【一】美國RMOTC油田伴生地熱發(fā)電先導性試驗

 

  為了探索利用油田伴生地熱資源發(fā)電在技術、經(jīng)濟等方面的可行性，關國能源部RockyMountain油田研究中心(RMOTC)于2006年開展了利用油田產(chǎn)出水進行低溫發(fā)電的先導性研究項目。該項口建成了一個250kW的有機朗肯循環(huán)(ORC)試驗性電站(圖1)，該電站建造在美國懷俄明州北部Teapot Dome油田Naval油藏3號區(qū)塊(NPR-3)內。該電站利用平均溫度90.6-98.9℃油田產(chǎn)出水的熱能發(fā)電，日產(chǎn)液量40000桶/d，采用雙工質(異戊烷)方式發(fā)電，其總發(fā)電量180kW（凈發(fā)電量132kW），冷卻方式為空冷系統(tǒng)。該機組于2008年9月投入使用，2009年2月后因故障停止運行，此間共發(fā)電586MW·h；經(jīng)整修后于2009年9月重新啟動，后又發(fā)電322MW·h，目前一直連續(xù)穩(wěn)定運行。

 

  【二】華北油田中低溫伴生地熱發(fā)電

 

  華北油田具有豐富的中低溫伴生和非伴生地熱資源，為了有效開發(fā)和利用這一清潔能源，大批專家學者從多方而進行了比較系統(tǒng)的研究。2011年華北油田建成了中國第一臺(世界第二臺)400kW油田中低溫伴生地熱發(fā)電站。該示范性地熱發(fā)電系統(tǒng)位于華北的留北油田，該油田屬于潛山油藏，于1978年6月投入開發(fā)，同年10月注水。經(jīng)歷了產(chǎn)量上升、產(chǎn)量快速遞減和產(chǎn)量緩慢遞減三個階段。截止2009年10月底，油藏總井數(shù)27口，目前正常生產(chǎn)井6口。

 

  在留北地熱發(fā)電可行性研究過程中，Xin和Gong等進行了大量相關的理論與工程研究，例如大排量提液、回注以及熱儲溫度變化等方而的數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗。在大量早期研究基礎上，于2011年建成的留北地熱發(fā)電示范系統(tǒng)并成功并網(wǎng)發(fā)電，發(fā)動機等有關設備如圖2所示。該示范性中低溫油田伴生地熱發(fā)電站長期運行的相關技術和經(jīng)驗可望應用于其他油田區(qū)地熱能的發(fā)電。

 

  總的來說，美國、法國、德國、日本、意大利、英國等國家已經(jīng)掌握了中低溫地熱發(fā)電的關鍵技術，已進入實際開發(fā)利用階段，并取得了較好的效果。中國目前也開始了中低溫地熱發(fā)電方而的相關研究，已經(jīng)取得了多項重要的進展，不過仍然有許多關鍵技術問題有待解決。

 

  【三】油田伴生地熱發(fā)電的可行性

 

  如前所述，利用油田伴生中低溫地熱資源發(fā)電，與太陽能、風能發(fā)電相比具有穩(wěn)定性好、電站運行效率高的優(yōu)點；與常規(guī)中低溫和EGS發(fā)電相比，具有成本低等優(yōu)勢。國外中低溫地熱發(fā)電技術比較成熟，已有較多的成功實例。例如，關國阿拉斯加Chena電站，該電站位于關國阿拉斯加州Fairbanks市，于2006年7月開始并網(wǎng)發(fā)電，其地熱流體的溫度僅為74.0℃，是目前國際上地熱資源溫度最低的商業(yè)發(fā)電站之一；電站總安裝功率200kW，發(fā)電成本約0.5元/(kW·h)，到目前為止已經(jīng)成功運行將近6年。利用油田伴生中低溫地熱資源發(fā)電目前受到國際上的高度重視，美國能源部已經(jīng)有一個這樣的電站(RMOTC)成功運行一年以上，其油井產(chǎn)出液體的井口溫度約76.6℃，設計功率250kW，實際發(fā)電功率約為180kW。以上這些實例說明，利用油田伴生中低溫地熱資源發(fā)電在技術上是可行的。

 

