海洋油气开采节能技术研究综述

李平（中海石油（中国）有限公司深圳分公司）

我国油气资源相对稀缺，海洋油气资源开采开发一直是我国石油产业重要的生产领域，但是受到海洋开发开采设施特殊性的制约，如海洋石油开采作业平台远离陆地，可提供的生产空间有限，设备的可靠性、工艺的先进性都在一定程度上受到制约[1]。首先，油田伴生气回收经济性较差，设施投资较高，投资回收期长，伴生气在无就地利用的条件下，从安全角度考虑通常采取火炬燃烧放空，造成一定程度的能源浪费。其次，以独立电站的供电模式维持生产设施的运转，其最主要缺点是供电可靠性差、电站负载率低、能耗相对较高。再者还包括生产设施如发电机组、锅炉等尾气的余热资源未充分利用，生产系统及公用工程系统在运行过程中存在优化空间等特殊情况，增加了海洋油气资源开采过程的能源消耗和温室气体排放[2-3]。随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，海上油气开采迎来了新的挑战，海洋油气资源开采节能技术将成为降低资源开发碳排放量的重要手段。

1 研究内容

1） 从油田伴生气放空原因入手进行的研究，其内容包括伴生气回收的研究、伴生气回注的研究等。

2）对于海上油气田区域整体电力系统进行研究，包括区域电站并网运行的技术研究，岸电利用的技术研究等。

3） 对于海洋资源开发的生产设施进行研究，主要包括平台及终端的原油处理系统、天然气处理系统等，评价和分析过程能量利用的效果，制定措施方案，优化工艺工程。

4）对于海洋资源开发所应用的生产耗能设备进行研究，主要包括机泵、锅炉等。

2 技术应用

2.1 伴生气资源回收利用

油田伴生气的燃烧排放是海上油气田生产过程中的常见现象。伴生气排放的原因主要为：放空气量小，开展回收工作在技术上受到很大的限制；经济性较差，由于海上生产条件的特殊性，设施投资高，投资回收期长；气体含硫化氢、CO2等杂质气体，不满足设备的燃烧条件。

伴生气的主要成分是甲烷，通常还含有乙烷和碳氢重组分，伴生气作为一种清洁能源具有燃烧后产生的二氧化硫、颗粒物污染物量较小的特点，被国家和企业给予越来越多的重视[4]。海上油气田在放空气回收方面做了大量的工作，不断突破技术及生产条件限制，大量放空气实现了就地使用及外输[5-6]。

1）通过海上开发生产设施的改进，如更换发电机组、新增小型燃气设备等方式，将油田伴生气作为燃料气就地使用，减少火炬放空。在中海油某海上生产平台随着油田不断扩产增容，对电力负荷需求不断上升。同时，油田所产伴生气资源大幅超出了总体开发方案的产量预测，由于无生产应用设施，所产伴生气全部用于火炬放空，平台通过增加燃气透平发电机组，充分利用了伴生气资源，平衡解决了用电紧缺和燃气放空的对立问题，年可实现节能量1.3×104t(标煤)，年可减少温室气体排放2.8×104t，节能减碳的效果显著。

2）天然气区域性联网可实现伴生气资源的共享和充分利用，减少伴生气的放空。在油田区域化开发基础上，共享伴生气资源，在海域开发过程中，连接输气管线，进行伴生气组网供应，实现区域资源最优配置。

3）调整油气外部外输条件，通过原输气管道或油气混输的方式，将油气运往陆地集中处理。海上油气田外输管道铺设成本相对较高，合理充分利用管道输送能力，降低伴生气资源浪费，优化外输工艺，实现伴生气的回收利用。

4）将伴生气通过进行除液、增压后用作气举气（保证生产） 和注气（维持油藏压力） 等使用[7]。伴生气资源回注地层提高原油采出率，在国内外油田开采应用广泛，可有效节约水资源（海上采油平台一般采用注水泵注水提高地层压力），适用于地层伴生气资源丰富且稳定产出的地层条件。

5）开发天然气凝液回收技术，将天然气中相对甲烷或乙烷更重的组分以液态形式回收利用。小型的伴生气液化设备近些年不断在海上采油平台开展过尝试和应用，将伴生气重组分回收，在减少资源浪费的基础上，提升经济效益。适用于伴生气重组分占比高且产气量相对较少的油气田。

2.2 区域电力组网系统技术

由于海洋油气资源开发的特殊性，早期的海上油气田基本处于孤立运行状态，以独立电站的供电模式维持生产设施的运转，其最主要缺点是供电可靠性差、电站负载率低、能耗相对较高。为彻底改变这一现状，油气田的开发思路从单一孤立变为区域联网运转，将区域间的油气田发电设施并网运转，统一调度，提高海上油气田电力系统供电可靠性，确保生产安全、稳定、经济运行，同时为后续岸电项目接入提供支撑。岸电项目的接入有两点优势：充分利用陆地大电网供电，进一步减少能耗；可购买和使用绿电，或风能、太阳能等新能源发电，改变能源使用结构，减少化石能源的消耗，减少温室气体排放。

某海上区域电力组网项目将3 个设施发电机组连接成一个电网，总装机容量约为118 MW，为区域内22 个平台提供生产和生活用电。电站并网后，电力供应长期稳定，节约了天然气消耗量约15×104m3/d，按每年运转350 天计算则每年节约天然气5 250×104m3，折合约6.9×104t(标煤)。

