王國(guó)鋒

（中國(guó)石油吉林油田公司，吉林松原 138000）

0 引言

發(fā)展 CO2捕集、驅(qū)油與埋存技術(shù)是中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司落實(shí)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)、主動(dòng)承擔(dān)社會(huì)責(zé)任和踐行綠色低碳行動(dòng)“三步走”的重要舉措。吉林油田長(zhǎng)嶺氣田為含 CO2火山巖天然氣藏，CO2體積分?jǐn)?shù)約為20%，每日伴生的CO2氣量為（30～50）×104m3，為實(shí)現(xiàn)清潔開發(fā)，需要實(shí)施CO2減排措施。

注氣驅(qū)油技術(shù)已成為產(chǎn)量規(guī)模居第一位的強(qiáng)化采油技術(shù)[1]。吉林油田中低滲透、致密儲(chǔ)集層等難采油氣儲(chǔ)量占總探明地質(zhì)儲(chǔ)量的 65%，大部分油藏采收率不足20%，需有效提高低滲、低品位油田的采收率和儲(chǔ)量動(dòng)用率。無(wú)論從CO2減排埋存還是驅(qū)油利用角度，CO2捕集驅(qū)油與埋存技術(shù)都是石油行業(yè)的重要發(fā)展方向[2]。中國(guó)較少開展全生命周期的注氣項(xiàng)目，礦場(chǎng)試驗(yàn)規(guī)模較小，CO2驅(qū)技術(shù)尚處于攻關(guān)試驗(yàn)和發(fā)展完善階段。

本文系統(tǒng)總結(jié)吉林油田近年來(lái)在CO2捕集、輸送、注入、驅(qū)油、埋存、防腐方面的成型技術(shù)和礦場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，闡述創(chuàng)新形成的陸相油藏 CO2捕集、驅(qū)油與埋存全產(chǎn)業(yè)鏈配套技術(shù)系列，詳細(xì)介紹已建成的中國(guó)首個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈與全流程CO2捕集、驅(qū)油與埋存示范項(xiàng)目，明確適應(yīng)低滲透油田開發(fā)的 CO2捕集、驅(qū)油與埋存技術(shù)模式，為評(píng)價(jià)油藏注CO2驅(qū)油與埋存結(jié)合的有效性、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性提供實(shí)踐參考。

1 CO2捕集與輸送技術(shù)

1.1 CO2捕集技術(shù)

CO2來(lái)源多樣，氣源組分差異較大，不同氣源應(yīng)采取不同的捕集分離技術(shù)。吉林油田 CO2捕集、驅(qū)油與埋存項(xiàng)目所需的CO2主要來(lái)源于含CO2的油田伴生氣或氣田氣，應(yīng)用“模擬計(jì)算+中試試驗(yàn)+礦場(chǎng)應(yīng)用”方法，建立了溶液吸收法（胺法）、變壓吸附法、膜分離法3種天然氣分離捕集CO2技術(shù)。溶液吸收法（胺法）主要用于捕集CO2體積分?jǐn)?shù)為3%～30%的天然氣中的 CO2，該技術(shù)也適合電廠煙道氣。多級(jí)膜分離、膜+變壓吸附、膜+醇胺法等分離捕集組合工藝技術(shù)則主要用于捕集 CO2體積分?jǐn)?shù)為 30%～90%的天然氣中的 CO2。

1.1.1 溶液吸收法（胺法）分離捕集CO2技術(shù)

天然氣經(jīng)除雜過(guò)濾進(jìn)入脫碳吸收塔與貧胺液逆流接觸后大部分CO2被脫除，分離凈化后的天然氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3%。CO2流經(jīng)脫碳吸收塔與貧胺液接觸后，其中胺液吸收 CO2變?yōu)楦话芬?，富胺液從吸收塔排出后?jīng)閃蒸、換熱后進(jìn)入再生塔解吸釋放出 CO2氣體，富胺液再次轉(zhuǎn)變?yōu)樨毎芬海毎芬河稍偕懦龊蠼?jīng)換熱、冷卻后輸送至脫碳吸收塔，完成胺液溶液的脫碳循環(huán)過(guò)程。吉林長(zhǎng)嶺氣田采用溶液吸收法（胺法）分離捕集技術(shù)，目前已建成3套CO2捕集裝置，裝置所用脫碳液為N-甲基二乙醇胺+新型專利活化劑、緩釋劑，具有能耗低的優(yōu)勢(shì)。裝置回收 CO2純度可達(dá)99.99%以上，具有日處理含CO2天然氣450×104m3能力。脫出的 CO2分兩個(gè)流程收集后外輸：①經(jīng)過(guò)冰機(jī)組降溫至-20 ℃，送至2座2 000 m3液態(tài)CO2儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，用于液相外輸注入；②脫出的 CO2采用管道輸送至超臨界注入站集中調(diào)配注入。

1.1.2 變壓吸附法分離捕集CO2技術(shù)

