数字化技术助力油气企业低碳发展的实践与思考

2023-01-07王同良郝宏娜

石油科技论坛 2022年1期

王同良徐鹏郝宏娜

（1.中国海洋石油国际有限公司；2.中国海油集团能源经济研究院）

气候变化是世界各国面临的共同问题，减少温室气体排放是世界各国的共同责任。为应对气候变化，世界主要经济体已积极行动起来，制定了宏伟的减排目标。美国在拜登执政后重新加入了《巴黎协定》，并在2021年4月全球气候峰会上承诺，到2030年碳排放量将在2005年的基础上减少50%～52%。欧盟决定，将2030年温室气体阶段性减排目标比例从此前的40%提升至55%，2050年实现碳中和。中国积极实施应对气候变化的国家战略，将减排目标作为约束性指标纳入国民经济和社会发展规划，力争在2030年前实现二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和，并在2021年全国两会上，将“碳达峰、碳中和”写入政府工作报告，为中国的低碳转型之路设定了时间表。

油气行业是全球碳排放大户[1]。据国际能源署（IEA）数据，2020年全球能源相关的二氧化碳排放量达到330×108t，其中一半以上来自油气的生产和使用[2]。美国气候责任研究所研究表明，1965―2018年，全球20家化石燃料公司贡献了全球温室气体排放量的1/3，其中油气公司占17家。碳排放量最大的前7家油气公司分别是沙特阿拉伯国家石油公司（简称沙特阿美）、俄罗斯天然气工业股份公司、雪佛龙、埃克森美孚、伊朗国家石油公司、bp、壳牌，这7家公司合计碳排放量占全球碳排放总量的21%[3]。2021年5月，荷兰海牙地区法院裁定，壳牌公司必须在2030年之前将碳排放量在2019年的基础上减少45%。这是全球首例法院强制要求油气公司遵守《巴黎协定》，减少碳排放的判决。未来几年，大型国际石油公司面临的气候诉讼将会显著增长。油气行业绿色低碳转型压力日益增大。

1 数字化技术助力油气行业低碳发展实践

油气行业的碳排放贯穿于上、中、下游全产业链。以美国为例，2019年，油气行业7.82×108t碳排放中，油气生产排放量为1.37×108t（占比17.5%），储运排放量为2.38×108t（占比30.5%），炼油排放量为2.03×108t（占比26%），化工排放量为2.03×108t（占比26%）[4]。当前，利用传统技术节能减排的空间日益缩小，数字化技术将成为能源产业发展、低碳转型的主流[5-7]。据世界经济论坛评估，以云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能和数字孪生6项主要技术为代表的数字化技术与石油技术融合，对石油产业链进行数字化改造和工艺优化，有望减少全球石油产业15%的碳排放量[8]，相当于目前欧盟和美国碳排放量的总和。施耐德电气公司《2019年全球数字化转型收益报告》认为，通过完全的数字化能源管理和自动化，可减少石油行业20%的碳排放量[9]。据埃森哲的报告，2016―2025年，数字化技术将为油气行业减少碳排放量13×108t[10]。随着数字化技术的快速发展和在油气行业中广泛深入应用，数字化减排效应正在油气生产的各个环节中显现出来[11]。

