中国石油大学(北京)芮振华团队:二氧化碳地热储能与地质利用封存一体化方法!Engineering封底文章202311


中国石油大学(北京)芮振华团队:二氧化碳地热储能与地质利用封存一体化方法!Engineering封底文章202311

作者介绍

中国石油大学(北京)芮振华团队:二氧化碳地热储能与地质利用封存一体化方法!Engineering封底文章202311

芮振华,中国石油大学(北京)教授,国家级领军人才,国际石油工程师协会杰出会员,兼任油气资源与探测国家重点实验室副主任、碳中和未来技术学院副院长、碳储科学与工程专业负责人、CCUS研究中心副主任。专注CO2提采与封存一体化、油气勘探-开发-工程一体化等方向。荣获SPE国际技术奖、SPE国际杰出服务贡献奖、SPE杰出会员、Albert Nelson成就奖等国际奖项等。


中国石油大学(北京)芮振华团队:二氧化碳地热储能与地质利用封存一体化方法!Engineering封底文章202311

刘月亮,中国石油大学(北京)教授,博士生导师,国家优秀青年科学基金获得者,专注CO2提高采收率与地质封存协同理论及技术和CO2快速矿化方法及技术等。获省部级科技进步一等奖2项,SPE亚太区油气可持续开发技术奖等国际奖6项。


地热储能在封存容量和封存周期上比其他储能方式更具潜力。CO2由于其优越的热力学属性而被视为一种极具潜力的储能介质。与地层盐水相比,CO2有三大特点:①CO2矿物溶解程度比地层盐水小,可大幅降低管道或设备结垢的可能;②CO2粘度比地层盐水低,可大幅减少储层岩石的压力损失;③CO2比液态水更易压缩,可产生热虹吸,降低了对循环泵的严格要求。因此,CO2拥有比地层盐水更好的换热效率。此外,利用CO2进行地热储能也可通过将CO2封存于地质体中来降低大气CO2的排放。中国石油大学(北京)芮振华教授团队提出了一种CO2地热储能和地质利用封存一体化方法:CO2首先被注入到深部地热层中进行能量汲取。高能CO2进而被注入到目标油藏中进行驱油利用,从深部地热层汲取的热量可大幅降低原油粘度,提高原油流动性,进而提高原油采收率。开发末期,油藏地质体可作为一种封闭空间用于中浅层地热储能,同时实现CO2长期地质封存。结果表明,随着高能CO2的注入,目标油藏的平均温度大幅提高。在地热能协助下,提高了CO2在油藏地质体中的波及体积,驱油效率也相应提高了10.1%。根据CO2场地封存潜力评估,CO2注入110年后,地质体的利用率高达91.2%,CO2最终封存容量高达9.529×108 t。经过1000年地质封存,超临界态CO2封存占主导地位,其次是液相CO2,然后是矿物相CO2。此外,由于残余油的存在,溶解态CO2的封存容量随封存时间显著增加。更重要的是,CO2在大规模地热储能方面表现优异,如在所研究的地质体中储存的总能量每年可为超过3500万个家庭提供电力供应。


中国石油大学(北京)芮振华团队:二氧化碳地热储能与地质利用封存一体化方法!Engineering封底文章202311

图1. 二氧化碳地热储能与地质利用封存一体化方法示意图(来自《Engineering》2023年11月刊封底)


作者建立了一个三维(3D)井筒-油藏耦合模型。图2给出了井筒-油藏耦合模型的纵剖面,该模型使用不同的控制方程来计算井筒和油藏中的流体相行为。井筒采用一维两相动量方程,油藏采用三维多相达西定律。整个地层厚度为2.02 km,其中底部为地热层,厚度100 m,深度3.52 km;顶部为油藏,厚度20 m,深度1.5 km。在模型中定义了反“9点”井网的一组注采井,以完成所需的模拟工作。基于对称原理,对井网1/4区域进行了模拟,横向边界考虑了固定温度和压力的狄利克雷条件。半解析用于计算井筒与地层之间的热交换。流体通过200 m的水平井在地热层中加热,然后沿着2 km长的直井注入油藏。CO2和烃组分在气相和油相中的溶解度利用Peng-Robinson (PR)状态方程通过闪蒸计算得出,CO2在水相中的溶解度采用Henry定律计算。


