中美二氧化碳捕集和驱油发展状况分析

徐婷，杨震，周体尧，李凌( .中国石油天然气集团公司规划计划部；.中国石油勘探开发研究院；.中国石油集团经济技术研究院 )



中美二氧化碳捕集和驱油发展状况分析

徐婷1，杨震1，周体尧2，李凌3
( 1.中国石油天然气集团公司规划计划部；2.中国石油勘探开发研究院；3.中国石油集团经济技术研究院 )

摘 要：中国已超越美国成为世界碳排放第一大国，二氧化碳的捕集、利用和埋存已被提上日程。其中，利用二氧化碳驱油在提高低渗透储层有效动用储量和单井产油量方面效果明显，具有较好的推广应用前景。美国的“清洁能源和能源安全法案”“能源政策法”“国家提高石油采收率计划”都促进了美国的二氧化碳捕集和利用。美国是世界上利用二氧化碳驱油最多的国家，历经60年的实践，二氧化碳驱油技术在美国已发展成熟。中国具有开展二氧化碳捕集和驱油的巨大潜力，但由于与美国相比在地质条件、气源条件、政策支持等方面都有差异，不能照搬美国的技术和经验，需要理性推动中国的二氧化碳捕集、驱油项目发展，有针对性地开展国际合作，创造适合中国低渗透/超低渗透油田特点的二氧化碳驱油提高采收率配套技术。

关键词：二氧化碳捕集；二氧化碳驱油；二氧化碳减排；提高采收率；激励政策

2009年12月，联合国气候变化框架公约（UNFCCC）第15次缔约方会议上，将全球温度升高控制在2℃之内的目标写入了《哥本哈根协定》。这意味着需要将大气层中的温室气体浓度控制在450ppm二氧化碳当量左右[1]。国际能源署（IEA）据此预测，除现行政策外，必须通过政府对二氧化碳排放的进一步干预，使得2020年的排放水平再降低38亿吨，到2030年则应再降低138亿吨[2]。世界上许多国家提出了各自的减排目标，中国计划到2020年将单位GDP的二氧化碳排放在2005年水平上减少40%～45%[3]。

综合考虑二氧化碳减排成本和潜力等多方面因素，可以认定，二氧化碳捕集后进行商业利用成为重要的减排方式，将捕集后的二氧化碳注入油藏以提高石油采收率（CCS-EOR）具备明显的经济效益优势，不仅可以实现二氧化碳的地下封存，还可以增加国家的能源供给，提高企业的收益。目前，美国是利用二氧化碳驱油最多的国家，二氧化碳驱油提高采收率技术已发展成熟。借鉴美国的成功经验，充分认识中美CCS-EOR在地质条件、气源条件、政策支持等方面的差异，对理性推动中国的CCS-EOR技术发展有一定的参考价值。

1　中国推动CCS-EOR的背景与现状

1.1中国应对气候变化的国内外压力日益增大

2003-2012年，中国的GDP、一次能源消耗和二氧化碳排放量分别增长3.9倍、1.21倍和1.12倍[4-5]。2006年，中国的碳排放量超过美国，成为世界上最大的碳排放国。2013年中国的碳排放总量是79亿吨，占世界排放总量的25%。据有关专家和机构估测，2015年中国的碳排放总量可能超过90亿吨。尽管中国承诺2020年单位GDP的二氧化碳排放在2005年水平上减少40%～45%，但碳排放总量仍将持续增长，减排的国内外压力日益增大。

2014年11月，亚太经济合作组织（APEC）会议期间，作为世界上最大的两个碳排放国，中美双方就温室气体减排目标达成一致，中国国家主席习近平和美国总统奥巴马共同宣布中美两国就气候问题签署协议。美国提出到2025年温室气体排放较2005年整体下降26%～28%，一改之前承诺的2020年碳排放比2005年减少17%，意味着减排速度进一步提高。中国提出，2030年中国碳排放有望达到峰值，并将于2030年将非化石能源在一次能源消费中的比重提升到20%[6]。中美两国此次宣布碳排放减排目标对减少世界碳排放具有里程牌式的意义。

