“雙碳”目標(biāo)背景下海上油氣田綠色低碳開(kāi)發(fā)措施分析

孫洋洲 郭雪飛 蘭志剛 張敏吉 張瀚櫻

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

2020年9月，中國(guó)提出了將力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)和愿景，同年12月又在氣候雄心峰會(huì)上進(jìn)一步作出行動(dòng)承諾，即到2030年中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放將比2005年下降65%以上。中國(guó)在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過(guò)程中還面臨著很多挑戰(zhàn)，盡管新能源、可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用是未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要核心手段，但根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)[1-2]，在石油和天然氣消費(fèi)達(dá)峰乃至進(jìn)入平臺(tái)期的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，石油和天然氣仍將是能源消費(fèi)的主要品種。因此，做好油氣田的綠色低碳高效開(kāi)發(fā)，既是促進(jìn)中國(guó)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量碳達(dá)峰的有力手段，也是未來(lái)順利實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的基礎(chǔ)。

海上油氣是中國(guó)油氣行業(yè)的重要組成部分。2020年，中國(guó)海上油氣產(chǎn)量達(dá)到6 500萬(wàn)t油當(dāng)量。其中，國(guó)內(nèi)海上原油較2019年增產(chǎn)240萬(wàn)t，占中國(guó)石油、中國(guó)石化、中國(guó)海油三大石油公司國(guó)內(nèi)增量的80%以上[3]。隨著深遠(yuǎn)海油氣的開(kāi)發(fā)，海上油氣將成為中國(guó)油氣資源的重要接替區(qū)。由于海上油氣開(kāi)采遠(yuǎn)離海岸，物資、能源等供應(yīng)不便，如何全面實(shí)現(xiàn)海上油氣田的高效低碳開(kāi)發(fā)，是海洋石油行業(yè)急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1 海上油氣田溫室氣體排放源及排放特征分析

海上油氣田生產(chǎn)過(guò)程中排放的溫室氣體主要包括CO2和CH4。根據(jù)其來(lái)源不同主要包括化石燃料燃燒排放、火炬氣燃燒排放、工藝過(guò)程放空排放、設(shè)備及管線泄漏與逃逸排放及凈購(gòu)入電力、熱力等隱含排放5類(lèi)。在海上油氣的生產(chǎn)過(guò)程中，化石燃料燃燒排放占比最大，達(dá)到68.40%以上，其次是火炬燃燒排放和工藝放空CO2、CH4排放，分別達(dá)到16.90%和12.30%，這3類(lèi)排放達(dá)到了總排放量的約97%(圖1)。因此，如何采取有效措施減少這3類(lèi)排放，是實(shí)現(xiàn)海上油氣田綠色低碳開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)方向和任務(wù)。

1.1 化石燃料燃燒排放特征分析

海上油氣田遠(yuǎn)離海岸，開(kāi)采過(guò)程中所需的電力和熱力輸送難度較大，因此大多采用自產(chǎn)油氣供應(yīng)。對(duì)于海上油田，開(kāi)采的前期因有大量伴生氣(天然氣)產(chǎn)生，因此主要依靠燃?xì)馔钙綑C(jī)組發(fā)電、燃?xì)忮仩t產(chǎn)熱供應(yīng)；油田開(kāi)采后期，伴生氣量逐漸減少，在部件組成；加載板用于連接各向伺服電機(jī)；固定桿能夠鎖死轉(zhuǎn)動(dòng)軸，保證豎向加載時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；滑軌和滑塊能夠確保豎向加載點(diǎn)固定的同時(shí)順利施加水平位移荷載；轉(zhuǎn)動(dòng)軸則可消除水平加載時(shí)傾覆力矩的影響。

圖1 海上油氣開(kāi)采各排放源排放比例總體情況

1.2 火炬氣排放特征分析

燃?xì)饣鹁嫦到y(tǒng)是保證海上油氣田鉆探和安全生產(chǎn)的重要設(shè)施之一。一方面，在面臨突發(fā)情況時(shí)能夠迅速將伴生氣(天然氣)放空點(diǎn)燃；另一方面在伴生氣富余且不具備回收條件的情況下及時(shí)將其燃除。對(duì)于海上油田的開(kāi)發(fā)，火炬系統(tǒng)的燃燒量較大，具體數(shù)量隨油田不能回收的伴生氣的實(shí)際數(shù)量確定，大部分氣田的伴生氣年燃燒量約為10萬(wàn)m3。

