火驱稠油开发对油田“双碳”目标实现的影响及分析.pdf

第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/行业论坛火驱稠油开发对油田“双碳”目标实现的影响及分析*张继周1，2郑强3亓树成1，2东方1，2彭小强1，2左鹏1，2李凌铎41新疆砾岩油藏实验室2中国石油新疆油田分公司实验检测研究院3中国石油新疆油田分公司重油开发公司4中国石油天然气销售广东公司摘要：稠油热采是油田生产过程中碳排放的主要来源，也是影响实现“双碳”目标的重要环节。针对火驱生产开发现状，通过将火驱烟道气理论计算与实际生产相结合，研究了不同稠油开发方式对碳排放量的影响，分析结果表明：在三种不同稠油开发方式中，同一空气消耗量下，火驱产生的 CO2的排放量最大，燃气锅炉产生的 CO2的排放量最小；根据实际生产状况，在同一原油产量下，火驱产生的 CO2的排放量最小。依靠火驱烟道气回注地面配套工艺能显著降低碳排放量，有效提高稠油采收率。持续研究完善火驱烟道气回注工艺，有利于火驱开发方式的推广运用，为油田开发向绿色低碳转型提供理论参考。关键词：火驱；稠油开发；碳排放；节能减排Influence and Analysis of Fire Flooding Heavy Oil Development on the Realization of“Dual Carbon”Goal in Oilfields*ZHANG Jizhou1，2，ZHENG Qiang3，QI Shucheng1，2，DONG Fang1，2，PENG Xiaoqiang1，2，ZUO Peng1，2，LI Lingduo41Xinjiang Laboratory of Petroleum Reserve in Conglomerate2Experimental Detection Research Institute of Xinjiang Oilfield Branch，CNPC3Heavy Oil Development Company of Xinjiang Oilfield Branch，CNPC4Guangdong Branch of Natural Gas Sales Company，CNPCAbstract：Thermal recovery of heavy oil is the main source of carbon emission in oilfield production，and it is also an important link to achieve the goal of dual carbon.Based on the current situation of fireflooding production and development，the impact of different heavy oil development methods on car-bon emission is studied by combining theoretical calculation of fire flooding flue gas with actual produc-tion.The analysis results show that among the three different heavy oil development methods，underthe same air consumption，the CO2emissions generated by fire flooding are the highest，while theCO2emissions generated by gas boilers are the lowest.According to the actual production situation，atthe same crude oil production rate，the CO2emissions generated by fire flooding are the smallest.Rely-ing on the supporting technology of fire flooding flue gas reinjection can significantly reduce carbonemissions，and effectively improve heavy oil recovery rate.Continuous research and improvement ofthe fire flooding flue gas reinjection process is conducive to the promotion and application of the fireflooding development mode，and provides theoretical reference for the transformation of oilfield devel-opment to green and low-carbon.Keywords：fire flooding；heavy oil development；carbon emission；energy conservation and emissionreduction2020年 9月，中国明确提出实现“双碳”的时间图，即 2030 年前碳排放达峰，并且在 2060 年前实现碳中和的目标1。“双碳”即碳达峰、碳中和2。