該技術(shù)的主要裝置為裝有吸附劑的變壓吸附罐，吸附劑對(duì) CO2的吸附能力最強(qiáng)，對(duì)天然氣中其他氣體的吸附能力相對(duì)較弱，由強(qiáng)到弱順序?yàn)镃O、CH4、N2、H2[3]。天然氣通過(guò)壓縮機(jī)增壓后由進(jìn)氣口進(jìn)入變壓吸附罐，天然氣與吸附劑充分接觸后 CO2被吸附劑捕獲截留，未能被吸附劑捕獲的氣體組分則直接由出氣口排出，當(dāng)排出氣中 CO2濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，停止向吸附罐增壓進(jìn)氣并關(guān)閉出氣口，隨后打開吸附罐另一出氣口泄壓排出吸附的 CO2，并抽真空保證 CO2全部排凈后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。變壓吸附可設(shè)置多個(gè)儲(chǔ)罐，交替循環(huán)以提高運(yùn)行效率。吉林油田已建成 1套變壓吸附裝置，由多組吸附塔組成，具有處理含CO2天然氣8×104m3/d能力。天然氣中 CO2體積分?jǐn)?shù)一般為 5%～90%，CO2經(jīng)吸附劑吸附后再經(jīng)降壓、抽真空及沖洗等聯(lián)合方式解吸分離，所得CO2純度超過(guò)95%。經(jīng)變壓吸附法處理后的天然氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3%，CH4損失率小于1%，水露點(diǎn)低于-20 ℃，可省去天然氣脫水裝置。

1.1.3 膜分離法分離捕集CO2技術(shù)

膜分離法技術(shù)主要使用二級(jí)卷式橡膠膜和中空纖維膜。氣體在膜兩側(cè)分壓差的作用下可滲透通過(guò)膜，但不同的氣體通過(guò)的速率不同，按照相對(duì)速率可把氣體分成“快氣”和“慢氣”兩類。天然氣中的 H2O、H2、He、H2S、CO2為“快氣”，CH4及其他烴類、N2、CO、Ar為“慢氣”。將富含CO2的油田伴生氣進(jìn)行脫水干燥，加壓后逐級(jí)通過(guò)分離膜，CH4及其他烴類、N2、CO、Ar等氣體因分子較大被截留并排出分離系統(tǒng)，透過(guò)性強(qiáng)的 CO2氣體則過(guò)膜后進(jìn)入儲(chǔ)存罐或者注入系統(tǒng)[3]。吉林油田已建成5×104m3/d膜分離法處理裝置，經(jīng)處理后所得CO2純度達(dá)95%以上，處理后的天然氣中CO2體積分?jǐn)?shù)小于3%。

1.2 CO2輸送技術(shù)

CO2輸送方式主要包括槽車（包括船運(yùn)）和管道輸送兩種。槽車運(yùn)輸技術(shù)已成熟，年運(yùn)輸 CO2規(guī)模小于10×104t，成本約為0.8元/t，槽車只能運(yùn)輸壓力2.1 MPa、溫度-21 ℃條件下的液態(tài) CO2。為保持連續(xù)注氣，需要在運(yùn)輸終點(diǎn)建立液態(tài) CO2儲(chǔ)罐，該方式僅適用于短距離、小規(guī)模的輸送需求。管道輸送可滿足規(guī)模較大、距離較遠(yuǎn)的 CO2輸送，有氣態(tài)、液態(tài)、超臨界 3種輸送方式，均采用壓縮機(jī)提升壓力克服沿程摩擦與地形高差形成的阻力。

吉林油田前期采用槽車?yán)\(yùn)方式進(jìn)行小規(guī)模液態(tài)CO2驅(qū)油埋存先導(dǎo)試驗(yàn)，進(jìn)入 CO2驅(qū)工業(yè)化應(yīng)用階段后，則采取更具優(yōu)勢(shì)的管道輸送方式，共建成 3種相態(tài)輸送管道121 km，確立了吉林油田CO2驅(qū)主干網(wǎng)采用氣相輸送、超臨界注入的運(yùn)行模式[4]（見表1）。

表1 吉林油田不同輸送模式對(duì)比表

2 CO2注入技術(shù)

2.1 注入前增壓

CO2注入地下之前，需要根據(jù)氣源條件、油藏要求、注入壓力、注入規(guī)模等因素采用液相、超臨界、高壓密相等不同注入前增壓方式。

液相增壓方式：液態(tài) CO2經(jīng)罐車?yán)\(yùn)或管道輸送至注氣站低溫儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，在注氣站用增壓泵增壓，通過(guò)注氣管網(wǎng)注入各注氣單井。該方式適用于 CO2氣源與油田距離較近的 CO2驅(qū)項(xiàng)目，注入成本低，但 CO2液化、運(yùn)輸成本高。吉林油田長(zhǎng)嶺氣田伴生氣處理站毗鄰采油區(qū)，CO2氣源較近，采用管道輸送，可日供CO2（30～50）×104m3。項(xiàng)目建有液態(tài)注入站一座（包含注入泵 3臺(tái)、喂液泵 3臺(tái)、儲(chǔ)罐 2座），液態(tài) CO2日注入能力1 440 t。

超臨界增壓方式：CO2氣體在集氣站經(jīng)過(guò)凈化脫水處理后，經(jīng)壓縮機(jī)增壓由管道輸送至注氣站，隨后在注氣站通過(guò)高壓壓縮機(jī)增壓，經(jīng)注氣管網(wǎng)注入各注氣單井。該方式適用于CO2氣源與油田距離較遠(yuǎn)的CO2驅(qū)項(xiàng)目，整體運(yùn)行成本低、能耗低，但對(duì)壓縮機(jī)設(shè)備和輸氣管道要求高。吉林油田在 CO2工業(yè)化應(yīng)用階段共鋪設(shè)氣態(tài) CO2輸送管線 13.1 km，建立超臨界 CO2注入站一座，超臨界態(tài)CO2日注入能力達(dá)60×104m3。