1.1 油气田生产领域

在油气田生产领域，主要通过数字化控制和优化油田整个生产过程，减少设备停机时间和油气生产过程中消耗的电力、蒸汽、水和其他能源的成本，从而有效提高生产作业过程中的能效[12]，最终实现节能减排[13-14]。例如，施耐德电气公司的智慧油田节能系统可节省能耗20%～25%，相应减少20%以上的碳排放。Equinor公司通过数字中心支持更好地监控能耗，从2008年至今，实施了300多项能效措施，每年减排二氧化碳近160×104t，占挪威大陆架油田运营碳排放量的12.3%。沙特阿美在Khurais油田500多口油井配备了4万多个传感器，利用大数据分析、人工智能技术提高油井生产效率，生产能耗降低18%。在伊拉克祖拜尔油田，斯伦贝谢公司运用Lift IQ生产周期管理服务平台，对人工举升系统进行优化，将两口油井能耗分别降低了28%和34%。ABB公司在9口油井使用智能有杆泵人工举升系统，增加了50%的产量，减少了30%的能耗。中国石油天然气集团有限公司（简称中国石油）通过油气生产物联网系统（A11）实现了中小型站场和部分环境恶劣的油田生产站点的无人值守、大型站场的减人管控，大幅节省现场操作工时，提高了能源利用效率。

1.2 炼油化工领域

在炼油与化工领域，主要是通过对炼化装置智能化改造，提升机组自动化水平，缩短启停机时间；改进工艺流程，优化重点耗能设备运行效率，从而减少碳排放总量[15-16]。例如，土耳其STAR炼油厂投资7000多万美元，利用数字孪生、机器学习等技术提高了炼厂生产效率，碳排放同比减少17.8×104t，天然气消耗量减少6%。奥地利石油公司（OMV）利用数字孪生技术提升Schwechat炼厂能效，优化原油蒸馏装置的预加热线，每年可减少1.8×104t碳排放。美国Valero公司在休斯敦炼厂利用Visual MESA软件建立公用工程在线优化系统，锅炉热效率提高0.6%，节约燃料气成本1%。韩国石化和聚合物生产商YNCC使用建模解决方案，优化整个生产过程的能源消耗和排放，能源消耗和碳排放量减少12%。中海石油宁波大榭石化有限公司开展生产工艺实时优化（RTO）系统建设，提升生产过程智能化水平，芳烃收率提高1%，燃料气平均单耗下降1kg。普华永道会计师事务所对石油下游企业数字化的跟踪研究表明，炼化企业通过数字化可提高加工量6%～12%，提高企业效率8%～12%，相当于最多可降低12%的单位产量能耗。

1.3 工程技术服务领域

在工程技术服务领域，主要是利用物联网、大数据、数字孪生等技术，建立智能钻完井和井下系统，提高工程技术服务效率和质量，缩短工作时间，并由此产生减排效应。例如，西门子公司开发的DP3闭环电力技术，可在海上钻井平台形成闭环式电力供应，通过数字化模拟，实时显示平台油耗、成本、运营时间、碳排放等数据，提高主机操作灵活性和燃油经济性，可降低约11%的油耗量、约20%的二氧化碳排放量。机器人钻井系统公司与Energid Technologies和Od-jell Drilling两家公司合作开发的机器人钻井系统，集电子钻井平台设备、动态机器人控制系统与钻台机器人于一体，每年每座井架减少40个钻井日，可有效减少能源消耗和碳排放。美国国民油井华高公司的钻机集成控制平台（eVolve）借助地面装备控制软件系统实现整个钻井闭环控制，在Eagle Ford页岩地层6口水平井中应用，纯钻时间减少37%，有效减少了作业过程的碳排放。中国海洋石油集团有限公司（简称中国海油）建成远程钻井作业中心和专家辅助决策系统[17]，钻井作业提效超过10%，缩短钻井作业时间，减少能源消耗。

1.4 工程建设领域

利用5G、大数据、数字孪生等技术对设计、制造、施工过程进行能耗监控和协同优化，是工程建设领域降低能源消耗、减少温室气体排放的重要手段。例如，中国石油化工集团有限公司（简称中国石化）以数据共享为核心、三维可视化的设计为基础，建立油气田地面工程数字化集成设计系统，实现跨平台、跨地域协同工作的工程信息与资源共享，有效缩短建造周期，减少现场人员投入和能源消耗。中国石油在中俄东线天然气管道建设中，运用SCADA系统作为管道运行的“大脑”，实现了全自动化焊接、自动超声检测和机械化防腐补口，工程建设效率有效提高。海洋石油工程股份有限公司（简称海油工程）利用数字仿真技术建成了国内首个海洋工程数字化技术中心[18]，实现海上吊装、海上浮托、水下生产设施安装的仿真预演，有效缩短施工周期，降低作业能耗；工程建造管理系统PCMS成功应用于“深海一号”、蓬莱19-3等重大工程项目，有效提高项目实施效率，减少了能源消耗和温室气体排放。

