CO2羽流地熱系統(tǒng)開采特性研究進展及展望

周 倩, 王富強, 鄒立帆, 華 杉, 鄒 璇, 柯 立, 劉紅衛(wèi)

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 武漢 430051; 2.湖北省地熱能研究推廣中心,湖北 武漢 430051;3.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430051; 4.中國冶金地質(zhì)總局 中南地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430081)

當今社會主要依賴化石能源,隨著能源需求的增加,全球范圍化石能源短缺問題日益凸顯,大量化石能源的引發(fā)導致空氣中CO2含量逐年遞增,由此導致的氣候變化日益加劇,生態(tài)環(huán)境惡化不可忽視。面對嚴峻的能源形勢和環(huán)境問題,尋找清潔可再生能源顯得尤為重要。在眾多可再生能源中,地熱能是儲存于地層巖層或流體中的一種可再生清潔能源,可以用于發(fā)電或直接供熱,同時避免CO2的大量排放[1-3]。相較于其他類型可再生能源,如風能和太陽能,地熱能不會出現(xiàn)周期性波動,供能穩(wěn)定、連續(xù),正成為能源行業(yè)的熱點[2,4]。

目前實際應用中,深部地熱能開發(fā)主要采用增強型地熱系統(tǒng)(Enhanced geothermal systems,EGS),也被稱為工程型地熱系統(tǒng),主要應用在低滲儲層或者干熱巖中提取地熱能[5-6]。該類型地熱儲層滲透性較差,換熱介質(zhì)無法在其中連通流動,因此在地熱開采前需要采取人工方法來提高儲層滲透性能,以保證換熱介質(zhì)能夠在注入井和生產(chǎn)井之間正常流動[7]。根據(jù)裂隙分布情況,地熱儲層可分為兩種:一種是無裂隙的致密儲層,需要注入流體在儲層中產(chǎn)生出新的裂隙;另一種是存在少許裂隙的儲層,在注入流體后,會在原有裂隙的基礎(chǔ)上進一步擴大裂隙空間[8]。一般來說,增強型地熱系統(tǒng)將水作為換熱介質(zhì),水注入到儲層后,通過水力壓裂方法在巖層中打開新的裂隙或者將原有裂隙擴大,形成完整流動通道,注入的水跟儲層接觸加熱升溫,再利用生產(chǎn)井將熱水或蒸汽進行抽提以利用地熱能[1-2,9]。

但通過水力壓裂注液來增大巖層裂縫、提高巖層滲透性的方法會導致地震等地質(zhì)災害[4]。截至目前,韓國浦項市(Pohang)發(fā)生的5.4級地震是與增強型地熱系統(tǒng)相關(guān)的最強地震[10]。且人工熱儲的體積有限,限制了系統(tǒng)地熱開采的規(guī)模;在以水為換熱介質(zhì)進行地熱開采時,也會對地下水水質(zhì)造成影響。

除水之外,CO2作為換熱介質(zhì)提取地熱的方法越來越受到關(guān)注,CO2良好的流動性和熱力學性質(zhì)可以提高開采收益,同時CO2的使用也可以使多余的CO2得到處置,降低空氣中CO2含量,緩解溫室效應。CO2作為換熱介質(zhì)的優(yōu)點主要有4點:①相較于水,CO2具有更小的運動黏度,流體流動性更好,這使得CO2在儲層中有更高效的熱平流。②實際地層中,儲層深度越大內(nèi)部溫度越高,CO2密度隨著溫度變化更大,即不同深度、不同溫度情況下CO2密度差更為明顯,所產(chǎn)生的熱虹吸效應使得在地層溫度較低時能產(chǎn)生更大的壓力梯度,降低系統(tǒng)運行過程中CO2流體注入的泵送需求,及系統(tǒng)運行的成本。Adams et al.[11]通過模擬,對比了CO2和水作為換熱介質(zhì)進行地熱開采的發(fā)電效能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在某些情況下,CO2自身運動黏度低和強熱虹吸現(xiàn)象使得其發(fā)電效能是水的2倍,在較低的儲層深度和滲透率下,CO2作為換熱介質(zhì)可以提取更多熱能;在相對較淺、溫度較低的儲層中,CO2的儲層壓力損失和泵送需求更小。③在使用CO2作為換熱介質(zhì)注入到儲層后,可以將注入的CO2固存到儲層中進行地質(zhì)封存,提高地熱開采的環(huán)境效益[12]。④在使用水作為換熱介質(zhì)時,需要使用較高溫度的水來避免礦物溶解或沉淀,而CO2與礦物的反應較弱,可以用與室溫相近溫度的CO2進行注入,將會大大降低其經(jīng)濟成本[13]。

