光伏技术在油田的应用研究

石太军，潘国辉，王 志

(1.中国石化江苏油田分公司科技处，江苏 扬州 225009；2.中国石化江苏油田分公司采油一厂，江苏 扬州 225009；3.中国石化江苏油田分公司工程技术研究院，江苏 扬州 225009)

光伏技术在油田的应用研究

石太军1，潘国辉2，王 志3

(1.中国石化江苏油田分公司科技处，江苏 扬州 225009；2.中国石化江苏油田分公司采油一厂，江苏 扬州 225009；3.中国石化江苏油田分公司工程技术研究院，江苏 扬州 225009)

简要介绍光伏电池及转换控制技术，以及发展现状，根据工作环境、用电设备、安装场地、安全保障等条件，分析了光伏技术在油田生产中应用的可行性。通过光伏并网供电与直接供电两种方式进行对比，认为将光伏直流电直接嵌入现有的直流用电场合，具有较好的应用前景。针对油田使用的中频电源，研制了光伏嵌入式装置，实现了光伏与网电联合供电，在江苏油田Z93中转站、Z84井中应用后，投入回收期为5年左右、投入产出比约为1∶4。

光伏 中频电源 油田 适应性

油田既是产能大户，又是耗能大户。为了降低能耗，油田持续开展了提高五大系统效率的研究，近几年也陆续开展了地热、太阳能、风能等清洁能源新技术的应用研究，取得了一定的成效。其中光伏发电技术是近年来国家扶持力度较大的推广应用技术[1-3]，但由于油田用电设备广而散，涉及用电安全管理及性价比不高等问题，使得光伏技术在油田应用受到制约。因此有必要开展适应油田实际情况的光伏技术应用研究。

1 光伏技术简介

目前光伏技术主要集中在光伏电池技术和转换控制技术两大方面[4，7]。

1.1 光伏电池

光伏电池是通过光电效应或者光化学效应将光能直接转换为电能的装置，光伏电池的性能主要体现在能量转换效率和使用寿命等方面，而其生产成本主要取决于制备工艺技术及应用量。目前光伏电池材料大多是半导体硅，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅。单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池，多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。光伏组件是按照一定的额定输出功率和输出电压，在生产中将一组光伏电池合成在一起的组件。目前常用的地面太阳能光伏电站中，一块光伏组件额定输出功率和输出电压为250 W、30 V。近几年随着光伏电池制备工艺技术进步，光伏组件成本从60美分/W下降至35美分/W，为光伏应用的普及提供了条件[2]。

1.2 光伏转换控制技术

由于光伏电池主要是利用太阳光发电，其产生的电流随光强、环境温度等因素的变化而变化，因此受四季、昼夜及阴晴等气象条件影响，光伏电源具有间歇性和不稳定性等特征。为了光伏电池在任意的光照强度和环境温度下输出最大功率，必须采用最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)技术[5]。

另外，光伏电池产生的是直流电，而目前绝大部分用电器使用的是交流电，因此将直流电转换成交流电且并入现有电网的并网逆变控制技术，是光伏应用系统的核心技术，它主要包括：DC/DC与DC/AC转换技术、相位同步跟踪技术、谐波抑制技术、防孤岛技术等[6]。目前广泛应用的分布式光伏系统电站，其并网逆变技术已基本成熟。

2光伏技术在油田应用可行性分析

2.1 应用条件分析

油田采油区主要包括野外油水井、站等，其中大部分周围无高大遮挡物，地势较为平坦。每口油井由于作业需要都留有约500 m2左右场地，作为油田资产，这些场地绝大部分时间为闲置状态；而同样各接转站、处理站内也有一定的闲置场地，且站内建筑物绝大部分都是平顶，光照条件极好。总体而言油田具备良好的光伏组件安装场地条件。在采油管理区域内实施光伏发电项目不会与国家的耕地保护政策冲突，从资源配置上来看基本属于闲置利用。同时，光伏发电系统主要占地来自于光伏组件安装的需求，而组件采用模块化安装，可以根据地形条件灵活组合，从而避开场内道路、井架等，不影响既有生产设施工作。

另外光伏组件也非易燃易爆装置，组件封装设计及汇流电器都有相应的国家标准的要求，基本安全可靠且免维护，只需配备必要的防雷等设施即可满足油田安全要求。

2.2 并网供电方式分析

光伏系统常用并网供电模式，即将光伏电经逆变器转换后并入现有电网给用电器使用，如图1所示。实际使用中，光伏产生的直流电经逆变转换成交流电，可优先供应负载使用。当光伏电能超过负载使用量时，其多余部分馈入电网；当光伏电能不能满足负载用量时，不足部分可由网电自动补充。这种方式中光伏电源始终工作于最大功率点，使太阳能得到了充分利用[4]。

