中國儲能網(wǎng)訊：多能協(xié)同能夠促進新能源與傳統(tǒng)能源行業(yè)的融合發(fā)展，是構(gòu)建清潔低碳、安全高效新型能源體系的重要手段。多能協(xié)同的智慧油氣田以風能、太陽能、地熱能等的融合和協(xié)同利用為基礎(chǔ)，在油氣田場景下實施智慧能源調(diào)控，將傳統(tǒng)油氣盆地建設(shè)為綠色低碳的超級能源盆地，有助于實現(xiàn)油氣勘探開發(fā)過程中的節(jié)能減排和降本增效，是推動油氣行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要措施。
中國工程院李根生院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2024年第4期發(fā)表《“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田發(fā)展研究》一文。文章闡述了多能協(xié)同的智慧油氣田理念與內(nèi)涵，新型智慧油氣田對油氣增儲上產(chǎn)，油氣行業(yè)綠色、低碳、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵推動作用；遞次梳理了“風光熱儲”多能協(xié)同系統(tǒng)、油氣田與“風光熱儲”多能協(xié)同系統(tǒng)融合、智慧油氣田等的發(fā)展現(xiàn)狀，凝練了我國智慧油氣田發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵問題；總結(jié)了未來“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田場景：智慧油氣田綠電利用、廢棄稠油熱采油藏的新地熱系統(tǒng)、基于風 / 光發(fā)電微網(wǎng)的抽油井群生產(chǎn)運行優(yōu)化、天然氣就地轉(zhuǎn)化與油田伴生氣發(fā)電利用、高效低碳油氣生產(chǎn)綜合能源管控系統(tǒng)、電 / 熱 / 氫儲能智能協(xié)同優(yōu)化?！帮L光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田建設(shè)的核心產(chǎn)出是低碳油氣田及超級能源盆地，需在保障油氣產(chǎn)量的前提下，圍繞“補充基礎(chǔ)短板 - 增加技術(shù)優(yōu)勢 - 強化應用能力 - 實現(xiàn)自主可控”發(fā)展主線，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，形成實用發(fā)展方案。
一、前言
我國石油、天然氣對外依存度持續(xù)保持在高位，2023年分別為72.9%、42.1%。在“雙碳”背景下，有序推進能源結(jié)構(gòu)及相關(guān)工業(yè)體系從高碳轉(zhuǎn)向低碳、綠色發(fā)展，形成清潔低碳、安全高效的新型能源體系，成為我國能源發(fā)展的關(guān)鍵問題和重大任務。長期以來，我國能源體系中的煤炭、石油、天然氣、水電、核電、電網(wǎng)等分系統(tǒng)相對獨立。隨著風能、太陽能等可再生清潔能源進入大規(guī)模、高比例、市場化發(fā)展的新階段，多能協(xié)同成為重塑能源格局、構(gòu)建綠色低碳能源體系的關(guān)鍵舉措。《加快油氣勘探開發(fā)與新能源融合發(fā)展行動方案（2023—2025年）》提出，推動油氣勘探開發(fā)與新能源融合發(fā)展，開發(fā)利用地熱等新能源，形成“低碳”“零碳”油氣田；《國家能源局關(guān)于加快推進能源數(shù)字化智能化發(fā)展的若干意見》提出，推動數(shù)字技術(shù)與能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展深度融合，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，為“雙碳”目標提供支撐。
利用油田資源支持清潔能源替代，可實現(xiàn)油氣勘探開發(fā)過程中的節(jié)能減排和降本增效，是推動油氣行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要措施。國內(nèi)外多家大型油氣公司已在利用風電、光伏發(fā)電、地熱能供給油氣生產(chǎn)。然而，在多種新能源引入后，傳統(tǒng)的油氣勘探開發(fā)用能場景及能源管控模式難以滿足油氣與新能源深度融合的需要，亟待開展油氣與新能源的生產(chǎn)調(diào)度、消納場景、儲能手段，油氣 - 多能協(xié)同智能運行管控等方面的綜合設(shè)計與詳細研究。
本文著重提出“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田發(fā)展理念，旨在融合風能、太陽能、地熱能、儲能以為油氣勘探開發(fā)提供穩(wěn)定的綠電和熱能，運用大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）等信息技術(shù)增強油氣田場景下能源智慧協(xié)同能力，支持構(gòu)建綠色低碳的智慧油氣田。具體地，論述多能協(xié)同的核心理念與內(nèi)涵，梳理“風光熱儲”多能協(xié)同與智慧油氣田的發(fā)展現(xiàn)狀，闡明智慧油氣田對油氣增儲上產(chǎn)以及油氣行業(yè)綠色化、低碳化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的推動作用，辨識智慧油氣田發(fā)展趨勢并提出未來發(fā)展路徑，為“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田研究與實踐提供參考。