高壓密相增壓方式：捕集后的 CO2增壓到密相狀態(tài)通過(guò)管道輸送到注氣站，經(jīng)增壓泵增壓后用密相泵經(jīng)注氣管網(wǎng)注入井下。該方式適用于 CO2氣源為超臨界態(tài)或密相態(tài)、輸送距離長(zhǎng)、CO2用量規(guī)模大的驅(qū)油項(xiàng)目，具有設(shè)施建設(shè)投資小、輸送注入能耗低、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)。2019年吉林油田試驗(yàn)成功中國(guó)首套單井密相注入裝置，日注CO2能力達(dá)10×104m3。根據(jù)吉林油田實(shí)際情況，按照CO2相態(tài)特征設(shè)計(jì)了6套CO2注入方案（見表2），可滿足不同礦場(chǎng)注入的需求。

表2 吉林油田CO2注入前增壓方式

2.2 井下注入

CO2注入井有別于注水井，對(duì)溫壓變化、氣密封、防腐等有較高要求。為了實(shí)現(xiàn)安全高效注入，需要研發(fā)適應(yīng)高壓、氣密封與防腐要求的注入工藝。

吉林油田當(dāng)前注氣井井深2 300～2 600 m，注入壓力16～23 MPa，單井日注入量20～50 t，井口注入溫度-21～40 ℃，根據(jù)上述注入?yún)?shù)設(shè)計(jì)注氣工藝。

注氣井口優(yōu)選：采用耐 CO2腐蝕井口，壓力等級(jí)35 MPa。根據(jù)環(huán)境溫度和 CO2相態(tài)變化，采用 L-U（-46～121 ℃）溫度級(jí)別。井口材質(zhì)級(jí)別根據(jù) GB/T 22513標(biāo)準(zhǔn)[5]選擇 CC級(jí)材質(zhì)。井口采用雙翼雙閥結(jié)構(gòu)，安裝安全閥和遠(yuǎn)程安全控制系統(tǒng)。

氣密封管籠統(tǒng)注氣：利用氣密封油管和氣密封封隔器進(jìn)行注氣，封隔器采用壓縮式液壓坐封方式，材質(zhì)選用耐CO2腐蝕、耐120 ℃高溫材質(zhì)。此工藝氣密封性能好，可下入多數(shù)測(cè)井工具，適用于有剖面測(cè)試要求的注入井及籠統(tǒng)注氣需求的注氣井。

連續(xù)油管籠統(tǒng)注氣：利用連續(xù)油管作為完井管柱，井口采用配套油管懸掛器和密封裝置，井下采用專用氣密封工具。該工藝相比傳統(tǒng)絲扣油管完井具有大幅減少可能的絲扣泄漏點(diǎn)、大幅縮短完井時(shí)間、降低再次作業(yè)卡井大修風(fēng)險(xiǎn)、大幅降低作業(yè)成本 4大優(yōu)勢(shì)。2022年國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用后，目前成為吉林油田CO2注氣井的主體注氣工藝，適用于不需分注的注入井。

分層注氣：利用兩套同心管柱來(lái)實(shí)現(xiàn)地面分層注入，中心管注下段油層，中心管和外管中間環(huán)空注上段油層[6]，通過(guò)地面裝置調(diào)配注入量實(shí)現(xiàn)兩段分層注入，可解決層間矛盾，提高驅(qū)替效率。此工藝具備兩段分注能力，密封可靠，測(cè)試簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能下入測(cè)試工具、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，適用于有分層注氣需求的注入井。

注氣井防腐、防堵技術(shù)：一次性加入油套環(huán)空保護(hù)液，保護(hù)套管和油管外壁不被 CO2腐蝕。采取藥劑周期洗井，有效防止了瀝青質(zhì)析出造成的井筒和近井地帶堵塞。該工藝具有成本低、操作簡(jiǎn)單、防腐防堵性能好等優(yōu)勢(shì)，廣泛適用于各類工藝完井的注氣井。

3 CO2驅(qū)油技術(shù)

CO2驅(qū)油與埋存既是實(shí)現(xiàn)“減碳、用碳、替碳、埋碳的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]，也是提高石油采收率的重要技術(shù)。吉林油田經(jīng)過(guò)30余年技術(shù)攻關(guān)與礦場(chǎng)實(shí)踐，依托全流程礦場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)，創(chuàng)新研發(fā)了 CO2驅(qū)高效采油、動(dòng)態(tài)調(diào)控、采出流體處理及循環(huán)注入等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 高氣液比油井CO2驅(qū)油技術(shù)

低含 CO2采油階段采油工藝與常規(guī)水驅(qū)采油工藝基本一致，隨著 CO2注入量持續(xù)增加，見效油井產(chǎn)氣量、CO2含量、套壓持續(xù)上升，導(dǎo)致有桿泵泵效下降，甚至可能發(fā)生“氣鎖”不出液現(xiàn)象，影響生產(chǎn)時(shí)率。通過(guò)優(yōu)化舉升參數(shù)和舉升工藝保障油井高效生產(chǎn)。