中国石油天然气集团有限公司作为能源生产DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.04.001*基金论文：中国石油勘探与生产分公司项目“新疆红山嘴油田红浅 1井区火驱工业化试验”（2022ZS1103）。1行业论坛张继周等：火驱稠油开发对油田“双碳”目标实现的影响及分析*油气田地面工程 https:/和耗能大户，对碳排放问题十分重视，确定了具体实现碳达峰、碳中和的时间表，为油气产业低碳转型指明了努力方向3-5。截至 2020 年底，新疆稠油累积探明含油面积344.22 km2，地 质 储 量 5.87 108t，年 产 稠 油 约400104t。目前，在国内外油田稠油开发过程中主要采用稠油冷采和稠油热采两种开发方式。稠油冷采是指在不依靠锅炉产生的高温高压热介质加热油层原油的条件下，利用一定油层处理技术、井筒降黏技术和举升技术对稠油油藏进行开发的方法6-7。稠油冷采又可以分为出砂冷采和不出砂（化学驱、聚合物驱等）冷采技术。稠油冷采技术因具有低碳环保、风险小、成本低等优点在委内瑞拉和加拿大油田开发中普遍应用。但在国内多年稠油开发实践中证明，该技术存在采收率较低、周期长及后期处理工艺繁琐等问题，严重限制了其推广。稠油热采分为蒸汽吞吐、蒸汽驱及火烧油层技术，是一种使用较为成熟、周期短、见效快的热采技术。蒸汽热采是油田稠油开发的最主要方式，新疆油田超稠油、稠油区块均采用 SAGD、蒸汽驱、蒸汽吞吐三种开发方式8，蒸汽锅炉的普遍应用不仅导致油田高耗能，更加剧了环境污染和温室气体排放，严重影响了新疆油田“双碳”目标的实现。随着国内油田的深入开发，热利用效率低、高能耗污染、高成本等弊端的显现，限制着蒸汽热采技术的进一步运用，因此如何高效、绿色开发稠油油藏是国内油田生产过程中面临的主要任务。火驱又称为火烧油层或层内燃烧法9-10，由一口或多口注入井向油层注入空气，通过原油自燃或人工点火，使地层部分原油就地燃烧并释放出大量的热和气体，从而将未燃烧的原油加热，驱替至生产井，最终达到开采稠油的目的。2009 年新疆油田在 A01井区开辟了火驱先导试验区，经过十年的技术攻关，已形成火驱配套技术和生产管理体系，2018 年底已进入工业化试验实施阶段。试验区含油面积 11.5 km2，动用储量 1520104t，线性交错井网开发，注气井约 70 口，采油井约 900 口。截至 2021 年 4 月，工 业 化 试 验 区 累 积 注 空 气15 310.0105m3以上，累积注蒸汽 90.7106t 以上，累积产液 125.5106t 以上，累积产油 18.4106t以上，平均含水率 84.5%。试验生产过程中分析发现，在空气压缩机组的持续通风条件下，地层油藏燃烧带发生完全/不完全燃烧现象，在此过程中产生了大量的由氮气、二氧化碳、一氧化碳等多种气体混合形成的烟道气，由生产井组中不断排出，并且随着 A01井区火驱工业化的不断推进，火驱烟道气日产出量将日趋增加。在前期工艺中，A01井区火驱烟道气经过简单气液分离后，气相经68 m 高放散管直接向大气排放，增加了碳排放量，并且造成资源浪费11。因此，计算分析火驱生产过程中的产出气量，并深入研究如何在有效回注利用烟道气提高原油采收率的同时，最大限度减少环境污染，对实现“双碳”目标及火驱工业化的推广都具有重要的现实意义。近年来，针对蒸汽锅炉烟道气辅助蒸汽驱油的技术研究已较为成熟，已在胜利、辽河和克拉玛依等油田规模运用，但是在火驱烟道气回注地层辅助稠油开发方面的报道较少。因此，本文针对新疆油田采用不同燃料产生的碳排放量进行计算对比，深入分析了火驱对油田节能减排的影响，为新疆油田最终实现“双碳”目标提供理论支撑。1碳排放量理论计算1.1温室气体排放的计算依据 IPCC 国家温室气体清单指南 所规定的方法，以固定源产生的各个温室气体（GHG）排放用相应排放因子乘以燃料消耗量来进行计算。“燃料消耗量”通过能源用途统计资料进行估算，以兆焦耳度量。燃料消耗数据的质量或容积单位，必须首先转换成这些燃料的能源含量。固 定 源 燃 烧 产 生 的 温 室 气 体 排 放 使 用 以 下公式：PGHG，HG=QfAGHG，HG（1）式中：PGHG，HG为固定源燃料燃烧的排放量，kg；Qf为燃料的燃料量，TJ；AGHG，HG为排放因子。AGHG，HG是按燃料类型给出的 GHG 缺省排放因子。对于 CO2，其包含碳氧化因子，假设为 1。表 1燃烧净发热值(NCVS)Tab.1 Net calorific value of combustion（NCVS）燃料类型原油沥青质矿物燃料无烟煤其他煤油汽油/柴油天然气净发热值/(TJGg-1)42.327.526.743.843.048.0下限40.127.521.642.441.446.5上限44.828.332.245.243.350.4表 1 为 2006 年 IPCC 国 家 温 室 气 体 清 单 指南 所列缺省净发热值（NCVS）和 95%置信度的置信区间 1的下限和上限。2第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/行业论坛1.2稠油燃烧热计算燃烧热是反应热的一种12-13，U0c系指下述理想燃烧反应的热效应:CaHbOeSdNe()1+a+d+b4-c2O2()g=aCO2()g+b2H2O()1 dSO2()g+e2N2()g（2）式中：a为 C 原子数；b为 H 原子数；c为 O 原子数；d为 S 原子数；e为 N 原子数；g为物质存在状 态（气 态）。