陳由旺*，吳浩，朱英如，魏江東，馬建國(guó)

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)分公司）

0 引言

目前，中國(guó)能源利用效率僅為33%，較發(fā)達(dá)國(guó)家低約10個(gè)百分點(diǎn)［1］。國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)宣布，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取在 2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。在此背景下，油氣田作為傳統(tǒng)化石能源企業(yè)，又是能量消耗大戶［2］，綠色低碳發(fā)展勢(shì)在必行，油氣田節(jié)能技術(shù)在新的需求刺激下將迎來(lái)大發(fā)展和新突破。

1 節(jié)能技術(shù)進(jìn)展

“十二五”以來(lái)，隨著油氣田節(jié)能工作的不斷深入，結(jié)構(gòu)節(jié)能和管理節(jié)能挖潛難度越來(lái)越大，對(duì)技術(shù)節(jié)能的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，促進(jìn)油氣田節(jié)能技術(shù)不斷發(fā)展，取得了較大進(jìn)步。

1.1 成熟節(jié)能技術(shù)推廣應(yīng)用

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱中國(guó)石油）各油氣田通過(guò)節(jié)能專項(xiàng)資金建設(shè)節(jié)能工程，實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造項(xiàng)目，建立節(jié)能示范工程。節(jié)能抽油機(jī)、常溫集輸、高效加熱爐、放空天然氣回收等節(jié)能技術(shù)得到推廣應(yīng)用，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率［3-4］。

1.1.1 機(jī)采系統(tǒng)

常規(guī)有桿采油形成了異型游梁式、下偏杠鈴等系列節(jié)能抽油機(jī)和數(shù)字化抽油機(jī)；新型無(wú)桿采油形成了電動(dòng)潛油柱塞泵、直驅(qū)螺桿泵等技術(shù)。應(yīng)用了變頻調(diào)速、永磁、開關(guān)磁阻、高轉(zhuǎn)差電機(jī)、潛油直線電機(jī)等各種節(jié)能電機(jī)，以及以電機(jī)再制造、非晶合金等高效電機(jī)淘汰落后低效電機(jī)。利用機(jī)采系統(tǒng)優(yōu)化軟件，對(duì)抽油機(jī)的沖程、泵掛深度、平衡度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化及智能間開控制，提高機(jī)采系統(tǒng)效率。

1.1.2 注水系統(tǒng)

應(yīng)用了系統(tǒng)仿真優(yōu)化運(yùn)行、分質(zhì)分壓注水、局部增壓、周期注水和柱塞注水泵帶載啟動(dòng)等節(jié)能技術(shù)；實(shí)施了注水泵減級(jí)、切削葉輪、泵涂膜，高壓變頻調(diào)速、磁力耦合調(diào)速、前置泵串級(jí)調(diào)速等節(jié)能技術(shù)。

1.1.3 集輸系統(tǒng)

在高含水油田，根據(jù)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(shù)；研發(fā)了不同的放空氣回收裝置和工藝，如移動(dòng)式套管氣回收裝置、電加熱式套管氣調(diào)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(shù)等。在氣田，應(yīng)用了井下節(jié)流工藝技術(shù)和集輸優(yōu)化，減少地面加熱加壓能耗。

1.1.4 熱力系統(tǒng)

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

1.1.5 供配電系統(tǒng)

應(yīng)用了高效節(jié)能變壓器、高低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、饋線自動(dòng)調(diào)壓、電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行、智能電網(wǎng)等節(jié)能技術(shù)。

1.2 關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)攻關(guān)進(jìn)展

中國(guó)石油在集團(tuán)公司層面設(shè)立了科技項(xiàng)目和課題，開展高含水、低滲透、稠油、加熱爐提效等節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究課題，攻關(guān)能效對(duì)標(biāo)、能量系統(tǒng)優(yōu)化、能源管控和重點(diǎn)耗能設(shè)備提效等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸；同時(shí)建立節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)方法和節(jié)能技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，篩選發(fā)布技術(shù)推廣目錄，推進(jìn)節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1.2.1 油氣田能效對(duì)標(biāo)技術(shù)

