Преобразование неиспользуемых нефтяных и газовых скважин в накопители возобновляемой энергии — исследование USC

Профессор Ирадж Эршаги и команда исследователей Университета Южной Калифорнии (USC) нашли способ использовать неиспользуемые нефтяные и газовые скважины для накопления энергии — одной из главных проблем для солнечной и ветровой энергетики.

Tech Briefs: Откуда пришла эта идея?

Профессор Ирадж Эршаги: Главная проблема в этой стране — что делать с большим количеством нефтяных и газовых скважин, достигших конца их продуктивной жизни и подлежащих постоянному консервации. Консервация скважин — серьезная проблема, стоящая перед всеми нефтяными компаниями. Я говорю о мажорах — мелкие компании, которые иногда не могут позволить себе оплату стоимости консервации, могут просто объявить банкротство и уйти. Тогда это становится ответственностью штата, а стоимость консервации может быть огромной.

В Калифорнии в настоящее время более 37 000 скважин находятся в нерабочем состоянии, а во всей США — более миллиона. Я всегда имел интерес к вопросу консервации скважин и размышлял о том, что инженерное сообщество может сделать для снижения затрат на консервацию и сделать её более эффективной.

Одна проблема заключается в том, что при неправильной консервации скважина может стать источником утечки газа. Это не только плохо из-за вклада в парниковые газы, но и неприятно незаметно построить дом на консервированной скважине, а затем испытывать утечку газа в гараж.

Я изучал вопрос, почему это происходит. Одна из мыслей — возможно, консервация была неправильной, возможно, используемый цемент был неподходящим. Так что часть моего интереса — как сделать это более эффективно и ответственно. Во многих случаях даже трудно обнаружить консервированную скважину, потому что при консервации обрезают обсадную трубу устья скважины, чтобы её можно было скрыть.

Затем к нам обратилась компания, которая заинтересовалась работой с USC, чтобы узнать, можем ли мы помочь им с серьезной проблемой, стоящей перед отраслью возобновляемой энергии — накоплением энергии. У них было впечатление, что, возможно, пустые нефтяные и газовые пласты могут использоваться как накопитель. Мой первый ответ: даже не думайте об этом. Неразумно закачивать сжатый воздух с кислородом в углеводородные пласты.

Я знал, что компания McIntosh Power Company в Макинтош, Алабама, сверлила огромные геологические структуры из соли, называемые солевыми куполами. Они создавали полости в этих соляных отложениях для хранения сжатого воздуха в периоды, когда источник энергии производит излишнюю ненужную мощность. Когда им нужно использовать накопленную энергию, они выпускают сжатый воздух для запуска турбины, производящей электричество.

Хотя у нас в Калифорнии нет солевых куполов, мы знаем, что по мере продвижения от поверхности до подповерхностных углеводородных зон существуют слои песчаника, полные древней соленой морской воды. Это осадки, отложенные в то время, когда Калифорния была покрыта водой, поэтому водное содержание этих геологических слоев соленое. У нас возникла идея, что, возможно, мы могли бы использовать подход McIntosh, но вместо этого хранить сжатый воздух в этих песчанистых отложениях, содержащих соленую воду. Один из наших преподавателей, доктор Джа, рассчитал, что если можно спуститься ниже 4000 футов, можно получить достаточное хранение для производства 5–10 мегаватт электроэнергии в радиусе 2000 футов вокруг неиспользуемой скважины, переоборудованной в нагнетную. Вокруг скважин в Калифорнии существует много акр-футов слоев, которые могут использоваться для большого объема хранения.

Регуляции Калифорнии требуют от коммунальных служб к определенной дате создать большую емкость накопления энергии. Коммунальные службы под этим законодательным мандатом борются, потому что они рассчитывали на батареи, а на данный момент технология батарей еще не достаточно хороша, чтобы удовлетворить эту потребность. И тут нас осенило, что правдоподобное решение в Калифорнии может быть использованием соленых водоносных горизонтов для хранения сжатого воздуха.

