CCUS數(shù)字化建設(shè)現(xiàn)狀與智能化發(fā)展展望

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

關(guān)鍵詞：CCUS；數(shù)字化建設(shè)；現(xiàn)狀；展望

中圖分類號：TP3" " " " 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）08-0115-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

隨著全球變暖和氣候變化問題的日益嚴(yán)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(shù)作為一種有效的減排措施，通過捕集工業(yè)過程中產(chǎn)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(xiàn)碳排放的減少。近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)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(qū)數(shù)字化建設(shè)的現(xiàn)狀及存在的問題，以智能化為目標(biāo)，提出未來發(fā)展方向，對CCUS試驗區(qū)的高效運行發(fā)展具有重要意義。

1 某油田CCUS試驗區(qū)數(shù)字化建設(shè)現(xiàn)狀

某油田CCUS試驗區(qū)已按照規(guī)劃設(shè)計完成了數(shù)字化建設(shè)，實現(xiàn)了設(shè)計預(yù)期功能，建設(shè)范圍覆蓋了站、間、井等生產(chǎn)區(qū)域。

1.1 試驗區(qū)站數(shù)字化現(xiàn)狀

1.1.1 注入站

部分注入站的儲罐區(qū)、泵房區(qū)等區(qū)域生產(chǎn)流程的重要節(jié)點安裝了溫變、壓變、流量計等數(shù)字化儀表，電控區(qū)部署了橇裝電控一體化裝置（內(nèi)設(shè)PLC站控系統(tǒng)） ，站內(nèi)新建了光纜及工業(yè)級以太網(wǎng)交換機，將站內(nèi)數(shù)據(jù)上傳至附近聯(lián)合站，實現(xiàn)了注入站生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的采集、顯示、記錄和控制功能。注入站所用的數(shù)字化設(shè)備種類見表1所示。

PLC站控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，在自控方面實現(xiàn)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(xiàn)高、低液位報警、聯(lián)鎖停泵；（2） 實現(xiàn)3座CO2儲罐壓力監(jiān)測，高、低壓報警；（3） 實現(xiàn)儲罐區(qū)CO2濃度指示及報警；（4） 喂液泵運行狀態(tài)、遠程停泵控制；（5） 注入泵變頻狀態(tài)指示、故障狀態(tài)指示、聯(lián)鎖停泵控制、變頻器頻率控制、變頻器頻率反饋、泵狀態(tài)，及3臺注入泵注入電機綜合電量數(shù)據(jù)上傳；（6） 注入泵房CO2濃度指示及報警聯(lián)鎖啟動軸流風(fēng)機；（7） 注入泵房O2氣體濃度指示及報警聯(lián)鎖啟動軸流風(fēng)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(shù)等電參指示。

1.1.2 轉(zhuǎn)油站部分

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

（1） 油氣分離器液位指示、高低報警、液位調(diào)節(jié)功能；（2） 油氣分離器氣出口壓力指示、高低報警、壓力調(diào)節(jié)（閥前） 、高報警聯(lián)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(tài)；（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(qū)外輸泵進口匯管壓力指示；（8） CO2驅(qū)外輸泵運行狀態(tài)指示；（9） CO2驅(qū)產(chǎn)氣流量指示、積算；（10） CO2驅(qū)外輸油溫度指示、壓力指示；（11） CO2驅(qū)外輸油流量指示、積算。

1.2 試驗區(qū)閥組間數(shù)字化現(xiàn)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(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、調(diào)節(jié)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(huán)流量控制閥與溫變，設(shè)置了計量分離器及U型管積算儀連續(xù)量油裝置，用于檢測計量分離器液位和單井產(chǎn)液量參數(shù)，數(shù)據(jù)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(qū)注采井?dāng)?shù)字化現(xiàn)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(jiān)測，并通過附近小型站場旁部署的WIA-PA智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)中心，但平臺井不具備遠程調(diào)節(jié)功能。在采出方面，油井通過安裝示功儀、壓變、溫變等設(shè)備，數(shù)據(jù)通過WIA-PA智能綜合電參采集控制器進行采集，實現(xiàn)了油井油壓、溫度、功圖、電參等的實時監(jiān)控，并具備控制油井遠程啟停的功能。同一平臺區(qū)域內(nèi)有多口油井時，選擇一口油井作為平臺主井，設(shè)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(shè)置WIA-PA智能三相電參分析控制模塊。