1.2二氧化碳的捕集、利用和埋存已成为国际社会的

共识和行动

电力行业、化石能源等资源开采行业、化工行业、冶金和水泥等行业是二氧化碳的大规模集中排放源。减少二氧化碳排放，主要通过三个途径：一是提高能源效率，二是利用可再生能源，三是开展二氧化碳捕集和埋存（CCS）。其中，提高能效和利用可再生能源是通过间接手段减排二氧化碳，而发展可再生能源会直接限制化石能源的利用，但要受成本、资源分布、技术成熟度及政策环境力度等多方面因素的影响。从目前看，可再生能源减排还不能替代CCS技术，例如陆地风能虽然成本较低，但受资源限制，其减排潜力小，资源丰富的光伏技术，成本远高于CCS技术（见图1）[7]。

为进一步提升CCS技术的优势，降低其成本，增强其发展的可持续性，二氧化碳捕集后的商业利用被提上研究日程。捕集后的二氧化碳可以被广泛地利用在石油开采、机械加工、化工、消防、食品加工和生物养殖等行业。其中，利用二氧化碳驱油提高采收率（EOR）技术可提高石油资源的利用率，增加国家的能源供给，并提高企业的收益，其产生的经济效益是各种利用方式中相对较高的。国内外现场试验结果表明，二氧化碳驱油在提高低渗透储层有效动用储量和单井产量方面效果明显，具有较好的推广应用前景。

图1　可再生能源利用与CCS技术的成本对比

1.3中国具有开展CCS-EOR的巨大潜力

中国973项目《温室气体提高采收率的资源化利用及地下埋存》的评价认为，中国二氧化碳驱油埋存的潜力巨大。目前，全国约有130亿吨原油地质储量适合采用二氧化碳驱油，可增加可采储量19.2亿吨，其中，低渗透难动用储量占60%以上，埋存二氧化碳约50亿～60亿吨。

中国政府早在2003年就开始关注二氧化碳捕集、商业利用与埋存技术（CCUS）[8]，较早参与CCUS的部门是科技部和发展改革委应对气候变化司，目前国家能源局、工业和信息化部和国土资源部等部门也已经参与到CCUS技术中，反映出CCUS技术受到了更多的重视。随着CCUS项目示范规模的进一步扩大和未来可能的商业化进程，会有更多的政府部门介入CCUS项目监督管理和相关法律法规、标准规范的制订中。

以笔者的工作经历和观察，中国政府已将CCUS视为一种潜在的重要减排战略技术，尤其关注其对煤炭清洁化利用的贡献和二氧化碳的再利用途径。但在批准CCUS项目广泛开展之前，需要解决碳捕集和能耗损失、CCUS高昂的成本和大规模实施的安全隐患等关键问题[9]。预计在近期，有关部门仍将通过科研立项支持研究机构和企业进行CCUS研发示范，政府将给予这些示范项目公共资金支持，同时政府通过设立强制性减排指标、制定相关法规规范等来推动CCUS；在远期，为应对气候变化、发展低碳经济，国家将出台相关政策和机制，例如设立碳税、建立“总量控制和排放权交易”引入灵活的市场机制等，将对CCUS起到进一步的推动作用。但CCUS如何发展还取决于众多具体条件，例如碳税征收办法、碳交易定价、碳市场供需关系、减排目标压力、CCUS技术成本和技术成熟度及其他减排技术的成本变化等。

2　美国CCS-EOR发展状况

2.1CCS-EOR发展历史与现状

从美国大西洋炼油公司获得首个二氧化碳驱油专利（1952年）至今，历经60年的实践，二氧化碳驱油技术在美国已发展成熟。美国自上世纪60年代开始探索二氧化碳驱油矿场试验，80年代进入工业化发展，因混相条件下二氧化碳驱油的增产效果和项目效益显著，此项技术应用得到了规模发展。截至2014年10月，美国有136个油田开展了二氧化碳驱油项目，是世界上利用二氧化碳提高采收率最多的国家，铺设二氧化碳输送管线5800千米，每天向油田供应二氧化碳约18.7万吨，生产原油30万桶/日，二氧化碳驱油累积生产原油高达20亿桶。

