废弃井地热能开发工艺分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：卢巧云，江苏金坛人，工程师，本科，研究方向或专业：地热能高效利用，中国石油辽河油田分公司环境工程公司。-99-废弃井地热能开发工艺分析 卢巧云 中国石油辽河油田分公司环境工程公司，辽宁 盘锦 124010 摘要：摘要：为解决化石能源日渐短缺的问题，本文以地热能为例，对废弃井中地热能应用的可行性进行研究，从废弃井选取、地热能开发技术应用、地热能应用途径、废弃井地热能未来发展方向几方面，分析废弃井地热能开发工艺的应用方法，相较于太阳能、风能等能源，地热能有着分布广、稳定性强、利用途径广泛等优势，故需要结合废弃井实际情况，应用合适的工艺，开发地热能，以望借鉴。关键词：关键词：废弃井；地热能；能源开发工艺 中图分类号：中图分类号：P314 0 引言 全球油气勘探、开发等工作，在推进过程中产生了数百万口废弃井，若能依据废弃井实际情况，开采地热能，不仅能降低废弃井勘探、报废的成本，还能提高地热能的开采利用效率，为社会提供大量的清洁稳定能源。现阶段，为节约化石能源，助力“双碳”目标落实，开展废弃井地热能开发工艺研究工作，成为满足社会经济稳定发展需求的重要举措。1 开发废弃井地热能的可行性 1.1 废弃井改造价值 随着化石能源开采工作的不断推进，储存中的化石能源会日渐枯竭，若开采工作中石油能源的开采成本超出其经济上的可行点，那么这一口井需要进行报废处理，但若在报废处理过程中，工作人员使用的封井技术方法不能满足报废工作的实际需要，那么废弃井将会对周边的水源、生态、气候环境造成威胁。若严格按照相应规范开展废弃井的封井操作，那么这一操作将会产生大量的人力、物力、时间成本，影响化石资源的整体开采效益。需要注意的是，即便开展了封井操作，但废弃井处存在井控装置老化、自然灾害、人为破坏等问题，那么废弃井封井操作的价值仍无法得到充分发挥。现阶段，为了提升废弃井的利用价值，对废弃井的整体环境条件加以分析可以发现，一些废弃井底部温度偏高，若在废弃井处理工作中合理利用地热资源，那么不仅可以实现废弃井报废成本的有效管控，还能为社会提供更多清洁的地热能源。举例来说，胜利油田大多数油井的深度在 13km 之间，底部产出的流体温度高达 60100，有些油井的馏出温度会更高，因此开展废弃型转地热井改造工作，合理利用地热能源成为提高地热资源开发利用效率，满足社会能源需求的重要举措1。1.2 地热能开发优势 通过调查分析可以了解到，相较于单纯地开发地热能，利用废弃井开采地热能有着较多的优势，具体来说，第一，在开发地热能时，可以通过改造现有井筒的方式，降低钻井成本。第二，可以有效降低废弃井的封井成本，减少后期废弃井封井对运维管理的难度。第三，在利用废弃井开采地热能时，可以以现有的生产数据为基础，制定科学的地热开发方案。第四，地热能可以为后续油田生产提供能源，提高石油资源的开采效益。第五，废弃井地热能开发工作可以提高我国地热能的推广利用效率。因此，废弃井地热能开采工作是一项既能满足能源开发需要，又能助力环境保护工作开展的重要工作。2 废弃井地热能开发工艺的应用 地热能是一种分布广泛，储量庞大，清洁环保的可再生能源，据国际报告显示截止至 2020 年，全球地热能发电装机容量为 15.5GW，但预计到 2035 年地热能发电装机容量将超过 40GW，因此，应用合适的废弃井地热能开发工艺，合理利用地热能已成为未来全球新能源发展的主要趋势之一。2.1 废弃井的选取 通过调查分析可以发现全球范围内废弃井的数量已经超过了 2000 万口，仅单一废弃井的报废成本就达中国科技期刊数据库 工业 A-100-到了 5 万美元，这给化石能源开发利用工作的开展造成了严重的阻碍。现阶段为提升废弃井的利用效率，降低报废成本，工作人员开展了废弃井热能开发工作。但需要注意的是，并不是所有的废弃井均可以被应用于地热能开发利用工作当中，若选取了不合适的废弃井，那么不仅地热资源开发利用工作无法顺利开展，还会增加废弃井的处理成本。对此，在开发地热能前，工作人员需要对废弃井的实际情况进行综合性调查分析。