油气田清洁替代转型中多能耦合机制与 低碳路径探索
邓乾星2.3赵宝华12王克林12.3陈百龄张丽赵志勇12.4赵卫东124林国强
（1.中国石油塔里木油回公司；2.中国石油天然气集团有限公司超深层复杂油气藏勘探开发技术研发中心； 3.新疆维吾尔自治区超深层复杂油气藏勘探开发工程研完中心；4.新疆超深油气童点实验室）
量的碳排放.中国石油塔里本油田是中国陆上第三大油气回.它的油气生产系统消耗的能源主要由天然气 摘要“双碳”目标下，节能减排成为油气回企业的一项重要任务.但传统的油气生产必然会产生大和网电构成，分别占碳排放总量的23%和48%.因此，如何采用清活能源替代天然气和网电是碳减排面临的童要问题.作为一种建在用户端的能源供应方式，分布式能源可以生产清洁的电和热.因此，塔里木油因实施了生产系统的电气化改造，并大力发展分布式能源，以改善用能结构、降低碳排放.在电能的清洁 替代方面，建设了大量的分布式光伏，利用天然气集输过程中余压，以生产绿也.在热能的清活替代方面，研发并试验了光热利用技术，应用了多种形式的热系，以替代然气加热设备.虽然塔里本油田分布式能源10万千瓦，累发绿电约3500万千瓦时，替代天然气近200万方，减排二氧化碳约3万吨.总体而言，在油 的建设起步较晚，但节能减排的效果显著.截止2023年，累计建成分布式能源约470个，折合装机规模约气商品量增加的同时，促进碳排放总量同比下降了22%.但是在建设分布式能源的过程中还存在一些问题.例如，缺乏运行维护的相关制度、分布式光伏清洗不及时等，但塔里木满田已经制定并实施了针对性的解决措施.未来，塔里木油田将继续发晨分布式能源，并持续总结经验和成果，为油气田全业绿色低碳 转型提供“塔里木方案”.
关键词分布式能源：清洁替代：油气田转型：减排：里本油田
化，能耗总量和碳排放总量呈现上升的趋势.为了实现碳减排的目标，塔里木油田急需改变改变
1背景
为了减少温室气体的排放，世界大多国家提以消耗的天然气、电为主的用能结构.出了“双碳“目标.在此背景下，油气田企业面临着稳油增气和控排减碳的双重压力.只有深挖型能源系统.相较于集中式供能，它更靠近用户划，并将清洁能源的开发利用水平作为公司业绩能结构中的消费占比.考核的重要指标.
分布式能源是一种建在用户端的、分散的新节能降碳潜力，大力发展清洁能源方能破局.包侧，有助于减少能源输送过程中的损耗.相比于括英国石油公司、壳牌石油公司、CNPC在内的传统的化石能源，它可以生产清洁的电或热.因许多国际能源公司已经制定了转型的战略并采取此，分布式能源有利于促进油气生产系统节能提了一些行动.例如，中国石油股份有限公司效和能耗结构转型升级.目前，塔里木油田正在（CNPC）提出了绿色低碳的发展目标和具体规大力发展分布式能源，不断提升非化石能源在用
2基础条件与优势
中国石油塔里木油田位于塔里木盆地，是中国陆地上的第三大油气田.为了满足油田生产系统的用能需求，2023年消耗了天然气约2亿立油田拥有丰富的自然资源.油田所处的塔里木盆
资源是能源公司赖以生存的基础.面塔里木方米、网电20亿千瓦时.二者产生的碳排放分地，盆地面积超过56万平方公里.广家的沙漠别占碳排放总量的23%、48%.并且，随着老油和戈壁都是未利用的土地.充足的土地可以为发田含水率不断上升和新开发油气资源品位的劣质展分布式能源能源提供足够的空间.同时，所处
有利于布置分布式光伏和光热设备.此外，盆地 的天然气资源丰富，且气藏具有超深、高压的特点.天然气的集输和处理过程中有丰富的余压资源可利用.根据预测，若这些天然气余压资源均被利用，每年可以发电超过2.1亿千瓦时.
区域太阳能资源丰富，年水平面太阳总辐射量大掘油田低温热资源，并应用光热加热设备替代燃多在1416-2055kW/m之间，大部分地区年日照气加热炉，试验将集中燃气加热改为分散式电加时数在2600-3200小时之间，如图1所示.这热.最终，建立生产系统与分布式能源高度协同的运行模式，形成以清洁能源为主的绿色低碳油 气生产系统，实现塔里木油田绿色低碳转型.
