综述：用于提高石油采收率的碳捕获与封存（CCUS）技术的进展

《Journal of CO2 Utilization》：Progress of CCUS technology with enhanced oil recovery

碳捕集与封存（CCUS）技术通过捕获、运输和封存CO?实现减排，并在提高低渗透油藏采收率中发挥关键作用。本文系统综述了CO?捕获技术（化学吸收、吸附、膜分离、 hydrate分离等）的优缺点，分析了超临界CO?管道运输的安全性与经济性，探讨了CO?驱油（EOR）中气窜控制技术（水气交替、泡沫驱、化学堵剂等）的机理与效果，并基于中国三个示范项目（齐鲁石化-胜利油田、吉林大庆油田、延长油田）总结了规模化应用面临的挑战（高能耗、运输设施不足、地质风险）与发展方向（材料创新、政策优化）。

　　碳捕集、利用与封存（CCUS）技术已成为应对全球碳排放问题的重要手段之一。随着全球对实现碳中和目标的迫切需求，CCUS在石油开采领域的应用正迅速发展。本文系统回顾了CO?捕集、运输及提高采收率（EOR）技术的最新进展，探讨了CO?封存与利用的潜力，并分析了在石油领域实现CCUS大规模工业应用所面临的挑战。文章指出，CCUS不仅有助于提升石油采收率，还能有效减少碳排放，对保障国家能源安全、推动低碳经济发展具有重要意义。

### CO?捕集技术的现状与挑战

CO?捕集技术主要分为后燃烧捕集、预燃烧捕集、富氧燃烧捕集、化学链燃烧捕集以及直接空气捕集（DAC）等多种方式。后燃烧捕集技术是最成熟的，它通过化学溶剂或物理溶剂从燃烧后的烟气中捕集CO?，适用于燃煤电厂和工业设施。然而，该技术存在高能耗、设备腐蚀和溶剂损耗等问题，因此其经济性受到一定限制。相比之下，物理吸收技术因其较低的能耗和对设备的非腐蚀性而具有优势，但其CO?去除效率较低，难以满足高纯度需求。

吸附分离技术则利用固体吸附剂对CO?的选择性吸附能力，能够实现高纯度的CO?捕集，但该技术需要频繁的吸附和脱附循环，对自动化程度要求较高。膜分离技术以其高接触面积、模块化设计和操作灵活性受到关注，但其性能高度依赖于CO?浓度和压力，且膜材料成本较高，稳定性与耐高温性仍需提升。此外，水合物分离技术由于其对CO?的高分离效率和低能耗而被视为长期应用的潜力技术，但其反应动力学缓慢，限制了其在大规模应用中的可行性。

在预燃烧捕集技术中，通过气化反应将化石燃料转化为合成气（H?和CO），随后利用水煤气变换反应将CO转化为CO?，从而实现捕集。该技术在整合气化联合循环（IGCC）系统中得到应用，虽然能实现高效发电和低污染排放，但其复杂性和高成本仍是其推广的主要障碍。富氧燃烧技术通过使用高纯度氧气代替空气进行燃烧，生成的烟气中CO?浓度较高，便于捕集。尽管其具备成本低、易于改造现有设备等优势，但氧气制备过程消耗大量能源，导致整体效率下降。此外，燃烧过程中产生的SO?和颗粒物可能加剧设备腐蚀，因此，研究者提出采用无氮氧化物的燃烧方式，如无焰氧化技术，以提高系统的稳定性。

化学链燃烧技术则是一种新兴的捕集方式，它利用固态金属燃料的氧化还原反应，通过金属氧化物作为氧载体，将燃料转化为CO?和H?O。该技术在燃料转化效率和CO?分离方面表现突出，且能减少氮氧化物的产生。然而，由于其仍处于研究阶段，缺乏实际应用经验，因此在技术成熟度和系统稳定性方面仍有待突破。

直接空气捕集技术是一种相对新颖的捕集方式，能够从空气中直接捕集低浓度的CO?，因此不受排放源的限制，具有广泛的适用性。然而，由于CO?浓度较低，该技术的能耗和成本远高于其他方式，更适合在可再生能源资源丰富的地区应用。

### CO?运输技术的进展与挑战

CO?的运输技术主要包括公路、铁路、船舶和管道运输。其中，管道运输是目前最经济的方案，尤其适用于长距离和大规模运输。超临界CO?管道运输技术是当前油田应用的主要形式，因为其在超临界状态下具有较高的密度、较低的粘度和压缩系数，有利于保持单相流动并降低运输成本。然而，运输过程中CO?可能携带杂质，如H?O、O?、SO?、H?S等，这些杂质会影响CO?的物理化学性质，增加系统腐蚀性，并可能导致管道失效。因此，如何控制杂质的影响，提高运输安全性，成为当前研究的重点。

