“雙碳”愿景下CO2驅強化采油封存技術工程選址指標評價

張成龍 王瑞景 羅 翔 張斌斌 劉 廷 馬梓涵 刁玉杰

（1. 中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051；2. 中國石油新疆油田公司開發公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中國石油青海油田公司采油三廠，青海 海西 816400；4. 中國石油長慶油田公司長慶實業集團有限公司，陜西 西安 710018；5. 中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453）

0 引 言

應對氣候變化是全球共有的挑戰，目前占全球溫室氣體排放量的88%、經濟規模超過90%的近140 個國家已經宣布了各自碳中和計劃［1］。中國在2020 年提出碳達峰、碳中和（簡稱“雙碳”）戰略目標，并在2022 年政府報告中明確了加快落實行動方案［2］。2021 年中國能源消費總量達到52.4×108t 標準煤，與能源相關的CO2排放量為105.23×108t，占年排放總量119×108t 的88%，并且還在持續增加。從發達國家發展歷程和中國的能源格局來看，中國要實現“雙碳”戰略目標的時間短、任務重、難度大［3］。在“雙碳”戰略愿景下作為碳排放大戶的油氣行業轉型發展成為被廣泛關注的議題［4-5］，而CO2驅強化采油封存技術（CO2-EOR）因能實現CO2埋存同時增產增效無疑是首選技術和最現實的選擇［6-7］。

CO2-EOR 愈發成為近年研究的熱點。張本艷等［8］基于巖心驅替試驗、CO2驅細管實驗，指出CO2驅較水驅具有更低的注入壓力、更好的驅油效果；葉恒等［9］從油藏數值模擬角度認為CO2驅水氣交替驅油要比CO2連續氣驅油具有更快的效率；張成龍等［10］結合地調實踐研究，認為CO2可代替注水驅替顯著提高低孔、低滲高致密油的可動用性；李陽等［11］從中國石化CCUS-EOR 不同發展的歷程出發，提出了不同油藏類型的CO2-EOR 篩選原則和應用前景；楊勇［12］基于油藏工程方案設計，提出了油藏CO2驅適應性評價標準。上述研究主要集中在室內實驗、數值模擬、現場實踐、宏觀認識等方面，認為CO2可作為一種高效的驅油“催化劑”，并從油藏本身情況（地質因素、開發條件等方面）提出了油藏CO2-EOR 篩選原則和適應性評價標準，在CO2對油田增產增效貢獻上突出CO2提高油藏采收率，而對CO2-EOR 項目本身的安全、工程、經濟等要素，以及多因素關聯性、系統性研究相對缺乏，整體上CO2-EOR 工程選址評價研究有待進一步系統歸納［13-14］。

本文基于國內外文獻調研和我國CO2-EOR 應用進展及工程實踐，從地質條件和油藏工程實際出發，剖析了選址的地質、工程、安全、經濟4 個影響因素，定性-定量的構建了CO2-EOR 工程三級選址指標評價體系（GESE），以期為我國油藏開展CO2驅現場試驗和工業化推廣提供選址借鑒。

1 中國CO2-EOR示范工程概況

CO2-EOR（圖1）是CCUS 領域里相對成熟、應用較廣的技術，主要通過CO2混相驅、CO2非混相驅等技術提高石油的采收率。目前油田經歷一次、二次采油后仍有2/3 地質儲量的原油以小油滴孤立存在于儲層的孔隙中形成“困油”，或以薄膜形式存在于巖石顆粒表面，形成剩余油，由此可見CO2-EOR 前景廣闊。

圖1 CO2-EOR示意Fig. 1 Schematic of CO2-EOR

據統計中國有近百億噸石油適合CO2驅，預計可增產石油7×108～14×108t［15-16］。中國自大慶油田20 世紀60 年代率先開展小井距注CO2提高石油采收率現場試驗以來，先后在蘇北、勝利、延長、新疆、中原等油田開展了先導性試驗，并逐步達到了商業化推廣應用。截至2022 年底，中國共計開展碳捕集、利用與封存（CCUS）項目23 個（含在建項目5 個），累計注入CO2超過6.5×106t，其中CO2-EOR 項目12 個［3，17-19］，累計注入CO2為5.75×106t，產油量為2.0×106t，2022 年CO2-EOR 項目CO2年注入量超100×104t［3，17］（表1）。

