二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)——二氧化碳變?yōu)閷?驅(qū)動(dòng)石油產(chǎn)出來(lái)
記者 李蕊
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二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)，是指把工業(yè)生產(chǎn)等過(guò)程中排放的二氧化碳捕集提純，繼而投入新的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行再利用和封存。2022年，我國(guó)首個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)CCUS項(xiàng)目中國(guó)石化“齊魯石化—?jiǎng)倮吞锇偃f(wàn)噸級(jí)CCUS項(xiàng)目”正式注氣運(yùn)行，每年約減排二氧化碳100萬(wàn)噸，相當(dāng)于每年植樹(shù)近900萬(wàn)棵，有力推動(dòng)了能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。
導(dǎo)致全球變暖的二氧化碳，不僅能注入地下封存、實(shí)現(xiàn)減排，還能成為增產(chǎn)石油的“香餑餑”？
在山東淄博齊魯石化第二化肥廠，矗立著兩個(gè)巨型儲(chǔ)罐。經(jīng)過(guò)處理的液體二氧化碳從罐中出發(fā)，搭乘專屬“地鐵”——我國(guó)最長(zhǎng)的二氧化碳輸送管道，一路向北輸送109公里后，抵達(dá)“終點(diǎn)站”勝利油田正理莊油田生產(chǎn)區(qū)，被注入地下油藏封存的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)更多石油產(chǎn)出來(lái)。
這是中國(guó)石化勝利油田和齊魯石化聯(lián)手打造的國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）示范工程。“把工業(yè)生產(chǎn)等過(guò)程中排放的二氧化碳捕集提純，繼而投入新的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行再利用和封存，正是CCUS技術(shù)的原理。”勝利油田CCUS油藏開(kāi)發(fā)研究高級(jí)專家張傳寶說(shuō)。
中國(guó)石化“齊魯石化—?jiǎng)倮吞锇偃f(wàn)噸級(jí)CCUS項(xiàng)目”二氧化碳輸送管道工程首站。勝利油田供圖
據(jù)測(cè)算，項(xiàng)目預(yù)計(jì)15年可增油300萬(wàn)噸，每年約減排二氧化碳100萬(wàn)噸，相當(dāng)于每年植樹(shù)近900萬(wàn)棵，有力推動(dòng)了能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。
打開(kāi)技術(shù)“大門(mén)”——
“磨刀石”里采石油
不止一次，張傳寶恨不得鉆到3000米深的地下油層中一探究竟，“到底怎么把油從‘磨刀石’里擠出來(lái)？”
“地下的石油并非像河流一樣自由流動(dòng)，有些低滲透油藏儲(chǔ)存在地下幾千米深的巖石縫隙中，開(kāi)采難度大。喚醒這塊‘沉睡’的地下寶藏，對(duì)我國(guó)能源安全具有重要意義。”幾十年來(lái)，張傳寶一直在試圖“啃下”油田開(kāi)發(fā)的一塊“硬骨頭”——低滲透油藏。
要想把石油采出，往往要靠水來(lái)驅(qū)動(dòng)，可低滲透油藏的儲(chǔ)層巖石像磨刀石一樣致密、堅(jiān)硬。一些情形下，水注不進(jìn)去，油采不出來(lái)。
水注不進(jìn)去，無(wú)孔不入的氣行不行？科研工作者盯上了二氧化碳。“超臨界二氧化碳有獨(dú)特的性能，密度像液態(tài)，黏度像氣體，分子結(jié)構(gòu)小、黏度小，更容易進(jìn)入低滲巖石的孔隙中。如果能讓它與原油混相為一種液體，增加原油流動(dòng)性，就能讓原本躲藏在孔隙中的原油‘現(xiàn)身’，提高原油產(chǎn)量。”張傳寶說(shuō)。
當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)CCUS技術(shù)尚屬科研“無(wú)人區(qū)”。1996年開(kāi)始，科研工作者花了3年時(shí)間，自行設(shè)計(jì)物理模擬裝置，通過(guò)一次次物理評(píng)價(jià)和試驗(yàn)，找到了影響二氧化碳與原油混相的三大因素——壓力、溫度、原油物性，為后期理論研究奠定了基礎(chǔ)。
