基于生命周期思想的油页岩原位开采碳排放核算

刘博，王晓荣，刘伯约，苑宏英，纪冬丽，何少林，宋阳，徐薇

1.中国石油天然气股份有限公司规划总院，北京 100083；2.北京中陆咨询有限公司，北京 100083；3.天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384

0 引言

中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”。这是中国首次明确提出“双碳”目标，要实现这一目标，需要各行各业的共同努力和积极参与［1-2］。在引起全球气候变暖的诸多因素中，工业企业产生的碳排放占比较大［3］，是产生温室气体的主体［4］。对工业企业的碳排放进行科学准确的核算，是确定碳排放总量和提出针对性降碳措施的关键［5］。

张振芳等［6］对地下煤矿开发碳排放源进行分析，建立碳排放核算模型，得出提高瓦斯利用率是实现碳减排的重要途径；才庆祥等［7］对露天煤矿的开采进行碳排放源分析并建立碳排放核算模型；张震等［8］建立了煤炭矿区开发碳排放测算模型以及能源替代视角下矿区碳排放测算模型；王晓琳等［9］对煤炭矿区各开采环节碳排放源的构成进行了分析；刘业业［10］分别从石油炼制企业层面和行业层面进行了碳排放核算；牛亚群［11］构建了煤制天然气全生命周期碳排放核算模型，并针对实例提出碳减排建议。当前，对煤炭、石油、天然气的碳排放研究较多［12-14］，对于油页岩原位开采的研究则主要集中在油页岩原位开采对地下水的影响以及油页岩热解的物性分析方面［15-16］。

本文主要针对油页岩原位开采矿区的碳排放进行研究，立足于油页岩原位开采的生产实际，研究分析当前行业内碳排放核算存在的问题［17］；同时从油页岩原位开采的生命周期角度出发，考虑各个源项的碳排放核算问题，参考相关行业已有的核算指南、IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）发布的《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南2019年修订》（简称《清单指南》）中提供的排放因子法和碳质量守恒法，构建原位开采的碳排放核算模型，进行碳排放量核算和分析，针对核算出的碳排放量制定相应的减排计划，为油页岩开采行业编写核算标准、制定合理的减排方案提供参考和依据。

1 油页岩行业碳排放核算存在的问题

1.1 缺乏相应的统一参考标准及规范

目前中国针对油页岩原位开采碳排放核算方面还没有相关标准，只能参考石油、化工、煤炭等行业的规范。但是油页岩原位开采涉及到前期的场地开发，开采中的钻井、压裂、加热、油气收集与分离、油气运输，以及废水、废弃物的处置和开采后的场地恢复，且不同地区的油页岩开采加热方式也各有不同［18-20］，这使油页岩原位开采有别于其他行业，参考其他行业现有标准可能会造成核算结果准确度较低。因此，油页岩行业碳排放核算急需相关标准。

应对油页岩原位开采过程中的场地开发，钻井、压裂、加热、油气收集与分离、油气运输，以及废水、废弃物的处置和场地恢复等全生命周期建立核算指南；针对油页岩原位开采过程中电力、柴油等能源消耗，钻机、泵、锅炉等不同设备、不同型号的排放，不同运输车辆、不同设备的柴油、电力消耗量，管道、脱硫罐、储油罐、阀门、火炬系统、冷凝系统、装卸过程等有组织和无组织的气体逸散都应建立不同等级标准数据库以供参考。

1.2 相关碳减排方案较为空泛

在“双碳”背景下，使油页岩原位开采过程的碳排放量降到最低是企业的社会责任，也是降低成本、提质增效的关键措施。现有的针对相关企业碳排放量的减碳措施较为空泛，缺乏针对企业各个生产流程、各类能源消耗、各种设备选型的具有实际可行性的技术措施，对企业的实际应用价值较小。

应制定统一的标准和规范，准确反映油页岩开采过程中碳排放的重点因素，从而更有针对性地提出或部署碳减排方案；在标准中要体现出不同规格企业应达到的碳排放量水平，帮助企业寻找差距，促进企业技术水平、管理水准、生产效率的提升，进而完成碳减排的目标。