二、多能協(xié)同的智慧油氣田理念與內(nèi)涵
多能協(xié)同的綜合能源系統(tǒng)將風能、太陽能、地熱能等新能源與傳統(tǒng)的化石能源相結(jié)合，具有多能耦合輸入能力，配備儲能裝置來平抑發(fā)電波動性；通過能流管理、協(xié)調(diào)優(yōu)化，將高質(zhì)量的電能輸入主網(wǎng)，同時提供冷、熱、氣等其他能源。智慧油氣田指將信息技術(shù)與智慧地球科學、智能石油工程等油氣生產(chǎn)業(yè)務深度融合，形成全面立體的油氣田智能化運行能力；涵蓋智能感知、智能認知、智能決策等主要方面，可為油氣產(chǎn)業(yè)的安全高效生產(chǎn)提供有力支持。
多能協(xié)同能夠促進新能源與傳統(tǒng)能源行業(yè)的融合發(fā)展，是構(gòu)建清潔低碳、安全高效新型能源體系的重要手段；智慧油氣田是油氣行業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的必然趨勢；將二者進行有機融合，形成“多能協(xié)同的智慧油氣田”發(fā)展理念（見圖1）。其中，“風光熱儲”多能協(xié)同體系用于破除各能源類型之間條塊分割、互相獨立的技術(shù)壁壘，促進各能源分系統(tǒng)之間能量流、物質(zhì)流、信息流的互補融合，切實解決油氣勘探開發(fā)的用能問題；智慧油氣田依托數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)等技術(shù)賦能油氣勘探開發(fā)，推進智能勘探、智能鉆完井、智能開采、智能儲運等，支持油氣增儲上產(chǎn)和高效開發(fā)。
圖1 多能協(xié)同的智慧油氣田概念
多能協(xié)同筑牢智慧能源的基礎(chǔ)，與富煤油地下熱解、頁巖油地下轉(zhuǎn)化、煤炭地下氣化等高能耗油氣原位開發(fā)場景融合，促進消納新能源?？紤]到新能源本身的生產(chǎn)特性，上述融合可以拓展出多個以變工況油氣生產(chǎn)為核心的用能消納場景，如稀油低產(chǎn)低效井綠色間抽、集輸處理系統(tǒng)變負荷加熱、注水系統(tǒng)變負荷注水、稠油生產(chǎn)變流量注汽等。在相應過程中，智慧油氣田利用光伏發(fā)電、風電等綠電替代火電，用光熱、地熱等替代化石燃料供熱，以綠電制氫形成綠氫進而替代灰氫；在智慧油氣田中進行用能調(diào)控，確保能源優(yōu)化調(diào)度，提高用能效率。在儲能環(huán)節(jié)，發(fā)揮油氣田獨特的地形優(yōu)勢和地質(zhì)條件，開展壓縮空氣儲能、儲氫、地熱回注儲能等地面 / 地下儲能的現(xiàn)場試驗，為能源穩(wěn)定供給提供新的重要支撐。
綜上，多能協(xié)同的智慧油氣田以風能、太陽能、地熱能等的融合和協(xié)同利用為基礎(chǔ)，在油氣田場景下實施智慧能源調(diào)控，將傳統(tǒng)油氣盆地建設(shè)為綠色低碳的超級能源盆地；助力形成多能協(xié)同的新型智慧能源體系，構(gòu)建綠色低碳的智慧油氣田，兼顧油氣供給穩(wěn)步增長和油氣行業(yè)綠色低碳、智能化轉(zhuǎn)型升級。
三、“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)
（一）“風光熱儲”多能協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
多能協(xié)同系統(tǒng)構(gòu)建得到廣泛關(guān)注，已開展示范應用。前期研究多針對光伏發(fā)電、風電配以儲能電池組成的系統(tǒng)，配以電加熱、儲熱裝置組成的系統(tǒng)，以優(yōu)化設(shè)備裝機容量、分析系統(tǒng)發(fā)電經(jīng)濟性為目標。近年來，“風光熱儲”多能協(xié)同系統(tǒng)因涉及新能源與儲能的協(xié)同優(yōu)化而成為研究熱點。發(fā)展多能互補的能源系統(tǒng)，將促進可再生能源消納、提高能源系統(tǒng)的綜合效率、推動能源系統(tǒng)朝著更可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型。多能互補系統(tǒng)是未來能源發(fā)展的重要方向，其發(fā)展已提升至國家能源戰(zhàn)略的高度。
我國擁有豐富的“風光熱”資源，為能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型提供了堅實的資源基礎(chǔ)。近年來，新能源領(lǐng)域發(fā)展迅速，形成了自主可控、較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈，風電、光伏發(fā)電技術(shù)更為成熟，發(fā)電量穩(wěn)居世界第一位；風電可開發(fā)資源量為6.3×109 kW，裝機量為3.7×108 kW；光伏發(fā)電可開發(fā)資源量為1.56×1010 kW，裝機量為3.93×108 kW。我國也在地熱能開發(fā)方面進行積極探索，近10年地熱能直接利用年平均增長超過10%。我國中深層地熱資源量極大，約占世界5 km深度以內(nèi)地熱資源量（4.9×1015 tce）的1/6，水熱型地熱能直接利用規(guī)模居世界首位。2023年，5 km深層地熱科學探井正式開鉆，標志著我國中深層地熱資源勘探開發(fā)技術(shù)邁上新臺階。此外，積極探索干熱巖型地熱的商業(yè)化開發(fā)路徑。