3.1发展规划
在中国提出“双碳”目标以后，塔里木油田也提出了绿色低碳转型的目标.并在2021年制 定了分布式能源的发展规划.规划实施后，分布式能源的发展进人高速阶段.根据规划，结合土地资源和消纳预测，2030年以前分布式能源总规模将达到200MW，产生明显的节能减排效果，实现碳达峰目标.其中，分布式能源装机约 120MW，预计年发电能力可达1.68亿千瓦时，投运后预计每年可以减少二氧化碳排放约12万吨.分布式能源供热约80MW，投运后预计年可节约标准煤约15.7万吨，可以减少二氧化碳排放约41万吨.以上规划将助力油田在2050年以 前实现碳中和的目标.
图1塔里木盆地太阳能资源分布图
塔里木油田发展分布式能源的一个显著优势在于其基础设施建设良好.首先，油田矿区面积多且分散，适宜发展位于用户侧的分布式能源. 超过13万平方公里，生产油气的井、站场数量分布式能源建设也可以利用现有的井场、站场或生活区，无需新征土地.其次，油田年用电负荷高达200MW，随着油气生产能力的提升，预计 到2025年可达到500MW.分布式能源所发绿电可以在油田内就地消纳.最后，拥有塔北、塔中和克拉等6个独立的内部供电网络，形成了以110kV、35kV、10kV三个电压等级为骨架的输提供了便利. 配电网络，线路总长度约6000km，为输送绿电
3.2系统改造
现阶段塔里木盆地可大规模开发利用的清洁能源主要包括光能和风能.同时，2022年光伏 发电平准化度电成本（LCOE）平均值估算为0.22元/kWh，2030年有塑降至0.175元/kWh;2020年陆上风电LCOE平均值为0.277元/kWh，2030年有望降至0.190元/kWh.这为油气生产用能清洁替代奠定了坚实基础.但风光绿电存在 随机性、波动性、不稳定性以及年发电小时数低的问题.因此，塔里木油田要实现碳达峰需要对生产系统进行电气化改造，将传统的油气生产模式改变为低碳智能的变工况生产模式以最大程度利用风光绿电.
3.2.1开展钻井“电代油”工程
3发展规划与实施路径
由于钻井多是在偏远地区，缺乏稳定可靠的寸依托电网.因此，消耗柴油供电是钻井作业中的
论，油田确定了重点发展分布式光伏、天然气余一项重要成本支出，同时会带来大量的碳排放. 结合自身的实际情况并经过多次深人的讨压发电、光热、热泵等4类分布式能源的工作思转化钻井的供能方式已成为产建过程中迫切需要路.首先，对现有的工艺流程进行电气化改造，解决的问题.因此，塔里木油田大力推行“电代探索绿色低碳智能化的变工况生产模式.在提高油”，即在工业电网允许的条件下，将工业电网终端用能设备电气化率的同时，增加光伏、风电的电转化输送至钻井队，为钻机提供动力.纳.一方面，充分利用分布式光伏和天然气余压施工，降低复合钻机中柴油机使用率，引导钻井 等分布式能源的耦合程度，实现大规模的绿电消在有网电覆盖的区域，采用纯电动钻机进行
生产绿电以替代网电，降低实施电气化改造后的承包商采用绿色低碳的能源和技术进行施工.在生产运行成本.另一方面，充分利用热泵技术挖无电网电覆盖的区域，坚持地面地下一体化原
则，按照地质构造的主干断裂布局并建设骨架电可油”，每一口井在钻井过程中可以节约165万元. 了电网重复建设.根据测算，通过实施“电代发展分布式光伏、天然气余压发电等分布式能源.
3.2.2应用智能间抽技术
油井进人生产后期后，井筒供液不足，系统效率变差.若采用连续生产模式不仅能耗高，经 济效益差，还会增加人员劳动强度大和作业风险.针对日产液量5m”以下或泵效低于30%的低产低效油井，按照“产量不下降、管线不冻堵”的原则实施间抽.并结合光伏发电特性和阶梯电价策略，探索”光伏谷电间抽”的变工况运行在无稳定可靠电网覆盖的边远离网型井场，以 模式.在日间光伏出力时段开井提液.如果光伏“分布式光伏储能”替代柴油机发电，保证在无出力不够则利用夜间谷电补抽.其他时段停止提液用于液面恢复.这可以提升光伏消纳比例，降低油井运行成本.
