張烈輝，張安安，陳怡男，丁 寧，李 海，曲廣龍，王 濤，姚少彬

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司，四川成都610056；3.中國(guó)石油昆侖能源有限公司，四川成都610065）

2020年9月，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出“中國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。這一舉措得到國(guó)際社會(huì)的高度贊譽(yù)和廣泛支持?！半p碳”目標(biāo)的確立是中國(guó)自2016年簽署的氣候變化協(xié)定——《巴黎協(xié)定》后，在全球能源發(fā)展中做出的又一重大舉措，既肯定了近年來(lái)中國(guó)在綠色低碳能源發(fā)展方面付出的努力，又表明了中國(guó)堅(jiān)決實(shí)行能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的決心，同時(shí)彰顯了中國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的大國(guó)擔(dān)當(dāng)。目前，中國(guó)作為碳排量最大的發(fā)展中國(guó)家，需要在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳排量大幅度下降，必然面臨諸多困難與挑戰(zhàn)。碳排量、能耗以及經(jīng)濟(jì)三者之間的關(guān)系是近年來(lái)經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、工程等相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。各界學(xué)者專家指出能源結(jié)構(gòu)調(diào)整是中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必經(jīng)之路[1]，然而，如何在不造成經(jīng)濟(jì)損失，且不影響社會(huì)發(fā)展的情況下，有效、迅速地減少碳排量，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)化石能源供應(yīng)體系到清潔能源供應(yīng)體系的轉(zhuǎn)變，則需要能源戰(zhàn)略統(tǒng)籌規(guī)劃和科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新等方面的逐一突破。

從能源結(jié)構(gòu)層面來(lái)看，美國(guó)麥肯錫咨詢公司（McKinsey & Company）發(fā)布的《2021年全球能源展望》（Global Energy Perspective 2021）中明確指出，未來(lái)全球化石能源需求量將在2027年迎來(lái)頂峰，其中煤炭需求峰值在2014年出現(xiàn)隨后穩(wěn)步下降，石油需求預(yù)計(jì)在2029年達(dá)到峰值，天然氣需求則會(huì)在未來(lái)的五到十年內(nèi)持續(xù)增長(zhǎng)[2]。在此背景下，中國(guó)石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院針對(duì)“雙碳”目標(biāo)做了中國(guó)能源發(fā)展預(yù)測(cè)[3-4]，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示中國(guó)能源需求量預(yù)測(cè)與全球能源需求量預(yù)測(cè)的變化趨勢(shì)相吻合，2030年前，石油能源占主導(dǎo)，煤炭能源需求量逐步下降，天然氣呈緩慢上升趨勢(shì)。與麥肯錫報(bào)告的不同之處在于該預(yù)測(cè)表明中國(guó)煤炭能源需求量將于2025年達(dá)到峰值，且占比逐年降低，而非化石能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源需求量將于2030年后大幅度提升，2050年后成為主要供能體系。

全球碳中和路徑存在的不確定性與各國(guó)碳中和技術(shù)發(fā)展不均衡有關(guān)。中國(guó)碳中和路徑規(guī)劃相對(duì)明了，2030年前將高度依賴石油能源，同時(shí)減少煤炭能源需求量，2030—2040年處于石油能源與可再生能源并立的混合能源體系調(diào)整階段，2040年后可再生能源將成為供能主體。即未來(lái)二十年，石油能源作為一次能源對(duì)中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要，在石油勘探開(kāi)采產(chǎn)業(yè)技術(shù)中，維持低碳排放則是中國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型過(guò)渡的關(guān)鍵所在。在碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)約束下，油氣行業(yè)要堅(jiān)定不移地深入貫徹落實(shí)中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平提出的“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略，積極應(yīng)對(duì)油氣供需兩側(cè)的結(jié)構(gòu)性變革，加速轉(zhuǎn)型升級(jí)。面對(duì)中國(guó)石油和天然氣對(duì)外依存度較高的現(xiàn)狀，及必須加快降低煤炭比例的迫切需求，一方面，必須加大對(duì)國(guó)內(nèi)石油天然氣資源的勘探開(kāi)采力度，另一方面，必須大力發(fā)展低碳節(jié)能的開(kāi)發(fā)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供動(dòng)能支撐，使中國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整平穩(wěn)過(guò)渡，最終實(shí)現(xiàn)為能源革命提供“壓艙石”的重要保障作用。

