Development Suggestions for Key Technologies of CO2-Enhanced Oil and Gas Recovery and Geological Sequestration

doi:10.3981/j.issn.2097-0781.2023.02.011

Science and Technology Foresight ›› 2023, Vol. 2 ›› Issue (2): 145-160.DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2023.02.011

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Development Suggestions for Key Technologies of CO₂-Enhanced Oil and Gas Recovery and Geological Sequestration

RUI Zhenhua¹(), LI Yang²^,^†(), XUE Zhaojie², LIU Yueliang¹

1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China
2. China Petroleum and Chemical Corporation, Beijing 100728, China

Received:2023-04-10 Revised:2023-05-18 Online:2023-06-20 Published:2023-06-28
Contact: ^†

CO₂提高油气采收率与地质封存关键技术发展建议

芮振华¹(), 李阳²^,^†(), 薛兆杰², 刘月亮¹

1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249
2.中国石油化工股份有限公司，北京 100728

通讯作者: ^†
作者简介:芮振华，博士，教授。中国石油大学（北京）碳中和未来技术学院副院长、油气资源与探测国家重点实验室副主任。国家级领军人才。联合国资源管理委员会委员，联合国教科文组织“碳中和绿色转型与气候变化”教席主任，美国机械工程师协会JERT期刊主编。主要从事CO₂捕集、提高采收率与封存、油气资源勘探开发工程一体化等研究。主持国家重点研发和高等学校学科创新引智基地等国家重点项目。获国际石油工程师协会国际技术奖、国际石油工程师协会国际杰出服务贡献奖、国际石油工程师协会杰出会员等奖项。电子信箱：ruizh@cup.edu.cn。
李阳，博士，教授级高级工程师，中国工程院院士。先后担任国家重大专项“大型油气田及煤层气开发”技术副总师，国家“973”计划项目“碳酸盐岩缝洞型油藏开采机理及提高采收率研究”首席科学家。主要从事油气田开发地质和工程基础理论及技术、陆相高含水老油田大幅度提高采收率、海相碳酸盐岩缝洞型油藏高效开发、CCUS工程技术及产业化等领域的研究。获国家科学技术进步奖二等奖6项，国家发明奖二等奖1项。出版专著5部，发表论文56篇。授权发明专利11件。电子信箱：liyang@sinopec.com。
基金资助:
国家重点研发计划(SQ2022YFE0206700);中国石油大学（北京）科研启动基金(2462021QNXZ012);中国石油大学（北京）科研启动基金(2462021YJRC012)

Abstract

Abstract:

CO₂-enhanced oil and gas recovery and geological sequestration are the key technologies for ensuring energy security and developing a low-carbon economy in China, and they provide important technical support for China to achieve carbon peak and neutrality. This paper reviewed the basic mechanism of CO₂-enhanced oil and gas recovery and geological sequestration, summarized the key technologies of CO₂-enhanced oil and gas recovery and geological sequestration worldwide and their application status, and looked forward to the commercialization of CO₂-enhanced oil and gas recovery and geological sequestration technologies from the perspective of ecological protection and economic development. The challenges during the commercialization of these technologies in China were analyzed in detail, and some suggestions were put forward. As a country with great carbon emissions and energy consumption, China should support the promotion of CO₂-enhanced oil and gas recovery and geological sequestration technologies through financial subsidies or by improving the carbon tax system and carbon market based on national conditions, and it should strengthen scientific research and technical cooperation, so as to improve the whole industrial chains of carbon capture, utilization, and storage (CCUS) and give guidance for the healthy and sustainable development of the economy.

Key words: enhanced oil and gas recovery, geological sequestration, CCUS, low-carbon economy

摘要：

CO₂提高油气采收率与地质封存是中国保障能源安全以及发展低碳经济的关键技术，为中国实现“碳达峰、碳中和”目标提供重要技术支撑。文章梳理了CO₂提高油气采收率与地质封存的基本机制，总结了世界范围内CO₂提高油气采收率与地质封存的关键技术及其应用现状，从生态保护和经济发展的角度展望了CO₂提高油气采收率与地质封存技术商业化的发展前景，详细分析了该技术在中国实现商业化所面临的挑战，并提出了相关建议。作为碳排放与能源消费大国，应当结合中国基本国情，通过财政补贴、完善碳税制度及碳市场来支持CO₂提高油气采收率与地质封存技术的推广，同时加紧科研攻关与技术合作，健全碳捕集、利用与封存（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）全产业链，引领经济健康与持续发展。

关键词: 提高油气采收率, 地质封存, 碳捕集、利用与封存, 低碳经济

RUI Zhenhua, LI Yang, XUE Zhaojie, LIU Yueliang. Development Suggestions for Key Technologies of CO₂-Enhanced Oil and Gas Recovery and Geological Sequestration[J]. Science and Technology Foresight, 2023, 2(2): 145-160.

