中科院黑科技：二氧化碳变为宝 驱动石油产出来（硬核科技背后的创新故事）

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二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术，是指把工业生产等过程中排放的二氧化碳捕集提纯，继而投入新的生产过程进行再利用和封存。2022年，我国首个百万吨级CCUS项目中国石化“齐鲁石化—胜利油田百万吨级CCUS项目”正式注气运行，每年约减排二氧化碳100万吨，相当于每年植树近900万棵，有力推动了能源绿色低碳转型。

导致全球变暖的二氧化碳，不仅能注入地下封存、实现减排，还能成为增产石油的“香饽饽”？
在山东淄博齐鲁石化第二化肥厂，矗立着两个巨型储罐。经过处理的液体二氧化碳从罐中出发，搭乘专属“地铁”——我国最长的二氧化碳输送管道，一路向北输送109公里后，抵达“终点站”胜利油田正理庄油田生产区，被注入地下油藏封存的同时，驱动更多石油产出来。

这是中国石化胜利油田和齐鲁石化联手打造的国内首个百万吨级二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)示范工程。“把工业生产等过程中排放的二氧化碳捕集提纯，继而投入新的生产过程进行再利用和封存，正是CCUS技术的原理。”胜利油田CCUS油藏开发研究高级专家张传宝说。
据测算，项目预计15年可增油300万吨，每年约减排二氧化碳100万吨，相当于每年植树近900万棵，有力推动了能源绿色低碳转型。

打开技术“大门”——
“磨刀石”里采石油
不止一次，张传宝恨不得钻到3000米深的地下油层中一探究竟，“到底怎么把油从‘磨刀石’里挤出来？”
 

“地下的石油并非像河流一样自由流动，有些低渗透油藏储存在地下几千米深的岩石缝隙中，开采难度大。唤醒这块‘沉睡’的地下宝藏，对我国能源安全具有重要意义。”几十年来，张传宝一直在试图“啃下”油田开发的一块“硬骨头”——低渗透油藏。
要想把石油采出，往往要靠水来驱动，可低渗透油藏的储层岩石像磨刀石一样致密、坚硬。一些情形下，水注不进去，油采不出来。
水注不进去，无孔不入的气行不行？科研工作者盯上了二氧化碳。“超临界二氧化碳有独特的性能，密度像液态，黏度像气体，分子结构小、黏度小，更容易进入低渗岩石的孔隙中。如果能让它与原油混相为一种液体，增加原油流动性，就能让原本躲藏在孔隙中的原油‘现身’，提高原油产量。”张传宝说。

当时，国内CCUS技术尚属科研“无人区”。1996年开始，科研工作者花了3年时间，自行设计物理模拟装置，通过一次次物理评价和试验，找到了影响二氧化碳与原油混相的三大因素——压力、温度、原油物性，为后期理论研究奠定了基础。
理论证明了二氧化碳驱油行之有效，但实践起来并不顺利。2008年，油田科研工作者在胜利油田高89—1区块进行试验。“在地下，油藏压力达到一定值，二氧化碳处于超临界状态，有较大溶解能力，原油溶入二氧化碳，混相为一种液体。可实际操作时，压力达不到合适值，导致气和油‘各行其道’、难以互溶。”张传宝说。

到底多大压力，才能让原油和二氧化碳在地下互溶？2013年，油田科研工作者移师胜利油田樊142区块，开展了长达1800多天的试验，压力值从17兆帕一点点往上提……终于，当压力值升到40兆帕时，石油从井口喷薄而出。

破解混相压力值这个关键难题后，二氧化碳与孔隙中的原油成功互溶，原油充分流动起来，区块内石油产量大大提升。由此，“二氧化碳高压混相驱”技术形成，并取得矿场应用突破，成功打开了CCUS技术“大门”。

打通应用堵点——
实现二氧化碳全密闭高效注入
试验数据显示，二氧化碳驱油效率比常规水驱高40%，可提高石油采收率7至20个百分点。但从先导试验走向规模化应用，并不容易。
“到底怎么把二氧化碳安全高效注入地下？”在胜利油田CCUS项目部建设保障部高级主管赵铁军看来，这是阻碍应用的难点。在原有的注入模式下，随着压力和温度的变化，液化的二氧化碳中有20%—30%会变成气态，悄悄“溜走”，降低了封存效率。
能否研发一套设备，避免二氧化碳“溜走”？翻文献、询专家、蹲现场……赵铁军与团队反复修改设计方案，一次次建模、桌演、优化，攻克二氧化碳全密闭高效注入技术难关。