Мы слышали от нефтяных компаний, что они приветствуют такое использование некоторых своих скважин для накопления энергии, потому что это дало бы им углеродно-негативные кредиты. В Калифорнии нужно быть углеродно-нейтральным — за каждую бочкой произведенной нефти операторы должны как-то показать, что они смягчают проблему CO₂.

Теперь мы ведем переговоры с некоторыми операторами, проявившими интерес в использовании своих неиспользуемых скважин для демонстрационного проекта.

Мои коллеги и я очень взволнованы, думая, что это будет трансформационным для облегчения и внедрения возобновляемых источников на калифорнийский энергетический рынок.

Tech Briefs: Где вы кладете цемент по отношению к аквиферу?

Профессор Эршаги: Типичная скважина имеет серию труб, ведущих к углеводородным отложениям. В неиспользуемой скважине цементная пробка устанавливается выше углеводородного слоя. Однако обсадная труба может быть обрезана на 50 или 70 футов ниже поверхности и заполнена. Это иногда становится экологической проблемой, требующей дорогостоящей ремедиации.

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

Если солнечный источник энергии производит избыточную мощность, было бы идеально, если бы её можно было сохранить для использования ночью или для снабжения электричеством при снижении напряжения. Мое предложение — хранить эту избыточную мощность для последующего использования, когда она нужна, используя её для работы компрессора воздуха. Сжатый воздух затем будет закачан в песчаник, содержащий соленую воду.

Мы делаем что-то похожее на гидроэлектростанцию, где вы производите электроэнергию, потому что вода высвобождает свою потенциальную энергию, текая вниз через плотину и вращая турбину. В этом сценарии кинетическая энергия сжатого воздуха передается воде, которая задействует турбину и впоследствии генератор. Когда накопленная энергия нужна, прессуризованный воздух поднимается к поверхности и прессуризует емкость с водой для запуска турбины.

Кроме того, мы предлагаем установить датчики на устье существующих скважин, чтобы мы также могли обнаруживать в реальном времени любую утечку углеводородов.

Поскольку вода имеет низкую сжимаемость, её давление пласта может составлять, например, 3000 фунтов на квадратный дюйм. Когда вы добываете из этого пару дней, давление падает очень быстро. Когда оно падает до определенного уровня, скажем, 500 psi, компрессор автоматически запускается, чтобы вернуть давление до 3000 psi закачкой большего воздуха.

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

Tech Briefs: Можете ли вы объяснить подробнее о взаимодействии воздуха и воды?

Профессор Эршаги: Это похоже на то, что мы делаем, когда храним природный газ. Вы храните природный газ в нефтяном пласте. Когда вы закачиваете газ, он отталкивает нефть назад, а когда добываете, добываете. Это просто как йо-йо, идущее туда-сюда, туда-сюда: закачка, затем добыча.

Мы рассчитали, что можно хранить 5–10 мегаватт на скважину. Умножьте это на примерно 37 000 неиспользуемых скважин в Калифорнии, и вы получите гигаватты. Это будет основным источником электроэнергии. Штат может стать энергонезависимым, ему больше не придется импортировать топливо. Это будет выигрыш-выигрыш, потому что добыча нефти и газа в Калифорнии снижается, в то время как спрос на электроэнергию никуда не денется.

Допустим, я оператор нефтяного месторождения, и у меня может быть тысяча скважин. Я могу знать, что определенная часть пласта истощена. Эти скважины больше не смогут производить достаточно нефти, чтобы сделать их экономически жизнеспособными. Там может быть 10–30 скважин в этой истощенной зоне. С ними вы легко строите 100-мегаваттное объекта.

Красота этого метода в том, что он может использоваться в большинстве частей США — он не ограничен нефтедостаточными регионами.

