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地热发电技术发展的重大变革

面对地层结垢这一大难题,一种新型地热井产能恢复与激发技术可显著提高地热生产井性能。

作者: Andrew Dine | 2022年6月30日 | 阅读时间: 1 分钟

地热生产井在运行过程中,结垢现象时有发生,这会导致产量大幅下降甚至停产。此类结垢通常为方解石。但如果储层液体中含有大量的硅,那么结垢也可能含有硅。这样的结垢更坚硬,也更难去除。尽管地层结垢问题特别复杂,其只能通过化学方法而不是物理方法进行处理,但在高焓值生产井中,井筒和岩层本身都可能发生闪蒸和结垢。图 1 显示了典型地热井的结构,其中标有结垢位置。

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图 1 地热生产井的生产区域及结垢区域。[1]

采用传统的化学方法处理生产井中的结垢时需要使用盐酸 (HCI)。盐酸虽然可以对方解石产生作用,但不可溶解二氧化硅和硅基沉积物。一些公司已尝试使用连续油管施加土酸。然而,由于酸具有一定强度和腐蚀性,可能带来重大的风险,比如腐蚀或对人类和环境造成影响,其结果也不尽相同。鉴于这些问题,这种方法已逐步被取代。

Contact Energy 的创新力

Contact Energy 是世界上历史最悠久的地热发电公司,旗下多个新西兰工厂都出现过地热井结垢的情况。事实上,在位于 Taupō 的 200 兆瓦 Wairakei 地热电站,一口 8 兆瓦 (MW) 的生产井在结垢后,所产生的蒸汽流量会大大减少,以致于该生产井无法继续向电厂输出电力。废弃该井并钻取新井的成本将高达 1000 万美元,因此并非理想的方案。使用氢氟酸之类的刺激性化学品清洁地热井同样缺乏优势,因为它成本高、腐蚀性强,无法长期维持清洁效果,并且会给操作人员带来风险。

了解传统化学方法存在的问题并致力于不断改进,Contact Energy 工程师们与索理思专家合作,共同寻找一种既可清除结垢,又可帮助受影响的生产井恢复最高产能的全新方法。索理思推荐了一种新的岩层清洁方法,该方法结合了储层工程、地质学和泵送动力学的先进概念。这种解决方案使用低浓度化学品,通过高压、高流速和严格控制的流量,让清洁化学品渗入岩层的裂缝中并溶解结垢,从而增加通过岩层的流量 (见图 2)。

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图 2 准备将清洁液注入生产井中。

该化学产品组合不仅采用了创新应用技术,还包含了由隔离剂、聚合物、酸和碱溶液组成的独特组合。从石油和天然气行业提取的传统抑制剂,价格昂贵,并且通常使用有毒和/或致癌增强剂,如锑。索理思团队研发的化学处理方案在地热条件下表现异常出色,显著提高了安全性,并且更具成本效益。

屡获殊荣的成果

索理思在其它生产井中进行的试验(例如在墨西哥进行的试验)证明,其新方法可成功使废弃的生产井全面恢复其历史最高产能。种种迹象表明,该方法可能属于产能激发技术,既可溶解结垢,也可溶解岩石矿物。但是,Wairakei的地质状况要复杂得多,其复杂的进料区增加了有效确定化学成分的难度。索理思依赖 Contact Energy 的压力瞬变分析技术,确保正确的化学成分渗入到地层,并进入正确的区域。

面对如此复杂的情况,索理思解决方案仍取得了出色的成果,地热井产能达到了该井预期可恢复产能的 130%(见图 3)。这意味着,清洁之后,年平均发电量增加了约 50,000 兆瓦时,平均功率为 7 兆瓦。地热能源是一种低碳能源,因此给碳排放带来了积极影响。与化石燃料替代品相比,7 兆瓦地热发电一年的估计排放量为 1080 吨二氧化碳当量(包括甲烷在内)。如果使用煤炭输出 7 兆瓦电力所产生的排放量大约是 58,600 吨二氧化碳当量,使用联合循环燃气发电时,排放量为 23,900 吨二氧化碳当量。

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图 3 清洁后,生产井输出蒸汽值从 2t/h 增加到 39t/h 的蒸汽峰值。

基于这些成果,Contact Energy 位于 Wairakei 的项目,因其在碳减排方面取得的成绩而荣获 2021 年索理思可持续发展奖。索理思可持续发展奖计划审查了过去 12 个月中完成的客户项目,选出了价值高、影响力大的项目。该奖项旨在表彰五个可持续发展项目类别,即减少用水量、减少能源使用、改善碳足迹、减少浪费和提高原材料的利用率。

通过改变创造更美好的未来

Wairakei 的成功得益于其特别复杂的地热井动力学,充分显示了推动技术创新的协作力量。索理思与 Contact Energy 携手,共同开发出一套具有诸多明显优势的解决方案 — 使用更环保、更安全的化学品,更好地了解地热井流动反应、具备高度针对性的进料区应用技术,以及与替代技术或钻取新井相比,成本更加低廉的地热井清洁方法。

与传统的方法相比,这种新型技术能够显著改善该行业对不断减少的生产资产的管理方式。我们希望任何地热发电供应商能够与 Contact Energy 或索理思取得联系,以确定这种方法是否有助于提高其在运营过程中的发电能力。

参考资料

[1] Zarrouk,S.J. 和 McLean,K. 地热井测试分析: 基本原理、应用和先进技术, Elsevier,第一版,(2019)

Andrew Dine

新西兰大区经理

Andrew 在工业用水处理领域拥有 20 多年的经验,曾在索理思商务管理和营销部门担任过多个职位。Andrew 目前负责新西兰市场的商业运营工作,尤其重视地热发电市场。