一种提高咸水层压缩空气储能地下回收能量效率的方法技术

本发明专利技术提供一种提高咸水层压缩空气储能地下回收能量效率的方法，包括查明目标场地的深部地质情况和性质，确定目标储气咸水层、盖层及下伏地层的位置、结构和性质；利用数值模拟计算确定U型工作井的设计方案，选择回收效率高的U型工作井设计方案，U型工作井包括U型井外井和U型井内井，U型井外井上设有射孔，U型井内井设在U型井外井内，U型井内井和U型井外井均延伸至下伏地层；根据选择的U型工作井设计方案，进行场地的钻井和完井的施工；布置地表储能系统的装置形成整套储能系统；注入空气或采出空气，本发明专利技术实现空气在保证循环压力不变的情况下，得到多余的地下补热增加空气在井口的出口温度，从而增加地下能量回收效率。从而增加地下能量回收效率。从而增加地下能量回收效率。

【技术实现步骤摘要】
一种提高咸水层压缩空气储能地下回收能量效率的方法


[0001]本专利技术属于地下深部孔隙空间利用及新能源储能
，具体涉及一种提高咸水层压缩空气储能地下回收能量效率的方法。

技术介绍

[0002]双碳目标实现的重要技术途径是能源结构转型，从传统的化石能源转变为以清洁可再生的能源为主的体系。风、光装机发电在近两年实现了大跨度地增长，不同地区和部门都在针对区域内可适应的风、光资源进行合理的利用。但利用风、光并网发电的重要痛点在于其资源本身具有间歇性和随机性的特点，难以满足供电安全稳定性的要求。
[0003]大规模的储能技术是目前解决风、光稳定供电的首选方法，针对风光+储能的整套系统在国内和国际上开始了大范围的发展。传统的抽水蓄能，技术成熟，效率在70％以上，占世界大规模储能工程的绝大部分，但抽水蓄能对地形、水资源具有一定的要求，且其对环境有一定的影响。目前，另一种大规模的物理储能技术压缩空气储能开始了极速的发展，特别是利用地下深部空间进行储气的系统，占地面积小、可储能时间长。相比于盐穴空间，深部地下咸水层已经证明可以用来进行储气，且由于咸水层分布广，储能空间和潜力更为巨大，已经成为世界大规模储能的研究重点。
[0004]利用咸水层进行储能的关键问题在于地下能量回收的效率。目前，从地下回收能量的效率角度来看一般在80
‑
90％左右，如何进一步提升该效率从而提高整个储能技术的应用性是需要研究的问题。从现有技术和研究来看，地下深部的地热能有潜力可以为储能过程中提供一定的补热，有研究提出在多配置一套地热开采系统对井口开采空气进行加热，但该种方式需要额外增加地热开采系统的成本且是一种松散的两套系统，或者也有研究提出通过把压缩空气放到更深的储层进而提高周边对空气的补热，但该方法的缺点在于其同时增加了空气循环的压力，对压缩设备和膨胀机的整体效率造成了影响。如何发展一种更加紧密且成本较低，并且能够在不改变循环压力的同时提高地下能量回收效率的方法还未可见。