Например, в Нью-Йорке, хотя у вас нет крупномасштабной добычи нефти и газа, у вас есть отложения водянистых песков выше девонского сланца, которые могли бы использоваться. В любой части США, когда вы сверлите вниз, вы увидите соленые аквиферы. Миллион лет назад большую часть США покрывали водные пути, так что теперь влажные осадки есть везде под землей. Вы можете быть в штате, который никогда не производил ни капли нефти или газа, но у него все равно будут эти влажные слои подземно. Геологическая служба США имеет карты, показывающие расположение подземных отложений влажных песков.

Tech Briefs: Вы упомянули, что в Калифорнии эти пески содержат соленую воду; должна ли она быть соленой для работы этого метода?

Профессор Эршаги: С дефицитом пресной воды, с которым мы сталкиваемся во многих частях США, было бы плохой идеей использовать подземные пресноводные ресурсы для этой цели. Однако, если мы идем достаточно глубоко, любая обнаруженная вода, вероятно, будет соленой.

Объяснение требует краткого урока геологии. Если вы построите график температуры Земли за последние 300 миллионов лет, по сути, он покажет, что температура Земли иногда была очень высокой, а иногда очень низкой. Когда большая часть поверхности Земли была покрыта водой, она проходила через периоды замораживания и оттепели. Это постепенно разрушало области горных образований, и детритальные материалы накапливались.

Осадки, образованные эрозией горных пород, стали насыщены морской водой с подъемом океанов. Именно поэтому самые глубокие отложения воды соленые, в то время как пресная вода, которой так остро не хватает в таких местах, как Калифорния, намного мельче и обычно пополняется дождевой водой.

Как вы знаете, последние два десятилетия идут усилия по захвату и захоронению углерода. Идея заключалась в том, что если у вас слишком много диоксида углерода, вы просто храните его в подземных геологических формациях. Но были опасения об утечке диоксида углерода. Так что в нашей предложенной концепции накопления энергии мы также пользуемся этим опытом, потому что много исследований и моделирования касается захоронения подземного CO₂. Наша ситуация намного проще, потому что если вы храните воздух под землей, даже если он утекает, кого это волнует — вы просто добавляете больше воздуха к воздуху, нет диоксида углерода, нет токсичного топлива, это просто воздух.

Прямо сейчас причина, по которой люди не строят возобновляемые источники так быстро, как необходимо, — экономика не выглядит хорошо. Факт в том, что строительство этих объектов стоит много денег, и на данном этапе вы не используете каждый киловатт, который генерируется, значительная часть этой мощности может просто пропадать без крупномасштабного хранения.

Так что если вы придете к способу хранить электроэнергию и затем использовать её, когда она нужна, вы решите большую экономическую проблему. Это сделает расширение возобновляемых источников гораздо более приемлемым для инвесторов и общества в целом.

Tech Briefs: Вы в основном говорите, что используете существующую технологию, но применяете её способом, который более экономичен и полезен?

Профессор Эршаги: Я думаю, наш вклад больше в следующем. Номер один — это проверенная технология, что люди хранили воздух в солевых куполах. Наш первый вклад — вам не нужен солевой купол — пока у вас есть соленый аквифер, это может сделать работу. Номер два — впечатление, что это дорого, потому что нужно сверлить скважину. Но мы показали, что можем использовать существующие скважины, предназначенные для консервации. Это и есть идея. Так что, по сути, используйте неиспользуемые скважины, используйте соленый аквифер и расширьте технологию, чтобы сделать её широко доступной, снижая ответственность штатов и общества за затраты на консервацию скважин.

Tech Briefs: А как насчет энергии, потерянной на работе компрессора?

Профессор Эршаги: Допустим, вы используете 100-мегаваттный солнечный истоник. К тому моменту, когда вы берете эти 100 мегаватт и используете их для производства сжатого воздуха, если посмотреть на энергетический баланс, конечно, вы теряете энергию. Так что у вас может быть лишь доля доступных мегаватт.