2 碳排放核算模型的建立

2.1 影响碳排放量的源项

目前，油页岩原位开采中的热解技术主要有传导加热、对流加热、燃烧加热、辐射加热等［21-22］。传导加热技术是利用电加热器对油页岩层进行加热；对流加热技术是通过向地下注入气体形成热交换从而对油页岩层进行热解［23］；燃烧加热技术是在燃烧井中建立燃烧室，加热油页岩层，使干馏后的沥青质和固定碳发生氧化反应［24］，从而为后续热解提供热源；辐射加热技术是利用射频加热和超临界流体做载体实现油气的采出［25］。显然，不同加热方式对于能源的消耗存在差异，由此所产生的碳排放量也不同。

当前对于油页岩原位开采压裂油页岩层的方式主要有水力压裂、超临界CO2压裂、天然气泡沫压裂等多种技术［26］。水力压裂是通过高压泵组向地层注入大量混合液体形成裂缝，裂缝在扩展过程中延伸贯通，在油层与井筒之间建立起一条新的流体通道［27］；超临界CO2压裂是将密度接近于液体，黏度接近于气体的超临界CO2作为压裂流体对注入地层进行压裂［28-29］；天然气泡沫压裂技术主要通过将天然气流喷射到加压水中来实现。不同压裂技术对于柴油、电力等能源的消耗比例不同，碳排放量就不同；由于压裂液的成分差异，造成逸散的排放量也不同。

油页岩原位开采生成的页岩油和热解页岩气通过生产井驱提至地面，进入三相分离器，实现页岩油、页岩气和水分三相的分离，分离出的页岩油运送至炼油厂提炼，页岩气先进入脱硫管脱硫，再进入气体分离装置进行不同组分气体的分离，水则大部分回注于地下循环利用。在此过程中，不仅存在能源消耗产生的碳排放，也存在收集与分离过程的逸散排放。

2.2 碳排放核算边界和碳排放源的确定

对油页岩原位开采矿区来说，碳排放核算边界为开采过程中产生的排放，分为直接碳排放和间接碳排放。直接碳排放是指开采过程中能源消耗引起的碳排放，间接碳排放则是指为了满足开采需求而排放的不属于组织边界内的一些排放源，如外购电力产生的排放。

油页岩原位开采工艺流程比较复杂，本文将开采过程的钻井、压裂、加热、油气收集与处理、油气运输，以及废水、废弃物、生活垃圾的处理作为碳排放核算边界。根据核算边界确定碳排放源，主要包括开采过程中各环节消耗的柴油及电网电力等能源的排放，以及废水、废弃物、生活垃圾处理产生的碳排放和逸散排放。

在本次研究过程中，主要探讨的是CO2、CH4以及N2O 这3 种气体的碳排放，为了统一计算，将CH4和N2O 气体的排放量通过温室效应换算转化为CO2当量来进行计算。

2.3 碳排放核算模型的建立

本研究涉及的碳排放核算主要围绕油页岩原位开采过程分析，分为钻井、压裂、加热、油气收集与处理、油气运输等5 个开采环节，包含废水、废弃物和生活垃圾的处理以及贯穿整个过程的逸散排放，如图1 所示。

图1 油页岩原位开采碳排放核算边界

1）油页岩原位开采过程的碳排放总量为核算边界内所有碳排放量之和，计算公式如下：

式中：Eall——核算边界内产生的碳排放总量，tCO2；Ezj——钻井环节产生的碳排放量，tCO2；Eyl——压裂环节产生的碳排放量，tCO2；Ejr——加热环节产生的碳排放量，tCO2；Esj——油气收集与处理环节产生的碳排放量，tCO2；Eys——油气运输环节产生的碳排放量，tCO2；Efs——废水处理产生的碳排放量，tCO2；Efw——固体废弃物处理产生的碳排放量，tCO2；Elj——生活垃圾处理产生的碳排放量，tCO2；Eyis——开采全过程产生的逸散排放量，tCO2。

2）钻井、压裂、加热、油气收集与处理、油气运输等5 个环节的碳排放量分别是其对电力、柴油等能源消耗产生的碳排放量，计算公式如下：

式中：i——钻井、压裂、加热、油气收集与处理、油气运输环节；Ei——钻井、压裂、加热、油气收集与处理、油气运输环节的碳排放量，tCO2；Edf——该环节柴油消耗产生的碳排放量，tCO2；Ee——该环节电力消耗产生的碳排放量，tCO2；Eother——该环节使用其他能源消耗产生的碳排放量，tCO2。其中，能源消耗产生的碳排放量分别是由各自消耗量与对应的碳排放因子的乘积得到。