儲能技術(shù)被視為實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵支撐、增強可再生能源應用質(zhì)量的重要依托。在傳統(tǒng)儲能技術(shù)方面，抽水蓄能因其儲能容量大、運行壽命長、技術(shù)成熟度高等優(yōu)勢成為大規(guī)模儲能的主流技術(shù)類型。發(fā)達國家在運行的抽水蓄能電站多是20世紀60—90年代為配合核電而修建的。近年來，我國抽水蓄能技術(shù)發(fā)展迅速，國產(chǎn)盾構(gòu)機在2020年首次實現(xiàn)抽水蓄能電站應用后，快速推廣至8個抽水蓄能項目。以氫儲能、壓縮空氣儲能為代表的新型儲能技術(shù)，具備大規(guī)模地下儲能潛力，在較多應用場景中展現(xiàn)價值。在氫儲能方面，國際氫能委員會統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，世界氫能產(chǎn)業(yè)鏈上建成、在建、規(guī)劃項目約為228個。傳統(tǒng)的固體儲氫、有機液態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫等存在成本高、規(guī)模難擴大等缺點，不適用于油田井場的大規(guī)模應用場景；鹽穴、枯竭油氣藏、含水層等地質(zhì)儲氫方案是新興的大規(guī)模儲氫技術(shù)形式，但只有少量國家實施鹽穴儲氫庫工程，我國僅處于起步研究階段。在壓縮空氣儲能方面，發(fā)達國家規(guī)劃了較多數(shù)量的項目，但僅有美國、德國進入商業(yè)運行階段。我國壓縮空氣儲能技術(shù)取得了階段性進展，非補燃壓縮空氣儲能站已于2022年投產(chǎn)，湖北應城和甘肅酒泉的300 MW壓縮空氣儲能項目進入建設(shè)階段。新能源發(fā)展需要以可再生能源、儲能等技術(shù)為支撐，可再生能源的大規(guī)模利用有利于降低傳統(tǒng)能源依賴度，開發(fā)儲能技術(shù)可為未來低碳能源系統(tǒng)提供關(guān)鍵支持并降低能源供應風險，發(fā)展地下儲能技術(shù)將促進能源低碳化、清潔化以及能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。
在多能互補系統(tǒng)方面，歐洲、美國、日本等積極發(fā)布相關(guān)政策予以支持，如瑞典早在1989年即建成太陽能和生物質(zhì)能聯(lián)合供熱項目。我國也在開展相關(guān)示范項目建設(shè)，注重突破關(guān)鍵技術(shù)，提高產(chǎn)業(yè)鏈上核心環(huán)節(jié)的自主可控水平，但整體進展與國外存在差距。2021年，華能隴東能源有限責任公司啟動建設(shè)的多能互補綜合能源基地，是我國首個千萬千瓦級“風 - 光 - 火 - 儲 - 輸”多能互補綠色智慧綜合能源基地。新疆哈密、甘肅酒泉、內(nèi)蒙古等地的風電基地，海南、青海海西等地的光伏發(fā)電基地，都具備建設(shè)大型綜合能源系統(tǒng)基地的基礎(chǔ)條件。
（二）油氣田與“風光熱儲”多能協(xié)同系統(tǒng)融合發(fā)展現(xiàn)狀
石油和天然氣是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要資源。近年來，“風光熱儲”多能協(xié)同作為具有高適應性的智能能源模式得到了廣泛關(guān)注，在油氣田場景下推進“風光熱儲”多能協(xié)同發(fā)展將為油氣行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有效手段。
國際大型油氣企業(yè)正在采用多種方式拓展低碳新能源業(yè)務，顯著增加風電、光伏發(fā)電等領(lǐng)域的投資力度，加速向綜合能源供應商轉(zhuǎn)型。例如，殼牌集團2022年可再生能源業(yè)務的投資同比增長近3倍，道達爾能源公司2030年將形成100 GW的可再生能源產(chǎn)能，2022年世界主要太陽能并購交易中油氣企業(yè)成為第二大類投資者。在油田新能源應用方面，挪威斯維德魯普油田引入綠色岸電并成為世界首個實現(xiàn)碳中和的油田，位于挪威北海的Snorre油田由海上浮式風電場直供輸電；英國海上風電群向北海綜合能源樞紐供電，滿足北海油田、沿岸居民的生產(chǎn)和生活用電需求。
在“雙碳”背景下，我國積極推進油氣田與“風光熱儲”多能協(xié)同系統(tǒng)融合發(fā)展。在風電領(lǐng)域，中國海洋石油集團有限公司在2006年即在渤海灣建成國內(nèi)首個海上風力發(fā)電站，中國石油化工集團有限公司、中國石油天然氣集團有限公司分別在2021年、2023年投產(chǎn)陜西大荔陸上分布式風力發(fā)電項目、吉林油田美字風電場。在光伏發(fā)電領(lǐng)域，陸上的塔里木、大慶、長慶、新疆等油田都建設(shè)了光伏發(fā)電示范工程；2022年，我國首個海上油田群光伏電站（潿洲光伏電站）正式投運，渤海油田進行了平臺光伏發(fā)電工程改造。在地熱領(lǐng)域，東部地區(qū)多個油田實施了油田地熱能利用項目，包括原油管道加熱、油管清洗、油水分離以及中低溫地熱發(fā)電等。與此同時，各大油田逐步深化“風光熱儲”一體化探索：大慶油田發(fā)揮“源網(wǎng)荷儲”優(yōu)勢，布局“風光氣儲”多能互補新能源項目，2022年的新能源裝機規(guī)模超過2×105 kW；遼河油田采用“風光熱”等新能源支持稠油開發(fā)；陜西延長石油（集團）有限責任公司“1 GW風光氣氫牧能源互聯(lián)網(wǎng)試點示范項目”列入國家能源局首批55個“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源試點示范項目；勝利油田營二井區(qū)域采用風電、光伏發(fā)電、光熱+儲能替代燃氣加熱爐、直流母線多源微網(wǎng)等，建成“風光熱儲”多能互補項目。
