廢棄油氣井地熱能開發系統概念模型研究

摘要：隨著油氣資源的大量開發，大量油氣井的廢棄造成安全隱患及環境污染。以廢棄油氣井為基礎來開發地熱能是一種發展前景良好的利用方法。通常，我國富含油氣資源的地區同時具有開發風能、太陽能等可再生能源的條件。本文重點研究廢棄油氣井地熱能開發系統的概念模型，為廢棄油氣井的合理利用和未來油氣行業的轉型指明方向。未來，可以地熱能開發為核心，與其他可再生能源相結合，構建“1+N”的綜合利用系統。

關鍵詞：地熱能開發；廢棄油氣井；工藝設計；綜合利用；可再生能源

中圖分類號：X741；TK529 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.024

Study on Conceptual Model of Geothermal Energy Development System in Abandoned Oil and Gas Wells

TIAN Tongmu， LIANG Sicheng， HU Yanglin， LUO Zijuan， FAN Jiayu

（Xi'an Shiyou University， Xi'an 710065， China）

Abstract： With the extensive development of oil and gas resources， the abandonment of a large number of oil and gas wells has caused safety hazards and environmental pollution. Developing geothermal energy based on abandoned oil and gas wells is a promising utilization method. Usually， regions rich in oil and gas resources in China have the conditions to develop renewable energy sources such as wind and solar energy. This paper focuses on the conceptual model of geothermal energy development system of abandoned oil and gas wells， pointing out the direction for the rational utilization of abandoned oil and gas wells and the transformation of the future oil and gas industry. In the future， geothermal energy development can be the core and combined with other renewable energy sources to build a comprehensive utilization system of \"1+N\".

Keywords： geothermal energy development; abandoned oil and gas wells; process design; comprehensive utilization; renewable energy sources

能源供應是當今世界面臨的一大難題，以供暖為例，2018年我國北方城鎮建筑供暖消耗2.12億t標準煤，伴隨城鎮化發展，供暖需求不斷增大。截至

2020年底，我國地熱能供暖制冷面積達到13.9億m2，

每年可替代標準煤4 100萬t，減少二氧化碳排放

1.08億t，加快新能源開發應用顯得尤為重要。在實際地熱能開發中，距地表3 km以下的地層往往需要依靠水壓法、化學法等手段人工產生裂縫，然后才能加以利用。要想利用地熱能進行發電，必須加大地熱井深度，這也導致鉆井成本占地熱能開采總成本的40%～60%。而廢棄油氣井修復成本僅為打新井成本的1/12，最高不到其1/7。因此，若將廢棄油氣井改造后用于地熱能開采，則能大幅度降低地熱能開發的前期投入，也為廢棄油氣井治理提供新思路。

1 研究現狀

當前，地熱能資源利用系統主要分為單井地熱能開發系統和多井地熱能開發系統[1-2]。單井地熱能開發系統結構簡單，核心部分為兩個直徑不同的同心圓管，低溫工質在外筒與地層換熱，再通過內筒輸送回地面[3]。而多井地熱能開發系統與單井地熱能開發系統的主要區別在于其注入井和生產井相互獨立[4-5]。低溫工質通過注入井進入高溫地層，與地熱能熱儲層的巖石充分換熱，再經由生產井回到地面。工質經過注入井進入高溫地層，與地層直接接觸，充分換熱后再經由生產井流回地面，其系統的采熱率往往更高。

2 工藝設計

2.1 單井單工質利用系統

單井單工質利用系統的地熱能發電原理如圖1所示。內筒、外筒在井底相連，流體由外筒井口注入，隨著下流深度加大，底層溫度不斷升高，換熱過程中，流體溫度、壓力逐漸升高，高溫高壓流體在井底連通處進入內筒，其攜帶大量熱流回到地面。內筒壁中的高溫高壓流體回到地面后進入葉輪機中帶動葉輪轉動發電，冷凝后的低溫流體由冷凝裝置收集。為實現熱能多級利用，若冷凝后的流體達到供暖需求，仍可通過管道給用戶端供暖散熱后再次回注到地熱井外筒中，以達到循環吸熱、多級利用的目的。

