華北潛山油藏地熱能評價及綜合利用實踐

高博翔高聯益

（1.中國石油工程建設有限公司北京分公司；2.中國石油天然氣股份公司華北油田分公司）

華北潛山油藏地熱能評價及綜合利用實踐

高博翔1高聯益2

（1.中國石油工程建設有限公司北京分公司；2.中國石油天然氣股份公司華北油田分公司）

為合理評估油藏中蘊含的地熱能、高效率地將熱能轉化為電能、提高地熱能的利用效益，開展了華北潛山油藏地熱能評價及綜合利用研究。研究主要內容包括熱儲資源量評價、地熱能發電及直接利用狀況、大排量提液及降低能耗試驗研究。通過上述研究，準確評價了華北潛山油藏的地熱資源儲量，改進了熱儲體積法的計算公式，優化了發電系統與直接利用系統的流程，提高了進站地熱流體溫度和原油采收率，降低了新型提液裝置的能耗。通過對地熱能的利用，可替代燃油4479 t，CO2排放量減少1673×104kg、SO2排放量減少5.42×104kg。

潛山油藏；地熱能；資源評價；綜合利用

在油田開發中后期，有大量的油井可以轉為地熱水井[1]，這些地熱水井中蘊藏著豐富的地熱能。在油田已有的基礎設施、生產技術、儲層資料等條件下，可對地熱能進行開發利用，從而替代傳統燃料。由于地熱資源種類繁多，不同種類地熱資源利用方式不同[2]。在進行地熱田開發時，通常對地熱資源利用價值進行評價，針對具體的地熱資源提出具體的利用方案。華北油田公司對其探區內的熱儲資源量進行了計算，并提出了綜合利用方式。

1 熱儲資源量評價

1.1 熱儲體積法

根據GB/T 11615—2010《地熱資源地質勘察規范》[3]中的熱儲法計算公式計算潛山熱田的熱儲量和熱水量。計算公式為

式中：Q——地熱水中儲存的熱量，J；

A——熱儲面積，m2；

tr——熱儲平均溫度，℃；

t0——基準溫度，℃；

h——熱儲厚度，m；

φ——孔隙度，無量綱；

cr——巖石比熱容，J/（kg·℃）；

ρr——巖石密度，kg/m3；

ρw——熱水密度，kg/m3；

cw——熱水比熱容，J/（kg·℃）；

C——計算系數，J/（m3·℃）；

S——彈性釋水系數，無量綱；

H——自熱儲頂板算起的水頭高度，m；

W——地熱水資源量，m3。

經計算得出華北留北潛山油藏地熱總資源量16.66×1018J，相當于標準煤5.68×108t。其中，一次性熱水資源總量35.8×108m3。按15%的可開采率，則一次性可開采地熱資源量2.50×1018J，一次性可開采熱水資源量5.37×108m3。

1.2 考慮油氣水飽和度變化的熱儲評價法

由于是油藏地熱水，故對熱儲體積法做了改進，增加了油、氣在液體中所占的比例項，改進后的計算公式為

式中：Sw——含水飽和度，無量綱；

So——含油飽和度，無量綱；

Sg——含氣飽和度，無量綱。

留北潛山油藏開采初期含油飽和度0.7，原油密度860.6 kg/m3，原油比熱容2 040.2 J/（kg·℃），根據式4、式5計算得出熱儲資源量16.07×1018J。伴隨著油田生產，綜合含水逐漸升高，含油飽和度減小，含水飽和度增加，熱儲資源量隨之增大；當綜合含水率為100%時，此方法的評價結論和熱儲體積法一致，均為16.66×1018J。

2 地熱能發電與直接利用狀況

2.1 雙工質循環發電系統

經地質和地溫勘測，該地熱田屬于中低溫型地熱資源。對于此類低品位熱能，使用雙工質循環可以實現將低品位熱能轉變為高品位電能，從而提高系統總體的熱效率[4-5]。發電系統流程如圖1。

該地熱能發電系統由2個循環系統組成，即中間水循環系統和有機朗肯循環系統。中間水循環系統使用水作為循環工質。對于有機朗肯循環的工質，要具備一定的特征。在該有機朗肯循環系統中，目前使用R245（五氟丙烷）代替初期使用的R123（三氟二氯乙烷），具有較高的能量轉換效率[6]。

在中間水循環系統中，經兩相分離除氣后的地熱流體在中間換熱器I、II、III中與工質水進行換熱。在有機朗肯循環系統中，低壓液態工質R245經工質泵加壓后進入預熱器與工質水換熱升溫；經加壓升溫后的R245進入蒸發器，與高溫的工質水進行換熱，R245變為高壓高溫的蒸氣；高溫高壓的R245蒸氣進入透平機，推動汽輪機旋轉發電；由透平機出來的低壓蒸氣進入冷凝器與冷卻水換熱降溫；由冷凝器出來的低壓液態工質R245進入儲液罐，一次循環結束。在該循環系統下發電，每噸地熱水發電量為1.22～1.47 kWh。