以CO2作為換熱介質(zhì)的地熱系統(tǒng)可以分為CO2增強型地熱系統(tǒng)和CO2羽流地熱系統(tǒng)。其中CO2增強型地熱系統(tǒng)仍舊無法避免通過壓裂方法增強其滲透性的過程,存在發(fā)生地震活動等地質(zhì)災害的可能。因此近年來,因不需要進行地層壓裂,CO2羽流地熱系統(tǒng)逐漸受到各方的關(guān)注,但目前關(guān)于CO2羽流地熱系統(tǒng)研究較少,綜合認知不夠。本文旨在闡述CO2羽流地熱系統(tǒng)研究進展,介紹CO2羽流地熱系統(tǒng),論述其運行的影響因素和環(huán)境效應,并展望其發(fā)展趨勢,以期為本研究方向的發(fā)展提供借鑒。

1 CO2羽流地熱系統(tǒng)

CO2羽流地熱系統(tǒng)(CO2-plume geothermal systems,CPGS)是將空氣中現(xiàn)存或工業(yè)排放的CO2直接收集作為氣源,注入到地下深部、滲透性較好的地熱儲層中,在注入過程中CO2作為換熱介質(zhì),對儲層中原有流體(如鹵水)進行驅(qū)替,占據(jù)儲層空間,在此基礎(chǔ)上與儲層中的高溫巖體進行熱量交換,對CO2流體加熱升溫,而后被加熱的部分CO2通過生產(chǎn)井輸送至地表[11,14-16],或通過膨脹裝置連接到發(fā)電機進行發(fā)電,或通過熱交換器為其他流體進行加熱,或直接利用CO2進行供熱。

CO2羽流地熱系統(tǒng)中部分CO2被抽提進行地熱交換后,會再次注入到儲層中,利用儲層滲透性較好(而儲層上部和下部的巖層滲透性較差),形成對CO2的圈閉,系統(tǒng)運行結(jié)束后,CO2會被固存在地熱儲層中,進行地質(zhì)封存,因此CO2羽流地熱系統(tǒng)也是碳捕獲、利用與封存系統(tǒng)(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)的一部分[17]。

目前,全球共有65個CO2地質(zhì)封存項目,其中26個項目正在運行,每年的CO2封存量預計可達4 000萬t?？稍贑O2地質(zhì)封存設(shè)施的基礎(chǔ)上建立一個由CO2驅(qū)動的地熱發(fā)電廠,以拓寬電網(wǎng)規(guī)模。其中地熱發(fā)電廠分為直接和間接(雙工質(zhì)發(fā)電)兩種系統(tǒng),直接系統(tǒng)是通過渦輪機械來進行發(fā)電,適用于注入井和抽出井壓差較大的情況;間接系統(tǒng)是從高溫CO2流體中提取熱量,驅(qū)動二次朗肯循環(huán),適用于初次產(chǎn)出流體和注入井之間壓差較小、且抽出的流體與地表溫度溫差較大的情況。