“電代油”、“氣代油”技術(shù)作為石油開(kāi)采過(guò)程中降低碳排放的核心技術(shù)，可以改善油氣設(shè)備開(kāi)采過(guò)程中能源消耗高、開(kāi)采效率低、環(huán)境污染大的狀況。以西南油氣田電改造項(xiàng)目為例，分析了油氣井供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)型可能出現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)了近年來(lái)電氣化技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)，并對(duì)油氣井供電系統(tǒng)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 “雙碳”背景下鉆機(jī)電氣化技術(shù)發(fā)展

在油氣開(kāi)采與生產(chǎn)過(guò)程中，需要使用大量的泵類電氣設(shè)備。現(xiàn)階段驅(qū)動(dòng)這些設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的主要?jiǎng)恿?lái)自柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油電動(dòng)機(jī)。目前中國(guó)鉆井項(xiàng)目的實(shí)施主要采用機(jī)械鉆機(jī)，其動(dòng)力系統(tǒng)以柴油機(jī)為核心動(dòng)力設(shè)備，然而，柴油驅(qū)動(dòng)不僅能耗較高，還會(huì)在生產(chǎn)過(guò)程中排放大量的CO2[5]。為減少碳排量，最直接的途徑是引入柴油機(jī)尾氣處理技術(shù)，主要包括廢氣再循環(huán)（EGR）、柴油顆粒過(guò)濾器（DPF）以及選擇性催化還原（SCR）技術(shù)等[6]。

EGR 與SCR 技術(shù)均可達(dá)到歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)（歐Ⅳ、歐Ⅴ）。但EGR 技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中存在明顯的缺點(diǎn)：一是廢氣再燃燒爆發(fā)壓力高，存在較大的安全隱患；二是對(duì)燃料質(zhì)量要求苛刻，使得EGR 技術(shù)的應(yīng)用與推廣存在較大的局限性。SCR 技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中也存在局限性，SCR 基礎(chǔ)建設(shè)需要尿素，而尿素箱裝置提高了系統(tǒng)布局的復(fù)雜程度；另外，發(fā)動(dòng)機(jī)裝載防氨氣泄漏功能提高了成本，限制了SCR 技術(shù)的應(yīng)用[7]。相較尾氣處理這一途徑，要減少柴油鉆機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的CO2，從根本上對(duì)鉆機(jī)柴油驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行“零排放”改造更符合油氣行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的需求，即采用電力或天然氣代替柴油發(fā)電機(jī)或柴油機(jī)作為驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的動(dòng)力源。電力替代柴油發(fā)電機(jī)以“電代油”或“電改”技術(shù)描述，天然氣替代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)則以“氣代油”或“氣改”技術(shù)描述。近年來(lái)，大量研究及實(shí)踐項(xiàng)目表明[8]，鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)“電氣化”技術(shù)不僅可以提高開(kāi)采能效，大幅降低能源消耗強(qiáng)度，同時(shí)還能做到有效控制生產(chǎn)環(huán)節(jié)的化石能源消耗總量，減輕噪音，降低碳排放，環(huán)保效果顯著。