此外，超临界CO?在运输过程中可能因压力骤降导致温度骤降，甚至达到?80℃，从而引发管道低温脆性断裂的风险。为了应对这一问题，天然气行业已开展全尺寸爆破测试和减压测试，以评估管道的抗裂能力。然而，相关研究仍处于初步阶段，特别是在中国，超临界CO?管道运输的全尺寸试验尚未广泛开展。因此，针对中国地质条件和运输需求，有必要加强在杂质处理、管道抗裂与防腐、关键设备制造和安全保障技术等方面的研究。

### CO?驱油技术及其应用

CO?驱油技术在提高石油采收率方面具有显著优势，主要分为混相驱、近混相驱和非混相驱三种机制。混相驱通过多次与原油接触，使CO?完全溶解于原油中，从而显著降低原油粘度，提高油藏的流动性，进而提升采收率。然而，混相驱需要较高的注入压力，且操作成本较高，存在一定的技术与经济风险。近混相驱则是在不完全混相的情况下，通过增强CO?与原油的接触效率，实现部分溶解和扩散，从而提高驱油效果。该技术在复杂油藏中具有较高的适应性，能有效减少气体通道问题，同时降低经济成本。非混相驱则主要通过CO?对原油的溶解、膨胀和粘度降低作用，提高原油流动性，从而改善采收率。该技术适用于低渗透率或异质性较强的油藏，尤其在水驱难以实施的地区具有重要意义。

为了有效控制气体通道问题，研究人员开发了多种技术，如水交替注入（WAG）、聚合物凝胶、泡沫驱油和增稠技术等。水交替注入技术通过交替注入水和CO?，延缓CO?的逸散，提高油藏的驱替效率。聚合物凝胶则通过形成三维网络结构，有效封堵气体通道，从而提升驱油效果。泡沫驱油技术利用CO?与表面活性剂的相互作用，形成稳定的泡沫体系，通过Jamin效应和界面张力调控，提高CO?的流动性控制能力。此外，纳米材料和智能响应型聚合物凝胶也被广泛应用于气体通道封堵，以增强系统的稳定性。

### CCUS技术的现场应用

在中国，CCUS技术已在多个油田中得到应用。例如，齐鲁石化—胜利油田CCUS-EOR项目是中国首个百万吨级的示范工程，其通过综合能源-环境-经济分析框架评估了项目的经济效益和环境影响。该项目显示，油价是影响净现值（NPV）的最关键因素，其次是投资成本和运营成本。在环境方面，该项目实现了显著的碳回报率（CROI）和净碳减排量，显示出CCUS在提升油藏采收率和减少碳排放方面的巨大潜力。

此外，吉林油田的CO?驱油项目展示了CO?驱油在低渗透率油藏中的应用效果。该项目通过减少井距和优化注入模式，实现了较高的原油采收率，且其封存效果显著。延长油田使用寿命和提高采收率是该技术的重要优势，例如加拿大Weyburn油田通过CO?驱油技术延长了25年的商业运营。在海上油田，如中海油Enping 15–1项目，CCUS技术实现了“碳用于驱油，油用于碳封存”的双赢模式，预计在未来十年内可增加20万吨原油产量和100万吨CO?封存量。

### CCUS技术面临的挑战

尽管CCUS技术在提升石油采收率和减少碳排放方面展现出巨大潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，CO?捕集过程需要消耗大量能源，导致捕集成本较高，尤其在低浓度排放源中，捕集成本可能达到100至600元/吨。其次，CO?运输基础设施不足，中国目前主要依赖罐车运输，其运输能力有限，难以满足大规模应用需求。而美国的管道网络则显著优于中国，运输成本较低。

此外，大陆沉积油藏的强异质性增加了混相驱的难度，并提高了气体通道的风险。海上项目则面临复杂的环境挑战，如腐蚀控制和层间干扰问题。长期封存的安全性问题同样值得关注，封存于废弃油藏可能引发地质风险，而现有的监测技术和泄漏应急机制尚不完善。最后，政策和市场机制仍需进一步完善，例如建立CO?封存补贴和碳交易联动机制，以推动CCUS技术的商业化发展。

### CCUS技术的未来发展方向

未来，CCUS技术的发展应聚焦于降低成本和提高效率。通过技术创新，如低能耗捕集、智能气体通道控制、管道运输规模扩展和数字化升级，可以提升技术的经济性和应用范围。同时，借鉴国际经验，优化碳税政策并将其纳入碳市场体系，有助于推动CCUS技术的普及。在资源匹配方面，新疆和内蒙古等地区因其丰富的碳源和封存潜力，成为发展百万吨级集群项目的理想区域。此外，推广中海油Enping 15–1模式，有助于提升海上CCUS的应用水平，克服海洋设施的空间限制和环境风险。

总之，CCUS技术在提升石油采收率和实现碳减排方面具有重要价值，但其大规模应用仍需克服成本、运输、封存安全和政策等多重挑战。通过持续的技术创新和政策支持，CCUS有望在未来成为推动能源转型和实现碳中和目标的关键技术之一。