3.1.1 舉升參數(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì) CO2驅(qū)采油井井筒流體動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，充分考慮CO2含量、含水率、原油組分對(duì)溫度、壓力的影響，建立了高含 CO2原油井筒流動(dòng)壓力、溫度分布綜合計(jì)算模型和 CO2驅(qū)采油井流入動(dòng)態(tài)計(jì)算模型。耦合地層流入動(dòng)態(tài)及泵效隨泵吸入口壓力變化關(guān)系，引入節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析方法確定供采協(xié)調(diào)點(diǎn)，以供采協(xié)調(diào)點(diǎn)為依據(jù)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)泵掛、沖程、沖次、泵徑參數(shù)，同時(shí)使用油管錨和優(yōu)化泵體結(jié)構(gòu)等手段，降低沖程損失、提高抗腐抗磨性能，降低井底氣體對(duì)泵效的影響，提高舉升效率。確定了舉升參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，依據(jù)氣液比、沉沒度、充滿系數(shù)構(gòu)建了層次結(jié)構(gòu)模型，考慮產(chǎn)液量、套壓對(duì)泵效的影響建立評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣，建立了不同氣液比范圍下的攜氣舉升工藝制度。

3.1.2 舉升工藝研發(fā)

考慮 CO2驅(qū)采油井見效后，高氣液比、高套壓生產(chǎn)狀態(tài)影響油井正常生產(chǎn)，研發(fā)了多種高氣液比井舉升工藝進(jìn)一步提高舉升效率。防氣舉升工藝主體工具由控套專用采油井口、井下控套裝置組成，礦場(chǎng)應(yīng)用340余口井，實(shí)現(xiàn)了氣液比50～100 m3/t油井摻輸平穩(wěn)生產(chǎn)；攜氣舉升工藝配套工具由氣液分離器[8]、防氣泵及地面/井下控套裝置組成，礦場(chǎng)應(yīng)用280余口井，實(shí)現(xiàn)了氣液比小于等于300 m3/t油井的常態(tài)化安全生產(chǎn)；機(jī)抽-自噴轉(zhuǎn)換工藝配套工具由新型采油井口、桿式泵、自噴節(jié)流裝置組成，礦場(chǎng)應(yīng)用24口，實(shí)現(xiàn)了氣液比大于300 m3/t油井的高效生產(chǎn)。結(jié)合油藏不同注入階段及采油井動(dòng)態(tài)反應(yīng)，針對(duì)性建立了不同防氣舉升工藝設(shè)計(jì)原則，充分發(fā)揮防氣舉升作用。

3.2 CO2驅(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)

陸相沉積儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)，注氣驅(qū)油時(shí)存在因CO2和地層原油流度不同導(dǎo)致的驅(qū)替介質(zhì)突進(jìn)等問(wèn)題，影響注入 CO2的波及效率而降低驅(qū)油效果。吉林油田以“保混相、控氣竄、提效果”為目的，形成了水氣交替+泡沫驅(qū)組合調(diào)控技術(shù)，有效延緩油井見氣時(shí)間，提高了CO2驅(qū)油效果。

3.2.1 水氣交替注入

水氣交替就是利用水與原油流度比低于 CO2與原油流度比的特點(diǎn)，通過(guò)注水及時(shí)封堵大孔道，形成弱調(diào)驅(qū)功能，既可充分利用 CO2混相驅(qū)優(yōu)勢(shì)，又可減少CO2的指進(jìn)，擴(kuò)大波及體積[9-11]。陸相油藏多層、非均質(zhì)性強(qiáng)等，采用錐形水氣（漸變水氣段塞）交替調(diào)控方式，先注入一個(gè)大的連續(xù)氣段塞，然后注入相對(duì)小的水段塞，互相交替，氣段塞逐漸變小、水段塞逐漸加大，降低氣產(chǎn)出量，達(dá)到有效控制氣竄、擴(kuò)大波及體積目的。礦場(chǎng)試驗(yàn)表明通過(guò)水氣交替，氣竄得到有效控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了液、油正常產(chǎn)出。

3.2.2 CO2泡沫驅(qū)

CO2泡沫驅(qū)能夠減緩層間和層內(nèi)矛盾，控制氣體的竄流，有效擴(kuò)大 CO2波及體積，提高開發(fā)效果。一方面，由于泡沫的阻力因子高，能夠有效控制氣體或水的流度，改善驅(qū)替流度比；另一方面，起泡劑具有表面活性，具有降低界面張力、乳化剝離等作用，可以輔助提高洗油效率，實(shí)現(xiàn)大幅度提高采收率。吉林油田研發(fā)了適應(yīng)高溫條件下的 CO2泡沫驅(qū)體系，起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.40%，穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%，發(fā)泡率大于300%，半衰期大于3 600 s?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)3口井實(shí)施泡沫驅(qū)，注泡沫后注氣壓力上升 2.8 MPa，注水壓力上升2.1 MPa，吸入剖面趨于均衡，產(chǎn)液、產(chǎn)油上升，氣油比下降，表明 CO2泡沫驅(qū)能夠控制氣竄，起到了擴(kuò)大波及體積的作用。