CO2羽流地熱系統(tǒng)與CO2增強型地熱系統(tǒng)都是使用CO2作為換熱介質(zhì),但兩者的區(qū)別主要在于適用的儲層類型不同,即儲層深度和儲層滲透性的不同。其中CO2羽流地熱系統(tǒng)適用深度在1～4 km、溫度低于100℃的淺層低溫、高滲透性和高孔隙度儲層,在系統(tǒng)運行前不需要提高儲層滲透性,避免了可能產(chǎn)生的地震活動;同時,在高滲透性的儲層中CO2流動性更好、運移更迅速,更容易產(chǎn)生強熱虹吸效應,更好地體現(xiàn)了CO2作為換熱介質(zhì)的優(yōu)勢[5]。

2 影響因素

CO2羽流地熱系統(tǒng)的地熱提取效率受到多方面因素的影響,包括儲層地質(zhì)條件、井筒設(shè)置以及CO2注入方式等,前人針對其影響因素進行了大量模擬研究,以確定更經(jīng)濟高效的系統(tǒng)運行條件。

2.1 儲層地質(zhì)條件

儲層地質(zhì)條件對于地熱開采的影響至關(guān)重要,可使不同儲層的采熱效率差別明顯,其中包括熱儲溫度、儲層壓力、儲層滲透性、儲層非均質(zhì)性、儲層流體性質(zhì)、巖石比熱容以及熱補償效應。

熱儲溫度是地熱開采中選擇儲層時首先需要考慮的地質(zhì)因素。高溫地熱儲層具有較高的可開采熱量和能量品質(zhì),可以明顯提高CO2溫度和地熱提取量,提高地熱采收效率。相較于儲層壓力和儲層滲透性,熱儲溫度對地熱采收效率的影響更為明顯。但當?shù)蜏谻O2注入時會造成熱儲溫度的下降,系統(tǒng)運行后期的穩(wěn)定性會明顯變差[16,18]。

儲層壓力與地熱提取率呈現(xiàn)弱負相關(guān)關(guān)系。在儲層壓力較高的情況下,CO2需要注入更高的壓力,并且注入壓力要比儲層壓力升高幅度更大。壓力升高會增強CO2在儲層中的流動性,加強CO2與地熱儲層的傳熱過程;但是隨著壓力的升高,CO2焓值的下降,導致生產(chǎn)井提取CO2的熱量下降,在兩者疊加作用下地熱提取總量會呈現(xiàn)略微下降的趨勢。

儲層滲透性決定了CO2在儲層中的流動能力,滲透率越大,CO2在儲層中的流動性越強,越能更快地達到地熱提取峰值,提高地熱提取率;但同時會更早地進入地熱提取衰減階段,削弱地熱系統(tǒng)穩(wěn)定性,縮短地熱系統(tǒng)運行壽命[19]。在高滲透性儲層中,CO2更快的流動性使得其與地熱儲層的接觸減少,生產(chǎn)井抽提的CO2溫度也會相對更低,使得地熱凈提取量略微降低[18]。

儲層非均質(zhì)性會造成熱儲滲透率的異質(zhì)性,從而影響地熱開采。優(yōu)勢通道或高滲透性區(qū)域會加快CO2的流動過程和產(chǎn)出進程,但也會削弱CO2與地熱儲層的傳熱程度,使其過早地達到高峰,然后迅速下降;而在低滲透性區(qū)域,較差的流動性會使得采熱過程長期處于較低的產(chǎn)出階段,難以實現(xiàn)地熱的高效提取[20]。在實際工程中應充分考慮儲層非均質(zhì)性對系統(tǒng)地熱開采的影響。

儲層中原有流體會在注入初期被CO2驅(qū)替,進而限制CO2的流動性,其中常見流體為鹽水。CO2驅(qū)替鹽水的過程主要集中在注入前期,其影響取決于鹽水濃度,當鹽水濃度較高時,自身流動性變?nèi)?在驅(qū)替過程中會限制CO2的流動性,使得初期CO2地熱提取效果較差。

與鹽水濃度相反,儲層巖石比熱容的影響在CO2驅(qū)替鹽水之后。巖石比熱容高的巖層可以在其與CO2接觸后傳遞出更多熱量,提高CO2溫度,以此來提高CO2的地熱提取效果。

