Вопросы и ответы:Нефтяные и газовые скважины для хранения энергии

Профессор Ирадж Эршаги и группа исследователей из Университета Южной Калифорнии (USC) нашли способ использовать бездействующие нефтяные и газовые скважины для хранения энергии — одной из основных проблем при производстве солнечной и ветровой энергии.

Технические обзоры: Откуда взялась эта идея?

Профессор Ирадж Эршаги: Серьезной проблемой в этой стране является то, что делать с большим количеством нефтяных и газовых скважин, которые достигли конца своего продуктивного срока службы и должны быть навсегда ликвидированы. Ликвидация скважин является серьезной проблемой, с которой сталкиваются все нефтяные компании. Я говорю о крупных компаниях — компаниях меньшего размера, которые иногда не могут позволить себе заплатить за ликвидацию, могут просто объявить о банкротстве и уйти. Затем это становится обязанностью государства, и цена отказа может быть огромной.

В Калифорнии более 37 000 скважин, которые в настоящее время простаивают, а во всех США вы говорите о более чем миллионе. Меня всегда интересовала проблема ликвидации скважин, и я думал о том, что инженерное сообщество может сделать, чтобы снизить стоимость ликвидации и сделать ее более эффективной.

Одна из проблем заключается в том, что при ненадлежащем отказе от скважины она может стать источником утечки газа. Это не только плохо из-за того, что способствует выбросу парниковых газов, но и неинтересно неосознанно строить дом на вершине заброшенного колодца, а затем сталкиваться с утечкой газа в гараж.

Я задавался вопросом, почему это происходит. Одна из моих мыслей заключалась в том, что, может быть, его не забросили должным образом, может быть, цемент, который они использовали, был неподходящим. Таким образом, часть моего интереса заключалась в том, как сделать это более эффективно и более ответственно. Во многих случаях трудно даже найти заброшенную скважину, потому что, когда кто-то ее бросает, он разрезает обсадную колонну, чтобы ее можно было скрыть.

Затем к нам обратилась компания и сказала, что они были бы заинтересованы в сотрудничестве с ОСК, чтобы узнать, сможем ли мы помочь им в серьезной проблеме, с которой сталкивается отрасль возобновляемой энергетики, — в хранении энергии. У них сложилось впечатление, что, возможно, в качестве хранилища можно использовать пустые резервуары для хранения нефти и газа. Мой первый ответ был:даже не думай об этом. Нецелесообразно нагнетать сжатый воздух с кислородом в резервуары с углеводородами.

Я знал, что McIntosh Power Company в Макинтоше, штат Алабама, пробурила огромные геологические структуры, состоящие из соли, называемые соляными куполами. Они создали полости в этих отложениях соли для хранения сжатого воздуха в то время, когда источник энергии производит избыточную ненужную мощность. Когда им нужно использовать накопленную энергию, они выпускают сжатый воздух для запуска турбины, вырабатывающей электричество.

Хотя у нас в Калифорнии нет соляных куполов, мы знаем, что по мере продвижения от поверхности до подповерхностных углеводородных зон вы увидите слои песчаника, наполненные древней соленой морской водой. Это отложения, отложившиеся в то время, когда Калифорния была покрыта водой, поэтому содержание воды в этих геологических слоях соленое. У нас возникла идея, что, возможно, мы могли бы использовать подход Макинтоша, но вместо этого хранить сжатый воздух в этих песчаных отложениях, содержащих соленую воду. Один из наших преподавателей, д-р Джа, подсчитал, что если бы вы могли спуститься ниже 4000 футов, у вас было бы достаточно хранилища для производства от 5 до 10 мегаватт электроэнергии в радиусе 2000 футов вокруг бездействующей скважины, перепрофилированной в нагнетательную. Вокруг колодцев в Калифорнии много акров футов пластов, которые можно использовать для хранения больших объемов.

Калифорнийские правила требуют, чтобы коммунальные предприятия к определенной дате разработали большую емкость для хранения энергии. Коммунальные предприятия в соответствии с этим законодательным мандатом борются, потому что они рассчитывали на батареи, и на данный момент технология батарей еще недостаточно хороша, чтобы удовлетворить эту потребность. Именно тогда нас осенило, что приемлемым решением в Калифорнии могло бы стать использование соляного водоносного горизонта для хранения сжатого воздуха.