2.2不同地区CCS-EOR商业运行模式

在美国的不同盆地，CCS-EOR商业运行模式存在差异。在二叠纪盆地，二氧化碳气源主要来自天然二氧化碳气藏（二氧化碳含量＞96%），初始主要由监管机构（铁路委员会）操控，目前由大型石油公司经营运作，用于油田提高原油产量；在落基山盆地，二氧化碳气源主要来自天然气开发过程中的二氧化碳副产品，二氧化碳驱油项目的推进主要依靠州政府施压；在墨西哥湾地区，二氧化碳气源来自天然二氧化碳气藏开采，各大公司在二氧化碳驱油项目上具备较大的自主性和独立性；在中大陆地区以及威利斯顿盆地，二氧化碳多来自工业排放源，均通过管道运输到油田进行二氧化碳驱油，主要以提高油田采收率为主，独立封存项目较少。

据美国一些石油公司预测，通过进一步技术创新，二氧化碳驱油技术可为美国增加600亿～800亿桶原油储量，石油储量翻番，对美国的能源安全意义重大。从美国几十年的二氧化碳驱油发展历程看，相对高的油价以及低廉稳定的二氧化碳气源是项目成功的保障。

2.3二氧化碳减排激励政策

为推动二氧化碳捕集和埋存（CCS）发展，美国、澳大利亚、欧盟国家（例如挪威）等国家和一些国际组织制订了CCS相关的政策、法规和标准。“美国清洁能源和能源安全法案”（ACES）和美国东北各州的针对电厂的“区域温室气体行动计划”都允许排放主体将因排放权交易产生的成本分摊到能源消费者身上。“美国清洁能源和能源安全法案”针对电厂CCS项目发展的不同阶段，分别设计了基于减排效率以及基于竞标和“先到先得”原则的政府资金分配方案。伊利诺伊州“清洁煤标准总则”规定，电网必须保证一定比例的电力购自应用了CCS的电厂。“美国清洁能源和能源安全法案”和“能源政策法”还对CCS早期研发和实践提供了有效的财政激励和丰厚的信贷额度，但是新型CCS示范项目能否获得政府资金支持仍具有很大的不确定性。目前，美国政府对CCS示范项目的激励主要是通过给予税收抵免额度来实现的，抵免额度上限为7500万吨二氧化碳，迄今已用了2700万吨，剩余的补贴额度预计在3～5年内用完，因而不能确保投资者获得相应的税收抵免。此外，由于现有的激励政策补贴金额较低（每吨二氧化碳补贴10美元），补贴对很多CCS项目的作用有限。

美国“国家提高石油采收率计划”（NEORI）提出了扩大并改革联邦激励政策的相关提案。第一，项目通过竞争招标确定每吨二氧化碳的税收抵免金额，从政府角度确保二氧化碳驱油提高采收率补贴是最低额度，同时作业者可获得长达10年的税收抵免；第二，对成本高低不同的二氧化碳排放源和发电厂等，采取不同的税收抵免额度，以确保不同来源的CCS项目都能获得补贴激励；第三，税收抵免金额根据每年石油市场价格进行调整，高油价下补贴额度较低，低油价下补贴额度调高，既可避免高油价下纳税人捞取补贴获益，也可减少低油价带来的风险。该计划认为，二氧化碳驱油提高采收率增加的石油税收，将在10年内超过政府税收抵免的成本，从长远看可为政府带来显著收益。

2.4二氧化碳管道输送模式

美国CCS-EOR运行机制主要由政府协调，实行市场化定价机制效果显著。二氧化碳管道可由二氧化碳排放企业和石油公司之外的第三方独立运营。目前美国最大的二氧化碳管道运输商和销售商为Kinder Morgan能源公司，该公司拥有天然气藏、二氧化碳气藏以及世界最大的气体处理厂，运营着808千米的长输管线，将二氧化碳从西南科罗拉多输送到西得克萨斯。长距离管线输送降低了二氧化碳的运输成本，使得二氧化碳驱油规模化、工业化成为可能。

就二氧化碳运输技术而言，选择气态或液态进行一般短距离、小规模的输送，选择超临界状态进行长距离、大规模的输送，增压设备主要选择透平压缩机，加压设备主要选择多级卧式离心泵，输送管线材质主要选择X65、X70ERW-HIC。美国CCS-EOR项目地面系统中的二氧化碳捕集、管道输送、环境监测、运行监控、教育培训等均有专门的承包商经营运作，工程中所采用的压缩机、多级离心泵、分离设施、计量设施、阀门等设备、材料也均有专业的供应商全程提供服务保障。