3.3 采出流體處理及CO2循環(huán)注入

CO2注入油層進(jìn)行驅(qū)油，在未進(jìn)行最終埋存前，部分 CO2會(huì)隨采油井采出流體一同采出，CO2驅(qū)油的高氣液比生產(chǎn)狀態(tài)對(duì)集輸系統(tǒng)和油井正常生產(chǎn)造成很大影響，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，形成了以氣液分輸為主的采出流體處理和CO2循環(huán)注入技術(shù)。

3.3.1 CO2驅(qū)采出流體處理

CO2驅(qū)后原油發(fā)泡、溫度降低對(duì)集輸系統(tǒng)調(diào)控的影響較大，通過(guò)優(yōu)化站內(nèi)、站外 CO2驅(qū)采出流體處理工藝，實(shí)現(xiàn)了CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

油氣集輸站內(nèi)高含 CO2伴生氣分離工藝：CO2驅(qū)采油井輸送到油氣集輸站的含氣、含油、含水液體經(jīng)集油閥組后進(jìn)入氣液兩相分離器進(jìn)行氣液分離，分離出的高含 CO2氣體進(jìn)入注入站循環(huán)回注系統(tǒng)，分離后的微含氣液體與非 CO2驅(qū)采油井來(lái)液混合后進(jìn)入氣、油、水三相分離器進(jìn)行二次分離，分離后液體進(jìn)入外輸流程，分離出的氣體進(jìn)入注入站循環(huán)回注系統(tǒng)，在循環(huán)注入站進(jìn)行CO2分離。

站外氣液分輸工藝：隨著單井氣液比的增加，高含 CO2采出液嚴(yán)重影響集輸系統(tǒng)正常運(yùn)行，因而在采出液進(jìn)入處理站前設(shè)計(jì)使用了氣液分輸工藝，采油井采出液體在井場(chǎng)或者計(jì)量間內(nèi)氣液分離裝置進(jìn)行氣液分離，分離出的液體利用已建集油管線進(jìn)入集油系統(tǒng)，高含 CO2氣體利用新建集氣管線進(jìn)入注入站循環(huán)回注系統(tǒng)，在循環(huán)注入站進(jìn)行CO2分離。

通過(guò)以上措施，高含CO2伴生氣在進(jìn)入循環(huán)回注系統(tǒng)前，不再因溫度降低凍堵管線、不會(huì)形成原油發(fā)泡影響氣液分離、計(jì)量和輸送，保障了集輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.3.2 產(chǎn)出CO2氣循環(huán)回注技術(shù)

CO2驅(qū)見效后，CO2產(chǎn)出量伴隨油氣生產(chǎn)日益增多，循環(huán)回注是實(shí)現(xiàn) CO2有效埋存的關(guān)鍵。結(jié)合吉林油田的實(shí)際情況，以不影響油藏最小混相壓力為前提，形成了直接回注、混合回注、分離提純后回注 3種循環(huán)注入方式。

直接回注：當(dāng)產(chǎn)出伴生氣中 CO2體積分?jǐn)?shù)高于90%時(shí)，采用超臨界注入工藝直接回注。

分離提純后回注：當(dāng)油井產(chǎn)出伴生氣中 CO2體積分?jǐn)?shù)低于 90%時(shí)，通過(guò)變壓吸附技術(shù)分離出純 CO2，通過(guò)壓縮機(jī)注入單井[12]。

混合回注：通過(guò)模擬計(jì)算獲得混相壓力、驅(qū)替效率與伴生氣CO2濃度的最佳組合，確定最小CO2濃度，采用純CO2作為調(diào)節(jié)劑調(diào)和伴生氣中CO2濃度達(dá)標(biāo)后注入井內(nèi)，該技術(shù)為吉林油田獨(dú)創(chuàng)。將吉林油田油井產(chǎn)出伴生氣與長(zhǎng)嶺氣田脫碳后的純 CO2混合，當(dāng)混合氣中CO2體積分?jǐn)?shù)超過(guò)90%后注入井內(nèi)，節(jié)約了伴生氣分離CO2和液化存儲(chǔ)成本。吉林油田2018年建成并投產(chǎn)中國(guó)唯一一座 CO2循環(huán)注入站，循環(huán)回注量大于10×104m3/d，伴生氣實(shí)現(xiàn)了“零排放”，完整實(shí)踐了CO2捕集、輸送、注入及循環(huán)注入全流程技術(shù)體系。

4 CO2埋存與監(jiān)測(cè)技術(shù)

4.1 油藏中埋存CO2機(jī)理與實(shí)踐

油藏地質(zhì)體中埋存 CO2的主要場(chǎng)所為具有較好圈閉條件的儲(chǔ)集層孔隙空間，其構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，上方分布有不滲透的蓋層進(jìn)行遮擋和封閉，避免埋存 CO2發(fā)生逸散。埋存 CO2油藏地質(zhì)體的篩選需考慮地質(zhì)安全性、埋存潛力、環(huán)境以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)等主要指標(biāo)。地質(zhì)安全性指標(biāo)技術(shù)上要求埋存區(qū)地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定、蓋層封隔性好、斷層和裂縫不發(fā)育、儲(chǔ)集層埋深宜大于800 m且具有相對(duì)獨(dú)立的地下水水體環(huán)境的油藏；埋存潛力指標(biāo)要求構(gòu)造圈閉或儲(chǔ)集層等埋存體的平面展布面積大，具有埋存千萬(wàn)噸 CO2的能力；環(huán)境指標(biāo)要求埋存區(qū)域地震活動(dòng)少、周邊沒有大型人員聚集場(chǎng)所；技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)首選能實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)油的油藏，埋存深度不宜大于3 500 m。