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图2. 井筒-油藏耦合模型纵剖面


作者对目标储层采用了10年交替注入CO2和水的方法进行开发。在第一个(即0–2.5年)和第三个(即5.0–7.5年)2.5年期间,进行CO2注入。在第二个(即2.5–5.0年)和第四个(即7.5–10.0年)2.5年期间进行注水,以提高注入流体的波及体积,增强地热层的传热能力。经过10年的交替注入周期,连续注入CO2 100年,用于CO2封存和地热储能。


作者对本次模拟采用了三种情形:情形一,先将CO2或水注入地热层进行取热,再将高能CO2注入目标地质储层进行CO2利用,即提高原油采收率;情形二,直接向目标储层注入CO2或水进行驱油;情形三,假设目标油藏枯竭,注入二氧化碳封存100年,在二氧化碳封存的同时,地热能也储存在二氧化碳介质中。


主要结论



(1) 地面CO2注入地热层后,平均温度提升至341.75 K。注入高能CO2 2.5年后,目标储层平均温度大幅提升,目标储层平均压力升高至25.1–47.7 MPa,有利于CO2高效利用和地热储能。

(2)将地热能引入目标储层后,提升了CO2在储层流体中的溶解度,降低了原油粘度,提高了原油流动性,有利于CO2驱替微孔隙中的原油,同时提高油藏地质体对CO2的封存容量。因此,目标储层中的封闭空间成为未来大规模CO2封存和地热储能的适宜场所。

(3)注入CO2 110年时,地质体利用效率达到91.2%,现场最终注入CO2量高达9.529×108 t。经过1000年的固存,CO2主要以超临界CO2的形式存在,占总CO2的70%;其次是液态的CO2,然后是矿化相的CO2

(4) CO2可以作为一种合适的地热储能介质,从深层地热层中提取热量,然后将提取的热量有效地储存在目标储层中。CO2注入100年后,可在CO2中储存高达2.46×108 GJ的地热能,可为超过3500万个普通家庭提供每年的电力供应。


总结



二氧化碳地热储能与地质利用封存一体化方法考虑热质传递机制,明确了CO2提高原油采收率-地质封存-地热储能协同耦合机理,建立了以CO2为介质的提高原油采收率与封存储能一体化模拟方法,验证了CO2提采-封存-储能协同耦合的可行性,为CO2高效地质利用提供了新的路径,实现油气采收率提高10.1%,储层利用率提高31%,每百万吨CO2储能达到2.60×106 MJ,该方法可为保障国家能源战略安全、实现绿色低碳可再生能源高效开发和我国“双碳”目标提供启发。

文章信息:

An Integrated Framework for Geothermal Energy Storage with CO2 Sequestration and Utilization

地热能储存与CO2封存和利用的一体化框架

作者:

刘月亮, 胡婷, 芮振华, 张政, 都凯, 杨涛, Birol Dindoruk, Erling Halfdan Stenby, Farshid Torabi, Andrey Afanasyevc

论文链接:

https://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.12.010

http://doi.org/10.1016/j.eng.2022.12.010

引用:

Yueliang Liu,Ting Hu,Zhenhua Rui,Zheng Zhang,Kai Du,Tao Yang,Birol Dindoruk,Erling Halfdan Stenby,Farshid Torabi,Andrey Afanasyev.An Integrated Framework for Geothermal Energy Storage with CO2 Sequestration and Utilization[J].Engineering,2023,30(11):121-130.

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开放获取全文


www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.12.010

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