CCUS数字化建设现状与智能化发展展望

摘要：碳捕集、利用与封存（简称CCUS） 技术是我国实现“碳达峰、碳中和”目标所必需采用的关键技术。CCUS项目的数字化和智能化管理将成为发展趋势。该文通过分析当前某采油厂CCUS数字化建设的进展及面临的挑战，对其未来智能化发展进行展望，以期推动CCUS项目的智能化升级。

关键词：CCUS；数字化建设；现状；展望

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）08-0115-03

开放科学（资源服务） 标识码（OSID）

0 引言

随着全球变暖和气候变化问题的日益严峻，减少二氧化碳等温室气体排放已成为国际社会的共识。CCUS技术作为一种有效的减排措施，通过捕集工业过程中产生的二氧化碳，将其运输至封存地点或进行再利用，从而实现碳排放的减少。近年来，随着数字化技术的飞速发展，将数字化技术应用于CCUS项目中，不仅可以提高项目的效率和安全性，还能降低运营成本，提升管理水平。本文着重分析某油田CCUS试验区数字化建设的现状及存在的问题，以智能化为目标，提出未来发展方向，对CCUS试验区的高效运行发展具有重要意义。

1 某油田CCUS试验区数字化建设现状

某油田CCUS试验区已按照规划设计完成了数字化建设，实现了设计预期功能，建设范围覆盖了站、间、井等生产区域。

1.1 试验区站数字化现状

1.1.1 注入站

部分注入站的储罐区、泵房区等区域生产流程的重要节点安装了温变、压变、流量计等数字化仪表，电控区部署了橇装电控一体化装置（内设PLC站控系统） ，站内新建了光缆及工业级以太网交换机，将站内数据上传至附近联合站，实现了注入站生产过程中工艺参数的采集、显示、记录和控制功能。注入站所用的数字化设备种类见表1所示。

PLC站控系统能够准确调用物联网实时数据，在自控方面实现了以下功能：（1） 利用双法兰液位变送器实时计量储罐液位，并实现高、低液位报警、联锁停泵；（2） 实现3座CO2储罐压力监测，高、低压报警；（3） 实现储罐区CO2浓度指示及报警；（4） 喂液泵运行状态、远程停泵控制；（5） 注入泵变频状态指示、故障状态指示、联锁停泵控制、变频器频率控制、变频器频率反馈、泵状态，及3台注入泵注入电机综合电量数据上传；（6） 注入泵房CO2浓度指示及报警联锁启动轴流风机；（7） 注入泵房O2气体浓度指示及报警联锁启动轴流风机；（8） 总电源电流、电压、有功电量、有功功率、无功功率、功率因数等电参指示。

1.1.2 转油站部分

部分转油站利用了1套旧控制系统，由于原有控制系统的I/O模块点数不满足新建仪表的使用需求，在配电值班室内新建了控制系统扩容机架、接口模块和I/O模块。同时，调整了控制系统下位机软件，用于完成生产过程的显示及控制任务，信号上传至中控室进行统一管理。主要实现了以下功能：

（1） 油气分离器液位指示、高低报警、液位调节功能；（2） 油气分离器气出口压力指示、高低报警、压力调节（阀前） 、高报警联锁开放空阀；（3） 消泡剂加药装置液位指示、高低报警；（4） 消泡剂加药装置运行状态；（5） 集油阀组间来油汇管温度指示、压力指示；（6） 集油阀组间来油支管温度指示；（7） CO2驱外输泵进口汇管压力指示；（8） CO2驱外输泵运行状态指示；（9） CO2驱产气流量指示、积算；（10） CO2驱外输油温度指示、压力指示；（11） CO2驱外输油流量指示、积算。

1.2 试验区阀组间数字化现状

在注气计量阀组间方面，安装了汇管温变与压变、单井流量控制器与压变，通过RTU进行采集控制，实现了生产数据的自动采集、调节控制等功能。在集油计量阀组间方面，安装了汇管温变与压变、单环流量控制阀与温变，设置了计量分离器及U型管积算仪连续量油装置，用于检测计量分离器液位和单井产液量参数，数据通过WIA-PA智能远程自动采集与控制终端单元进行采集和控制。