Мы слышали от нефтяных компаний, что они приветствовали бы такое использование некоторых из своих скважин для хранения энергии, потому что это дало бы им кредиты с отрицательным выбросом углерода. В Калифорнии вы должны быть углеродно-нейтральными — на каждый баррель нефти, которую они добывают, операторы должны каким-то образом продемонстрировать, что они снижают выбросы CO_2. проблема.

Сейчас мы разговариваем с некоторыми операторами, которые проявили интерес к использованию своих простаивающих скважин для демонстрационного проекта.

Мои коллеги и я очень рады думать, что это изменит ситуацию с точки зрения упрощения и внедрения возобновляемых источников энергии на энергетический рынок Калифорнии.

Технические обзоры: Где вы кладете цемент по отношению к водоносному горизонту?

Профессор Эршаги: Типичная скважина имеет ряд труб, ведущих к месторождениям углеводородов. В бездействующей скважине над углеводородным пластом устанавливается цементная пробка. Однако поверхностный кожух может быть отрезан на глубине 50 или 70 футов от поверхности и засыпан. Иногда это может стать проблемой для окружающей среды, требующей дорогостоящего ремонта.

С другой стороны, мы предлагаем решение, не требующее разрезания устья скважины. Нефть и газ могут находиться на глубине 9000 футов под поверхностью, но могут быть и сотни футов песчаника, содержащего соленую воду, примерно на 5000 футов ниже поверхности. Эти отложения ранее игнорировались из-за соленой воды.

Если источник солнечной энергии производит избыточную энергию, было бы идеально, если бы ее можно было хранить для использования в ночное время или для подачи электроэнергии в случае отключения электроэнергии. Мое предложение состоит в том, чтобы сохранить эту избыточную мощность для использования позже, когда она понадобится, используя ее для запуска воздушного компрессора. Затем сжатый воздух будет нагнетаться в песчаник, содержащий соленую воду.

Мы делаем что-то похожее на водяную плотину, где вы производите электричество, потому что вода высвобождает свою потенциальную энергию, стекая вниз по плотине и вращая турбину. В этом сценарии кинетическая энергия сжатого воздуха передается воде, которая питает турбину, а затем и генератор. Когда запасенная энергия необходима, сжатый воздух поднимается на поверхность и создает давление в контейнере с водой, чтобы запустить турбину.

Кроме того, мы предлагаем разместить датчики на поверхности существующих скважин, чтобы мы также могли обнаруживать в режиме реального времени любую утечку углеводородов.

Поскольку вода имеет низкую сжимаемость, сохраняемое ею пластовое давление может составлять, например, 3000 фунтов на квадратный дюйм. Когда производишь от этого пару дней, давление падает очень быстро. Когда оно падает до определенного уровня, скажем, до 500 фунтов на квадратный дюйм, компрессор автоматически запускается, чтобы довести давление до 3000 фунтов на квадратный дюйм за счет нагнетания большего количества воздуха.

Измеряя толщину и площадь отложений водно-болотных угодий, мы знаем объем и можем рассчитать, сколько воздуха можно хранить для преобразования в энергию. Наши расчеты показывают, что это добавит к стоимости электроэнергии не более нескольких копеек.

Технические обзоры: Не могли бы вы рассказать немного больше о взаимодействии между воздухом и водой?

Профессор Эршаги: Это похоже на то, что мы делаем, когда храним природный газ. Вы храните природный газ в нефтяном резервуаре. Когда вы закачиваете газ, он выталкивает нефть обратно, а когда вы добываете, вы добываете. Это похоже на движение йо-йо туда-сюда, туда-сюда:вводить, затем производить.

Мы подсчитали, что на скважине можно хранить от 5 до 10 мегаватт. Умножьте это примерно на 37 000 простаивающих скважин в Калифорнии, и вы получите гигаватт. Это будет основной источник электроэнергии. Государство могло бы стать самодостаточным, ему больше не нужно было бы импортировать топливо. Это было бы беспроигрышным вариантом, потому что добыча нефти и газа в Калифорнии падает, а спрос на электроэнергию никуда не денется.

Допустим, я нефтепромысловик, и у меня может быть тысяча скважин. Я мог бы знать, что определенная часть резервуара была истощена. Эти скважины больше не смогут давать достаточно нефти, чтобы сделать их экономически жизнеспособными. В этом истощенном районе может быть от 10 до 30 скважин. С ними вы легко построите 100-мегаваттную установку.