提出了油氣田生產(chǎn)全過(guò)程能效對(duì)標(biāo)方法，設(shè)計(jì)能效對(duì)標(biāo)指標(biāo)體系，涵蓋機(jī)采、集輸、注水等生產(chǎn)系統(tǒng)，建立能效標(biāo)桿篩選方法，建成了能效指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)和最佳節(jié)能實(shí)踐庫(kù)，開發(fā)能效對(duì)標(biāo)系統(tǒng)平臺(tái)，為油氣田及基層站隊(duì)開展能效對(duì)標(biāo)提供了方法和工具，攻克了油藏類型多、開發(fā)工藝差別大、指標(biāo)可比性差等難題，形成了能效對(duì)標(biāo)改進(jìn)長(zhǎng)效機(jī)制，為企業(yè)節(jié)能挖潛提供了技術(shù)支撐。

1.2.2 加熱爐及熱力系統(tǒng)提效技術(shù)

研制了分體式殼程自動(dòng)清垢相變加熱爐、盤管式自動(dòng)清垢相變加熱爐、冷凝式加熱爐和反燒式井場(chǎng)高效加熱爐等新型加熱爐，創(chuàng)新強(qiáng)旋流燃燒場(chǎng)三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)、注汽鍋爐在線監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，篩選加熱爐改造提效技術(shù)。解決了制約加熱爐長(zhǎng)周期高效運(yùn)行的瓶頸難題。此外，孫航［5］提出了優(yōu)化加熱爐清淤除垢周期和高效加熱爐節(jié)能涂料結(jié)合的技術(shù)，有效提高了加熱爐熱效率。

1.2.3 油氣田能源管控技術(shù)

建立了能源管控5個(gè)成熟度分級(jí)模型（計(jì)量級(jí)、監(jiān)測(cè)級(jí)、分析級(jí)、優(yōu)化級(jí)和智能級(jí)）和能源管控策劃、實(shí)施與檢查的基本方法；提出了油氣田企業(yè)的能源管控模式，規(guī)定了各個(gè)能源管控等級(jí)的技術(shù)要求；研發(fā)了油氣田全廠級(jí)能源管控系統(tǒng)軟件，在大慶慶新油田建立示范工程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)及能耗數(shù)據(jù)采集、異常報(bào)警、診斷分析、措施工單實(shí)施與追蹤、效果評(píng)價(jià)等能源管控功能，能源效率顯著提高。

1.2.4 油田能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

創(chuàng)新形成了稀油油田地面全流程用能評(píng)價(jià)方法及優(yōu)化方法，開發(fā)了油田能量系統(tǒng)優(yōu)化系列軟件（機(jī)采系統(tǒng)優(yōu)化、注水系統(tǒng)優(yōu)化、集輸系統(tǒng)優(yōu)化等），建立了油田能量系統(tǒng)優(yōu)化管理系統(tǒng)平臺(tái)，編制了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和管理辦法，建設(shè)了大慶油田第四采油廠油田能量系統(tǒng)優(yōu)化示范區(qū)，為油田推廣應(yīng)用能量系統(tǒng)優(yōu)化提供了技術(shù)支撐和管理支持。

1.2.5 余熱余壓高效利用技術(shù)

研制了注汽鍋爐“一拖二”余熱冷凝回收裝置，運(yùn)行時(shí)率由53%提高至82%；建立了注汽管道熱耦合的數(shù)學(xué)模型，研發(fā)了管網(wǎng)保溫設(shè)計(jì)模擬軟件，解決了復(fù)雜保溫結(jié)構(gòu)下的設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題；研制了氣田壓差發(fā)電及電磁加熱一體化裝置，裝置由壓差發(fā)電機(jī)組、高頻電磁加熱裝置、智能控制單元和各類閥門及濾網(wǎng)組成，在長(zhǎng)慶油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，裝置發(fā)電功率達(dá)到15 kW。

1.2.6 整體式壓縮機(jī)提效技術(shù)