技术实现思路

[0005]根据现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种提高咸水层压缩空气储能地下回收能量效率的方法，通过对本身储能工作井的优化，实现空气在保证循环压力不变的情况下，得到多余的地下补热增加空气在井口的出口温度，从而增加地下能量回收效率，不需要额外增加地热开采系统。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种提高咸水层压缩空气储能地下回收能量效率的方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1、查明目标场地的深部地质情况和性质，确定目标储气咸水层，盖层及下伏地层的位置、结构和性质；
[0009]步骤S2、利用数值模拟计算确定U型工作井的设计，包括在探明深部地层情况后给
出多种U型工作井设计方案，利用地质建模软件进行场地地质建模并使用气
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水
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热井筒储层耦合模拟器对多种U型工作井设计方案进行数值模拟，分析循环过程压力
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温度变化，利用地下回收能量公式计算效率，选择回收效率高的U型工作井设计方案，其中，U型工作井包括U型井外井和U型井内井，所述U型井外井上设有射孔，所述U型井内井设在所述U型井外井内且与所述U型井外井间隔一定距离，所述U型井内井和所述U型井外井均延伸至下伏地层；
[0010]步骤S3、根据选择的U型工作井设计方案，进行场地的钻井和完井的施工；
[0011]步骤S4、布置地表储能系统的装置形成整套储能系统，包括储热装置、压缩机系统和膨胀机系统；
[0012]步骤S5、在注入空气过程中，空气通过U型井内井进入，空气流动至U型井内井底部后进入U型井外井和U型井内井之间向上运动，最后通过U型井外井上的射孔进入目标储气咸水层；在采出空气过程中，空气从目标储气咸水层中进入U型井外井和U型井内井之间，向下运动至井底后进入U型井内井，最后沿着U型井内井向上进入井头，空气被采出。
[0013]进一步地，所述步骤S1中，深部地质情况探测范围为0～3000米，通过测井、垂直地震剖面测试、二维或者三维地震勘探、钻预探井和取心、干扰试验、地层水化学分析、岩心驱替实验查明目标场地的深部地质情况和性质。
[0014]进一步地，所述步骤S1中，目标储气咸水层选择原则包括：储能规模和储层封闭结构匹配合理，背斜或者断层封闭结构；储层渗透率需要大于100md且储层厚度要求大于10m，孔隙度需要大于0.1；盖层封闭性良好且具有一定范围内的完整性，区域地质情况稳定性较好；下伏地层具有较大的温度。
[0015]进一步地，在步骤S2中，U型工作井的设计原则为：U型井外井仅在目标储气咸水层深度范围内完全射开，允许空气和U型工作井在储能释能过程中进出储层；U型工作井钻井深度根据实际地层钻孔完井成本、回收效率进行多种方案优选，但U型工作井井底所在深度的温度最少要大于80℃。
[0016]进一步地，在步骤S2中，数值模拟过程为：需要进行实际场地地质建模和运行过程中井口采出气的压力和温度模拟，实际场地地质建模根据情况选择二维径向模型或三维建模，模拟空气在整个地下过程循环后出口的压力和温度，需要采用适合于气
‑
水
‑
热井筒
‑
储层耦合的数值模拟程序T2WELL/EOS3。
[0017]进一步地，在步骤S2中，计算每个循环过程的地下能量回收效率时，忽略地表过程，只考虑空气在采出井口和空气进入井口时的总能量之比，不同时间的比焓值可由T2WELL/EOS3计算，单一循环的地下能量回收效率采用以下公式进行计算；
[0018][0019]E
efficiency
＝E
pro
/E
inj
ꢀꢀ
(2)
[0020]其中，E
inj/pro
为计算单次循环注入或者抽采空气的总能量，Q
air
是当前的注入或者采出流量，h(t)是对应时间的比焓；E
efficiency
为单次循环地下能量回收效率。
[0021]进一步地，在步骤S2中，在U型工作井的设计过程中，需要考虑U型井外井的直径、延伸深度以及U型井内井的直径、延伸深度。
[0022]进一步地，在步骤S3中，钻井时需要考虑：保证在高温高压状态下气密性良好；固井时，降低对周围地层的损害；应考虑储气目标层和外层井筒间的防砂并注意含水层中气
水混合物对井管的腐蚀影响。
[0023]进一步地，在步骤S3中，U型井外井和U型井内井在井底处需要预留一段的空间，保证内U型井外井和U型井内井在流量交换时减少摩擦；U型井外井外围在背景温度较低的深度范围内设置保温层。
[0024]进一步地，在步骤S4中，压缩机系统包括多级压缩机，每级压缩机后设置换热器，对每级压缩机后的空气进行降温，并通过储热装置进行压缩热的储存，膨胀机系统包括多级膨胀机，在每级膨胀机前通过换热器提取储热装置中所储存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高咸水层压缩空气储能地下回收能量效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、查明目标场地的深部地质情况和性质，确定目标储气咸水层、盖层及下伏地层的位置、结构和性质；步骤S2、利用数值模拟计算确定U型工作井的设计，包括在探明深部地层情况后给出多种U型工作井设计方案，利用地质建模软件进行场地地质建模并使用气
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水
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热井筒储层耦合模拟器对多种U型工作井设计方案进行数值模拟，分析循环过程压力
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温度变化，利用地下回收能量公式计算效率，选择回收效率高的U型工作井设计方案，其中，U型工作井包括U型井外井和U型井内井，所述U型井外井上设有射孔，所述U型井内井设在所述U型井外井内且与所述U型井外井间隔一定距离，所述U型井内井和所述U型井外井均延伸至下伏地层；步骤S3、根据选择的U型工作井设计方案，进行场地的钻井和完井的施工；步骤S4、布置地表储能系统的装置形成整套储能系统，包括储热装置、压缩机系统和膨胀机系统；步骤S5、在注入空气过程中，空气通过U型井内井进入，空气流动至U型井内井底部后进入U型井外井和U型井内井之间向上运动，最后通过U型井外井上的射孔进入目标储气咸水层；在采出空气过程中，空气从目标储气咸水层中进入U型井外井和U型井内井之间，向下运动至井底后进入U型井内井，最后沿着U型井内井向上进入井头，空气被采出。2.根据权利要求1所述的提高咸水层压缩空气储能地下回收能量效率的方法，其特征在于：所述步骤S1中，深部地质情况探测范围为0～3000米，通过测井、垂直地震剖面测试、二维或者三维地震勘探、钻预探井和取心、干扰试验、地层水化学分析、岩心驱替实验查明目标场地的深部地质情况和性质。3.根据权利要求1所述的提高咸水层压缩空气储能地下回收能量效率的方法，其特征在于：所述步骤S1中，目标储气咸水层选择原则包括：储能规模和储层封闭结构匹配合理，背斜或者断层封闭结构；储层渗透率需要大于100md且储层厚度要求大于10m，孔隙度需要大于0.1；盖层封闭性良好且具有一定范围内的完整性，区域地质情况稳定性较好；下伏地层具有较大的温度。4.根据权利要求1所述的提高咸水层压缩空气储能地下回收能量效率的方法，其特征在于：在步骤S2中，U型工作井的设计原则为：U型井外井仅在目标储气咸水层深度范围内完全射开，允许空气和U型工作井在储能释能过程中进出储层；U型工作井钻井深度根据实际地层钻孔完井成本、回收效率进行多种方案优选，但U型工作井井底所在深度的温度最少要大于80℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：李毅，孙睿康，王林举，曹倩倩，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：