作者介绍
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。
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。
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。
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.
开放获取全文
www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.12.010
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