  假設地熱資源溫度120℃，出口溫度35℃，根據(jù)計算，日產(chǎn)水量35000m3時的發(fā)電功率達11.7MW，可以將發(fā)電功率定為l0MW，其設備總投資約1.36億元，設備投資回收期約為3年。對于l0MW的裝機容量，安裝方式可以采用固定方式，其他有關計算和參數(shù)總結如表1所示。可以看出，對于10MW的裝機容量，投資回收期很短，效益非常可觀。根據(jù)研究，油田伴生地熱資源溫度為120℃左右時，利用產(chǎn)出水地熱發(fā)電的投資回收期大部分情況下在3-5年之間，具體取決于日產(chǎn)水量、發(fā)電規(guī)模等，這說明在經(jīng)濟上也是可行的。

 

  【四】高效油熱電聯(lián)產(chǎn)方法

 

  油井與常規(guī)地熱井的主要差別之一是單井控制的能量(即能量密度)的不同，油田的能量密度高，而地熱田的低。由于上述因素，油井產(chǎn)油量的經(jīng)濟下限可以小于l0t/d，但是，對于常規(guī)地熱井來說，這樣的產(chǎn)量幾乎沒有任何經(jīng)濟價值，這可能是一般情況下油井的產(chǎn)液量比地熱井的小很多的原因。因此，如果要在井口高效開發(fā)和利用油田伴生地熱資源，首先需要提高油井的產(chǎn)液量或產(chǎn)液速度(“提液”措施)，這樣，一方而能夠提高采熱的速度，另外一方而也可以減少沿井筒的熱損失。即使在集液站進行油田伴生地熱資源的利用，提液措施也是有利的，可以減少沿井筒的熱損失。問題是：提液是否對原油的生產(chǎn)有利？石油公司的主業(yè)是原油生產(chǎn)，如果因為開發(fā)和利用伴生地熱資源而影響原油生產(chǎn)，造成產(chǎn)油量下降，這顯然無法接受。值得慶幸的是，根據(jù)數(shù)值模擬結果，在一定范圍內增加產(chǎn)液量和回注速度可以增加油的產(chǎn)量，而且熱儲溫度的下降和含水率增加的幅度并不是很大。根據(jù)模擬結果及其他研究成果，提出了“高效油熱電聯(lián)產(chǎn)方法”：在熱儲溫度遞減率控制在小于1℃的條件下，采用多種措施盡可能大幅度提高油井或油藏的產(chǎn)液量，從而實現(xiàn)多產(chǎn)油、多采熱、熱儲溫度和油田含水率基本穩(wěn)定。采出的熱能可以在井口或集液站進行發(fā)電，然后，剩余的低溫熱能還可以用來進行原油管道伴輸。這樣，油井或油田同時高效產(chǎn)油、采熱、發(fā)電，即“高效油熱電聯(lián)產(chǎn)方法”。該方法的關鍵在于提高產(chǎn)液量的措施和控制熱儲溫度的遞減率小于1℃。目前的主要方法如下：對于碳酸鹽巖和砂巖油藏，可以采用酸化壓裂或壓裂；對于特高含水或者已經(jīng)廢棄的油田，可以采用亞燃燒技術注入高能流體(包括催化劑等)使油層溫度大幅度提高，從而降低原油粘度，提高原油產(chǎn)量以及產(chǎn)液量。

 

  【五】油田伴生地熱發(fā)電與綜合應用展望

 

  隨著時間的推移，地球上的人口將越來越多，而地球上的化石能源顯然是有限的。毫無疑問，如果不大力開發(fā)新的、清潔的可再生能源，化石能源無法滿足未來人類對能源的巨大需求。2012年8月，關國軍事工程與支持中心(US Army Engineeringand Support Center)已經(jīng)公開開始招標購買可再生能源，其中包括地熱發(fā)電，標的達70億美元，這充分說明美國政府及軍方對清潔的、可再生低碳能源的高度重視。

 

  隨著中低溫地熱發(fā)電技術以及油田熱儲工程方法的快速進步，在化石能源日趨短缺和對外石油依存度越來越大的情況下，面對中國油田區(qū)口前巨大的化石能源消耗，尤其是原油管道輸送加熱，每年需燃燒數(shù)十億立方米的天然氣，大規(guī)模、大幅度高效開發(fā)利用油田伴生地熱能取代正在消耗的化石能源不但可行而且具有廣闊的市場，不僅具有環(huán)境保護等方而的社會效益，而且具有巨大的經(jīng)濟效益。

 

  總的來說，由于資源豐富、需求巨大、技術基本成熟等優(yōu)勢，油田伴生地熱發(fā)電與綜合應用在不久的將來呈現(xiàn)大規(guī)模、跨越式的發(fā)展。