天然氣作為一種環(huán)保型能源，在減少碳排放方面具有一定優(yōu)勢(shì)。同功率下，采用天然氣動(dòng)力源替代柴油可使CO2減排大約17%[9]?！皻獯汀奔夹g(shù)最先在國(guó)外展開(kāi)且應(yīng)用于實(shí)際油田鉆井項(xiàng)目中。Endurance Resources IIILLC 公司在北美油氣田德克薩斯州開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，曾將可控硅整流技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)鉆井系統(tǒng)中以提升功率。懷俄明州天然氣鉆井項(xiàng)目中也曾引入天然氣替代柴油，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還為該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)配備了額外輔助動(dòng)力系統(tǒng)[10]。美國(guó)瓦克夏（Waukesha）公司曾在預(yù)混合式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)方面展開(kāi)研究，然而鉆機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢和效率低的問(wèn)題[11]，在鉆井動(dòng)力需求較少時(shí)，可采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，但隨著鉆井動(dòng)力需求的提升，需要及時(shí)切斷燃?xì)鈾C(jī)的無(wú)功負(fù)載以保證發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，使得該技術(shù)需要具備嚴(yán)格的實(shí)時(shí)跟蹤與監(jiān)控功能，在實(shí)際項(xiàng)目中推廣性較差。綜上所述，國(guó)外大多數(shù)以天然氣為動(dòng)力源的鉆機(jī)研發(fā)項(xiàng)目尚處于初級(jí)階段，對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)替代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的有效性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性方面的評(píng)估體系也缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)對(duì)于“氣代油”技術(shù)的支持自“十一五”期間已經(jīng)展開(kāi)規(guī)劃部署。在中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司的大力推廣與帶動(dòng)下，長(zhǎng)慶油氣田、渤海油氣田等均在“氣代油”技術(shù)方面的研究與應(yīng)用頗具成果。2007年6月，中國(guó)石油官方發(fā)布了2000型天然氣、柴油雙燃料鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)[12]，該發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同負(fù)載變化調(diào)節(jié)天然氣與柴油動(dòng)力比例的功能，在可靠性、動(dòng)力性、排放指標(biāo)方面均取得成效。2009—2010年，勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司和中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司相繼開(kāi)展了天然氣與柴油雙燃料鉆井機(jī)研發(fā)工作。勝利油田渤海鉆井隊(duì)將兩臺(tái)預(yù)混合天然氣機(jī)投放至鉆井項(xiàng)目中，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，其可靠性與動(dòng)力性方面仍然存在不足[13]。綜上所述，“氣代油”技術(shù)的主要挑戰(zhàn)在于單獨(dú)使用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力性能不足，實(shí)際應(yīng)用中，多采用雙燃料（柴油）混合模式，需要對(duì)雙燃料控制系統(tǒng)有所投入，因此，在排放性及經(jīng)濟(jì)性方面有所局限；同時(shí)，天然氣供能受到地域及燃?xì)夤艿婪植嫉南拗?，鉆井發(fā)動(dòng)機(jī)的“氣改”仍然需要在多發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制模式及電控技術(shù)方面有所突破。

變頻電鉆機(jī)因其具有操作維護(hù)簡(jiǎn)單、噪聲低、無(wú)廢氣排放、故障率低等優(yōu)點(diǎn)頗受海外油氣開(kāi)發(fā)公司的青睞[14]，國(guó)外較大規(guī)模采用網(wǎng)電鉆機(jī)主要集中在北美地區(qū)。在現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)也已經(jīng)相對(duì)完善，自2000年新疆塔里木地區(qū)進(jìn)行柴油鉆機(jī)電氣化改造，2009年后各油田開(kāi)始大力推廣“電代油”技術(shù)。中國(guó)現(xiàn)役電動(dòng)鉆機(jī)占總鉆機(jī)數(shù)20%左右，吐哈油田、青海油田、渤海油田、冀東油田及大慶油田均已進(jìn)行網(wǎng)電鉆井的實(shí)踐[15-16]。其中，大慶油田網(wǎng)電鉆機(jī)占比70 %以上，其他油田也相繼開(kāi)展了小規(guī)模網(wǎng)電鉆井項(xiàng)目并取得一定成果。

中國(guó)網(wǎng)電鉆機(jī)主要包括部分網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)和完全網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)兩種模式。部分網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)原理是在系統(tǒng)中增設(shè)供電控制系統(tǒng)、耦合器、高壓電機(jī)及萬(wàn)向軸，而完全網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)方式則在整個(gè)鉆井動(dòng)力系統(tǒng)中由電網(wǎng)提供全部動(dòng)力源[17]。目前國(guó)內(nèi)網(wǎng)電鉆井項(xiàng)目主要應(yīng)用方式為部分網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)。中國(guó)柴油鉆井“電化”運(yùn)行方案多數(shù)是在油區(qū)改造或引入高壓線路（35 kV 或10 kV），利用高壓供電房降壓后（600 V 或690 V）接入鉆機(jī)VFD 房（變頻驅(qū)動(dòng)控制房）實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)主、輔電機(jī)控制中心（MCC）配電房動(dòng)力供電。若有架設(shè)線路過(guò)長(zhǎng)的鉆井則加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制裝置以保證供電質(zhì)量（圖1）。

