宋曙光 張翀焱（中國石油集團電能有限公司生產(chǎn)運行部）

1 概述

我國提出“雙碳”目標以來，新能源技術(shù)得以迅猛發(fā)展，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了更多的重視。中國石油各個油氣田單位既是能源生產(chǎn)大戶，也是能源消耗大戶。松遼盆地位于高緯度亞寒帶，氣候條件相對惡劣，且原油物性屬“三高”原油，綜合含水率高達95%，導(dǎo)致生產(chǎn)能耗及成本高[1-2]。以大慶油田為例，2022年生產(chǎn)用能總量378.1×104tce，占比達到60%以上。能源實物量有：天然氣、電、原煤、原油、汽油、柴油、熱力等，主要為天然氣（占49.4%）和電力消耗（占38.6%）。碳排放量居高不下，2022 年為1 840×104t，占上游板塊的30%，減碳降碳任務(wù)艱巨。

根據(jù)開發(fā)部署，按照當前用能情況，綜合考慮目前的技術(shù)發(fā)展水平，新建系統(tǒng)以當前技術(shù)發(fā)展最高水平建設(shè)考慮，已建系統(tǒng)在不采取各種節(jié)能措施的情況下，對大慶油田用能趨勢進行預(yù)測見表1。2025 年生產(chǎn)用能總量將達到410.20×104tce，其中耗電量為129.95×108kWh，耗氣量16.82×108m3。近年來，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、源網(wǎng)荷儲一體化以及儲能技術(shù)不斷更新迭代，具有了極為廣闊的應(yīng)用空間[3-4]。在油田生產(chǎn)用能領(lǐng)域，采用新能源技術(shù)替代或部分替代原有用能技術(shù)，將極大地滿足新能源快速發(fā)展和節(jié)能減排的雙重需要。

2 油田高耗能領(lǐng)域分析

生產(chǎn)用熱和生產(chǎn)用電主要集中于機采、集油、處理、注水四大生產(chǎn)系統(tǒng)。生產(chǎn)用熱以天然氣消耗為主，由于高寒地區(qū)的原油凝固點高，90.1%熱耗用于集油和處理系統(tǒng)；生產(chǎn)用電33.97%用于機采系統(tǒng)，34.01%用于注水系統(tǒng)，15.35%用于集油和處理系統(tǒng)。

2.1 鉆井作業(yè)

鉆井作業(yè)是油氣開發(fā)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，在用能方面存在的主要問題有3 個：采用柴油發(fā)電，低效率高耗能，燃油消耗成本占比達到30%；鉆井區(qū)域偏遠，電網(wǎng)無法有效支持；鉆井工況惡劣，設(shè)備功率高，功率波動較大，能量轉(zhuǎn)化效率低。

應(yīng)用新能源技術(shù)的主要解決思路是以風(fēng)、光發(fā)電作為電網(wǎng)薄弱地區(qū)的補充，或者以儲能作為鉆井用電功率尖峰的支撐，或以清潔氣電動機組作為調(diào)峰備用。從國內(nèi)外新能源技術(shù)成熟度和建設(shè)成本來看，最適合于油田的方法是供電系統(tǒng)采用天然氣機+大型光儲系統(tǒng)取代柴油機組。其中采用天然氣可以實現(xiàn)降本增效、降低碳排放的作用；采用混合大型儲能系統(tǒng)，能夠滿足設(shè)備大功率需求，同時能量回饋節(jié)能作用，可降低能源損耗；采用風(fēng)力或光伏發(fā)電，能夠增加綠電，降低碳排放，同時給鉆井區(qū)域其他設(shè)施提供穩(wěn)定電源[5]。

鉆井作業(yè)應(yīng)用新能源技術(shù)需要考慮2 方面：①適用于油田惡劣環(huán)境，在設(shè)計階段采用集裝箱化設(shè)計，便于系統(tǒng)隨鉆機移動；②在功能上需要具備“黑啟動”功能，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制。這一方案實施后，預(yù)計減少柴油消耗量和CO2排放量將達到25%以上，并能在根本上解決鉆井作業(yè)的高耗能問題。

2.2 抽油機作業(yè)

