《Journal of Cleaner Production》：Multifunctional interfacial material for integrated energy-carbon-cost optimization in unconventional petroleum development: A techno-economic-environmental analysis
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本研究针对非常规石油开发中能源消耗高、碳排放大、经济可行性差的三重挑战，开发了一种多功能界面材料，并构建了动态 techno-economic-environmental 模型，系统评估了从开采到炼厂的整个供应链。结果表明，该材料相比传统水驱和化学驱，可降低能耗达65.7%和50.7%，减少碳排放56.9%和38.1%，降低成本19.2%和10.2%，同时提高原油产量31%和12%。该材料为低碳经济可行的非常规资源开发提供了可扩展的解决方案。
作者：杨雪、应天、何长青、陈萍、杨旭、江文雪、隋宏、何琳
天津大学化学工程与技术学院，中国天津 300354
摘要
非常规石油开发在平衡能源产出、碳排放和经济可行性方面面临着关键挑战。本研究介绍了一种新型多功能界面材料，该材料将多种化学作用（破乳、降粘、防腐和驱替增强）整合到单一分子结构中。我们开发了一个动态的技术经济环境模型，以油砂沥青为例，模拟了从开采到炼油厂接收的整个上游供应链。该模型将材料性能转化为工艺参数，从而能够对能源使用、碳排放和运营成本进行系统级评估。与传统的水驱和化学驱替方法相比，这种多功能材料使能源消耗减少了65.7%和50.7%，碳排放减少了56.9%和38.1%，成本降低了19.2%和10.2%，同时油产量分别增加了31%和12%。这些结果表明，分子集成材料可以有效解决能源-碳-经济三重困境，为低碳和成本效益高的非常规资源开发提供了一条可行的途径。
引言
随着全球能源需求的不断增长以及传统石油储备的逐渐枯竭，非常规石油资源的加速开发已成为确保未来能源安全的重要手段（Zhuang等人，2025年）。同时，实现全球碳中和的目标要求这种开发必须遵循低碳和环保的原则（Manfroni等人，2021年）。因此，在能源安全与环境可持续性之间找到平衡变得至关重要。
天然沥青（即沥青）是非常规石油资源的核心组成部分（Bukharin等人，2020年）。其开采过程能源密集度高，通常包括三个关键阶段：基于水的提取、油水分离和运输。在提取过程中，采用水驱或化学溶液驱替技术将地下重油驱入生产流体中。油水分离随后需要高温破乳（>80°C）、脱水和脱盐，以获得符合规格的重油。运输过程中通常需要添加15-30%的稀释剂来提高流体流动性，以便长距离管道输送（Sleep等人，2021年）。虽然化学驱替方法操作简单且适用范围广，但其受限于试剂性能的固有局限性。单一功能试剂的效果有限，往往需要苛刻的工艺条件。例如，传统破乳剂由于效率低下，需要在高温下操作——这占了整个供应链总碳排放的约35%（Tang等人，2024年）。此外，多种试剂的顺序使用可能导致功能拮抗，降低分离效率，从而增加能源消耗（Sun等人，2016年）。从经济角度来看，采购多种试剂是主要成本来源，占运营费用的近30%（Han等人，2022年）。这些因素共同导致了化学驱替方法的高能源强度、大量碳排放和较低的经济可行性。
为应对这些相互关联的挑战，开发多功能界面材料成为了一条有前景的优化途径。尽管之前的研究已经探索了结合两种功能的材料（如破乳-降粘（Husain等人，2023年）、破乳-防腐（Xin等人，2025年）或驱替-降粘（Dong等人，2020年），但尚未有材料同时整合所有四种功能的报道。此外，对于这类材料在系统层面的经济和环境效益的全面定量评估仍然缺乏。