反 应 物 和 产 物 均 为 298.15 K（25）时的热力学标准态。依据物质组成与燃烧热之和的经验方程14：-U0c=34.73()C%+116.96()H%+15.05()S%-19.27()N+O%（3）依据上述公式计算新疆油田不同区块稠油燃烧热值（表 2）。表 2新疆油田不同区块稠油的燃烧热值Tab.2 Calorific value of combustion of heavy oil indifferent blocks of Xinjiang Oilfield样品新疆 FC区块稠油新疆 ZY区块稠油新疆 HQ区块稠油元素分析结果C/%86.3785.6286.89H/%12.1412.2512.32S/%0.300.300.28N+O/%1.191.810.51燃烧热()U0c/(TJGg-1)实测值43.530.0444.290.0644.420.06计算值44.0143.9644.54以下燃烧计算过程中的稠油采用新疆 HQ 区块稠油，燃煤采用表 3中原煤发热量。1.3燃烧过程中的空气需求量和产出物结合元素分析和质量守恒定律，1 吨燃料在标准状态下燃烧空气的需求量和燃烧产出物的组成理论计算见表 4。在 25，1.01105Pa 时气体摩尔体积约为24.5 L/mol。无烟煤主要元素含量为 C：96.14%，H：2.71%。由表 4可以看出，1吨燃料在标准状态下燃烧所产生的烟气比：无烟煤稠油甲烷。2火驱物理模拟实验2.1注入空气与产出烟气情况为了研究火驱稠油在燃烧过程中所需空气与产出烟气的实际情况，采用一维火驱模拟装置对风城油区及九 6 油区的稠油进行燃烧试验，结果见图 1和图 2。图 1风城稠油一维火驱实验入口、出口空气流量Fig.1Inlet and outlet air flow rate of Fengcheng heavyoil 1D fire flooding experiment表 3燃烧的缺省 CO2排放因子Tab.3 Default CO2emission factors for combustion燃料类型原油沥青质矿物燃料煤油无烟煤油页岩和焦油沙天然气缺省碳含量/(kgGJ-1)20.021.019.526.829.115.3缺省氧化碳因子111111有效 CO2排放因子缺省值73 30077 00071 50098 300107 00056 10095%置信度的置信区间下限71 10069 30069 70094 60090 20054 300上限75 50085 40074 400101 000125 00058 300表 4燃料燃烧空气需求和产出烟气组成表Tab.4 Air requirements and composition of output flue gas for fuel combustion燃料稠油甲烷无烟煤C体积分数/%86.417596.14气体需求体积/m3空气11 90014 58310 137O22 498.93 062.52 129产出气体各组分体积/m3CO21 7641 5311 963N29 40111 5218 008SO21.91-0.98H2O1 4753 062.5332合计产干气体积/m311 16713 0529 971烟气与空气的比值0.9380.8950.9843行业论坛张继周等：火驱稠油开发对油田“双碳”目标实现的影响及分析*油气田地面工程 https:/图 2九 6区原油一维火驱实验入口、出口空气流量Fig.2 Inlet and outlet air flow rate of Nine-6 Districtcrude oil 1D fire flooding experiment由图 1 和图 2 可见，经软件加和计算新疆油田两个区块稠油在高温燃烧阶段的累计气量，得到的烟气与空气比值分别为 0.915、0.913，与表 4 中的烟气与空气的比值理论计算数据基本吻合，说明通过燃料燃烧理论计算值较能客观反映出燃料燃烧的实际状况。2.2CO2排放量的不同计算方法对比为了进一步研究新疆油田不同稠油热采方式CO2的排放情况，对火驱、燃煤及燃气锅炉等开发方式的不同燃料消耗和产出物进行理论和实际 CO2排放量计算。在 25 时，1个大气压时气体摩尔体积约为 24.5 L/mol；设定注空气量为 1104m3，结合公式（1）计算燃料消耗和 CO2的排放量，结果见表 5、表 6。由表 5、6 可以看出，通过理论燃料消耗量和现场实测产物计算 CO2的排放量一致，即在理想状态下，同一注空气量下火驱产生的 CO2的排放量最大，燃气锅炉产生的 CO2的排放量最小；而在实际稠油开发中，由于不同开发方式的规模、采收率差异明显，仅仅计算同一燃料消耗量下的 CO2排放不能正确反映技术差异，需要进一步根据实际单位原油产量来计算不同开发技术的 CO2排放量。表 6由现场产出物计算实际 CO2排放量Tab.6 Calculation of actual CO2emissions from field products热采方式火驱燃煤锅炉燃气锅炉产出烟气量/m39 3849 8368 950CO2实测平均体积分数/%1310.149.37CO2排放量/kg2 1911 7911 5062.3火驱与其他稠油热采方式 CO2排放量的对比目前，新疆油田稠油热采开发方式主要为注蒸汽吞吐（驱）、SAGD、火驱等。注蒸汽开发所用锅炉的燃料主要分为燃气和燃煤，燃煤锅炉效率约在70%85%之间，燃气锅炉效率约在 90%左右。依据实际原油生产数据、空气消耗量和表 5计算所得的燃料消耗量，可以得到单位原油产量对应的 CO2排放量，如表 7所示。