目前為止，油田的抽油機大多為游梁式抽油機，能耗在采油成本中占比較大，電耗約占油田總耗電的40%，部分采油單位電耗比例更高。抽油機能耗問題有：大功率電動機功率波動大、功耗大；偏遠區(qū)域，電網(wǎng)配電成本高；普遍存在倒發(fā)電現(xiàn)象，平衡配重動態(tài)無法調(diào)整；工頻井饋能無法二次利用，變頻井饋能通過制動電阻消耗，致使大量的電能浪費。

新能源技術(shù)的應(yīng)用主要在井場周邊配備風(fēng)光儲一體化儲能系統(tǒng)，通過變頻精細調(diào)節(jié)以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，利用風(fēng)光發(fā)電儲存電能、降低電網(wǎng)配電成本，適用于油田惡劣環(huán)境。通過一體化系統(tǒng)配置、智能化控制滿足遠程控制和數(shù)字油田要求。有研究表明，新能源在采油井場的應(yīng)用，會使無功需求降低79%，變壓器容量需求降低78%，油區(qū)電網(wǎng)供電半徑擴大35%，油田區(qū)域線路損耗降低91%，耗電量降低30%[6]。

2.3 修井機作業(yè)

油田修井作業(yè)廣泛使用柴油修井機，因其傳動復(fù)雜，傳動效率不足80%，能量利用率只有40%，碳排放量高。存在主要問題有：柴油機傳動效率低，工作效率差，66%時間出于空載狀態(tài)，能量浪費巨大，冬天尤甚；作業(yè)時噪音大，最大噪音達到120 dB；環(huán)境污染嚴重，每臺350 型修井機每年碳排放可達94.8 t，排放量較高。

用能終端再電氣化，尤其是綠電的應(yīng)用，將會產(chǎn)生更好的效果。目前“油改電”在油田應(yīng)用范圍擴大。在修井作業(yè)方面采用純電動修井機，可實現(xiàn)零碳排放，設(shè)備利用率高，維護周期長；采用混合動力修井機，油電混合動力節(jié)能降耗，改造老舊機車設(shè)備再利用，適用與惡劣工作環(huán)境，滿足不間斷作業(yè)。預(yù)計將節(jié)約燃料費用70%以上，勞動強度降低60%，噪聲降低20 dB[7]。

2.4 油氣輸送管道系統(tǒng)

油氣輸送管道系統(tǒng)總體能耗巨大，能耗費用約占全部運行成本的25%，油氣管道輸送各站場內(nèi)運行設(shè)備供電可靠性和穩(wěn)定性對維持油氣管道正常輸送至關(guān)重要。存在的主要問題：壓縮、泵送功耗大，能耗占比達60%以上；照明、加熱、空調(diào)功耗設(shè)施多，熱媒爐、鍋爐等加熱設(shè)備碳排放量大；智能化控制度較低，無法實時監(jiān)測輸送管道線路運行情況。

油氣輸送管道節(jié)能減排方案主要考慮采用光儲充一體化設(shè)計儲能系統(tǒng)，替代燃油發(fā)電設(shè)備，降低碳排放；采用鈦酸鋰電池，安全、寬溫，可提供大功率；與市電相結(jié)合，滿足設(shè)備不間斷供電，同時給站區(qū)其他設(shè)施提供穩(wěn)定電源[8]。

2.5 注水系統(tǒng)

特高含水期注采關(guān)系復(fù)雜、動態(tài)非均質(zhì)增強，用于注水系統(tǒng)的用電能耗占比達到34.01%，變工況、非穩(wěn)態(tài)條件下，壓力、水量變化頻繁，注采方案調(diào)整頻率上升，測調(diào)工作量加大，地面優(yōu)化運行難度大。由于開發(fā)對象的差異，每口注水井要求的注水壓力和注水量不同，但注水系統(tǒng)壓力只能就高限，通過井口或管網(wǎng)節(jié)點閘門節(jié)流來調(diào)節(jié)，閥組調(diào)節(jié)損失占系統(tǒng)能耗一半。