芮振华, 李阳, 薛兆杰, 刘月亮. CO₂提高油气采收率与地质封存关键技术发展建议[J]. 前瞻科技, 2023, 2(2): 145-160.

Figures/Tables 11

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机制	解释	主要适用范围
与原油的混相作用^{[15⇓⇓⇓⇓⇓⇓-22]}	CO₂与地层原油接触后，原油被抽提到气相中，而CO₂凝析到油相，使得体系平衡状态下气液两相组成趋于相似，油气界面张力越来越低，最终消失，从而在驱替前缘形成混相带	CO₂注气压力超过油藏的混相压力
相态反转作用^[23⇓-25]	注CO₂达到混相以后持续加压，平衡气相继续抽提轻烃组分而呈现为富含CO₂的凝析气，使得气相与液相发生反转	主要发生在CO₂-挥发油-地层水三相体系
溶胀作用^[26-27]	在原油饱和压力以下，随着CO₂的注入，原油体积系数和膨胀系数增大	欠饱和油藏
改善水油流度比^[28-29]	CO₂溶解于原油和水中，使原油降黏的同时提高水的黏度，从而改善水油流度比	含水体油藏
扩散作用^[30-31]	CO₂注入地层后沿浓度梯度方向发生运移的现象。CO₂在烃类组分中的扩散作用打破了水体对CO₂的流动阻碍，有助于提高三次采油效果	发生在CO₂吞吐过程的焖井阶段（致密油、页岩油等）
竞争吸附作用^[32-33]	利用CO₂在页岩微纳孔隙中更好的吸附性来置换储层中的甲烷，以实现强化采气的目的	页岩气、致密气、煤层气藏
改善储层物性^[34-35]	CO₂及碳酸水对碳酸盐类矿物的溶蚀作用、CO₂一定程度上抑制黏土膨胀、促使岩石从油湿转向水湿	碳酸盐岩油藏

机制	解释	主要适用范围
与原油的混相作用^{[15⇓⇓⇓⇓⇓⇓-22]}	CO₂与地层原油接触后，原油被抽提到气相中，而CO₂凝析到油相，使得体系平衡状态下气液两相组成趋于相似，油气界面张力越来越低，最终消失，从而在驱替前缘形成混相带	CO₂注气压力超过油藏的混相压力
相态反转作用^[23⇓-25]	注CO₂达到混相以后持续加压，平衡气相继续抽提轻烃组分而呈现为富含CO₂的凝析气，使得气相与液相发生反转	主要发生在CO₂-挥发油-地层水三相体系
溶胀作用^[26-27]	在原油饱和压力以下，随着CO₂的注入，原油体积系数和膨胀系数增大	欠饱和油藏
改善水油流度比^[28-29]	CO₂溶解于原油和水中，使原油降黏的同时提高水的黏度，从而改善水油流度比	含水体油藏
扩散作用^[30-31]	CO₂注入地层后沿浓度梯度方向发生运移的现象。CO₂在烃类组分中的扩散作用打破了水体对CO₂的流动阻碍，有助于提高三次采油效果	发生在CO₂吞吐过程的焖井阶段（致密油、页岩油等）
竞争吸附作用^[32-33]	利用CO₂在页岩微纳孔隙中更好的吸附性来置换储层中的甲烷，以实现强化采气的目的	页岩气、致密气、煤层气藏
改善储层物性^[34-35]	CO₂及碳酸水对碳酸盐类矿物的溶蚀作用、CO₂一定程度上抑制黏土膨胀、促使岩石从油湿转向水湿	碳酸盐岩油藏