Прелесть этого метода в том, что его можно использовать в большинстве районов США, а не только в нефтедобывающих районах.

Например, в Нью-Йорке, хотя у вас нет крупномасштабной добычи нефти и газа, у вас есть залежи водяных песков над девонскими сланцами, которые можно было бы использовать. В любой части США во время бурения вы увидите соленые водоносные горизонты. Миллион лет назад большая часть территории США была покрыта водными путями, так что сейчас повсюду влажные отложения. Вы могли бы находиться в государстве, в котором никогда не было ни капли нефти или газа, но в нем все еще были бы эти влажные слои под землей. У геологической службы США есть карты, на которых показано расположение подземных месторождений влажных песков.

Технические обзоры: Вы упомянули, что в Калифорнии эти пески содержат соленую воду; это должно быть солевым раствором, чтобы это сработало?

Профессор Эршаги: С нехваткой пресной воды, с которой мы сталкиваемся во многих частях США, было бы не очень хорошей идеей использовать для этой цели подземные ресурсы пресной воды. Однако, если мы пойдем достаточно глубоко, любая вода, которую мы обнаружим, скорее всего, будет соленой.

Объяснение требует краткого урока геологии. Если вы построите график температуры Земли за последние 300 миллионов лет, по сути, это покажет, что температура Земли была иногда очень высокой, а иногда очень низкой. Когда большая часть поверхности земли была покрыта водой, она переживала периоды замерзания и оттаивания. Это постепенно разрушало участки скальных образований, и накапливались обломочные материалы.

Отложения, образовавшиеся в результате эрозии горных пород, насыщались морской водой с подъемом океанов. Вот почему самые глубокие залежи воды соленые, а пресная вода, которая так необходима в таких местах, как Калифорния, гораздо мельче и обычно пополняется дождевой водой.

Как вы знаете, в течение последних двух десятилетий предпринимались усилия по улавливанию и секвестрации углерода. Идея заключалась в том, что если у вас слишком много углекислого газа, вы просто храните его в подземных геологических образованиях. Но были опасения по поводу утечки углекислого газа. Таким образом, в предлагаемой нами концепции накопления энергии мы также извлекаем пользу из этого опыта, потому что существует множество исследований и моделей, касающихся подземного CO₂. секвестрация. У нас ситуация намного проще, потому что если вы храните воздух под землей, даже если он просачивается, какая разница — вы просто добавляете в воздух больше воздуха, в нем нет углекислого газа, нет токсичного топлива, это просто воздух.

Сейчас причина, по которой люди не строят возобновляемые источники энергии так быстро, как это необходимо, заключается в том, что экономика выглядит не очень хорошо. Дело в том, что строительство этих объектов стоит больших денег, и на данный момент вы не используете каждый вырабатываемый киловатт, значительная часть этой энергии может быть просто потрачена впустую без крупномасштабного хранения.

Итак, если вы придумаете способ хранить электроэнергию, а затем использовать ее, когда она вам понадобится, вы решите серьезную экономическую проблему. Это сделало бы расширение использования возобновляемых источников гораздо более приемлемым для инвесторов и общества в целом.

Технические обзоры: Вы в основном говорите, что используете существующую технологию, но применяете ее более экономичным и полезным способом?

Профессор Эршаги: Я думаю, что наш вклад заключается в следующем. Во-первых, это проверенная технология, что люди хранят воздух в соляных куполах. Наш первый вклад заключается в том, что вам не нужен соляной купол — если у вас есть солевой водоносный горизонт, он может справиться с этой задачей. Во-вторых, такое впечатление, что это затратно, потому что надо бурить скважину. Но мы показали, что можем использовать существующие скважины, которые обречены на ликвидацию. Это идея. Таким образом, по сути, используйте бездействующие скважины, используйте засоленный водоносный горизонт и расширяйте технологию, чтобы сделать ее широко доступной, одновременно снижая ответственность перед штатами и общественностью за затраты на ликвидацию скважин.

Технические обзоры: Как насчет потерь энергии при работе компрессора?

Профессор Эршаги: Предположим, вы используете солнечный источник мощностью в сто мегаватт. К тому времени, когда вы возьмете эти сто мегаватт и используете их для производства сжатого воздуха, если вы посмотрите на энергетический баланс, вы, конечно, потеряете энергию. Таким образом, у вас может быть доля доступных мегаватт.