2.5二氧化碳循环利用和安全环保检测管理

美国二氧化碳驱油项目初期的二氧化碳纯度一般都达到99%以上。随着项目的运行，后期采用的二氧化碳来自采出液伴生气的分离、提纯和循环利用，主要有变压吸附分离提纯工艺，二氧化碳纯度要求95%以上。采出流体中回收的二氧化碳与商业采购的二氧化碳混合后注入油田循环利用，实现动态埋存，既可降低二氧化碳采购成本，又可提高油田的开发效益。二氧化碳注入油藏后，会引起储层物性、孔隙结构发生变化[10]，项目作业者通过模拟与仿真集成技术等对项目进行风险评估，评价和推断项目的可执行性，通过储存构造研究、油田测试（脉冲中子测井、4D地震、温压监测、操作数据分析、近地面观测）等确保埋存安全，实现动态监测与管理，提升项目的运营价值。

3　中美CCS-EOR技术差异对比分析

中国近年来在国家有关部委和石油公司的支持下，开展了多个二氧化碳驱油提高采收率项目，为发展CCSEOR技术打下了基础。其中，中国石油集团在吉林油田开展了首个CCS-EOR示范工程研究。1999年，吉林油田开始CCS-EOR的基础研究和矿场试验；2005年以吉林长岭气田伴生二氧化碳为气源，系统地开展了CCS-EOR的技术研究和试验，目前已进入工业化推广阶段，具备年埋存二氧化碳50万吨的能力，年产油能力近20万吨，不仅提高了油田采收率，同时解决气田开发过程中的二氧化碳去向问题，实现了有效益的二氧化碳减排。2003年，大庆油田开展了二氧化碳驱油技术的研究及矿场试验，也取得了初步效果。此外，中国石化集团在胜利油田开展了针对燃煤电厂烟气的CCS-EOR技术研究；延长石油集团在靖边油田开展了针对陕北煤化工项目的CCS-EOR的技术研究。

3.1中美两国二氧化碳驱油项目的气源不同

美国CCS-EOR项目所用的二氧化碳有三个来源：一是纯二氧化碳气藏，占80%；二是含二氧化碳天然气藏分离出的二氧化碳，占15%；三是人工捕集的工业排放的二氧化碳，占5%，主要来自电厂、煤制气、制甲醇、炼油厂、水泥厂、制氢厂等项目的工业排放。二氧化碳气藏的开采成本为10美元/吨，二氧化碳捕集的成本较高，达到35 ～45美元/吨，以天然二氧化碳气藏开发为主是美国CCSEOR项目成本较低的主要原因。

中国天然二氧化碳气源少，工业排放二氧化碳气源类型多，主要来自煤电、水泥、钢铁及煤化工企业，实施CCS-EOR项目需要跨部门合作，导致成本更高。不同行业的二氧化碳排放规模相差大，煤电企业多在1000万吨/年左右；电石、炼油、合成氨和聚苯乙烯企业的年排放规模一般为数十万到数百万吨，大多不超过500万吨/年；煤化工、钢铁、水泥行业的二氧化碳排放量范围很大，多在100万～3000万吨/年。除煤化工行业外，二氧化碳捕集成本均较高。另外，中国的二氧化碳气源主要集中在人口稠密的东部地区，而封存潜力区主要集中在西部地区，空间距离提高了二氧化碳运输与利用成本，也加大了风险。

3.2中美两国的油藏条件存在差异

油藏技术专家们的一个基本共识是，水驱开发效果好的油藏，采用二氧化碳驱油也能取得不错的效果[11]。美国二氧化碳驱油技术一般用于水驱后进一步提高采收率，其油藏以海相沉积为主，储层物性和非均质性均好于中国用于二氧化碳驱油的油藏。例如，美国使用二氧化碳驱油技术规模最大、历史最长的SACROC油田，油藏平均渗透率为20～30毫达西（mD），实施二氧化碳驱油的产量较高，平均单井日产油在8吨以上，产液量在80吨左右。但对于渗透率低于10毫达西的油藏，二氧化碳驱油技术目前也处于研究阶段，并且重点在4～6毫达西的油藏，对小于3毫达西的油藏暂不考虑。

