中國石化“齊魯石化—勝利油田百萬(wàn)噸級CCUS項目”二氧化碳輸送管道工程首站。
勝利油田供圖
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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，我國首個(gè)百萬(wàn)噸級CCUS項目中國石化“齊魯石化—勝利油田百萬(wàn)噸級CCUS項目”正式注氣運行，每年約減排二氧化碳100萬(wàn)噸，相當于每年植樹(shù)近900萬(wàn)棵，有力推動(dòng)了能源綠色低碳轉型。
導致全球變暖的二氧化碳，不僅能注入地下封存、實(shí)現減排，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(chǎng)，矗立著(zhù)兩個(gè)巨型儲罐。經(jīng)過(guò)處理的液體二氧化碳從罐中出發(fā)，搭乘專(zhuān)屬“地鐵”——我國最長(cháng)的二氧化碳輸送管道，一路向北輸送109公里后，抵達“終點(diǎn)站”勝利油田正理莊油田生產(chǎn)區，被注入地下油藏封存的同時(shí)，驅動(dòng)更多石油產(chǎn)出來(lái)。
這是中國石化勝利油田和齊魯石化聯(lián)手打造的國內首個(gè)百萬(wàn)噸級二氧化碳捕集、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)研究高級專(zhuān)家張傳寶說(shuō)。
據測算，項目預計15年可增油300萬(wàn)噸，每年約減排二氧化碳100萬(wàn)噸，相當于每年植樹(shù)近900萬(wàn)棵，有力推動(dòng)了能源綠色低碳轉型。
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，對我國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)驅動(dòng)，可低滲透油藏的儲層巖石像磨刀石一樣致密、堅硬。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特的性能，密度像液態(tài)，黏度像氣體，分子結構小、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‘現身’，提高原油產(chǎn)量。”張傳寶說(shuō)。
當時(shí)，國內CCUS技術(shù)尚屬科研“無(wú)人區”。1996年開(kāi)始，科研工作者花了3年時(shí)間，自行設計物理模擬裝置，通過(guò)一次次物理評價(jià)和試驗，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。
理論證明了二氧化碳驅油行之有效，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區塊進(jìn)行試驗。“在地下，油藏壓力達到一定值，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?？蓪?shí)際操作時(shí)，壓力達不到合適值，導致氣和油‘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區塊，開(kāi)展了長(cháng)達1800多天的試驗，壓力值從17兆帕一點(diǎn)點(diǎn)往上提……終于，當壓力值升到40兆帕時(shí)，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)，區塊內石油產(chǎn)量大大提升。由此，“二氧化碳高壓混相驅”技術(shù)形成，并取得礦場(chǎng)應用突破，成功打開(kāi)了CCUS技術(shù)“大門(mén)”。
打通應用堵點(diǎn)——
實(shí)現二氧化碳全密閉高效注入
試驗數據顯示，二氧化碳驅油效率比常規水驅高40%，可提高石油采收率7至20個(gè)百分點(diǎn)。但從先導試驗走向規?；瘧?，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項目部建設保障部高級主管趙鐵軍看來(lái)，這是阻礙應用的難點(diǎn)。在原有的注入模式下，隨著(zhù)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)一套設備，避免二氧化碳“溜走”?翻文獻、詢(xún)專(zhuān)家、蹲現場(chǎng)……趙鐵軍與團隊反復修改設計方案，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，有一臺具有完全自主知識產(chǎn)權的模塊化、自動(dòng)化、標準化二氧化碳全密閉高效注入裝置，裝置旁布設著(zhù)幾條白色管路，上面標記著(zhù)“回流”“壓力”等。
“通過(guò)增設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)現了二氧化碳全密閉高效注入。”勝利油田CCUS項目部經(jīng)理于法珍介紹。
二氧化碳實(shí)現高效注入，除了密閉，計量也是關(guān)鍵，向井下注二氧化碳時(shí)，得精準把控注入量。2018年，趙鐵軍曾到多個(gè)油田調研，發(fā)現CCUS技術(shù)推廣應用時(shí)，質(zhì)量計量技術(shù)遲遲難以突破，若是從國外購置高壓精確流量計，支出不菲。
怎么給二氧化碳注入裝備安上“眼睛”?有一天，趙鐵軍給侄子輔導物理作業(yè)，正好講到了質(zhì)量與密度的計算方法。“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。
半年時(shí)間里，趙鐵軍與團隊現場(chǎng)測取了上萬(wàn)組數據，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中，從而精確計算出二氧化碳的質(zhì)量。
規?；瘧弥?，難題被一道道攻克：針對不同的氣竄通道，研發(fā)形成相應的封堵技術(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“保險箱”。
這些豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗，為CCUS項目建設提供技術(shù)標準。2022年，中國石化“齊魯石化—勝利油田百萬(wàn)噸級CCUS項目”正式注氣運行，標志著(zhù)我國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)化運營(yíng)。
補強產(chǎn)業(yè)鏈條——
建二氧化碳專(zhuān)屬“地鐵”
“工程覆蓋低滲透油藏儲量2500多萬(wàn)噸，按照計劃，未來(lái)15年要向油田注入二氧化碳1000萬(wàn)噸。”勝利油田機械設備高級專(zhuān)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(chǎng)，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，性能穩定，純度高達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，更加節能。
接著(zhù)，二氧化碳要經(jīng)歷“長(cháng)途跋涉”，輸送至百公里外的正理莊油田生產(chǎn)區。怎樣確保遠距離運輸全程安全高效?
“起初用罐車(chē)，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(zhuān)屬“地鐵”——二氧化碳運輸管道。
“理論上講，要實(shí)現二氧化碳在管道內液態(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壓力始終高于液化壓力，這就需要一臺增壓設備。”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(lài)進(jìn)口。
在齊魯石化第二化肥廠(chǎng)廠(chǎng)區，距離儲罐不遠的輸送管道首站，一臺正在運轉的大排量增壓泵轟轟作響。“這是具有自主知識產(chǎn)權的國內首臺二氧化碳增壓泵。”叢巖介紹，“增壓泵設計壓力高達12兆帕，相當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(cháng)距離的管道內始終保持常溫液化狀態(tài)。”
2023年7月11日，我國首條百萬(wàn)噸、百公里高壓常溫密相二氧化碳輸送管道正式投運，管道全長(cháng)109千米，設計最大輸量可達170萬(wàn)噸/年，標志著(zhù)我國首次實(shí)現二氧化碳長(cháng)距離密相管輸，對推動(dòng)我國CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈規?；l(fā)展具有重要意義。“這條專(zhuān)屬‘地鐵’每年可減少4萬(wàn)輛罐車(chē)行駛損耗，節省車(chē)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)區已累計注入二氧化碳90萬(wàn)噸，有21口油井實(shí)現自噴，日產(chǎn)原油從220噸提升至415噸。
耳畔是轟鳴的機器聲，眼前是一座座矗立的鉆塔。“一頭連著(zhù)綠色低碳，一頭連著(zhù)能源安全，CCUS技術(shù)大有可為。”正理莊采油管理區黨支部書(shū)記焦俊杰說(shuō)。
