海洋油氣開采節能技術研究綜述

李平（中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

我國油氣資源相對稀缺，海洋油氣資源開采開發一直是我國石油產業重要的生產領域，但是受到海洋開發開采設施特殊性的制約，如海洋石油開采作業平臺遠離陸地，可提供的生產空間有限，設備的可靠性、工藝的先進性都在一定程度上受到制約[1]。首先，油田伴生氣回收經濟性較差，設施投資較高，投資回收期長，伴生氣在無就地利用的條件下，從安全角度考慮通常采取火炬燃燒放空，造成一定程度的能源浪費。其次，以獨立電站的供電模式維持生產設施的運轉，其最主要缺點是供電可靠性差、電站負載率低、能耗相對較高。再者還包括生產設施如發電機組、鍋爐等尾氣的余熱資源未充分利用，生產系統及公用工程系統在運行過程中存在優化空間等特殊情況，增加了海洋油氣資源開采過程的能源消耗和溫室氣體排放[2-3]。隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，海上油氣開采迎來了新的挑戰，海洋油氣資源開采節能技術將成為降低資源開發碳排放量的重要手段。

1 研究內容

1） 從油田伴生氣放空原因入手進行的研究，其內容包括伴生氣回收的研究、伴生氣回注的研究等。

2）對于海上油氣田區域整體電力系統進行研究，包括區域電站并網運行的技術研究，岸電利用的技術研究等。

3） 對于海洋資源開發的生產設施進行研究，主要包括平臺及終端的原油處理系統、天然氣處理系統等，評價和分析過程能量利用的效果，制定措施方案，優化工藝工程。

4）對于海洋資源開發所應用的生產耗能設備進行研究，主要包括機泵、鍋爐等。

2 技術應用

2.1 伴生氣資源回收利用

油田伴生氣的燃燒排放是海上油氣田生產過程中的常見現象。伴生氣排放的原因主要為：放空氣量小，開展回收工作在技術上受到很大的限制；經濟性較差，由于海上生產條件的特殊性，設施投資高，投資回收期長；氣體含硫化氫、CO2等雜質氣體，不滿足設備的燃燒條件。

伴生氣的主要成分是甲烷，通常還含有乙烷和碳氫重組分，伴生氣作為一種清潔能源具有燃燒后產生的二氧化硫、顆粒物污染物量較小的特點，被國家和企業給予越來越多的重視[4]。海上油氣田在放空氣回收方面做了大量的工作，不斷突破技術及生產條件限制，大量放空氣實現了就地使用及外輸[5-6]。

1）通過海上開發生產設施的改進，如更換發電機組、新增小型燃氣設備等方式，將油田伴生氣作為燃料氣就地使用，減少火炬放空。在中海油某海上生產平臺隨著油田不斷擴產增容，對電力負荷需求不斷上升。同時，油田所產伴生氣資源大幅超出了總體開發方案的產量預測，由于無生產應用設施，所產伴生氣全部用于火炬放空，平臺通過增加燃氣透平發電機組，充分利用了伴生氣資源，平衡解決了用電緊缺和燃氣放空的對立問題，年可實現節能量1.3×104t(標煤)，年可減少溫室氣體排放2.8×104t，節能減碳的效果顯著。

2）天然氣區域性聯網可實現伴生氣資源的共享和充分利用，減少伴生氣的放空。在油田區域化開發基礎上，共享伴生氣資源，在海域開發過程中，連接輸氣管線，進行伴生氣組網供應，實現區域資源最優配置。

3）調整油氣外部外輸條件，通過原輸氣管道或油氣混輸的方式，將油氣運往陸地集中處理。海上油氣田外輸管道鋪設成本相對較高，合理充分利用管道輸送能力，降低伴生氣資源浪費，優化外輸工藝，實現伴生氣的回收利用。