圖1 典型“電代油”電改方案布局Fig.1 Typical“electricity substitution”solution layout

“電代油”技術(shù)的核心在于如何高效地利用電網(wǎng)輸電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)。采取全電改造或部分網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)的電改方案時(shí)，需要結(jié)合當(dāng)?shù)赜蛥^(qū)及電網(wǎng)的實(shí)際情況，為鉆機(jī)的不同工作模式設(shè)計(jì)控制策略。近年來(lái)，電驅(qū)技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中在基于鉆井現(xiàn)場(chǎng)的基本情況增設(shè)智能電站，利用智能電站向電機(jī)輸送穩(wěn)定充足的電能，但不同于圖1中的電改方案。它集成了功率調(diào)節(jié)模塊、濾波補(bǔ)償單元、交流控制單元及故障監(jiān)測(cè)模塊等[18]。智能電站與VFD 及MCC 協(xié)同工作，能夠規(guī)避配電及電控設(shè)備中的諧波影響，同時(shí)滿足電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷設(shè)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而，智能電站造價(jià)昂貴，鉆井設(shè)備電氣負(fù)荷大且連續(xù)變化，高、低壓電動(dòng)裝置的頻繁啟動(dòng)與切換會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，因此，對(duì)系統(tǒng)電氣設(shè)備安全性能要求較高。鉆井現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)與發(fā)動(dòng)機(jī)能源輸出之間很難裝配互鎖裝置，若該地區(qū)電網(wǎng)因故障無(wú)法供電，將造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

電氣化的最終目標(biāo)是在石油開(kāi)采過(guò)程中實(shí)現(xiàn)零碳排放，因此，實(shí)行“電代油”技術(shù)還需要從減排性能出發(fā)，對(duì)油氣鉆井電改方案的節(jié)能、減排效果進(jìn)行量化，但中國(guó)在“電代油”技術(shù)上仍然缺乏統(tǒng)一合理的量化標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法[19-21]。隨著“雙碳”目標(biāo)的逐漸推進(jìn)，節(jié)能減碳的實(shí)際效用需要對(duì)“電代油”或“氣代油”項(xiàng)目實(shí)施的全生命周期進(jìn)行評(píng)估。全生命周期應(yīng)當(dāng)涵蓋從項(xiàng)目啟動(dòng)開(kāi)始的能源投入到運(yùn)轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的CO2及其他污染物排放量的計(jì)算[22]。實(shí)行改造時(shí)，應(yīng)包括改造過(guò)程中電力或燃?xì)饨尤氲奶汲杀炯澳芰繐p失的折算，例如電改項(xiàng)目碳排量的量化，除了要對(duì)電改前柴油機(jī)燃料燃燒排碳量進(jìn)行評(píng)價(jià)，也不可忽略電改后接入電網(wǎng)的碳強(qiáng)度這一關(guān)鍵因素。對(duì)于電改項(xiàng)目電網(wǎng)碳強(qiáng)度的衡量，要將發(fā)電側(cè)的能耗或碳排量，及輸電側(cè)線路設(shè)備中電能損耗折算成碳排量后一并計(jì)入在內(nèi)。目前單就電網(wǎng)碳強(qiáng)度而言，碳排量的評(píng)估及其研究體系相對(duì)完整，然而，中國(guó)鉆完井電改項(xiàng)目及氣改項(xiàng)目的減碳評(píng)估在電網(wǎng)側(cè)的估算這一方面仍然缺乏完整性[23-24]。其主要原因在于鉆井本身的碳計(jì)算內(nèi)容過(guò)于復(fù)雜，行業(yè)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)，并且難以將電網(wǎng)側(cè)的碳排量計(jì)算融入其中，使得整個(gè)計(jì)算體系過(guò)于龐大。

清潔能源替代化石能源成為主要電力供能體系是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的最終解決方案，“電代油”技術(shù)的實(shí)行與推廣則是短—中期石油能源行業(yè)打造零碳排放體系的基石。與此同時(shí)，還應(yīng)加快電驅(qū)壓裂、天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電等低碳技術(shù)的研發(fā)，全面提升能源利用效率及經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)能效就地利用。同時(shí)提高清潔電力的使用比例，推廣應(yīng)用太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源，提高油氣產(chǎn)量的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目的。另外，在油氣開(kāi)采與生產(chǎn)過(guò)程中，還需完善油氣勘探開(kāi)發(fā)全生命周期的能效監(jiān)測(cè)及核算機(jī)制，加強(qiáng)碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，利用數(shù)字化技術(shù)提高傳統(tǒng)油氣勘探開(kāi)發(fā)的安全水平和效率，進(jìn)一步提升減碳效果。