1.5 销售贸易领域

在销售贸易领域，主要是结合区块链、物联网、人工智能等技术，实现仓储、物流、人员的一体化管理，提升物流运行与仓储管理效率，优化销售体系，减少贸易环节，降低能源消耗。例如，壳牌贸易公司向英国区块链初创公司Applied Blockchain投资，建设了以区块链技术为基础的新型内部交易平台，并于2018年11月正式用于石油衍生品交易，数字化自动化手段替代了传统的文件验证操作，有效提高了工作效率，减少了能源消耗。2020年，中国石化齐鲁石化公司智慧物流平台上线，无缝对接ERP系统、化工销售物联网系统，提升了订单和信息的传递效率，减少物流环境的能源消耗。中海石油气电集团有限责任公司利用生产运营物联网平台，实现对生产、销售和物流业务的实时监控和智能预警；其下属珠海LNG公司能耗管理及分析系统上线后，每年减少电能消耗480×104kW·h。

1.6 经营管理领域

国际领先的石油公司已基本形成利用数字化技术实现碳管理、促进碳减排的管理体系。例如，埃克森美孚、bp、Equinor等石油公司，早在20世纪90年代就以控制温室气体排放为核心制定了低碳发展战略，建立了配套的管理体系与政策，开发了碳减排评价模型，建立了完善的温室气体统计、报告制度及相应的信息数据库，并持续利用数字化技术提升碳管理水平。在国内油气企业中，中国海油利用数字化技术进行碳排放管理起步相对较早，2011年建成节能减排管理信息系统，并于2018年升级为能控与低碳管理系统，全面纳入并管理31家重点用能单位，覆盖650个能效中心和2455个重点设备，基本实现了碳排放数据的自动采集和集中管理。

从国内外行业实践来看，数字化技术既是推动油气企业转变生产经营和管理方式、提高能源利用效率、降低碳排放的必要手段，又是支持企业碳排放管理、碳资产交易的重要基础。当然，数字化技术本身需消耗大量电力，会增加一定碳排放。但随着云计算、模块式数据中心等新技术以及清洁能源的应用，数字化技术自身碳排放正在日益降低。据微软公司测算，集约式数据中心通过改善IT运维效率、IT设备效率、数据中心基础架构效率、可再生能力4个方面，或可降低72%～98%的能耗[19]。毋庸置疑，数字化技术已经成为油气企业实现绿色低碳发展不可或缺的关键要素。

2 面临的挑战与思考

国际石油公司在利用数字化技术推动油气企业低碳转型方面已经走在了行业前列，形成了相应的管理体系和标准体系。随着我国“碳达峰、碳中和”目标的日益临近，如何利用数字化技术加速自身绿色低碳发展，确保“双碳”背景下的竞争优势，已经成为国内油气企业面临的重要挑战。结合国内外行业实践，笔者认为，我国油气企业利用数字化技术推动低碳发展应做好以下3方面工作。

2.1 加强数字化技术与碳排放关系的研究

从油气行业的发展实践来看，数字化技术对低碳减排支撑作用已经非常明显，但数字化与碳减排之间的关联关系尚未实现量化，既没有相应的理论框架，也没有具体的经验结论。需要融合互联网经济学、能源经济学、环境经济学等学科的基本理论，将云计算、物联网、人工智能等数字化技术纳入能源消费、环境治理等理论模型中，探索数字化技术发展对碳排放的作用机制与影响作用。