油田区地热发电工程基础与应用

第1章绪论 目前，全球的化石能源面临两大问题。一是我国乃至世界上许多油田的含水率已经达到或超过90%，严格来讲这些油田已经不是传统意义上的油田，而是“水田”。如何提高这些“油田”的经济效益是摆在我们面前的一个重要课题。二是化石能源的大量使用造成全球大气中二氧化碳的浓度不断升高，温室效应不断加剧，使人类的居住环境受到严重的威胁。如何解决这一问题也是目前国际上面临的一个重大挑战。 地热资源作为一种可再生的绿色能源，可能成为解决上述问题的重要途径之一。地热能是指储存在地球内部的热能，在世界很多地区开发和应用地热能相当广泛。地热能作为清洁能源，其特点是不受天气状况影响，而太阳能、风能等其他清洁能源则取决于天气。这一特点使得地热能具有其他清洁能源无法比拟的稳定性和优势，因此，地热能发电（以下简称地热发电）是一种基础载荷。事实上，由于分布广泛及具有可调节性，地热能也可以作为一种分布式能源使用。 世界上*早利用地热发电的国家是意大利。1904年，意大利人在拉尔代雷洛（Larderello）地热田建立了世界上**座地热发电站，功率为550W，开启了地热发电的先河。之后，意大利的地热发电发展到790多兆瓦。20世纪80年代末，全世界运行的地热发电站的发电功率已超过3800MW，1995年达到6800MW。目前，世界上*大的地热发电站是美国盖尔萨斯（Geysers），发电功率达2000MW以上。中国*著名的地热发电站是羊八井地热发电站，装机容量为25MW。到2020年（目前*新统计），世界上约有32个国家先后建立了地热发电站，总容量已超过15950MW，其中美国3700MW，印度尼西亚2289MW，菲律宾1918MW，土耳其1549MW，肯尼亚1193MW，新西兰1064MW，墨西哥1005MW，意大利916MW，冰岛755MW，日本550MW，中国35MW左右。2015～2020年，全球的地热发电装机容量从12284MW增加到15950MW，增加了29.84%。总的来看，世界地热资源利用的增长速度还是比较快的。在地热直接利用方面，以总量（不是人均）计算，中国在世界排名**。但是，中国近40多年来地热发电量增加非常缓慢，这与我国欣欣向荣的经济发展明显不相适应。 我国石油等能源资源的供应非常紧缺，而且国际油价飙升不止，这对我国的经济发展及人民生活造成了巨大压力。我国许多油气田具有丰富的中低温地热资源，但大部分还没有有效开发和利用。我国高温地热资源在地区构造上处于印度板块、太平洋板块和菲律宾板块的夹持地带，属于全球构造活动*强烈的地区之一。中低温地热资源分布于板块内部地壳隆起区和地壳沉降区。东南沿海和胶辽半岛地热带是我国板内地壳隆起区的中低温地热带，而板内地壳沉降区的中低温地热资源主要位于华北、江汉、四川等盆地。值得注意的是，油田区的伴生地热资源非常丰富，油田中低温地热发电技术的开发和利用不仅有助于缓解石油供应的紧张局面，而且有利于二氧化碳的减排；不仅具有经济效益，而且可改善环境状况，具有重要的社会效益。 鉴于地热资源的优越性，《能源发展“十二五”规划》中明确指出了中国可再生能源的发展目标。不仅如此，《关于促进地热能开发利用的指导意见》明确了地热发展的目标，这不仅彰显了发展地热工程的重要性，也说明了开展地热工程的可行性和意义。 2009年，中国工程院完成了《中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究》，对地热能发展的目标做出了明确的规划，概要见表1.1。 2021年，我国提出力争在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，即“双碳”目标，这对地热的开发利用将产生重要的推动作用。 