油田單井循環換熱技術的應用

李鳳名 王 東

勝利石油管理局有限公司新能源開發中心 山東東營 257000

1 地熱能概述

地熱能泛指由地球釋放出的熱能,屬于綠色、清潔能源。地震、火山噴發、地表溫泉、高溫或中溫地下水的存在,都表明在地球內部蘊含有巨大的熱能。2017年1月《地熱能開發利用“十三五”規劃》發布,地熱產業發展駛上快車道。根據相關規劃,山東省重點開發東營市地熱資源及勝利油田污水余熱資源,新增集中供暖面積1 200萬m2。勝利油田地熱資源極其豐富,可利用資源折合標煤10.82億t,是全國地熱條件最好的區域之一。

根據埋藏深度,地熱能開發方式主要有三類。

0～200 m淺層地熱資源,主要采用地埋管式地源熱泵技術[1]。地埋管式地源熱泵系統如圖1所示,優勢為技術相對成熟,運行可靠,缺點為地埋管換熱效率較低,占地面積大,后期維修不便。在東北及南方地區,由于向土壤中釋冷及熱量不平衡,這一方式無法長期使用。在密集的城市建筑區,這一方式的應用同樣受限。

圖1 地埋管式地源熱泵系統

200～3 000 m中深層地熱資源,主要采用采灌式水熱開采技術[2-3]。政策要求采出水應完全回灌,回灌工藝有待深入研究,采出水無法實現自然回灌,采用加壓回灌,則經濟效益差。另一方面,熱儲條件地區差別較大,回灌對熱儲層的影響,以及采灌井距、采灌平衡條件等問題還需要進一步研究。采灌式水熱開采如圖2所示。

圖2 采灌式水熱開采

3 000 m以下深層地熱資源,主要采用以壓裂造縫技術為主的干熱巖開采技術,目前還處于試驗研究和探索階段,成本高昂,尚未實現規模化利用。

從經濟層面考慮,選用閑置油水井作為改造對象,改造為地熱開發井,可以有效降低成本,實現清潔供暖[4]。勝利油田每年有相當數量的待報廢井,治理成本較高,其中不乏井筒條件較好但沒有開發價值的閑置井。另一方面,隨著環保政策日趨嚴格,排放不達標的燃氣鍋爐將被關停,前線偏遠站點的供暖存在一定缺口。由此可見,選用閑置油水井改造為地熱開發井,在勝利油田應用價值較高。

2 單井循環換熱供暖原理

單井循環換熱供暖系統如圖3所示,主要包括密閉井筒、隔熱保溫管、循環泵、熱泵機組。井底密封,液體在全密閉系統內循環。類似油水井反洗井過程,單井循環換熱供暖系統運行時,在套管與隔熱保溫管環空中注入冷水。冷水向下流動,被加熱升溫。當水流到井筒底部之后,進入隔熱保溫管上升,返出地面,完成循環。熱水回到地面后,通過熱泵機組繼續升溫,用于建筑供暖。冷卻之后的循環水再次進入地下,進行換熱循環。

圖3 單井循環換熱供暖系統

我國水熱型地熱資源有地域限制,關于深層地下水開發礦權問題尚存在爭議,由于對熱儲層認識不清,地熱井鉆出干井的情況時有發生。相比之下,單井循環換熱供暖系統采用全封閉循環,不采地下水,無腐蝕結垢和回灌等問題,不受地域限制,占地面積小,規模化推廣前景較好。

3 單井循環換熱技術優勢

閑置油水井井位已經固定,尋找距離用熱點近、井距合理、井筒質量較好等條件均滿足的兩口及多口井難度較大,僅尋找一口合適的井,則難度小得多。考慮到地熱尾水經濟回灌問題難以解決,為改進中深層地熱的采熱,實現取熱不取水[5],采用單井循環換熱技術。

