近年来，对可持续能源的需求不断增长，这主要是由于迫切需要减缓气候变化和确保能源安全。在各种能源来源中，氢气（H2）因其高能量密度、多功能性和最小的环境影响而脱颖而出[1]、[2]、[3]。目前，蒸汽甲烷重整（SMR）是主要的氢气生产方法，占美国氢气供应的95%[4]。然而，SMR能耗高，且碳排放量大，每生产1公斤氢气会产生9-10公斤eCO2[5]。虽然碳捕获、利用和储存（CCUS）可以帮助减少排放，但将其与SMR结合会显著增加成本和能源需求。实现可持续的氢气生产需要开发比传统技术更清洁、更高效的替代方案。
在众多正在开发的创新氢气生产技术中，循环空气-蒸汽注入（CASI）作为一种从重油和沥青储层直接生产氢气的方法，受到了广泛关注。重油和沥青是丰富的化石燃料资源，合计占全球原油储量的约70%[6]，估计全球储量分别为9911.8亿吨和5012.6亿吨[7]。尽管这些资源具有巨大潜力，但由于其高粘度，开采过程中存在诸多挑战。目前，这些资源主要通过热回收方法（如蒸汽辅助重力排水（SAGD）进行开采。然而，SAGD除了提高重油品质外，还会产生大量温室气体排放，每开采一桶原油会产生99-176公斤eCO2[8]。相比之下，CASI提供了将这些丰富资源用于清洁氢气生产的可能性，从而大幅降低沥青和重油开采过程中的碳排放，同时满足全球对清洁氢气日益增长的需求。
CASI是一种在石油储层中应用的现场氢气生产技术，通过多个循环交替注入空气和蒸汽来实现[9]。首先向烃类地层注入空气，以氧化部分原油并形成燃烧区。当储层温度达到足够高时，再注入蒸汽以引发焦炭气化和水-气变换反应，从而生成氢气[10]。当氢气产量因储层温度下降而减少时，再次注入空气以恢复所需的热条件，然后继续注入蒸汽。这个循环过程重复多次。生成的氢气可以在地面或使用井下氢气膜进行分离。CASI相比传统氢气生产方法具有许多优势：生产氢气所需的能量直接在储层内产生，因此更加节能。此外，可以利用现有的油田基础设施，无需建造昂贵的新氢气生产设施。
通过空气和蒸汽注入从重油和沥青储层中进行现场氢气生产的技术可行性已经得到多次验证。BP Resources Canada在1979年的Marguerite Lake项目和1985年的Wolf Lake项目中，针对加拿大阿尔伯塔省的油砂进行了现场燃烧实验，测试了向储层交替注入空气和水的效果。观察到从生产井中提取的气体混合物中含有高达33摩尔%的氢气[10]、[11]。Hajdo等人[10]分析Marguerite Lake项目的数据后发现，当在燃烧过程后向储层注入水时，会产生大量氢气。他们推测氢气主要是通过焦炭气化和水-气变换反应生成的。随后，Petrobank Energy and Resources在2006年的Whitesands项目和2009年的Kerrobert项目中采用了 toe-to-heel air injection（THAI）方法进行重油回收。这些项目研究了空气和蒸汽的联合注入，分别在Whitesands项目和Kerrobert项目中检测到10摩尔%和7摩尔%的氢气产量[12]、[13]、[14]、[15]。虽然这些项目最初是为回收沥青设计的，但它们展示了通过空气和蒸汽注入从重油和沥青储层中生成氢气的潜力。
研究表明，使用CASI从重油和沥青储层中现场生成氢气是可行的。Abu等人[16]进行了燃烧管实验，研究了通过现场燃烧对阿萨巴斯卡沥青进行升级的过程。在其中一个实验中，他们测试了空气和水的联合注入（湿燃烧）。实验接近结束时停止了空气注入，而继续注入水，结果发现产生的气体中氢气含量迅速上升至约36摩尔%。Afanasev等人[17]通过燃烧管实验评估了通过CASI从重油储层生成氢气的过程，发现氢气产量在蒸汽注入阶段达到峰值，强调了蒸汽在促进气化反应中的关键作用。Kapadia等人[18]使用SAGD井对模拟了向阿萨巴斯卡沥青储层交替注入富氧空气和蒸汽的过程，结果显示产生的气体中氢气浓度高达30%，且在无氧条件下蒸汽注入期间的产量最高。Kapadia等人[18]还指出，未来的研究应重点优化工程参数，如注入速率和注入周期长度，以提高氢气产量。在我们之前的研究[19]中，我们模拟了CASI过程，并考察了不同工程设计参数和操作条件对氢气产量的影响。结果表明，水平井的性能明显优于垂直井，其中反向SAGD配置是CASI生产氢气的最高效水平井配置。理想的循环注入方案是60天注入空气，随后60天注入蒸汽。此外，发现氢气产量受现场注入参数（如空气和蒸汽注入速率、注入空气中的氧气浓度以及注入蒸汽的温度）的影响显著。
目前，CASI技术在加拿大正在进行试点测试[20]。尽管这项技术前景广阔，但仍需解决若干挑战才能成功商业化。CASI的现场生产潜力尚未得到全面评估。仍存在一些不确定性，包括单个储层的总氢气产量、可转化为氢气的现场油的比例以及每桶油的氢气产量。此外，通过该过程生产氢气的成本也未进行全面评估。
CASI过程涉及储层内流体流动过程中发生的一系列复杂化学反应[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]，这使得设计、预测、控制和监测变得困难。因此，需要仔细规划和设计现场项目以做出经济决策。储层模拟是评估CASI氢气生产潜力的有力工具。然而，现场规模建模研究[18]、[30]、[31]依赖于基于假设的未验证反应模型，这对其预测的可靠性提出了质疑。这些模型通常包含大量伪反应，计算复杂，限制了它们高效模拟多种现场情景的能力。研究表明，氢气产量对反应温度非常敏感[32]、[33]、[34]，这可以通过优化工程参数（特别是注入策略）来控制。空气和蒸汽注入速率、注入空气中的氧气浓度以及蒸汽温度等关键因素对氢气产量起着决定性作用[19]。为了有效评估CASI的可行性，需要在不同条件下模拟氢气生产并考察多种潜在的现场情景。这种方法有助于更好地理解影响氢气生成的主要因素，同时保持计算效率。
进行了技术经济分析（TEA）以估算CASI生产氢气的成本[35]，报告的生产成本为0.68美元/公斤。然而，在他们的分析中，作者依赖于热力学平衡模型来估算重油储层中的氢气产量。CASI是一个高度复杂的过程，需要使用基于动力学的反应传输模型而非平衡模型。使用热力学平衡模型会忽略流体流动对化学反应的影响，可能导致氢气产量的严重高估。这表明，平衡模型无法准确预测储层环境中的氢气产量。因此，需要开发能够准确表示CASI过程中复杂化学反应的稳健模拟模型，同时生成可靠的数据以进行更精确的经济评估。
在本研究中，我们评估了在加拿大萨斯喀彻温省Lloydminster重油储层中通过CASI进行现场氢气生成的潜力和经济可行性。使用CMG-STARS进行了储层模拟，该模型采用了专门为Lloydminster重油开发并经过实验验证的稳健反应动力学模型。通过结合数值模拟和优化算法，确定了最佳工程设计参数和过程设计。量化了潜在的总氢气产量、现场油转化率、氢气产量和碳排放，并进行了TEA以估算氢气生产成本。本研究为评估通过CASI从重油和沥青储层中清洁、可持续地现场生产氢气的潜力和经济效益提供了坚实的框架，为其实际应用铺平了道路。