1.3 工藝過(guò)程放空排放特征分析

在海上油氣田開(kāi)發(fā)中，工藝過(guò)程放空排放主要包括油氣開(kāi)采放空排放和油氣處理放空排放，其中油氣開(kāi)采放空排放主要是CH4，約占總溫室氣體排放量的0.02%～0.10%，占比較??；而油氣處理放空排放中包含CO2和CH4兩類(lèi)氣體，特別是對(duì)于部分高含CO2天然氣的處理，CO2排放可達(dá)總排放的65%。

2 海上油氣田溫室氣體減排措施分析

2.1 減少化石能源燃燒排放措施

2.1.1降低供發(fā)電環(huán)節(jié)碳排放強(qiáng)度

目前大部分海上油氣田生產(chǎn)所需的電力由平臺(tái)自備電站供應(yīng)?？紤]生產(chǎn)負(fù)荷的波動(dòng)性，電站通常采用“四用一備”或“三用一備”的形式。大部分單臺(tái)自備發(fā)電機(jī)組的額定功率為2～20 MW。由于機(jī)組額定功率相對(duì)較小，發(fā)電效率一般在28%～34%，在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更低。因此，降低發(fā)電過(guò)程的碳排放可采取以下措施。

1) 合理利用儲(chǔ)能裝置，提高電站整體發(fā)電效率。將機(jī)組高效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的富余電力存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中，在用電低谷時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)較少的機(jī)組，不足電力部分由儲(chǔ)能裝置供應(yīng)，避免機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間熱備或低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提高電站的整體發(fā)電效率，降低排放量。

2) 開(kāi)發(fā)和利用海上核電等低碳能源供電，降低電力生產(chǎn)排放強(qiáng)度。在離岸距離較遠(yuǎn)的油氣田開(kāi)發(fā)中，可利用海上核電、海上風(fēng)電等低碳電力，并配以一定量的化石能源、儲(chǔ)能等裝置組成智能化微網(wǎng)，降低電力供應(yīng)的排放強(qiáng)度。

3) 合理利用岸電，降低供電碳排放強(qiáng)度。近年來(lái)隨著發(fā)電技術(shù)提高和可再生能源的規(guī)?；⒕W(wǎng)，全國(guó)電網(wǎng)單位發(fā)電量CO2排放量已由2018年的592 g/(kW·h)下降至2019年的577 g/(kW·h)[4-5]，未來(lái)隨著能源轉(zhuǎn)型的不斷深入，電網(wǎng)單位發(fā)電量的碳排放量仍有較大的下降空間[6]。在離岸距離適當(dāng)且有安全保障的情況下，合理運(yùn)用岸電可有效降低用電的碳排放強(qiáng)度。

2.1.2減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)電力消耗

提高生產(chǎn)過(guò)程中的用電效率、有效降低電力消耗，是減少CO2排放的重要途徑，近年來(lái)得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

1) 進(jìn)行用電設(shè)備方案優(yōu)化，降低耗電量。鑒于油氣田開(kāi)發(fā)的特殊性，可根據(jù)油氣田的具體開(kāi)發(fā)方式和工作模式，合理配備用電設(shè)備及其功率匹配，避免“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象，使用電設(shè)備始終處于高效運(yùn)轉(zhuǎn)中。南海某油田投產(chǎn)時(shí)采用鉆井和開(kāi)發(fā)同時(shí)進(jìn)行的模式，在鉆井階段采用大功率海水提升泵，滿足大量海水提升的需求；在開(kāi)發(fā)階段因海水提升量需求減少，采用26 kW的海水提升泵代替原來(lái)的大功率海水提升泵，有效降低了耗電量。

2) 合理利用變頻技術(shù)，提高運(yùn)行效率。采用變頻技術(shù)，一是可提高設(shè)備自動(dòng)化程度和運(yùn)行效率；二是可以減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，最大程度保護(hù)用電設(shè)備和微電網(wǎng)安全。因此在新油氣田開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，特別是對(duì)大功率提升設(shè)備、輸送設(shè)備等工況經(jīng)常發(fā)生變化的情況，要優(yōu)先考慮采用變頻技術(shù)。

2.1.3降低熱力消耗

1) 透平發(fā)電機(jī)尾氣余熱回收利用。海上油氣田生產(chǎn)常用的燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)，其尾氣溫度通常高達(dá)350 ℃以上，對(duì)其熱量進(jìn)行回收后用于鍋爐給水的預(yù)熱、油氣液處理的加熱等，可產(chǎn)生良好的節(jié)能減排效果。南海東部某油田通過(guò)在透平發(fā)電機(jī)排煙管加裝余熱回收裝置替代原燃油鍋爐加熱介質(zhì)油，每年節(jié)約原油約2 100 t，年減少CO2排放約5 000 t；南海西部某油田對(duì)FPSO上的發(fā)電機(jī)組尾氣進(jìn)行余熱回收，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)原油鍋爐的替代，年減少CO2排放超過(guò)6000 t[7]。對(duì)于新開(kāi)發(fā)的油氣田，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就考慮并論證采用發(fā)電設(shè)備透平尾氣余熱回收措施的可行性。