理論證明了二氧化碳驅(qū)油行之有效，但實(shí)踐起來(lái)并不順利。2008年，油田科研工作者在勝利油田高89—1區(qū)塊進(jìn)行試驗(yàn)。“在地下，油藏壓力達(dá)到一定值，二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，有較大溶解能力，原油溶入二氧化碳，混相為一種液體。可實(shí)際操作時(shí)，壓力達(dá)不到合適值，導(dǎo)致氣和油‘各行其道’、難以互溶。”張傳寶說(shuō)。
到底多大壓力，才能讓原油和二氧化碳在地下互溶？2013年，油田科研工作者移師勝利油田樊142區(qū)塊，開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)1800多天的試驗(yàn)，壓力值從17兆帕一點(diǎn)點(diǎn)往上提……終于，當(dāng)壓力值升到40兆帕?xí)r，石油從井口噴薄而出。
破解混相壓力值這個(gè)關(guān)鍵難題后，二氧化碳與孔隙中的原油成功互溶，原油充分流動(dòng)起來(lái)，區(qū)塊內(nèi)石油產(chǎn)量大大提升。由此，“二氧化碳高壓混相驅(qū)”技術(shù)形成，并取得礦場(chǎng)應(yīng)用突破，成功打開(kāi)了CCUS技術(shù)“大門(mén)”。
打通應(yīng)用堵點(diǎn)——
實(shí)現(xiàn)二氧化碳全密閉高效注入
試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，二氧化碳驅(qū)油效率比常規(guī)水驅(qū)高40%，可提高石油采收率7至20個(gè)百分點(diǎn)。但從先導(dǎo)試驗(yàn)走向規(guī)模化應(yīng)用，并不容易。
“到底怎么把二氧化碳安全高效注入地下？”在勝利油田CCUS項(xiàng)目部建設(shè)保障部高級(jí)主管趙鐵軍看來(lái)，這是阻礙應(yīng)用的難點(diǎn)。在原有的注入模式下，隨著壓力和溫度的變化，液化的二氧化碳中有20%—30%會(huì)變成氣態(tài)，悄悄“溜走”，降低了封存效率。
能否研發(fā)一套設(shè)備，避免二氧化碳“溜走”？翻文獻(xiàn)、詢專家、蹲現(xiàn)場(chǎng)……趙鐵軍與團(tuán)隊(duì)反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案，一次次建模、桌演、優(yōu)化，攻克二氧化碳全密閉高效注入技術(shù)難關(guān)。
在正理莊油田生產(chǎn)區(qū)，有一臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模塊化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化二氧化碳全密閉高效注入裝置，裝置旁布設(shè)著幾條白色管路，上面標(biāo)記著“回流”“壓力”等。
“通過(guò)增設(shè)回流遇冷管路和高壓氣液分離裝置，讓‘溜走’的二氧化碳進(jìn)入裝置，液化后可再次注入，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳全密閉高效注入。”勝利油田CCUS項(xiàng)目部經(jīng)理于法珍介紹。
二氧化碳實(shí)現(xiàn)高效注入，除了密閉，計(jì)量也是關(guān)鍵，向井下注二氧化碳時(shí)，得精準(zhǔn)把控注入量。2018年，趙鐵軍曾到多個(gè)油田調(diào)研，發(fā)現(xiàn)CCUS技術(shù)推廣應(yīng)用時(shí)，質(zhì)量計(jì)量技術(shù)遲遲難以突破，若是從國(guó)外購(gòu)置高壓精確流量計(jì)，支出不菲。
怎么給二氧化碳注入裝備安上“眼睛”？有一天，趙鐵軍給侄子輔導(dǎo)物理作業(yè)，正好講到了質(zhì)量與密度的計(jì)算方法。“能不能用密度和體積換算，得出二氧化碳的質(zhì)量？”趙鐵軍靈光一現(xiàn)。
半年時(shí)間里，趙鐵軍與團(tuán)隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)取了上萬(wàn)組數(shù)據(jù)，采集不同壓力下的二氧化碳密度，創(chuàng)新制作出最高壓力為40兆帕的密度圖版，再將二氧化碳集成到體積流量計(jì)中，從而精確計(jì)算出二氧化碳的質(zhì)量。
