【一】美國(guó)RMOTC油田伴生地?zé)岚l(fā)電先導(dǎo)性試驗(yàn)

 

  為了探索利用油田伴生地?zé)豳Y源發(fā)電在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的可行性，關(guān)國(guó)能源部RockyMountain油田研究中心(RMOTC)于2006年開(kāi)展了利用油田產(chǎn)出水進(jìn)行低溫發(fā)電的先導(dǎo)性研究項(xiàng)目。該項(xiàng)口建成了一個(gè)250kW的有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)試驗(yàn)性電站(圖1)，該電站建造在美國(guó)懷俄明州北部Teapot Dome油田Naval油藏3號(hào)區(qū)塊(NPR-3)內(nèi)。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(zhì)(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(jī)組于2008年9月投入使用，2009年2月后因故障停止運(yùn)行，此間共發(fā)電586MW·h；經(jīng)整修后于2009年9月重新啟動(dòng)，后又發(fā)電322MW·h，目前一直連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

 

  【二】華北油田中低溫伴生地?zé)岚l(fā)電

 

  華北油田具有豐富的中低溫伴生和非伴生地?zé)豳Y源，為了有效開(kāi)發(fā)和利用這一清潔能源，大批專家學(xué)者從多方而進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。2011年華北油田建成了中國(guó)第一臺(tái)(世界第二臺(tái))400kW油田中低溫伴生地?zé)岚l(fā)電站。該示范性地?zé)岚l(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(kāi)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(gè)階段。截止2009年10月底，油藏總井?dāng)?shù)27口，目前正常生產(chǎn)井6口。

 

  在留北地?zé)?/a>發(fā)電可行性研究過(guò)程中，Xin和Gong等進(jìn)行了大量相關(guān)的理論與工程研究，例如大排量提液、回注以及熱儲(chǔ)溫度變化等方而的數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在大量早期研究基礎(chǔ)上，于2011年建成的留北地?zé)?/a>發(fā)電示范系統(tǒng)并成功并網(wǎng)發(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)等有關(guān)設(shè)備如圖2所示。該示范性中低溫油田伴生地?zé)岚l(fā)電站長(zhǎng)期運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可望應(yīng)用于其他油田區(qū)地?zé)崮?/a>的發(fā)電。

  總的來(lái)說(shuō)，美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本、意大利、英國(guó)等國(guó)家已經(jīng)掌握了中低溫地?zé)岚l(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，已進(jìn)入實(shí)際開(kāi)發(fā)利用階段，并取得了較好的效果。中國(guó)目前也開(kāi)始了中低溫地?zé)岚l(fā)電方而的相關(guān)研究，已經(jīng)取得了多項(xiàng)重要的進(jìn)展，不過(guò)仍然有許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有待解決。

 

  【三】油田伴生地?zé)岚l(fā)電的可行性

 

  如前所述，利用油田伴生中低溫地?zé)豳Y源發(fā)電，與太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電相比具有穩(wěn)定性好、電站運(yùn)行效率高的優(yōu)點(diǎn)；與常規(guī)中低溫和EGS發(fā)電相比，具有成本低等優(yōu)勢(shì)。國(guó)外中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)比較成熟，已有較多的成功實(shí)例。例如，關(guān)國(guó)阿拉斯加Chena電站，該電站位于關(guān)國(guó)阿拉斯加州Fairbanks市，于2006年7月開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電，其地?zé)崃黧w的溫度僅為74.0℃，是目前國(guó)際上地?zé)?/a>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(yùn)行將近6年。利用油田伴生中低溫地?zé)豳Y源發(fā)電目前受到國(guó)際上的高度重視，美國(guó)能源部已經(jīng)有一個(gè)這樣的電站(RMOTC)成功運(yùn)行一年以上，其油井產(chǎn)出液體的井口溫度約76.6℃，設(shè)計(jì)功率250kW，實(shí)際發(fā)電功率約為180kW。以上這些實(shí)例說(shuō)明，利用油田伴生中低溫地?zé)豳Y源發(fā)電在技術(shù)上是可行的。

 

