趙雪會，黃 偉，李宏偉，杜全慶，何 淼，韓 燕

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2.長慶油田分公司油氣工藝研究院 陜西 西安 710021；3.中國石油青海油田分公司鉆采工藝研究院 甘肅 敦煌 736202；4.青海油田第四采油廠 青海 茫崖 816400)

0 引 言

全球氣候持續(xù)變暖問題越來越嚴峻，已經(jīng)成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，削減溫室氣體排放以減緩氣候變化成為當今國際社會關(guān)注的熱點[1]。我國承諾到2020年單位GDP CO2排放比2005年水平下降40%～45%，但排放總量仍將繼續(xù)增長[2]。我國雙碳目標的提出為國內(nèi)控制碳減排、綠色低碳發(fā)展指明了方向，也為中國低碳技術(shù)的快速發(fā)展提供了絕好的機遇。碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)是全球?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模碳減排的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]，在目前發(fā)展目標下該技術(shù)已轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢扇鄙俚幕A(chǔ)性技術(shù)，因此發(fā)展CCUS是應對全球氣候變化的重要技術(shù)選擇，發(fā)展和儲備CCUS技術(shù)將為我國低碳綠色發(fā)展和應對氣候變化提供技術(shù)支撐，也是提升我國低碳技術(shù)競爭力的重要機遇，更是實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標的重要技術(shù)選擇[4-7]。

CCUS驅(qū)油技術(shù)是CCUS技術(shù)的重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)碳減排和油田提采增效(EOR)的雙贏舉措，因此實現(xiàn)全球化溫室氣體的資源化利用并且高效地提高油田采收率的前景非常廣闊。國際上廣泛重視CO2利用研究，截至2015年全世界有CCS項目300余項，60%以上的CCS項目與EOR項目相關(guān)，并已取得較成熟的成果，展示出CCUS驅(qū)油技術(shù)良好的應用前景[8]。

1 CCUS驅(qū)油技術(shù)應用發(fā)展歷程

1.1 國外CO2驅(qū)油技術(shù)應用發(fā)展歷程

通過文獻調(diào)研可知，美國是世界上較早進行CO2-EOR技術(shù)研究和應用的國家，20世紀中葉，美國大西洋煉油公司發(fā)現(xiàn)CO2可用于改善原油的流動性，基于此次發(fā)現(xiàn)，Whorton等于1952年申請了世界上第一個CO2驅(qū)油專利。1958年，Shell公司率先在美國二疊系儲集層實施了井組規(guī)模的CO2驅(qū)油試驗。試驗結(jié)果表明，利用CO2驅(qū)油可以有效地提高原油產(chǎn)量。1972年Chevron公司在在美國德克薩斯州Kelly-Snyder 油田SACROC 區(qū)塊投產(chǎn)了世界首個CO2驅(qū)油商業(yè)項目，最后平均每口單井產(chǎn)量提高了3倍，這個項目的成功標志著CO2驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟[9-12]。

Philips石油公司在1976年開始在阿肯色州的LickCreek油田進行非混相驅(qū)CO2驅(qū)項目[13-15]，第一種方式所有采油井均采用CO2進行吞吐，吞吐的目的使殘余油充分與CO2接觸，生產(chǎn)井由于井底高壓而通過自噴開采，大大增加了產(chǎn)油量。第二種方式通過向注水井中注入CO2而增加了油層壓力，由溶解氣驅(qū)機理驅(qū)替原油同時出現(xiàn)了氣竄。第三種方式是通過持續(xù)注入二氧化碳或者水到地下儲層，并且采取了氣舉方式生產(chǎn)，使得采出流體中含水率降低50%。第四種方式是向注入井中注水，實現(xiàn)增產(chǎn)原油25 000 m3。

19世紀80年代美國大規(guī)模開發(fā)了Mk ElmoDomo、Sheep Mountain 等多個CO2氣田，建設(shè)了Bravo Dome Pipeline 等連接CO2氣田和油田的輸氣管線。這些氣田的建立為進行CO2驅(qū)油提供了充足的氣源保障，至1986年底，美國運行的CO2驅(qū)油項目達到了40個[9,16]。

