【一】美國RMOTC油田伴生地熱發電先導性試驗

 

  為了探索利用油田伴生地熱資源發電在技術、經濟等方面的可行性，關國能源部RockyMountain油田研究中心(RMOTC)于2006年開展了利用油田產出水進行低溫發電的先導性研究項目。該項口建成了一個250kW的有機朗肯循環(ORC)試驗性電站(圖1)，該電站建造在美國懷俄明州北部Teapot Dome油田Naval油藏3號區塊(NPR-3)內。該電站利用平均溫度90.6-98.9℃油田產出水的熱能發電，日產液量40000桶/d，采用雙工質(異戊烷)方式發電，其總發電量180kW（凈發電量132kW），冷卻方式為空冷系統。該機組于2008年9月投入使用，2009年2月后因故障停止運行，此間共發電586MW·h；經整修后于2009年9月重新啟動，后又發電322MW·h，目前一直連續穩定運行。

 

  【二】華北油田中低溫伴生地熱發電

 

  華北油田具有豐富的中低溫伴生和非伴生地熱資源，為了有效開發和利用這一清潔能源，大批專家學者從多方而進行了比較系統的研究。2011年華北油田建成了中國第一臺(世界第二臺)400kW油田中低溫伴生地熱發電站。該示范性地熱發電系統位于華北的留北油田，該油田屬于潛山油藏，于1978年6月投入開發，同年10月注水。經歷了產量上升、產量快速遞減和產量緩慢遞減三個階段。截止2009年10月底，油藏總井數27口，目前正常生產井6口。

 

  在留北地熱發電可行性研究過程中，Xin和Gong等進行了大量相關的理論與工程研究，例如大排量提液、回注以及熱儲溫度變化等方而的數值模擬和現場試驗。在大量早期研究基礎上，于2011年建成的留北地熱發電示范系統并成功并網發電，發動機等有關設備如圖2所示。該示范性中低溫油田伴生地熱發電站長期運行的相關技術和經驗可望應用于其他油田區地熱能的發電。

 

  總的來說，美國、法國、德國、日本、意大利、英國等國家已經掌握了中低溫地熱發電的關鍵技術，已進入實際開發利用階段，并取得了較好的效果。中國目前也開始了中低溫地熱發電方而的相關研究，已經取得了多項重要的進展，不過仍然有許多關鍵技術問題有待解決。

 

  【三】油田伴生地熱發電的可行性

 

  如前所述，利用油田伴生中低溫地熱資源發電，與太陽能、風能發電相比具有穩定性好、電站運行效率高的優點；與常規中低溫和EGS發電相比，具有成本低等優勢。國外中低溫地熱發電技術比較成熟，已有較多的成功實例。例如，關國阿拉斯加Chena電站，該電站位于關國阿拉斯加州Fairbanks市，于2006年7月開始并網發電，其地熱流體的溫度僅為74.0℃，是目前國際上地熱資源溫度最低的商業發電站之一；電站總安裝功率200kW，發電成本約0.5元/(kW·h)，到目前為止已經成功運行將近6年。利用油田伴生中低溫地熱資源發電目前受到國際上的高度重視，美國能源部已經有一個這樣的電站(RMOTC)成功運行一年以上，其油井產出液體的井口溫度約76.6℃，設計功率250kW，實際發電功率約為180kW。以上這些實例說明，利用油田伴生中低溫地熱資源發電在技術上是可行的。

 

  假設地熱資源溫度120℃，出口溫度35℃，根據計算，日產水量35000m3時的發電功率達11.7MW，可以將發電功率定為l0MW，其設備總投資約1.36億元，設備投資回收期約為3年。對于l0MW的裝機容量，安裝方式可以采用固定方式，其他有關計算和參數總結如表1所示。可以看出，對于10MW的裝機容量，投資回收期很短，效益非常可觀。根據研究，油田伴生地熱資源溫度為120℃左右時，利用產出水地熱發電的投資回收期大部分情況下在3-5年之間，具體取決于日產水量、發電規模等，這說明在經濟上也是可行的。

 

  【四】高效油熱電聯產方法

 

  油井與常規地熱井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，而地熱田的低。由于上述因素，油井產油量的經濟下限可以小于l0t/d，但是，對于常規地熱井來說，這樣的產量幾乎沒有任何經濟價值，這可能是一般情況下油井的產液量比地熱井的小很多的原因。因此，如果要在井口高效開發和利用油田伴生地熱資源，首先需要提高油井的產液量或產液速度(“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。即使在集液站進行油田伴生地熱資源的利用，提液措施也是有利的，可以減少沿井筒的熱損失。問題是：提液是否對原油的生產有利？石油公司的主業是原油生產，如果因為開發和利用伴生地熱資源而影響原油生產，造成產油量下降，這顯然無法接受。值得慶幸的是，根據數值模擬結果，在一定范圍內增加產液量和回注速度可以增加油的產量，而且熱儲溫度的下降和含水率增加的幅度并不是很大。根據模擬結果及其他研究成果，提出了“高效油熱電聯產方法”：在熱儲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液量，從而實現多產油、多采熱、熱儲溫度和油田含水率基本穩定。采出的熱能可以在井口或集液站進行發電，然后，剩余的低溫熱能還可以用來進行原油管道伴輸。這樣，油井或油田同時高效產油、采熱、發電，即“高效油熱電聯產方法”。該方法的關鍵在于提高產液量的措施和控制熱儲溫度的遞減率小于1℃。目前的主要方法如下：對于碳酸鹽巖和砂巖油藏，可以采用酸化壓裂或壓裂；對于特高含水或者已經廢棄的油田，可以采用亞燃燒技術注入高能流體(包括催化劑等)使油層溫度大幅度提高，從而降低原油粘度，提高原油產量以及產液量。

 

  【五】油田伴生地熱發電與綜合應用展望

 

  隨著時間的推移，地球上的人口將越來越多，而地球上的化石能源顯然是有限的。毫無疑問，如果不大力開發新的、清潔的可再生能源，化石能源無法滿足未來人類對能源的巨大需求。2012年8月，關國軍事工程與支持中心(US Army Engineeringand Support Center)已經公開開始招標購買可再生能源，其中包括地熱發電，標的達70億美元，這充分說明美國政府及軍方對清潔的、可再生低碳能源的高度重視。

 

  隨著中低溫地熱發電技術以及油田熱儲工程方法的快速進步，在化石能源日趨短缺和對外石油依存度越來越大的情況下，面對中國油田區口前巨大的化石能源消耗，尤其是原油管道輸送加熱，每年需燃燒數十億立方米的天然氣，大規模、大幅度高效開發利用油田伴生地熱能取代正在消耗的化石能源不但可行而且具有廣闊的市場，不僅具有環境保護等方而的社會效益，而且具有巨大的經濟效益。

 

  總的來說，由于資源豐富、需求巨大、技術基本成熟等優勢，油田伴生地熱發電與綜合應用在不久的將來呈現大規模、跨越式的發展。