注水系統(tǒng)是油氣開發(fā)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電氣化程度較高，節(jié)能減排主要考慮兩方面：一是負荷智能化，實現(xiàn)柔性化控制；二是優(yōu)化工藝，與風(fēng)光新能源以及儲能裝置構(gòu)成綠色低碳開采工藝。針對綠電非穩(wěn)態(tài)供電條件，結(jié)合復(fù)雜工況注水系統(tǒng)工藝特性、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點和井下分注井用電實際，進行中高滲透油藏變工況注采調(diào)整技術(shù)集成與試驗，配套工程技術(shù)與綠電耦合電氣化再造，實現(xiàn)注水系統(tǒng)用電柔性化，用電負荷可調(diào)至80%，基礎(chǔ)能耗下降5%。

2.6 集油和處理系統(tǒng)

集油系統(tǒng)能耗位居四大生產(chǎn)系統(tǒng)首位，占油氣田生產(chǎn)總能耗的60.04%。從天然氣消耗構(gòu)成來看，81.6%用于集油系統(tǒng)生產(chǎn)用熱消耗，現(xiàn)有集油工藝流程已無法改變能耗及碳排放持續(xù)上升的趨勢，傳統(tǒng)節(jié)能提效手段已無潛力可挖，以天然氣為主的能耗結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)方式無法實現(xiàn)與清潔能源規(guī)模利用有效融合。

為此，采用穩(wěn)定工況下的常溫和低溫集油方式，形成穩(wěn)態(tài)低溫集油定期調(diào)節(jié)優(yōu)化運行技術(shù)；采用正壓精準配風(fēng)燃氣加熱爐，設(shè)計熱效率不低于90%，長期運行效率不低于88%，井口或站場采暖（加熱清水）電加熱爐功率低于1 MW；終端采用“電熱+儲放熱”長效供熱技術(shù)，形成與綠電不平穩(wěn)供能匹配的低基礎(chǔ)能耗變工況集油系統(tǒng)低碳生產(chǎn)技術(shù)及安全運行機制，實現(xiàn)柔性化安穩(wěn)生產(chǎn)，提升綠電消納能力，提高集油系統(tǒng)清潔能源利用量和天然氣商品率。

3 新能源技術(shù)的應(yīng)用方向

3.1 油田用能整體源網(wǎng)荷儲技術(shù)

源網(wǎng)荷儲是以“電源、電網(wǎng)、負荷、儲能”為整體規(guī)劃的新型電力運行模式。過去的電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)控主要采取“源隨荷動”的模式，當用電負荷突然增高時，一旦電源側(cè)發(fā)電能力不足，就會出現(xiàn)供需不平衡問題以致嚴重影響電網(wǎng)的安全運行。隨著構(gòu)建新型電力系統(tǒng)步伐加快，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源在能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中比重不斷提升，但其波動性、間歇性和隨機性特點也給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。而“源網(wǎng)荷儲”可促進供需兩側(cè)精準匹配，最大化利用清潔能源，有效解決清潔能源消納及其產(chǎn)生的電網(wǎng)波動性等問題，提高了電力系統(tǒng)綜合效率[9-10]。

發(fā)揮油田已建電網(wǎng)、負荷平穩(wěn)、自有土地等優(yōu)勢，形成“風(fēng)+光+氣+儲”設(shè)計布局，利用“源網(wǎng)荷儲”一體化技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能減排。

“源”：利用自備電廠的支撐調(diào)峰能力，協(xié)同加快推進風(fēng)光發(fā)電新能源建設(shè)，從電源端逐步進行清潔低碳、綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展。

“網(wǎng)”：利用油田已建增量配電網(wǎng)的三層電網(wǎng)架構(gòu)及電網(wǎng)現(xiàn)有資源，對35 kV、6 kV、380 V 電壓等級分別進行新能源布局。

“荷”：利用油田長期穩(wěn)定負荷，確定最優(yōu)化風(fēng)光互補配比，最大限度提高新能源接入比例，實現(xiàn)所發(fā)綠電就地消納。

“儲”：結(jié)合分布式風(fēng)光發(fā)電站建設(shè)，布局儲能設(shè)施，協(xié)同燃氣調(diào)峰電站，進一步加大風(fēng)光裝機規(guī)模。各電壓等級新能源部署技術(shù)路線見圖1。

圖1 各電壓等級新能源部署技術(shù)路線Fig.1 Technical roadmap for new energy deployment at different voltage levels

3.2 多能互補技術(shù)