（三）智慧油氣田發(fā)展現(xiàn)狀
快速發(fā)展的信息技術(shù)推動了油氣領(lǐng)域的技術(shù)演進和迭代，油氣行業(yè)正處于從數(shù)字化轉(zhuǎn)型到智能化的發(fā)展階段。智慧油氣田以AI、空間信息、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為依托，追求實現(xiàn)油氣開發(fā)過程的全面感知、集成協(xié)同、預警預測、分析優(yōu)化，以提高油氣田勘探開發(fā)、生產(chǎn)運行的質(zhì)量與效率。
國際大型油氣企業(yè)在智能油田方面起步較早，在20世紀90年代出現(xiàn)智慧油田概念時即開展相關(guān)技術(shù)試驗與示范項目。挪威國家石油公司是智慧油田的先行者和實踐者，斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓、英國石油、道達爾能源、?？松梨诘裙疽渤浞掷迷朴嬎?、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AI等信息技術(shù)賦能核心業(yè)務，開發(fā)了面向技術(shù)場景的智能化應用系統(tǒng) / 平臺。整體上，國際大型油氣企業(yè)的智能化發(fā)展正處于從個體智能到全局智能的擴展階段，智慧油氣田規(guī)?；虡I(yè)應用漸成趨勢。
在我國，智慧油氣田建設(shè)受到行業(yè)性的高度重視，智能油氣理論與技術(shù)發(fā)展迅速?！笆濉睍r期，中國石油天然氣集團有限公司圍繞智能油田發(fā)展，以“勘探開發(fā)統(tǒng)一數(shù)據(jù)湖、統(tǒng)一技術(shù)平臺、通用應用環(huán)境”為核心，建設(shè)“勘探開發(fā)夢想云”，支撐業(yè)務數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展。2019年，“勘探開發(fā)夢想云”2.0投入運行，覆蓋16家油氣田公司、45萬口井、2.6萬座站庫，累計形成5 PB核心數(shù)據(jù)。中國石油化工集團有限公司2013年啟動智能油田建設(shè)規(guī)劃工作，同步開展智能油田關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，推出了石化智云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，形成關(guān)鍵業(yè)務的新模式、新業(yè)態(tài)。2019年，中國海洋石油集團有限公司啟動了數(shù)字化轉(zhuǎn)型頂層設(shè)計、海上智能油田建設(shè)工作，按照“云化+平臺化+敏捷開發(fā)與交付+云邊協(xié)同”思路，基于“數(shù)據(jù)+平臺+應用”云架構(gòu)建設(shè)信息系統(tǒng)。2021年，作為我國首個海上智能油田的秦皇島32-6智能油田項目（一期）全面建成投用，在海上油田無 / 少人化、油藏研究可視化、生產(chǎn)運營協(xié)同化、經(jīng)營決策科學化等方面全面升級，提升生產(chǎn)效率30%，降低操作維護成本5%~10%，減少用工20%。
國內(nèi)外油田和油服公司在智慧油氣田管控與協(xié)同優(yōu)化、勘探開發(fā)過程新能源利用、儲能調(diào)峰等方面積累了寶貴的經(jīng)驗，為后續(xù)研究提供了有益借鑒；不僅拓展了油氣行業(yè)的技術(shù)邊界，也為油氣行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與智能化轉(zhuǎn)型筑牢了基礎(chǔ)（見圖2）。國內(nèi)外油氣公司聯(lián)合推動了智慧油氣田發(fā)展，為能源行業(yè)發(fā)展注入了活力。
圖2 油氣智能化六大智能場景與智能管理平臺
（四）多能協(xié)同的智慧油氣田發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵問題
1. 多能協(xié)同的智慧油氣田發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田發(fā)展，關(guān)鍵在于油氣勘探開發(fā)場景與多能協(xié)同系統(tǒng)的深度融合。需要建設(shè)智能微網(wǎng)與智慧油氣田決策中心，才能提高油氣田風能、太陽能資源預報的準確度，風電、光伏發(fā)電功率預測的精度，進而提升油氣田風電、光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)擾動的適應能力（同步利用儲能進行調(diào)峰）。在確保油氣生產(chǎn)系統(tǒng)平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)上，合理配置并協(xié)同調(diào)控風電、光發(fā)電裝置以及儲能、調(diào)峰裝置，才能實現(xiàn)油氣田勘探開發(fā)全流程的智慧經(jīng)濟供能。相應發(fā)展主要面臨以下挑戰(zhàn)。
