一种枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能利用系统和方法

本发明属于地热应用，具体涉及一种枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能利用系统和方法。

背景技术：

1、为了推进地下空间能源化利用，确保能源的持续供应，通常在生产高峰期将氢气或富含氢气的天然气存储于枯竭油气藏中，起到平衡季节性需求波动的作用。注气时采用二氧化碳作为垫层气，由于微生物的代谢活动将氢气和二氧化碳转化为甲烷，长期封存于地下的二氧化碳发生了甲烷化反应。该反应是一种剧烈的放热反应，在德国ketzin城镇储气库项目中已有研究报导，且当气体成分发生3％～4％的微小变化时，温度升高可达30℃～40℃。二氧化碳生化转换为甲烷的最佳温度是30℃～70℃，而中国油气井井底温度一般为65℃～150℃，再考虑到二氧化碳生化转换甲烷是放热反应，如果不将热能及时开发利用，既不利于二氧化碳的生化转换，也会造成中-低温地热资源的浪费。

2、地热能作为一种绿色低碳、稳定连续的清洁能源，可为碳达峰、碳中和需求下能源供给系统的变革提供重要保障。因此在枯竭油气藏储氢的同时，如何将二氧化碳生化转换的热能进行开发利用是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的旨在提供一种枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能利用系统和方法。

2、为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明第一方面提供一种枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能利用的系统，注气井的底部安装有温度监测器并伸至枯竭油气藏中，为二氧化碳和氢气注入至枯竭油气藏提供通道；地热井的底部安装有水泵并伸至地层水中，地热井的顶部经输水管线连接至第一循环水泵，地下水通过第一循环水泵输送至热能发电模块循环后进入第二循环水泵，然后输送至热能直接利用模块循环后进入尾水处理器，尾水处理器经回注管线与回注井相连，所述回注井的底部伸至地层水中，为尾水回注至地下水层提供通道。

4、根据上述的系统，进一步地，所述热能发电模块包括发电机、汽轮机、冷凝器、有机工质和闪蒸器，用于将热能转换为电能；所述闪蒸器与汽轮机和冷凝器经管线连通，有机工质通过管线循环流经于冷凝器、闪蒸器和汽轮机中。

5、本发明第二方面提供一种枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能利用的方法，采用本发明第一方面提供的枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能利用系统，具体步骤包括：

6、s1：将二氧化碳和氢气经注气井注入枯竭油气藏中；

7、s2：利用抽水泵抽取地下水层的热水，所述热水经输水管线和第一循环水泵进入热能发电模块进行发电，再经输水管线和第二循环水泵进入热能直接利用模块进行利用；

8、s3：尾水由第二循环水泵经输水管线进入尾水处理器中进行温度、nacl含量与ph的监测和调控；

9、s4：处理后的尾水经回注管线和回注井重新回注至地层水中实现水循环并用以降低枯竭油气藏的温度。

10、根据所述的方法，进一步地，所述尾水的温度低于10℃，nacl含量低于150g/l，ph为6.5～7.0。

11、根据所述的方法，进一步地，步骤s2中，所述第一循环水泵将输水管线中的热水运输至闪蒸器内，并将降温后的热水回流至输水管线中。

12、根据所述的方法，更进一步地，输水管线中的热水经闪蒸器降温后，通过第一循环水泵的出水口、输水管线、第二循环水泵的进水口进入热泵中，进行第二次热量转换。

13、根据所述的方法，进一步地，所述闪蒸器与汽轮机和冷凝器经管线连通，有机工质通过管线循环流经于冷凝器、闪蒸器和汽轮机中。

14、根据所述的方法，更进一步地，所述有机工质经冷凝器冷凝后流入闪蒸器中，与闪蒸器中的热水完成热量交换。

15、根据所述的方法，进一步地，所述有机工质流入闪蒸器时，进行降压闪蒸后发生汽化，汽化后推动汽轮机做功将热能转化为机械能，所述发电机通过汽轮机做功后产生电能。

16、根据所述的方法，进一步地，所述有机工质的沸点低于30℃。

17、根据所述的方法，更进一步地，所述有机工质为氟利昂、正丁烷中的至少一种。

18、根据所述的方法，更进一步地，发电结束后，所述冷凝器再将蒸汽状态的有机工质冷凝为液态，回流至闪蒸器内，继续进行循环发电过程。

19、根据所述的方法，进一步地，步骤s2中，所述第二循环水泵将输水管线中的热水运输至热泵内，并将降温后的热水回流至输水管线中，将热能完全利用后的水排至所述尾水处理器内。

