王敏生

（中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司, 北京 102206）

氣候變化是當(dāng)前社會面臨的最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，給人類的生存與發(fā)展帶來了嚴(yán)重的威脅。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是減少溫室氣體排放、應(yīng)對氣候變化的有效途徑。為兌現(xiàn)巴黎協(xié)定的承諾，各國都在密集推進(jìn)碳減排行動，截至2021年底，全球已有136個國家提出了“碳中和”承諾，這一范圍覆蓋了全球88%的二氧化碳排放、90%的GDP和85%的人口。油氣作為傳統(tǒng)化石能源，向低碳轉(zhuǎn)型也成為必然趨勢[1-4]。鉆完井作為油氣勘探開發(fā)中主要的碳排放階段，是實現(xiàn)凈零排放的重要環(huán)節(jié)。近年來，各油田技術(shù)服務(wù)公司不斷加大鉆完井作業(yè)過程低排放裝備與技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，通過升級改造鉆機(jī)與壓裂泵車燃料系統(tǒng)、提升裝備動力管理自動化水平、推廣鉆完井遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)、加大儲能技術(shù)的應(yīng)用、探索與新能源耦合等一系列技術(shù)措施，顯著降低了油氣勘探開發(fā)過程中碳排放的強(qiáng)度。我國油氣勘探開發(fā)正處在綠色轉(zhuǎn)型與高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵期，分析鉆完井作業(yè)過程碳減排動向及進(jìn)展，提出鉆完井過程碳減排方向與建議，對我國油氣公司探索鉆完井碳減排路徑具有重要意義。

1 油氣開發(fā)碳排放源與油田技術(shù)服務(wù)公司碳減排動向

據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年全球二氧化碳排放量為330×108t，主要來源于煤、石油和天然氣等一次能源的使用。油氣行業(yè)全價值鏈從開采、運輸、儲存到終端應(yīng)用產(chǎn)生的碳排放量達(dá)到全球總碳排放量的42%，其中，油氣勘探開發(fā)、儲運、煉制等生產(chǎn)階段的碳排放量占9%，油氣使用階段的碳排放量占33%。油氣行業(yè)生產(chǎn)階段的碳排放主要包括二氧化碳和甲烷，二氧化碳排放主要由供熱與供能需求產(chǎn)生，如油氣全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)過程使用石油天然氣作為燃料供能、供熱和發(fā)電等帶來的尾氣排放。甲烷的排放主要來源于生產(chǎn)過程中天然氣的不完全燃燒及逃逸等。圖1所示為油氣全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)階段碳排放來源[5]。從圖1可以看出，在油氣生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈排放的溫室氣體中，甲烷占57%，二氧化碳占43%，其中上游鉆完井與生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放約占10%，是實現(xiàn)凈零排放的重要階段。

圖1 油氣全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)階段碳排放來源Fig.1 Sources of carbon emissions in the whole oil & gas industry chain

作為全球向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵參與者，各油田技術(shù)服務(wù)公司制定了碳減排中長期發(fā)展戰(zhàn)略，制定了減排目標(biāo)，并加大了提高能源利用率、新能源領(lǐng)域、碳捕獲與封存（CCS）等方面技術(shù)的研發(fā)力度，以減少溫室氣體排放，努力實現(xiàn)碳中和。表1為部分油田技術(shù)服務(wù)公司碳減排目標(biāo)與技術(shù)布局[6-10]。油田技術(shù)服務(wù)公司碳減排措施取決于技術(shù)水平、資產(chǎn)組合和區(qū)域條件與政策等因素。其中，技術(shù)服務(wù)公司側(cè)重電動裝備、排放監(jiān)測管理系統(tǒng)、自動化與遠(yuǎn)程決策等鉆完井過程中的碳減排，以及CCS、地?zé)帷淠?、儲能等新領(lǐng)域的減排。鉆井承包商注重提高鉆完井過程中的能源利用率，通過改造升級鉆機(jī)動力系統(tǒng)，采用雙燃料、天然氣、網(wǎng)電、鋰電池-柴油混合動力、燃料電池、儲能等減少柴油的使用量，同時利用大數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測分析軟件和鉆機(jī)動力系統(tǒng)管理軟件實現(xiàn)碳排放監(jiān)測和動力管理。

表1 部分油田技術(shù)服務(wù)公司碳減排目標(biāo)與技術(shù)布局Table 1 Carbon emission reduction goals and technological layout of some oil service companies