CO2在油藏地質(zhì)體中埋存方式包括自由氣相、溶解和礦化等狀態(tài)，在埋存的不同階段，各種狀態(tài)所占比例不盡相同，且不斷地相互轉(zhuǎn)化。實(shí)踐中主要是通過(guò)油藏?cái)?shù)據(jù)庫(kù)或者數(shù)值模擬選取埋存區(qū)域，計(jì)算埋存潛力，確定注采參數(shù)，設(shè)計(jì)驅(qū)油和埋存運(yùn)行方案，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)后賦予實(shí)施。吉林大情字井油田埋存 CO2采用地質(zhì)埋存與提高采收率（EOR）相結(jié)合的方式，通過(guò)注入井將CO2注入到油藏中，多數(shù)CO2以自由態(tài)、溶解態(tài)和礦物狀態(tài)儲(chǔ)存在地下孔隙中，少數(shù) CO2在驅(qū)油過(guò)程中突破驅(qū)替前緣，隨油井伴生產(chǎn)出，產(chǎn)出的CO2再通過(guò)地面循環(huán)注入系統(tǒng)回注到油藏。

大情字井油田 CO2驅(qū)油與埋存主要目的層為白堊系青山口組青一段儲(chǔ)集層，油藏類型為斷層-巖性油藏，埋深約2 400 m左右，儲(chǔ)集層砂巖厚20～30 m，且分布較廣泛、各砂體間的連通性較高，其儲(chǔ)集體上覆有厚層泥巖進(jìn)行遮擋和封閉，總蓋層厚度500～550 m，有利于 CO2的地質(zhì)埋存實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期有效封蓋。目前大情字井油田5個(gè)油藏已累計(jì)埋存CO2250×104t，其中黑79小井距試驗(yàn)區(qū)累計(jì)注CO234.5×104t（折合1.07倍烴類孔隙體積），一次埋存CO227.1×104t，階段動(dòng)態(tài)埋存率78.6%，通過(guò)回注實(shí)現(xiàn)100%埋存。

4.2 CO2埋存安全監(jiān)測(cè)技術(shù)

在油藏埋存 CO2過(guò)程中，地質(zhì)原因與工程原因是CO2泄漏的主要因素[13]。為有效監(jiān)測(cè)泄漏狀況，吉林油田優(yōu)化形成了“土壤碳通量[14]+淺層流體組分+碳同位素”三位一體的監(jiān)測(cè)方法。

土壤碳通量監(jiān)測(cè)：在地表監(jiān)測(cè)土壤單位時(shí)間向大氣中排放 CO2的速度變化，獲得碳通量數(shù)據(jù)。注 CO2之前測(cè)量土壤碳通量作為背景值，注 CO2后定期監(jiān)測(cè)土壤碳通量與背景值對(duì)比，若碳通量增加 10%以上，可以判斷為 CO2泄漏。吉林油田 CO2埋存現(xiàn)場(chǎng)利用LI-8100A-土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)碳通量，該設(shè)備可以測(cè)量的CO2體積分量為（380～25 000）×10-6，操作簡(jiǎn)便，適用于CO2驅(qū)油與埋存全過(guò)程的封存監(jiān)測(cè)。

淺層流體組分監(jiān)測(cè)就是在 CO2驅(qū)油與埋存區(qū)域內(nèi)布設(shè)地下淺層監(jiān)測(cè)井，將監(jiān)測(cè)層位的水、氣樣品采出，對(duì)pH值與Cl-、N2、CO2濃度等指標(biāo)進(jìn)行分析。注CO2之前先布置好地下淺層監(jiān)測(cè)井，測(cè)量水、氣樣的pH值、CO2體積分量等指標(biāo)作為背景值，注 CO2后定期取地下淺層井水、氣樣，測(cè)量pH值與CO2濃度等指標(biāo)與背景值對(duì)比，若pH值減小1以上、CO2濃度增加10%以上，可以判斷為CO2泄漏。

碳同位素監(jiān)測(cè)：通過(guò)碳同位素分析儀分析樣品碳同位素?cái)?shù)據(jù)，利用自然界中因產(chǎn)生途徑不同而導(dǎo)致的碳同位素差異，可以有效判斷碳的來(lái)源。氣藏中 CO2或化石能源產(chǎn)生的CO2和地表自然環(huán)境中CO2的碳同位素組成是不同的，可以用δ13C值定量分析。注CO2前分析地表自然環(huán)境中碳同位素δ13C值作為背景值，注CO2后分析不同氣源的碳同位素δ13C值作為比較值，然后再跟蹤分析地表自然環(huán)境中碳同位素δ13C值，與背景值和比較值對(duì)比，若實(shí)測(cè)的碳同位素δ13C值接近比較值，說(shuō)明未發(fā)生泄漏，若大于比較值，說(shuō)明發(fā)生泄漏。

5 CO2腐蝕防護(hù)技術(shù)

CO2驅(qū)油與埋存過(guò)程中 CO2會(huì)加劇井筒、油氣設(shè)備及管道等的腐蝕程度，快速降低其完整性，極易發(fā)生安全和生產(chǎn)事故。有針對(duì)性地采取防腐技術(shù)，是保障CO2驅(qū)油與埋存安全的關(guān)鍵。