2.2 地熱流體綜合利用

為提高地熱能利用效益、降低開發整體能耗，在基本不影響正常發電工藝的情況下，新增油管廠清洗油管流程、污油池化油流程和維溫伴熱流程。地熱流體綜合利用示意如圖2所示。

為減少單井輸送造成的溫度損失，在原有集輸管線的基礎上進行了優化布局，把相近采出井產出的流體匯集到一處，然后合并輸送。通過該優化設計后，經實際測量：地面集輸管道每千米的溫度損失在1℃以下（0.5℃左右）。

為了有效保持地層能量，實現地熱水的循環利用，沉降罐中的余熱水（溫度50～60℃）需要通過注水井及時回注到地層。回注井按以下原則進行選取：回注井與排液井井距為300 m以上，降低注入的低溫水對地層溫度的影響范圍；選擇回注井段在采出井段之下的井，利用注入水的重力向下作用，減小對采出井的溫度影響；選擇地面情況相對較好的井，降低恢復難度，降低成本。

圖1 雙工質循環發電系統流程圖

圖2 地熱流體綜合利用示意圖

3 大排量提液及降低能耗試驗

3.1 大排量提液試驗

在該雙工質發電系統中，進入中間水循環系統的地熱流體溫度越高，電能轉換效率越高；回注地層的流體溫度越高，開采出的流體溫度也越高。使用大排量提液可以減少井筒和集輸過程的溫度損失，將地熱能用于發電，并降低地熱田開發的整體熱能損失；使用大排量提液還可以提高原油采收率，實現提液增油的效果，降低熱田開發的成本。

因此，在留北潛山選擇3口提液井和1口回注井，開展了礦場大排量提液和回注試驗，檢驗單井提液和回注能力以及提液升溫效果：采用排量600 m3/d的電潛泵，下泵深度794.52 m，提液后日產液量由49.0 t上升到821.6 t，進站溫度由77℃上升到110℃。

3.2 新型提液裝置降低能耗試驗

大排量滿足了提液要求，但是提液裝置潛油泵具有如下缺陷：耗電量大、使用周期短、維修頻繁、費用昂貴。因此，研制了低能耗提液裝置無游梁式抽水（油）機和抽水泵，并進行了70 m和3200 m井深試驗。

將無游梁式抽水機安裝于70 m深的井上，抽水泵下泵深度45 m。經過60天連續運轉試驗，得出如下結論：當日提液量384 m3時，提液每方的耗電量0.156 k Wh/m3；當日提液量增加到500 m3，提液耗電量僅僅增加了0.005 kWh/m3。隨后，選取了留北潛山的留32井進行現場試驗，該井井深3295 m，下泵深度700 m。經過28天連續運轉試驗得出：總產液量4 029.29 m3，總耗電量2 445.1 k Wh，液耗電量為0.580 k Wh/m3；且隨著產液量增加單位耗電量減小。根據低能耗提液裝置的70 m和3200 m試驗，提液耗電僅有0.186～0.580 kWh/m3，而潛油泵提液耗電3～5 k Wh/m3，降耗效果明顯。

4 結論與建議

1）地熱能評價。留北潛山油藏一次性可開采地熱資源量2.50×1018J，一次性可開采熱水資源量為5.37×108m3；由于巖石和地熱流體壓縮系數很小，導致彈性熱水儲存量的計算值遠遠小于容積熱水儲存量的計算值，在計算熱儲量時該項的值可忽略不計。

2）流程優化。使用雙工質循環系統利用地熱能發電，噸地熱水發電量為1.22～1.47 kWh。除利用地熱能發電外，新增油管廠清洗油管、污油池化油和維溫伴熱，提高了地熱能利用率，降低了發電成本。將相近采出井產出的流體匯集到一處合并輸送，可減少單井輸送造成的溫度損失；選擇回注井時，減少對采出井地溫的影響。

3）設備改進。使用無游梁式抽水機代替傳統的潛油泵，降低流體開采和回注時的耗電量。

[1]劉均榮，于偉強，李榮強.油田地熱資源開發利用技術探討[J].中國石油勘探，2013（5）：68-73.

[2]梁宏斌，錢錚，辛守良，趙克鏡，朱連儒.冀中坳陷地熱資源評價及開發利用[J].中國石油勘探，2010（5）：63-86.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.地熱資源地質勘查規范：GB/T 11615-2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

[4]Tester J W，Anderson B，Batchelor A，et al.The future of geothermal energy:Impact of enhanced geothermal systems（EGS）on the United States in the 21st century[J]. Massachusetts Institute of Technology，2006，209.

[5]羅向龍，徐樂，譚立鋒，等.R245fa有機朗肯循環余熱發電系統?分析[J].節能技術，2012，30（2）：131-135.

[6]鄭浩，湯珂，金滔，等.有機朗肯循環工質研究進展[J].能源工程，2008（4）：5-11.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.05.013

2017-04-01

（編輯 王古月）

高博翔，2015年畢業于中國石油大學（北京）（油氣儲運工程專業），從事工藝與管道方面的設計工作，E-mail：gaoboxiang@cpebj.com，地址：北京市海淀區上地信息路8號，100085。