2 CCUS試驗區(qū)數(shù)字化建設(shè)存在問題

在試驗區(qū)投產(chǎn)運行以來，依托現(xiàn)有數(shù)字化設(shè)備顯著降低了生產(chǎn)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(xiàn)場未設(shè)置套壓壓變，相比水驅(qū)，CO2注入系統(tǒng)的安全性要求更加嚴(yán)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(shù)較高。2） 平臺注入井僅進行單井流量監(jiān)控，利用閥組間主管線安裝的流量控制器進行注入量調(diào)節(jié)，該流量無法精準(zhǔn)分配至平臺單井，不滿足精準(zhǔn)注氣的需求。3） 注入站出口干線未設(shè)置質(zhì)量流量計，無法實現(xiàn)出站氣源的質(zhì)量監(jiān)控。目前，利用注氣間匯管質(zhì)量流量計進行統(tǒng)計，人工計量工作量較大且準(zhǔn)確性得不到保障。4） 集油閥組間單環(huán)未設(shè)置流量計、壓變，采取溫度控制方式進行摻水調(diào)節(jié)，無法實時監(jiān)測摻水量及摻水壓力。同時，溫度調(diào)節(jié)方式受制于集油環(huán)長度，溫度變化滯后，控制閥頻繁開關(guān)導(dǎo)致?lián)剿坎▌虞^大，導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

3 CCUS試驗區(qū)數(shù)字化建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 技術(shù)層面挑戰(zhàn)

盡管CCUS技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進展，但在數(shù)字化建設(shè)方面仍面臨諸多技術(shù)難題。首先，現(xiàn)有的數(shù)字化技術(shù)與CCUS工藝之間的融合度不高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集不全面、分析不準(zhǔn)確等問題[1]。其次，由于CCUS項目通常涉及多個復(fù)雜的子系統(tǒng)，如何實現(xiàn)各子系統(tǒng)間的有效集成和協(xié)同工作也是一個亟待解決的問題。此外，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展，如何將這些技術(shù)更好地應(yīng)用于CCUS項目中，以提高項目的智能化水平，也是當(dāng)前面臨的一個重要挑戰(zhàn)。

3.2 經(jīng)濟層面挑戰(zhàn)

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(chǔ)設(shè)施建設(shè)和技術(shù)研發(fā)投入。此外，由于CCUS項目的經(jīng)濟效益受到多種因素的影響，如碳價格波動、政策法規(guī)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(jīng)濟效益，成為CCUS數(shù)字化建設(shè)面臨的又一重大挑戰(zhàn)。

3.3 管理層面挑戰(zhàn)

CCUS項目的管理涉及多個環(huán)節(jié)和部門，需要協(xié)調(diào)各方的利益和資源。在數(shù)字化建設(shè)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(fù)雜的問題[2]。此外，隨著項目規(guī)模的擴大和技術(shù)復(fù)雜度的增加，如何加強對項目的監(jiān)督和管理，防范潛在的風(fēng)險和問題，也是當(dāng)前面臨的一個重要挑戰(zhàn)。

4 CCUS試驗區(qū)智能化發(fā)展愿景

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的不斷發(fā)展，這些技術(shù)將在CCUS項目中得到更廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)對整個項目生命周期的全面監(jiān)控和管理，以提高項目的效率和智能化水平。

4.1 完善現(xiàn)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(xiàn)單井精準(zhǔn)注入。

2） 補充注入站出口質(zhì)量流量計，實時監(jiān)測出站氣源量，結(jié)合儲罐液位可準(zhǔn)確計算次日氣源運輸量。

3） 補充注入井套壓監(jiān)控，對于更換標(biāo)準(zhǔn)注氣套管頭的井口要額外補充B環(huán)空套壓監(jiān)測，輔助判斷井下油套環(huán)空密封情況，及時采取作業(yè)措施，提高注氣安全性。

4） 注入站入口處增加人臉識別系統(tǒng)及車輛識別系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)提前錄入承包商車輛及駕駛員人員相關(guān)信息，場內(nèi)入站人員按現(xiàn)有人員系統(tǒng)自動顯示是否有權(quán)限進入場站。同時，部署承包商車輛定位系統(tǒng)，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(diào)控。

4.1.2 集輸端功能完善

1） 補充單環(huán)流量計及壓變，摻水流量采取流量控制方式進行，經(jīng)過多年采油廠集油間運行經(jīng)驗，流量控制相較溫度控制具有控制精確、水量波動小等優(yōu)勢，同時引入單環(huán)摻水壓力，可有效輔助分析系統(tǒng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)凝環(huán)、堵環(huán)等異常情況。

