页岩气藏与无水压裂介质CO2源汇匹配研究
摘 要：我国是世界上最大的CO2排放国，CO2的大量排放致使面临巨大的环境压力。利用CO2开采页岩气，不仅可以减少我国的CO2排放量，还可实现CO2的资源化利用。为研究我国CO2排放源与页岩气藏的分布与现状，通过查阅年鉴和文献，计算了火电、钢铁和水泥等行业的CO2排放量以及在全国的分布，并对比页岩气藏的分布，简析了两者的地域分布匹配情况。分析结果显示：页岩气藏分布周围火电行业CO2排放量占全国火电行业总排放量的70%，钢铁行业CO2排放量占全国钢铁行业总排放量的75%，水泥行业CO2排放量占全国水泥行业总排放量的65%以上。在页岩气藏分布地区CO2排放源分布比较集中，保证了无水压裂介质CO2来源。我国页岩气藏与工业CO2排放源的分布地域匹配良好，采用CO2作为压裂介质开采页岩气具有良好的发展前景。
关键词：页岩气；无水压裂技术；CO2；排放；CO2资源化利用
0 引 言
页岩气作为一种清洁、高效的化石能源现已成为全球油气勘探开发的热点。全球页岩气可开采资源量约为207×1012 m3[1]，主要分布在北美、中东、欧洲、中国、拉美等地。我国页岩气资源非常丰富，根据2012年国土资源部公布的数据显示，我国页岩气资源储量超过134.42×1012 m3(不含青藏区)，可开采储量达25.08×1012 m3。页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集[2]。页岩气的主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外，不同地域和类型的页岩气还含有部分H2S、CO2、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。页岩气藏的储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，通常孔隙率小于10%，渗透率数量级为(10-8～10-4)mD，开发过程中需要进行储层的压裂和改造才能实现工业开发[3-4]。目前页岩气的增产技术主要是水平井技术和压裂增产技术，压裂技术主要有清水压裂、多级压裂、重复压裂、同步压裂技术和水力喷射分段压裂，其中水力压裂技术是目前开发页岩气最主要的增产技术[5]。
美国经验表明每口页岩气井需耗费1×104～1.5×104 m3水才能使页岩断裂，开发页岩气需要消耗大量的水，可能威胁到当地和区域的水资源可持续利用[6]。同时，压裂液中的化学物质如灭菌剂、表面活性剂、缓蚀剂等也可能会泄漏到地下水层中造成地下水的污染[7]。而我国页岩气勘探有利区基本上处于或邻近水资源缺乏、环境脆弱的地区，很难具备水力压裂技术所需要的水资源条件[8]。因此，无水压裂技术越来越受到关注，尤其超临界CO2压裂技术被认为未来规模化开发页岩气最具潜力的压裂技术[9]。
1 超临界CO2压裂技术
超临界CO2压裂技术是指以超临界CO2流体作为压裂液的压裂增产工艺。该工艺技术无水的使用。CO2流体具有独特的物理化学性质，其密度与液体相近，黏度与气体接近，扩散系数大，具有良好的流动性和传递性能[10]。相对水力压裂技术，超临界CO2压裂技术具有明显优势，超临界CO2压裂技术与水力压裂技术比较见表1。
表1 超临界CO2压裂技术与水力压裂技术比较
Table 1 Comparlson of supercritical CO2 fracturing and hydraulic fracturing technology
由表1可以看出，在技术要求、环境影响及经济成本等方面，超临界CO2压裂技术都比常规水力压裂技术具有明显优势。在提高页岩气采收率的同时完成CO2的地质封存，从而减少CO2排放，对实现CO2资源化利用具有重要意义。
2 我国页岩气分布情况
我国的页岩气资源非常丰富，分布较为广泛。按照地质单元、地层层系、沉积环境、埋深、地表环境和省份等因素将全国页岩气分布区划分为5个有利优选区，分别为上扬子及滇黔桂区、华北及东北区、中下扬子及东南区、西北区和青藏区[19]。各优选区页岩气资源情况如图1所示。其中上扬子及滇黔桂区包括的地区主要是四川盆地及云南、贵州等地区；华北及东北区主要包括的地区是松辽盆地、渤海湾盆地及鄂尔多斯盆地；中下扬子及东南区主要包括的地区是湖南、湖北、江西、安徽等地；西北区主要包括的地区是准葛尔盆地、吐哈盆地、塔里木盆地和柴达木盆地等。
图1 各优选区页岩气资源量
Fig.1 The shale gas resource in each region
世界资源协会(WRI)在最新报告中称，中国拥有全球最大规模的可开采页岩气储量，但61%都位于高度干旱和面临水资源压力的地区，水资源的缺乏可能会限制中国页岩气的发展[20]。无水压裂技术的成功应用为我国页岩气开发提供了新的思路，具有良好的发展前景。