勝利油田各采油廠均存在偏遠注采站點,由于地理位置偏遠,無法集中供暖。常用的供暖設備包括電加熱裝置、燃氣鍋爐。電加熱裝置能耗高,并且存在一定的安全隱患。燃氣鍋爐供暖,氣源普遍來自油井伴生氣,燃燒前未經過處理,可能存在排放物超標的情況。借助閑置井筒內的地熱資源,實現清潔供暖,對油田綠色企業建設起到了有力的支撐和促進作用。

4 項目情況

以勝利油田前線某注采站為例,介紹利用其周邊閑置油井進行改造,采用單井循環換熱提取地下熱量,滿足注采站內供熱需求,代替天然氣等化石能源,實現清潔供暖。

4.1 站點

該注采站采暖區域涉及辦公區、生活區等建筑設施,建成于2006年,供暖面積為1 180 m2,屬于平房建筑,保溫效果差,散熱量高。

該注采站于2016年10月對供暖管線及散熱器進行更換,末端采暖形式為鑄鐵散熱器。2017年供暖季,由于位于供氣末端,依靠燃氣鍋爐及站內空氣源熱泵共同制熱供暖,勉強達到供暖要求,能耗高。2018年供暖季,經過輸氣管線改造,站內通過燃燒天然氣供暖,氣源為外輸壓縮天然氣,氣價為3.145元/m3,供暖耗氣量約為500 m3/d,經測算,燃料成本為18.87萬元,供暖成本較高。

4.2 試驗井

試驗井是2004年部署完鉆的一口采油井,主要目的層為沙四段,完鉆井深為2 644 m。人工井底為2 624.4 m,最大井斜為1.93°,水泥返高為1 140.5 m。油層套管直徑為139.7 mm,壁厚為9.17 mm,下入深度為2 639.47 m,鋼級為N80。表層套管直徑為273.1 mm,壁厚為8.89 mm,下入深度為205.52 m。

2005年測溫資料顯示,2 502～2 505 m測溫為112.3 ℃,靜壓為19 MPa。2015年9月井筒剩余生產管柱尾管位置為1 848.65 m。試驗井內管柱現狀如圖4所示。

圖4 試驗井內管柱現狀

通過分析對比,該井具有三方面優勢。第一,距離用熱站點較近,直線距離為500 m。第二,井筒質量較好,采用厚壁套管,作業史中未發現套管變形、錯斷、卡管柱等現象。第三,地溫條件較好,平均地溫梯度為3.79 K/100m。因此選取該井作為改造對象。

4.3 供暖負荷

注采站駐地建筑均為平房建筑,根據CJJ 34—2010《城鎮供熱管網設計規范》及相關經驗數據,該站點冬季最高熱負荷為141.6 kW。

采暖熱負荷計算式為:

Qh=qhAc×10-3

(1)

式中:Qh為采暖設計熱負荷,kW;qh為采暖熱指標,W/m2;Ac為采暖建筑物建筑面積,m2。

對注采站采暖區域熱負荷進行計算統計。宿舍及辦公區建筑面積為1 010 m2,熱負荷指標為120 W/m2,供暖熱負荷為121.2 kW。衛生間、洗刷間建筑面積為170 m2,熱負荷指標為120 W/m2,供暖熱負荷為20.4 kW。建筑面積合計1 180 m2,供暖熱負荷合計141.6 kW。

4.4 供暖方案

根據工況,設計采用熱泵機組,提取地層中的熱量,作為熱源,滿足供熱需求。單井循環換熱系統工藝流程如圖5所示。這一系統可以根據室外溫度靈活調節出水溫度,在滿足集中供熱效果的同時達到最大程度的節能。

圖5 單井循環換熱系統工藝流程

5 數學模型

在確定項目方案的基礎上,論證所采用的單井循環換熱系統是否能夠滿足供熱需求,以及出口水溫隨時間的衰減情況,進一步分析項目運行過程中參數的變化情況,與地面熱泵機組相匹配。為此,建立單井循環換熱系統取熱及恢復過程的數學模型,重點分析一個采暖季進出口水溫的變化情況。