除熱儲層自身特征外,儲層上下側(cè)也會通過熱量傳遞的方式對儲層進行熱補償,而熱補償效應在一定程度上可以提升地熱提取率。在CO2羽流地熱系統(tǒng)運行過程中,低溫的CO2會使熱儲溫度逐漸下降,但是熱儲的上下側(cè)巖層的熱傳導會補充儲層中的熱量[21]。熱補償作用可以減小儲層內(nèi)部豎直方向上的溫度差異,延緩運行后期儲層內(nèi)部溫度下降的趨勢,從而延長地熱采收系統(tǒng)的壽命,同時提高地熱采收效率、地熱開采總量以及系統(tǒng)運行穩(wěn)定性[22-23]。同時因為熱補償效應使得后期儲層溫度更高,CO2自身流動性更好,一定程度上促進了CO2產(chǎn)熱量的提高。但熱補償效應也會受到地層因素的影響,主要包括地層導熱性和巖石比熱容。地層導熱性能較強時可以加快其余地層對儲層熱傳導速率,增強熱補償效應;巖石比熱容較大時可以使得熱補償總量增加,進一步延緩地層自身溫度下降,保證更多熱量能夠補充到儲層中。

2.2 井筒設(shè)置

注入井和生產(chǎn)井的設(shè)置會對地熱采收過程產(chǎn)生影響,主要包括井筒材料特征和布井方式設(shè)置。

井筒使用的若不是絕對隔熱的材料,材料的導熱性能會影響CO2對地熱的提取效率。井筒內(nèi)的溫度在安裝初期接近地表溫度,低于熱儲溫度,當生產(chǎn)井提取CO2時,高溫的CO2需要對井筒進行加熱升溫。Randolph et al.[15]模擬了CO2羽流地熱系統(tǒng)中的傳熱過程,結(jié)果表明在生產(chǎn)井開始提取CO2的前期,因為CO2會對井筒進行加熱升溫,降低了提取CO2的溫度,因此系統(tǒng)運行初期產(chǎn)出的熱量較少。除此之外,在井筒安裝過程中會穿過多個地層,當穿過高滲透性含水層時,流動的地下水會降低井筒溫度,從而降低井筒內(nèi)部CO2的溫度,因此井筒自身傳熱過程不可忽略,隔熱性較好的井筒材料可以有效減緩CO2熱量散失,提高地熱采收效率。

井筒直徑可主要影響CO2在儲層中的流動過程。直徑增大可以加快CO2的流動,提高生產(chǎn)井的流量,但是流通速度過快也會降低CO2與地熱儲層的有效接觸程度,進而降低生產(chǎn)井中CO2的溫度。前人研究發(fā)現(xiàn)井筒直徑增大與采熱量之間不是單一變化的關(guān)系,隨著井筒直徑增大地熱凈提取量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢[18]。因此在系統(tǒng)運行中,需要根據(jù)實際場地條件,尋找最佳井筒直徑以便于實現(xiàn)最佳取熱效果。

井筒粗糙度對地熱提取有一定的影響。粗糙的井壁會降低CO2的流動性,減慢CO2流速,最終減小生產(chǎn)井提取CO2的流量;但流速減慢的同時可以加強CO2與地熱巖層的接觸,提高生產(chǎn)井中CO2的溫度,在兩者綜合影響下,井筒粗糙度增加會略微降低地熱凈提取量。

除井筒材料特征外,注入井與生產(chǎn)井之間的井間距也會對采熱過程產(chǎn)生影響。在注入壓力不變的情況下,井間距增加會降低儲層中CO2的壓力梯度,使得CO2在儲層中停留的時間更長,增強CO2與巖層接觸程度,使其更充分地進行熱量交換,提取的CO2溫度會更高;另外也會增加系統(tǒng)壽命,保證更長的CO2有效采熱時間,獲取更高的總熱提取量[19]。

2.3 CO2注入方式

在系統(tǒng)運行中,CO2的流動性對地熱采收過程影響明顯。通過改變CO2的注入條件可以改變其流動性,從而提高地熱采收效率,主要包括CO2的注入流量、溫度以及井間壓差。