表1 中國CO2-EOR示范工程Table 1 Demonstration CO2-EOR projects in China

從表1 可以看出，中國CO2-EOR 示范工程主要集中在松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、蘇北盆地等大中型沉積盆地。作為CO2地質封存場所，這些沉積盆地大部分具有地質構造穩定，遠離斷裂活動發育帶、較好的圈閉條件和良好的儲蓋層組合、儲層深度適中、儲層面積廣、沉積厚度大、孔隙度和滲透率較低等特征，明確了CO2-EOR 工程選址通用依據（大地構造、區域穩定性和容積條件）和具象特征（物性條件）。

2 CO2-EOR工程選址原則

CO2-EOR 工程選址秉承“地下與地表相結合，技術與經濟相結合”研究思路，遵循3 方面專屬性原則。

2.1 CO2封存與資源開發相統一

油藏CO2地質封存與CO2提高采收率二者間既有一致性又有差異性。一致性是二者都需要將CO2注入到油藏儲層內；差異性是二者的目的不同，前者重點關注CO2的注入量和封存量，后者重點關注的是提高油氣采收率程度。

2.2 安全性

油藏CO2地質封存能否長期安全可靠，是選址時重點考慮的首要因素。必須保證目標油藏具有穩定的地質構造、良好的儲蓋層組合和圈閉條件、遠離地震帶和活火山發育區且在封存區域一定范圍內沒有貫通性的斷層和裂縫等CO2泄露通道存在。

2.3 經濟性

經濟性是保證油藏規?；疌O2地質封存與長期實施的前提，在實現CO2地質封存的同時獲得一定的經濟回報，無疑是現階段CO2地質封存最經濟、最合理的首選方式。

3 CO2-EOR工程選址考慮要素

基于CO2-EOR 工程選址原則，結合中國CO2-EOR 應用進展和工程實踐，CO2-EOR 示范工程選址指標要考慮以下要素：地質要素、工程要素、安全要素和經濟要素。

3.1 地質要素

地質因素包括區域大地構造背景、區域穩定性以及油藏自身性質如儲層物性、厚度、深度等。油藏形成于穩定大陸板塊內部或者近穩定大陸板塊內部沉積盆地，在漫長的地質時期能夠保存，說明具有足夠大的地質圈閉和良好的儲、蓋層組合及區域穩定性，本文主要從油藏自身因素進行歸納總結。

3.1.1 油藏因素

油藏因素選址指標主要包括油藏深度、儲層厚度、傾角、溫度、壓力、孔隙度、滲透率、非均質性和潤濕性等。結合已實施的CO2驅油項目中，部分油藏因素與實施的項目比例關系如圖2 所示。

圖2 不同油藏因素下CO2-EOR示范工程項目分布比例Fig. 2 Distribution proportion of CO2-EOR demonstration projects under different reservoir factors

（1）油藏深度。油藏深度要充分考慮CO2超臨界流體封存狀態要求和經濟性。為達到提高石油采收率的目的，油藏壓力下限要高于原油和CO2的最小混相壓力（pMMP），以實現CO2混相驅要求，對應的油藏深度大于800 m；同時，油藏深度越大，施工強度越大，成本也就越高，對應的油藏埋深小于3 500 m。因此適宜CO2驅油的油藏埋深宜在800～3 500 m。從油藏深度分布與實施的項目個數的比例關系可看出（圖2（a）），適合CO2驅的深度為1 500～2 000 m，隨著油藏埋深的增加或減少CO2驅的適宜性逐漸降低。油藏深度評價指標：1 500 m<油藏深度≤2 000 m，評價等級為好；2 000 m<油藏深度≤3 500 m、800 m≤油藏深度≤1 500 m，評價等級為一般；油藏深度>3 500 m，評價等級為差。