20、根据所述的方法，进一步地，输水管线中的热水经第二循环水泵进入热泵后发生热量交换，热泵获得的热能进行供热、洗浴、种植和/或养殖。

21、本发明的思路是将氢气和二氧化碳注入并储存至枯竭油气藏，由于二氧化碳在枯竭油气藏中生化转换为甲烷并释放热量，本发明再将地下水层中的热水抽取进行开发利用，利用后的冷水经处理后又被回注至地下水层，以降低枯竭油气藏的温度，使油气藏中二氧化碳生化转换为甲烷的反应始终保持在30～70℃的温度环境，促进生化转换反应的进行，从而形成了枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能的梯级、循环利用。

22、根据中-低温地热资源的不同温度(中温90～150℃，低温25～90℃)，本发明将开发的热能采用发电和直接利用结合的梯级利用方式。发电站类型是有机朗肯循环发电系统，使用常温下为液态且低沸点的有机工质作为工作流体，与地热水换热后转为气态来推动涡轮发电机，70℃的热源即可完成发电循环。发电后的热水还可以继续按温度降低的顺序直接利用于许多工业、半工业和农业等工程，例如20℃可用于水产养殖，30℃可用于水疗洗浴，40℃可用于泳池供热等。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

24、(1)本发明通过对枯竭油气藏地下空间的能源化利用，不仅达到了二氧化碳封存与转化的目的，还对二氧化碳生化转换的热能进行了开发利用，同时热能的合理使用降低了枯竭油气藏的温度，保障了二氧化碳生化转换的最佳温度，属于非常良性的循环。

25、(2)本发明提供的枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能利用系统和方法，通过注气井、地热井、尾水回注井、温度监测器，以及热能发电系统和直接利用系统构成了枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能的梯级、循环利用，实现了热能的最大化利用。

26、(3)本发明在对枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能的开发利用过程中，始终保持了绿色经济、持续循环的生态理念与实践模式，易于推广应用。

技术特征：

1.一种枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能利用系统，其特征在于，注气井(1)的底部安装有温度监测器(11)并伸至枯竭油气藏中；地热井(6)的底部安装有抽水泵(5)并伸至地层水中，地热井(6)的顶部经输水管线(6-1)连接至第一循环水泵(11)，地下水通过第一循环水泵(12)输送至热能发电模块(7)循环后进入第二循环水泵(13)，然后输送至热能直接利用模块(8)循环后进入尾水处理器(9)，尾水处理器(9)经回注管线(10-1)与回注井(10)相连，所述回注井(10)的底部伸至地层水中。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热能发电模块(7)包括闪蒸器(7-5)、有机工质(7-4)、冷凝器(7-3)、汽轮机(7-2)、和发电机(7-1)，所述闪蒸器(7-5)与汽轮机(7-2)和冷凝器(7-3)经管线连通，有机工质(7-4)通过管线循环流经于冷凝器(7-3)、闪蒸器(7-5)和汽轮机(7-2)中。

3.一种枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能利用方法，利用权利要求1或2所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述尾水的温度低于10℃，nacl含量低于150g/l，ph为6.5～7.0。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤s2中，所述第一循环水泵(12)将输水管线(6-1)中的热水运输至闪蒸器(7-5)内，并将降温后的热水回流至输水管线(6-2)中。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述闪蒸器(7-5)与汽轮机(7-2)和冷凝器(7-3)经管线连通，有机工质(7-4)通过管线循环流经于冷凝器(7-3)、闪蒸器(7-5)和汽轮机(7-2)中。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述有机工质(7-4)流入闪蒸器(7-5)中进行降压闪蒸后发生汽化，汽化后的有机工质(7-4)推动汽轮机(7-2)做功将热能转化为机械能，所述发电机(7-1)通过汽轮机(7-2)做功后产生电能。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述有机工质(7-4)的沸点低于30℃。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤s2中，所述第二循环水泵(13)将输水管线(6-2)中的热水运输至热泵(8-1)内，并将降温后的热水回流至输水管线(6-3)中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，输水管线(6-2)中的热水经第二循环水泵(13)进入热泵(8-1)后发生热量交换，热泵(8-1)获得的热能进行供热、洗浴、种植和/或养殖。

技术总结
本发明属于地热应用技术领域，具体涉及一种枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能利用系统和方法。所述系统包括注气井、水泵、地热井、热能发电模块、热能直接利用模块、尾水处理器、回注井和温度监测器；本发明在储层温度高、富水性高的枯竭油气藏建立注气井并储存氢气和二氧化碳，同时促进二氧化碳生化转换释放热能；通过将地下热水抽取至热能发电模块和热能直接利用模块，对地热资源进行开发利用，利用后的冷水经处理后被回注至地下水层，降低枯竭油气藏的温度，使油气藏中二氧化碳生化转换为甲烷的反应保持在接近30~70℃的温度环境，同时补充地下水饱和度，避免地下热水资源的过度开采，形成了枯竭油气藏二氧化碳生化转换热能的梯级、循环利用。

技术研发人员：侯正猛,吴旭宁,刘建华,王克科,李早元,黄亮朝
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12