二氧化碳與油氣的不解之緣

■ 敏 銳

二氧化碳與油氣的不解之緣

■ 敏 銳

在人類排放的溫室氣體中，65%以上為二氧化碳（CO2）。從地質循環來看，這些二氧化碳幾乎都與油氣等化石燃料有關。但在人類的油氣勘探開發過程中，二氧化碳卻又是離不開的伙伴，與其有著不解之緣。

二氧化碳與油氣的生成

在世界范圍內，已經發現了大量高濃度二氧化碳氣藏。這些氣藏部分來自于地殼巖石或有機質的分解，但更多的是來自于地球深部不斷向外排放的二氧化碳。這些有機或無機成因的二氧化碳在大量進入沉積盆地的過程中，必然會與沉積盆地的各種介質接觸并發生各種物理和化學反應，從而對油氣的成藏造成重大影響。

地球深部排出的二氧化碳在上升的過程中，可以與氫氣（H2）發生著名的費托反應而生成烴類。這種反應說明，在地球內部完全可能因為費托反應的發生而形成大量烴類。地球深部存在大量的富二氧化碳流體和大量的富H流體，并不斷向外排放，這為費托反應的發生提供了物質保障。另外，在很多沉積盆地中廣泛發育蛇紋石化超基性巖或玄武巖，這些催化劑的存在使得反應的發生成為可能；在斷裂發育或深部流體活動頻繁的地方，肯定會有大量溫度適宜的區域。

除參與費托反應外，在250℃條件下，二氧化碳還可以被Fe2SiO4直接還原為CH4，東營凹陷部分烴類的生成就是這種反應的結果。此外，深部富二氧化碳流體是熱能的良好載體，這種流體進入沉積盆地后會為盆地介質提供大量熱能，從而促進烴源巖生烴。

世界范圍內油氣田的分布規律也可以為費托反應的發生提供佐證。世界油氣的一半以上與板塊俯沖及其相聯系的各種斷裂有關，而且在這些斷裂區域正好是費托反應最可能發生的地方。這一分布規律也提醒我們要充分關注這種生烴機制，這種反應的發生將會極大地拓展油氣的勘探領域。

地球內部含有的二氧化碳臨界參數相對較低( 7.38MPa、31.1℃)，大部分二氧化碳以超臨界狀態存在。這種超臨界流體已經作為一種優質的萃取劑，在生物、食品和醫藥等行業得以廣泛應用。超臨界狀態的二氧化碳還能很快抽提出沉積物中的甾烷、藿烷和芳香烴，對油頁巖和煤中的有機質也能進行萃取。地球深部還含有大量分散的烴類，這已經被超深鉆的結果所證實，而超臨界二氧化碳流體對于分散的有機質具有非凡的富集能力，使得超臨界狀態深部流體對分散的油氣組分具有明顯的富集作用，可能會導致無機成因油氣藏的出現。例如，在澳大利亞奧特韋(Otway)盆地，發現油氣顯示的同時也發現的大量高濃度的二氧化碳氣田，有學者認為，火山巖漿源的高濃度超臨界態二氧化碳對奧特韋和庫珀盆地油氣的形成可能起著重要作用。

另外，大量的二氧化碳進入沉積盆地，會導致地層流體pH值的降低，從而導致地下碳酸鹽礦物和鋁硅酸鹽礦物的溶解。這類作用也可以使由碳酸巖礦物和鋁硅酸鹽礦物膠結的砂巖溶解，從而產生大量次生孔隙。這類孔隙的存在可以顯著改善儲層物性。

二氧化碳與油氣開采

國際能源機構評估認為，全世界適合二氧化碳驅油開發的資源約為3000～6000億桶，二氧化碳驅油是三次采油中最具潛力的提高采收率的方法之一。

二氧化碳驅油，是一種把二氧化碳注入油層中以提高油田采收率的技術。在標準情況下，二氧化碳是一種無色、無味、比空氣重、在油和水中溶解度都很高的氣體，密度是1.977克/升。當溫度壓力高于臨界點時，二氧化碳的性質發生變化：形態近于液體，黏度近于氣體，擴散系數為液體的100倍。這時的二氧化碳是一種很好的溶劑，其溶解性、穿透性均超過水、乙醇、乙醚等有機溶劑。當原油溶于二氧化碳時，可以補充地層能量使原油體積膨脹，黏度下降，還可以降低油水間的界面張力，形成溶解氣驅，提高原油流動能力及油藏性質，從而提高油田驅油效率與原油采收率。