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(jìn)氣調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳感器和控制終端3部分組成的整體式壓縮機(jī)空燃比調(diào)控裝置，在長(zhǎng)慶蘇里格氣田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，燃料氣消耗量減少3.3%；在國(guó)產(chǎn)整體式壓縮機(jī)上開展稀薄燃燒模擬分析、方案設(shè)計(jì)和廠內(nèi)改造，研制了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒裝置和配套工藝，通過(guò)西南油氣田重慶氣礦的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，燃料氣消耗量下降3.61%～7.94%，同時(shí)改善了排放指標(biāo)。

2 面臨的形勢(shì)和挑戰(zhàn)

2.1 油氣開發(fā)形勢(shì)

為保障國(guó)家能源安全，油氣田承擔(dān)著穩(wěn)油增氣任務(wù)，特別是天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)高效的低碳化石能源，可與風(fēng)、光等可再生能源形成良性互補(bǔ)。油氣田開發(fā)形勢(shì)主要特點(diǎn)如下［6-8］：

一是老油田已進(jìn)入開發(fā)后期，單井產(chǎn)量下降，老氣田已經(jīng)進(jìn)入增壓開采階段，產(chǎn)水量增加；強(qiáng)化采油措施，如三元復(fù)合驅(qū)、減氧空氣驅(qū)、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(chǎn)能資源品位變差，增儲(chǔ)上產(chǎn)以非常規(guī)資源為主，單位產(chǎn)能建井?dāng)?shù)量大且產(chǎn)量遞減快，建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、依托條件差。

三是經(jīng)過(guò)幾十年的開發(fā)生產(chǎn)，油氣田地面工程存在點(diǎn)多面廣、系統(tǒng)負(fù)荷不平衡、管道與站場(chǎng)設(shè)施腐蝕老化、油氣集輸密閉率不高和數(shù)字化程度不均衡等問(wèn)題。

四是隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)和綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展需要，在資源劣質(zhì)化條件下，中國(guó)油氣能源安全和保供面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。地面工程面臨著產(chǎn)能工作量大、周期短、開發(fā)落實(shí)程度低等多重不利因素和問(wèn)題。

五是受資源品質(zhì)變差、老區(qū)開發(fā)進(jìn)入后期等因素影響，開發(fā)效益逐年變差。高質(zhì)量開發(fā)面臨挑戰(zhàn)，對(duì)地面工程降低投資和運(yùn)行成本提出了更高要求。

2.2 節(jié)能提效面臨的挑戰(zhàn)

“雙碳”目標(biāo)事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。節(jié)能是“第一能源”，是實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)的重要舉措。中國(guó)石油企業(yè)油氣田業(yè)務(wù)領(lǐng)域在穩(wěn)油增氣、保障國(guó)家油氣安全的同時(shí)，面臨節(jié)能降碳、綠色轉(zhuǎn)型的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

一是國(guó)家能耗及碳排放雙控指標(biāo)、定額與限額指標(biāo)等硬約束要求，將對(duì)企業(yè)完成節(jié)能降碳考核指標(biāo)，乃至油氣生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和新建產(chǎn)能產(chǎn)生重要影響，高能耗、高排放產(chǎn)能將面臨淘汰，新建產(chǎn)能也將受到能耗和碳排放指標(biāo)的約束。必須突破油氣田機(jī)、泵、爐等重點(diǎn)耗能設(shè)施節(jié)能提效技術(shù)和余熱余壓回收利用技術(shù)瓶頸。

二是在老油氣田自然遞減、系統(tǒng)負(fù)荷不平衡、站場(chǎng)負(fù)荷率低、運(yùn)行效率低的客觀條件下，需要深入實(shí)施優(yōu)化簡(jiǎn)化，提高系統(tǒng)效率。因此需要攻克油氣田能量系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵核心技術(shù)。

三是在油氣田數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化發(fā)展進(jìn)程中，優(yōu)化級(jí)與智能級(jí)能源管控是油氣田節(jié)能發(fā)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化及智能化等技術(shù)瓶頸。