2.3 余热回收技术

余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的产物，或是燃料燃烧过程中散发的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量[8]。海上油气开采平台及陆地终端一般均配置有发电机组，主要包括燃气透平发电机组、原油发电机组和柴油发电机组[9]。由于平台设施的特殊性，发电机组总能量利用率普遍较低，大部分集中在20%～33%，很大一部分的能量随着烟气直接排入大气中，排烟温度一般都在400～600 ℃左右，余热资源丰富。下游热用户如何匹配是余热回收利用的关键制约点之一，现阶段平台余热回收主要热用户为导热油炉，回收发电机尾气余热作为导热油炉的热源，实现余热的综合利用[10]。

某FPSO 上配有5 台原油/柴油发电机组，为FPSO 及周边平台提供生产和生活用电，另有2 台燃油热介质锅炉为FPSO 生产供热。主机所产生的尾气直接放空。为充分利用主机尾气的高温热能，新增加废热回收装置吸收FPSO 上的主机尾气的废热来替代燃油热介质锅炉给导热油加热，从而大幅降低原油使用量。 该技术应用可产生节能量2 200 t(标 煤)，年减少CO2排放量4 817 t。

2.4 生产系统能源优化利用

生产系统在运行过程中，存在大量的优化空间，基于节能技术的理论分析，通过调整工艺流程，降低工艺系统能源需求及公用工程系统能源消耗，提高生产效益。生产工艺优化一般可通过以下几种方法实现：

1）设备调整。设备调整指在原工艺流程不合理或运行不佳情况下，通过增加或移除静设备（如换热器、调压阀）或动设备（如离心泵），使工艺流程发生改变，实现工艺的优化运行。

2）流程切换。指通过改造对工艺流程部分单元进行切换或切出，实现生产工艺的优化。

3）公用工程系统共享，主要指针对不同生产工艺系统配套的各公用工程系统，如燃料气系统、共用气系统、循环水系统等，通过改造实现公用工程系统的共享。

某海上FPSO 投产后经过不断的摸索，油田生产人员对操作条件进行研究分析，采取降低原油热处理器、电脱装置的操作温度，将生产工艺处理系统热负荷降低，优化货油舱日常操作温度，大幅降低锅炉燃油的消耗量，实现年节能量6 600 t(标煤)，同时温室气体减排量约17 300 t。

3 重点耗能设备的节能化改造

在海洋石油开采过程中，主要的耗能设备包括原油外输泵、电潜泵等机泵类设备，供热锅炉等加热类设备。在海洋平台设备选型过程中，特别是早期建造的平台，重点考虑设备的安全性、耐腐蚀性等因素，能耗、能效等方面的考虑不足，导致存在诸如机泵、锅炉能效水平低、配备不合理等现象。

3.1 机泵改造

在对机泵的使用和改造过程中，中国海油针对不同的使用环境和类型，实施了泵类变频、柔性连接、叶轮改造等节能实践，有效改善了泵类使用效率，明显节约了生产耗电。

海洋石油某生产平台外输量较投产初期大幅下降，外输量已远小于单台外输泵的额定排量，需加水混输，造成电力的大量浪费。目前主流的控制泵的排量方法有变频器控制及自动调节阀控。这两种方法已经取得广泛的运用，并已经被证明了有效性。针对该平台现状，引进了一种新的技术—永磁涡流柔性传动技术，这项技术通过改变电动机和泵的转差来调节泵的转速，继而实现控制流量的目的，同时还有结构简单，节能效果明显等优点。

通过对该平台外输泵改造，使得平台原油外输过程电耗下降，年节能量为309 t，年温室气体减排量为505 t（CO2），有较好的节能减排效果。

3.2 锅炉改造

对于锅炉的使用，采用先进的技术、设施、工艺等，积极对锅炉效率低、能耗高、生产能力不匹配等问题进行整改，达到最优的使用状态，提高能源利用效率。

海洋石油某FPSO 为上世纪90 年代投产使用的生产设施，船体供热使用一台蒸发量为65 t/h 的蒸汽锅炉，炉龄老，蒸发量大，利用率低，燃料油为外购180CST 重油。根据2010 年后的生产使用情况，30 t/h 的蒸汽量已经足够满足生产的日常需要，只是在外输卖油期间才用到60 t/h 的蒸汽量，该锅炉是低负荷现象；同时由于只有一台锅炉，一旦出现故障，没有备用的锅炉使用，会影响到整个油田的生产。为响应国家和中海油节能、减排和成本控制政策，同时保证生产的稳定性，对FPSO 锅炉系统进行了燃油和系统改造。锅炉升级改造后，生产得到保障的同时，减少了能源的消耗、降低了污染物的排放，改造之后平均年节省燃油1 680 t/a，节能量2 400 t(标煤)。

4 结论

1） 经过近些年对伴生气资源进行回收利用、区域间电力组网、余热资源的回收利用、生产系统的能源优化、重点耗能设备的节能化改造等先进节能技术的发展与应用，海洋油气资源开采的能源消耗显著降低，温室气体排放量随之下降。

2）由于我国海洋油气资源开发技术的提升和对外开放的推进，海洋油气资源开发开采得到了迅速发展，产能显著增加、开发设施设备的设计和使用也有了明显的提高，在国家生态环境保护的大方针下，先进节能技术不断的应用，显著提高了能源利用效率，部分油气田的能源资源利用得到了较好的提高。为实现国家“碳达峰、碳中和”目标，深入的总结和利用现有节能先进技术，改进推广到可适用的各领域是非常必要的。