3）废水、固体废弃物和生活垃圾处理产生的碳排放量参考《省级温室气体清单编制指南》（简称《指南》）进行估算。

废水处理产生的CH4和N2O 排放核算公式如下。

生活垃圾和固体废弃物焚烧处理的碳排放核算公式如下。

式中：ECO2——固废处理产生的CO2排放量，104tCO2/a；Wi——废弃物的焚烧量，104t/a；WiCC——废弃物中碳含量比例，%；FiFC——废弃物中矿物碳在碳总量中比例，%；EiF——废弃物焚烧炉的燃烧效率，%。

3 实例研究

以某油页岩原位开采先导示范区为例，前期完成勘探井、温度监测井、注气燃烧井、生产井、地下水源监测井等钻井工程，之后采用原位竖井水力压裂油页岩层建立油气连通通道，实现油页岩原位加热、注气燃烧、干馏驱提页岩油气至地面、油气分离与收集的工艺路线，最终运输至炼油厂进行精炼加工。参考该示范区域的环评报告得到，页岩油产量为1×105t/a，油页岩含油率约为6.453%，生活垃圾的产生量为34.3 t/a，危险废弃物的产生量为3.18 t/a，运送至污水处理厂废水总量为2.79×103m3，施工周期按4.25 a 计算，产出页岩气收集再利用，不计入碳排放量。

3.1 碳排放因子的确定

3.1.1 柴油的碳排放因子

从《清单指南》中查柴油相关的CO2、CH4、N2O 的缺省碳排放因子，使查到的缺省值乘对应热值并换算单位，得到修正的碳排放因子，选取IPCC第三次评估报告中对应的全球增温潜势值，将温室气体转化为CO2当量来核算，得到柴油总的碳排放因子为3.20 kgCO2/kg（见表1）。

表1 柴油碳排放因子计算

3.1.2 电力的碳排放因子

按照生态环境部2022 年3 月15 日发布的《关于做好2022 年企业温室气体排放报告管理相关重点工作的通知》（环办气候函〔2022〕111 号），对于购入电力的的电网碳排放因子调整为0.581 tCO2/（MW·h）［30］。

3.1.3 逸散的排放量

煤矿开采、石油开采等逸散的排放因子对于油页岩原位开采行业都不具有参考性，本文利用碳质量守恒来计算逸散的排放因子，计算公式为：逸散气体排放量=（原岩开采量×原岩含碳量-产油量×产油含碳量-产气量×产气含碳量-剩余半焦量×半焦含碳量）×44/12。根据本文研究区域情况（见表2）计算得到逸散碳排放量为5.17×104tCO2。

表2 研究区域实际情况

3.2 实例计算

该油页岩原位开采先导示范区的碳排放源是能源消耗、生活垃圾和固体废弃物处理、废水处理和逸散产生的碳排放，具体的能源消耗量和核算结果如表3 所示。

表3 碳排放核算结果

根据核算结果可知，碳排放总量为5.06×105tCO2，加热环节的碳排放占比最大，为29.44%，排放量是1.49×105tCO2，是所有工艺过程中排放量最大的环节；生活垃圾和固体废弃物处理和废水处理的碳排放量较少，占比不到1%；除此之外，各个环节中，电力消耗产生的碳排放量最大。

4 结论及建议

从生命周期的角度将油页岩原位开采过程中钻井、压裂、加热、油气收集与处理、油气运输，以及废水、废弃物、生活垃圾的处置作为碳排放核算边界，确定电力、柴油等能源的消耗，废水、废弃物、生活垃圾处理产生的碳排放和逸散排放为碳排放源，最终建立油页岩原位开采碳排放核算模型。通过对油页岩原位开采碳排放的核算，对原位开采的碳排放状况有准确的了解和定位，为制定相应的对策提供依据，可采取相应的措施在源头上实现碳减排。

基于油页岩原位开采的碳排放核算模型，对某先导示范基地进行碳排放核算，结果表明，加热环节碳排放量占比最大，为29.44%，各环节电力消耗产生的排放量最大。油页岩原位开采矿区应积极开展节电工程，控制能源消耗，合理管控高能耗设备，减少非生产能耗，采用一些具有低碳优势的电力来源，如风电、太阳能电力、水电等。工艺技术方面应提升设备工艺水平，选用先进工艺设备；提高温室气体的收集和利用率，减少逸散等方法降低碳排放量。柴油方面合理安排生产，加大道路维护力度，缩短运距，减少运输油耗；减少怠速油耗；加强管理，合理调配、使用车辆，严格用油等。