“雙碳”背景下油氣田節能技術發展與展望

陳由旺*，吳浩，朱英如，魏江東，馬建國

（1.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院；2.中國石油勘探與生產分公司）

0 引言

目前，中國能源利用效率僅為33%，較發達國家低約10個百分點［1］。國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會宣布，中國二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值，努力爭取在 2060年前實現“碳中和”。在此背景下，油氣田作為傳統化石能源企業，又是能量消耗大戶［2］，綠色低碳發展勢在必行，油氣田節能技術在新的需求刺激下將迎來大發展和新突破。

1 節能技術進展

“十二五”以來，隨著油氣田節能工作的不斷深入，結構節能和管理節能挖潛難度越來越大，對技術節能的需求越來越強烈，促進油氣田節能技術不斷發展，取得了較大進步。

1.1 成熟節能技術推廣應用

中國石油天然氣集團有限公司（簡稱中國石油）各油氣田通過節能專項資金建設節能工程，實施節能技術改造項目，建立節能示范工程。節能抽油機、常溫集輸、高效加熱爐、放空天然氣回收等節能技術得到推廣應用，提高了系統運行效率［3-4］。

1.1.1 機采系統

常規有桿采油形成了異型游梁式、下偏杠鈴等系列節能抽油機和數字化抽油機；新型無桿采油形成了電動潛油柱塞泵、直驅螺桿泵等技術。應用了變頻調速、永磁、開關磁阻、高轉差電機、潛油直線電機等各種節能電機，以及以電機再制造、非晶合金等高效電機淘汰落后低效電機。利用機采系統優化軟件，對抽油機的沖程、泵掛深度、平衡度等參數進行優化及智能間開控制，提高機采系統效率。

1.1.2 注水系統

應用了系統仿真優化運行、分質分壓注水、局部增壓、周期注水和柱塞注水泵帶載啟動等節能技術；實施了注水泵減級、切削葉輪、泵涂膜，高壓變頻調速、磁力耦合調速、前置泵串級調速等節能技術。

1.1.3 集輸系統

在高含水油田，根據條件不同，形成了單管不加熱集油、采出液低溫脫水等不加熱集輸技術；研發了不同的放空氣回收裝置和工藝，如移動式套管氣回收裝置、電加熱式套管氣調壓回收裝置、定壓放氣閥回收裝置、CNG（壓縮天然氣）罐車回收技術等。在氣田，應用了井下節流工藝技術和集輸優化，減少地面加熱加壓能耗。

1.1.4 熱力系統

推廣應用了真空相變、冷凝式加熱爐等高效加熱爐；加熱爐改造應用了高效燃燒器、遠紅外線節能涂料、蒸汽干度自動控制、熱管換熱器、煙氣余熱冷凝回收等節能技術。

1.1.5 供配電系統

應用了高效節能變壓器、高低壓動態無功補償、饋線自動調壓、電網優化運行、智能電網等節能技術。

1.2 關鍵節能技術攻關進展

中國石油在集團公司層面設立了科技項目和課題，開展高含水、低滲透、稠油、加熱爐提效等節能關鍵技術研究課題，攻關能效對標、能量系統優化、能源管控和重點耗能設備提效等關鍵技術瓶頸；同時建立節能技術評價方法和節能技術數據庫，篩選發布技術推廣目錄，推進節能技術的推廣應用。

1.2.1 油氣田能效對標技術

提出了油氣田生產全過程能效對標方法，設計能效對標指標體系，涵蓋機采、集輸、注水等生產系統，建立能效標桿篩選方法，建成了能效指標數據庫和最佳節能實踐庫，開發能效對標系統平臺，為油氣田及基層站隊開展能效對標提供了方法和工具，攻克了油藏類型多、開發工藝差別大、指標可比性差等難題，形成了能效對標改進長效機制，為企業節能挖潛提供了技術支撐。

1.2.2 加熱爐及熱力系統提效技術

研制了分體式殼程自動清垢相變加熱爐、盤管式自動清垢相變加熱爐、冷凝式加熱爐和反燒式井場高效加熱爐等新型加熱爐，創新強旋流燃燒場三維非穩態數值模擬技術、注汽鍋爐在線監測等關鍵技術，篩選加熱爐改造提效技術。解決了制約加熱爐長周期高效運行的瓶頸難題。此外，孫航［5］提出了優化加熱爐清淤除垢周期和高效加熱爐節能涂料結合的技術，有效提高了加熱爐熱效率。

1.2.3 油氣田能源管控技術

建立了能源管控5個成熟度分級模型（計量級、監測級、分析級、優化級和智能級）和能源管控策劃、實施與檢查的基本方法；提出了油氣田企業的能源管控模式，規定了各個能源管控等級的技術要求；研發了油氣田全廠級能源管控系統軟件，在大慶慶新油田建立示范工程，實現生產及能耗數據采集、異常報警、診斷分析、措施工單實施與追蹤、效果評價等能源管控功能，能源效率顯著提高。