單井單工質利用系統整體與地層分隔，僅靠外井筒與地層進行熱量交換，因此系統內單質不會摻雜地層中的雜質，對系統影響較小，但也因此降低系統采熱率。此外，在地層溫度、換熱效率、工質沸點等因素的影響下，出口端工質的溫度及壓強可能達不到發電要求。為了提高采熱率，可選取沸點更低的有機工質或混合工質。

2.2 單井雙工質利用系統

單井雙工質利用系統的地熱能發電原理如圖2所示。與單井單工質利用系統不同的是，單井雙工質利用系統并非利用回流到地面的高溫高壓流體直接帶動汽輪機轉動，而是增添一個換熱器。單靠井筒壁的換熱面積不高，換熱效率也受到影響，導致回流到地面的流體溫度、壓力有時難以達到發電標準。因此，將井筒循環與發電循環分離，用換熱器連接，在發電循環中，沸點較低的采用有機工質，可降低對溫度的要求。回流的高溫高壓流體在換熱器中與外循環中的低溫低壓有機工質充分換熱，外循環中的流體汽化后帶動汽輪機轉動，以達到發電的目的，冷凝后的流體通過管道再次進入換熱器循環換熱。

2.3 雙井雙工質利用系統

雙井雙工質利用系統的地熱能發電原理如圖3所示。

前文提到的兩種單井系統的主要采熱途徑為井筒外壁與地層換熱，其主要換熱模式為外壁與地層直接接觸的熱傳導，其傳熱效率受限于接觸面積，單靠井筒進行換熱的采熱率較低。但在現有的油氣開采過程中，技術人員常用水力激發等手段人工制造裂縫，而這些遺留的裂縫可大大增加流體與高溫地層的直接接觸面積。低溫流體通過注入井進入地層，在井筒內便可與地層進行初步換熱，進入地熱儲層后，直接與高溫地層接觸換熱。隨后，高溫流體再通過生產井流回地面。

與單井雙工質利用系統相同，為防止帶有較多碎屑顆粒的高溫流體直接帶動汽輪機，導致汽輪機損壞，雙井雙工質利用系統需要將井筒循環與發電循環分離，并用換熱器連接。發電循環中，采用沸點較低的有機工質或混合工質，可降低溫度條件標準。

3 地熱能綜合利用

為了實現能源的多級高效利用，地熱能應當與其他可再生能源相結合，形成“1+N”的綜合利用系統，如“地熱能+太陽能”聯合發電、“地熱能+風能”聯合發電等組合模式。從資源分布來看，我國西北地區、華北地區蘊藏豐富的油氣資源，同時坐擁豐富的太陽能、風能等可再生能源。這些地區是我國油氣資源開發的重地，開采過程中自然伴隨大量廢棄油氣井的產生。若廢棄油氣井維護不當，則會污染環境，甚至造成人員傷亡，因此廢棄油氣井的處理應該引起足夠重視。我國油氣資源豐富的地區往往蘊藏豐富的地熱能資源，可將廢棄油氣井改造成地熱井，再結合這些地區風能、太陽能資源豐富的特點，綜合開發可再生能源，優化能源結構。

我國西北地區和華北地區具有良好的地熱能開發潛力，油氣田可采用“地熱能+太陽能+風能”的綜合供能模型，如圖4所示。一方面，將廢棄油氣井改造成地熱井，獲得的地熱能優先用于發電，初步放熱后仍可用于人員、設備的供暖，以實現地熱能的高效利用。另一方面，利用太陽能、風能等其他方式進行發電，產生的電能可直接供油田作業人員和設備使用，補充油氣田作業的能源缺口。隨著廢棄油氣井數量的增多，油氣田作業的能源消耗降低，改造而成的地熱井增多，油氣開采進入尾聲時，一座綜合地熱能發電站也應運而生。

4 結論

地熱能是一種開發潛力巨大的可再生能源，我國擁有數量龐大的廢棄油氣井，而將廢棄油氣井改造成地熱井是一種經濟、高效的地熱能開發方式。本文以廢棄油氣井為基礎，提出單井單工質利用系統、單井雙工質利用系統和雙井雙工質利用系統等概念模型，以實現地熱能綜合利用。未來，可以地熱能開發為主，并與其他可再生能源相結合，構建“1+N”的綜合利用系統，實現廢棄油氣井的再生利用。單靠地層天然裂縫進行地熱能開發，采熱率較低，下一步可將增強型地熱能的合理開發利用作為主要研究方向。

參考文獻

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