多能互補是按照不同資源條件和用能對象，采取多種能源互相補充，以緩解能源供需矛盾，合理保護和利用自然資源，同時獲得較好環(huán)境效益的用能方式。

多能互補的特點主要有：一是包含了多種能源形式，構(gòu)成豐富的供能結(jié)構(gòu)體系；二是多種能源之間相互補充和梯級利用，達到“1+1＞2”的效果，從而提升能源系統(tǒng)的綜合利用效率，緩解能源供需矛盾。

圍繞油田生產(chǎn)用能實際需求，以新型電力系統(tǒng)為基礎(chǔ)，不斷提高生產(chǎn)用綠電占比，充分利用余熱，加快開發(fā)地?zé)幔⑼ㄟ^終端用能再電氣化等多種用能形式組合，應(yīng)用電、熱、光、氣“多能互補”的綜合技術(shù)，全面提高油田節(jié)能水平。油田多能互補技術(shù)應(yīng)用示意圖見圖2。

圖2 油田多能互補技術(shù)應(yīng)用示意圖Fig.2 Application of multi-energy complementary techniques in oilfields

3.3 CCUS 技術(shù)

CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage）是指碳捕集、封存及再利用技術(shù)。二氧化碳（CO2）捕集與封存利用是指將CO2從工業(yè)過程、能源利用或大氣中分離出來，直接利用或注入地層以實現(xiàn)CO2永久減排的過程。作為應(yīng)對全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一，CCUS 技術(shù)將CO2從源頭捕獲、提純繼而循環(huán)再利用，或者封存于地下，從而平衡CO2對氣候產(chǎn)生的消極影響。

CCUS 技術(shù)在CO2捕集與封存（CCS）的基礎(chǔ)上增加了“利用（Utilization）”，這一理念是隨著CCS 技術(shù)的發(fā)展和對CCS 技術(shù)認識的不斷深化，在中美兩國的大力倡導(dǎo)下形成的，目前已經(jīng)獲得了國際上的普遍認同。CCUS 按技術(shù)流程分為捕集、輸送、利用與封存等環(huán)節(jié)各油田CCUS評價對比見表2。

表2 各油田CCUS 評價對比Tab.2 CCUS evaluation for each oilfields

CCUS 是國際公認的三大減碳途徑之一，是目前實現(xiàn)大規(guī)?；茉戳闩欧爬玫奈ㄒ贿x擇。通過燃煤、燃氣電廠（或煉廠）設(shè)置CO2捕集、提純工業(yè)設(shè)施，利用管道將CO2輸送到具備驅(qū)油用油區(qū)塊，再通過CO2增壓、注入等工藝設(shè)施注入地層，既實現(xiàn)CO2的埋存，又起到驅(qū)油和提高采收率的作用。

大慶油田CCUS 潛力儲量5.53×108t，其中長垣外圍油田5.14×108t，全部為非混相驅(qū)；海拉爾油田0.39×108t，其中混相驅(qū)0.3×108t，非混相驅(qū)0.09×108t。上述儲量全部實施CO2驅(qū)，CO2可埋存共計2.5×108t。

通過優(yōu)選和評價，在大慶油田開展CCUS 建設(shè)以達成節(jié)能減排的目標。

3.4 生產(chǎn)用熱終端再電氣化

風(fēng)能、太陽能等新能源大規(guī)模開發(fā)利用，電能持續(xù)在工業(yè)、交通、建筑等終端能源消費領(lǐng)域滲透，再電氣化已成為不可逆轉(zhuǎn)的全球化趨勢。再電氣化是指在能源生產(chǎn)側(cè)實施清潔替代，以低碳能源代替高碳能源；在能源消費側(cè)實施電能替代，推動清潔電力的大范圍使用，以電為中心、電力系統(tǒng)為平臺，建設(shè)高度電氣化社會。

油田利用區(qū)域綠電電價優(yōu)勢，提高終端再電氣化率，應(yīng)用綠電加熱替代燃氣加熱，增加綠電消納能力，減少碳排放量。

一方面，從碳排放角度出發(fā)，在天然氣電氣化過程中存在碳排放平衡點。按東北區(qū)域年平均電網(wǎng)火電（含煤電、氣電）用量基礎(chǔ)上考慮綠電占比，當綠電占比達到77.7%時考慮“電替代天然氣”更具減排屬性。目前大慶油氣業(yè)務(wù)終端電氣化率約為39.1%，還尚未達到碳排放平衡點。