19世紀90年代之后，隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，CO2的排放量越來越大，如何科學合理地使用化石燃料成為了大家關(guān)注的核心問題，因此在這種需求下，利用CO2驅(qū)油技術(shù)便得到了專家、學者的積極研究和推進。20世紀以來隨著能源的緊缺，原油的價格逐漸上漲，經(jīng)濟高效的利用CO2驅(qū)油技術(shù)更是凸現(xiàn)了經(jīng)濟效益。調(diào)研資料顯示[9,17]，美國有128個CO2驅(qū)油的項目在實施，提高采收率年產(chǎn)量達到了1 371×104t，占到了全世界EOR總量的93%。同時因為美國油藏多為海相沉積，油藏為低溫低壓低黏度，使得CO2驅(qū)替過程中容易形成混相，所以美國CO2混相驅(qū)項目遠多于非混相驅(qū)。

加拿大的EOR技術(shù)應用主要集中在熱力采油技術(shù)和氣驅(qū)采油技術(shù)方面[9,18]。為了應對1973年發(fā)生的世界石油危機，國家政府制定并通過了能源安全緊急預案，預案的實施使得本國的原油產(chǎn)量大幅度提升，同時促進了石油公司以及科研院所對CO2驅(qū)油提高采收率技術(shù)的積極探索和技術(shù)攻關(guān)[9,19]。19世紀80年代以后，CO2-EOR技術(shù)作為驅(qū)油提高采收率技術(shù)的經(jīng)濟高效的一項新技術(shù)逐漸得到大規(guī)模推廣和應用，使得原油產(chǎn)量逐漸上升，相比之下同期熱力采油項目數(shù)量和產(chǎn)量均持續(xù)下降，2006年加拿大依靠氣驅(qū)提高采收率的產(chǎn)量首次超過了熱力采油產(chǎn)量。目前，加拿大注氣項目占了總EOR項目的75.5%，EOR增產(chǎn)則為原油總產(chǎn)量的20%。在利用CO2驅(qū)油的項目中，90%以上的項目的注入壓力范圍為15.21～19.3 MPa，有47個成功項目的采收率提高16%～44%，采收率達到了水驅(qū)的2倍[20]。

CO2-EOR技術(shù)在俄羅斯的實施也非常成功[21]，前蘇聯(lián)在1953年申請了CO2驅(qū)油的專利，并且進行了室內(nèi)模擬試驗，開始試驗利用CO2-水交替驅(qū)油，并且在圖依馬津等5個油田進行工業(yè)性試驗，同時在巴什基里亞等幾個油田也使用水氣交替和純CO2段塞技術(shù)?；谑嗄甑脑囼灲?jīng)驗，奧利霍夫等油田開發(fā)中采用了CO2段塞驅(qū)油技術(shù)，注入相態(tài)包括液相CO2驅(qū)、混相驅(qū)和非混相驅(qū)，結(jié)果表明使用較大的段塞體積時驅(qū)油效率高，最高可達94%～99%。土耳其的Batiraman稠油油田在采用CO2驅(qū)油吞吐技術(shù)過程中，共采出原油1.31×1010t/d，相比每天原油產(chǎn)量提高12%。

目前，針對國外的低滲透砂巖油藏，利用混相段塞驅(qū)獲得的采收率均高于注水開發(fā)方式，采收率提高了約5%～15%，有的油田或區(qū)塊采收率能提高1倍以上。因此，基于各個油田混相段塞驅(qū)開采狀況的差異(包括氣體來源、季節(jié)、價格以及投入的成本等)，有的油田采用CO2驅(qū)油技術(shù)時存在盈利小或不盈利的現(xiàn)象[13,22]。表1是2014 年在全世界的CO2驅(qū)油項目的分布情況，從表1可以看出，全球范圍內(nèi)美國、加拿大CO2項目占總數(shù)的93%以上，主要進行混相驅(qū)的開采方式[23]。