1.2.4 油田能量系統優化技術

創新形成了稀油油田地面全流程用能評價方法及優化方法，開發了油田能量系統優化系列軟件（機采系統優化、注水系統優化、集輸系統優化等），建立了油田能量系統優化管理系統平臺，編制了企業標準和管理辦法，建設了大慶油田第四采油廠油田能量系統優化示范區，為油田推廣應用能量系統優化提供了技術支撐和管理支持。

1.2.5 余熱余壓高效利用技術

研制了注汽鍋爐“一拖二”余熱冷凝回收裝置，運行時率由53%提高至82%；建立了注汽管道熱耦合的數學模型，研發了管網保溫設計模擬軟件，解決了復雜保溫結構下的設計優化問題；研制了氣田壓差發電及電磁加熱一體化裝置，裝置由壓差發電機組、高頻電磁加熱裝置、智能控制單元和各類閥門及濾網組成，在長慶油田進行現場試驗，裝置發電功率達到15 kW。

1.2.6 整體式壓縮機提效技術

建立了基于排煙氧含量的空燃比在線控制模型，研制了由空氣進氣調節機構、傳感器和控制終端3部分組成的整體式壓縮機空燃比調控裝置，在長慶蘇里格氣田現場試驗，燃料氣消耗量減少3.3%；在國產整體式壓縮機上開展稀薄燃燒模擬分析、方案設計和廠內改造，研制了燃氣發動機稀薄燃燒裝置和配套工藝，通過西南油氣田重慶氣礦的現場試驗，燃料氣消耗量下降3.61%～7.94%，同時改善了排放指標。

2 面臨的形勢和挑戰

2.1 油氣開發形勢

為保障國家能源安全，油氣田承擔著穩油增氣任務，特別是天然氣作為一種優質高效的低碳化石能源，可與風、光等可再生能源形成良性互補。油氣田開發形勢主要特點如下［6-8］：

一是老油田已進入開發后期，單井產量下降，老氣田已經進入增壓開采階段，產水量增加；強化采油措施，如三元復合驅、減氧空氣驅、SAGD（蒸汽輔助重力泄油）等，提高了采收率，但也增加了能耗和成本。

二是新建產能資源品位變差，增儲上產以非常規資源為主，單位產能建井數量大且產量遞減快，建設環境復雜、依托條件差。

三是經過幾十年的開發生產，油氣田地面工程存在點多面廣、系統負荷不平衡、管道與站場設施腐蝕老化、油氣集輸密閉率不高和數字化程度不均衡等問題。

四是隨著國民經濟持續增長和綠色低碳轉型發展需要，在資源劣質化條件下，中國油氣能源安全和保供面臨嚴峻挑戰。地面工程面臨著產能工作量大、周期短、開發落實程度低等多重不利因素和問題。

五是受資源品質變差、老區開發進入后期等因素影響，開發效益逐年變差。高質量開發面臨挑戰，對地面工程降低投資和運行成本提出了更高要求。

2.2 節能提效面臨的挑戰

“雙碳”目標事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體。節能是“第一能源”，是實現綠色低碳發展和“雙碳”目標的重要舉措。中國石油企業油氣田業務領域在穩油增氣、保障國家油氣安全的同時，面臨節能降碳、綠色轉型的嚴峻挑戰。

一是國家能耗及碳排放雙控指標、定額與限額指標等硬約束要求，將對企業完成節能降碳考核指標，乃至油氣生產經營和新建產能產生重要影響，高能耗、高排放產能將面臨淘汰，新建產能也將受到能耗和碳排放指標的約束。必須突破油氣田機、泵、爐等重點耗能設施節能提效技術和余熱余壓回收利用技術瓶頸。

二是在老油氣田自然遞減、系統負荷不平衡、站場負荷率低、運行效率低的客觀條件下，需要深入實施優化簡化，提高系統效率。因此需要攻克油氣田能量系統優化的關鍵核心技術。

三是在油氣田數字化轉型與智能化發展進程中，優化級與智能級能源管控是油氣田節能發展的重要方向，需要解決油氣田能源管控的理論方法、管理指南、技術標準、優化及智能化等技術瓶頸。

四是非常規劣質資源開采能耗高、產能遞減快，急需針對其生產運行特點，研究非常規油氣開發全流程能耗規律、節能評價模型與能耗定額，配套先進節能工藝和高效節能技術，為非常規油氣低成本高效綠色開發提供技術支撐。