3.2.3优化加热系统
油气生产能耗主要是集输管道的沿程热损失.目前燃气加热炉主要集中布置在集输流程后端的站点，面位于集输流程前端的井口才是用热的关键场景.二者分离增加了供热管道的沿程热 损失.一方面，针对有水合物冻堵风险、压力30-47MPa的特殊气井，将油嘴下放至井下2000-3500米，实现井下节流，代替井口节流，依靠地层复温，防止水合物生成导致井筒和井口冻堵，同时降低井口压力，减少或停用井口加热 设备.2018年，HQ井装2.4mm井下油嘴（2500米），有效解决井简水合物堵塞问题，年增油转化为机械能，带动发电机发电，就近并人油田1326吨、年增气312万方.另一方面，可利用热，以降低掺水管道热损失，简化工艺.在电加之间需有稳定压差，且压比为1.21-10.00.另 电加热的灵活性，在井场等用热点分散布置电加热技术的选择方面，传统电磁加热器能耗高、安装迁移不便，且无法加热采油树、采气树至电磁加热器之间的阀门、管段，依靠电伴热带热量不集中导致管道容易在冬季发生冻堵.因此，优先 选择新型的电磁加热技术.例如，一种便于安装迁移且加热集中的涡流加热设备与功率为60kW技术.的传统电磁加热设备相比，相同工况下节电率为6.64%.
3.3电能清洁替代
3.3.1分布式光伏
3.3.2天然气余压发电
3.4热能清洁替代
可行性.所以在确保油田电网安全、可靠的前提网，满足钻井和后期开发生产用电需求.这些措下，需要大力提高绿电在用能中的占比，探索建施不仅可以大幅降低开发生产用电成本，还避免设以绿电为供能主体的低碳油气田.重点就是要
在有电网覆盖的并网型井场，以配电系统10kV母线所辖生产负荷为中心，构建分布式智能微网，以“分布式光伏网电”供能，不建储能 设施，剩余电量不接人35kV侧大电网，通过智能系统实时分析区域内的供、用负荷，随光伏出力实时控制开井数，实现供、用负荷实时拟合，绿电就地消纳、区域内自平衡，建成低碳井场.光或连续光弱的条件下，持续稳定供电，如图2所示.实现100%绿电供能，建成零碳井场.
图2采用”分布式光伏储能“的模式为井场设备供电
采用膨胀机将集输过程中丰富的天然气余压电网.但目前，在应用天然气余压发电技术时存在两个主要的限制条件.一方面，管道的上下游一方面，由于透平膨胀机不能携液运行，螺杆膨胀机和双转子膨胀机可少量携液运行，故天然气宜为干气.目前，在某输气站的天然气余压发电技术方案，并研究湿气或复杂条件下的余压利用 试验已经完成，油田正在制定处理站余压发电的
天然气消耗在油田能耗结构中占据主导地直接利用网电加热成本是燃气加热成本约2分布式能源生产清洁的热能是实现清洁用能的重 位，主要为油气集输处理系统供热.因此，利用倍，且综合用电成本可能进一步增加.直接利用要举措.主要的途径就是降低低温光热利用技术网电替代天然气为生产系统供能在经济上不具有的成本，研究并试验高温光热利用技术.同时，
3.4.1光热技术
3.4.2热泵技术
充分利用热泵技术实现油田低温热能的回收再利用.
热的利用技术分为低温光热利用技术和高温光热 光热具有取之不尽用之不竭的显著优点.光利用技术.但高温光热利用技术在中国主要用于发电，很少在油气田应用.面低温光热利用技术需要配套储热装置.由于储热的熔盐材料价格高 昂，使得低温光热利用技术的建设成本相对偏高，每兆瓦建设投资约2000万元.在低温光热利用方面，塔里木油田与其他企业合作研发了一种新型的光热系统，如图3所示.该系统采用平热，以加热输送的流体.白天光照充足时，该系 板集热，并将加热后的循环介质与被加热流体换统正常利用太阳能加热输送的流体并储存多余热量.晚上系统的储能装置释放多余的热量，不足的部分则通过电加热补偿.在高温光热利用方面，积极开展技术试验，并建成14MW的槽式 光热系统.该系统通过槽式集热器利用太阳能加热导热油，为油气处理提供了清洁、高效的能源，大幅减少了消耗的天然气.
图3新型光热加热设备
热泵是一种节能高效的能量利用装置.它基于逆卡诺循环的原理，可以通过消耗少量能量就将空气、水或土壤中难以有效利用的大量低温位热能转化为可利用的中高温位热能.塔里木油田实施了一系列工程来建设热泵，从而利用采出水 和空气的热能.以YD井为例，采用60kW复叠式空气源热泵替代电加热器.根据现场运行数据测算，热泵平均日耗电量402度，平均COP值计全年可节电25.9万度，可节约费用13.47万 为3.04；而电加热器平均日耗电量1161度.预元，节电效果较好，技术成熟可靠，运行高效稳定.