5.1 CO2腐蝕防護(hù)評(píng)價(jià)方法

吉林油田原水驅(qū)環(huán)境腐蝕性本身較強(qiáng)，轉(zhuǎn)注 CO2后油井伴生氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)為40%～90%。溫度、壓力、含水、CO2等因素會(huì)加劇礦場(chǎng)腐蝕。因此，吉林油田利用高溫高壓釜、旋轉(zhuǎn)掛片儀、應(yīng)力反應(yīng)釜、XRD衍射儀、液相色譜儀、微相現(xiàn)象儀等搭建了腐蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合礦場(chǎng)工藝參數(shù)和流體狀況，深入分析溫度、壓力、流體中的離子類型與濃度對(duì) CO2腐蝕的影響，再通過(guò)對(duì)腐蝕產(chǎn)物的分析驗(yàn)證腐蝕因素，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)，建立了CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法[15]和CO2腐蝕主控因素評(píng)價(jià)流程，形成了“室內(nèi)實(shí)驗(yàn)+中試試驗(yàn)+礦場(chǎng)試驗(yàn)”一體化腐蝕實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，揭示了多重因素主導(dǎo)下的腐蝕規(guī)律。

5.1.1 CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

CO2驅(qū)工況變化復(fù)雜，腐蝕評(píng)價(jià)方法是認(rèn)識(shí)腐蝕規(guī)律，開展防腐效果評(píng)價(jià)的重要手段。吉林油田采用室內(nèi)高溫高壓動(dòng)態(tài)模擬、全尺寸腐蝕模擬裝置中試試驗(yàn)、礦場(chǎng)井筒應(yīng)用試驗(yàn)等多種評(píng)價(jià)方法，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)溫度、壓力、時(shí)間等參數(shù)，形成了一體化腐蝕實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。

5.1.2 CO2腐蝕主控因素評(píng)價(jià)流程

根據(jù) CO2驅(qū)油過(guò)程的工藝環(huán)節(jié)，首先明確設(shè)備及管道中流體的物理化學(xué)形態(tài)，從注入水水質(zhì)、采出水水質(zhì)、注入 CO2氣組分、伴生氣組分、細(xì)菌構(gòu)成等方面入手，掌握生產(chǎn)過(guò)程中各類腐蝕因素的參數(shù)變化，然后對(duì)設(shè)備、管道、工具等生產(chǎn)設(shè)施取樣開展腐蝕分析評(píng)價(jià)，確定主控因素，再通過(guò)室內(nèi)腐蝕模擬與分析，驗(yàn)證腐蝕主控因素分析的準(zhǔn)確性，最后根據(jù)分析結(jié)果為藥劑類型、防護(hù)材料優(yōu)選及防腐對(duì)策制定提供依據(jù)。

5.2 CO2防腐技術(shù)對(duì)策

針對(duì)吉林油田 CO2驅(qū)水質(zhì)礦化度、CO2腐蝕、硫酸鹽還原菌等腐蝕主控因素的影響，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)踐，確立了“以 CO2防腐藥劑為主，關(guān)鍵部件采用高等級(jí)材質(zhì)為輔”的防腐技術(shù)路線[16]。其中井筒工程采用碳鋼加緩蝕劑，井口、封隔器、泵筒等核心設(shè)備與閥件采用不銹鋼，輸氣管道采用 Q345B無(wú)縫鋼管，地面管網(wǎng)主體采用不銹鋼材質(zhì)加緩蝕劑，部分采取非金屬材料。

吉林油田以注采系統(tǒng)溫度、壓力、CO2含量、含水率等指標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合注氣井、采油井、地面集輸系統(tǒng)存在的 CO2、水、細(xì)菌等主要腐蝕介質(zhì)與危害因素，研發(fā)形成了緩蝕、殺菌一體化配方體系，主要由咪唑啉衍生物、喹啉季銨鹽和十二烷基二甲基芐基氯化銨等組成，通過(guò)體系合成與復(fù)配，提高了綜合防腐性能，年腐蝕速率小于 0.076 mm[17-18]，殺菌率達(dá)到100%。配套安裝了自主設(shè)計(jì)的連續(xù)加藥裝置，實(shí)現(xiàn)了防腐藥劑的礦場(chǎng)有效加注，保證礦場(chǎng)防腐效果。

5.3 CO2腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)

為準(zhǔn)確掌握礦場(chǎng)腐蝕狀況或藥劑體系防護(hù)效果，需要開展腐蝕監(jiān)測(cè)跟蹤工作。吉林油田針對(duì) CO2驅(qū)的特點(diǎn)，自主研發(fā)形成了井口腐蝕監(jiān)測(cè)、采油井井下油桿掛片監(jiān)測(cè)、注采井油管掛環(huán)（油管內(nèi)、外）腐蝕監(jiān)測(cè)、產(chǎn)出流體殘余濃度檢測(cè)、管道和匯管超聲波測(cè)厚、注采井井下弱極化、電阻探針等監(jiān)測(cè)技術(shù)。目前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，年腐蝕速率均控制在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0.076 mm以下，保障了礦場(chǎng)安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