3 我国CO2来源及分布情况
近年来，随着我国经济的快速增长，对能源的需求也日益增加，温室气体的排放量位居世界前列。目前，我国已成为第二大能源消耗国和进口国以及最大的CO2排放国，2013年全国CO2排放量总量达100×108 t[21]。化石燃料燃烧是CO2排放的主要来源，排放量占全部CO2排放量的90%左右[22]。而作为化石能源消耗重要行业，火电、钢铁、水泥等行业是主要的工业CO2排放源[23]。目前对于大量分散型的CO2排放源难于实现碳捕集，仅在火电厂、钢铁厂、水泥厂等CO2的集中排放源进行碳捕集。所以本文主要以工业CO2排放源为对象，依据年鉴统计数据分析我国的火电、钢铁、水泥等行业CO2的排放情况及地域分布情况。
3.1 火电行业CO2排放源分布
电力行业是CO2排放大户，以火力发电为主的发电行业和其他能源转换行业占总排放量的40%以上[24]。2011年全国总发电量为47 306亿kWh，其中火力发电量为39 003亿kWh，占到总发电量的82.45%，火电机组CO2总排放量达27.35×108 t[25]。因此火力发电是电力企业CO2主要排放源。根据2014年10月10日国家发改委公布的《2011年和2012年中国区域电网平均CO2排放因子》及《中国电力年鉴2013》统计数据，计算2012年中国各地区火电企业的碳排放量，其计算结果见表2、图2。
表2 全国不同地区火电厂、钢铁厂和水泥厂的CO2排放情况
Table 2 CO2 emissions from coal-fired power plants，iron and steel industries and cement plants of each district in China
续 表
图2 2012年全国各地区火电企业CO2排放量
Fig.2 CO2 emissions from coal-fire power plants of each district in 2012
由表2可以看出，2012年火电企业CO2排放量排在全国前十位的省区分别为山东、江苏、内蒙古、山西、河北、浙江、广东、河南、安徽和辽宁，CO2排放量均大于1 000×105 t。由图2可以看出，火电企业主要分布在我国中东部地区，如华东、华北和华中地区，三大地区发电量占全国火力发电总量的69.5%。碳排放主要集中在华东、华北和西北地区，三大地区的CO2排放量占全国火电企业碳排放总量73.1%。同时由Wang等[26]统计研究结果也显示火力发电行业CO2集中排放区也主要分布在这三大地区。
3.2 钢铁行业CO2排放分布
钢铁生产过程是典型的铁—煤化工过程，其特点是资源、能源消耗高、污染物排放量大，我国钢铁工业CO2排放约占全国总排放的15%[27]，因此钢铁行业是我国CO2主要排放源之一。根据国际钢铁协会(World Steel Association，简称WSA)公布的钢铁碳排放因子1.7 t/t(以粗钢计)，以及《中国钢铁工业年鉴2013》统计数据，计算2012年中国各地区钢铁企业的碳排放量，计算结果见表2、图3。
图3 2012 年全国各地区钢铁企业CO2排放量
Fig.3 CO2 emissions from iron and steel industries of each district in 2012
由表2、图3可以看出，我国钢铁企业主要分布在经济比较发达的华东、华北地区，其次是东北及华中地区，该四大地区粗钢产量为占全国粗钢总产量的86.5%，CO2排放量达10.76×108 t。华东地区以江苏、山东、安徽、江西及上海为主要产钢地区，华北地区以河北、山西为主要产钢地区，东北地区以辽宁为主要产钢地区，华中地区的河南、湖北和湖南都是产钢大省。由Wang等[26]、赵晏强等[28]研究统计结果也证实钢铁行业CO2排放源主要分布在这些地区。因此，这些地区是CO2重要排放区。
3.3 水泥行业CO2排放分布
我国是水泥生产和消耗大国，2011年我国水泥产量为20.85×108 t，约占世界水泥总产量的59%，CO2排放量达到14×108 t，占工业总排量的20%左右[29]。水泥生产碳排放已成为我国工业产业部门中仅次于燃煤发电外的第二大碳排放源[30]。根据年鉴《中国水泥2011》统计数据及刘立涛等[31]公布的水泥企业碳排放因子0.88 t/t(以水泥计)，计算我国各地区水泥企业的碳排放量，计算结果如表2、图4所示。
图4 2010年全国各地区水泥企业CO2排放量
Fig.4 CO2 emissions from cement industries of each district in 2010