  假設(shè)地?zé)?/a>資源溫度120℃，出口溫度35℃，根據(jù)計(jì)算，日產(chǎn)水量35000m3時(shí)的發(fā)電功率達(dá)11.7MW，可以將發(fā)電功率定為l0MW，其設(shè)備總投資約1.36億元，設(shè)備投資回收期約為3年。對(duì)于l0MW的裝機(jī)容量，安裝方式可以采用固定方式，其他有關(guān)計(jì)算和參數(shù)總結(jié)如表1所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于10MW的裝機(jī)容量，投資回收期很短，效益非?？捎^。根據(jù)研究，油田伴生地?zé)豳Y源溫度為120℃左右時(shí)，利用產(chǎn)出水地?zé)岚l(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(shuō)明在經(jīng)濟(jì)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?zé)峋?/a>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?zé)崽?/a>的低。由于上述因素，油井產(chǎn)油量的經(jīng)濟(jì)下限可以小于l0t/d，但是，對(duì)于常規(guī)地?zé)峋?/a>來(lái)說(shuō)，這樣的產(chǎn)量幾乎沒(méi)有任何經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這可能是一般情況下油井的產(chǎn)液量比地?zé)峋?/a>的小很多的原因。因此，如果要在井口高效開(kāi)發(fā)和利用油田伴生地?zé)豳Y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(jìn)行油田伴生地?zé)?a href="http://mhkwt.com/t/資源.html" >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(wèn)題是：提液是否對(duì)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?yàn)?a href="http://mhkwt.com/t/開(kāi)發(fā).html" >開(kāi)發(fā)和利用伴生地?zé)?a href="http://mhkwt.com/t/資源.html" >資源而影響原油生產(chǎn)，造成產(chǎn)油量下降，這顯然無(wú)法接受。值得慶幸的是，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在一定范圍內(nèi)增加產(chǎn)液量和回注速度可以增加油的產(chǎn)量，而且熱儲(chǔ)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(jié)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)多產(chǎn)油、多采熱、熱儲(chǔ)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(jìn)行發(fā)電，然后，剩余的低溫熱能還可以用來(lái)進(jìn)行原油管道伴輸。這樣，油井或油田同時(shí)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(guān)鍵在于提高產(chǎn)液量的措施和控制熱儲(chǔ)溫度的遞減率小于1℃。目前的主要方法如下：對(duì)于碳酸鹽巖和砂巖油藏，可以采用酸化壓裂或壓裂；對(duì)于特高含水或者已經(jīng)廢棄的油田，可以采用亞燃燒技術(shù)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?zé)岚l(fā)電與綜合應(yīng)用展望

 

  隨著時(shí)間的推移，地球上的人口將越來(lái)越多，而地球上的化石能源顯然是有限的。毫無(wú)疑問(wèn)，如果不大力開(kāi)發(fā)新的、清潔的可再生能源，化石能源無(wú)法滿足未來(lái)人類對(duì)能源的巨大需求。2012年8月，關(guān)國(guó)軍事工程與支持中心(US Army Engineeringand Support Center)已經(jīng)公開(kāi)開(kāi)始招標(biāo)購(gòu)買可再生能源，其中包括地?zé)岚l(fā)電，標(biāo)的達(dá)70億美元，這充分說(shuō)明美國(guó)政府及軍方對(duì)清潔的、可再生低碳能源的高度重視。

 

  隨著中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)以及油田熱儲(chǔ)工程方法的快速進(jìn)步，在化石能源日趨短缺和對(duì)外石油依存度越來(lái)越大的情況下，面對(duì)中國(guó)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(kāi)發(fā)利用油田伴生地?zé)崮?/a>取代正在消耗的化石能源不但可行而且具有廣闊的市場(chǎng)，不僅具有環(huán)境保護(hù)等方而的社會(huì)效益，而且具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

 

  總的來(lái)說(shuō)，由于資源豐富、需求巨大、技術(shù)基本成熟等優(yōu)勢(shì)，油田伴生地?zé)岚l(fā)電與綜合應(yīng)用在不久的將來(lái)呈現(xiàn)大規(guī)模、跨越式的發(fā)展。