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

Так что после того, как 100 мегаватт преобразуются в сжатый воздух и он проходит процесс хранения и возвращается, у вас может быть только 60 мегаватт пригодной для использования мощности. Но лучше пойти от 100 до 60, чем не генерировать никакой полезной мощности вообще.

Tech Briefs: Можете ли вы кратко описать, как будет работать общая операция?

Профессор Эршаги: На объекте в Алабаме, для сравнения, они используют возвращаемый воздух для вращения компрессора. Когда воздух возвращается, его нужно нагреть, чтобы он расширился, чтобы его можно было использовать. Если вы делаете это, вам нужно сжигать природный газ для производства тепла. Нам это не нужно, потому что мы используем компрессор для создания давления на воде. Именно водяное давление работает на турбине.

Tech Briefs: Как сжатый воздух передает свою энергию турбине?

Профессор Эршаги: Возвращающийся сжатый воздух поднимается к поверхности, когда нужен, и прессуризует воду в высоконапорной вертикальной емкости. Водяное давление активирует и вращает турбину. Кинетическая энергия для генерации электроэнергии идет от давления сжатого воздуха.

Tech Briefs: Каковы будут экономические стимулы для построения этих систем?

Профессор Эршаги: Во-первых, нам не нужно сверлить скважину и проходить процесс разрешения. В Калифорнии большинство нефтяных и газовых земель — это fee lands (земли в полной собственности). Если у меня есть право собственности на дом на fee land, это значит, что я владею всем от поверхности до центра Земли. Если выясняется, что под моей землей есть нефтяное месторождение, я могу сдать в аренду свои права нефтяной компании. Это обычно в виде процента от дохода от того, что производится каждый месяц.

Земля, принадлежащая большинству нефтяных компаний, — это fee land. Так что если я оператор, владеющий рядом скважин, некоторые из которых экономически не продуктивны, это может стать источником дохода. Если я конвертирую эти консервированные скважины в хранилища, я могу взимать плату с коммунальной службы за право их использования. Оператор тогда получит источник дохода от этих не производящих скважин. Тем временем операторы устраняют или откладывают затраты на консервацию.

Это также может стать новым источником дохода для землевладельцев: сдача в аренду своих подземных прав операторам хранения.

Коммунальные службы найдут это выгодным, потому что они смогут сократить количество нефти и газа, необходимых для генерации энергии.

Tech Briefs: Могут ли быть подземные нарушения, такие как при гидравлическом разрыве пласта?

Профессор Эршаги: Рад, что вы задали этот вопрос. Был отчет Национального исследовательского совета, резюмирующий исследования вопроса о том, вызвал ли фракинг землетрясения. Их выводы были такими: нет доказательств, что сама практика фракинга вызвала тремора. Они заключили, что незначительные землетрясения вызваны использованными отработавшими жидкостями, которые закачиваются в утилизационные скважины. Непрерывное добавление этих жидкостей прессуризует песок, таким образом меняя подповерхностные напряженные поля.

Tech Briefs: Каковы ваши следующие шаги?

Профессор Эршаги: У нас будет демонстрационный проект, который будет финансироваться либо коммунальными службами, либо нефтяными компаниями. Я ожидаю, что у нас может быть площадка к следующей осени. Мы уже идентифицировали некоторые площадки, которые были бы идеальны, по крайней мере, для демонстрации. Это может стоить 22 миллиона долларов для 5-мегаваттного генерационного объекта, включая дальнейшие исследования взаимодействия нефти и воды. Мы также будем изучать новые материалы, возможно, устанавливать новую обсадную трубу, возможно, использовать композиты, разные типы цементов. Наша команда включает электроинженеров, ученых по грунтовым водам, гидрологов, пластовых инженеров и инженеров по композитам, которые будут работать над оптимизацией системы. Кроме того, мы будем изучать характеристику площадки не только для правильной геологии, но и для близости к электросети. Мы также намерены применять цифровые технологии для мониторинга площадки.

Отредактированная версия этого интервью появилась в выпуске Tech Briefs за февраль 2021 года.