1.3 试验区注采井数字化现状

在注入方面，平台井单井流量采用WIA-PA无线涡街流量计进行监测，并通过附近小型站场旁部署的WIA-PA智能工业物联网关将数据回传至数据中心，但平台井不具备远程调节功能。在采出方面，油井通过安装示功仪、压变、温变等设备，数据通过WIA-PA智能综合电参采集控制器进行采集，实现了油井油压、温度、功图、电参等的实时监控，并具备控制油井远程启停的功能。同一平台区域内有多口油井时，选择一口油井作为平台主井，设置1台WIA-PA智能综合电参采集控制器，其他井作为平台从井，设置WIA-PA智能三相电参分析控制模块。

2 CCUS试验区数字化建设存在问题

在试验区投产运行以来，依托现有数字化设备显著降低了生产管理、操作等劳动强度，但依然存在以下四方面主要问题，制约了CCUS工作效率的进一步提升。1） 注入井现场未设置套压压变，相比水驱，CO2注入系统的安全性要求更加严格，套压是日常管理的重中之重，人工核实工作量大且危险系数较高。2） 平台注入井仅进行单井流量监控，利用阀组间主管线安装的流量控制器进行注入量调节，该流量无法精准分配至平台单井，不满足精准注气的需求。3） 注入站出口干线未设置质量流量计，无法实现出站气源的质量监控。目前，利用注气间汇管质量流量计进行统计，人工计量工作量较大且准确性得不到保障。4） 集油阀组间单环未设置流量计、压变，采取温度控制方式进行掺水调节，无法实时监测掺水量及掺水压力。同时，温度调节方式受制于集油环长度，温度变化滞后，控制阀频繁开关导致掺水量波动较大，导致系统运行不稳定。

3 CCUS试验区数字化建设面临的挑战

3.1 技术层面挑战

尽管CCUS技术已经取得了一定的进展，但在数字化建设方面仍面临诸多技术难题。首先，现有的数字化技术与CCUS工艺之间的融合度不高，导致数据收集不全面、分析不准确等问题[1]。其次，由于CCUS项目通常涉及多个复杂的子系统，如何实现各子系统间的有效集成和协同工作也是一个亟待解决的问题。此外，随着大数据、人工智能等新兴技术的发展，如何将这些技术更好地应用于CCUS项目中，以提高项目的智能化水平，也是当前面临的一个重要挑战。

3.2 经济层面挑战

CCUS项目的投资成本较高，尤其是在初期阶段，需要大量的资金投入用于基础设施建设和技术研发投入。此外，由于CCUS项目的经济效益受到多种因素的影响，如碳价格波动、政策法规变化等，因此项目的营利能力存在一定的不确定性。在这种情况下，如何降低项目的成本、提高项目的经济效益，成为CCUS数字化建设面临的又一重大挑战。

3.3 管理层面挑战

CCUS项目的管理涉及多个环节和部门，需要协调各方的利益和资源。在数字化建设过程中，如何建立一套完善的管理体系，确保项目的顺利实施和高效运行，是一个复杂的问题[2]。此外，随着项目规模的扩大和技术复杂度的增加，如何加强对项目的监督和管理，防范潜在的风险和问题，也是当前面临的一个重要挑战。

4 CCUS试验区智能化发展愿景

随着物联网、大数据、云计算等技术的不断发展，这些技术将在CCUS项目中得到更广泛的应用，实现对整个项目生命周期的全面监控和管理，以提高项目的效率和智能化水平。

4.1 完善现有功能

4.1.1 注入端功能完善

1） 补充平台注入井自动控制阀，配合已建流量计，实现单井精准注入。

2） 补充注入站出口质量流量计，实时监测出站气源量，结合储罐液位可准确计算次日气源运输量。

3） 补充注入井套压监控，对于更换标准注气套管头的井口要额外补充B环空套压监测，辅助判断井下油套环空密封情况，及时采取作业措施，提高注气安全性。

4） 注入站入口处增加人脸识别系统及车辆识别系统，系统内提前录入承包商车辆及驾驶员人员相关信息，场内入站人员按现有人员系统自动显示是否有权限进入场站。同时，部署承包商车辆定位系统，实时掌握运输车辆位置及到达时间，气源不足时可及时进行注入量调控。

4.1.2 集输端功能完善

1） 补充单环流量计及压变，掺水流量采取流量控制方式进行，经过多年采油厂集油间运行经验，流量控制相较温度控制具有控制精确、水量波动小等优势，同时引入单环掺水压力，可有效辅助分析系统运行状态，及时发现凝环、堵环等异常情况。