由表 7可见，在三种不同稠油开发方式中，实际单位原油产量所产生的 CO2的排放量：火驱SAGD蒸汽吞吐，即火驱产生的实际单位原油产量 CO2的排放量最小。3火驱烟道气回注工艺实例A01井区火驱工业化方案投入生产后，预计最高 日 产 气 量 达 210104m3，累 积 产 气 量 可 达132108m3。如果充分将火驱烟道气进行油藏回注，一方面可最大限度减少环境污染，显著降低碳排放量；另一方面可充分利用烟道气中富含的CO2、CO、N2等多种气体与油藏中的原油相互作用，达到提高采收率的目的。由表 8 可见，A01 井区火驱烟道气主要成份为N2和 CO2，其中 N2体积分数在 78.0%85.0%之间，CO2体积分数在 15.0%18.0%之间，CO、O2及 H2等体积分数较小。国内外研究发现，烟道气可以用于提高采收率，其效果介于二氧化碳驱与氮气驱之表 5由燃料消耗量计算理论 CO2排放量Tab.5 Calculation of theoretical CO2emissions from fuel consumption热采方式火驱燃煤锅炉燃气锅炉燃料空气消耗/(m3t-1)11 90010 13714 583CO2排放因子73 30098 30056 100燃料消耗质量/t0.840.990.69燃料消耗热量/TJ0.0370.0210.03CO2排放量/kg2 7442 0741 847表 7不同开发方式单位原油产量 CO2排放量的计算Tab.7 Calculation of CO2emissions per unit of crude oil production under different development methods热采方式火驱SAGD蒸汽吞吐燃料地层原油原煤天然气热值/(MJkg-1)44.5426.748锅炉效率/%89.792.0蒸汽与燃料的比值9.818.0油汽比0.1720.105单位产量燃料消耗比0.1650.5940.528单位产量 CO2排放量/(kgt-1)429.01 248.61 421.04第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/行业论坛间15-18。通过向油藏注入烟道气，依靠恢复地层压力、原油膨胀（CO2混相）和 CO2溶解，达到提高采收率的目的。而 N2压缩系数大，其良好的膨胀性有利于恢复压力、少量的 CO2溶于重油可使黏度急剧下降。表 8A01井区火驱烟道气成份分析Tab.8 Gas composition analysis of fire floodingflue gas in A01 Well Area体积分数/%井区H213aH0112H5241H4157H8970CO216.816.115.616.217.0CO0.300.761.380.760.31N280.580.681.480.781.6CH40.711.260.771.010.45O20.320.290.260.420.15H21.691.030.620.960.45目前，新疆油田在 A01井区进行烟道气回注重力驱油试点，日处理火驱烟道气 10104m3，年注气量 36.5106m3，具体地面配套工艺见图 3。由图 3可见，火驱烟道气原油混合流体由生产井集输管线输送至 2#转油站干法脱硫装置中进行初步脱硫、除湿，经除杂装置袪除杂质，处理后烟道气再经分子筛进一步过滤后，由空气压缩机加压注入油藏，从而实现烟道气回注。配套工艺主要包括：杂质祛除装置 1 座、增压压缩机进口分离器1 座、增压压缩机橇 1 座、注入压缩机进口分离器1 座、注入压缩机橇 1 座、简易移动配气橇 10 台、分子筛橇 1 座、仪表风 1 套、注入压缩机至注汽干线约 200 m。2022 年 7 月 A01 井区开始实施烟道气回注，区块液量由 60.6 t 上涨至 184.2 t，油量由12.1 t上涨至 14.9 t，注气阶段累产油 1 800 t。地层压力由注气前 22.963 MPa上升涨至 23.179 MPa。因此，火驱烟道气回注不但能显著降低碳排放量，而且能够有效提高油田原油采收率。另外，为了更安全高效提高火驱烟道气回注的效率，新疆油田公司针对 H2S和除湿除杂质等处理工艺做了进一步优化设计，以解决现场设备腐蚀、管线堵塞等问题，最终实现节能减排、绿色安全的目的。4结论及展望综合分析表明：在三种不同稠油开发方式中，同一空气消耗量下火驱产生的 CO2的排放量最大，燃气锅炉产生的 CO2的排放量最小；根据实际生产状况，在同一原油产量下，火驱产生的 CO2的排放量最小。新疆油田在 A01井区建立的火驱烟道气回注地面配套工艺，能显著降低碳排放量，而且能够有效提高油田稠油采收率。持续探索研究火驱烟道气回注技术，实现碳封存、碳捕集及碳利用是新疆油田实现“双碳”目标的重要举措之一，更利于火驱开发方式的推广。同时在“双碳”战略的背景下，为油田企业如何应对能源绿色低碳转型提供了理论参考。