表1 2014 年在世界范圍內(nèi)CO2驅(qū)油項目的分布

北美CO2-EOR項目中氣源來源于不同的領(lǐng)域，其中天然的CO2氣田占83%，天然氣廠為10.6%，農(nóng)藥廠占1.4%，煤氣合成燃料占4.9%，乙烯生產(chǎn)占0.1%。美國已經(jīng)建成的輸送CO2管道約4 000 km 用于進行CO2-EOR項目，其中日輸送CO2量約0.85×108m3。登伯瑞資源公司采用碳鋼管道輸送CO2，CO2輸送前需經(jīng)過除水處理，純度指標要求達到98%及以上。碳鋼管道運行壓力范圍約為8.0～14.7 MPa之間。公司為了提高管道輸送能力，在2009年初步嘗試通過提高管道運行壓力而實現(xiàn)[24]。

從Advanced Resources International機構(gòu)分析了美國CO2-EOR驅(qū)油潛力，如圖1所示。從圖1可以看出，美國利用CO2驅(qū)油技術(shù)具有巨大的經(jīng)濟效益。

圖1 美國CO2-EOR驅(qū)油潛力

1.2 國內(nèi)CO2驅(qū)油技術(shù)應用發(fā)展歷程

中國利用CO2驅(qū)油提高采收率技術(shù)研究起步較晚，在20世紀50年代末才開始對CO2驅(qū)油相關(guān)課題進行研究。大慶油田在1963年開始首先進行了利用CO2驅(qū)油提高采收率的研究，并基于研究成果分別在1966年和1969年進行了注CO2驅(qū)油的先導試驗[25-29]。在1980年濮城油田沙一下油藏實現(xiàn)CO2混相驅(qū)油先導試驗，并達到了降低含水率提高采油率的驅(qū)油目標。吉林油田開始利用CO2驅(qū)油技術(shù)是在1995年，實現(xiàn)利用液態(tài)CO2進行單井吞吐和CO2泡沫壓裂技術(shù)，累計增產(chǎn)達到1 420 t。江蘇富民油田從1996年開始至2002年底，在48井累計進行了月36次CO2驅(qū)替試驗，采油效果顯著，采油率從37.5%提高到87.5%[30-31]。隨著技術(shù)的不斷應用，江蘇油田富14斷塊在保持最低混相壓力的狀態(tài)下，進行CO2-水交替注入試驗，也達到了明顯的降水增油效果，綜合含水率由93.5%降至63.4%，采油速度也有較大的提高[13,31]。勝利油田在1998年進行了CO2驅(qū)油技術(shù)，開展單井吞吐增油，增產(chǎn)效果明顯，其中每口單井增產(chǎn)200 t以上。茨榆坨油田13斷塊茨21-133井在2002年開始實施CO2驅(qū)采油工藝，取得了明顯的增油效果，其中日產(chǎn)原油增加8.1 t，日產(chǎn)液降低12.7 t，由于CO2的注入也明顯降低了原油的黏度[32-33]。20世紀以后，隨著稠油和低滲油藏的持續(xù)開采，CO2驅(qū)油技術(shù)快速發(fā)展并廣泛推廣，長慶油田屬于典型的低滲透油藏，從2015年開始進行CO2驅(qū)油技術(shù)的攻關(guān)和研究，在黃3區(qū)實現(xiàn)9注37采的試驗規(guī)模，兩年內(nèi)累計增油8 257 t。

中原油田的CCUS項目在1980年開展，在煉廠尾氣領(lǐng)域投入實施，最初應用水驅(qū)增油，但是因含水量高達98.1%而使大部分井停產(chǎn)。直到2008年油田才開始設(shè)計實施CO2驅(qū)油提效的方案，將CO2氣體注入10口廢氣井，采用水氣交替注入方式[34]。文獻顯示[7]，自中原油田開展CO2驅(qū)油先導試驗以來，已有近10 000 t液態(tài)CO2注入地下，采收率提高15%。