四是非常規(guī)劣質(zhì)資源開采能耗高、產(chǎn)能遞減快，急需針對(duì)其生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)，研究非常規(guī)油氣開發(fā)全流程能耗規(guī)律、節(jié)能評(píng)價(jià)模型與能耗定額，配套先進(jìn)節(jié)能工藝和高效節(jié)能技術(shù)，為非常規(guī)油氣低成本高效綠色開發(fā)提供技術(shù)支撐。

3 節(jié)能技術(shù)展望

3.1 節(jié)能工藝技術(shù)

3.1.1 推廣成熟工藝技術(shù)

推廣應(yīng)用機(jī)采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及節(jié)能高效的抽油機(jī)、電機(jī)和控制系統(tǒng)；推廣注水注汽優(yōu)化技術(shù)；在東部高含水老油田推廣不加熱集油技術(shù)，在低滲透、小斷塊等油田應(yīng)積極應(yīng)用單管不加熱、串接集油、簡(jiǎn)化計(jì)量和一體化集成裝置等技術(shù)；優(yōu)化調(diào)整油田地面生產(chǎn)系統(tǒng)工藝，提高系統(tǒng)負(fù)荷率和設(shè)備效率；推廣蘇里格開發(fā)模式等先進(jìn)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，加大軟件量油、井下節(jié)流等技術(shù)應(yīng)用；通過(guò)密閉集輸改造及原油穩(wěn)定，減少油氣損耗，通過(guò)天然氣深冷提效及放空氣回收，增加液烴產(chǎn)量，提高天然氣商品率。

3.1.2 攻關(guān)研發(fā)新技術(shù)

采油采氣方面，發(fā)展井下油水分離技術(shù)、無(wú)桿舉升等高效舉升裝備、采油采氣智能優(yōu)化技術(shù)、注水注汽優(yōu)化控制技術(shù)、低成本高效排水采氣技術(shù)等；攻關(guān)原料氣脫硫、脫蠟、脫汞技術(shù)，含硫氣田尾氣達(dá)標(biāo)排放處理工藝；頁(yè)巖油（氣）、致密油（氣）等非常規(guī)油氣田持續(xù)完善大井組、平臺(tái)化、工廠化集約式產(chǎn)能建設(shè)新模式，配套低成本地面工藝技術(shù)；完善化學(xué)驅(qū)、減氧空氣驅(qū)和二氧化碳驅(qū)等配套地面工藝技術(shù)；研制油氣大型工藝設(shè)備國(guó)產(chǎn)化技術(shù)，如高壓天然氣離心式壓縮機(jī)、大型膨脹機(jī)、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(jié)能優(yōu)化技術(shù)

3.2.1 油氣田能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

針對(duì)油氣田高含水、產(chǎn)液量增加、油氣產(chǎn)量逐步遞減的特點(diǎn)，積極發(fā)展稀油油田能量系統(tǒng)優(yōu)化集成技術(shù)、稠油集輸與注汽系統(tǒng)及SAGD開發(fā)能量?jī)?yōu)化技術(shù)、氣田集輸系統(tǒng)和凈化廠能量?jī)?yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油氣田能量系統(tǒng)及設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，將油氣田開發(fā)作為整體進(jìn)行優(yōu)化，綜合油藏、開發(fā)、注采、地面工程等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，集成地上地下一體化優(yōu)化技術(shù)，為老油田二次開發(fā)和新油田整體開發(fā)提供方法論和技術(shù)支持。此外，隨著非常規(guī)油氣生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，開展頁(yè)巖油（氣）、致密油（氣）等全生產(chǎn)過(guò)程能耗規(guī)律和節(jié)能評(píng)價(jià)方法研究，研發(fā)適應(yīng)非常規(guī)生產(chǎn)特點(diǎn)的機(jī)采、集輸系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能高效裝置與技術(shù)，形成非常規(guī)油氣開發(fā)節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和重點(diǎn)提效技術(shù)。

3.2.2 余能高效利用技術(shù)