4）將伴生氣通過進行除液、增壓后用作氣舉氣（保證生產） 和注氣（維持油藏壓力） 等使用[7]。伴生氣資源回注地層提高原油采出率，在國內外油田開采應用廣泛，可有效節約水資源（海上采油平臺一般采用注水泵注水提高地層壓力），適用于地層伴生氣資源豐富且穩定產出的地層條件。

5）開發天然氣凝液回收技術，將天然氣中相對甲烷或乙烷更重的組分以液態形式回收利用。小型的伴生氣液化設備近些年不斷在海上采油平臺開展過嘗試和應用，將伴生氣重組分回收，在減少資源浪費的基礎上，提升經濟效益。適用于伴生氣重組分占比高且產氣量相對較少的油氣田。

2.2 區域電力組網系統技術

由于海洋油氣資源開發的特殊性，早期的海上油氣田基本處于孤立運行狀態，以獨立電站的供電模式維持生產設施的運轉，其最主要缺點是供電可靠性差、電站負載率低、能耗相對較高。為徹底改變這一現狀，油氣田的開發思路從單一孤立變為區域聯網運轉，將區域間的油氣田發電設施并網運轉，統一調度，提高海上油氣田電力系統供電可靠性，確保生產安全、穩定、經濟運行，同時為后續岸電項目接入提供支撐。岸電項目的接入有兩點優勢：充分利用陸地大電網供電，進一步減少能耗；可購買和使用綠電，或風能、太陽能等新能源發電，改變能源使用結構，減少化石能源的消耗，減少溫室氣體排放。

某海上區域電力組網項目將3 個設施發電機組連接成一個電網，總裝機容量約為118 MW，為區域內22 個平臺提供生產和生活用電。電站并網后，電力供應長期穩定，節約了天然氣消耗量約15×104m3/d，按每年運轉350 天計算則每年節約天然氣5 250×104m3，折合約6.9×104t(標煤)。

2.3 余熱回收技術

余熱資源屬于二次能源，是一次能源或可燃物料轉換后的產物，或是燃料燃燒過程中散發的熱量在完成某一工藝過程后所剩下的熱量[8]。海上油氣開采平臺及陸地終端一般均配置有發電機組，主要包括燃氣透平發電機組、原油發電機組和柴油發電機組[9]。由于平臺設施的特殊性，發電機組總能量利用率普遍較低，大部分集中在20%～33%，很大一部分的能量隨著煙氣直接排入大氣中，排煙溫度一般都在400～600 ℃左右，余熱資源豐富。下游熱用戶如何匹配是余熱回收利用的關鍵制約點之一，現階段平臺余熱回收主要熱用戶為導熱油爐，回收發電機尾氣余熱作為導熱油爐的熱源，實現余熱的綜合利用[10]。

某FPSO 上配有5 臺原油/柴油發電機組，為FPSO 及周邊平臺提供生產和生活用電，另有2 臺燃油熱介質鍋爐為FPSO 生產供熱。主機所產生的尾氣直接放空。為充分利用主機尾氣的高溫熱能，新增加廢熱回收裝置吸收FPSO 上的主機尾氣的廢熱來替代燃油熱介質鍋爐給導熱油加熱，從而大幅降低原油使用量。 該技術應用可產生節能量2 200 t(標 煤)，年減少CO2排放量4 817 t。

2.4 生產系統能源優化利用

生產系統在運行過程中，存在大量的優化空間，基于節能技術的理論分析，通過調整工藝流程，降低工藝系統能源需求及公用工程系統能源消耗，提高生產效益。生產工藝優化一般可通過以下幾種方法實現：

1）設備調整。設備調整指在原工藝流程不合理或運行不佳情況下，通過增加或移除靜設備（如換熱器、調壓閥）或動設備（如離心泵），使工藝流程發生改變，實現工藝的優化運行。