由表2、图4以看出，全国各地水泥均有生产，水泥生产量与当地的经济发展所需有很大关系。其中华东地区水泥产量最高，产量达6 283.5×105 t，占到全国33.4%，CO2排放量为5 529.5×105 t。其次是华中、西南和东北地区。2010年全国水泥产量为18.79×108 t，CO2排放量约16.5×108 t。CO2排放量
排在全国前十的省份主要有：江苏、山东、四川、河北、河南、广东、浙江、湖北、湖南、安徽，这10个省份的水泥产量占全国水泥产量的62.12%，同时这些省区也是水泥企业CO2重点排放区。
4 页岩藏与无水介质CO2源汇匹配
由前面统计数据可知，从地域分布上看，CO2分布的总体特征与能源活动、经济活动的分布一致，主要集中在华东、华北、华中以及东北地区，且表现为自东向西逐渐减少的趋势。根据上述统计数据，统计页岩气分布优选区的CO2排放量，其统计结果见表3。由表3可知，页岩气藏周围火电企业CO2排放量占全国火电企业CO2总排放量的70.2%，钢铁企业CO2排放量占全国钢铁企业CO2排放总量75%，水泥企业CO2排放量占全国的65.7%。2009年中美合作研究报告中显示，中国拥有超过1 620个大型固定CO2排放源，主要包括燃煤电厂、水泥厂、钢厂等及其他工业设施，每年从这些排放源中可收集超过38×108 t CO2 [32]。对比中美合作研究报告和表2可以看出，在页岩气优选区及周围地区，碳排放源分布比较集中，页岩气藏与CO2排放源的分布地域匹配性良好。这为利用无水压力技术开采页岩气提供了丰富的CO2气源，保证了压裂液的近距离供给。
表3 页岩气分布区CO2排放量
Table 3 CO2 emissions in shale gas reservoir regional distribution
5 结 语
随着全球能源需求量的增加，页岩气作为一种资源潜力巨大的新能源，将越来越受到世界各国的高度重视。我国页岩气资源丰富，分布广泛，但目前对于页岩气勘探及开发还处于起步阶段。2014年 9月15日在吉林油田顺利完成目前我国最大规模CO2无水蓄能压裂作业，这项技术的完成，为我国页岩气的开发提供了技术指导[33]。我国是能源消耗大国，CO2排放量占据世界首位，碳排放问题已成为制约我国经济发展的重要因素。若能将工业产生的CO2捕集起来并应用于页岩气的开发，可以实现CO2减排与资源化利用，取得经济和环境的双重效益，对我国页岩气的开采具有重要意义。
参考文献(References)：
[1] 江怀友,鞠斌山,李治平,等.世界页岩气资源现状研究[J].中外能源,2014,19(3):14-22.
Jiang Huaiyou,Ju Binshan,Li Zhiping,et al.A study on the world's shale gas resources today[J].Sino-Global Energy,2014,19(3):14-22.
[2] 张金川,金之钧,袁明生.页岩气成藏机理和分布[J].天然气工业,2004,24(7):15-18.
Zhang Jinchuan,Jin Zhijun,Yuan Mingsheng.Reservoiring mechanism of shale gas and its distribution[J].Natural Gas Industry,2004,24(7):15-18.
[3] 周军平.CO2强化页岩气开采与地质封存的可行性分析[C]//第二届全国特殊气藏开发技术研讨会优秀论文集.重庆:重庆市科学技术协会,2013:107-116.
[4] 张晓东,杨婷云.页岩气开发综述[J].石油学报,2013,34(4):792-801.
Zhang Xiaodong,Yang Tingyun.An overview of shale gas production[J].Acta Petrolei Sinica,2013,34(4):792-801.
[5] 张 然,李根生,杨 林,等.页岩气增产技术现状及前景展望[J].石油机械,2011,39(S1):117-120.
Zhang Ran,Li Gensheng,Yang Lin,et al.Shale gas production technology present situation and prospect[J].China Petroleum Machinery,2011,39(S1):117-120.
[6] Sovacool B K.Cornucopia or curse? reviewing the costs and benefits of shale gas hydraulic fracturing (fracking)[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2014,37(3):249-264.