6 礦場(chǎng)實(shí)踐與應(yīng)用效果

吉林油田 CO2捕集驅(qū)油與埋存項(xiàng)目歷經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、試注試驗(yàn)、先導(dǎo)試驗(yàn)、擴(kuò)大試驗(yàn)和工業(yè)化應(yīng)用 5個(gè)階段，建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈、全流程CCUS-EOR（碳捕集、驅(qū)油和封存）示范項(xiàng)目，是目前全球正在運(yùn)行的21個(gè)大型CCUS（碳捕集、利用和封存）項(xiàng)目中唯一一個(gè)中國(guó)項(xiàng)目，也是亞洲最大的提高石油采收率項(xiàng)目[19]?，F(xiàn)已累計(jì)埋存 CO2250×104t，累計(jì)增油23×104t。

定型了吉林油田胺法捕集、氣相輸送、超臨界注入、產(chǎn)出伴生 CO2混合循環(huán)回注的全流程工藝技術(shù)與核心裝備。建成了日處理含 CO2天然氣 450×104m3的N-甲基二乙醇胺碳捕集裝置。建成了3種相態(tài)輸送管道121 km，建成兩座日注能力達(dá)1 200 t的液態(tài)CO2注氣站，建成中國(guó)首座日注能力達(dá)60×104m3的超臨界CO2注入站。建成中國(guó)首座 CO2循環(huán)注入站，日回注CO2能力達(dá) 20×104m3。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)攻關(guān)與探索，在大情字井油田陸續(xù)建成了黑59、黑79南、黑79北小井距、黑46及黑125共5類CCUS示范區(qū)，注氣井組88個(gè)，注氣井采用防腐技術(shù)后可有效使用 5～8年，年埋存能力 35×104t，年驅(qū)油能力10×104t，現(xiàn)已累計(jì)注入CO2223×104t，累計(jì)增油32×104t。2008年建成黑59 CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)，規(guī)模為6注25采，2014年10月停注，累注氣0.33倍烴類孔隙體積，高峰期日產(chǎn)油較水驅(qū)提高69%。2010年建成黑79南CO2驅(qū)擴(kuò)大試驗(yàn)區(qū)，規(guī)模為18注60采，2015年4月停注，累計(jì)注氣0.21倍烴類孔隙體積，高峰期日產(chǎn)油較水驅(qū)提高33%。2012年建成黑79北小井距全生命周期擴(kuò)大試驗(yàn)區(qū)[20]，同年7月開始注氣，注采井距、排距縮減至原來(lái)水驅(qū)時(shí)的一半，規(guī)模為10注27采，目前累注氣36.5×104t（折合1.13倍烴類孔隙體積），該試驗(yàn)區(qū)CO2累計(jì)注入量遠(yuǎn)超過(guò)美國(guó)大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水平（0.6～0.8倍烴類孔隙體積），是目前中國(guó)唯一實(shí)踐了初期到中后期全過(guò)程的開發(fā)試驗(yàn)項(xiàng)目，與水驅(qū)預(yù)測(cè)產(chǎn)量相比，日產(chǎn)油量提高約 5倍（見圖 1），其中核心評(píng)價(jià)區(qū)提高約 6倍，累計(jì)增油2.67×104t，階段提高采出程度24個(gè)百分點(diǎn)，預(yù)測(cè)提高采收率25個(gè)百分點(diǎn)以上。礦場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)CO2驅(qū)在大幅度提高原油采收率的同時(shí)，也可在驅(qū)油過(guò)程中有效埋存于油藏中，經(jīng)循環(huán)注入后實(shí)現(xiàn)CO2全部埋存。

圖1 黑79小井距試驗(yàn)區(qū)CO2驅(qū)開采曲線

7 結(jié)論

吉林油田已建成高效低耗的 CO2捕集驅(qū)油與埋存集成示范區(qū)，形成了全產(chǎn)業(yè)鏈配套技術(shù)系列，累計(jì)增油 32×104t，CO2埋存量達(dá) 250×104t。

針對(duì)不同濃度 CO2氣源和匯源位置，可以選擇不同的捕集和輸送方法組合，以最經(jīng)濟(jì)的方式達(dá)到試驗(yàn)階段、工業(yè)化應(yīng)用階段等不同應(yīng)用階段的目標(biāo)。氣相管道輸送更具效益和實(shí)際優(yōu)勢(shì)。

水氣交替、泡沫驅(qū)技術(shù)可有效提高 CO2驅(qū)氣體波及體積，有效提高采收率。氣密封管注氣工藝、高氣油比采油技術(shù)、氣液分輸技術(shù)可有效解決 CO2驅(qū)工業(yè)化生產(chǎn)中的泄漏安全風(fēng)險(xiǎn)、管線設(shè)備凍堵、采油井氣影響嚴(yán)重、集輸系統(tǒng)不適等實(shí)際難題。

油井產(chǎn)出含CO2伴生氣與純CO2混合回注是當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)有效的含 CO2伴生氣回注技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn) CO2“零排放”和碳減排目的。

CO2捕集驅(qū)油與埋存工程實(shí)踐證實(shí)了 CO2驅(qū)油和埋存可以有效結(jié)合，是提高油田采收率的利器，具有碳減排社會(huì)效益與驅(qū)油經(jīng)濟(jì)效益“兼得”的優(yōu)勢(shì)。油田注CO2技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)可行、工業(yè)化應(yīng)用可推廣可復(fù)制。