2）流程切換。指通過改造對工藝流程部分單元進行切換或切出，實現生產工藝的優化。

3）公用工程系統共享，主要指針對不同生產工藝系統配套的各公用工程系統，如燃料氣系統、共用氣系統、循環水系統等，通過改造實現公用工程系統的共享。

某海上FPSO 投產后經過不斷的摸索，油田生產人員對操作條件進行研究分析，采取降低原油熱處理器、電脫裝置的操作溫度，將生產工藝處理系統熱負荷降低，優化貨油艙日常操作溫度，大幅降低鍋爐燃油的消耗量，實現年節能量6 600 t(標煤)，同時溫室氣體減排量約17 300 t。

3 重點耗能設備的節能化改造

在海洋石油開采過程中，主要的耗能設備包括原油外輸泵、電潛泵等機泵類設備，供熱鍋爐等加熱類設備。在海洋平臺設備選型過程中，特別是早期建造的平臺，重點考慮設備的安全性、耐腐蝕性等因素，能耗、能效等方面的考慮不足，導致存在諸如機泵、鍋爐能效水平低、配備不合理等現象。

3.1 機泵改造

在對機泵的使用和改造過程中，中國海油針對不同的使用環境和類型，實施了泵類變頻、柔性連接、葉輪改造等節能實踐，有效改善了泵類使用效率，明顯節約了生產耗電。

海洋石油某生產平臺外輸量較投產初期大幅下降，外輸量已遠小于單臺外輸泵的額定排量，需加水混輸，造成電力的大量浪費。目前主流的控制泵的排量方法有變頻器控制及自動調節閥控。這兩種方法已經取得廣泛的運用，并已經被證明了有效性。針對該平臺現狀，引進了一種新的技術—永磁渦流柔性傳動技術，這項技術通過改變電動機和泵的轉差來調節泵的轉速，繼而實現控制流量的目的，同時還有結構簡單，節能效果明顯等優點。

通過對該平臺外輸泵改造，使得平臺原油外輸過程電耗下降，年節能量為309 t，年溫室氣體減排量為505 t（CO2），有較好的節能減排效果。

3.2 鍋爐改造

對于鍋爐的使用，采用先進的技術、設施、工藝等，積極對鍋爐效率低、能耗高、生產能力不匹配等問題進行整改，達到最優的使用狀態，提高能源利用效率。

海洋石油某FPSO 為上世紀90 年代投產使用的生產設施，船體供熱使用一臺蒸發量為65 t/h 的蒸汽鍋爐，爐齡老，蒸發量大，利用率低，燃料油為外購180CST 重油。根據2010 年后的生產使用情況，30 t/h 的蒸汽量已經足夠滿足生產的日常需要，只是在外輸賣油期間才用到60 t/h 的蒸汽量，該鍋爐是低負荷現象；同時由于只有一臺鍋爐，一旦出現故障，沒有備用的鍋爐使用，會影響到整個油田的生產。為響應國家和中海油節能、減排和成本控制政策，同時保證生產的穩定性，對FPSO 鍋爐系統進行了燃油和系統改造。鍋爐升級改造后，生產得到保障的同時，減少了能源的消耗、降低了污染物的排放，改造之后平均年節省燃油1 680 t/a，節能量2 400 t(標煤)。

4 結論

1） 經過近些年對伴生氣資源進行回收利用、區域間電力組網、余熱資源的回收利用、生產系統的能源優化、重點耗能設備的節能化改造等先進節能技術的發展與應用，海洋油氣資源開采的能源消耗顯著降低，溫室氣體排放量隨之下降。

2）由于我國海洋油氣資源開發技術的提升和對外開放的推進，海洋油氣資源開發開采得到了迅速發展，產能顯著增加、開發設施設備的設計和使用也有了明顯的提高，在國家生態環境保護的大方針下，先進節能技術不斷的應用，顯著提高了能源利用效率，部分油氣田的能源資源利用得到了較好的提高。為實現國家“碳達峰、碳中和”目標，深入的總結和利用現有節能先進技術，改進推廣到可適用的各領域是非常必要的。