增大CO2的注入流量可以提高生產(chǎn)井的井口壓力,及CO2地熱采收效率。石巖[24]采用耦合模型對CO2羽流地熱系統(tǒng)運行的優(yōu)化條件進行研究,模擬結(jié)果顯示提高生產(chǎn)流量,系統(tǒng)生產(chǎn)流體溫降增大,可以提高地熱凈提取量,但是也會增大系統(tǒng)壓力損失,增加經(jīng)濟成本。因此不能無限增大CO2的注入流量,CO2羽流地熱系統(tǒng)的穩(wěn)定需要其注入流量維持在一定的范圍內(nèi)。

CO2注入溫度也會對地熱提取產(chǎn)生影響,但是前人對其影響過程意見不一。喬宗良等[25]認為增加CO2注入溫度,會提高注入井的井口壓力,溫度升高時CO2黏度減小,流動阻力變小,有利于CO2充分流動和換熱,會明顯增加CO2產(chǎn)出流量;同時儲層換熱充分,出口的壓力和溫度變化可以忽略,對地熱采收效率有促進作用。另一種觀點表示增加CO2注入溫度,會限制地熱提取過程。如石巖[24]認為升高注入溫度會降低CO2的出口流量,雖然提取的CO2溫度會略微升高,但是升高幅度遠小于注入溫度升高幅度,使得地熱凈提取量呈現(xiàn)下降趨勢;李靜巖[22]認為增加注入溫度,會降低CO2與儲層間的溫差,削弱CO2與地熱儲層間的傳熱過程,在系統(tǒng)運行中注入較低溫度的CO2可以同時提高地熱提取率和凈提取總量。

仔豬因腸道內(nèi)尚未建立穩(wěn)定的微生態(tài)系統(tǒng)，自身抵抗力較低，對外界刺激敏感，易受各種病原微生物的侵襲和各種應激因素的影響。哺乳仔豬以傳染性腹瀉較為常見，而保育仔豬以日糧抗原過敏、斷奶、飼料突然更換、寒冷、環(huán)境應激等非傳染性因素引起的腹瀉為主。這兩類因素間的關(guān)系十分密切，既相互影響，又互為因果。因此，在生產(chǎn)實踐中，仔豬腹瀉往往是多種因素相互作用的結(jié)果，常呈多重感染或交叉混合感染。

在井間距確定的情況下,注入井與生產(chǎn)井壓差決定了CO2在儲層中的流動性。當增加注入壓力、提高壓差時,生產(chǎn)井流量增大,但是因為流動較快,會限制CO2與儲層的接觸和熱量交換,降低生產(chǎn)井中CO2的溫度,最終導致地熱凈提取量會隨著壓差增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢;同時CO2流動加快也會使得采熱更快地達到峰值和衰退,縮短系統(tǒng)穩(wěn)定性和運行壽命。根據(jù)前人研究,在系統(tǒng)運行中井間壓差的設(shè)置需要考慮井間距和壓力梯度,以達到更好地采熱效果[22,24]。

3 系統(tǒng)運行對環(huán)境的影響

CO2注入地熱儲層后會與鹽水發(fā)生理化反應而呈現(xiàn)弱酸性,對儲層產(chǎn)生次生影響,進而影響CO2羽流地熱系統(tǒng)的運行和壽命,主要表現(xiàn)有鹽水的析鹽現(xiàn)象和水巖反應。

3.1 析鹽現(xiàn)象

在利用CO2循環(huán)開采天然高滲透性儲層地熱過程中,析鹽現(xiàn)象對儲層和孔隙度的影響最大,可使注水井孔隙度降低約41%[26]。

干燥的CO2注入到儲層后對原有鹽水進行驅(qū)替的過程中,會對鹽水產(chǎn)生蒸發(fā)作用,導致鹽水濃度升高,當鹽水過飽和時會發(fā)生析鹽現(xiàn)象,析出的固體顆粒可能造成孔隙的堵塞,導致儲層滲透性的改變,從而影響CO2的流動性。Cui et al.[27]模擬了CO2羽流地熱系統(tǒng)運行中的干燥析鹽過程,結(jié)果顯示析鹽的發(fā)生對孔隙結(jié)構(gòu)的影響十分明顯,較大程度地降低了地熱儲層的滲透性,削弱了地熱采收效率。

