作者介紹
芮振華，中國石油大學（北京）教授，國家級領軍人才，國際石油工程師協會杰出會員，兼任油氣資源與探測國家重點實驗室副主任、碳中和未來技術學院副院長、碳儲科學與工程專業負責人、CCUS研究中心副主任。專注CO2提采與封存一體化、油氣勘探-開發-工程一體化等方向。榮獲SPE國際技術獎、SPE國際杰出服務貢獻獎、SPE杰出會員、Albert Nelson成就獎等國際獎項等。
劉月亮，中國石油大學（北京）教授，博士生導師，國家優秀青年科學基金獲得者，專注CO2提高采收率與地質封存協同理論及技術和CO2快速礦化方法及技術等。獲省部級科技進步一等獎2項，SPE亞太區油氣可持續開發技術獎等國際獎6項。
地熱儲能在封存容量和封存周期上比其他儲能方式更具潛力。CO2由于其優越的熱力學屬性而被視為一種極具潛力的儲能介質。與地層鹽水相比，CO2有三大特點：①CO2礦物溶解程度比地層鹽水小，可大幅降低管道或設備結垢的可能；②CO2粘度比地層鹽水低，可大幅減少儲層巖石的壓力損失；③CO2比液態水更易壓縮，可產生熱虹吸，降低了對循環泵的嚴格要求。因此，CO2擁有比地層鹽水更好的換熱效率。此外，利用CO2進行地熱儲能也可通過將CO2封存于地質體中來降低大氣CO2的排放。中國石油大學（北京）芮振華教授團隊提出了一種CO2地熱儲能和地質利用封存一體化方法：CO2首先被注入到深部地熱層中進行能量汲取。高能CO2進而被注入到目標油藏中進行驅油利用，從深部地熱層汲取的熱量可大幅降低原油粘度，提高原油流動性，進而提高原油采收率。開發末期，油藏地質體可作為一種封閉空間用于中淺層地熱儲能，同時實現CO2長期地質封存。結果表明，隨著高能CO2的注入，目標油藏的平均溫度大幅提高。在地熱能協助下，提高了CO2在油藏地質體中的波及體積，驅油效率也相應提高了10.1%。根據CO2場地封存潛力評估，CO2注入110年后，地質體的利用率高達91.2%，CO2最終封存容量高達9.529×108 t。經過1000年地質封存，超臨界態CO2封存占主導地位，其次是液相CO2，然后是礦物相CO2。此外，由于殘余油的存在，溶解態CO2的封存容量隨封存時間顯著增加。更重要的是，CO2在大規模地熱儲能方面表現優異，如在所研究的地質體中儲存的總能量每年可為超過3500萬個家庭提供電力供應。
圖1. 二氧化碳地熱儲能與地質利用封存一體化方法示意圖（來自《Engineering》2023年11月刊封底）
作者建立了一個三維(3D)井筒-油藏耦合模型。圖2給出了井筒-油藏耦合模型的縱剖面，該模型使用不同的控制方程來計算井筒和油藏中的流體相行為。井筒采用一維兩相動量方程，油藏采用三維多相達西定律。整個地層厚度為2.02 km，其中底部為地熱層，厚度100 m，深度3.52 km；頂部為油藏，厚度20 m，深度1.5 km。在模型中定義了反“9點”井網的一組注采井，以完成所需的模擬工作?；趯ΨQ原理，對井網1/4區域進行了模擬，橫向邊界考慮了固定溫度和壓力的狄利克雷條件。半解析用于計算井筒與地層之間的熱交換。流體通過200 m的水平井在地熱層中加熱，然后沿著2 km長的直井注入油藏。CO2和烴組分在氣相和油相中的溶解度利用Peng-Robinson (PR)狀態方程通過閃蒸計算得出，CO2在水相中的溶解度采用Henry定律計算。
圖2. 井筒-油藏耦合模型縱剖面
作者對目標儲層采用了10年交替注入CO2和水的方法進行開發。在第一個(即0–2.5年)和第三個(即5.0–7.5年)2.5年期間，進行CO2注入。在第二個(即2.5–5.0年)和第四個(即7.5–10.0年)2.5年期間進行注水，以提高注入流體的波及體積，增強地熱層的傳熱能力。經過10年的交替注入周期，連續注入CO2 100年，用于CO2封存和地熱儲能。
作者對本次模擬采用了三種情形：情形一，先將CO2或水注入地熱層進行取熱，再將高能CO2注入目標地質儲層進行CO2利用，即提高原油采收率；情形二，直接向目標儲層注入CO2或水進行驅油；情形三，假設目標油藏枯竭，注入二氧化碳封存100年，在二氧化碳封存的同時，地熱能也儲存在二氧化碳介質中。
主要結論
(1) 地面CO2注入地熱層后，平均溫度提升至341.75 K。注入高能CO2 2.5年后，目標儲層平均溫度大幅提升，目標儲層平均壓力升高至25.1–47.7 MPa，有利于CO2高效利用和地熱儲能。
(2)將地熱能引入目標儲層后，提升了CO2在儲層流體中的溶解度，降低了原油粘度，提高了原油流動性，有利于CO2驅替微孔隙中的原油，同時提高油藏地質體對CO2的封存容量。因此，目標儲層中的封閉空間成為未來大規模CO2封存和地熱儲能的適宜場所。
(3)注入CO2 110年時，地質體利用效率達到91.2%，現場最終注入CO2量高達9.529×108 t。經過1000年的固存，CO2主要以超臨界CO2的形式存在，占總CO2的70%;其次是液態的CO2，然后是礦化相的CO2。
(4) CO2可以作為一種合適的地熱儲能介質，從深層地熱層中提取熱量，然后將提取的熱量有效地儲存在目標儲層中。CO2注入100年后，可在CO2中儲存高達2.46×108 GJ的地熱能，可為超過3500萬個普通家庭提供每年的電力供應。
總結
二氧化碳地熱儲能與地質利用封存一體化方法考慮熱質傳遞機制，明確了CO2提高原油采收率-地質封存-地熱儲能協同耦合機理，建立了以CO2為介質的提高原油采收率與封存儲能一體化模擬方法，驗證了CO2提采-封存-儲能協同耦合的可行性，為CO2高效地質利用提供了新的路徑，實現油氣采收率提高10.1%，儲層利用率提高31%，每百萬噸CO2儲能達到2.60×106 MJ，該方法可為保障國家能源戰略安全、實現綠色低碳可再生能源高效開發和我國“雙碳”目標提供啟發。
文章信息：
An Integrated Framework for Geothermal Energy Storage with CO2 Sequestration and Utilization
地熱能儲存與CO2封存和利用的一體化框架
作者：
劉月亮, 胡婷, 芮振華, 張政, 都凱, 楊濤, Birol Dindoruk, Erling Halfdan Stenby, Farshid Torabi, Andrey Afanasyevc
論文鏈接：
https://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.12.010
http://doi.org/10.1016/j.eng.2022.12.010
引用：
Yueliang Liu,Ting Hu,Zhenhua Rui,Zheng Zhang,Kai Du,Tao Yang,Birol Dindoruk,Erling Halfdan Stenby,Farshid Torabi,Andrey Afanasyev.An Integrated Framework for Geothermal Energy Storage with CO2 Sequestration and Utilization[J].Engineering,2023,30(11):121-130.
開放獲取全文
www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.12.010
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