CCUS數字化建設現狀與智能化發展展望

摘要：碳捕集、利用與封存（簡稱CCUS） 技術是我國實現“碳達峰、碳中和”目標所必需采用的關鍵技術。CCUS項目的數字化和智能化管理將成為發展趨勢。該文通過分析當前某采油廠CCUS數字化建設的進展及面臨的挑戰，對其未來智能化發展進行展望，以期推動CCUS項目的智能化升級。

關鍵詞：CCUS；數字化建設；現狀；展望

中圖分類號：TP3" " " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）08-0115-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著全球變暖和氣候變化問題的日益嚴峻，減少二氧化碳等溫室氣體排放已成為國際社會的共識。CCUS技術作為一種有效的減排措施，通過捕集工業過程中產生的二氧化碳，將其運輸至封存地點或進行再利用，從而實現碳排放的減少。近年來，隨著數字化技術的飛速發展，將數字化技術應用于CCUS項目中，不僅可以提高項目的效率和安全性，還能降低運營成本，提升管理水平。本文著重分析某油田CCUS試驗區數字化建設的現狀及存在的問題，以智能化為目標，提出未來發展方向，對CCUS試驗區的高效運行發展具有重要意義。

1 某油田CCUS試驗區數字化建設現狀

某油田CCUS試驗區已按照規劃設計完成了數字化建設，實現了設計預期功能，建設范圍覆蓋了站、間、井等生產區域。

1.1 試驗區站數字化現狀

1.1.1 注入站

部分注入站的儲罐區、泵房區等區域生產流程的重要節點安裝了溫變、壓變、流量計等數字化儀表，電控區部署了橇裝電控一體化裝置（內設PLC站控系統） ，站內新建了光纜及工業級以太網交換機，將站內數據上傳至附近聯合站，實現了注入站生產過程中工藝參數的采集、顯示、記錄和控制功能。注入站所用的數字化設備種類見表1所示。

PLC站控系統能夠準確調用物聯網實時數據，在自控方面實現了以下功能：（1） 利用雙法蘭液位變送器實時計量儲罐液位，并實現高、低液位報警、聯鎖停泵；（2） 實現3座CO2儲罐壓力監測，高、低壓報警；（3） 實現儲罐區CO2濃度指示及報警；（4） 喂液泵運行狀態、遠程停泵控制；（5） 注入泵變頻狀態指示、故障狀態指示、聯鎖停泵控制、變頻器頻率控制、變頻器頻率反饋、泵狀態，及3臺注入泵注入電機綜合電量數據上傳；（6） 注入泵房CO2濃度指示及報警聯鎖啟動軸流風機；（7） 注入泵房O2氣體濃度指示及報警聯鎖啟動軸流風機；（8） 總電源電流、電壓、有功電量、有功功率、無功功率、功率因數等電參指示。

1.1.2 轉油站部分

部分轉油站利用了1套舊控制系統，由于原有控制系統的I/O模塊點數不滿足新建儀表的使用需求，在配電值班室內新建了控制系統擴容機架、接口模塊和I/O模塊。同時，調整了控制系統下位機軟件，用于完成生產過程的顯示及控制任務，信號上傳至中控室進行統一管理。主要實現了以下功能：

（1） 油氣分離器液位指示、高低報警、液位調節功能；（2） 油氣分離器氣出口壓力指示、高低報警、壓力調節（閥前） 、高報警聯鎖開放空閥；（3） 消泡劑加藥裝置液位指示、高低報警；（4） 消泡劑加藥裝置運行狀態；（5） 集油閥組間來油匯管溫度指示、壓力指示；（6） 集油閥組間來油支管溫度指示；（7） CO2驅外輸泵進口匯管壓力指示；（8） CO2驅外輸泵運行狀態指示；（9） CO2驅產氣流量指示、積算；（10） CO2驅外輸油溫度指示、壓力指示；（11） CO2驅外輸油流量指示、積算。

1.2 試驗區閥組間數字化現狀

在注氣計量閥組間方面，安裝了匯管溫變與壓變、單井流量控制器與壓變，通過RTU進行采集控制，實現了生產數據的自動采集、調節控制等功能。在集油計量閥組間方面，安裝了匯管溫變與壓變、單環流量控制閥與溫變，設置了計量分離器及U型管積算儀連續量油裝置，用于檢測計量分離器液位和單井產液量參數，數據通過WIA-PA智能遠程自動采集與控制終端單元進行采集和控制。