CO2對鹽水的干燥析鹽現(xiàn)象首先發(fā)生在注入井附近,即CO2的驅(qū)替前緣(圖1)。隨著鹽度升高,注入井附近地層水飽和度梯度增大,當毛細力大于驅(qū)替壓差時會發(fā)生回流現(xiàn)象,鹽水回流到注入井CO2前緣附近,進一步加劇析鹽過程,這明顯阻礙了CO2的流動和采熱過程。前人模擬研究發(fā)現(xiàn),析鹽現(xiàn)象最多可使CO2地熱采收效率降低40%[28-29]。

圖1 CO2羽流地熱系統(tǒng)驅(qū)替鹽水過程[30]

實驗和模擬研究表明,析鹽現(xiàn)象是一個復雜的過程,其影響參數(shù)包括熱力學條件(壓力、溫度、鹽度、CO2和鹽水的組成比)、注入方案(注入速度、時間)、巖石和流體性質(zhì)(孔隙度、滲透率)和完井方案。其中,含水層的初始鹽度是影響析鹽形成的最重要的參數(shù),它控制析鹽的開始及其程度,而對儲存CO2的含量和熱提取參數(shù)的影響可以忽略不計。注入井的孔隙度會隨著鹽水濃度的增加而增加,但當鹽水濃度達到一個臨界值時,析鹽現(xiàn)象會停止[26]。而毛細力驅(qū)動下的回流是導致析鹽的主要機制,通過影響水的回流分布和回流程度控制毛細回流的參數(shù)從而影響析鹽的情況。CO2注入速率較高時會導致壓力梯度增大,從而抑制毛細管的回流現(xiàn)象,減少的毛細流量反過來又使得析鹽的可能性減小。由于析鹽現(xiàn)象的發(fā)生,儲層孔隙度和滲透率發(fā)生變化,使得氣體在注入速率不變時,必須增加注入壓力。CO2的垂向運移主要取決于垂向滲透率和注入CO2與鹽水的密度差。溫度升高會導致水在CO2中的溶解度顯著增加,水很快達到飽和極限,鹽會發(fā)生沉淀,且溫度對析鹽的影響與壓力的關(guān)系較為密切,在較低的壓力下,析鹽會隨著溫度的升高開始減少。研究表明,溫度對析鹽的影響遠小于注入速率和毛細力等參數(shù)。

3.2 水巖反應

在注入CO2的過程中,因為CO2溶于水呈現(xiàn)弱酸性,會與儲層圍巖中的礦物發(fā)生反應,發(fā)生礦物的溶解和沉淀現(xiàn)象,使得儲層孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,孔隙分布不均勻,對地熱提取率產(chǎn)生影響。Cui et al.模擬了CO2羽流地熱系統(tǒng)運行過程中儲層孔隙滲透性的變化情況,結(jié)果顯示在CO2注入后,會產(chǎn)生方解石和高嶺石沉淀,固體的析出降低了孔隙滲透性,增強了CO2的封存效果,但孔隙的堵塞降低了地熱采收效率;同時CO2回流過程中鈣長石被溶解,增加了孔隙度,由于沉淀和溶解發(fā)生的區(qū)域不一致,造成儲層中孔隙度分布不均勻,加劇了儲層的非均質(zhì)性[27-29]。