目前世界上实际能利用的地热资源主要限于蒸汽田和热水田。蒸汽田以蒸汽为主，温度较高，一般在160℃以上，可将蒸汽田的蒸汽直接引入普通汽轮机发电。热水田则以热水为主，温度较低，一般为50～160℃，需要将地热水中的热能采用特殊的换热技术（如双工质技术）转换成蒸汽引入普通汽轮机发电。一般认为75℃以上的地热可供发电，75℃以下的地热可供取暖、医疗或生产过程加热，如冰岛首都的绝大部分供暖系统就是直接利用地热水。地热发电站既没有燃料运输设备，也没有庞大的锅炉设备，所以也就没有灰渣和烟气对环境的污染，是非常清洁的能源。地热发电后排出的热水，可供采暖、医疗、洗涤、提取化学物质和农业养殖等使用。 我国现有的地热开发与利用技术存在的主要问题是对地热资源的不科学、破坏性开采。例如，常见的问题有地面沉降、热储温度不可逆降低，有的甚至将地热水采出取热后不进行回灌而是直接地面排放，对环境造成污染。 对于地热开发而言，提高地热利用的集约化水平和管理水平，是提高地热利用率、解决地热资源可持续开发利用的重要途径。在富热地区，开发梯级高效利用的集约化技术，降低地热尾水排放温度，提高资源利用率，解决环境热污染问题。在多热源地区，开发多热源耦合供热集约化技术，解决各单一热源负荷量小、经济性差、容易造成资源浪费的矛盾。在贫热地区，开发混合水源联动运行空调集约化技术，解决单一水源与工程建设需求不相匹配的矛盾。 国内外许多油气田的产出水都有较高的温度，甚至超过100℃，这一部分的地热资源十分丰富，完全可以用来发电。但是，根据我们掌握的资料，目前国际上只有一些利用油田产出水伴生地热进行发电的实验性发电站，还没有商业运行发电站。不过，这些油田伴生地热资源已经越来越多地受到重视。美国Ormat公司于2007年1月25日签订了一个在怀俄明州卡斯珀（Casper）附近的NPR-3油田安装地热能发电设备的合同。该油田属于美国能源部，这个项目的主要目的是利用NPR-3油田中的中低温产出水发电，并作为一个示范工程，这是世界上**个利用油田中低温产出水发电的地热项目。该油田产出水的温度为87℃左右，先导性发电站的设计发电功率可能在200kW左右，采用风冷方式进行冷却，发电系统模式为有机兰金循环（organic　Rankine　cycle，ORC）方式。该发电机组并入NPR-3油田现有电网，据报道总投资少于100万美元。 随着全世界对洁净能源需求的增长以及科技的进步，将会更多地使用地热资源，特别是在许多发展中国家地热资源尤为丰富。为了推动世界地热发电技术的发展，联合国专门设立计划开发署负责地热开发工作，其主要成员有美国、意大利、新西兰、日本、中国等。目前，美国在这方面的发展速度比较快，已立项建造几个大型的地热发电站。总体上，对利用油田产出水伴生地热发电和综合利用进行系统研究和先导性试验适逢其时，既具有良好的经济效益又具有很好的社会效益。 第2章地热工程基础及常用基本概念 2.1简介 有关地热学和地热工程的基本概念是构成地热开发体系的基础，是*基本的理论知识。在日常科研活动中，甚至项目评审与鉴定过程中，都出现过基本概念不清楚的情况。因此，对地热工程中基本概念的准确理解和掌握无论是对理论的深入理解还是对工程实践的应用都具有重要意义。 本章介绍一些与地热相关的岩石与流体的基本概念，以及热储的基本概念。需要指出的是，本章介绍的一些基本概念和油气田开发中的基本相同，因此，本章并不会对一些基本概念进行非常深入的介绍和探讨。如果读者需要，可以参考有关油层物理的教科书。 2.2岩石与流体的基本概念 2.2.1孔隙度 岩石中主要有碎屑颗粒、胶结物或其他固体物质，还有未被固体物质充填的空间，称为孔隙。自然界不存在没有孔隙的岩石，只是不同的岩石，其孔隙大小、形状和发育程度不同。对于水热型地热田，热水储存和流动于岩石的孔隙中。