中国的中高渗油藏对化学驱油适应程度较高，技术相对成熟，二氧化碳驱油技术主要用于低渗透油藏提高采收率以及超低渗难采储量的有效动用。二氧化碳驱油的目标油藏多为水驱效果不好、难以注进水甚至不适宜注水的油藏[12-13]，二氧化碳驱油的油藏渗透率一般小于3毫达西，有些油藏的渗透率甚至小于1毫达西，且裂缝发育，非均质性较强。目标油藏的单井日产液量一般低于6吨，与美国油藏相比差别较大。

因此，油藏对象不同，加大了中国二氧化碳驱油的开发难度。美国以水气交替（WAG）为主体的开发模式，难以应用在中国的特低/超低渗油田，相应的开发技术及工程配套技术没有先例，中国需要自行研究攻关。

3.3中美二氧化碳驱油的采油技术及地面工艺不同

美国二氧化碳驱油的注采井口将安全控制和数据采集等装置集中布设，整体结构简单；同时油井生产与伴生气利用紧密结合，采用电潜泵或气举等举升方式。与中国通常采用的抽油机采油相比，增加了生产时率。美国二氧化碳驱油项目地面、井筒和其他方面的投资比例为6∶3∶1。中国的吉林、大庆等油田二氧化碳驱油项目从试验安全生产的角度考虑，主要采用标准的耐二氧化碳气井井口，结构相对复杂；井下使用气密封扣油管柱，总体成本相对较高。从项目现场试验看，高气油比的油井面临如何实现连续稳定生产的挑战。地面系统的二氧化碳选择、输送方式、气水注入、集输工艺、计量水平、分离技术、循环利用以及防腐防垢等方面，需进一步提高生产效率，降低能耗和生产成本，使低渗透油田工业化二氧化碳驱油达到长期、安全、高效的生产要求。

4　结论

美国发展CCS-EOR的过程也历经波折，目前针对渗透率10毫达西以上油藏的二氧化碳驱油技术基本成熟，但对于渗透率小于3毫达西的低产液油藏，如何实现二氧化碳驱油技术的效益开发也面临巨大挑战。

中国开展CCS-EOR仍面临许多实际困难。发展CCSEOR需借鉴美国的成功经验与成熟技术，也要充分认识到，由于地质条件、气源条件、政策支持等方面的差异，不可完全照搬美国经验，必须从中国的实际情况出发，总结国内CCS-EOR的经验教训，选择最佳的技术组合，针对重点技术开展攻关，创造适合中国低渗透/超低渗透油田特点的二氧化碳驱油配套技术，为编制中国CCS-EOR路线图提供科学依据。总之，中国推进CCS-EOR任重而道远。

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编辑：张一驰

编审：周勇

Carbon capture and storage (CCS) and CO2flooding technology development in the United States and China

XU Ting1, YANG Zhen1, ZHOU Tiyao2, LI Ling3
(1. CNPC Planning Department; 2. CNPC Research Institute of Petroleum Exploration & Development; 3. CNPC Economics & Technology Research Institute)

Abstract：The capture, use and storage of CO2have been put on the agenda, since China became the biggest carbon emission country in the world. The CO2flооding is рrоvеd tо hаvе gооd еffесt in imрrоving thе dеvеlорmеnt оf lоw реrmеаbilitу rеsеrvоir and production of single well, which shows a bright future of application and dissemination. American government has promulgated several acts and plans to promote the capture and utilization of CO2, such as the Clean Energy and Energy Security Act, Energy Policy Act and National Plan of Enhancing Oil Recovery. After over six decades of practice, the CO2flооding tесhnоlоgу hаs bесоmе a proven technique in America with the largest number of CO2flооding рrоjесts аll оvеr thе wоrld. Сhinа hаs grеаt роtеntiаl оn developing CO2flооding tесhnоlоgу, but still nееds tо bе саutiоus аbоut rеfеrеnсing thе suссеssful ехреriеnсе оf Аmеriса, bесаusе of the differences such as geological condition, gas source and policy support. We should develop the CCS and EOR technology that suits China’s characteristics of low/super-low permeability reservoirs, rationally promote CO2flооding tесhnоlоgу аnd саrrу оut international cooperation.

Key words：CCS; CO2flооding; СО2emission reduction; EOR; incentive policy

收稿日期：2016-01-22