（2）儲層厚度。在儲層因素中，儲層厚度越大，越有利于CO2封存，油藏封存CO2的潛力越大。但在CO2驅油過程中，由于注入的CO2與原油存在黏度和密度差別，在驅替的過程中，黏度和密度相對較小的CO2驅替劑會超覆原油，對原油驅替不利。且油藏儲層厚度越大，超覆現象越明顯；相反，油藏儲層相對較薄，不容易發生氣竄，有利于原油驅替。油藏儲層厚度評價指標：儲層厚度≤10 m，評價等級為好；10 m<儲層厚度≤40 m，評價等級為一般；儲層厚度>40 m，評價等級為差。

（3）傾角。在CO2驅油過程中，有水平作用和垂直作用2 種。當注入的驅替液與被驅替的原油密度相近時（如混相驅），主要通過驅替體系的水平作用來提高原油的采收率。當注入的驅替體系與被驅替的原油密度差別較大時（如非混相驅，水氣交替驅等），重力效應明顯，密度較小的驅替體系會與密度較大的原油體系分離，逐步進入到油藏構造頂部。在重力穩定驅過程中，油藏傾角、垂向滲透率和注入速度是相互關聯的一組參數，其表達式為

式中：v——最大注入速度，m/s；g——重力加速度，9.8 m/s2；?ρog——油氣密度差，kg/m3；μo——油的黏度，mPa·s；μg——氣的黏度，mPa·s；Ko——油的滲透率，μm2；Kg——氣的滲透率，μm2；α——油藏傾角，（°）。

通過對重力穩定驅的驅替特點及其最大速度的分析可知，油藏傾角越大，重力穩定驅油效果越好［20］。據此油藏傾角評價指標：傾角>70°，評價等級為好；10°<傾角≤70°，評價等級為一般；傾角≤10°，評價等級為差。

（4）孔隙度。油藏孔隙度越大，CO2封存量越大，在油藏中的運移速度越快，越有利于CO2封存。但對CO2驅而言，孔隙度太大驅替劑容易發生超覆流動和指進現象不利于注氣開采?？紫抖忍?，注入的流體難以進入儲層，CO2封存量相應減少。因此在CO2驅過程中孔隙度不宜過高也不宜過低。結合實施的CO2-EOR 項目中油藏孔隙度的分布（圖2（b）），得出油藏有效孔隙度評價指標：10%<孔隙度≤15%，評價等級為好；孔隙度15%<孔隙度≤25%、6%<孔隙度≤10%，評價等級為一般；孔隙度>25%、孔隙度<6%，評價等級為差。

（5）滲透率。油藏滲透率是指在一定的壓差下，油藏巖石本身允許流體通過的能力。滲透率大小與孔隙度、潤濕性以及液體滲透方向上孔隙體積的孔隙形狀、顆粒大小和排列方向相關。在CO2驅油過程中，油藏滲透率有一個適宜的范圍。滲透率太高，CO2容易發生氣竄；滲透率太低，CO2注入困難。油藏滲透率評價指標：10×10-3μm2<滲透率≤100×10-3μm2， 評價等級為好； 滲透率100×10-3μm2<滲透率≤500×10-3μm2、1×10-3μm2<滲透率≤10×10-3μm2，評價等級為一般；滲透率>500×10-3μm2、滲透率<1×10-3μm2，評價等級為差。

（6）非均質性。油藏非均質性常用滲透率變異系數來描述。儲層滲透率的變異系數是儲層非均質性大小的表征，它反映了混相驅過程由于滲透性變化引起的溶劑突進程度。對于非均質油藏而言，無論是水平非均質還是垂向非均質，注入的流體均首先進入到高滲透層油藏，而低滲透層油藏波及較少或不能波及，不利于提高石油采收率。因此，油藏非均質性越小越好。油層非均質性是直接影響氣驅效果的主要因素之一，也是確定注入氣量時必須考慮的因素。一般條件下，油藏變異系數為0.5～1.0，初步確定注氣候選油藏儲層非均質性的評價指標：滲透率變異系數≤0.5，評價等級為好；0.5<滲透率變異系數≤0.7，評價等級為一般；滲透率>0.7，評價等級為差。

