油氣田開發(fā)的可再生能源利用模式

龍源（北京）太陽能技術有限公司

目前全球步入第三次能源轉型，世界能源體系中能源消費結構持續(xù)清潔化，可再生能源的大規(guī)模開發(fā)和利用成為不可逆的新能源發(fā)展趨勢。伴隨中國經濟由高速度向高質量的階段性轉變和可再生能源技術的快速發(fā)展，我國企業(yè)能源的發(fā)展也出現了新思路和新契機[1]。分布式可再生能源具有“就近取材，本地消納”的特點，使得其供能具有簡單、高效、靈活、可靠的優(yōu)勢，在今后能源應用中的比重會逐步提升。因地制宜地發(fā)展分布式可再生能源，實現綠色轉型、低碳發(fā)展戰(zhàn)略是各大中型企業(yè)的外在要求，也是獲取長期發(fā)展競爭優(yōu)勢的內在需要。

大中型企業(yè)的可再生能源利用需要將其所具有的資源特性和應用需求相結合，因地制宜地制定能源利用模式，挖掘應用潛力，形成可復制、可推廣的建設模式，發(fā)揮其經濟、社會和環(huán)境價值[2]。本文以地面油氣田開采企業(yè)為例，根據其資源特點論述了可再生能源利用的特點和模式。

1 可再生能源開發(fā)優(yōu)勢

我國油氣田開采企業(yè)因其礦產資源、生產技術等特點，在可再生能源開發(fā)利用方面具有巨大的潛力，主要有以下幾方面優(yōu)勢：

（1）自然資源豐富。我國太陽能資源分布是西北高、東南低，而風能資源分布是北高、南低，我國油氣田礦權區(qū)剛好處于較有利的資源品質區(qū)。對于太陽能和風能利用，油區(qū)范圍內井場分布廣，閑置土地較多，土地是優(yōu)勢，可用于光伏及風力發(fā)電站的規(guī)劃布局。油氣田礦權區(qū)內4 000 m以淺地熱資源量折合標煤1.08×1012t，占全國總資源量的三分之二以上，優(yōu)質地熱資源主要分布在華北、冀東、大港、大慶、遼河、吉林等油田；而且每年采出水的余熱能約為177×104t標煤，余熱能資源也十分豐富。

（2）消納潛力大。油田開發(fā)企業(yè)既是能源生產大戶，也是能源消耗大戶，未來隨著開發(fā)難度增大，能耗仍呈上升趨勢；因此從另一個角度看，油田開發(fā)企業(yè)也是清潔能源替代潛力大戶。油氣田具備用能市場龐大、電力消納能力強等有利優(yōu)勢，清潔能源利用模式將成為油氣田生產節(jié)能降耗、提質增效的重要方向。

（3）技術發(fā)展相對成熟。近年來隨著國家各項產業(yè)技術的不斷發(fā)展，在地熱開發(fā)、余熱利用、風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電等方面技術水平不斷提高，已進入技術成熟期，光伏發(fā)電和風力發(fā)電成本近幾年大幅下降，為油氣田開展清潔能源利用提供了有利條件。

2 可再生能源典型利用模式

我國石油企業(yè)正處于提質增效轉變階段，在油田開發(fā)需求不斷增加的同時，能源需求也顯著提升，為可再生能源的發(fā)展提供了契機。隨著可再生能源技術進步，可再生能源在企業(yè)發(fā)展需求十分巨大。

在可再生能源的利用模式中，一種簡單的方式是按照用能類型對可再生能源利用模式進行劃分?？稍偕茉吹湫屠媚Ｊ教卣魅缦拢?/p>

（1）風力發(fā)電。以風能為可再生能源發(fā)電，根據風能發(fā)電單機容量大、占地面積小的特點，利用油田自用土地以及生產用電消納能力，建設分布式風力發(fā)電站。

（2）太陽能光伏發(fā)電。以太陽能光伏為可再生能源發(fā)電，根據光伏發(fā)電單位容量小、建設容量靈活的特點，利用自用土地集中建站，也可以在生產場站、辦公區(qū)屋頂、空場等閑置場地分散建設。

（3）地熱供熱能。根據地熱溫度，高溫地熱可進行直接換熱應用，低溫地熱可采用循環(huán)熱泵提取熱能供生產站場、生活及辦公區(qū)用熱。

（4）余熱供熱能。工業(yè)余熱采用循環(huán)熱泵提取熱能供生產站場、生活及辦公區(qū)用熱。

各油氣田因其特征和條件具有很多相似之處，在可再生能源開發(fā)及利用模式上也具有可復制性。通過充分結合油田生產生活方式、消納能力、電網建設水平以及可再生能源資源情況，制定開發(fā)規(guī)模和利用模式方案，并將可再生能源在各油田的利用模式與其當地的經濟、社會、生態(tài)和環(huán)境綜合效益相結合[3]。

根據可再生能源工程案例信息分析結果，不同能源利用模式的應用具有相應的條件要求。

風能、光伏發(fā)電模式的一般要求：比較充足的建設場地；風能或太陽能資源豐富，保證較低的發(fā)電成本；建設地用電負荷比較穩(wěn)定，能消納所發(fā)電量。