4取得成效
塔里木油田的分布式能源的发展时间虽然只有3年，但却取得了十分显著的成果.截至2023 年底，油田累计建成分布式光伏、天然气余压发电、光热、热泵等四类分布式能源共470个，折合装机规模约10万千瓦.经统计，分布式能源2023年累发绿电3500万度，替代天然气近200万较少的原因是多数分布式能源的投产时间比较短. 方，减排二氧化碳接近3万吨.其中，替代天然气总体面言，在油气商品量增加的同时，通过发展分布式能源使得碳排放总量同比下降了2.2%.
4.1初步构建新型油气生产系统
通过采取一系列的措施，初步构建了一种能与分布式能源匹配的新型油气生产系统.具体面言，通过实施钻井电代油，累计超过250口井钻井时的供能方式由柒油转变为网电.钻井的电气化比例达到93.3%，比2020年提升31%.不仅 减少了噪声污染和二氧化碳排放，还实现了安全清洁的钻井.同时，“光伏谷电间抽”的变工况运行模式在LN井完成先导性试验.结果表明：试验期间，吨液耗电量从648千瓦时下降到216千瓦时，下降66.7%.同时增产原油534.4 吨，减排CO共430.8吨.正在在21口井实施变工况的运行模式，预计清洁能源的占比将提升至50%以上.
4.2清洁电能生产快速上升
生产的清洁电能由不足2万千瓦时飞速上升至 通过建设分布式光伏和余压装置，近三年年3500万千瓦时，增幅约1750倍.具体而言，累计建成分布式光伏约470个，折合装机规模约10万千瓦，累发绿电约3100万千瓦时，减排二天然气余压发电装置，累计生产绿电约400万千 氧化碳约2.1万吨.在某输气站建成1套600kW瓦时，折算碳减排2700吨.
图4油田内一座6兆瓦的分布式光伏电站
建地面生产系统，以采油厂为单位编制低碳生产的方案，并申报能源综合利用项目争取投资.同时通过老油田调整改造、科研、BOO等多种渠道筹措建设资金.
4.3热能的清洁替代单有成效
通过研究新型光热系统和规模化应用热泵，热能的清洁替代取得了较好的效果.具体而言，截止2023年底，累计建成低温光热加热装置11 套，规模共1000千瓦.建成高温光热加热系统2套，规模共1.4万千瓦.初步实现光热系统的规模化应用.共应用47套多种型号的热泵，装机规模接近1万千瓦.2023年通过热泵提取空 气或采出水的余热，折合替代900吨标煤，替代天然气70万方，减排二氧化碳2400吨.
6结论与认识
以塔里木油田为研究对象，深入研究了油田低碳转型路径，分析了油气田企业绿色发展的优 势和现状，提出了绿色转型发展的实施路径.对在能源上游领域的企业具有一定的借鉴作用.从本文可以得出以下三个结论：
5问题与措施
（1）油田转型的成效证明了能源消费上实现能源的路径是可行的. 高效低碳排放，能源供应上因地制宜发展清洁新
5.1分布武能源建设缺乏项展设计
由于制定的分布式能源发展规划不够细致，油田部分区域接入的分布式光伏已经接近最大可接人容量，出现有可新建光伏的土地但无可接人容量的现象.
（2）加强统一规划，优化设计方案，是避免重复建设，在转型过程中保持供需平衡的关键.
（3）节能、低碳、清洁技术多.能源企业在术.在本文中，选择技术的依据是能为企业省钱 转型过程中必须根据自身实际情况选择合适的技或盈利.
5.2分布武能源运维有特规范
油田地处南疆，是我国风沙危害最严重的区域.光伏板、光热系统的集热器需要经常维护以保证运行效果.但油田缺乏分布式能源运维的相关制度，导致光伏光热清洗维护要求不明确.同 时，而热泵、光热缺乏完善的配套计量仪表，导致数据录取不便.
参考文献
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5.3分布武能源建设资金获取团难
分布式能源能源的建设主要通过新建产能项目、能源综合利用项目获取投资.但前者需有油 气生产的新项目作为依托，且项目的审批手续复杂.而后者的收益率普遍难以满足经济性要求，获取项目许可存在很大的困难.
5.4致进措施
发电最大可接人容量，评估接入比例是否可以突 应当结合电网改造的情况，研究分布式能源破30%.积极探索建设储能设施，提升电网的调节能力.综合考虑发电量、气候、限电等因素，制定分布式能源运维指导手册，重点明确光 伏电站、光热设备的运维要求.明确分布式能源计量仪表的配置要求，试验智能化清洗、检测等新技术，提升运维效率.建设油田的智慧能源运营平台，强化对分布式能源的管控.针对新建产能项目，严格落实设计要求，从设计源头提高清 洁能源利用率，提升能效、降低碳排放.针对已