（7）溫度。油藏最小混相壓力隨油藏溫度的增加而升高，溫度越高越不利于CO2混相，而溫度降低會導致原油黏度增大。在已開展CO2-EOR 項目中，選擇溫度在70～120 ℃的油藏最多［21］。油藏溫度為80～90 ℃最適合CO2驅油，隨著油藏溫度的上升或下降，CO2驅的適應性下降（圖2（c）），確定油藏溫度的評價指標：80 ℃<油藏溫度≤90 ℃，評價等級為好；油藏溫度90 ℃<油藏溫度≤120 ℃、50 ℃<油藏溫度≤80 ℃，評價等級為一般；油藏溫度>120 ℃、油藏溫度≤50 ℃，評價等級為差。

（8）壓力。在CO2驅過程中，油藏壓力作用是相向的，一方面油藏壓力大于CO2混相壓力，可以保證CO2與原油混相，實現高采收率的混相驅；另一方面，油層壓力增加會加大工程強度和風險程度，影響整體上注氣效果［22］。結合前人研究和工程實踐，初步認為油藏壓力的評價指標：15 MPa<油藏壓力≤20 MPa，評價等級為好；油藏壓力20 MPa<油藏壓力≤30 MPa、10 MPa<油藏壓力≤15 MPa，評價等級為一般；油藏壓力>30 MPa、油藏壓力≤10 MPa，評價等級為差。

（9）潤濕性。潤濕性指流體潤濕固體表面的能力。油潤濕性指數越高，代表親油性越強，CO2驅替體系越容易進入到孔裂隙中，進一步提高驅油波及體積和驅油效率；相反，油潤濕性指數越低，親水性越強，親油的CO2驅替體系難以進入油藏的孔隙中，原油采收率較低［23］。在水驅油藏中，油潤濕性指數減小，采收率提高幅度降低。其潤濕性評價指標：0.8<油濕指數≤1.0，評價等級為好；0.4<油濕指數≤0.8，評價等級為一般；0<油濕指數≤0.4，評價等級為差。

3.1.2 流體因素

流體因素選址指標主要包括原油黏度、原油密度。結合已實施的CO2驅油項目中，部分油藏流體因素與實施的項目比例的關系如圖3 所示。

圖3 不同流體因素下CO2-EOR示范工程項目分布比例Fig. 3 Distribution proportion of CO2-EOR demonstration project under different fluid factors

（1）原油黏度。驅替過程易突進，目標油藏必須選擇原油黏度較低的油藏。從圖3（a）可見，原油黏度小于4.0 mPa·s。S.Bachu 等［24］在綜合分析黏度、溫度、密度因素等關系及流速控制方法后，擴展了原油黏度的適應范圍，指出了CO2混相驅適應的黏度上限為10～12 mPa·s。結合這些認識，得出注CO2候選油藏原油黏度的評價分級標準：原油黏度≤2 mPa·s，評價等級為好；2 mPa·s<原油黏度≤8 mPa·s，評價等級為一般；8 mPa·s<原油黏度≤12 mPa·s，評價等級為差。

（2）原油密度。原油密度與原油黏度相對應，密度大的原油，其中重組分含量高，黏度大，對應CO2氣驅時容易形成黏性指進，導致驅油效率低；相反，原油密度小，黏度小，對CO2驅油有利。一般條件下，注CO2適應的原油密度在0.795～0.960 g/cm3（圖3（b））。原油密度評價指標：原油密度≤0.82 g/cm3，評價等級為好；0.82 g/cm3<原油密度≤0.88 g/cm3，評價等級為一般；0.88 g/cm3<原油密度≤0.90 g/cm3，評價等級為差。

3.2 工程要素

場地選址工程因素主要考慮地面場地條件和生產方式。

3.2.1 地面場地條件

地面場地條件適宜性是評價單元國土空間安全及環境風險條件的綜合反映，包括地質災害易發性、人口密度（人/km2）、地形復雜程度（起伏度）［25］。

（1）地質災害易發性。地質災害易發區就是容易產生地質災害的區域，如場地及其周邊存在崩塌、滑坡、地裂縫、泥石流，處于采礦塌陷區、巖溶塌陷區、地面沉降區，低于江河湖泊、水庫最高水位線或洪泛區等。根據地質災害易發性等級通?？蓜澐譃楦?、中、低和不易發4 類。CO2-EOR 工程選址中，地質災害低易發和不易發為好等級，中易發為中等級，高易發為差等級。