1970年，美國開始在德克薩斯州把二氧化碳注入油田作為提高石油采收率(EOR)的一種技術手段，成為應用二氧化碳驅油試驗最早、最廣泛的國家。現今，二氧化碳驅油已成為美國主要提高采收率的技術。在2008年，全世界二氧化碳驅油項目已達到124個，年耗二氧化碳量2500萬噸,每天產油27.4萬桶，其中美國實施二氧化碳驅油項目108個，每天產油25萬桶。世界上實施的大部分二氧化碳驅項目是混相驅，其中90%以上的項目屬美國。美國10個產油區的292個油田采用二氧化碳驅油，采收率可提高7%～15%。到2010年2月，注入二氧化碳已幫助一些成熟油田回收了近15億桶石油。

我國低滲透油藏現已探明原油儲量63.2億噸，其中尚未動用的儲量50%左右，運用二氧化碳驅比水驅有更明顯的技術優勢。在中國石化“低滲透油藏二氧化碳驅提高采收率”先導試驗研究成果的基礎上，燃煤發電廠煙氣二氧化碳捕集純化技術利用化學吸收法，將勝利發電廠燃煤煙氣中的二氧化碳進行捕集、提純、液化。該裝置運行后，液態二氧化碳日產量達100余噸，全年可捕集、液化二氧化碳達3～4萬噸，二氧化碳經處理后純度達99.5%以上，可全部用于勝利油田開展的“低滲透油藏二氧化碳驅油”重大先導試驗。2015年，山東勝利油田建成100萬噸/年二氧化碳捕集裝置，該裝置建成后將成為全球最大的二氧化碳捕集裝置，同時利用捕集的二氧化碳驅油，油田的采收率可以提高10至15個百分點，每年預計可減少二氧化碳排放3萬多噸。

對于中高滲水驅油藏，也可通過注入二氧化碳進一步提高采收率，中原油田濮城水驅廢棄油藏就通過試驗二氧化碳驅油再獲新生。2012年5月10日，中原油田首次開展二氧化碳吞吐工藝試驗，中原油田采油四廠在文88-平1井進行二氧化碳吞吐工藝試驗，標志著油田二氧化碳吞吐試驗項目進入實施階段。如果二氧化碳驅油在中原油田高含水油藏中全面推廣應用，將覆蓋地質儲量3億噸，預計可增加可采儲量2000～3000萬噸。

二氧化碳與廢棄油藏

國內外的油氣盆地勘探開發實踐表明，油氣藏是封閉條件良好的地下儲氣庫，可以實現二氧化碳的長期埋存；同時，二氧化碳注入油氣藏時，還可作為驅油劑顯著提高油氣采收率。迄今，二氧化碳地質埋存已經在美洲、歐洲、非洲得到實踐，在澳洲和亞洲也在研發和計劃之中。

油藏是二氧化碳地質埋存的最小單元，一個具體油藏是否適合二氧化碳地質埋存，首先要對該油藏所在沉積盆地進行安全評價，接著對其所在油田進行安全評價，最后是油藏方面安全評價。

盆地的溫度和壓力環境決定了二氧化碳密度的大小，從而會影響盆地的埋存能力。在一般盆地壓力體系下，二氧化碳密度最大可達850千克/立方米。一些超壓地層在盆地中埋藏較深（一般大于2000米），二氧化碳密度可達1060千克/立方米，但是由于注入成本及安全性，它們并不適合二氧化碳的地質埋存。地熱梯度較低的、斷裂活動較弱的擴散型大陸邊緣盆地具有較好的二氧化碳埋存潛力。較低的地熱梯度和地熱流值，能使二氧化碳在較小的深度下達到較高的密度，有利于二氧化碳的地質埋存。理想的二氧化碳埋存盆地應該具有地表溫度低、地溫梯度小、大地熱流值小、遠離地下熱源等特征。儲層的深度應滿足二氧化碳以超臨界狀態的形式儲存，同時也應考慮注入成本，深度一般應在800～2000米左右。

廢棄井是二氧化碳泄露的潛在途徑之一。廢棄井一般用水泥封堵，而地層中的二氧化碳具有腐蝕性，在一定時期后（20～50年）腐蝕穿過水泥環，從而導致泄露。廢棄井的密度越低，二氧化碳泄露的隱患越低。

二氧化碳地質埋存是將二氧化碳注入到地層孔隙中，借助地層的密封性實現溫室氣體的長期封存。以二氧化碳為驅油劑提高油氣采收率不僅可以增加原油可采儲量，而且可以實現二氧化碳的長期埋存，是二氧化碳高效利用與埋存的最佳途徑之一。