隔熱保溫管與套管環空中流動的是液體,主要的換熱方式是熱對流[6-8]。由此,數學模型主要由流體循環過程中的流動和換熱公式、地層熱能公式,以及流體、井壁、固井水泥和地層之間的熱能傳遞組成[9-11]。

隔熱保溫管中流體導熱計算式為:

(2)

(3)

(4)

式中:V1為隔熱保溫管中流體的流速;T1為隔熱保溫管中流體的溫度;S12為環空和隔熱保溫管流體之間的傳熱;T2為環空中流體的溫度;r1為隔熱保溫管內徑;r2為隔熱保溫管外徑;A1為隔熱保溫管內的流通面積;λ1為隔熱保溫管導熱系數;kL為延米換熱功率;h1為套管內壁對流換熱系數;h2為套管與地層對流換熱系數;ρ為液體密度;CP為液體比熱。

環空中流體導熱計算式為:

(5)

(6)

式中:V2為環空中流體的流速;S23為流體和套管內壁之間的換熱速率;T3為套管內壁溫度;h3為套管內壁對流換熱系數;r3為套管內徑;A3為環空面積。

地層熱能計算式為:

(7)

式中:T5為井筒周邊地層的溫度;λ5為熱儲層導熱系數;ρ5為巖石的密度;C5為巖石的比熱;r5為鉆井外半徑。

對流換熱系數采用用于單向換熱系數計算的Sieder-Tate公式,為:

Nu=0.027Re0.8Pr1/3(ηf/ηw)0.14

(8)

式中:Nu為努塞特數;Re為雷諾數;Pr為普朗特數;ηf為以流體溫度計算得出的黏度;ηw為以接觸面溫度計算得出的黏度。

流體對流換熱系數計算式為:

hf=λNu/D

(9)

式中:hf為流體對流換熱系數;λ為液體導熱系數;D為套管直徑。

設置初始條件,距離井筒100 m外的地層溫度可以認為不變,地面溫度為288.15 K。原始狀態下地層溫度計算式為:

Tr,0=Ts+z1Tg/1 000

(10)

式中:Tr,0為原始狀態下地層溫度;z1為與地面的距離;Ts為地面溫度;Tg為地溫梯度。

在計算過程中,對模型提出兩方面假設。第一,近井地層各項物性參數相同且為常數。第二,僅考慮熱儲層徑向的傳熱,忽略豎直方向的傳熱。模型為預測井筒內采出液溫度變化情況而設計,采用VB進行編程。

由于勝利油田區域內還沒有同類型工程項目,因此選取山東某地區項目,對模型計算的可靠性進行驗證。該項目采用密閉單井井內取熱,套管直徑為177.8 mm,壁厚為6.91 mm,內保溫管直徑為110 mm,壁厚為10 mm,井深為2 600 m。該工程依靠地熱井供暖面積約2萬m2,供暖溫度為45 ℃或40 ℃。通過監測該項目的運行情況,驗證模型計算的可靠性。

可靠性驗證項目實際運行情況和模擬結果對比如圖6所示。

圖6 可靠性驗證項目實際運行情況與模擬結果對比

經過實際供暖項目的驗證,模型計算數據與實際運行數據的偏差不超過10%,能夠準確反映溫度趨勢變化,證明模型可靠。

6 關鍵參數

6.1 井底深度

在實際工程建設時,要綜合權衡井深增大所帶來的換熱量增大和經濟成本增加,確定經濟合理的井深。

按照注入水溫度10 ℃、地層導熱系數3.0 W/(m·k)、套管壁導熱系數16.3 W/(m·k)、水泥導熱系數0.65 W/(m·k)、注入流速0.75 m/s、采暖季140 d,模擬第一個供暖季末出口溫度隨井深的變化情況,如圖7所示。通過分析可見,隨著井深的增大,對應的出口溫度升高,采熱功率也增大,這是因為井越深,地層溫度越高,與注入水的溫差越大,注入水吸收的熱量由此增大。井深1 500 m、2 000 m、2 500 m對應的平均采出水溫度依次為18.85 ℃、23.12 ℃、26.97 ℃。