（2）人口密度。人口密度為主要的社會環境指標，以人/km2為評價單位。人口密度≤25 人/km2為極端稀疏區，在選址評價中為好等級；25 人/km2<人口密度≤50 人/km2為絕對稀疏區，在選址評價中為中等級；人口密度>50 人/km2為相對稀疏區，在選址評價中為差等級。

（3）地形復雜程度。地形復雜程度以4 個地形要素進行確定，分別為地物、地貌、坡度和比高。CO2-EOR 工程選址中，地形復雜程度簡單為好等級，地形復雜程度中等為中等級，地形復雜程度復雜為差等級。

3.2.2 生產方式

生產方式選址指標主要涉及場地選取的開發方式、開采技術、井網密度。

（1）開發方式。受油氣田的油藏條件限制，同一個油藏，可以有不同的開發方式，如有水氣交替注入方式、連續注氣方式和枯竭后注氣方式等。各種注氣方式均有各自的特點，適用于不同的油藏條件，對提高采收率的貢獻也不相同。

（2）開采技術。CO2混相驅和CO2非混相驅作為CO2-EOR 領域里應用最廣2 種技術，無優劣之分，適合哪種CO2驅油方式是要綜合考慮油藏自身因素和CO2驅的適應條件，如原油密度、原油黏度、剩余油飽和度、油藏深度、溫度、滲透率、變異系數、油藏壓力、儲層規模、提高石油采收率的幅度等［11］（表2），但從二者模式下開采潛力（驅油效果） 來看，CO2混相驅油技術增產更為明顯［13］，如Rangely、Northeast Purdy、Little Greek、Wertz、North Colesleves 等世界典型油藏，通過CO2混相驅技術，提高石油采收率7%～20%［26-27］，此外，還需考慮CO2封存安全和CO2相態特征。

表2 CO2驅油藏潛力篩選標準Table 2 Screening criteria for CO2-EOR reservoir potential

（3）井網密度。根據油藏不同的特點和不同的開發階段，井網的密度，注采井的比例均需要做出調整。針對某些特殊油藏，叢式井和水平井技術也在逐步推廣應用。對應不同的井網技術，CO2提高采收率效果不同。

3.3 安全要素

一個開發中后期成熟油藏本身具有較高的勘探程度、良好的圈閉條件、巨大的儲存空間及詳細的地質資料，其地質因素安全風險在選址階段比較容易排查。不同于CO2咸水層封存，CO2-EOR 工程選址階段更多考慮人為因素泄露風險［28-30］。一是原有井如勘探井、生產井、報廢井等因工藝和年限、套管類型和條件、落成數量、竣工質量、堵塞及廢棄方法等破壞原有井道完整性造成的潛在風險泄露；二是油藏開采史上因填埋、廢棄、錯位井導致“未被發現”的井套管損害造成潛在泄露風險。理論上原有油藏開采歷史越久、各類井越多，在CO2-EOR 工程伊始，越要加強潛在人為泄露風險排查。

3.4 經濟要素

經濟因素主要考慮經濟環境和監測成本。

3.4.1 經濟環境

經濟環境指標可進一步細化為源匯距離（運輸方式）、原油（碳交易）價格與補貼政策、社會環境。

（1）源匯距離。油藏區域碳源密度越高，越有利于CO2-EOR 項目的實施。CO2注入量大，尤其是百萬噸級乃至千萬噸級CO2驅油項目，越是要盡量就近封存，或者鋪設CO2集輸管（專）線。中石化勝利油田CO2-EOR 項目（表1）氣源來源于化工廠、燃煤電廠，需要捕集、處理、運輸過程，其成本可達650～1 000 元/t［10］，高昂的處理成本使項目中途一度處于停運狀態。源匯距離選址指標：碳源豐富、距離近，選址優越；碳源較遠，選址適宜；碳源稀缺-極稀缺，選址不適宜。