2 “電代油”技術(shù)助力碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

2.1 “電代油”技術(shù)

2020年，中國(guó)油氣企業(yè)不斷提升陸上油氣勘探開(kāi)發(fā)力度，增儲(chǔ)上產(chǎn)捷報(bào)頻傳，在油氣領(lǐng)域取得了一定突破。其中，中國(guó)石油西南油氣田探明兩個(gè)萬(wàn)億立方米氣田，全面建成300×108m3大氣區(qū)，占四川盆地2020年天然氣總產(chǎn)量的56 %。在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)背景下，中國(guó)石油西南油氣田分公司于2020年開(kāi)展了油氣田開(kāi)采大規(guī)?！半姶汀备脑祉?xiàng)目，旨在構(gòu)建綠色產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和低碳能源供應(yīng)體系，助力油氣行業(yè)加快低碳轉(zhuǎn)型和提質(zhì)增效。

中國(guó)石油西南油氣田分公司“電代油”項(xiàng)目共建設(shè)終端撬裝式變電站、相關(guān)變配電設(shè)施、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、VFD房和MCC房86套。改造前采用柴油發(fā)電機(jī)提供電能，通過(guò)VFD房變頻器控制單元和干式變壓器，驅(qū)動(dòng)絞車電機(jī)、轉(zhuǎn)盤電機(jī)、鉆井泵電機(jī)，提供MCC房及井場(chǎng)用電。改造后，撤掉柴油發(fā)電機(jī)組，由電網(wǎng)提供電能。該項(xiàng)目電改方案實(shí)施中采用了中國(guó)石油西南油氣田分公司研發(fā)的油氣田專用智能撬裝式變電站（圖2）及電能替代專用撬裝式控制設(shè)備，提供“撬裝式變電站+智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)+業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)”整體解決方案，解決油氣勘探智能用電問(wèn)題。

圖2 油氣田電能替代專用智能撬裝式變電站Fig.2 Special intelligent skid-mounted substation and control equipment for electric energy substitution of oil and gas fields

中國(guó)石油西南油氣田分公司“電代油”改造項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)的專用智能撬裝式變電站的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)緊湊，占地面積小，便于安裝與遷移。該智能電站主要由高/低壓柜、交流變頻柜、PLC（可編程邏輯控制器）控制柜等設(shè)備組成。為提高鉆機(jī)效率及控制輸出的平穩(wěn)性，電改系統(tǒng)集變配電、諧波治理、無(wú)功補(bǔ)償與遠(yuǎn)程監(jiān)控等多項(xiàng)功能為一體，為油氣田開(kāi)采工作提供了可靠的電能，同時(shí)可保障上游電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

項(xiàng)目實(shí)施前，由于油氣井多在偏僻的高山地段，且電網(wǎng)及配套設(shè)施不發(fā)達(dá)等原因，僅可采用易運(yùn)輸和儲(chǔ)存的柴油作為燃料，由柴油發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力源發(fā)電提供動(dòng)力，其能源利用效率低、噪音擾民、污染嚴(yán)重。為契合國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略，對(duì)電改方案實(shí)施前后的環(huán)境、社會(huì)影響及生產(chǎn)效率進(jìn)行對(duì)比（表1）。

表1 項(xiàng)目實(shí)施前后各項(xiàng)效益指標(biāo)對(duì)比情況Table 1 Comparison of various benefit indicators before and after implementation of electricity substitution project

“電代油”技術(shù)在減排降噪方面效果顯著。油氣開(kāi)采過(guò)程中，采用清潔電網(wǎng)電替代柴油可實(shí)現(xiàn)鉆井全天候作業(yè)，實(shí)施電改后，日均壓裂段數(shù)由2段增加至4段。采用電驅(qū)壓裂撬替代柴驅(qū)壓裂車，單井可節(jié)省柴油410 t。實(shí)施電改前，油氣開(kāi)采中，單井鉆井及壓裂平均消耗柴油950 t，折算標(biāo)煤1 384 t（柴油標(biāo)煤折算系數(shù)取1.457 1），單井鉆井壓裂周期約4個(gè)月，單井能耗相當(dāng)于一臺(tái)2.4 蒸噸（蒸汽鍋爐每小時(shí)產(chǎn)生的蒸汽量，1 t/h=0.725 MW）燃煤鍋爐，且電改方案實(shí)施后無(wú)任何污染物排放，噪聲污染由120 dB降低至60 dB。