在油田實際用能方面，不同能源的集成和優(yōu)化利用在能源轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性上存在不確定性。國內(nèi)油氣田尚未全面進入智慧油氣田發(fā)展階段，大部分的油田數(shù)據(jù)分析、AI和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平有所不足，智能化水平亟待提升。
短期內(nèi)多能協(xié)同效益不足，政策支持和激勵措施的缺乏將影響投資回報率與實施可行性。需要建立和健全碳交易機制，涵蓋碳配額分配、價格形成機制等，推動碳減排技術(shù)的油氣領(lǐng)域應用。
多能協(xié)同系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性和成本是油氣田實際應用面臨的直接挑戰(zhàn)。“風光熱儲”多能協(xié)同系統(tǒng)建設(shè)需要大量投資和相關(guān)硬件配套，對效益較低的老油田、亟需效益回報的新油田而言影響不可忽視。還需研究和評估儲氫、壓縮空氣儲能等多能協(xié)同相關(guān)儲能設(shè)備的可靠性。
在多能協(xié)同的智慧油氣田方案落地前，需要綜合考慮油氣田內(nèi)各種能源的特點、稟賦以及油氣田的用能需求，通過系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計以確保高效運行。在多能協(xié)同的智慧油氣田方案研究與實施過程中，需要多學科交叉人才的廣泛參與，涉及油氣領(lǐng)域、新能源領(lǐng)域、智能化技術(shù)及管理等方面跨學科知識，對專業(yè)技術(shù)人才提出了較高要求。
2. 多能協(xié)同的智慧油氣田發(fā)展涉及的關(guān)鍵問題
一是智慧油氣田與多能協(xié)同發(fā)展體系建設(shè)。智慧油氣田、多能協(xié)同系統(tǒng)都依賴配套的基礎(chǔ)設(shè)施，如智能傳感器網(wǎng)絡、通信基站、數(shù)據(jù)處理中心等。我國許多油氣田初期建設(shè)不具備這些基礎(chǔ)條件，也難以保障相關(guān)設(shè)施在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運行。在建設(shè)過程中，既要提出硬件快速部署、易于維護的要求，又要深入研究多能互補微網(wǎng)在油氣生產(chǎn)中的優(yōu)化配置，以適應油氣田非穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)環(huán)境下的調(diào)度策略。對環(huán)境與安全工程建設(shè)配套也有較高的要求。
二是多能互補微網(wǎng)生產(chǎn)協(xié)同優(yōu)化與控制理論。需要探究多能互補微網(wǎng)的非穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化機制和智能控制方法。從提高能源轉(zhuǎn)換效率、能源需求預測精度、非穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性角度出發(fā)，評估不同技術(shù)路徑和運營模式的綜合成本效益。重點關(guān)注地下儲能流體運移演化與長效儲能機理，提高耦合系統(tǒng)的協(xié)同性和效率。
三是智能油氣田多能微網(wǎng)的“源網(wǎng)荷儲”配置與生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化技術(shù)。需要構(gòu)建包括注采井群錯峰與間抽排采調(diào)度決策、稠油熱采負荷與生產(chǎn)制度優(yōu)化在內(nèi)的生產(chǎn)決策模型，用于降低油氣生產(chǎn)用能成本。重點發(fā)展多能互補微網(wǎng)的自適應協(xié)同優(yōu)化控制模型，減少棄風、棄光現(xiàn)象，提高油氣智能生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。在智能油氣田能源互聯(lián)網(wǎng)平臺上，開展各種能源之間的信息交換與協(xié)同工作，提高油氣智能生產(chǎn)系統(tǒng)的運行效率。
四、我國未來“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田場景
油氣田新能源與油氣生產(chǎn)融合發(fā)展，關(guān)鍵在于重構(gòu)油氣生產(chǎn)綠電利用、多能互補微網(wǎng)、新地熱系統(tǒng)設(shè)計、智能油氣田建設(shè)、裝備節(jié)能管理等方面的核心技術(shù)。當前，新能源與油氣生產(chǎn)融合發(fā)展面臨一些不足，如新能源特性與采油氣連續(xù)生產(chǎn)制度不匹配、常規(guī)裝備及工藝與油氣田智能生產(chǎn)不適應、當前生產(chǎn)管控制度與協(xié)同生產(chǎn)管控及能源綜合利用不完備等。本研究總結(jié)并提出我國未來“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田典型場景，可為開展多能協(xié)同的油氣生產(chǎn)協(xié)同管控，形成新能源+油氣田智能開采、井站間開、新型舉升、采出液處理、廢棄井地熱能源提取、綜合能源優(yōu)化利用等“低碳、智能技術(shù)體系”提供基本參照。
（一）智慧油氣田綠電利用