2) 生產(chǎn)水余熱回收利用。對(duì)于油田生產(chǎn)采出水中的余熱，一是可考慮安裝熱泵生產(chǎn)生活熱水；二是可利用溴化鋰吸收式空調(diào)，為生活區(qū)提供冷氣供應(yīng)。2008年，南海西部某油田利用生產(chǎn)水余熱進(jìn)行溴化鋰空調(diào)改造，利用生產(chǎn)水熱能為平臺(tái)生活區(qū)提供冷氣，年節(jié)約原油703 t，減少CO2排放超過(guò)2 600 t[7]，取得良好節(jié)能減排效果。

2.2 減少火炬氣燃燒排放

1) 火炬氣回收。對(duì)于連片開(kāi)發(fā)且伴生氣產(chǎn)量較大的油田，研究建設(shè)統(tǒng)一的集輸管道、將各采油設(shè)施富余的伴生氣匯集后輸送至陸地終端處理后利用是最佳途徑。對(duì)于無(wú)外輸管道、無(wú)油氣混輸可能的油氣田，將火炬氣經(jīng)凈化后制成壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)，是目前行之有效的減排措施之一。目前，小型撬裝式CNG或LNG裝置技術(shù)比較成熟，如大慶油田開(kāi)發(fā)的撬裝式伴生氣回收制CNG裝置(回收量3萬(wàn)～20萬(wàn)m3/d)、中原油田開(kāi)發(fā)的撬裝式伴生氣回收制CNG裝置(回收量1萬(wàn)～20萬(wàn)m3/d)都在伴生氣或放空氣的回收中得到了應(yīng)用。由于伴生氣兼具產(chǎn)量不穩(wěn)定性和遞減性等特征，因此無(wú)論是建設(shè)集輸管道,還是回收生產(chǎn)CNG，目前的回收成本還是比較高，因此采取該項(xiàng)措施前需要進(jìn)行充分的適應(yīng)性論證。

2) 伴生氣循環(huán)回注。伴生氣循環(huán)回注油藏儲(chǔ)層，對(duì)于提升儲(chǔ)層壓力、提高油田采收率具有良好的效果，也是減少火炬氣燃燒排放的重要措施，有回注條件的油田，可考慮回注。南海某油田對(duì)富余的伴生氣實(shí)施循環(huán)回注后，每年減少天然氣火炬燃燒近1.1億m3，減少CO2排放約23.8萬(wàn)t；旅大油田對(duì)富余的11萬(wàn)m3伴生氣實(shí)施回注后，每年減少天然氣火炬燃燒3 630萬(wàn)m3，減少CO2排放約7.9萬(wàn)t。伴生氣循環(huán)回注措施的應(yīng)用，需要一定的儲(chǔ)層適應(yīng)條件，特別是應(yīng)注意回注后氣竄現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低油田采收率。

2.3 減少天然氣脫除CO2排放措施分析

富含CO2的天然氣需進(jìn)行脫碳處理才能滿足管輸質(zhì)量要求。脫碳尾氣中CO2含量高，回收成本較低，可考慮物理利用、化學(xué)利用及驅(qū)油或封存等。

2.3.1物理利用

CO2氣體用途較為廣泛，可用于化工、農(nóng)業(yè)、鋼鐵、機(jī)械加工、食品、碳酸飲料等行業(yè)。脫碳產(chǎn)生的高濃度CO2氣體經(jīng)脫水除雜后生產(chǎn)液體CO2或干冰直接應(yīng)用，是目前成本低、可行性高的CO2回收利用方法。液體CO2及干冰制造技術(shù)非常成熟，一般情況下可依據(jù)市場(chǎng)需求和原料條件確定生產(chǎn)規(guī)模。