2 鉆完井作業(yè)碳減排發(fā)展方向

2.1 升級改造鉆機(jī)與壓裂泵車動力系統(tǒng)，實現(xiàn)對柴油的替代

通過改變鉆完井裝備動力方式，采用雙燃料發(fā)電機(jī)組、天然氣發(fā)電機(jī)組和網(wǎng)電機(jī)組等替代柴油發(fā)電機(jī)組，降低柴油使用量，大幅減少井場二氧化碳和氮氧化合物的排放[11-15]。雙燃料發(fā)電機(jī)組可以使柴油用量降低30%，天然氣鉆機(jī)的發(fā)電機(jī)組以天然氣為燃料，不需要使用柴油，可以直接使用礦場天然氣，減少了油罐車運送柴油產(chǎn)生的碳排放。美國的鉆井承包商Patterson-UTI鉆井公司有60臺雙燃料鉆機(jī)和11臺天然氣鉆機(jī)，占在用鉆機(jī)總數(shù)的61%；2013—2020年采用雙燃料壓裂泵車完成了17 000級壓裂作業(yè)，柴油消耗量減少了4.37×104t[16]。隨著美國政府環(huán)境監(jiān)管力度持續(xù)加大，北美油田技術(shù)服務(wù)公司紛紛加快了“電代油”的步伐，加速電驅(qū)設(shè)備布局。哈里伯頓公司研發(fā)的全電動壓裂系統(tǒng)輸出功率高達(dá)3 677.49 kW，配套的天然氣發(fā)電系統(tǒng)可以實時跟蹤和分析壓裂作業(yè)過程中的碳排放強(qiáng)度，從而能夠最大限度地提高燃料利用率、減少碳排放量，如馬塞勒斯區(qū)塊使用了25 MW的電能，污染物排放量減少了32%。

2.2 提升裝備動力管理自動化水平，優(yōu)化發(fā)電機(jī)組運行效率

直流電驅(qū)鉆完井裝備發(fā)電機(jī)組的啟動和關(guān)閉通常由現(xiàn)場人員手動操作，在鉆機(jī)低負(fù)載條件下，發(fā)電機(jī)組使用數(shù)量與實際需求不一致，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組利用率低，增加了燃油的消耗量和溫室氣體的排放量。美國H & P公司開發(fā)的鉆機(jī)動力自動化管理系統(tǒng)可以自動計算不同鉆機(jī)負(fù)載下所需最優(yōu)柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)量，當(dāng)鉆機(jī)長時間在低載荷運行時，系統(tǒng)自動關(guān)閉多余的發(fā)電機(jī)組；當(dāng)鉆機(jī)在高負(fù)載運行時，系統(tǒng)自動開啟備用發(fā)電機(jī)組，以滿足不同工況對動力的需求，提升了發(fā)電機(jī)組在任何燃料下的運行效率，減少了二氧化碳和氮氧化物的排放量。鉆機(jī)動力自動化管理系統(tǒng)使燃料消耗量減少了5%，二氧化碳和氮氧化合物排放量大幅降低。2018—2021年，通過優(yōu)化鉆井作業(yè)工序，強(qiáng)化節(jié)油和減排目標(biāo)，單位鉆井進(jìn)尺的二氧化碳平均排放量從66 t/km降至59 t/km，降幅達(dá)11%[17]。美國Cactus鉆井公司與斯倫貝謝公司合作，利用鉆機(jī)動力自動管理系統(tǒng)使發(fā)電機(jī)使用時間縮短20%，燃料消耗量和碳排放量減少10%。