1.3 試驗區注采井數字化現狀

在注入方面，平臺井單井流量采用WIA-PA無線渦街流量計進行監測，并通過附近小型站場旁部署的WIA-PA智能工業物聯網關將數據回傳至數據中心，但平臺井不具備遠程調節功能。在采出方面，油井通過安裝示功儀、壓變、溫變等設備，數據通過WIA-PA智能綜合電參采集控制器進行采集，實現了油井油壓、溫度、功圖、電參等的實時監控，并具備控制油井遠程啟停的功能。同一平臺區域內有多口油井時，選擇一口油井作為平臺主井，設置1臺WIA-PA智能綜合電參采集控制器，其他井作為平臺從井，設置WIA-PA智能三相電參分析控制模塊。

2 CCUS試驗區數字化建設存在問題

在試驗區投產運行以來，依托現有數字化設備顯著降低了生產管理、操作等勞動強度，但依然存在以下四方面主要問題，制約了CCUS工作效率的進一步提升。1） 注入井現場未設置套壓壓變，相比水驅，CO2注入系統的安全性要求更加嚴格，套壓是日常管理的重中之重，人工核實工作量大且危險系數較高。2） 平臺注入井僅進行單井流量監控，利用閥組間主管線安裝的流量控制器進行注入量調節，該流量無法精準分配至平臺單井，不滿足精準注氣的需求。3） 注入站出口干線未設置質量流量計，無法實現出站氣源的質量監控。目前，利用注氣間匯管質量流量計進行統計，人工計量工作量較大且準確性得不到保障。4） 集油閥組間單環未設置流量計、壓變，采取溫度控制方式進行摻水調節，無法實時監測摻水量及摻水壓力。同時，溫度調節方式受制于集油環長度，溫度變化滯后，控制閥頻繁開關導致摻水量波動較大，導致系統運行不穩定。

3 CCUS試驗區數字化建設面臨的挑戰

3.1 技術層面挑戰

盡管CCUS技術已經取得了一定的進展，但在數字化建設方面仍面臨諸多技術難題。首先，現有的數字化技術與CCUS工藝之間的融合度不高，導致數據收集不全面、分析不準確等問題[1]。其次，由于CCUS項目通常涉及多個復雜的子系統，如何實現各子系統間的有效集成和協同工作也是一個亟待解決的問題。此外，隨著大數據、人工智能等新興技術的發展，如何將這些技術更好地應用于CCUS項目中，以提高項目的智能化水平，也是當前面臨的一個重要挑戰。

3.2 經濟層面挑戰

CCUS項目的投資成本較高，尤其是在初期階段，需要大量的資金投入用于基礎設施建設和技術研發投入。此外，由于CCUS項目的經濟效益受到多種因素的影響，如碳價格波動、政策法規變化等，因此項目的營利能力存在一定的不確定性。在這種情況下，如何降低項目的成本、提高項目的經濟效益，成為CCUS數字化建設面臨的又一重大挑戰。

3.3 管理層面挑戰

CCUS項目的管理涉及多個環節和部門，需要協調各方的利益和資源。在數字化建設過程中，如何建立一套完善的管理體系，確保項目的順利實施和高效運行，是一個復雜的問題[2]。此外，隨著項目規模的擴大和技術復雜度的增加，如何加強對項目的監督和管理，防范潛在的風險和問題，也是當前面臨的一個重要挑戰。

4 CCUS試驗區智能化發展愿景

隨著物聯網、大數據、云計算等技術的不斷發展，這些技術將在CCUS項目中得到更廣泛的應用，實現對整個項目生命周期的全面監控和管理，以提高項目的效率和智能化水平。

4.1 完善現有功能

4.1.1 注入端功能完善

1） 補充平臺注入井自動控制閥，配合已建流量計，實現單井精準注入。

2） 補充注入站出口質量流量計，實時監測出站氣源量，結合儲罐液位可準確計算次日氣源運輸量。

3） 補充注入井套壓監控，對于更換標準注氣套管頭的井口要額外補充B環空套壓監測，輔助判斷井下油套環空密封情況，及時采取作業措施，提高注氣安全性。

4） 注入站入口處增加人臉識別系統及車輛識別系統，系統內提前錄入承包商車輛及駕駛員人員相關信息，場內入站人員按現有人員系統自動顯示是否有權限進入場站。同時，部署承包商車輛定位系統，實時掌握運輸車輛位置及到達時間，氣源不足時可及時進行注入量調控。