另一方面，由于天然氣是生產(chǎn)合成氨、甲醇、乙炔、氯甲烷等下游加工產(chǎn)品的化工原料，中石油持續(xù)提倡有效控減天然氣一次能源消耗、提升油氣商品率，助力國家能源安全保障能力的提升。上游業(yè)務(wù)“十四五”末天然氣商品率目標是95%，大慶油田由于產(chǎn)氣量低，且地處高寒地區(qū)耗氣量高，目標只有75%?；谔嵘烊粴馍唐仿实钠惹幸螅叫柩邪l(fā)生產(chǎn)用熱終端電氣化設(shè)備，提高生產(chǎn)用熱終端的電氣化率。

3.5 新能源微電網(wǎng)

新能源微電網(wǎng)是利用風(fēng)、光、生物質(zhì)、天然氣等多種可再生能源，通過能量存儲和優(yōu)化配置實現(xiàn)本地能源生產(chǎn)與用能負荷基本平衡，通過冷、熱、電等多能融合，實現(xiàn)可再生能源的充分消納，構(gòu)建智慧型能源綜合利用局域網(wǎng)。

油氣田的開發(fā)建設(shè)大多位于國家電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱地區(qū)，電網(wǎng)供電能力相對不足；同時，也意味著對新能源的消納能力不足，無法進一步提高綠電規(guī)模，制約了油田后續(xù)形成規(guī)?；男履茉串a(chǎn)業(yè)布局及更高的清潔能源利用率。智能微電網(wǎng)是以可再生能源為主、多能源綜合利用為目標的發(fā)電形式，電源構(gòu)成以風(fēng)光等新能源為主，儲能裝置作為智能微電網(wǎng)主力電源支撐，最大程度使用風(fēng)、光供電，功率盈缺優(yōu)先用儲能進行調(diào)節(jié)，當風(fēng)、光儲不足以供電時，使用電網(wǎng)購電。微電網(wǎng)與大電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制，微電網(wǎng)模擬虛擬電廠運行，建立油田內(nèi)部電力交易市場機制。探索可編程負荷模式、邀約-響應(yīng)模式在油田的適用性。大慶油田電網(wǎng)共有32 座110 kV 變電站、282 座35 kV 變電站及3 座自備電廠，未來通過微網(wǎng)系統(tǒng)進行群控群調(diào)，形成多個變電站間的電量互補，可進一步提高整個油田電網(wǎng)的自治率；以更多的綠電取代化石能源消耗，節(jié)約天然氣和外購電力，減少碳排放量，實現(xiàn)低碳生產(chǎn)，響應(yīng)集團公司“清潔替代、戰(zhàn)略接替、綠色轉(zhuǎn)型”三步走的總體部署。

4 結(jié)語

新能源技術(shù)發(fā)展迅猛，其技術(shù)成熟度和建設(shè)成本已達到工程化應(yīng)用的程度。油田各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的節(jié)能減排是一個持續(xù)改進、不斷優(yōu)化的長期過程，在不同的生產(chǎn)領(lǐng)域、生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在不同的難點。在各生產(chǎn)場景中應(yīng)用新能源技術(shù)，需適應(yīng)惡劣的環(huán)境和復(fù)雜的地貌，實施先進的管理制度，與油氣生產(chǎn)相匹配的技術(shù)融合，以及經(jīng)濟性和穩(wěn)定性等，這些都需要統(tǒng)籌考慮。整體而言，通過對油田高耗能領(lǐng)域的各個應(yīng)用場景的分析和研究，以及在整體用能方面以風(fēng)電、光伏、儲能為代表的新能源技術(shù)的綜合應(yīng)用，同時系統(tǒng)采用“源網(wǎng)荷儲”一體化、多能互補、CCUS 技術(shù)、生產(chǎn)用熱終端再電氣化、新能源智能微電網(wǎng)等技術(shù)集成，將為油田節(jié)能減排工作探索出一條可持續(xù)、可操作的新思路和新方法[11-12]。