2.3 加大儲能技術(shù)在鉆完井中的應(yīng)用力度，實現(xiàn)機(jī)組調(diào)峰補(bǔ)償

鉆井作業(yè)不同階段對動力的需求波動較大，造成柴油發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換率較低。利用鋰電池、飛輪、氫氣儲能技術(shù)和混合動力管理系統(tǒng)，可以優(yōu)化鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組配置數(shù)量，縮短柴油發(fā)電機(jī)組運行時間，減少燃料消耗量和碳排放量[18-20]。Patterson-UTI鉆井公司利用鋰電池存儲和分配鉆井作業(yè)所需能量，當(dāng)鉆井作業(yè)所需能量低于發(fā)動機(jī)組能量時，將多余的能量存儲于鋰電池；反之，鋰電池為鉆機(jī)提供部分動力，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)組調(diào)峰補(bǔ)償，減少柴油發(fā)電機(jī)組使用數(shù)量。該系統(tǒng)可以存儲500 kW·h的電能，提供相當(dāng)于1.5臺柴油發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)0.5 h的電力。雙柴油發(fā)電機(jī)組+鋰電池混合動力鉆機(jī)通過鋰電池儲能技術(shù)提供動力，并在作業(yè)過程中為鋰電池充電（見圖2），比傳統(tǒng)鉆機(jī)減少1臺柴油機(jī)的使用[21]。鋰電池儲能系統(tǒng)除了節(jié)省燃料外，還可避免因發(fā)電機(jī)故障導(dǎo)致的停機(jī)。西門子能源公司在海洋鉆機(jī)上應(yīng)用鋰電池儲能技術(shù)，使1個柴油發(fā)電機(jī)組的運行時間縮短了42%，二氧化碳和氮氧化合物的排放量分別減少了15%和12%。鉆機(jī)絞車和平臺吊車懸掛重物下降過程中的重力勢能一般通過剎車片產(chǎn)生的熱能耗散，美國國民油井公司開發(fā)了鉆機(jī)動能回收系統(tǒng)，將該部分重力勢能轉(zhuǎn)換為飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動能，飛輪質(zhì)量達(dá)15 t，最高可吸收功率高達(dá)1.75 MW的能量，由于飛輪儲能時間只有6～10 s，將其旋轉(zhuǎn)動能給容量450 kW·h的鋰離子電池系統(tǒng)充電，鋰電池組通過鉆機(jī)微電網(wǎng)為鉆機(jī)提供一部分動力，從而減少運行柴油發(fā)電機(jī)組的數(shù)量和縮短運行時間[22]。斯倫貝謝公司與氫燃料電池制造商Hyzon Motors 合作開發(fā)氫燃料電池系統(tǒng)，計劃2023年在美國陸地鉆機(jī)上進(jìn)行測試。1臺完全由氫燃料電池系統(tǒng)提供動力的鉆機(jī)，預(yù)計每年二氧化碳排放量可以減少10 000 t。

圖2 雙柴油發(fā)電機(jī)組+鋰電池混合動力鉆機(jī)Fig.2 Hybrid drilling rig with dual-diesel generating set and lithium battery

2.4 大力推廣鉆完井自動化與遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)，縮短建井周期、減少現(xiàn)場人員

利用先進(jìn)的自動化與遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)，提高井場作業(yè)的自動化和遠(yuǎn)程操作能力，可縮短建井周期、減少前往井場的人員和車輛，從而減少碳排放量。新冠肺炎疫情爆發(fā)期間，遠(yuǎn)程作業(yè)因其在減少員工接觸和出差、減少碳足跡方面的優(yōu)勢，成為了油田技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域工作的新常態(tài)。隨著遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)的不斷迭代升級，遠(yuǎn)程作業(yè)范圍已由隨鉆測量（MWD）和隨鉆測井（LWD）服務(wù)推廣到遠(yuǎn)程控制高效定向鉆井，以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具和螺桿鉆具為基礎(chǔ)，通過隨鉆測井工具實時采集井下數(shù)據(jù)，傳輸至地面和后方遠(yuǎn)程控制中心，經(jīng)過地質(zhì)導(dǎo)向綜合團(tuán)隊分析決策后，再將指令傳送至井場和井下工具，實現(xiàn)閉環(huán)雙向控制和井場與遠(yuǎn)程控制中心的協(xié)同作業(yè)[23-25]。Noble Energy公司在北美頁巖區(qū)塊采用遠(yuǎn)程定向鉆井技術(shù)，創(chuàng)造了日進(jìn)尺3 133.00 m的紀(jì)錄。2020年，貝克休斯公司在30多個國家提供了遠(yuǎn)程服務(wù)，有72%的鉆井作業(yè)、100%的MWD/LWD和定向鉆井由遠(yuǎn)程作業(yè)中心完成，還完成了歷史上最大的一次遠(yuǎn)程操作部署，為沙特阿美石油公司建立了滿足2 000多個最終用戶和全天候鉆井作業(yè)需要的遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)。Patterson-UTI鉆井公司在69個井場提供了遠(yuǎn)程隨鉆測量服務(wù)（MWD），井場MWD人員減少了50%，在某些情況下，甚至可以在沒有任何MWD人員的情況下進(jìn)行MWD服務(wù)。

