宋曙光 張翀焱(中國(guó)石油集團(tuán)電能有限公司生產(chǎn)運(yùn)行部)
我國(guó)提出“雙碳”目標(biāo)以來(lái),新能源技術(shù)得以迅猛發(fā)展,在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了更多的重視。中國(guó)石油各個(gè)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(duì)惡劣,且原油物性屬“三高”原油,綜合含水率高達(dá)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(dá)到60%以上。能源實(shí)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(kāi)發(fā)部署,按照當(dāng)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(dāng)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(duì)大慶油田用能趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)見(jiàn)表1。2025 年生產(chǎn)用能總量將達(dá)到410.20×104tce,其中耗電量為129.95×108kWh,耗氣量16.82×108m3。近年來(lái),構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化以及儲(chǔ)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。
生產(chǎn)用熱和生產(chǎn)用電主要集中于機(jī)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(diǎn)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(jī)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)。
鉆井作業(yè)是油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié),在用能方面存在的主要問(wèn)題有3 個(gè):采用柴油發(fā)電,低效率高耗能,燃油消耗成本占比達(dá)到30%;鉆井區(qū)域偏遠(yuǎn),電網(wǎng)無(wú)法有效支持;鉆井工況惡劣,設(shè)備功率高,功率波動(dòng)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(bǔ)充,或者以儲(chǔ)能作為鉆井用電功率尖峰的支撐,或以清潔氣電動(dòng)機(jī)組作為調(diào)峰備用。從國(guó)內(nèi)外新能源技術(shù)成熟度和建設(shè)成本來(lái)看,最適合于油田的方法是供電系統(tǒng)采用天然氣機(jī)+大型光儲(chǔ)系統(tǒng)取代柴油機(jī)組。其中采用天然氣可以實(shí)現(xiàn)降本增效、降低碳排放的作用;采用混合大型儲(chǔ)能系統(tǒng),能夠滿足設(shè)備大功率需求,同時(shí)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(shí)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(jì)階段采用集裝箱化設(shè)計(jì),便于系統(tǒng)隨鉆機(jī)移動(dòng);②在功能上需要具備“黑啟動(dòng)”功能,能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制。這一方案實(shí)施后,預(yù)計(jì)減少柴油消耗量和CO2排放量將達(dá)到25%以上,并能在根本上解決鉆井作業(yè)的高耗能問(wèn)題。
目前為止,油田的抽油機(jī)大多為游梁式抽油機(jī),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(jī)能耗問(wèn)題有:大功率電動(dòng)機(jī)功率波動(dòng)大、功耗大;偏遠(yuǎn)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(dòng)態(tài)無(wú)法調(diào)整;工頻井饋能無(wú)法二次利用,變頻井饋能通過(guò)制動(dòng)電阻消耗,致使大量的電能浪費(fèi)。
新能源技術(shù)的應(yīng)用主要在井場(chǎng)周邊配備風(fēng)光儲(chǔ)一體化儲(chǔ)能系統(tǒng),通過(guò)變頻精細(xì)調(diào)節(jié)以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓,利用風(fēng)光發(fā)電儲(chǔ)存電能、降低電網(wǎng)配電成本,適用于油田惡劣環(huán)境。通過(guò)一體化系統(tǒng)配置、智能化控制滿足遠(yuǎn)程控制和數(shù)字油田要求。有研究表明,新能源在采油井場(chǎng)的應(yīng)用,會(huì)使無(wú)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(kuò)大35%,油田區(qū)域線路損耗降低91%,耗電量降低30%[6]。
油田修井作業(yè)廣泛使用柴油修井機(jī),因其傳動(dòng)復(fù)雜,傳動(dòng)效率不足80%,能量利用率只有40%,碳排放量高。存在主要問(wèn)題有:柴油機(jī)傳動(dòng)效率低,工作效率差,66%時(shí)間出于空載狀態(tài),能量浪費(fèi)巨大,冬天尤甚;作業(yè)時(shí)噪音大,最大噪音達(dá)到120 dB;環(huán)境污染嚴(yán)重,每臺(tái)350 型修井機(jī)每年碳排放可達(dá)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(huì)產(chǎn)生更好的效果。目前“油改電”在油田應(yīng)用范圍擴(kuò)大。在修井作業(yè)方面采用純電動(dòng)修井機(jī),可實(shí)現(xiàn)零碳排放,設(shè)備利用率高,維護(hù)周期長(zhǎng);采用混合動(dòng)力修井機(jī),油電混合動(dòng)力節(jié)能降耗,改造老舊機(jī)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(jì)將節(jié)約燃料費(fèi)用70%以上,勞動(dòng)強(qiáng)度降低60%,噪聲降低20 dB[7]。
油氣輸送管道系統(tǒng)總體能耗巨大,能耗費(fèi)用約占全部運(yùn)行成本的25%,油氣管道輸送各站場(chǎng)內(nèi)運(yùn)行設(shè)備供電可靠性和穩(wěn)定性對(duì)維持油氣管道正常輸送至關(guān)重要。存在的主要問(wèn)題:壓縮、泵送功耗大,能耗占比達(dá)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(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送管道線路運(yùn)行情況。
油氣輸送管道節(jié)能減排方案主要考慮采用光儲(chǔ)充一體化設(shè)計(jì)儲(chǔ)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(shí)給站區(qū)其他設(shè)施提供穩(wěn)定電源[8]。