草舍油田實施CCUS項目從2005年7月開始，采用連續(xù)注入CO2氣體并實施10口井，累計注入CO218×104t，實現(xiàn)增油8×104t，CO2采收率提高了7.9%[35]。

腰英臺油田CCUS項目自2011年開始注氣，注入氣源來自松南高含CO2的天然氣，采用連續(xù)注氣和氣水交替的兩種方式，共計實施12口井，累計注入CO2為19.8×104t，實現(xiàn)增產(chǎn)原油6.5×104t[36]。

據(jù)“中國陸上已開發(fā)油田提高采收率第二次潛力評價及發(fā)展戰(zhàn)略研究”資料顯示，適合利用CO2驅(qū)的原油儲量為1.2×1010t，并且利用CO2驅(qū)油可以累記增產(chǎn)達1.6×109t[13]。雖然我國利用CO2驅(qū)油技術(shù)目前還沒成為主導技術(shù)，但是隨著近年雙碳目標的提出和國家有利政策的推行，CO2驅(qū)油技術(shù)會飛速發(fā)展，具有廣泛的推廣空間。

2 CCUS驅(qū)油技術(shù)應用存在的管道/管柱腐蝕問題

CCUS驅(qū)油技術(shù)實施過程中，管道和管柱作為CO2驅(qū)油的輸送系統(tǒng)，稱為CCUS的主動脈或者生命線。但是由于管道和管柱在服役過程中，管材接觸高濃度CO2氣相/超臨界相環(huán)境的特殊性，腐蝕損傷和斷裂乃是制約CO2驅(qū)油技術(shù)發(fā)展的最大安全隱患。我國油氣井管柱失效概率平均10%～20%，其中60%以上是因腐蝕造成的[38-40]。CO2驅(qū)注采系統(tǒng)氣源多來自燃煤化工，氣源的含酸性雜質(zhì)、超臨界相態(tài)的特殊性、采出井筒流體高礦化度、溶解氧、管柱疲勞應力以及細菌微生物等多因素的耦合影響，導致管柱腐蝕、結(jié)垢及失效斷裂情況極為嚴重，主要存在以下幾個技術(shù)因素。

2.1 CO2驅(qū)氣源及輸送管道安全防護

國內(nèi)CO2氣源一部分來源于天然氣中分離，另一部分為煤化工行業(yè)和燃煤電廠捕集利用；CO2氣源呈現(xiàn)多向性及處理工藝具有復雜性，氣源含雜及純凈度要求不明確，含酸性氣體對管道的腐蝕及開裂機理尚不明確。國內(nèi)CO2管網(wǎng)輸送技術(shù)發(fā)展較晚，超臨界環(huán)境CO2輸送管道腐蝕防控技術(shù)、止裂韌性技術(shù)、斷裂控制技術(shù)等還需探索和攻關(guān)[41]。

2.2 CO2驅(qū)注入環(huán)境管柱安全腐蝕防控

注入氣源不純，尤其含酸性氣體(H2S)的混入將會導致注入管柱斷裂失效，2016年大慶油田CO2驅(qū)油套管由于注氣含微量H2S而導致近10口井油套管柱失效斷裂，斷裂油套管形貌如圖2所示，該油套管斷裂事故造成了較大的經(jīng)濟損失。因此酸性氣體對管柱的安全服役、氣密封性和氣竄問題影響較大。目前關(guān)于CO2注入時CO2相態(tài)、溫度梯度、壓力變化等對管柱的疲勞應力損傷機理、影響機制無明確的認識和研究，另一方面注入過程管柱濕氣環(huán)境下的電偶腐蝕導致的局部腐蝕需安全性分析，注入環(huán)境由于井筒溫度變化導致的不同材料的收縮性，使管柱與封隔器之間的密封性問題成為嚴重的密封隱患。