2.5 積極探索鉆完井作業(yè)與海洋新能源耦合，提升能源利用率

作為全球向凈零排放經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵參與者，海洋油氣技術(shù)服務(wù)公司不斷加大低碳技術(shù)裝備研制力度，以減少鉆完井作業(yè)中溫室氣體的排放量。在圍繞自身油氣業(yè)務(wù)減碳的同時，海洋油氣與新能源技術(shù)進(jìn)行耦合成為未來低碳轉(zhuǎn)型的主要趨勢，圖3為海洋鉆完井與新能源耦合場景[19，26]。挪威Odfjell Drilling海洋鉆井公司正與西門子能源有限公司合作，利用海上浮式風(fēng)電系統(tǒng)為鉆井平臺提供動力，其核心由風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)組和海上浮式電網(wǎng)系統(tǒng)組成。每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大可提供14 MW的電力，但是由于風(fēng)電具有間歇性的缺點，需要在浮式風(fēng)電單元安裝電池儲能系統(tǒng)，以確保在風(fēng)電不足的天氣下保障鉆機(jī)的電力供應(yīng)。英國Cerulean Winds公司提出利用浮式風(fēng)能、氫氣儲能方案，加速英國大陸架海上石油和天然氣資產(chǎn)的脫碳。項目計劃耗資100億英鎊在謝德蘭以西和北海中部安裝200臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，總?cè)萘繛? GW/h，在為海上油氣生產(chǎn)設(shè)施提供綠電的同時，還可為陸上綠色氫電廠提供超過1.5 GW/h的電力，可以減少2 000×104t二氧化碳排放，計劃于2024年實現(xiàn)商業(yè)化[27]。海洋工程服務(wù)公司Technip FMC正在挪威建設(shè)和測試新一代離岸風(fēng)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)電過剩時，在浮式平臺上利用多余電力對過濾后的海水進(jìn)行電解制氫，將綠氫輸送并儲存于位于海床的高壓儲能容器內(nèi)；當(dāng)風(fēng)電不足時，利用燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電力，用于海上風(fēng)電的調(diào)峰填谷。

圖3 海洋鉆完井與新能源耦合Fig.3 Coupling scenario of offshore drilling and completion with new energy

3 啟示與建議

3.1 啟 示

1）鉆完井作業(yè)過程碳減排已成為油田技術(shù)服務(wù)行業(yè)發(fā)展的新競技場。在能源轉(zhuǎn)型和低碳目標(biāo)背景下，油田技術(shù)服務(wù)公司都制定了減排目標(biāo)，加大了鉆完井作業(yè)過程低碳技術(shù)的投入并進(jìn)行布局，通過升級改造作業(yè)裝備動力系統(tǒng)、推廣數(shù)字化技術(shù)和與新能源公司合作提升電氣化水平等途徑，快速提升綠色低碳業(yè)務(wù)水平，以踐行低碳轉(zhuǎn)型的承諾。

2）技術(shù)水平和政策決定了油田技術(shù)服務(wù)公司的碳減排布局與策略。鉆完井過程碳減排還處于前期探索階段，還沒有統(tǒng)一的解決方案，油田技術(shù)服務(wù)公司根據(jù)自身技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)性和區(qū)域政策，多措并舉，推動碳減排。技術(shù)服務(wù)公司側(cè)重通過電動裝備、儲能技術(shù)研發(fā)和數(shù)字化技術(shù)提升作業(yè)效率，鉆井承包商側(cè)重通過鉆完井裝備動力系統(tǒng)的改造升級、鉆機(jī)動力系統(tǒng)管理軟件研發(fā)等提升能源利用率。

3）自動化智能化技術(shù)是實現(xiàn)凈零排放的重要手段。自動化智能化技術(shù)可以提高作業(yè)效率，縮短建井周期，借助遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)還可以減少現(xiàn)場作業(yè)人員和后勤保障，是減少碳排放、實現(xiàn)凈零排放的重要措施。國外油田技術(shù)服務(wù)公司不斷加大自動化智能化鉆完井技術(shù)迭代升級與推廣力度，通過遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)實現(xiàn)了隨鉆測量、隨鉆測井、定向鉆井等鉆井遠(yuǎn)程決策與操控，并形成了獨有的技術(shù)和商業(yè)服務(wù)模式。