特高含水期注采關(guān)系復(fù)雜、動(dòng)態(tài)非均質(zhì)增強(qiáng),用于注水系統(tǒng)的用電能耗占比達(dá)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(cè)調(diào)工作量加大,地面優(yōu)化運(yùn)行難度大。由于開(kāi)發(fā)對(duì)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(guò)井口或管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)閘門節(jié)流來(lái)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(kāi)發(fā)過(guò)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(fù)荷智能化,實(shí)現(xiàn)柔性化控制;二是優(yōu)化工藝,與風(fēng)光新能源以及儲(chǔ)能裝置構(gòu)成綠色低碳開(kāi)采工藝。針對(duì)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(diǎn)和井下分注井用電實(shí)際,進(jìn)行中高滲透油藏變工況注采調(diào)整技術(shù)集成與試驗(yàn),配套工程技術(shù)與綠電耦合電氣化再造,實(shí)現(xiàn)注水系統(tǒng)用電柔性化,用電負(fù)荷可調(diào)至80%,基礎(chǔ)能耗下降5%。
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(lái)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(wú)法改變能耗及碳排放持續(xù)上升的趨勢(shì),傳統(tǒng)節(jié)能提效手段已無(wú)潛力可挖,以天然氣為主的能耗結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)方式無(wú)法實(shí)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(yùn)行技術(shù);采用正壓精準(zhǔn)配風(fēng)燃?xì)饧訜釥t,設(shè)計(jì)熱效率不低于90%,長(zhǎng)期運(yùn)行效率不低于88%,井口或站場(chǎng)采暖(加熱清水)電加熱爐功率低于1 MW;終端采用“電熱+儲(chǔ)放熱”長(zhǎng)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(yùn)行機(jī)制,實(shí)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。
源網(wǎng)荷儲(chǔ)是以“電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能”為整體規(guī)劃的新型電力運(yùn)行模式。過(guò)去的電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)控主要采取“源隨荷動(dòng)”的模式,當(dāng)用電負(fù)荷突然增高時(shí),一旦電源側(cè)發(fā)電能力不足,就會(huì)出現(xiàn)供需不平衡問(wèn)題以致嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)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(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)也給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)。而“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”可促進(jìn)供需兩側(cè)精準(zhǔn)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(dòng)性等問(wèn)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(fù)荷平穩(wěn)、自有土地等優(yōu)勢(shì),形成“風(fēng)+光+氣+儲(chǔ)”設(shè)計(jì)布局,利用“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化技術(shù)實(shí)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(jìn)風(fēng)光發(fā)電新能源建設(shè),從電源端逐步進(jìn)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(duì)35 kV、6 kV、380 V 電壓等級(jí)分別進(jìn)行新能源布局。
“荷”:利用油田長(zhǎng)期穩(wěn)定負(fù)荷,確定最優(yōu)化風(fēng)光互補(bǔ)配比,最大限度提高新能源接入比例,實(shí)現(xiàn)所發(fā)綠電就地消納。
“儲(chǔ)”:結(jié)合分布式風(fēng)光發(fā)電站建設(shè),布局儲(chǔ)能設(shè)施,協(xié)同燃?xì)庹{(diào)峰電站,進(jìn)一步加大風(fēng)光裝機(jī)規(guī)模。各電壓等級(jí)新能源部署技術(shù)路線見(jiàn)圖1。
圖1 各電壓等級(jí)新能源部署技術(shù)路線Fig.1 Technical roadmap for new energy deployment at different voltage levels
多能互補(bǔ)是按照不同資源條件和用能對(duì)象,采取多種能源互相補(bǔ)充,以緩解能源供需矛盾,合理保護(hù)和利用自然資源,同時(shí)獲得較好環(huán)境效益的用能方式。
多能互補(bǔ)的特點(diǎn)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(bǔ)充和梯級(jí)利用,達(dá)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(shí)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(kāi)發(fā)地?zé)?,并通過(guò)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(bǔ)”的綜合技術(shù),全面提高油田節(jié)能水平。油田多能互補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用示意圖見(jiàn)圖2。
圖2 油田多能互補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用示意圖Fig.2 Application of multi-energy complementary techniques in oilfields
