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未来油气开发可以减碳? ——揭开CCUS的面纱

原创
CCUS 碳达峰 碳中和 减碳
石油知识

2021年7月5日,山东省高青县,胜利油田高89—樊142井区,我国首个百万吨级CCUS项目正式启动建设。计划建设10座无人值守注气站,向附近73口井注入齐鲁石化捕集的二氧化碳,同时油气集输系统全部采用密闭管输,进一步提高二氧化碳封存率,预计未来15年,可累计注入二氧化碳1068万吨,可实现增油近300万吨。按百万吨级CCUS计算,每年可减排二氧化碳100万吨,相当于近60万辆经济型轿车停开一年。那么这个CCUS为什么如此厉害?让我们一起来揭开它的神秘面纱吧。

胜利油田莱113区块存储能力达50吨的二氧化碳储罐

CCUS指的是什么?

数百年来,为了满足人类日益增长的能源需求,越来越多的化石燃料被生产消耗,并产生了大量以二氧化碳为主的温室气体。长此以往,温室气体的大量排放造成全球气候变暖,这已经成为国际社会所面临的重要挑战。时至今日,减少二氧化碳的排放量势在必行。由此全球能源界也逐渐开始流行一个响亮的词汇——CCUS。

CCUS是四个英文单词首字母的缩写:第一个字母“C”指“Carbon”,即碳;第二个字母“C”指“Capture”,即捕集;第三个字母“U”指“Utilization”,即利用;第四个字母“S”指“Storage”,即封存。CCUS即把生产、生活等相关过程中排放出来的碳,通过一系列手段分离出来,进行提纯,输送到指定地点,继而投入到新的生产过程中,循环再利用,或者是注入地下进行封存,与大气隔绝起来。

CCUS是怎么发展起来的?

CCUS这一概念是在早期的CCS基础上发展而来的。CCS最初的设想是将二氧化碳从大气中捕集,并将其注入深部地层之中。陆上可用于二氧化碳封存的地层通常为埋深大于800米且有盖层封闭的砂岩咸水层、已封闭的废旧煤矿和枯竭的油田。以油田为例,由于在开发过程中,油气资源从地层中采集出来,使得深部地层产生了新的储集空间,具备作为二氧化碳封存的潜在条件。

CCS的设想固然很美好,国际上诸多高校和科研院所已对其开展了多年的研究,但除了技术性困难以外,其自身还有一定局限性,那就是高能耗、高成本,这使得其多年来尚未实现规模性商业化应用,限制了其迅速推广。

根据国际能源署(IEA)估计,这一技术要想对缓解气候变化产生实质上的效应,全球至少需要有6000个项目,且每个项目每年往地下注入100万吨二氧化碳。当前碳捕集是整个流程中能耗与成本最高的环节。如果碳捕集之后的流程不能产生经济效益,势必会影响该技术的广泛应用。单纯为了控制碳排放,要求企业额外增加投资运营成本或单靠国家财政投入支撑,在全世界许多地方看来都是不可取的,难以为继。基于此种原因,CCUS逐渐成为CCS的替代。

CCUS中的“U”强调了将捕集到的二氧化碳资源化循环再利用,而不是简单地封存在地层中,其关键之处在于能够产生经济效益,因此更具有现实操作性。CCUS技术这一整套过程是一个完整的循环:工业生产的碳被捕集,并于工业生产之中进行再利用。全球能源界认为通过CCUS技术可以实现大规模碳减排,在应对全球气候变化、控制温室气体排放、实现《巴黎协定》等方面有着特殊的意义。

但实际上,只有高度成熟的CCUS技术才能真正实现碳减排,目前该技术仍处于起步阶段。如今,为了实现碳减排在经济性、安全性、稳定性、持续性等方面的创新和突破,全球各界都对CCUS技术的不同流程环节进行研究攻关。在碳捕集方面力求降低能耗成本,在碳利用方面开展广泛应用试验,在碳封存方面加强地质环境监控等。这些努力与尝试,都有效地推动了CCUS技术的快速发展。

CCUS有什么成熟应用?

近些年,二氧化碳的资源化利用技术已在多个产业开展了广泛的研发应用,其中油田驱油技术产业化应用前景最为广阔。

很多燃煤电厂、水泥、钢铁、化工等企业工业排放的碳,其中90%可以被捕集。通过收集工业烟气并添加溶剂,将二氧化碳与其他成分分离,提纯后回收。这些从废气中收集到的二氧化碳经过压缩、冷却后,可成为液态,随后便可将这些液态的二氧化碳通过罐车、轮船、管道等方式运输到油气田。

在油气田可以通过特殊的装置将得到的二氧化碳加工形成超临界二氧化碳注入地层中。到了地下之后,一部分二氧化碳会被封存在地层之中,充填进入油气采集后的储集空间;还有一部分超临界二氧化碳,易与原油混相,可以和地层中的原油融合在一起,从而提高原油的流动性,实现二氧化碳对原油的驱替,使得原油采收率(采出原油的数量与油藏原始地质储量之比)提高10%到20%,极大地提高原油的产量。按照中国石油评估,该技术可增加可采储量8.3亿吨(大庆油田2021年产油气当量0.43亿吨)。

小贴士:超临界二氧化碳是二氧化碳的超临界状态,也就是二氧化碳随着温度和压力的变化,超出了二氧化碳气液的临界温度、临界压力、临界容积状态的二氧化碳,表现为一种黏度近似气体、密度近似液体的二氧化碳物理状态。

当前,二氧化碳驱油技术是所有CCUS技术中从碳捕集、运输到利用、封存一体化最为成熟的商业模式。此外我国还在研究超临界二氧化碳携砂压裂技术,以此改变地层岩石力学性质。该技术可应用于页岩气和干热岩等地质资源的开发,甚至可实现页岩气和干热岩生产过程中的负碳排放。利用二氧化碳比甲烷更易吸附在煤层表面的性质,同样可通过CCUS技术提高煤层气采收率。

这些聚焦前沿的能源开发方式创新,使得二氧化碳从“上天为害”变成“入地为宝”。通过CCUS技术减排100万吨二氧化碳,其效果相当于种植近900万颗树,或是近60万辆经济型轿车停开一年,当真是在油气开采方面实现了减碳。

长庆油田黄3区CO2驱(CCUS)国家示范工程

CCUS的意义何在?

中国已经确定了要在2030年前实现“碳达峰”、在2060年前实现“碳中和”的目标。“碳中和”的核心是降低甚至消除碳排放量,但并非完全无碳排放,而是利用技术手段实现碳排放量和碳吸收量的平衡,达到“净零排放”。这对于改善生态环境、应对气候变化、助推高质量发展具有重要意义。

由于人类对能源的高需求和新能源开发的瓶颈,通过调整能源结构等“源头减碳”的方式在短期内很难达到预期效果。因此,推广CCUS技术将在实现“碳达峰、碳中和”的过程中发挥重要的保障作用。CCUS技术未来发展的核心在于突破以二氧化碳为原料的循环利用技术制约,既要提高其利用效果,也要降低其应用成本。日趋成熟的CCUS技术将助力我国沿着“清洁、低碳、安全、高效”的道路实现“碳中和”的终极目标。

作者:中国地质调查局油气资源调查中心 高堋

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