通過(guò)碳交易算法[25-26]計(jì)算電改造后的污染物排放情況（表2）：①根據(jù)實(shí)際替代電量，按照歐洲減排量核算法（UER），核算CO2排放量，并推算其他污染物排放量；②根據(jù)計(jì)算的CO2排放量，按照標(biāo)煤燃燒污染物排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，推算標(biāo)煤數(shù)據(jù)（1 t標(biāo)煤燃燒排放2.6 t的CO2）；③根據(jù)用電量和濟(jì)柴G8V190型柴油機(jī)能耗參數(shù)及損耗計(jì)算出油發(fā)電量為0.36×104（kW·h）/t，推算替代柴油量。

表2 碳交易算法統(tǒng)計(jì)污染物排放情況Table 2 Pollutant emissions statistics obtained by carbon trading algorithm

截至2021年6月底，研究項(xiàng)目累計(jì)替代柴油172 375 t，同比折算減少標(biāo)煤燃燒83 536 t，降低CO2排放217 193 t，降低氮氧化物及SO2排放2 590 t。以每平方米樹(shù)林平均減排2 kg的CO2折算，相當(dāng)于植樹(shù)約109 km2，環(huán)保效果顯著，產(chǎn)生了良好的環(huán)境和社會(huì)效益。

“電代油”技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在大幅度提升生產(chǎn)效率并降低能耗。電力消耗方面，根據(jù)研究報(bào)告中發(fā)布的各區(qū)域用電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[27]，電驅(qū)鉆井單井平均用電量約為200×104kW·h，電驅(qū)壓裂單井平均用電量約150×104kW·h。與傳統(tǒng)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆井、壓裂施工相比，電驅(qū)鉆井能耗可降低35.46 %，電驅(qū)壓裂能耗降低38.78%。經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估方面，采用電驅(qū)壓裂車隊(duì)可減少超過(guò)60%的人員配置，大量降低人工成本。以人員費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)每年15×104元/人，柴驅(qū)機(jī)組配備50人，電驅(qū)機(jī)組配備30人計(jì)算，“電代油”技術(shù)可至少節(jié)省人工費(fèi)用40%。且柴油機(jī)組的運(yùn)維成本及設(shè)備消耗較大。以合金鋼泵頭平均壽命300 h[28]，泵頭成本30×104元/個(gè)，作業(yè)30 段后更換潤(rùn)滑油、液壓元件及過(guò)濾器等消耗件計(jì)算，電改前該柴油驅(qū)動(dòng)機(jī)組的年度維保費(fèi)用大約是電驅(qū)機(jī)組年度維保費(fèi)用的8倍以上。

“電代油”技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的助力還體現(xiàn)在提升電力消納方面。四川能源結(jié)構(gòu)以水電為主。據(jù)2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，四川省水力發(fā)電裝機(jī)量占裝機(jī)總量的70%以上，水電外輸是四川省提高清潔能源利用率至關(guān)重要的舉措。然而，豐水期，即每年6月至10月，普遍存在水電量大但外輸電路不足的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水電外輸效率。2018—2020年四川地區(qū)豐水期調(diào)峰棄水發(fā)電量分別為122×108，92×108，76×108kW·h。西南油氣田“電代油”項(xiàng)目截至2021年6月耗電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，單井全電驅(qū)油氣開(kāi)采耗電量達(dá)350×104kW·h，用電量極大且均為增量用電，累計(jì)消納清潔水電超過(guò)6.2×108kW·h。由此可見(jiàn)，全面實(shí)施“電代油”技術(shù)可消耗四川富余水電，促進(jìn)省內(nèi)能源消納，能有效地緩解豐水期由于外輸電路不足而引起的棄水問(wèn)題。

2.2 “電代油”技術(shù)難點(diǎn)解析

雖然“電代油”技術(shù)能為油氣能源行業(yè)帶來(lái)巨大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益，為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)助力顯著，但仍存在諸多技術(shù)難題，限制“電代油”項(xiàng)目的實(shí)施與推廣。

