【新知】二氧化碳与油气的不解之缘

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文|敏 锐

在人类排放的温室气体中，65％以上为二氧化碳（CO₂）。从地质循环来看，这些二氧化碳几乎都与油气等化石燃料有关。但在人类的油气勘探开发过程中，二氧化碳却又是离不开的伙伴，与其有着不解之缘。

二氧化碳与油气的生成

在世界范围内，已经发现了大量高浓度二氧化碳气藏。这些气藏部分来自于地壳岩石或有机质的分解，但更多的是来自于地球深部不断向外排放的二氧化碳。这些有机或无机成因的二氧化碳在大量进入沉积盆地的过程中，必然会与沉积盆地的各种介质接触并发生各种物理和化学反应，从而对油气的成藏造成重大影响。

地球深部排出的二氧化碳在上升的过程中， 可以与氢气（H₂）发生著名的费托反应而生成烃类。这种反应说明，在地球内部完全可能因为费托反应的发生而形成大量烃类。地球深部存在大量的富二氧化碳流体和大量的富H流体，并不断向外排放，这为费托反应的发生提供了物质保障。另外，在很多沉积盆地中广泛发育蛇纹石化超基性岩或玄武岩，这些催化剂的存在使得反应的发生成为可能；在断裂发育或深部流体活动频繁的地方，肯定会有大量温度适宜的区域。

除参与费托反应外，在250℃条件下，二氧化碳还可以被Fe₂SiO₄直接还原为CH₄，东营凹陷部分烃类的生成就是这种反应的结果。此外，深部富二氧化碳流体是热能的良好载体，这种流体进入沉积盆地后会为盆地介质提供大量热能，从而促进烃源岩生烃。

世界范围内油气田的分布规律也可以为费托反应的发生提供佐证。世界油气的一半以上与板块俯冲及其相联系的各种断裂有关，而且在这些断裂区域正好是费托反应最可能发生的地方。这一分布规律也提醒我们要充分关注这种生烃机制，这种反应的发生将会极大地拓展油气的勘探领域。

地球内部含有的二氧化碳临界参数相对较低（7.38MPa、31.1℃），大部分二氧化碳以超临界状态存在。这种超临界流体已经作为一种优质的萃取剂，在生物、食品和医药等行业得以广泛应用。超临界状态的二氧化碳还能很快抽提出沉积物中的甾烷、藿烷和芳香烃，对油页岩和煤中的有机质也能进行萃取。地球深部还含有大量分散的烃类，这已经被超深钻的结果所证实，而超临界二氧化碳流体对于分散的有机质具有非凡的富集能力，使得超临界状态深部流体对分散的油气组分具有明显的富集作用，可能会导致无机成因油气藏的出现。例如，在澳大利亚奥特韦（Otway）盆地，发现油气显示的同时也发现的大量高浓度的二氧化碳气田，有学者认为，火山岩浆源的高浓度超临界态二氧化碳对奥特韦和库珀盆地油气的形成可能起着重要作用。

另外，大量的二氧化碳进入沉积盆地，会导致地层流体PH值的降低，从而导致地下碳酸盐矿物和铝硅酸盐矿物的溶解。这类作用也可以使由碳酸岩矿物和铝硅酸盐矿物胶结的砂岩溶解，从而产生大量次生孔隙。这类孔隙的存在可以显著改善储层物性。

二氧化碳与油气开采

国际能源机构评估认为，全世界适合二氧化碳驱油开发的资源约为3000～6000亿桶，二氧化碳驱油是三次采油中最具潜力的提高采收率的方法之一。

二氧化碳驱油，是一种把二氧化碳注入油层中以提高油田采收率的技术。在标准情况下，二氧化碳是一种无色、无味、比空气重、在油和水中溶解度都很高的气体，密度是1.977克/升。当温度压力高于临界点时，二氧化碳的性质发生变化：形态近于液体，黏度近于气体，扩散系数为液体的100倍。这时的二氧化碳是一种很好的溶剂，其溶解性、穿透性均超过水、乙醇、乙醚等有机溶剂。当原油溶于二氧化碳时，可以补充地层能量使原油体积膨胀，黏度下降，还可以降低油水间的界面张力，形成溶解气驱，提高原油流动能力及油藏性质，从而提高油田驱油效率与原油采收率。