3 節能技術展望

3.1 節能工藝技術

3.1.1 推廣成熟工藝技術

推廣應用機采系統優化設計以及節能高效的抽油機、電機和控制系統；推廣注水注汽優化技術；在東部高含水老油田推廣不加熱集油技術，在低滲透、小斷塊等油田應積極應用單管不加熱、串接集油、簡化計量和一體化集成裝置等技術；優化調整油田地面生產系統工藝，提高系統負荷率和設備效率；推廣蘇里格開發模式等先進建設經驗，加大軟件量油、井下節流等技術應用；通過密閉集輸改造及原油穩定，減少油氣損耗，通過天然氣深冷提效及放空氣回收，增加液烴產量，提高天然氣商品率。

3.1.2 攻關研發新技術

采油采氣方面，發展井下油水分離技術、無桿舉升等高效舉升裝備、采油采氣智能優化技術、注水注汽優化控制技術、低成本高效排水采氣技術等；攻關原料氣脫硫、脫蠟、脫汞技術，含硫氣田尾氣達標排放處理工藝；頁巖油（氣）、致密油（氣）等非常規油氣田持續完善大井組、平臺化、工廠化集約式產能建設新模式，配套低成本地面工藝技術；完善化學驅、減氧空氣驅和二氧化碳驅等配套地面工藝技術；研制油氣大型工藝設備國產化技術，如高壓天然氣離心式壓縮機、大型膨脹機、大功率油氣混輸泵、高效分離器以及耐高壓絕熱新型非金屬管材。

3.2 節能優化技術

3.2.1 油氣田能量系統優化技術

針對油氣田高含水、產液量增加、油氣產量逐步遞減的特點，積極發展稀油油田能量系統優化集成技術、稠油集輸與注汽系統及SAGD開發能量優化技術、氣田集輸系統和凈化廠能量優化技術，實現油氣田能量系統及設備的優化運行。在此基礎上，將油氣田開發作為整體進行優化，綜合油藏、開發、注采、地面工程等領域的先進技術，集成地上地下一體化優化技術，為老油田二次開發和新油田整體開發提供方法論和技術支持。此外，隨著非常規油氣生產規模的擴大，開展頁巖油（氣）、致密油（氣）等全生產過程能耗規律和節能評價方法研究，研發適應非常規生產特點的機采、集輸系統優化和節能高效裝置與技術，形成非常規油氣開發節能評價指標體系和重點提效技術。

3.2.2 余能高效利用技術

余熱余壓是油氣田余能的重要組成部分，占余能份額的90%以上。余能回收和利用技術，應大力發展高中溫余熱發電、供暖技術，低溫余熱余冷有機介質發電技術，熱泵余熱回收供熱技術，氣田余壓發電等節能高效裝置。

3.2.3 智能化能源管控技術

以油氣田互聯網信息系統和云計算為基礎，通過數字化轉型，在油氣田能源供給和消費領域，構建基于企業能源大數據的智能管控系統平臺，推動供能側多能互補、需求側智能優化響應技術應用；發展油氣井數字計量、油氣集輸管網智能運行、油氣站場智能生產優化、油氣生產智能評價決策等關鍵技術，實現油氣生產過程“實時監控、智能診斷、自動處置、智能優化”的新模式。

3.2.4 節能降碳評價與診斷技術

油氣田生產耗能是碳排放主要來源，應積極開展油氣田碳排放情景預測及“碳達峰”“碳中和”路徑研究，油氣田生產全流程碳排放強度研究，非常規油氣開發能耗規律及碳排放特征研究，基于碳排放的能耗考核評價指標、能耗定額與限額指標研究。

3.3 新能源技術

3.3.1 太陽能和風能利用技術

具有豐富太陽能、風能和土地資源的油氣田，應加強光-熱轉換技術在油氣田生產加熱工藝環節的應用，發展低成本高效光-電轉換技術、高效太陽能制氫技術和風能發電、風光互補技術。

3.3.2 地熱利用技術

油氣田具有豐富的地熱資源，需發展中高溫地熱水在油田聯合站、計量站和轉油站工業化利用配套技術，研發中低溫地熱發電技術、壓縮式熱泵技術、采出水綜合利用工藝及配套技術。

3.3.3 儲能技術

風能、太陽能和地熱能高效利用技術的發展，需要同時配套高效儲能技術，發展電轉氣大功率壓縮空氣技術、抽水蓄能技術、儲氫技術、天然氣摻氫技術、高能量密度儲熱技術等。

4 結束語

節能是實現“碳達峰”“碳中和”目標的重要著力點和關鍵支撐，技術節能是油氣田提高能源利用效率和降碳的關鍵途徑。促進油氣田節能技術發展和進步，一是要立足科技創新引領，攻關節能關鍵核心技術和裝備，形成技術儲備；二是要大力實施節能項目，推廣應用成熟先進的節能工藝和節能技術，實現規模效益；三是積極應用新能源和可再生能源技術，推進清潔能源替代；四是配套節能機制體制，激勵節能技術的創新和實施應用。