按照“因地制宜、應布盡布，場站發(fā)電、就近消納，余電上網(wǎng)、油網(wǎng)運行”的原則，以清潔替代為主導方式，在產(chǎn)能利用井場土地、廢棄油氣井（場）等布置各類綠電裝置，實現(xiàn)油氣田綠電替代率的最大化。該方案具有綠電資源需求高、智能化系統(tǒng)鋪設(shè)程度要求高的特點，對自然資源稟賦、初期投入等具有一定的要求。在大慶、新疆等油氣田，結(jié)合采油氣井場光照和風能資源充足、油氣井分散且產(chǎn)能充足的特點，鋪設(shè)能源智慧綜合系統(tǒng)，部署井場綠電生產(chǎn)與能源調(diào)配方案，可靠預測光伏發(fā)電和風電的效率，給出不同井場環(huán)境下提高綠電效能的設(shè)備選型及綠電建設(shè)實施方案。對于西南、長慶等油氣田，因地制宜利用油田伴生天然氣或主力天然氣，采取就地利用、壓差發(fā)電等途徑擴大天然氣綠電規(guī)模。面向具有低碳排放運行特性的微電網(wǎng)，應用“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同控制技術(shù)，設(shè)計面向油氣井場的風、光、氣、儲智能微電網(wǎng)配置及運行調(diào)度方案。
（二）廢棄稠油熱采油藏的新地熱系統(tǒng)
一旦蒸汽驅(qū)過程因高的含水率或殘余油飽和度達到經(jīng)濟臨界點，油藏將被廢棄，留下以熱量形式儲存的能量?；谒蚩諝庠傺h(huán)啟動熱回收過程，設(shè)計一種使用廢棄稠油油藏的新地熱系統(tǒng)，捕獲的熱量可作為地熱能加以利用，從而在高溫條件下將油藏轉(zhuǎn)化為增強型地熱系統(tǒng)（生產(chǎn)的熱流體可通過地熱發(fā)電技術(shù)進行發(fā)電）。該方案能夠有效開采出廢棄稠油油藏的剩余能量，降低稠油熱采的總能耗與成本；開采出的剩余能量不僅可為區(qū)塊內(nèi)其余（具有經(jīng)濟價值的）開采井供能，還可為油田生活進行供能和供電。在實施過程中，經(jīng)濟臨界點的計算較容易，而稠油油藏內(nèi)剩余熱能總量的計算是難點；如對剩余能量較低的廢棄稠油油藏進行改造，往往適得其反。對于東部老油田（如遼河油田、華北油田、勝利油田）的稠油油藏，此方案可將前期投入的熱能資源進行回收，避免大量的能量浪費。此外，新疆油田光熱資源、稠油資源豐富，便于實施“高溫光熱開采稠油 - 廢棄稠油油藏熱量回收”項目來提高全過程綠色開采水平。
（三）基于風 / 光發(fā)電微網(wǎng)的抽油井群生產(chǎn)運行優(yōu)化
為了低成本、大規(guī)模、高效率地消納綠電，油田生產(chǎn)可以在生產(chǎn)方式、工藝流程、管理制度上進行變革，包括由穩(wěn)定生產(chǎn)調(diào)整為間抽、間注、間歇氣舉等非穩(wěn)定工況運行，關(guān)鍵在于抽油機井群錯峰與間抽運行調(diào)度決策方法。針對具體油田生產(chǎn)情況，設(shè)計抽油機井群生產(chǎn)決策模型、多能互補微網(wǎng)自適應協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)，在保證油井群產(chǎn)量的前提下，綠電多發(fā)時開抽，綠電少發(fā)或不發(fā)電時停抽，提高油井群生產(chǎn)節(jié)能效果和新能源使用占比?？紤]特定油田的生產(chǎn)情況，上述方案的實施難點主要體現(xiàn)在抽油機井群錯峰與間抽運行調(diào)度決策、抽油機井群生產(chǎn)決策、多能互補微網(wǎng)自適應協(xié)同優(yōu)化控制等方面的跨領(lǐng)域知識融合和復雜系統(tǒng)設(shè)計，也涉及油井群生產(chǎn)效率、新能源發(fā)電情況、系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素?？紤]油井群實際產(chǎn)能、綠電發(fā)電量、其他相關(guān)因素的精確生產(chǎn)決策模型，能夠?qū)崟r優(yōu)化調(diào)度決策，支持實現(xiàn)最優(yōu)的生產(chǎn)效益和能源并網(wǎng)利用效率。針對油田生產(chǎn)和綠電消納運行情況構(gòu)建實時監(jiān)測及優(yōu)化系統(tǒng)，促進能源的高效利用，兼顧油井群的穩(wěn)定生產(chǎn)。
對于鄂爾多斯地區(qū)的老油田，因風能資源豐富適合開發(fā)風電，可以在油田周邊建設(shè)風電場，為油田提供相對穩(wěn)定的電力供應；油田開采過程中會產(chǎn)生大量的余熱，可通過熱儲罐或者其他熱儲存技術(shù)將余熱儲存起來，以備油田開采過程中的額外熱能之需。對于新疆地區(qū)的新油田，因日照充足適合開發(fā)光伏發(fā)電，可以在新油田周邊建設(shè)光伏電站，為油田提供清潔電力供應；可利用光熱儲存技術(shù)將多余的熱能儲存起來，以備油田開采過程中的額外熱能之需。
對于東部地區(qū)的老油田，鑒于較為完善的生產(chǎn)設(shè)施和工藝流程，可改造現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備和管網(wǎng)；結(jié)合油田所在區(qū)域的資源稟賦，組合發(fā)揮風電和光伏發(fā)電優(yōu)勢，促進綠電消納并提高能源效率。根據(jù)具體油田的情況，考慮井筒狀況、含水率、產(chǎn)能等因素，進行抽油機井群的錯峰與間抽運行決策，協(xié)調(diào)新能源發(fā)電與油田生產(chǎn)。對于新油田，可在建設(shè)階段即考慮綠電消納和節(jié)能要求，針對性選擇工藝和設(shè)備，更好適應非穩(wěn)定工況（如間抽、間注、間歇氣舉）的生產(chǎn)運行；在新油田規(guī)劃和設(shè)計中，合理布局油井和綠電設(shè)施，突出綠電優(yōu)先消納、多能互補的發(fā)展目標。