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

4.2 大力引進智能化技術(shù)

4.2.1 邊緣計算技術(shù)

技術(shù)簡介：邊緣計算是一種分布式計算模式，它將數(shù)據(jù)處理和計算任務(wù)從集中式的數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移到靠近數(shù)據(jù)源的設(shè)備或節(jié)點上進行。通過在本地處理數(shù)據(jù)并僅上傳必要的信息，邊緣計算減輕了網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，敏感數(shù)據(jù)可以在本地處理，減少了通過網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的安全風(fēng)險，有助于保護用戶隱私和數(shù)據(jù)安全[3]。

應(yīng)用及展望：通過在閥組間或井場部署邊緣計算設(shè)備，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗制定相關(guān)算法，利用邊緣計算技術(shù)在本地進行數(shù)據(jù)處理及操控。例如，當(dāng)油井液面低時，可自動降頻調(diào)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(jiān)控進行聯(lián)動，發(fā)現(xiàn)跑冒滴漏時自動停井并發(fā)出報警信息，確保生產(chǎn)現(xiàn)場的安全環(huán)保受控。甚至可以期待，當(dāng)注入站儲罐液位低時，可以自動降低泵頻率，同時連鎖調(diào)節(jié)注氣閥組間注氣單井的注入量，保證注入系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.2.2 AI大模型技術(shù)

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

應(yīng)用及展望：二氧化碳驅(qū)相比水驅(qū)，存在許多技術(shù)和難題需要研究破解，如設(shè)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(nèi)部網(wǎng)絡(luò)部署大模型計算服務(wù)器，有效保證企業(yè)信息不泄露，同時將二氧化碳驅(qū)及水驅(qū)的管理資料、經(jīng)驗、先進技術(shù)、外出調(diào)研學(xué)習(xí)資料等“喂”給大模型進行訓(xùn)練推理。最終通過數(shù)據(jù)積累，利用大模型可以快速、準(zhǔn)確地回答崗位人員的提問，并對工作提出指導(dǎo)性建議。

4.2.3 數(shù)字孿生技術(shù)

技術(shù)簡介：數(shù)字孿生是將現(xiàn)實世界中的實體、系統(tǒng)或過程通過數(shù)字化手段進行建模、仿真和分析的一種技術(shù)。它通過獲取實時數(shù)據(jù)、利用物理模型和數(shù)學(xué)模型進行計算，并結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實現(xiàn)對實體、系統(tǒng)或過程的精確復(fù)制和模擬[5]。

應(yīng)用及展望：根據(jù)CCUS試驗區(qū)地面設(shè)備資料、安裝位置、系統(tǒng)管線路由、注采井基礎(chǔ)資料、井位等內(nèi)容，利用物理建模與仿真技術(shù)進行試驗區(qū)數(shù)字孿生模型的構(gòu)造，真實還原生產(chǎn)現(xiàn)場地面、地下的實際運行情況。通過已建的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集物理實體的數(shù)據(jù)，并在數(shù)字環(huán)境中實時更新模型，使員工能夠?qū)崟r監(jiān)測實體的狀態(tài)。同時，基于歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，分析實體的性能變化趨勢，預(yù)測可能發(fā)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(yōu)化，提高生產(chǎn)效率、降低運營成本。通過數(shù)據(jù)積累，最終為決策者提供基于數(shù)據(jù)的洞察和預(yù)測，幫助他們做出更明智的決策。

5 結(jié)束語

CCUS是實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的重要途徑之一。某油田CCUS試驗區(qū)已完成基礎(chǔ)數(shù)字化改造，但受制于試驗區(qū)運行成本及數(shù)字化投資成本，制約了試驗區(qū)智能化的進一步發(fā)展。隨著科技的進步和社會的發(fā)展，這些問題有望得到逐步解決。未來，隨著先進智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，CCUS項目將在提高能效、降低成本等方面發(fā)揮更大的作用。

參考文獻：

[1] 李陽.CCUS產(chǎn)業(yè)必將與數(shù)字化深度融合[N].中國化工報，2023-08-16（006）.

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

[3] 楊宗瑤.邊緣計算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能油田數(shù)據(jù)安全防護中的應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全和信息化，2024（6）：46-48.

[4] 董雅雯.大模型技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用：現(xiàn)狀、機遇與挑戰(zhàn)[J].人工智能，2025（1）：110-118.

[5] 陳亞頤.數(shù)字孿生技術(shù)在智慧油田的研究與應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2024（22）：158-160.

【通聯(lián)編輯：代影】