参考文献1 胡鞍钢中国实现 2030 年前碳达峰目标及主要途径J北京工业大学学报（社会科学版），2021，21（3）：1-15HU AngangChinas goal of achieving carbon peak by 2030and its main approachesJJournal of Beijing University ofTechnology（SocialSciencesEdition），2021，21（3）：1-152 邹才能，何东博，贾成业，等世界能源转型内涵、路径及其对碳中和的意义J石油学报，2021，42（2）：233-247ZOU Caineng，HE Dongbo，JIA Chengye，et alConnota-tion and pathway of world energy transition and its signifi-cance for carbon neutralJActa Petrolei Sinica，2021，42（2）：233-2473 梁桂海，雷钧，王海军，等长庆油田温室气体排放数据核算实践与应用J石油工业技术监督，2017，33（8）：34-36图 3火驱烟道气回注地面配套工艺Fig.3 Fire flooding flue gas reinjection ground supporting process5行业论坛张继周等：火驱稠油开发对油田“双碳”目标实现的影响及分析*油气田地面工程 https:/LIANG Guihai，LEI Jun，WANG Haijun，et alPracticeof Changqing Oilfield in caculation of greenhouse gas emis-sion dataJ Technology Supervision Petroleum Industry，2017，33（8）：34-364 匡立春，于建宁，张福东，等加快科技创新推进中国石油新能源业务高质量发展J石油科技论坛，2020，39（3）：1-8KUANG Lichun，YU Jianning，ZHANG Fudong，et alAccelerate technological innovation to promote high-qualitydevelopment of CNPCs new energy businessJ PetroleumScience and Technology Forum，2020，39（3）：1-85 邹才能，潘松圻，马锋碳中和目标下世界能源转型与中国能源人新使命J北京石油管理干部学院学报，2022，29（3）：22-32ZOU Caineng，PAN Songqi，MA Feng The world energytransition and the new mission of Chinese energy peopleJJournal of Beijing Petroleum Managers Training Institute，2022，29（3）：22-326 袁栋我国稠油开发的技术现状及发展趋势探析J中国石油和化工标准与质量，2021，41（11）：162-163YUAN Dong Analysis of the technical status and develop-ment trend of heavy oil development in ChinaJChina Pe-troleum and Chemical Standard and Quality，2021，41（11）：162-1637 段 强 国 稠 油 冷 采 技 术 现 状 及 展 望 J 石 化 技 术，2018，25（4）：265DUAN Qiangguo Current status and prospect of cold pro-duction technology of heavy oilJ Petrochemical IndustryTechnology，2018，25（4）：2658 杨爽稠油热采伴生气脱硫脱碳回收工艺研究及应用J石油工程建设，2023，49（1）：38-43YANG ShuangStudy and application of desulfurization anddecarbonization recycling process for associated gas in ther-mal recovery of heavy oilJ Petroleum Engineering Con-struction，2023，49（1）：38-439 白玉火驱效果主控因素分析及调控对策研究D西安：西安石油大学，2020BAI YuAnalysis of the main control factors of in-situ com-bustion effect and study on the control countermeasuresDXian：Xian Shiyou University，202010 孙梓齐，赵仁保，石兰香，等原油黏度对火驱开采效果的影响实验J大庆石油地质与开发，2023，42（6）：159-166SUN Ziqi，ZHAO Renbao，SHI Lanxiang，et alExperi-ment on effect of oil viscosity on production effect of in-situcombustionJ Petroleum Geology Oilfield Developmentin Daqing，2023，42（6）：159-16611 杨沛鑫火驱烟道气回注地层埋存与提高采收率研究D青岛：中国石油大学（华东），2020YANG PeixinResearch on burial and EOR of flue gas re-injection formation in in-situ combustion driveJQingd-ao：China University of 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