圖2 油套管失效斷裂宏觀形貌

資料顯示[37]，液態(tài)CO2注入時，由于低溫使井口成為失效、泄漏的聚集點；井口閥組、管道、法蘭等部位會因熱脹冷縮導致局部密封不良，液態(tài)CO2注入后會快速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，氣化吸熱引起泄漏點附近出現(xiàn)低溫區(qū)，因此低溫脆斷、腐蝕等都可能導致CO2泄漏的隱患。另外液態(tài)CO2低溫注入時，采油樹及井口附件的焊接區(qū)域?qū)⑹且粋€薄弱點，如果焊接方式不達標或焊縫質(zhì)量不符合要求，低溫導致的脆斷失效則會造成極大的安全隱患。

2.3 CO2驅(qū)采出環(huán)境管柱腐蝕防護

目前CO2環(huán)境下油套管的腐蝕機理及影響因素研究相對比較清楚，但針對管柱粘附油污、結(jié)垢及高礦化度介質(zhì)等綜合協(xié)同作用的腐蝕機理尚待探究。采出流體環(huán)境復雜多變，經(jīng)過應用試驗，防腐措施適應性不好、防腐效果不佳，內(nèi)涂層性能與環(huán)境的匹配性不夠，涂層鼓泡破裂導致局部穿孔嚴重，如圖3所示。CO2驅(qū)油井采出流體伴生氣中CO2含量高、氣油比高，管柱沖刷+應力+腐蝕損傷機制還不明晰。在侵蝕性環(huán)境下井筒封隔器坐封不嚴，現(xiàn)場斷裂、發(fā)生嚴重老化現(xiàn)象，如圖4所示，選材需要進一步優(yōu)化[38]。

圖3 油管內(nèi)壁涂層鼓泡穿孔形貌

圖4 封隔器膠皮老化形貌

2.4 CO2驅(qū)采出液集輸管線腐蝕防護

CO2驅(qū)油井采出流體含水率高、礦化度高，碳酸鈣垢和硫酸鋇(鍶)垢下腐蝕穿孔，如圖5所示，需要解決緩蝕阻垢問題。管材防腐和服役環(huán)境的適應性，環(huán)境苛刻復雜，匹配性不足，集輸管線腐蝕穿孔、減薄嚴重；油水混合比例的復雜性，水溶性、油溶性緩蝕劑適用范圍不明晰，功能發(fā)揮不佳[39]。

圖5 集輸管線腐蝕結(jié)垢、穿孔宏觀形貌

3 研究方向及建議

我國CCUS技術(shù)發(fā)展較為迅速，尤其是2019年“雙碳”目標的提出，使發(fā)展CCUS技術(shù)成為燃煤化工、電廠、石油企業(yè)等各行各業(yè)關(guān)注的焦點問題，因此中國應從政策引導，開展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，節(jié)能減排提高能效，嚴格約束非能源溫室氣體排放、增加碳匯等方面采取一系列行動[40]。捕集利用CO2驅(qū)油提采增效方面，我國東部油田已形成配套的CO2驅(qū)油與埋存技術(shù)可供借鑒，形成了從室內(nèi)研究到現(xiàn)場施工等較成熟的配套工藝技術(shù)，可指導長慶等其他油田的CO2驅(qū)示范區(qū)的開展和技術(shù)實施。但是機遇與挑戰(zhàn)并存，深入開展CCUS推廣和應用，發(fā)展CCUS產(chǎn)業(yè)，仍面臨基礎(chǔ)理論、技術(shù)等多方面的挑戰(zhàn)。

3.1 CO2輸送管網(wǎng)的安全防控技術(shù)

CO2的輸送狀態(tài)主要是氣態(tài)、液態(tài)和超臨界狀態(tài)。我國CO2驅(qū)運輸主要以低溫儲罐公路運輸為主，CO2管道輸送方面的技術(shù)研究剛剛起步。因此結(jié)合CO2驅(qū)輸送特點需要積極開展管材優(yōu)化設(shè)計、管道關(guān)鍵技術(shù)指標界定、安全防控技術(shù)等研究，建立超臨界CO2環(huán)境含酸性氣體腐蝕控制技術(shù)及措施，形成氣相CO2環(huán)境管道微泄漏和微損傷監(jiān)測技術(shù)，制定針對CO2輸送管道的標準規(guī)范和相應的法規(guī)具有實際意義。