图1 光伏并网供电

目前这种技术已相对成熟，现有大部分分布式光伏电站均采用此方式，其优点是：结构简单，可应用现有技术实现；不改变现有用电设备运行系统；光伏系统安装位置可灵活机动，只要场地允许即可，光伏组件不一定紧靠用电设备。但在油田应用，由于地域广，点多而散，每个点装机容量不可能很大，对整个供电系统有一定影响，且申请并网手续繁琐，因此这种方式不太适合在油田井站大量使用。

2.3 直接供电方式研究

由于光伏并网系统中逆变控制部分占投资成本的40%～50%左右，我们研究了利用光伏直流电直接供电方式，这样不需要投入较大的逆变器，可以大幅降低一次性投入，同时避免了办理繁琐的并网手续。

如图2，这种方式主要包括光伏系统和原用电系统两大部分，其中光伏系统主要包括稳压系统和防孤岛保护等控制系统，将光伏电池产生的不稳定直流电进行稳定处理。它们相对于逆变系统的技术要求和投入成本大幅降低，且很容易与原用电系统进行有效融合[5]。同样本系统中用电设备优先使用光伏电能，不足部分由网电补充，达到给用电器不间断供电的目的。

图2 光伏直接供电模式

但本系统只能匹配使用直流电的用电设备，因而使用范围受到限制。

3光伏技术在油田的实际应用

针对油田大量使用的中频电源，按直接供电模式设计了光伏直流电汇流及控制系统，并将其有效地嵌入到中频电源系统中[8]，如图3所示。

图3 油田光伏与中频加热联合供电系统

光伏组件可安装在油田井、站等空闲场地，光伏控制保护模块可安装在中频控制箱内或附近，以构成一个整体供电系统。

针对现有中频加热电源特点，为实现光伏电与网电联合供电，设计了以下2种运行模式：

(1)光伏单独供电模式：在夏天、特高含水原油等对加热保温要求不高的环境下，可只用光伏电供电，根据光照强度自动控制输出功率来加热负载，加热程度对集输系统影响不大，只起保险作用；

(2)光伏与网电互补供电模式：光伏电与网电联合供电，光伏优先，自动互补。当光伏组件提供的电能不能满足负载需要时，中频加热系统自动从电网补充电能，以适应加热保温要求较高的应用场合。

该系统在江苏油田Z93中转站、Z84井进行了试验，装机容量2×5 kW，投入成本约为0.6万元/kW，日均发电40 kW·h左右，投入回收期约为5年，投入产出比约为1:4。

4 效益预测及前景分析

光伏系统在油田的应用具有一定的效益，根据所采用的应用方式，其效益有较大差别。在不计国家补贴和物价变动的情况下，光伏电池设计使用寿命按25年，每年按300天，每天按6小时进行计算，考虑光照条件和光伏电池发电效率逐年递减等因素(一般发电效率从90%降至70%左右)，按平均80%计算，白天工业电价按0.8元/kW·h计，则安装10 kW光伏系统产生的效益大致如下：

日发电量：10 kW×80%×6 h=48 kW·h

年发电量：48 kW·h×300=14 400 kW·h

年发电产出：14 400 kW·h×0.8元/kW·h=11 520元=1.152万元

25年产出：1.152×25=28.8万元

在并网供电方式下，光伏系统投入(含支架及安装费)成本约为1.1万元/kW，投入共11万元，投入回收期为11/1.152=9.55年，投入产出比为11:28.8=1:2.6。

在直接供电方式下，光伏系统(含支架及安装费)投入成本约为0.65万元/kW，投入共6.5万元，投入回收期为6.5/1.152=5.64年，投入产出比为6.5:28.8=1:4.4。

由此可见，直接供电方式与并网供电方式相比，投入产出比提高近一倍，投入回收期也较短，效益显著。

通过对油田用电设备详细调查发现，注水泵用电机目前均采用变频控制技术。变频器实际上是首先将交流电转换成直流电，然后再控制转换成相应频率的交流电，达到控制电机转速的目的。因此可以通过技术处理将光伏产生的直流电直接接入变频器的直流母线，并且不影响原设备各项性能，达到光伏电直接利用的目的。另外油田还有大量的中频加热设备，同样也需要将交流电转换成直流电后，再转换成一定的中频电流，达到控制加热功率的目的。因此也可以将光伏产生的直流电直接嵌入中频电源的直流母线。

此外，油田还大量使用电热棒、电热带等保温加热设备，其中使用电阻丝的加热设备，不论是交流电流还是直流电流，都可达到加热的目的，因此这部分电器也可以直接使用光伏电池产生的直流电。

5 结语

太阳能属于清洁、可再生的非化石能源，提高太阳能等清洁能源的利用率，有利于环境保护。光伏组件具有免维护、安装灵活、安全、见效期长等优势，在油田应用不受安装场所的限制，因此可作为一种补充能源使用。但光伏技术在油田的应用不能简单地直接照搬现有系统，而要根据油田现有用电设备实际情况，有针对性地合理利用，才能使投资效益最大化。

[1] 观研网.中国光伏发电市场现状分析及未来发展前景预测报告(2014-2018)[ED/OL].[2014-5-22].http://www.prores-earch.org/.