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(shù)，應(yīng)大力發(fā)展高中溫余熱發(fā)電、供暖技術(shù)，低溫余熱余冷有機(jī)介質(zhì)發(fā)電技術(shù)，熱泵余熱回收供熱技術(shù)，氣田余壓發(fā)電等節(jié)能高效裝置。

3.2.3 智能化能源管控技術(shù)

以油氣田互聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)和云計(jì)算為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在油氣田能源供給和消費(fèi)領(lǐng)域，構(gòu)建基于企業(yè)能源大數(shù)據(jù)的智能管控系統(tǒng)平臺(tái)，推動(dòng)供能側(cè)多能互補(bǔ)、需求側(cè)智能優(yōu)化響應(yīng)技術(shù)應(yīng)用；發(fā)展油氣井?dāng)?shù)字計(jì)量、油氣集輸管網(wǎng)智能運(yùn)行、油氣站場(chǎng)智能生產(chǎn)優(yōu)化、油氣生產(chǎn)智能評(píng)價(jià)決策等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)過(guò)程“實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能診斷、自動(dòng)處置、智能優(yōu)化”的新模式。

3.2.4 節(jié)能降碳評(píng)價(jià)與診斷技術(shù)

油氣田生產(chǎn)耗能是碳排放主要來(lái)源，應(yīng)積極開展油氣田碳排放情景預(yù)測(cè)及“碳達(dá)峰”“碳中和”路徑研究，油氣田生產(chǎn)全流程碳排放強(qiáng)度研究，非常規(guī)油氣開發(fā)能耗規(guī)律及碳排放特征研究，基于碳排放的能耗考核評(píng)價(jià)指標(biāo)、能耗定額與限額指標(biāo)研究。

3.3 新能源技術(shù)

3.3.1 太陽(yáng)能和風(fēng)能利用技術(shù)

具有豐富太陽(yáng)能、風(fēng)能和土地資源的油氣田，應(yīng)加強(qiáng)光-熱轉(zhuǎn)換技術(shù)在油氣田生產(chǎn)加熱工藝環(huán)節(jié)的應(yīng)用，發(fā)展低成本高效光-電轉(zhuǎn)換技術(shù)、高效太陽(yáng)能制氫技術(shù)和風(fēng)能發(fā)電、風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)。

3.3.2 地?zé)崂眉夹g(shù)

油氣田具有豐富的地?zé)豳Y源，需發(fā)展中高溫地?zé)崴谟吞锫?lián)合站、計(jì)量站和轉(zhuǎn)油站工業(yè)化利用配套技術(shù)，研發(fā)中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)、壓縮式熱泵技術(shù)、采出水綜合利用工藝及配套技術(shù)。

3.3.3 儲(chǔ)能技術(shù)

風(fēng)能、太陽(yáng)能和地?zé)崮芨咝Ю眉夹g(shù)的發(fā)展，需要同時(shí)配套高效儲(chǔ)能技術(shù)，發(fā)展電轉(zhuǎn)氣大功率壓縮空氣技術(shù)、抽水蓄能技術(shù)、儲(chǔ)氫技術(shù)、天然氣摻氫技術(shù)、高能量密度儲(chǔ)熱技術(shù)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

節(jié)能是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的重要著力點(diǎn)和關(guān)鍵支撐，技術(shù)節(jié)能是油氣田提高能源利用效率和降碳的關(guān)鍵途徑。促進(jìn)油氣田節(jié)能技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步，一是要立足科技創(chuàng)新引領(lǐng)，攻關(guān)節(jié)能關(guān)鍵核心技術(shù)和裝備，形成技術(shù)儲(chǔ)備；二是要大力實(shí)施節(jié)能項(xiàng)目，推廣應(yīng)用成熟先進(jìn)的節(jié)能工藝和節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益；三是積極應(yīng)用新能源和可再生能源技術(shù)，推進(jìn)清潔能源替代；四是配套節(jié)能機(jī)制體制，激勵(lì)節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新和實(shí)施應(yīng)用。