4.1.2 集輸端功能完善

1） 補充單環流量計及壓變，摻水流量采取流量控制方式進行，經過多年采油廠集油間運行經驗，流量控制相較溫度控制具有控制精確、水量波動小等優勢，同時引入單環摻水壓力，可有效輔助分析系統運行狀態，及時發現凝環、堵環等異常情況。

2） 井場加裝紅外監控球機，取電不方便的井場架設太陽能板供電。設備具備長焦、闖入報警功能，提高生產現場安全性，同時可輔助進行油井遠程啟停，實現注采井場無人值守。

4.2 大力引進智能化技術

4.2.1 邊緣計算技術

技術簡介：邊緣計算是一種分布式計算模式，它將數據處理和計算任務從集中式的數據中心轉移到靠近數據源的設備或節點上進行。通過在本地處理數據并僅上傳必要的信息，邊緣計算減輕了網絡帶寬的壓力，敏感數據可以在本地處理，減少了通過網絡傳輸過程中的安全風險，有助于保護用戶隱私和數據安全[3]。

應用及展望：通過在閥組間或井場部署邊緣計算設備，結合生產經驗制定相關算法，利用邊緣計算技術在本地進行數據處理及操控。例如，當油井液面低時，可自動降頻調整油井沖次，保證沉沒度，提高泵的使用壽命及工作效率。還可與視頻監控進行聯動，發現跑冒滴漏時自動停井并發出報警信息，確保生產現場的安全環保受控。甚至可以期待，當注入站儲罐液位低時，可以自動降低泵頻率，同時連鎖調節注氣閥組間注氣單井的注入量，保證注入系統的穩定運行。

4.2.2 AI大模型技術

技術簡介：AI大模型是指使用大規模數據和強大的計算能力訓練出來的“大參數”模型，這些模型通常具有高度的通用性和泛化能力，可以應用于自然語言處理、圖像識別、語音識別等多個領域[4]。

應用及展望：二氧化碳驅相比水驅，存在許多技術和難題需要研究破解，如設備防腐、凍堵化解、控制氣竄等方面，員工無法快速將所需知識融會貫通。可以依托內部網絡部署大模型計算服務器，有效保證企業信息不泄露，同時將二氧化碳驅及水驅的管理資料、經驗、先進技術、外出調研學習資料等“喂”給大模型進行訓練推理。最終通過數據積累，利用大模型可以快速、準確地回答崗位人員的提問，并對工作提出指導性建議。

4.2.3 數字孿生技術

技術簡介：數字孿生是將現實世界中的實體、系統或過程通過數字化手段進行建模、仿真和分析的一種技術。它通過獲取實時數據、利用物理模型和數學模型進行計算，并結合人工智能和大數據分析等技術，實現對實體、系統或過程的精確復制和模擬[5]。

應用及展望：根據CCUS試驗區地面設備資料、安裝位置、系統管線路由、注采井基礎資料、井位等內容，利用物理建模與仿真技術進行試驗區數字孿生模型的構造，真實還原生產現場地面、地下的實際運行情況。通過已建的傳感器和物聯網設備收集物理實體的數據，并在數字環境中實時更新模型，使員工能夠實時監測實體的狀態。同時，基于歷史數據和實時數據，分析實體的性能變化趨勢，預測可能發生的故障，提前采取措施進行維護。此外，通過模擬仿真對實體的運行過程進行優化，提高生產效率、降低運營成本。通過數據積累，最終為決策者提供基于數據的洞察和預測，幫助他們做出更明智的決策。

5 結束語

CCUS是實現低碳轉型的重要途徑之一。某油田CCUS試驗區已完成基礎數字化改造，但受制于試驗區運行成本及數字化投資成本，制約了試驗區智能化的進一步發展。隨著科技的進步和社會的發展，這些問題有望得到逐步解決。未來，隨著先進智能化技術的廣泛應用和產業鏈的不斷完善，CCUS項目將在提高能效、降低成本等方面發揮更大的作用。

參考文獻：

[1] 李陽.CCUS產業必將與數字化深度融合[N].中國化工報，2023-08-16（006）.

[2] 李陽.CCUS與數字化平臺建設[J].當代化工研究，2023（21）：1-6.

[3] 楊宗瑤.邊緣計算與物聯網技術在智能油田數據安全防護中的應用[J].網絡安全和信息化，2024（6）：46-48.

[4] 董雅雯.大模型技術的發展與應用：現狀、機遇與挑戰[J].人工智能，2025（1）：110-118.

[5] 陳亞頤.數字孿生技術在智慧油田的研究與應用[J].設備管理與維修，2024（22）：158-160.

【通聯編輯：代影】