这种差距部分源于现有碳核算和成本核算框架的方法论局限性。准确的评估需要一个能够同时涵盖多个工艺单元的系统级分析模型。现有研究往往提供特定阶段的详细但孤立的评估。例如，一些研究仅关注管道运输与铁路运输的经济性（Verma等人，2017年），而另一些研究仅分析稀释沥青运输过程中的温室气体排放（Nimana等人，2017年）。对于不同生产阶段的评估，如SAGD开采的技术经济分析（Giacchetta等人，2015年）或原位回收的温室气体核算（Nimana等人，2015年），也通常是孤立进行的。尽管某些建模框架采用了更广泛的视角，但它们依赖于静态输入，限制了动态响应能力。例如，某些从井到炼厂的生命周期评估对关键单元操作（如升级过程中的每桶固定温室气体值（Guo等人，2020年）或管道运输（Garg等人，2013年）采用固定排放因子，而不是将这些参数视为由材料性能动态决定的变量。即使是对集成技术的分析，如CO2增强型石油回收的技术经济环境研究，也常使用平均的、固定的能源强度来计算关键步骤（Abuov等人，2022年）。
总之，现有的建模范式存在双重局限性：分析上的孤立性，即仅关注单个单元操作而未整合整个开采-分离-运输链；以及静态参数化，无法动态响应技术创新。这些缺点阻碍了全面评估的视角，阻碍了多功能材料协同效益的量化。因此，开发一个能够表征整个供应链中同时性能的新模型对于准确评估创新材料和工艺至关重要。
本研究提出了一个针对非常规石油上游供应链的全面技术经济环境动态耦合模型，以油砂沥青生产为例。该模型有三个主要贡献：首先，它将驱替提取、油水分离和稀释运输整合到一个统一的框架中，用于跨单元的能源、排放和成本核算，从而解决了全链条量化的问题；其次，它建立了一个动态映射网络，将试剂的功能参数与工艺参数联系起来，从而能够系统级评估材料性能对运营结果的影响；最后，该模型使用本研究开发的一种新型多功能材料进行了验证。与传统的 water 和化学驱替方案相比，定量展示了这种集成单试剂策略的性能优势和潜力。本研究为推进非常规石油资源的低碳开发提供了有价值的决策支持工具。所采用的传导网络建模方法具有普遍适用性，可以应用于页岩油/气和超重油生产，从而实现跨学科的比较和优化。这种方法有望推动整个行业的成本效率和减排的同时提升。
系统边界
该模型的系统边界涵盖了从非常规石油开采到炼油厂接收的整个供应链，如图2所示。这包括三个关键阶段：开采、分离和运输。在开采阶段，考虑了加压注入和人工举升等工艺，以及储层油的驱替。分离阶段包括水处理、重力沉降和热化学破乳。
试剂驱动的工艺优化
本节介绍了两种基于水驱基线的化学增强回收策略（方案1）。方案2采用了商业上可获得的化学物质组合。相比之下，方案3采用了一种新型多功能材料，旨在将多种功能整合到单一分子结构中。这些方案的输入参数在表3中进行了总结。所有参数替换均来自同行评审的文献。
结果与讨论
表5总结了三种方案的关键技术经济环境指标的对比情况。后续小节提供了更详细的分析。结果表明，方案3中采用的集成材料系统在提高生产能力和经济性能的同时，也减少了环境影响。相比之下，虽然方案2提高了产量，
结论
本研究提出了一种颠覆性的方法，利用分子工程化的多功能材料来解决非常规石油开发中的能源消耗、碳排放和成本之间的复杂问题。通过将破乳、降粘、防腐和驱替增强整合到单一材料结构中，我们提出了一种解决能源-碳-经济三重困境的综合方案。结果表明，这种材料增强
作者贡献声明
杨雪：撰写初稿、验证、调查、正式分析、概念化。应天：方法论、正式分析。何长青：验证。陈萍：正式分析。杨旭：数据整理。江文雪：项目管理。隋宏：监督、项目管理、资金获取。何琳：撰写-审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（NSFC，编号：22178252）的财政支持。