以渤海灣盆地東部油氣砂巖儲層為例[31],CO2使方解石和綠泥石溶蝕,并再沉淀為更穩(wěn)定的白云石和鐵白云石膠結(jié)物;斜長石的溶蝕會受到石英和高嶺石沉淀的影響。反應運移模擬顯示,較小的孔隙度對流體中溶解物質(zhì)的平移和擴散有很大的限制,次生白云石和鐵白云石礦物的沉淀可以增加CO2的封存量,而綠泥石等鋁硅酸鹽的溶解反應可以長期穩(wěn)定地封存CO2。在深埋較大的環(huán)境中,礦物動力學對CO2水巖相互作用的影響更大。以松遼盆地泉頭組砂巖地層為例[24],發(fā)生溶解的礦物主要是長石類和方解石,發(fā)生沉淀的礦物主要為石英和黏土類礦物,溫度對水—巖—氣作用的影響最為顯著,鹽度次之,壓力對反映結(jié)果影響較小,同時,孔滲性在整個區(qū)域上大致呈現(xiàn)逐漸減小的變化特點,生產(chǎn)井總流量及凈熱提取量平均降低4.1%。

考慮地層水蒸發(fā)、CO2—水—巖地球化學反應、析鹽、儲層孔隙度和滲透率變化的綜合模擬模型顯示[28],析鹽現(xiàn)象對熱采速率的影響遠大于地球化學反應,雖然CO2—水—巖地球化學反應會導致礦物的溶解和沉淀,但其對熱采速率的影響可以忽略。然而,由于注入井毛細作用引起的回流和嚴重的析鹽現(xiàn)象,使得儲層孔隙度和滲透率大幅降低,地熱采收效率也會大幅下降,可降低至原來的2/5。

4 CO2羽流地熱系統(tǒng)的拓展應用

在實際應用過程中地熱提取與其他方法進行結(jié)合,可以在提取熱量的同時,對設(shè)備進行供電,降低使用成本,提高經(jīng)濟效益。

4.1 增強石油采收率

近年來,有學者提出將CO2驅(qū)油與CO2羽流地熱系統(tǒng)相結(jié)合(圖2),一方面可以延長驅(qū)油進程;另一方面,由于前期CO2已經(jīng)對儲層中原有流體進行了一定程度地驅(qū)替,縮短了CO2羽流地熱系統(tǒng)的啟動時間,可以實現(xiàn)進一步提高能源采集效益、降低使用成本的目標。Vernooij[30]對該方法進行了評估,認為該方法在部分油藏儲層中是可行的,儲層的選擇主要取決于儲層地溫梯度和深度。與單獨使用CO2羽流地熱系統(tǒng)相比,結(jié)合驅(qū)油的方式縮短了CO2驅(qū)替的時間,降低了注入的經(jīng)濟成本,進而提高了地熱發(fā)電的經(jīng)濟性。同時,由于偏遠地區(qū)的油田電力價格較高,CO2羽流地熱系統(tǒng)的使用可以對CO2注入設(shè)備直接進行供電,因此會降低驅(qū)油的電力成本。

圖2 CO2羽流地熱系統(tǒng)—原油采收聯(lián)合系統(tǒng)[30]

4.2 深層天然氣采收

與CO2驅(qū)油類似,CO2羽流地熱系統(tǒng)也可以與CO2驅(qū)天然氣相結(jié)合(圖3)。該系統(tǒng)運行分為三個階段:第一階段以天然氣采收為主,先后為常規(guī)天然氣開采和CO2驅(qū)替天然氣增收,將儲層中的天然氣進行高效采收;第二階段是在天然氣采收結(jié)束后,此時生產(chǎn)井出流氣體以CO2為主,運用CO2羽流地熱系統(tǒng)進行地熱采收;第三階段為地熱采收結(jié)束后進行CO2封存,不再從生產(chǎn)井進行CO2提取。Ezekiel et al.[32]通過模擬證實了該方法的可行性。在CO2驅(qū)天然氣基礎(chǔ)上可以大幅增加地熱提取量并延長系統(tǒng)使用周期,地熱采收也可以彌補注入CO2的經(jīng)濟成本,提高CO2的應用價值;在系統(tǒng)運行結(jié)束后,CO2會封存到原有的氣藏中,因為天然氣的長期存在,保證了CO2封存的安全性。

圖3 CO2羽流采熱—天然氣采收聯(lián)合系統(tǒng)[32]