[7] 钱伯章,李武广.页岩气井水力压裂技术及环境问题探讨[J].天然气与石油,2013,31(1):48-53.
Qian Bozhang,Li Wuguang.Discussion on hydraulic fracturing technology in shale gas well development and relative environmental issues[J].Oil and Gas Dield Development,2013,31(1):48-53.
[8] 夏玉强.Marcellus页岩气开采的水资源挑战与环境影响[J].科技导报,2010,28(18):103-110.
Xia Yuqiang.The challenges of water resources and the environmental impact of marcellus shale gas drilling[J].Sience & Thchnology Review,2010,28(18):103-110.
[9] Middleton Richard,Viswanathan Hari,Currier Robert,et al.CO2 as a fracturing fluid:potential for commercial-scale shale gas production and CO2 sequestration[J].Energy Procedia,2014,147(63):7780-7784.
[10] 王海柱,沈忠厚,李根生.超临近CO2开发页岩气技术[J].石油钻探技术,2011,39(3):30-35.
Wang Haizhu,Shen Zhonghou,Li Gensheng.Feasibility analysis on shale gas exploitation with supercritical CO2[J].Petroleum Drilling Techiques,2011,39(3):30-35.
[11] 葛洪魁,王小琼,张 义.大幅度降低页岩气开发成本的技术途径[J].石油钻探技术,2013,41(6):1-5.
Ge Hongkui,Wang Xiaoqiong,Zhang Yi.A technical approach to reduce shale gas development cost[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(6):1-5.
[12] 张 健,徐 冰,崔明明.纯液态二氧化碳压裂技术研究综述[J].绿色科技,2014(4):200-206.
Zhang Jian,Xu Bing,Cui Mingming.Review of fracturing technology of pure liquid carbon dioxide[J].Journal of Green Science and Technology,2014(4):200-206.
[13] 李庆辉,陈 勉,金 衍,等.新型压裂技术在页岩气开发中的应用[J].特种油气藏,2012,19(6):1-7.
Li Qinghui,Chen Mian,Jin Yan,et al.Application of the new fracturing technology in shale gas development[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2012,19(6):1-7.
[14] 彭斯震,张九天,魏 伟,等.中国二氧化碳利用技术评估报告[M].北京:科学出版社,2014.
[15] 史聆聆,李小敏,马建锋.页岩气开发压裂返排液环境监管及对策建议[J].环境与可持续发展,2015(4):39-42.
Shi Lingling,Li Xiaomin,Ma Jianfeng,et al.Environment regulation and suggestion of fracturing flowback fluids of shale gas development[J].Environment and Sustainable Development,2015(4):39-42.
[16] 吴金桥,高志亮,孙 晓,等.液态CO2压裂技术研究现状与展望[J].长江大学学报(自然版),2014,11(10):104-107.
Wu Jinqiao,Gao Zhiliang,Sun Xiao,et al.Liquid CO2 fracturing technology research status and prospect[J].Journal of Yangtze University(Natural Science Edition),2014,11(10):104-107.
[17] Philipp Weniger,Wolfgang Kallkreuth,Andreas Bush,et al.High-pressure methane and carbon dioxide sorption on coal and shale samples from the Paraná Basin,Brazil[J].International Journal of Coal Geology,2010,84(3/4):190-205.
[18] 李 劲,孙 刚,李范书.页岩气开发中的水环境保护问题[J].石油与天然化工,2014,43(3):339-344.
Li Jin,Sun Gang,Li Fanshu.Water environment protection in shale gas development[J].Chemical Engineering of Oil & Gas,2014,43(3):339-344.
[19] 李 平.全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选成果[N].中国矿业报,2012-03-03(A01).
[20] 新浪财经.中国版“页岩气革命”最大障碍：缺水[EB/OL].(2014-09-10).https://finance.sina.com.cn/stock/usstock/ economics/20140910/174720256789.shtml.
[21] Friedlingstein P,Andrew R M,Rogelj J,et al.Persistent growth of CO2 emissions and implications for reaching climate targets[J].Nature Geoscience,2014,7(10):709-715.
[22] 李华楠.中国二氧化碳减排的路径选择与评价研究[D].大连：大连理工大学,2013.
[23] 白 冰,李小春,刘延锋,等.中国CO2集中排放源调查及其分布特征[J].岩石力学与工程学报,2006,25(S1):2918-2923.
Bai Bing,Li Xiaochun,Liu Yanfeng,et al.Preliminary study on CO2 industrial point sources and their distribution in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(S1):2918-2923.