（四）天然氣就地轉(zhuǎn)化與油田伴生氣發(fā)電利用
現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)高度集聚發(fā)展，有利于提質(zhì)增效，能源結(jié)構(gòu)也呈低碳化發(fā)展趨勢。構(gòu)建油氣田就地收集原料、就地加工轉(zhuǎn)化、伴生氣發(fā)電利用的分布式清潔油氣生產(chǎn)體系，成為國家和油氣企業(yè)的重要發(fā)展目標。結(jié)合地區(qū)資源稟賦提高天然氣的就地轉(zhuǎn)化率，既便于進行天然氣開發(fā)利用的集約化管理，也有利于延伸天然氣生產(chǎn)加工產(chǎn)業(yè)鏈、提高天然氣工業(yè)附加值，將區(qū)域資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢。此外，對油田伴生氣進行回收處理，分離出乙烷、丙烷、丁烷等并加工為天然氣混合液或液化石油氣；部分干氣用于發(fā)電，以“自發(fā)自用”的形式降低能耗、減緩區(qū)域供電壓力、提高區(qū)域用電可靠性。
通過天然氣就地轉(zhuǎn)化、伴生氣發(fā)電利用等方式，進一步提高資源利用率，促進由單區(qū)域轉(zhuǎn)向多區(qū)域聯(lián)合調(diào)度、多能互補發(fā)展。天然氣就地轉(zhuǎn)化可能存在安全和環(huán)保隱患，需要配套環(huán)境控制設(shè)施；確保區(qū)域內(nèi)供需滿足一定比例，避免產(chǎn)業(yè)區(qū)供氣過?；虿蛔愕默F(xiàn)象。油田伴生氣發(fā)電利用站點建設(shè)，兼顧集中式和分散井區(qū)式以提高回收利用率。在具體的應用過程中，延長油田、中原油田等老油田的生產(chǎn)過程伴生氣綜合利用工程可覆蓋油氣伴生資源綜合利用、天然氣下游綜合利用業(yè)務。應用伴生氣或干氣作為小型天然氣發(fā)電機組燃料，發(fā)電量既可以并入電網(wǎng)，也可以滿足油區(qū)站場使用。在四川、重慶等地開展天然氣轉(zhuǎn)化與伴生氣利用，有助于區(qū)域性產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)，對實現(xiàn)“雙碳”目標、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。
（五）高效低碳油氣生產(chǎn)綜合能源管控系統(tǒng)
多能互補能源綜合利用系統(tǒng)指將各種能源資源進行綜合性輸入，依據(jù)能源品位高低進行綜合互補利用，按照設(shè)定的能量配合關(guān)系進行轉(zhuǎn)換，追求能源利用的最優(yōu)效率。該方案的核心在于開發(fā)高效低碳油氣生產(chǎn)綜合能源智能管控系統(tǒng)，涉及微網(wǎng)生產(chǎn)實時監(jiān)控、源荷預測、協(xié)同匹配、優(yōu)化控制、協(xié)同排采、環(huán)境 - 人員 - 生產(chǎn)安全、智能運維等功能。這一場景更多強調(diào)整個井場能源消耗與產(chǎn)出的綜合管控及協(xié)同優(yōu)化，充分調(diào)用井場內(nèi)的可用儲能調(diào)峰系統(tǒng)，因地制宜使用天然氣發(fā)電調(diào)峰、地熱儲能、儲氫等途徑，從而改善油氣田能源綜合體的用能情況、降低油氣生產(chǎn)的用能成本。
對于不同綠色資源稟賦的油氣田，綜合能源管控系統(tǒng)都能在一定程度上介入并取得效果，實現(xiàn)各類資源的調(diào)配和優(yōu)化利用，但存在初期鋪設(shè)工程施工難度大、部署成本高、需要圍繞油氣生產(chǎn)展開等不足。自然資源豐富、尚處于開發(fā)初期、具備較高生產(chǎn)潛力的油田（如新疆塔里木油田）已經(jīng)配置或可以配置多種新能源并與油氣生產(chǎn)相適應，能夠獲得更好的綜合能源管理效益，支持實現(xiàn)降本增效、節(jié)能減碳的雙重目標。部分油氣產(chǎn)量較低的東部老油田因經(jīng)濟效益偏低而不適合采用該方案。
（六）電 / 熱 / 氫儲能智能協(xié)同優(yōu)化
儲氫、壓縮空氣儲能等大規(guī)模儲能技術(shù)成熟度依然不高，導致井場儲能的可配置規(guī)模較小。多能協(xié)同系統(tǒng)中多能量流的流動策略、儲能系統(tǒng)的運行策略是研究重點。為了加快應用油田井場風 / 光 / 熱利用技術(shù)，需要構(gòu)建包含多類型儲能的綜合發(fā)電系統(tǒng)，拓展不同類型儲能的互補調(diào)節(jié)能力，達到電 / 熱 / 氫儲能的協(xié)同優(yōu)化。該方案的核心在于，詳細規(guī)劃風電場、光伏電站、光熱電站、地熱系統(tǒng)、制氫裝置的能量流，建立精細的儲能容量優(yōu)化模型，配置契合實際油氣生產(chǎn)過程的約束條件，結(jié)合AI算法，采用多目標智能優(yōu)化算法（如多目標遺傳算法）進行求解；模擬并優(yōu)化多能互補系統(tǒng)的電 / 熱 / 氫儲能容量配置，實現(xiàn)油田井場的儲能綜合優(yōu)化，加速多能協(xié)同系統(tǒng)的實踐應用。
該方案的實施難點在于，需要構(gòu)建地熱、氫能、風電等系統(tǒng)的運行策略與約束條件，綜合考慮經(jīng)濟效益與油田用能最低的要求來調(diào)整優(yōu)化過程；基本適用開展多能互補的新老油田，但方案及其內(nèi)置模型的復雜度會隨著油田能源類型、儲能方式的增加而增長。在優(yōu)勢能源種類較為固定的油田中可取得更好的應用效果，如風電、光伏發(fā)電條件較好的大慶、塔里木、新疆等油田，伴生氣制氫基礎(chǔ)較好的西南、長慶等油田。