（2）原油（碳交易）價格與補貼政策?，F階段碳交易與國際原油價格很難保證CO2-EOR 項目（收益）正常生產運行，需要政府補貼政策來減輕油氣企業負擔［31-32］。當前，碳交易、原油價格與補貼政策呈現了較大的不確定性：一是中國碳市場碳配額交易存在成交量不穩定、碳價格過低等問題；二是國際原油價格WTI 呈現不斷波動的狀態，受政治、供需、戰爭等影響存在較大不確定性；三是碳排放稅收繳、CO2-EOR 項目補貼激勵等相關政策存在一定不確定性。將三者進行綜合考慮得到圖4，當處于臨界線右上方時，對CO2-EOR 項目的實施越有利，當處于臨界線左下方時，對CO2-EOR項目的實施越不利，在交叉區域，當政府補貼系數滿足或超過圖4 對應補貼系數時，可適當開展項目實施，反之，建議推遲執行。

圖4 實物期權下CO2-EOR項目適宜區域劃分（據文獻[32]修改）Fig. 4 Division of CO2-EOR suitable area under real options(modified from reference[32])

（3）社會環境。社會環境包括所在地的社會政治環境、法制環境、科技環境、文化環境等宏觀因素，對于CO2-EOR 項目而言，營商環境、基礎設施、人文習俗、勞動力資源、經濟科技等社會環境越好，越有利于CO2-EOR 項目實施，如東部比西部建設成本低，平原比山區建設成本低。社會環境選址指標：環境條件好，選址優越；環境條件一般，選址較適宜；環境條件差，選址不適宜。

3.4.2 監測成本

監測預算也是CO2-EOR 項目實施階段考慮的重要因素，后期監測成本主要體現在CO2-EOR 項目的規模上，如十萬噸級的CO2-EOR 項目依靠多口監測井就可滿足，而百萬噸級CO2-EOR 得要多環監測井位、完善的井-地-空監測系統等，值得說明的是實際監測更復雜，一般而言CO2-EOR 項目的規模越大，監測系統越復雜，監測成本越高。

4 CO2-EOR工程選址指標體系

在全面分析CO2-EOR 工程選址影響因素的基礎上，建立了不同影響因素的條件參數，定性-定量地總結了地質、工程、安全、經濟性（GESE）4個一級指標、8 個二級指標、27 個三級指標的CO2-EOR 工程選址依據（表3）。根據選址指標體系，對各級評估對象指標參數進行評估、排序，篩選出CO2封存目標油藏，再進行優劣比較，獲得優質靶區：運用多源信息疊加處理方法進行CO2-EOR 場地選址研究，以GIS（地學信息系統）的基本功能為工具，在系統分析CO2地質儲存影響因素基礎上，將每個因素編制一張專題信息圖；每張專題圖生成一個信息存儲層，經編輯后，先做單因素分析，然后再進行各主要控制因素的配準復合處理，形成一個復合疊加的新的信息存儲層；在此基礎上，構建場地選址適宜性評估模型，開展研究區場地篩選適宜性評估，對優選出的目標靶區采用50 m×50 m 的柵格化GIS 處理，首先對每個單因素編制的專題信息圖進行關鍵因素一票否決，即確定不適宜開展CO2地質儲存；然后采用公式進行GIS空間分析和評價，即

表3 CO2-EOR工程選址依據Table 3 Basis for CO2-EOR project site selection

式中：P——評價單元CO2地質儲存適宜性綜合評分值；n——評價因子的總數；Pi——第i個評價指標的給定指數；Ai——第i個評價指標的權重。

值得說明的是，CO2-EOR 實際工程選址要復雜得多，再加上相同依據在多方面評價中的不確定性及各要素權重，需要根據實際情況謹慎選取。從經驗來看，一級指標權重建議參考值：地質要素權重0.4、安全因素權重0.2、工程條件權重0.1、經濟條件權重0.3。

5 結 論

（1）CO2-EOR 工程選址秉承“地下與地表相結合，技術與經濟相結合”研究思路，遵循“CO2封存與驅油相統一”、安全性、經濟性的專屬性原則。

（2）全面分析了CO2-EOR 工程選址影響因素，建立了不同影響因素的條件參數，定性-定量的總結了地質、工程、安全、經濟（GESE）4 個一級指標、8 個二級指標、27 個三級指標的“4+8+27”CO2-EOR 工程選址依據，可為油藏開展CO2-EOR工程選址提供借鑒。