在正理庄油田生产区，有一台具有完全自主知识产权的模块化、自动化、标准化二氧化碳全密闭高效注入装置，装置旁布设着几条白色管路，上面标记着“回流”“压力”等。

“通过增设回流遇冷管路和高压气液分离装置，让‘溜走’的二氧化碳进入装置，液化后可再次注入，实现了二氧化碳全密闭高效注入。”胜利油田CCUS项目部经理于法珍介绍。

二氧化碳实现高效注入，除了密闭，计量也是关键，向井下注二氧化碳时，得精准把控注入量。2018年，赵铁军曾到多个油田调研，发现CCUS技术推广应用时，质量计量技术迟迟难以突破，若是从国外购置高压精确流量计，支出不菲。
怎么给二氧化碳注入装备安上“眼睛”？有一天，赵铁军给侄子辅导物理作业，正好讲到了质量与密度的计算方法。“能不能用密度和体积换算，得出二氧化碳的质量？”赵铁军灵光一现。

半年时间里，赵铁军与团队现场测取了上万组数据，采集不同压力下的二氧化碳密度，创新制作出最高压力为40兆帕的密度图版，再将二氧化碳集成到体积流量计中，从而精确计算出二氧化碳的质量。

规模化应用中，难题被一道道攻克：针对不同的气窜通道，研发形成相应的封堵技术；实施采出气液全程密闭集输与处理工艺，将采出液中的二氧化碳回收，进行二次驱油与封存……封存率一次能到60%—70%，通过多次捕集、再注入，地下油藏就能成为完全封存二氧化碳的“保险箱”。
这些丰富的工程实践经验，为CCUS项目建设提供技术标准。2022年，中国石化“齐鲁石化—胜利油田百万吨级CCUS项目”正式注气运行，标志着我国CCUS产业开始进入技术示范中后段——成熟的商业化运营。

补强产业链条——
建二氧化碳专属“地铁”
“工程覆盖低渗透油藏储量2500多万吨，按照计划，未来15年要向油田注入二氧化碳1000万吨。”胜利油田机械设备高级专家丛岩说。
上千万吨的二氧化碳从哪来？“在齐鲁石化第二化肥厂，煤气化装置排放的二氧化碳尾气属于优质的二氧化碳资源，性能稳定，纯度高达90%。”丛岩介绍，齐鲁石化通过液化提纯技术，回收煤气化装置尾气中的二氧化碳，更加节能。

接着，二氧化碳要经历“长途跋涉”，输送至百公里外的正理庄油田生产区。怎样确保远距离运输全程安全高效？
“起初用罐车，不环保，效率也低。”丛岩说，于是，他们想到为二氧化碳建一条专属“地铁”——二氧化碳运输管道。
“理论上讲，要实现二氧化碳在管道内液态输送有两种方式，一种是常压低温液化，但容易带来土壤冻胀、环境损害等问题；另一种常温高压液化，前提是要确保管道内压力始终高于液化压力，这就需要一台增压设备。”丛岩说，在此前，成熟的二氧化碳增压装置技术一直是短板，装置主要依赖进口。

在齐鲁石化第二化肥厂厂区，距离储罐不远的输送管道首站，一台正在运转的大排量增压泵轰轰作响。“这是具有自主知识产权的国内首台二氧化碳增压泵。”丛岩介绍，“增压泵设计压力高达12兆帕，相当于指甲盖大小的面积承受了120公斤的重量，确保了二氧化碳在长距离的管道内始终保持常温液化状态。”

2023年7月11日，我国首条百万吨、百公里高压常温密相二氧化碳输送管道正式投运，管道全长109千米，设计最大输量可达170万吨/年，标志着我国首次实现二氧化碳长距离密相管输，对推动我国CCUS全产业链规模化发展具有重要意义。“这条专属‘地铁’每年可减少4万辆罐车行驶损耗，节省车用天然气约200万立方米。”丛岩介绍。

今年6月，正理庄油田生产区已累计注入二氧化碳90万吨，有21口油井实现自喷，日产原油从220吨提升至415吨。
耳畔是轰鸣的机器声，眼前是一座座矗立的钻塔。“一头连着绿色低碳，一头连着能源安全，CCUS技术大有可为。”正理庄采油管理区党支部书记焦俊杰说。

本期统筹：郭 玥
版式设计：汪哲平
《 人民日报 》