圖7 出口溫度隨井深變化情況

本方案需要下入封隔器,并在封隔器上部打水泥塞以重建人工井底,形成密閉井筒。雖然2 500 m位置溫度較高,但井的射孔段分別位于2 098.9～2 101.5 m段、2 501.6～2 505.5 m段,改造過程中需要對射孔段進行封隔,提高了隔熱保溫管的成本,同時也給后期井筒的密閉性造成隱患。將封隔器放置在射孔段以上,在2 000 m左右位置重建人工井底,既可保證出水溫度滿足要求,位于熱泵正常工作溫度區間,又可有效降低成本及施工風險,不需要進行射孔段封堵。井筒改造方案如圖8所示。

圖8 井筒改造方案

6.2 注入流速

改造后井底深度為2 000 m,套管直徑為139.7 mm,壁厚為9.17 mm,隔熱保溫管直徑為90 mm,壁厚為10 mm,地溫梯度為3.8 K/100 m,井口注入溫度為10 ℃,供暖天數為140 d,其余時間地溫進行恢復。模擬三種注入流速情況下一個采暖季內取熱功率的變化情況,如圖9所示。

圖9 取熱功率變化情況

在注入流速為0.75 m/s的情況下,采暖季末仍能保持220 kW以上的取熱功率,能夠滿足站點的采暖需要。由于流速增大,循環泵功耗也會增大,因此循環泵的流量選取為0.75 m/s。

7 運行狀況模擬

井口注入溫度為10 ℃,流速為0.75 m/s,假設注入溫度及流速在采暖季內不變,模擬第一個采暖季內采出水溫度和取熱功率隨時間的變化情況,如圖10所示。

圖10 第一個采暖季模擬結果

根據模擬結果,取熱功率完全可以滿足站點的采暖需要。

8 項目效果

采用燃氣供暖,該站點冬季消耗天然氣約6×104m3。按照平均氣價3.145元/m3測算,供暖燃料費為18.87萬元。采用單井換熱供暖,能源消耗僅為熱泵、循環泵等設備的動力消耗,初步測算年耗電為7.61×104kW·h。按照綜合電價0.611 7元/(kW·h)計算,年運行成本為4.66萬元,節省運行成本70%以上,明顯低于燃氣供暖成本,經濟效益顯著。

和燃氣供暖對比,該站點采用單井循環換熱供暖,每年可節約標煤79.8 t,減排二氧化碳198.7 t,可以取得明顯的社會效益,并且為油田創建綠色企業做出貢獻。

截至2017年底,勝利油田累計總井數為62 652,其中廢棄井數為20 693,占比33%。2018年上半年,油田審批通過廢棄井數為577,隨著油田開發進入中后期,廢棄井數量多,每年新增待廢棄井筒千余口,整體存量較大。另一方面,各采油廠均存在較多偏遠站點,冬季供暖形勢緊張,閑置井筒中地熱資源豐富,通過開展閑置井筒地熱能開發,可以實現綠色清潔供暖,增加新的創效點,具有非常重要的意義。

9 結束語

(1) 通過實際工程驗證,模型計算數據與實際運行數據偏差不超過10%,并且能準確反映溫度趨勢變化,證明模型可靠。通過模型計算,可以為單井循環換熱供暖工程設計提供理論支撐,為方案、設備、參數選取提供依據。

(2) 通過模擬計算,確立了井底深度、注入流速等參數,并模擬了一個采暖季的出口溫度變化情況,進一步驗證了技術可行,取熱功率能夠滿足要求。

(3) 勝利油田各采油廠均存在偏遠注采站點,地理位置偏遠,無法集中供暖。借助閑置井筒內的地熱資源,實現清潔供暖,具有顯著的社會價值及經濟價值,為油田綠色企業建設提供有力支撐,可以進行規模化推廣。