2） 井场加装红外监控球机，取电不方便的井场架设太阳能板供电。设备具备长焦、闯入报警功能，提高生产现场安全性，同时可辅助进行油井远程启停，实现注采井场无人值守。

4.2 大力引进智能化技术

4.2.1 边缘计算技术

技术简介：边缘计算是一种分布式计算模式，它将数据处理和计算任务从集中式的数据中心转移到靠近数据源的设备或节点上进行。通过在本地处理数据并仅上传必要的信息，边缘计算减轻了网络带宽的压力，敏感数据可以在本地处理，减少了通过网络传输过程中的安全风险，有助于保护用户隐私和数据安全[3]。

应用及展望：通过在阀组间或井场部署边缘计算设备，结合生产经验制定相关算法，利用边缘计算技术在本地进行数据处理及操控。例如，当油井液面低时，可自动降频调整油井冲次，保证沉没度，提高泵的使用寿命及工作效率。还可与视频监控进行联动，发现跑冒滴漏时自动停井并发出报警信息，确保生产现场的安全环保受控。甚至可以期待，当注入站储罐液位低时，可以自动降低泵频率，同时连锁调节注气阀组间注气单井的注入量，保证注入系统的稳定运行。

4.2.2 AI大模型技术

技术简介：AI大模型是指使用大规模数据和强大的计算能力训练出来的“大参数”模型，这些模型通常具有高度的通用性和泛化能力，可以应用于自然语言处理、图像识别、语音识别等多个领域[4]。

应用及展望：二氧化碳驱相比水驱，存在许多技术和难题需要研究破解，如设备防腐、冻堵化解、控制气窜等方面，员工无法快速将所需知识融会贯通。可以依托内部网络部署大模型计算服务器，有效保证企业信息不泄露，同时将二氧化碳驱及水驱的管理资料、经验、先进技术、外出调研学习资料等“喂”给大模型进行训练推理。最终通过数据积累，利用大模型可以快速、准确地回答岗位人员的提问，并对工作提出指导性建议。

4.2.3 数字孪生技术

技术简介：数字孪生是将现实世界中的实体、系统或过程通过数字化手段进行建模、仿真和分析的一种技术。它通过获取实时数据、利用物理模型和数学模型进行计算，并结合人工智能和大数据分析等技术，实现对实体、系统或过程的精确复制和模拟[5]。

应用及展望：根据CCUS试验区地面设备资料、安装位置、系统管线路由、注采井基础资料、井位等内容，利用物理建模与仿真技术进行试验区数字孪生模型的构造，真实还原生产现场地面、地下的实际运行情况。通过已建的传感器和物联网设备收集物理实体的数据，并在数字环境中实时更新模型，使员工能够实时监测实体的状态。同时，基于历史数据和实时数据，分析实体的性能变化趋势，预测可能发生的故障，提前采取措施进行维护。此外，通过模拟仿真对实体的运行过程进行优化，提高生产效率、降低运营成本。通过数据积累，最终为决策者提供基于数据的洞察和预测，帮助他们做出更明智的决策。

5 结束语

CCUS是实现低碳转型的重要途径之一。某油田CCUS试验区已完成基础数字化改造，但受制于试验区运行成本及数字化投资成本，制约了试验区智能化的进一步发展。随着科技的进步和社会的发展，这些问题有望得到逐步解决。未来，随着先进智能化技术的广泛应用和产业链的不断完善，CCUS项目将在提高能效、降低成本等方面发挥更大的作用。

参考文献：

[1] 李阳.CCUS产业必将与数字化深度融合[N].中国化工报，2023-08-16（006）.

[2] 李阳.CCUS与数字化平台建设[J].当代化工研究，2023（21）：1-6.

[3] 杨宗瑶.边缘计算与物联网技术在智能油田数据安全防护中的应用[J].网络安全和信息化，2024（6）：46-48.

[4] 董雅雯.大模型技术的发展与应用：现状、机遇与挑战[J].人工智能，2025（1）：110-118.

[5] 陈亚颐.数字孪生技术在智慧油田的研究与应用[J].设备管理与维修，2024（22）：158-160.

【通联编辑：代影】