4.3 鹽水預提

將CO2注入到儲層的過程中,會對儲層中原有流體進行驅(qū)替,其中咸水層占比超過50%[33]。這是因為原有鹽水的存在,會導致注入過程中儲層壓力的增大,明顯增加CO2注入的經(jīng)濟成本,同時也會存在儲層破裂的可能,增加CO2泄露的風險。Fleming et al.[34]提出可以將CO2羽流地熱系統(tǒng)與鹽水提取進行結(jié)合,預先將儲層中的鹽水抽出,減小CO2流動過程中的阻力,降低儲層壓力增加的風險,壓縮注入成本,同時儲層中的CO2會更早發(fā)生熱突破,預先提取的高溫鹽水也可作為地熱能源使用,提高地熱凈能量的采收。

將CO2羽流地熱系統(tǒng)與儲層中的鹽水生產(chǎn)相結(jié)合可作為電力系統(tǒng)中的一種供能方式。定時利用多余的風能和太陽能發(fā)電,將CO2進行壓縮再注入,達到電能儲存的效果,以補償風能和太陽能發(fā)電中電力需求的波動。在這個過程中,首先需要用CO2取代大量鹽水,然后對鹽水和CO2注入/生產(chǎn)的壓力進行控制,當需要電力時,加壓提取加熱過后的CO2和鹽水進行發(fā)電。模擬顯示,在采用同心圓環(huán)、鹽水和CO2動力循環(huán)的CO2儲能設(shè)計中,93%的電容量來自鹽水循環(huán),且往返循環(huán)中地熱提取效率可遠高于100%。臨界和超臨界CO2壓縮比空氣壓縮有更大的儲能密度,將CO2羽流地熱系統(tǒng)與CO2儲能相結(jié)合,可推進可再生能源的利用,解決電力需求的區(qū)域差異性,從而取代化石燃料進行發(fā)電,這種替代也有可能可以降低發(fā)電系統(tǒng)的CO2排放和對于水資源的需求。當下,風能、太陽能和天然氣的使用在逐步擴張,大規(guī)模的鉆探及管道建設(shè)使能源基礎(chǔ)設(shè)施快速增長,具備CO2大體量的封存條件,在這些基礎(chǔ)設(shè)施的加持下,CO2羽流地熱和CO2儲能為無碳發(fā)電的增長與CO2地質(zhì)封存的結(jié)合提供了機遇,具有廣泛應用潛力。

5 結(jié)論

(1)CO2羽流地熱系統(tǒng)是一種可以有效開采地熱資源,并同時能進行CO2封存的方法,符合當下的資源環(huán)境需求,在“取熱不取水”的地熱開采利用模式下,有較大的利用前景,但目前該方法大多數(shù)研究基于數(shù)值模擬開展,實際場地的觀測較少。儲層特征的影響研究有助于地熱儲層的選擇,注入條件的研究可以更好地提高地熱開采效益,現(xiàn)有的影響控制條件需要相關(guān)的物理實驗和場地試驗進行驗證,進而優(yōu)化模型,以指導實際工程的開展。

(2)為提高生產(chǎn)效益、降低經(jīng)濟成本,CO2羽流地熱系統(tǒng)與驅(qū)油、驅(qū)天然氣耦合已被證實其可行性,在實際油藏和氣藏場地中,驅(qū)油或驅(qū)天然氣結(jié)束后注入CO2進行地熱開采并最終封存CO2,從資源開發(fā)和環(huán)境保護來講均為有利途徑,符合未來實際應用的開發(fā)方向。

(3)對于地熱咸水層,CO2注入后的析鹽效應會對資源利用和地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生明顯影響。模擬研究顯示,預注鹽水礦化度較低的水或與蒸汽共注的方式可以有效緩解析鹽效應,因此在實際地熱開采過程中,可以避免或者減弱地熱開采對環(huán)境的影響,但是目前關(guān)于該方法的具體實施和工作參數(shù)研究較少,仍需要開展更多實驗結(jié)合數(shù)值模擬以優(yōu)化實施方案。