中国油气开发中能源和水的耦合关系与协同控制研究

Oil & gas development consumes increasing amounts of energy and water, and increasingly causes more serious water contamination, while it will also consume huge amount of energy in the process of water using and wastewater treatment. This makes the study of energy and water coordinate control in China’s oil & gas development increasingly important. This project will calculate the amount of water use and energy consumption especially in the process of water withdrawal and wastewater treatment in China’s oil & gas development by using hybrid life cycle assessment model; optimize the wastewater treatment in oil & gas development under uncertainty. From the coupling perspective, the project will study the key coupling points, types and paths within the energy and water nexus in oil & gas development; assess the synergistic effect on the energy saving and water saving respectively in oil & gas development based on Input-Output model, and study the realization route of synergistic effect maximization on the energy and water saving under current policies by using bi-objective optimization model; from a policy simulation perspective, select and evaluate energy and water cooperative control policies based on system dynamics model. Finally, the study will make suggestions on how dual control water and energy in China’s oil & gas development, in order to provide decision support for the implement of “dual control action in total amount and intensity of energy and water resources” proposed in 13th Five-Year Plan for national energy development.

油气开发对能源和水资源的消耗正在不断增长，造成的水污染也在日益加剧；同时在用水及污水处理过程中又将消耗大量的能源。这使得油气开发中能源和水的协同控制问题研究十分重要。本课题利用混合生命周期评价方法对中国油气开发的用水需求、能源消耗特别是油气开发用水及污水处理中的能源消耗进行全面核算，开展不确定性下油气开发污水处理的优化研究；在此基础上，从耦合关系视角研究油气开发中能源和水的关键耦合点、耦合类型和耦合路径；基于投入产出法分别评价油气开发中节能的节水协同效应和节水的节能协同效应，构建节能节水双目标优化模型，研究现有政策环境下节能节水协同效应最大化目标的实现路径；从政策模拟视角，利用系统动力学模型对能源和水协同控制政策进行选择与评价，提出中国油气开发中能源和水协同控制的对策建议，为“十三五”规划建议中“实行能源和水资源消耗的总量和强度双控行动”在油气开发领域的具体落实提供决策依据。

项目基于混合生命周期评价模型和不同油田的油气井级别微观数据对中国油气开发的能源、水资源消耗进行了核算，对常规油气和非常规油气开发的能源、水资源消耗差异进行了研究；考虑不确定性因素，构建了页岩气开发水资源管理双目标优化模型，并求解了不同容忍程度下的权衡帕累托解；基于投入产出理论，将研究对象由油气部门拓宽至整个能源部门，通过灵敏度分析，编程识别能源、水资源消耗的关键耦合点与耦合路径，对能源与水资源节约的协同效应进行评价；基于系统动力学及文本分析技术对中国能源与水的政策协同效果进行研究；在此基础上，建立能源与水资源协同节约的多目标优化模型，研究能源与水资源协同节约的应对策略。主要研究结果显示，页岩气水资源消耗和能源消耗合计产生的环境影响比常规天然气高12.5%；高返排情景，水资源管理的“规模效应”会产生经济、环境目标的协同效益，未来可通过设定“门槛水量线”来制定量化、易操作、定期更新的标准来开展水资源管理；油气和煤炭部门主要通过间接途径消耗大量水资源，电热部门的水资源直接消耗比重更高；化学工业、金属冶炼与压延、非金属矿及其他矿采选业是影响中国能源部门的能源、水资源消费的关键耦合点；在中间数视角下研究得出的关键部门“金属矿采选业”，其重要性并不能在传统生产端或消费端核算中体现；油气部门在“十二五”期间通过节能实现的水资源协同节约量为0.43亿立方米，通过节水实现的协同节能量为266万吨标煤；在能源和水资源的政策协同情景下，到2030年中国可产生206亿立方米的协同节水量；在资源利用效率不变的情况下，产业结构调整能为协同节能和协同节水分别带来最高10.88%和2.19%的提升；节能政策影响效果要高于节水政策影响效果。课题研究在管理科学方法和模型、研究领域拓展等方面有利于丰富与能源、水资源协同控制相关的已有学术成果；同时，有利于在管理实践角度更好地对能源、水资源进行协同管理，为决策者在资源、环境、经济等多目标之间的权衡提供信息参考和决策依据。