Но это мать-природа. Концепция энтропии заключается в том, что энергия всегда теряется в любом процессе, в котором выполняется работа. Это область исследований:как минимизировать потери.

Таким образом, после того, как 100 мегаватт преобразуются в сжатый воздух, проходят процесс хранения и возвращаются, у вас может быть только 60 мегаватт, которые можно использовать. Но лучше спуститься со 100 до 60, чем вообще не генерировать никакой полезной энергии.

Технические обзоры: Не могли бы вы кратко описать, как будет работать вся операция.

Профессор Эршаги: Для сравнения, на заводе в Алабаме для вращения компрессора используется возвратный воздух. Когда воздух возвращается, он должен быть нагрет, чтобы расшириться, чтобы они могли его использовать. Если вы это сделаете, вам нужно сжигать природный газ для производства тепла. Нам это не нужно, потому что мы используем компрессор для подачи давления на воду. Именно давление воды приводит в действие турбину.

Технические обзоры: Как сжатый воздух передает свою энергию турбине?

Профессор Эршаги: Возвращенный сжатый воздух при необходимости выходит на поверхность и создает давление в воде в вертикальном резервуаре высокого давления. Давление воды активирует и запускает турбину. Кинетическая энергия для выработки электроэнергии исходит от давления сжатого воздуха.

Технические обзоры: Каковы будут экономические стимулы для создания этих систем?

Профессор Эршаги: Во-первых, нам не нужно бурить скважину и проходить разрешительную процедуру. В Калифорнии большая часть нефтяных и газовых земель является платной. Если у меня есть право собственности на дом на платной земле, это означает, что я владею всем, от поверхности до самого центра земли. Если выяснится, что под моей землей есть нефтяное месторождение, я могу сдать свои права на него в аренду нефтяной компании. Как правило, это процент от дохода от того, что производится каждый месяц.

Земля, принадлежащая большинству нефтяных компаний, является платной. Так что, если я оператор, владеющий рядом скважин, часть из которых экономически непродуктивны, это может быть источником дохода. Если я переделаю эти заброшенные колодцы в хранилища, я смогу взимать плату за право их использования. Тогда у оператора будет источник дохода от этих непродуктивных скважин. Между тем, операторы устраняют или откладывают стоимость отказа.

Это также может стать новым источником дохода для землевладельцев:сдача в аренду своих прав на недра операторам хранилищ.

Коммунальные службы сочтут это целесообразным, поскольку они смогут сократить количество нефти и газа, необходимых для производства электроэнергии.

Технические обзоры: Могут ли быть подземные возмущения, подобные тем, которые произошли при гидроразрыве?

Профессор Эршаги: Я рад, что вы задали этот вопрос. Был отчет Национального совета по ресурсам, в котором резюмировались исследования по вопросу о том, вызывает ли фрекинг подземные толчки. Их выводы заключались в том, что нет никаких доказательств того, что реальная практика фрекинга вызвала толчки. Они пришли к выводу, что небольшие землетрясения были вызваны использованными отработанными жидкостями, которые закачивались в колодцы для захоронения. Непрерывное добавление этих жидкостей оказывает давление на песок, тем самым изменяя поля подповерхностных напряжений.

Технические обзоры: Каковы ваши дальнейшие действия?

Профессор Эршаги: У нас будет демонстрационный проект, который будет финансироваться либо коммунальными службами, либо нефтяными компаниями. Я ожидаю, что у нас может быть сайт к следующей осени. Мы уже определили некоторые сайты, которые были бы идеальными, хотя бы для демонстрации. Установка мощностью 5 мегаватт может стоить 22 миллиона долларов, включая дальнейшие исследования взаимодействия нефти и воды. Мы также будем изучать новые материалы, возможно, ставить новые трубки, возможно, использовать композиты, различные виды цемента. В нашу команду входят инженеры-электрики, ученые-исследователи подземных вод, гидрологи, инженеры-разработчики и инженеры по композитам, которые будут работать над оптимизацией системы. Кроме того, мы будем изучать характеристики участка не только с точки зрения надлежащей геологии, но и с точки зрения близости к электросети. Мы также намерены применять цифровые технологии для мониторинга сайта.

Отредактированная версия этого интервью опубликована в выпуске Tech Briefs за февраль 2021 г.