监测方法	监测对象	监测类型	监测位置	监测精度	区分CO₂来源
同位素法	碳同位素值	点测量	地表以上或浅层	6×10^-5	¹³C能，¹⁴C不能
示踪剂法	示踪剂含量	点测量	地表以上	—	能
超光谱成像	地面植被生长状况	大范围	地表以上	20%	能
LIDAR	CO₂大空间平均浓度	大空间距离	地表以上	<1 mg/L	不能
无线传感器	传感器节点	超大范围	地表以上	依赖节点设计	与算法有关
测井微地震	地下流体流动状态	地质层大范围扫描	地表以下	—	能
EC	CO₂大空间平均通量密度	大空间测量	地表以上	±5%~±30%	不能
AC	CO₂小空间平均通量密度	小空间测量	地表以上及浅层	±10%	不能
IRGA	CO₂浓度	点测量	地表以上	±0.2 mg/L	不能

监测方法	监测对象	监测类型	监测位置	监测精度	区分CO₂来源
同位素法	碳同位素值	点测量	地表以上或浅层	6×10^-5	¹³C能，¹⁴C不能
示踪剂法	示踪剂含量	点测量	地表以上	—	能
超光谱成像	地面植被生长状况	大范围	地表以上	20%	能
LIDAR	CO₂大空间平均浓度	大空间距离	地表以上	<1 mg/L	不能
无线传感器	传感器节点	超大范围	地表以上	依赖节点设计	与算法有关
测井微地震	地下流体流动状态	地质层大范围扫描	地表以下	—	能
EC	CO₂大空间平均通量密度	大空间测量	地表以上	±5%~±30%	不能
AC	CO₂小空间平均通量密度	小空间测量	地表以上及浅层	±10%	不能
IRGA	CO₂浓度	点测量	地表以上	±0.2 mg/L	不能

项目名称	地点	捕集/ （万t·a^-1）	CO₂来源	CO₂去向	运行年份	状态
Terrell	美国	40~50	天然气处理	EOR/封存	1972	运行中
Enid	美国俄克拉荷马州	70	化肥厂	EOR/封存	1982	运行中
Shute Creek	美国怀俄明州	700	天然气处理	EOR/封存	1986	运行中
Mol Szank Field	匈牙利	16	天然气处理	EOR	1992	运行中
Val Verde	美国得克萨斯州	130	天然气处理	EOR	1998	运行中
Weyburn	美国/加拿大	100	煤气化	EOR/封存	2000	运行中
Core Energy	美国	35	天然气处理	EOR/封存	2003	运行中
In Salah	阿尔及利亚	120	天然气处理	枯竭气田	2004—2011	运行中
Arkalon CO₂ Compression Facility	美国	29	乙醇生产	EOR	2009	运行中
Century	美国得克萨斯州	840	天然气处理	EOR	2010	运行中
Petrobras Santos Basin Pre-Salt Oil Field CCS	巴西	700	天然气处理	EOR	2011	运行中
Bonanza Bioenergy	美国	10	乙醇生产	EOR/封存	2012	运行中
Coffeyville	美国堪萨斯州	80	化肥厂	EOR/封存	2013	运行中
Lost Cabin	美国怀俄明州	90	天然气处理	EOR/封存	2013	运行中
Lula	巴西	70	天然气处理	EOR	2013	运行中
Air Products	美国得克萨斯州	100	甲烷重整	EOR	2013	运行中
PCS Nitrogen	美国	30	化肥厂	EOR	2013	运行中
Boundary Dam	加拿大	100	燃煤电厂	EOR/咸水层封存	2014	运行中
Uthmaniyah	沙特阿拉伯	80	天然气处理	EOR	2015	运行中
Kemper	美国密西西比州	340	燃煤电厂	EOR	2016	运行中
Petra Nova	美国得克萨斯州	160	燃煤电厂	EOR/封存	2016	运行中
Abu Dhabi	阿联酋	80	钢铁厂	EOR/封存	2016	运行中
Alberta Trunk	加拿大	120~140	炼油厂	EOR/封存	2017	运行中
Bridgeport Energy Moonie CCUS Project	澳大利亚	20	多种来源	EOR/封存	2023	先期发展
Federated Co-operatives Limited	加拿大	300	乙醇生产	EOR/封存	2024	先期发展
Abu Dhabi 2期	阿联酋	230	天然气处理	EOR/封存	2025	先期发展
Cal Capture	美国	140	发电厂	EOR/封存	2025	先期发展
Sukowati CCUS	印度尼西亚	140	炼油厂	EOR/封存	2028	早期论证
DAVE Johnston Plant Carbon Capture	美国	评估中	化学生产	EOR/封存	2030前	早期论证
Nauticol Energy Blue Methanol	加拿大	100	甲烷生产	EOR/封存	2025	早期论证