目前，“電代油”技術(shù)難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)，其中，針對(duì)諧波治理以及電能質(zhì)量波動(dòng)抑制的常用解決方案，主要分析了典型電動(dòng)鉆機(jī)交流變頻驅(qū)動(dòng)電氣控制（圖3）。

圖3 “電代油”技術(shù)難點(diǎn)解析Fig.3 Analysis of the difficulties of“electricity substitution”technical pathway

1）諧波治理

諧波治理一直以來(lái)是電改方案中難以攻克的技術(shù)難題。由于鉆機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載變化幅度較大，容易產(chǎn)生諧波，使電網(wǎng)電壓、電流波形產(chǎn)生畸變，大量諧波使電能傳輸和利用效率降低，致使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生震動(dòng)和噪音，并使絕緣老化、使用壽命降低，諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

2）成本增加

變、配電設(shè)備雖然可以多次重復(fù)使用，但其一次性投資較大，需要有足夠的資金投入，且鉆井設(shè)備電、氣負(fù)荷較重，負(fù)載變化頻繁，采用高壓電動(dòng)化設(shè)備直接啟動(dòng)對(duì)供電系統(tǒng)有一定的沖擊，安裝軟啟動(dòng)設(shè)備需增加投資，采用低壓電動(dòng)化設(shè)備電流大，設(shè)備故障率高，必須權(quán)衡利弊。

3）供電質(zhì)量波動(dòng)

由于電網(wǎng)供電質(zhì)量受負(fù)荷變化的影響發(fā)生波動(dòng)，鉆井工作現(xiàn)場(chǎng)的部分變頻設(shè)備等保護(hù)啟動(dòng)無(wú)法正常運(yùn)行，只能時(shí)段性地改為柴油發(fā)電機(jī)供電。供電質(zhì)量的波動(dòng)是制約網(wǎng)電鉆機(jī)應(yīng)用的主要影響因素。

4）設(shè)備安全性需求

考慮電氣設(shè)備運(yùn)行安全，發(fā)電機(jī)電力輸出與電網(wǎng)沒(méi)有采用互鎖裝置。在電網(wǎng)停電或發(fā)生故障無(wú)法供電時(shí)，只能人工進(jìn)行供電電纜的拆接，既不安全，又延長(zhǎng)了停機(jī)時(shí)間。

5）線路敷設(shè)流程復(fù)雜、運(yùn)維成本高

電力線路建設(shè)在審批和實(shí)施階段，流程繁瑣，涉及面廣，辦理周期長(zhǎng)。以30 km、35 kV 的線路為例，標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)周期達(dá)400 d，電網(wǎng)建設(shè)和生產(chǎn)建設(shè)進(jìn)度不匹配。在投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段，涉及電費(fèi)結(jié)算、電力調(diào)度、供電設(shè)施維護(hù)等事項(xiàng)，需要大量人力和財(cái)力投入。另外，各油氣田在實(shí)施過(guò)程中，需要探索適合各自情況的供電模式和實(shí)施辦法。

3 結(jié)論

電氣化是傳統(tǒng)工業(yè)節(jié)能增效的重要手段，也是油氣開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)變革、整體效能提升和減少CO2排放的重要途徑。隨著中國(guó)“電代油”技術(shù)的快速發(fā)展，可再生能源發(fā)電技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)性不斷提升，油氣行業(yè)“電代油”的推廣應(yīng)用前景越發(fā)清晰。但相對(duì)于站場(chǎng)地面設(shè)施“電代油”技術(shù)的研究與應(yīng)用，近幾年對(duì)于油氣井供電系統(tǒng)的研究還比較匱乏。如何在西部戈壁、西南山區(qū)以及海上油氣田中耦合可再生能源發(fā)電，打造低碳綠色開(kāi)發(fā)示范油氣田，也是發(fā)展和推廣“電代油”技術(shù)的研究重點(diǎn)。電氣化技術(shù)在油氣行業(yè)的大力發(fā)展不僅要依靠實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)這一強(qiáng)大動(dòng)力，研發(fā)油氣井先進(jìn)供電系統(tǒng)、提高系統(tǒng)效能與可靠性、大膽探索創(chuàng)新電力保障模式、統(tǒng)一部署區(qū)域電網(wǎng)建設(shè)更是“電代油”技術(shù)應(yīng)用在油氣田的必然需求。