2.3.2化學(xué)利用

將捕集的CO2和其他共反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成為含碳有機(jī)物或燃料，可實(shí)現(xiàn)CO2的資源化利用，減少排放，如與H2進(jìn)行反應(yīng)，直接或間接合成甲醇CH4O；與CH4重整生產(chǎn)合成氣，再合成高碳醇等有機(jī)物；與環(huán)氧丙烷發(fā)生共聚反應(yīng)制備可降解塑料的原料脂肪族聚碳酸酯；與環(huán)氧乙烷合成碳酸乙烷酯，再與有機(jī)二元羧酸酯耦合反應(yīng)合成乙烯基聚酯等。但需要指出的是，由于CO2化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，在化學(xué)利用過(guò)程中都需要消耗一定的能量，而且對(duì)CO2氣源、共反應(yīng)物的來(lái)源以及目標(biāo)產(chǎn)物的市場(chǎng)等都有一定的要求。因此CO2的化學(xué)利用有一定局限性，應(yīng)根據(jù)資源及市場(chǎng)特點(diǎn)選擇利用的技術(shù)路線。

2.3.3驅(qū)油或封存

利用CO2驅(qū)油提高采收率、并使部分CO2得到封存，或利用適宜的地質(zhì)儲(chǔ)層對(duì)CO2進(jìn)行長(zhǎng)期封存，是未來(lái)合理開(kāi)發(fā)利用油氣資源、實(shí)現(xiàn)碳中和的主要手段之一。

1) CO2驅(qū)油提高采收率。應(yīng)用CO2進(jìn)行驅(qū)油，可在一定程度上提高原油采收率，尤其是在能夠?qū)崿F(xiàn)混相驅(qū)的情況下效果更為明顯。CO2驅(qū)油技術(shù)已在美國(guó)、加拿大等國(guó)家多個(gè)油田獲得推廣，驅(qū)油效果顯著；中國(guó)的吉林油田、勝利油田等也先后完成了驅(qū)油先導(dǎo)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，CO2用于驅(qū)油，混相驅(qū)條件下可提高原油采收率10%到15%[8]，約有50%～80%被永久封存于地下。在碳中和目標(biāo)下，預(yù)計(jì)CO2驅(qū)油技術(shù)將獲得較大范圍的推廣，但碳匯匹配問(wèn)題首先要得到保證。

2) CO2地質(zhì)封存。采用地下咸水層或廢棄油氣藏等適宜的地層構(gòu)造進(jìn)行CO2永久性封存，是可大規(guī)模實(shí)施減排的重要措施之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，全球共有65個(gè)CO2捕集與地質(zhì)封存(CCS)項(xiàng)目(含驅(qū)油項(xiàng)目)，其中在運(yùn)行項(xiàng)目26個(gè)，每年可捕集并封存CO2約4 000萬(wàn)t，有8個(gè)項(xiàng)目年封存量達(dá)到或超過(guò)100萬(wàn)t[9]。中國(guó)神華煤制油化工有限公司2010年實(shí)施的碳捕集封存項(xiàng)目，是國(guó)內(nèi)第1個(gè)CCS全流程示范項(xiàng)目，設(shè)計(jì)年封存量為10萬(wàn)t，于2011年實(shí)現(xiàn)了全流程貫通和安全封存；挪威石油公司建設(shè)的Sleipner碳封存項(xiàng)目，是世界上第1個(gè)海上地下咸水層封存項(xiàng)目，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)年封存量為100萬(wàn)t，計(jì)劃封存總量2 000萬(wàn)t以上。

CO2封存技術(shù)目前已逐漸成熟，但因目前階段捕集、運(yùn)輸、封存等成本較高帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)壓力，尚不能支持大規(guī)模商業(yè)化推廣，但在碳中和情景下，隨著碳定價(jià)的提高，碳封存產(chǎn)業(yè)可能迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇，有望成為碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要措施之一。

3 結(jié)論與建議

海上油氣田開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)離陸地，無(wú)論是在開(kāi)發(fā)方式、能源供應(yīng)，還是在油氣處理、儲(chǔ)運(yùn)等方面，與陸地油田都有較大差異，減少溫室氣體排放的措施實(shí)施起來(lái)也更加困難。在“雙碳”目標(biāo)背景下，要實(shí)現(xiàn)海上油氣田的綠色低碳開(kāi)發(fā)，既要充分利用已有的行之有效的減排技術(shù)，如海上微網(wǎng)再組、供電清潔化、用電設(shè)備及方案優(yōu)化、余熱回收、伴生氣循環(huán)回注或外輸?shù)?，以進(jìn)一步提高能源利用效率、加大資源回收力度;同時(shí)又要積極開(kāi)發(fā)和推廣新的減排技術(shù)，如火炬氣回收利用、清潔能源供電、CO2資源化利用以及CO2海上驅(qū)油、地質(zhì)封存等，并根據(jù)適用場(chǎng)景使各種減排技術(shù)措施有機(jī)協(xié)調(diào)或組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)溫室氣體在源頭的減排和末端的治理。