1970年，美国开始在德克萨斯州把二氧化碳注入油田作为提高石油采收率（EOR）的一种技术手段，成为应用二氧化碳驱油试验最早、最广泛的国家。现今，二氧化碳驱油已成为美国主要提高采收率的技术。在2008年，全世界二氧化碳驱油项目已达到124个，年耗二氧化碳量2500万吨,每天产油27.4万桶，其中美国实施二氧化碳驱油项目108个，每天产油25万桶。世界上实施的大部分二氧化碳驱项目是混相驱，其中90%以上的项目属美国。美国10个产油区的292个油田采用二氧化碳驱油，采收率可提高7%～15%。到2010年2月，注入二氧化碳已帮助一些成熟油田回收了近15亿桶石油。

我国低渗透油藏现已探明原油储量63.2亿吨，其中尚未动用的储量50%左右，运用二氧化碳驱比水驱有更明显的技术优势。在中国石化“低渗透油藏二氧化碳驱提高采收率”先导试验研究成果的基础上，燃煤发电厂烟气二氧化碳捕集纯化技术利用化学吸收法，将胜利发电厂燃煤烟气中的二氧化碳进行捕集、提纯、液化。该装置运行后，液态二氧化碳日产量达100余吨，全年可捕集、液化二氧化碳达3～4万吨，二氧化碳经处理后纯度达99.5%以上，可全部用于胜利油田开展的“低渗透油藏二氧化碳驱油”重大先导试验。2015年，山东胜利油田建成100万吨/年二氧化碳捕集装置，该装置建成后将成为全球最大的二氧化碳捕集装置，同时利用捕集的二氧化碳驱油，油田的采收率可以提高10至15个百分点，每年预计可减少二氧化碳排放3万多吨。

对于中高渗水驱油藏，也可通过注入二氧化碳进一步提高采收率，中原油田濮城水驱废弃油藏就通过试验二氧化碳驱油再获新生。2012年5月10日，中原油田首次开展二氧化碳吞吐工艺试验，中原油田采油四厂在文88-平1井进行二氧化碳吞吐工艺试验，标志着油田二氧化碳吞吐试验项目进入实施阶段。如果二氧化碳驱油在中原油田高含水油藏中全面推广应用，将覆盖地质储量3亿吨，预计可增加可采储量2000～3000万吨。

二氧化碳与废弃油藏

国内外的油气盆地勘探开发实践表明，油气藏是封闭条件良好的地下储气库，可以实现二氧化碳的长期埋存；同时，二氧化碳注入油气藏时，还可作为驱油剂显著提高油气采收率。迄今，二氧化碳地质埋存已经在美洲、欧洲、非洲得到实践，在澳洲和亚洲也在研发和计划之中。油藏是二氧化碳地质埋存的最小单元，一个具体油藏是否适合二氧化碳地质埋存，首先要对该油藏所在沉积盆地进行安全评价，接着对其所在油田进行安全评价，最后是油藏方面安全评价。

盆地的温度和压力环境决定了二氧化碳密度的大小，从而会影响盆地的埋存能力。在一般盆地压力体系下，二氧化碳密度最大可达850千克/立方米。一些超压地层在盆地中埋藏较深（一般大于2000米），二氧化碳密度可达1060千克/立方米，但是由于注入成本及安全性，它们并不适合二氧化碳的地质埋存。地热梯度较低的、断裂活动较弱的扩散型大陆边缘盆地具有较好的二氧化碳埋存潜力。较低的地热梯度和地热流值，能使二氧化碳在较小的深度下达到较高的密度，有利于二氧化碳的地质埋存。理想的二氧化碳埋存盆地应该具有地表温度低、地温梯度小、大地热流值小、远离地下热源等特征。储层的深度应满足二氧化碳以超临界状态的形式储存，同时也应考虑注入成本，深度一般应在800～2000米左右。

废弃井是二氧化碳泄露的潜在途径之一。废弃井一般用水泥封堵，而地层中的二氧化碳具有腐蚀性，在一定时期后（20～50年）腐蚀穿过水泥环，从而导致泄露。废弃井的密度越低，二氧化碳泄露的隐患越低。

二氧化碳地质埋存是将二氧化碳注入到地层孔隙中，借助地层的密封性实现温室气体的长期封存。以二氧化碳为驱油剂提高油气采收率不仅可以增加原油可采储量，而且可以实现二氧化碳的长期埋存，是二氧化碳高效利用与埋存的最佳途径之一。（来源：《石油知识》，2016年第5期）