五、“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田發(fā)展建議
“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田建設(shè)的核心產(chǎn)出是低碳油氣田及超級能源盆地，將支撐我國能源結(jié)構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化與轉(zhuǎn)型升級。低碳油氣田不僅是新能源開采、存儲、消納與油氣勘探開發(fā)的簡單結(jié)合，而是進行生產(chǎn)系統(tǒng)與工藝的重構(gòu)，形成以清潔能源供能為主的低碳化、智能化高效工藝流程，匹配油氣生產(chǎn)與新能源特性，實現(xiàn)油氣勘探開發(fā)與“風光熱儲”深度融合。“風光熱儲”多能協(xié)同的智慧油氣田發(fā)展的核心目標是，在保障油氣產(chǎn)量的前提下，圍繞“補充基礎(chǔ)短板 - 增加技術(shù)優(yōu)勢 - 強化應用能力 - 實現(xiàn)自主可控”發(fā)展主線，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，形成實用發(fā)展方案。
一是著眼油氣田“風光熱儲”多能系統(tǒng)發(fā)展，分析油氣田新能源應用潛力并形成可行方案。論證“風光熱儲”多能協(xié)同發(fā)展策略，關(guān)注傳統(tǒng)油氣田與新能源結(jié)合，構(gòu)建多元化、寬尺度的儲能技術(shù)應用模式。針對不同油氣田的勘探開發(fā)用能場景（如頁巖油地下轉(zhuǎn)化、富油煤地下熱解），創(chuàng)新和探索高效、低成本、安全、多時間尺度的儲能技術(shù)。提升儲能系統(tǒng)的集成能力和智慧控制水平，綜合考慮不同儲能方式的技術(shù)特點及成本，開展多元化、多時間尺度的油氣田綜合儲能技術(shù)研究。
二是推動新能源與油氣生產(chǎn)融合發(fā)展。開展“風光熱儲”多能協(xié)同的油氣生產(chǎn)協(xié)同管控關(guān)鍵技術(shù)研究，形成新能源+油氣田智能開采、井站間開、新型舉升、采出液處理、廢棄井地熱能源提取、綜合能源優(yōu)化利用等“低碳、智能技術(shù)體系”；化解清潔替代過程中能源轉(zhuǎn)換成本高、現(xiàn)有采油氣工藝不適應新能源特點、新能源消納能力低等難題，保障油氣田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、節(jié)能減排、綠色低碳，促進油氣田用能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和生產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
三是開展油氣田“風光熱儲”多能協(xié)同的經(jīng)濟性評價并建立減碳潛力評估體系。構(gòu)建包含“風光熱儲”能源技術(shù)的多能系統(tǒng)環(huán)境 - 經(jīng)濟評價框架，針對代表性油氣田，綜合各類能源技術(shù)的經(jīng)濟和環(huán)境數(shù)據(jù)并據(jù)此開展量化評價。基于量化評價結(jié)果，考慮經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的目標，形成油氣田“風光熱儲”多能協(xié)同系統(tǒng)的管控策略。
四是深化以多能協(xié)同為核心的智慧油氣田發(fā)展。把握并借鑒智慧油氣田國際進展，研究適用于我國油氣田全工程場景的體系設(shè)計方案，論證協(xié)同化發(fā)展策略，開展面向油氣田全流程的高效管理及優(yōu)化。提出多能協(xié)同視角下油氣田與分布式電力、燃氣網(wǎng)等的互補與匹配策略，基于大數(shù)據(jù)和智能方法的油氣田與多能系統(tǒng)高效協(xié)同發(fā)展思路，挖掘油氣田資產(chǎn)的價值，構(gòu)建多能互補智慧油氣田用能調(diào)控平臺。
五是建設(shè)多能協(xié)同的智慧油氣田示范工程。在油氣田新能源技術(shù)應用的基礎(chǔ)上，適時開展相關(guān)工程示范，驗證油氣田與新能源技術(shù)融合的應用成效。靈活調(diào)整應用方案，逐步固化應用場景，提煉代表性的關(guān)鍵技術(shù)指標，增強示范工程的應用效果與擴散能力。探索更高水平、更適合油氣領(lǐng)域應用的智能低碳發(fā)展模式，促進低碳技術(shù)、智能化技術(shù)在油氣田的集成應用與創(chuàng)新突破，為油氣行業(yè)綠色、高效、智能化發(fā)展提供新的路徑。
六是培養(yǎng)“油氣+智能+新能源”復合型人才。多能協(xié)同的智慧油氣田是油氣與新能源融合的重要應用場景，相應的系統(tǒng)理論構(gòu)建和工程應用實踐需要具有多學科交叉研究背景的創(chuàng)新型人才。在現(xiàn)有的油氣與智能交叉人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，批量形成跨專業(yè)、復合型的創(chuàng)新人才隊伍，涵蓋油氣AI、低碳減排、清潔能源應用、碳管理等技能方向；加強油氣低碳、智能轉(zhuǎn)型技術(shù)的國際交流與合作，支持國際合作機制創(chuàng)新和國際化人才培養(yǎng)。