4）海洋油氣與新能源技術(shù)進(jìn)行耦合成為未來低碳轉(zhuǎn)型的主要趨勢。在能源轉(zhuǎn)型和碳減排的推動下，越來越多的傳統(tǒng)海上油氣開采企業(yè)圍繞自身油氣業(yè)務(wù)減碳的同時，通過合資合作將海洋油氣與新能源技術(shù)進(jìn)行耦合。協(xié)同發(fā)展海洋油氣與海上風(fēng)電，不僅可以降低海上電力輸送成本，還能減少油氣勘探開發(fā)二氧化碳的排放。此外，未來海洋油氣與海上風(fēng)電還可以在天然氣發(fā)電、二氧化碳存儲和氫氣生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮協(xié)同互補(bǔ)作用。

3.2 建 議

我國提出力爭在2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。油氣勘探開發(fā)作為重要的碳排放源，直接影響到整體碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。鉆完井作業(yè)過程碳減排是油氣上游實現(xiàn)碳減排的重要方向，建議我國石油公司加強(qiáng)鉆完井作業(yè)過程中碳排放的管理和節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，以實現(xiàn)對低碳轉(zhuǎn)型的承諾。

1）強(qiáng)化鉆完井全過程中碳排放的管理。為確保碳減排措施的有效性，要明確碳排放核算及分析方法，形成碳核算和報告的機(jī)制。以碳核算為基礎(chǔ)，實行鉆完井全過程碳排放管理，建立并實施科學(xué)統(tǒng)一的碳減排統(tǒng)計指標(biāo)體系和監(jiān)測體系，強(qiáng)化對碳排放重點環(huán)節(jié)的指導(dǎo)和監(jiān)管，確定碳減排目標(biāo)，并建立評價考核制度，以確保責(zé)任清晰、措施到位。

2）推進(jìn)鉆完井全過程低碳化轉(zhuǎn)型。要根據(jù)自身技術(shù)水平和井場工業(yè)設(shè)施條件，多管齊下，減少碳排放。一方面注重作業(yè)裝備動力系統(tǒng)改造升級，采用雙燃料、天然氣、網(wǎng)電、鋰電池+柴油混合動力機(jī)組，減少柴油的消耗量；另一方面利用作業(yè)裝備大數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測分析軟件、自動化動力系統(tǒng)管理軟件和儲能技術(shù)提高能源利用率。

3）提升鉆完井作業(yè)效率。作為油氣勘探開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，鉆完井的碳減排需要與施工效率的提升相結(jié)合，強(qiáng)化優(yōu)快鉆完井技術(shù)的研究與應(yīng)用，不斷提升鉆完井智能化、自動化水平，推廣遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)，不斷提高作業(yè)效率，縮短鉆井周期，以低碳方式實現(xiàn)快速鉆完井，降低油氣生產(chǎn)中的碳排放強(qiáng)度。

4）探索鉆完井作業(yè)與海洋新能源技術(shù)耦合。全球海上風(fēng)電資源豐富，海上風(fēng)電開發(fā)和海上油氣開采又有著相似的供應(yīng)鏈和技術(shù)要求，油氣行業(yè)的技術(shù)和安全標(biāo)準(zhǔn)可高度移植。充分利用海洋油氣作業(yè)技術(shù)，開展海洋風(fēng)電開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，快速進(jìn)入海上風(fēng)電領(lǐng)域。同時，將海洋油氣開發(fā)與海上風(fēng)電、天然氣發(fā)電、電解水制氫等進(jìn)行一體化協(xié)同。

4 結(jié)束語

全球應(yīng)對氣候變化行動正在對油氣行業(yè)產(chǎn)生廣泛而深刻的影響，油氣井鉆完井低碳轉(zhuǎn)型與加大碳減排力度也成為必然趨勢。鉆完井作業(yè)過程碳減排總體還處于初期階段，尚無統(tǒng)一的解決方案，升級改造鉆機(jī)與壓裂泵車動力系統(tǒng)、提升裝備動力管理自動化水平、加大儲能技術(shù)在鉆完井中的應(yīng)用、推廣鉆完井自動化與遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)、探索鉆完井作業(yè)與海洋新能源技術(shù)耦合是碳減排的重要方向。我國油氣公司要根據(jù)區(qū)域政策、自身技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)性，多措并舉，強(qiáng)化鉆完井全過程碳排放監(jiān)測與管理，推動低碳高效工程技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，加快鉆完井作業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，加強(qiáng)與新能源企業(yè)的合作，不斷提升低碳運營能力，以經(jīng)濟(jì)高效的方式實現(xiàn)低碳發(fā)展，支撐油氣綠色低成本開發(fā)利用。

致謝：論文撰寫過程中，中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司光新軍博士、閆娜博士幫助完成了資料收集工作，在此表示感謝！