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(guò)程、能源利用或大氣中分離出來(lái),直接利用或注入地層以實(shí)現(xiàn)CO2永久減排的過(guò)程。作為應(yīng)對(duì)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(duì)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(duì)CCS 技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷深化,在中美兩國(guó)的大力倡導(dǎo)下形成的,目前已經(jīng)獲得了國(guó)際上的普遍認(rèn)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(píng)價(jià)對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 各油田CCUS 評(píng)價(jià)對(duì)比Tab.2 CCUS evaluation for each oilfields
CCUS 是國(guó)際公認(rèn)的三大減碳途徑之一,是目前實(shí)現(xiàn)大規(guī)?;茉戳闩欧爬玫奈ㄒ贿x擇。通過(guò)燃煤、燃?xì)怆姀S(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(guò)CO2增壓、注入等工藝設(shè)施注入地層,既實(shí)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(chǔ)量5.53×108t,其中長(zhǎng)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(chǔ)量全部實(shí)施CO2驅(qū),CO2可埋存共計(jì)2.5×108t。
通過(guò)優(yōu)選和評(píng)價(jià),在大慶油田開(kāi)展CCUS 建設(shè)以達(dá)成節(jié)能減排的目標(biāo)。
風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用,電能持續(xù)在工業(yè)、交通、建筑等終端能源消費(fèi)領(lǐng)域滲透,再電氣化已成為不可逆轉(zhuǎn)的全球化趨勢(shì)。再電氣化是指在能源生產(chǎn)側(cè)實(shí)施清潔替代,以低碳能源代替高碳能源;在能源消費(fèi)側(cè)實(shí)施電能替代,推動(dòng)清潔電力的大范圍使用,以電為中心、電力系統(tǒng)為平臺(tái),建設(shè)高度電氣化社會(huì)。
油田利用區(qū)域綠電電價(jià)優(yōu)勢(shì),提高終端再電氣化率,應(yīng)用綠電加熱替代燃?xì)饧訜?,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(guò)程中存在碳排放平衡點(diǎn)。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(dāng)綠電占比達(dá)到77.7%時(shí)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(dá)到碳排放平衡點(diǎn)。
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(guó)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(biāo)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(biāo)只有75%?;谔嵘烊粴馍唐仿实钠惹幸?,亟需研發(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。
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(guò)能量存儲(chǔ)和優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)本地能源生產(chǎn)與用能負(fù)荷基本平衡,通過(guò)冷、熱、電等多能融合,實(shí)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(kāi)發(fā)建設(shè)大多位于國(guó)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(duì)不足;同時(shí),也意味著對(duì)新能源的消納能力不足,無(wú)法進(jìn)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(biāo)的發(fā)電形式,電源構(gòu)成以風(fēng)光等新能源為主,儲(chǔ)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(chǔ)能進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)風(fēng)、光儲(chǔ)不足以供電時(shí),使用電網(wǎng)購(gòu)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(yùn)行,建立油田內(nèi)部電力交易市場(chǎng)機(jī)制。探索可編程負(fù)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(lái)通過(guò)微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行群控群調(diào),形成多個(gè)變電站間的電量互補(bǔ),可進(jìn)一步提高整個(gè)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(gòu)電力,減少碳排放量,實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn),響應(yīng)集團(tuán)公司“清潔替代、戰(zhàn)略接替、綠色轉(zhuǎn)型”三步走的總體部署。
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(dá)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(gè)持續(xù)改進(jìn)、不斷優(yōu)化的長(zhǎng)期過(guò)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(diǎn)。在各生產(chǎn)場(chǎng)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(shí)施先進(jìn)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(jì)性和穩(wěn)定性等,這些都需要統(tǒng)籌考慮。整體而言,通過(guò)對(duì)油田高耗能領(lǐng)域的各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的分析和研究,以及在整體用能方面以風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能為代表的新能源技術(shù)的綜合應(yīng)用,同時(shí)系統(tǒng)采用“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化、多能互補(bǔ)、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]。