地熱及余熱供能模式的一般要求：建設地要有比較充足的熱能資源，保證較低的供能成本；建設地有相對集中的生產、生活用熱需求。

3 應用場景分析

3.1 分布式集中風能、光伏發(fā)電

油田用電主要為油氣開采和油、氣、水處理站場用電，具有用電總量多、用電地點分散、單一站場用電量小的特點，以油氣生產站場以及35 kV變電站為依托的新能源開發(fā)難以形成規(guī)模。因此，集中式的新能源發(fā)電站應依托于油田110 kV變電站，利用油田礦權區(qū)的閑置土地建設。分布式集中風能、光伏發(fā)電站以就地消納、不向上一級國家電網輸送電量為原則，其建設規(guī)模應按照規(guī)范GB/T 33593—2017《分布式電源并網技術要求》執(zhí)行，發(fā)電容量不大于接入變電站（110 kV變電站）的最小運行負荷[4]。油田電網太陽能、風力發(fā)電系統(tǒng)框架見圖1。

結合油田電網的實際情況，最大程度開發(fā)油田電網的接入及消納潛能，逐步建設油田電網新能源發(fā)電裝機規(guī)模。按各油田總規(guī)劃建設光伏發(fā)電、風力發(fā)電站，總裝機容量可達到1 GW以上，預計將實現年發(fā)電量15.2×108kWh，節(jié)約標煤50.7×104t。

圖1 油田電網太陽能、風力發(fā)電示意圖Fig.1 Schematic diagram of solar and wind power generation

3.2 分布式小型光伏發(fā)電

油田的各類站場數量大，在運各站場的廠房、辦公樓的屋頂以及廠區(qū)內閑置的空地等可利用面積較大。另外，隨著油田滾動開發(fā)，部分站場及大量的油水井廢置，但其土地使用權仍為油田所有，這些可利用資源的主要特點是數量多、面積小[5]，適合建設小型分布式光伏發(fā)電項目，其中閑置站場空間以及廢置站場，按照其面積可建設的光伏項目裝機容量為100～1 000 kW，廢棄油水井井場可建設光伏裝機容量為30～80 kW。

小型光伏發(fā)電系統(tǒng)采用太陽能發(fā)電與交流低壓電網并網的供電方式。太陽電池方陣在太陽光輻照下發(fā)出直流電，經逆變器轉換為交流電，與交流電網并網供電。其原理如圖2所示。

圖2 微電網供電系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of microgrid power supply system

3.3 油田采出水余熱利用

油田開發(fā)進入中后期，油田采出水量越來越大，采出水具有水量大且穩(wěn)定、分布點相對集中、溫度較高、熱源充足且質量較好等特點，而其中蘊含的大量熱能并沒有得到有效回收和利用。污水余熱利用的潛力很大，在聯(lián)合站、轉油站等站場中，油氣集輸處理過程以及管線伴熱等生產用熱和站內采暖與制冷輔助用熱需要大量的熱能，利用油田地下采出水作為低溫熱源，通過熱泵技術置換出高品位熱源，取代常規(guī)制熱、加熱及制冷等裝置，節(jié)約原油、天然氣和原煤等常規(guī)化石能源的消耗，實現清潔能源替代、低碳環(huán)保、降低運行成本的目標，從而實現資源的有效回收與合理利用。熱泵工藝示意圖見圖3。

圖3 熱泵工藝示意圖Fig.3 Heat pump process diagram

油田結合自身生產情況，有效利用熱泵余熱回收技術，提取含油污水蘊藏的熱能，將其合理利用到生產伴熱和冬季供暖中。常規(guī)油田采出水溫度一般在35～45 ℃左右，據測算，油田采出水量約13.6×108m3，按照溫度平均下降10 ℃、回收利用效率80%計算，可回收利用的熱能約為115×104t標煤，相當于目前在用加熱爐各種燃料消耗總和的28%。

3.4 油田長關低效井地熱

油田生產過程中，部分油井的采出液含油量過低，失去開采價值，長期處于關閉狀態(tài)，因此可以利用油田長關低效井直接從地層取熱為地面建筑物冬季采暖提供熱源。通過將油田長關井改造作為取熱井，采取“取熱不取水”方式，單井循環(huán)取熱，套管注水、芯管出水（圖4）。井內安裝換熱芯管并與地面熱泵連接為地面建筑供熱。例如，采用1口井深為2 150 m、射孔頂深為1 850 m的常關井為辦公區(qū)及車庫進行供暖，核算供暖面積按2 000 m2計算。供暖初期，換熱孔出水溫度為22.2 ℃，進水溫度為5.1 ℃；極寒天氣時，換熱孔出水溫度約為18 ℃，進水溫度約為4 ℃；熱泵出水溫度為45 ℃，回水溫度為35 ℃。供暖室內溫度可達18～21 ℃。

圖4 單井循環(huán)取熱工藝示意圖Fig.4 Single well circulation heat extraction process

采用油田長關低效井地熱供熱，可有效利用油田的閑置資源，將深層的地熱資源通過熱交換的方式得以利用，按上述規(guī)模改造長關低效井1口井，估算費用約為100萬元，預計每年可減少化石能源消耗折算標煤56.9 t，節(jié)省供暖費用5.6萬元。

4 結束語

本文基于大量調研案例和實際數據，通過選取各油田的典型案例，探討了可再生能源典型利用模式應用價值。在油田發(fā)展可再生能源系統(tǒng)需要改變能源利用模式與方式，應根據各地區(qū)的實際地理及地址的自然情況，結合油田生產的實際用能和土地資源狀況，合理地制定可再生能源的利用方案。通過因地制宜地探索可再生能源的綜合梯級利用，實現多能源互補利用應用模式的建立與推廣[6]，并在不同行業(yè)中開展典型分布式供能系統(tǒng)工程示范。