具体来说，首先，在选择废弃井时，应保证废弃井有着较高的储层温度、良好的渗透率与孔隙率，且从经济价值的角度对废弃井进行评估，可以发现目标井有着良好的地热开发价值。其次，在选取废弃井时，应保证废弃井附近有地热发电站，居民区等场所，废弃井产出的热能能够及时得到利用，避免因供热管路过长而出现热量过度损耗、热能利用基础设施建设成本过高等问题。再次，选择废弃井时应尽量选取完井方式为套管完井的废弃井，降低热能开采工作中，废弃井改造工作的难度。最后，在选择废弃井时应注意控制井间距离，一般情况下，两口井之间的距离应在40m 以上，以便避免在后续地热能开采时，因井间相互作用，而出现早热突破这类的问题2。2.2 地热能开发技术 在开采化石能源时，废弃井经常会抵达或经过地热储层，这给废弃井能地热能开发工作的开展提供了理论支持。通过技术研究，当前开采废弃井地热能的工艺可以按照工质是否与地层相接触，分成开环取热工艺与闭环取热工艺两种。其中，开环取热工艺的工质在开放环境中与地层直接接触；闭环取热工艺中的工质在换热器或人工井壁的作用下与地热储热层间接接触。2.2.1 开环取热技术 应用开环取热技术开采废弃井地热能时，可以在废弃井工质在井下不发生漏失现象的基础上，应用增强型地热系统或灌采取热技术，实现地热能的有效开发。一般情况下，增强型地热系统被广泛应用于干热岩型地热开发工作中，灌采热技术被广泛应用于水热型地热开发工作中。增强型地热系统由注入井、生产井、地面设施等部分构成，这一系统是当前取热效率最高的一种废弃井地热开发工艺。现阶段，为保证增强型系统能够在废弃井地热开发工作中取得令人满意的效果。第一，工作人员需要预先选取两口及以上间距合适的干热岩型废弃井，作为地热开采的改造目标；第二，结合废弃井的实际情况，开展井底改造工作；第三，在抽水井内浅层温度较低处，铺设合适长度的隔热井段，避免系统收集到的热量在高温控制与低温地热层的热量交换中出现大量损失的现象；第四，分析储存应力，制定合适的改造方案；第五，开展压裂或射孔作业，使地层产生裂缝，降低热量交换工作的难度；第六，在系统中注入工质，使之充满整个循环系统后，开展地热开采工作。实际的地热开采工作中，工作人员可在注入井处注入工质，在工质流经被压裂的干热型地热储存，并与之充分接触后，会以高温流体或蒸气的形式转移到地面设施当中，在工质降温后，通过地面设施工质重新流入注入井中，实现热能的循环利用。从总体上看，这一工艺在应用过程中，一方面可以以现有废弃井为基础完成注入井、生产井的改造工作，节省地热开采工作中的钻井成本，另一方面，工质的循环可以有效缩短地热能的开发周期，降低地热能的利用成本。灌采取热技术在应用时，有着单井、对井、多井这三种开发模式。第一，单井开发模式在应用时是在一口废弃井中实现地热能的循环利用。具体来说，在废弃井改造完成后，工作人员可以先将工质注入井下，然后开采井内的高温地下工质，在工质的日粮在外界应用过程中逐步下降后，将低温工质灌回井内，待温度升高后重复上述循环的技术方法。第二，对井开发模式在两口废弃井中实现地热能的循环利用。具体来说，人员在以地热层储能类型、孔隙度等信息为基础，选出两口合适的目标废弃井后，先开展废弃井改造工作，然后抽取一口废弃井中的高温地下水，并将降温后的尾水灌入另一口废弃井中，达到持续生产的目的。第三，多井开发模式应用的工作井在两口以上，地热能的利用模式与对井开发模式相似，并且这一地热能开发模式得到了化石能源开发企业的广泛应用。举例来说，大港油田应用多井开发模式，对三口废弃井进行灌采取热改造后，一年内可利用的热量达到了 2.82108MW，实现了废弃井利用价值的充分开发3。对增强型地热系统与灌取热技术应用情况进行中国科技期刊数据库 工业 A-101-分析后，可以了解到尽管开环取热工艺有着技术简单、成本偏低、取热效率较高等优点，但在实际应用过程中，这一技术开发地热能时仍存在着某些缺点。具体来说，第一，增强型地热系统需要对地层进行压力处理，这使得废弃井地热能开发工作对周边环境的污染有所增大。第二，开环取热工艺在开采地热能时，地热能的开采效率会受地层孔隙度、渗透率等因素的影响。