[2] 王勃华.2016年中国光伏产业回顾及2017年展望[ED/OL].[2017-2-17].http://www.askci.com/news/chanye/20170217/14062990849.shtml.

[3] 赵朝会.光伏发电技术的研究现状和应用前景[J].上海机电学院学报，2008，11(2)：104-109.

[4] 冯垛生，王飞编著．太阳能光伏发电技术图解指南[M]．北京：人民邮电出版社，2011.

[5] 钟杰.光伏并网逆变器MPPT及双闭环控制技术研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[6] 刘忠丽.三相锁相环设计及光伏并网逆变器控制研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[7] 王东编著.太阳能光伏发电技术与系统集成[M].北京：化学工业出版社，2011.

[8] 王志，潘国辉，石太军.一种油田井站光伏发电感应加热系统：201720150626X[P].2017-02-20.

Application of photovoltaic technology in Jiangsu Oilfield

Shi Taijun1, Pan Guohui2, Wang Zhi3

(1.ScientificTechnologicalDepartmentofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China;2.No.1OilProductionPlantofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225265,China;3.PetroleumEngineeringTechnologicalResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China)

This paper briefly reviews the state of the art relevant to the photovoltaic (PV) cell and the converting control technology. According to work environment, electric equipment, installation space and safety guarantee, it was analyzed the feasibility of the PV technology applied in oilfield production. The PV grid-connected power supply technology was compared with direct power supply technology. Results suggested that the existing direct current (DC) power directly embedded by PV DC posses good application prospect. Aiming at the intermediate-frequency (IF) power used in Jiangsu Oilfield, a PV embedded device was developed, which realizes the joint-power-supply including PV and grid. The technology was applied in the Z93 transfer station and the Z84 oil well in Jiangsu Oilfield. The payback period is about 5 years, and the input-output ratio is about 1∶4.

PV; IF power; oilfield; adaptability

TM615

A

10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.03.018

2017-03-24；改回日期：2017-05-31。

石太军(1966—)，高级工程师，现从事科技管理工作。E-mail：shitj.jsyt@sinopec.com。

(编辑 韩 枫)

高邮凹陷非构造油藏成因机制及创效实践

江苏油田高邮凹陷隐蔽油气藏勘探中砂体类型单一、勘探领域局限及砂体识别和预测精度不高；苏北盆地戴南组砂体的形成和分布与中国东部其他断陷盆差异很大，没有成熟模式可供参考。因此，开展了戴南组砂体成因机制和识别技术研究。

通过深化砂体成因和砂体识别技术研究，取得了三方面创新：(1)明确了陡坡带多样性剥蚀区控制扇体性质，以及坡折控制扇体沉积类型的控扇机制；(2)提出了依据砂体“岩石相、纵向组合方式，平面分布形态”建立砂体地质模式的新方法。利用该方法，分别建立了高邮凹陷戴南组滩坝砂体、三角洲前缘水下分流河道砂体、扇三角洲前缘水下分流河道砂体、近岸水下扇扇中水道砂体和重力流滑塌砂体等五类主要储集砂体的砂体地质模式，有效解决了拓展勘探时砂体类型和分布规律不清楚，以及砂体分布控制因素不明确的难点；(3)发展和完善了储层预测技术，形成了针对不同类型砂体的识别技术。①针对重力流滑塌砂体，完善了层拉平厚度法古地貌恢复技术，克服了在古地貌恢复中断层发育，地层厚度和产状变化的影响；②针对滩坝砂体，创立了属性“三优化”技术，有效提高了薄层砂体属性预测的精度；③针对近岸水下扇砂砾岩体，提出了波阻抗定量对比划分技术，在砂砾岩发育区寻找“甜点”，刻画有效储层边界；④针对(扇)三角洲前缘水下分流河道砂体识别中地震资料信噪比和主频低的难点，创造性的将国际上Strata和Jason两大反演软件中的部分模块和技术进行融合，形成了Strata—Jason叠后联合反演技术，得到了低噪音、高分辨率的反演结果，提高了反演精度。

成果用于实践，已取得较好经济效益。⑴新增数量可观的三级储量。2015年底前，投入实施的25个目标中18个获得成功，探井成功率由以前的50%提高为72%。⑵形成了新的储量增长领域。在隐蔽油气藏勘探类型上实现了重力流滑塌砂体、近岸水下扇砂砾岩体和滩坝砂新类型及黄珏东扇三角洲前缘分支河道砂勘探的新突破；在勘探领域上实现了由西部向中东部、由环凹向深凹的拓展。发现和落实了数个具一定规模的有利区带。(3)研究成果推广应用于江苏探区金湖凹陷石港地区，相继发现多个富集油藏。

项目研究的技术思路和方法是对陆相断陷湖盆隐蔽油气藏勘探理论和技术的补充与发展，对我国东部具有类似地质模式的其它盆地的油藏勘探具有借鉴意义。该项目鉴定为国际先进，获2016年中石化科技进步二等奖。

(仇永峰)