規(guī)模化應(yīng)用中，難題被一道道攻克：針對(duì)不同的氣竄通道，研發(fā)形成相應(yīng)的封堵技術(shù)；實(shí)施采出氣液全程密閉集輸與處理工藝，將采出液中的二氧化碳回收，進(jìn)行二次驅(qū)油與封存……封存率一次能到60%—70%，通過(guò)多次捕集、再注入，地下油藏就能成為完全封存二氧化碳的“保險(xiǎn)箱”。
這些豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為CCUS項(xiàng)目建設(shè)提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2022年，中國(guó)石化“齊魯石化—?jiǎng)倮吞锇偃f(wàn)噸級(jí)CCUS項(xiàng)目”正式注氣運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)CCUS產(chǎn)業(yè)開(kāi)始進(jìn)入技術(shù)示范中后段——成熟的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。
補(bǔ)強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈條——
建二氧化碳專屬“地鐵”
“工程覆蓋低滲透油藏儲(chǔ)量2500多萬(wàn)噸，按照計(jì)劃，未來(lái)15年要向油田注入二氧化碳1000萬(wàn)噸。”勝利油田機(jī)械設(shè)備高級(jí)專家叢巖說(shuō)。
上千萬(wàn)噸的二氧化碳從哪來(lái)？“在齊魯石化第二化肥廠，煤氣化裝置排放的二氧化碳尾氣屬于優(yōu)質(zhì)的二氧化碳資源，性能穩(wěn)定，純度高達(dá)90%。”叢巖介紹，齊魯石化通過(guò)液化提純技術(shù)，回收煤氣化裝置尾氣中的二氧化碳，更加節(jié)能。
接著，二氧化碳要經(jīng)歷“長(zhǎng)途跋涉”，輸送至百公里外的正理莊油田生產(chǎn)區(qū)。怎樣確保遠(yuǎn)距離運(yùn)輸全程安全高效？
“起初用罐車，不環(huán)保，效率也低。”叢巖說(shuō)，于是，他們想到為二氧化碳建一條專屬“地鐵”——二氧化碳運(yùn)輸管道。
“理論上講，要實(shí)現(xiàn)二氧化碳在管道內(nèi)液態(tài)輸送有兩種方式，一種是常壓低溫液化，但容易帶來(lái)土壤凍脹、環(huán)境損害等問(wèn)題；另一種常溫高壓液化，前提是要確保管道內(nèi)壓力始終高于液化壓力，這就需要一臺(tái)增壓設(shè)備。”叢巖說(shuō)，在此前，成熟的二氧化碳增壓裝置技術(shù)一直是短板，裝置主要依賴進(jìn)口。
在齊魯石化第二化肥廠廠區(qū)，距離儲(chǔ)罐不遠(yuǎn)的輸送管道首站，一臺(tái)正在運(yùn)轉(zhuǎn)的大排量增壓泵轟轟作響。“這是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)二氧化碳增壓泵。”叢巖介紹，“增壓泵設(shè)計(jì)壓力高達(dá)12兆帕，相當(dāng)于指甲蓋大小的面積承受了120公斤的重量，確保了二氧化碳在長(zhǎng)距離的管道內(nèi)始終保持常溫液化狀態(tài)。”
2023年7月11日，我國(guó)首條百萬(wàn)噸、百公里高壓常溫密相二氧化碳輸送管道正式投運(yùn)，管道全長(zhǎng)109千米，設(shè)計(jì)最大輸量可達(dá)170萬(wàn)噸/年，標(biāo)志著我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)二氧化碳長(zhǎng)距離密相管輸，對(duì)推動(dòng)我國(guó)CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模化發(fā)展具有重要意義。“這條專屬‘地鐵’每年可減少4萬(wàn)輛罐車行駛損耗，節(jié)省車用天然氣約200萬(wàn)立方米。”叢巖介紹。
今年6月，正理莊油田生產(chǎn)區(qū)已累計(jì)注入二氧化碳90萬(wàn)噸，有21口油井實(shí)現(xiàn)自噴，日產(chǎn)原油從220噸提升至415噸。
耳畔是轟鳴的機(jī)器聲，眼前是一座座矗立的鉆塔。“一頭連著綠色低碳，一頭連著能源安全，CCUS技術(shù)大有可為。”正理莊采油管理區(qū)黨支部書(shū)記焦俊杰說(shuō)。