第三，开环工质中夹带的地层化学成分会使环取热系统的管道出现腐蚀、结垢等问题，若直接利用工质传热，那么工作人员需定期开展开环取热管道系统的清洗、替换等工作。第四，在向地层中注入工质时，地层出现地震这类问题的可能性有所增加，进而影响油田整体地热能开发工作的质量水平。2.2.2 闭环取热技术 闭环取热工艺是一种利用换热器或 U 型井取热的技术方法，换热器取热主要被应用于单井开发工作中，U 型井取热技术主要被应用于两口钻井贯通的废弃井取热工作中。与开环取热工艺不同的是，闭环取热工艺在实际应用时工质始终在与外界隔绝的环境中循环流动，实现地热能的持续开采。换热器取热技术主要被应用于单口废弃井热能采取工作中，工作人员将合适长度的换热器安装在工质与地层间，即可完成热量的交换工作，一般情况下，换热器的取热能力取决于换热器的性能与地热储层的性质。近年来随着地热能开发工作的逐渐深入，换热器的类型不断增加，同轴换热器、单 U 型管换热器、双 U 型管换热器、螺旋管换热器等类型的换热器，已经成为废弃井地热能开采工作中较为常用的换热器。其中同轴换热器主要由外环管、内管、隔热材料等部分组成，在将其应用于废弃井热能开采工作中时，换热器的低温工作制先由外环管注入内环管壁，完成接触取热工作，当流至井底后，其温度升至最高，然后高温工质经由内管流至井口，完成热量释放工作后，继续上述流程，实现热能的周期性循环采取。相较于同轴换热器，单 U 型管换热器、双 U 型管换热器、螺旋管换热器在换热过程中，可以配合颈内填充的高导热系数材料，提高工质与外界的换热面积。但需要注意的是由于大部分废弃井的深度较大，在相同井径相同的条件下，这三种换热器的生产成本更高，且机械结构更为复杂，若出现井下事故，这三种换热器的维修难度更高4。U 型井取热技术在使用时，需要将现有的两口废弃井进行钻井贯通处理，并制造人工井壁，生成一个由注热井、地下连通管道、生产井共同组成的 U 型闭环回路。在开采地热能时，自注入井注入工质，工质流经地下通道后。由生产井处产出。为降低工质在 U 型井内流失的热量，在应用这一技术时，工作人员需要在生产井内建设隔热井段。同时，为提升这一工艺的应用价值，工作人员可以结合地层性质，延伸两支及以上的地下联通管道，这种多支的 I 型井，可以被称作多分支 U 型井。2.3 地热能的应用途径 当前地热热源可以分成高温、中温与低温三种。大部分废弃井的地热能属于中低温地热能，在地热能实际应用过程中，低温地热能可以被应用于供暖、洗浴、制冷等工作中，中温地热资源可以被应用于工业发电工作中。同时，工作人员可结合废弃井的具体热能情况、周边环境等因素，将废弃井所产生的地热能应用于油井伴热开发、农产品干燥、矿石回收等工作当中，为切实提升废弃井地热能的应用价值。2.4 废弃井地热能开发工作的开展方向 当前废弃井地热能开发工作尚处于理论研究与实验性阶段，为了实现废气性地热能开发技术的顺利落实，在研究活动中，工作人员需重点攻克多分支定向井的研究技术，并对废弃井系统的取热性能加以优化改善，建立智能决策与优化系统，以便为后续地热能的高效开发利用提供有效的支持。3 结论 总而言之，废弃井热能开发在新能源技术开发、能源结构优化、如期实现双碳目标等方面有着极为重要的意义，因此结合废弃井的实际情况，选取合适的热能开发工艺，并将开发得到的热能应用于合适的场合，成为提升地热能开发利用质量的重要举措。参考文献 1 田 童 木,梁 思 成,胡 杨 琳.废 弃 油 气 井 地 热 能 开 发 系 统 概 念 模 型 研 究 J.中 国 资 源 综 合 利用,2023,41(07):86-88.中国科技期刊数据库 工业 A-102-2宋先知.废弃井地热能开发技术现状与发展建议J.石油钻探技术,2020,48(06):1-7.3刘邹炜,杨明合,黄琳.废弃井地热能开发工艺与数值模拟研究进展J.太阳能学报,2023,44(03):311-318.4 浦 海,许 军 策,卞 正 富.关 闭/废 弃 矿 井 地 热 能 开 发 利 用 研 究 现 状 与 进 展 J.煤 炭 学报,2022,47(06):2243-2269.