準、創(chuàng)新枯竭油氣藏資源化利用商業(yè)模式等方面進行攻關研究。

一是進行枯竭油氣藏普查，建立相關信息共享平臺。開展枯竭油氣藏普查工作，詳細調研普查枯竭油氣藏位置、封存狀態(tài)、地質條件、資源賦存、區(qū)域經(jīng)濟及社會發(fā)展水平、市場需求與經(jīng)濟性等基本信息與參數(shù)，為綜合利用、商業(yè)化運營奠定基礎，建議建立國家級枯竭油氣藏數(shù)據(jù)庫和信息共享平臺，并實行信息動態(tài)跟蹤管理，為推進枯竭油氣藏與新能源融合發(fā)展提供全面、翔實的數(shù)據(jù)支撐。

二是建立廢棄油氣井資源化利用研發(fā)平臺，協(xié)同推動技術快速突破。廢棄油氣井資源化利用涉及傳統(tǒng)能源和多種新能源種類，有油氣公司、油服公司、新技術公司、最終用戶、區(qū)域管理等多種參與主體，基礎理論研究薄弱，且存在地質條件復雜、社會條件多變等困難，建議建立廢棄油氣井資源化利用研發(fā)平臺，圍繞枯竭油氣藏資源化利用的關鍵核心問題進行聯(lián)合攻關，如地熱開發(fā)過程中的壓力保持問題，氫氣與儲層巖石和流體的化學反應、微生物反應、多尺度多場耦合氫損耗機制、氫氣運移及泄漏監(jiān)測體系，枯竭油氣藏資源化利用的地質、井筒、地面設施評價及選址方法、應用潛力評價方法、投入產(chǎn)出評價方法等。在科研機構、地方政府、國內外先進科技企業(yè)、傳統(tǒng)能源企業(yè)之間形成技術交流、專利轉讓、技術試驗、利益共享的研發(fā)合作機制。

三是開展示范試點，形成枯竭油氣藏資源化利用的標準體系。枯竭油氣藏資源稟賦條件各不相同，原有地面基礎設施和井筒條件也是千差萬別，因此建議通過國家重大專項研發(fā)平臺，對枯竭油氣藏儲能的安全性、科學性、技術經(jīng)濟可行性進行評估，選取技術可靠、經(jīng)濟可行、資源綜合利用效率高的項目作為示范工程，進而形成枯竭油氣藏資源化利用的裝備、設計、施工及項目運行的規(guī)范和標準體系。在條件許可地區(qū)，采用政府與企業(yè)共同投資的模式，形成產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，以點帶面，推進我國油氣能源與新能源融合發(fā)展。

四是探索枯竭油氣藏資源化利用的商業(yè)模式，推動協(xié)同低碳發(fā)展。構建枯竭油氣藏與新能源融合發(fā)展的投資合作機制，明確產(chǎn)權與利益分配機制。關注新興科技公司，發(fā)掘并投資具有潛在顛覆性的工程技術，搶占發(fā)展先機。在電網(wǎng)接入、示范項目申報等方面與地方政府及金融機構合作，積極爭取專項或區(qū)域稅收優(yōu)惠政策，多方協(xié)力推動枯竭油氣藏資源化利用發(fā)展，逐步形成經(jīng)濟和社會效益顯著的低碳發(fā)展商業(yè)模式。