3.2 CO2驅(qū)注入井管柱安全服役密封完整性

CO2注入是井下驅(qū)油提采增效的首要環(huán)節(jié)，如果過程出現(xiàn)漏洞或泄漏，CO2氣體的竄流性會對井下管柱的安全造成巨大隱患。因此管柱的密封可靠性、氣源的含酸性雜及純凈度尤顯重要。井筒不同溫度下CO2相態(tài)的變化也是影響管材防腐措施高效性實現(xiàn)的障礙。因此要關(guān)注注氣的含雜類型對管柱腐蝕損傷的影響關(guān)系及預防措施，開展CO2相態(tài)變化引起的溫度梯度對封隔器密封性評價研究，建立CO2相態(tài)變化對管柱應力疲勞、密封性的可靠性評價技術(shù)[41]。

3.3 CO2驅(qū)采出井管柱腐蝕防控技術(shù)

CO2驅(qū)采油生產(chǎn)環(huán)境下，復雜地層水且含CO2條件下的腐蝕將會造成管柱穿孔、斷落以及內(nèi)涂層防腐層脫落，嚴重影響現(xiàn)場正常生產(chǎn)。采出液環(huán)境復雜苛刻，含細菌、溶解氧、高礦化度、油井結(jié)垢結(jié)蠟多因素以及管柱疲勞應力等引起井筒失效頻發(fā)。因此基于生產(chǎn)安全考慮需要開展采出液高礦化度、結(jié)垢沉積對管柱的腐蝕損傷機理以及井筒管柱在超臨界環(huán)境+沖刷應力+腐蝕損傷協(xié)同影響機制研究，針對性開發(fā)超臨界CO2環(huán)境下經(jīng)濟型管材、高性能防腐涂、鍍層等配套防腐產(chǎn)品。

3.4 CO2驅(qū)油地面集輸管網(wǎng)防腐控制技術(shù)

地面管道集輸生產(chǎn)井采出流體時，由于原油含水率高、礦化度高，而且含有酸性伴生氣以及O2、細菌等復雜產(chǎn)出物，管道垢下腐蝕、堵塞問題嚴峻[42]，尤其是管道周向5～7點鐘位置，碳鋼管道穿孔、刺漏失效頻繁?，F(xiàn)場作業(yè)即使更換為耐腐蝕的非金屬管道，但也由于服役環(huán)境的有限性，非金屬管道異常老化失效時常發(fā)生。在注劑方面，傳統(tǒng)的單功效藥劑(緩蝕劑、阻垢劑、脫硫劑及除氧劑)往往功效不佳，而且經(jīng)常出現(xiàn)藥劑之間配伍性差導致藥劑中毒和堵管事故。因此必須開發(fā)在役管道防腐延長壽命技術(shù)，基于非金屬管材老化機理建立服役性能評估技術(shù)，基于不同的防腐需求開發(fā)環(huán)保的具有多功效的復合型緩蝕藥劑及配套技術(shù)。

4 結(jié)束語

CCUS作為最有希望實現(xiàn)化石能源大規(guī)模利用、發(fā)展綠色低碳的關(guān)鍵技術(shù)，對我國未來約束CO2排放、實現(xiàn)雙碳目標和實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義[43]。持續(xù)深入開展CO2驅(qū)油提采工藝中的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，重點解決CO2管道輸送、CO2注入井管柱及工具、生產(chǎn)井采出井管柱及工具、地面集輸系統(tǒng)等石油管材的服役安全問題，不僅能夠完善、豐富與發(fā)展特低滲透油藏CO2埋存與驅(qū)油技術(shù)、提升國內(nèi)油田提高采收率技術(shù)創(chuàng)新能力，而且隨著國家示范項目范圍的不斷擴大，有望建成低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)集群，為化石能源低碳利用、綠色環(huán)保的發(fā)展提供規(guī)范的管理體系，為應對氣候變化提供有效的技術(shù)保障[44]，同時對國家節(jié)能減排和樹立大國形象意義深遠。