因此，岩石孔隙的大小、形状和发育程度直接影响储存和开发地热的能力。 1.岩石孔隙度的概念 孔隙度是指岩石中孔隙体积V（或岩石中未被固体物质充填的空间体积）与岩石总体积Vb的比值，用表示，其表达式为 （2.1） 图2.1形象地表示了岩石总体积Vb（正方形全部区域）、固相颗粒体积（基质体积）Vs及孔隙体积Vp之间的关系。由于岩石的总体积Vb等于基质体积Vs加上孔隙体积Vp，即 （2.2） 故式（2.1）可改写为 （2.3） 2.热储中岩石孔隙度 李克文等研究了不同孔隙度条件下初始含水饱和度对油田区地热资源量的影响（LiandSun，2015）。如图2.2所示，当孔隙度小于某一特定值（约5%）时，初始含水饱和度（Swi）对地热资源量（QR）的影响可以忽略。但是，当孔隙度大于5%时，初始含水饱和度对地热资源量的影响较为明显，不能忽略。 除上述结果以外，图2.2中可以看到，孔隙度在5%、15%、30%的条件下，孔隙度越大，同一初始含水饱和度相对应的油田区地热资源量越大。 2.2.2润湿性 润湿性是指存在两种互不相溶液体，液体首先润湿固相表面的能力，即一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性。 润湿性是岩石-流体系统的综合特性，一般认为润湿性属于岩石-流体系统的静态特性，既与岩石本身的性质有关，也与流体的特性及流体在岩石孔道内的微观分布和原始分布状态有关。 地热的开发，尤其是对干热岩的开发通常涉及蒸汽、水和岩石三相系统，而润湿性是研究外来工作液注入（或渗入）热储层的基础，是岩石-流体相互作用的重要特性。了解岩石的润湿性也是对储层*基本的认识之一，它是和岩石孔隙度、渗透率、孔隙结构等同样重要的一个储层基本特性参数。 在地热系统中，Horne等（2000）发现在同一块岩石中蒸汽-水系统和气-水系统中的相对渗透率不相等。此后，Li和Horne（2004）确定了蒸汽-水系统和气-水系统中毛管压力的差别。因此，可以推断不同的蒸汽-水-岩石系统中的润湿性也是不同的。 在地热系统中，润湿性随着岩石和流体饱和度的变化而变化。例如，驱替过程中的接触角小于吸吮过程中的接触角，相应地，驱替过程中的润湿性指数大于吸吮过程中的润湿性指数。针对上述问题，Li和Horne（2008）从理论上推导出了一种评价气（包括蒸汽）-水-岩石系统润湿性的新方法，并用实验数据证明它不仅适用于气-水-岩石系统，而且适用于液-液-岩石系统。在不同的系统中采用驱替过程和吸吮过程中的毛管压力和相对渗透率可得到润湿性指数。通过比较计算的理论值与测定的实验数据，得出这种方法在大部分的气-水-岩石系统中是适用的。润湿性指数的方程为 （2.4） 式中，Wiw为某一润湿相饱和度下的润湿性指数；λ为孔隙大小分布指数；k为岩石的绝对渗透率；.为岩石的孔隙度；F为岩性因子（表示拟多孔介质中的天然裂缝岩石的差别）；σ为两相流体间的界面张力；Pc为某一润湿相饱和度下的毛管压力；为标准化的润湿相饱和度；krw为润湿相的相对渗透率。 润湿性指数的值在–1～1区间内变化，从上述方程可以看出，Wiw在数值上等于接触角的余弦值。一般来说，驱替过程中的接触角小于吸吮过程中的接触角，因此，驱替过程中的润湿性指数大于吸吮过程中的润湿性指数。如果通过式（2.4）计算出的驱替润湿性指数大于吸吮润湿性指数，这将在一定程度上证明采用式（2.4）评价润湿性是适用的。为此，李克文采用Mahiya（1999）地热系统中驱替过程和吸吮过程的蒸汽-水相对渗透率与Li和Horne（2001，2005）蒸汽-水毛管压力数据来计算润湿性指数。利用这些数据，根据式（2.4）计算出驱替和吸吮润湿性指数，如图2.3所示。在蒸汽-水-岩石（Berea砂岩）