[24] 翟明洋,林千果,马 丽,等.电力行业碳捕集现状和发展趋势[J].环境科技,2014,27(2):65-69.
Zhai Mingyang,Lin Qianguo,Ma Li,et al.Cureent status and development of carbon capture in power generation industry[J].Environmental Science and Technology,2014,27(2):65-69.
[25] 卫冬丽.中国燃煤电厂二氧化碳排放量计算方法研究[D].北京：北京交通大学,2014.
[26] Wang Jinnan,Cai Bofeng,Zhang Lixiao,et al.High resolution carbon dioxide emission gridded data for china derived from point sources[J].Environment Science & Technology,2014,48(12):7085-7093.
[27] 徐文青,李寅蛟,朱廷钰,等.中国钢铁工业CO2排放现状与减排展望[J].过程工程学报,2013,13(1):175-179.
Xu Wenqing,Li Yinjiao,Zhu Tingyu,et al.CO2 emission in iron and steel making industry and its reduction prospect[J].The Chinese Journal of Process Engineering,2013,13(1):175-179.
[28] 赵晏强,李小春,李桂菊.中国钢铁行业CO2排放现状及电源分布[J].钢铁研究学报,2012,24(5):1-4,9.
Zhao Yanqiang,Li Xiaochun,Li Guiju.Current situation of CO2 emission and point sources distribution in chinas s iron and steel industry[J].Journal of Iron and Steel Research,2012,24(5):1-4,9.
[29] 庞翠娟.水泥工业碳排放影响因素分析及数学建模[D].广州：华南理工大学,2012.
[30] 赵建安,魏丹青.中国水泥生产碳排放系数测算典型研究[J].资源科学,2013,35(4):800-808.
Zhao Jian'an,Wei Danqing.Carbon emission factors for cement plants in China[J].Resources Science,2013,35(4):800-808.
[31] 刘立涛,张 艳,沈 镭,等.水泥生产的碳排放因子研究进展[J].资源科学,2014,36(1):110-119.
Liu Litao,Zhang Yan,Shen Lei,et al.A review of cement production carbon emission factors:progress and prospects[J].Resources Science,2014,36(1):110-119.
[32] Dahowski Robert T,Li Xiaochun,Davidson Casie L,et al.Regional opportunities for carbon dioxide capture and storage in China:a comprehensive CO2 storage cost curve and analysis of the potential for large scale carbon dioxide capture and storage in the people's republic of China[R].Washington:Pacific Northwest National Laboratory,2009.
[33] 中国页岩气网新闻中心.最大规模二氧化碳无水蓄能压裂作业成功[N].中国能源报,2014-09-25(20).
Area match between shale gas reservoir regional distribution and anhydrous fracturing medium CO2 emission sources
Abstract:China is the largest CO2 emitter in current,a large number of CO2 emissions causes tremendous environmental pressure.The use of CO2 in shale gas exploitation could reduce CO2 emission and improve its utilization rate.In order to obtain CO2 emission sources and distribution and status of shale gas reservoir,the CO2 emissions from coal-fired power plants,iron and steel industries and cement industries,its distribution in China were calculated.The shale gas reservoir regional distribution was also analyzed.The resulted showed that,around the shale gas reservoir,the CO2 emissions from coal-fired power plants,steel works,cement plants accounted for 70%,75% and above 65% of the national CO2 emissions from the corresponding industries respectively.In shale gas reservoir regional distribution,there was large CO2 resources which was a precondition for anhydrous fracturing technology.So it was feasible to exploit shale gas using anhydrous fracturing technology which adopted CO2 as medium.
Key words:shale gas;anhydrous fracturing technology;CO2 emission;CO2 resource utilization
收稿日期：2016-02-24；
责任编辑：孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.06.023
基金项目：中国科学院战略性先导科技专项(B类)基金资助项目(XDB10040201)；中国科学院战略性先导科技专项(A类)基金资助项目(XDA05010103)
引用格式：邵明攀，徐文青，郭旸旸,等.页岩气藏与无水压裂介质CO2源汇匹配研究[J].洁净煤技术，2016，22(6)：116-122.
SHAO Mingpan,XU Wenqing,GUO Yangyang,et al.Area match between shale gas reservoir regional distribution and anhydrous fracturing medium CO2 emission sources[J].Clean Coal Technology，2016，22(6)：116-122.
中图分类号：X511；TE371
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)06-0116-07
