BR102019023912A2

BR102019023912A2 - Sistema hidráulico de armazenamento de energia por geofratura com dessalinização

Info

Publication number: BR102019023912A2
Application number: BR102019023912-3A
Authority: BR
Inventors: Howard K. Schmidt; Aaron H. Mandell
Original assignee: Quidnet Energy Inc.; Howard K. Schmidt; Aaron H. Mandell
Priority date: 2018-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2020-06-02
Also published as: CN111173486A; CA3061499A1; EP3660263A2; SA119410196B1; AR117061A1; EP3660263A3; AU2019264551A1

Abstract

sistema hidráulico de armazenamento de energia por geofratura com dessalinização a energia pode ser armazenada injetando fluido em uma fratura na terra e produzindo o fluido de volta enquanto se recupera energia e / ou dessaliniza a água. o método pode ser particularmente adaptado ao armazenamento de grandes quantidades de energia, como em sistemas de energia elétrica em escala de rede. a fratura pode ser formada e tratada com resina, de modo a limitar a perda de fluido e aumentar a pressão de propagação. o fluido pode ser água contendo um sal dissolvido ou água doce e uma porção ou toda a água pode ser dessalinizada usando pressão na água quando é produzida.

Description

“SISTEMA HIDRÁULICO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA POR GEOFRATURA COM DESSALINIZAÇÃO”

Este Pedido de Continuação em Parte reivindica prioridade para o Número de Série 15/336,424 depositado em 27 de Outubro de 2016, que reivindica prioridade para o Pedido de Patente Não Provisório Número de Série 14/318,742 depositado em 30 de Junho de 2014, que reivindica prioridade para Pedido de Patente Não Provisório Número de Série 12/853,066 depositado em 9 de Agosto de 2010, que reivindica prioridade para O Pedido Provisório Número de Série 61/232,625 depositado em 10 de agosto de 2009, todas as quais são aqui incorporadas por referência em sua totalidade

Fundamentos da invenção

Campo da Invenção

[0001] Esta invenção se refere a armazenamento de energia e dessalinização de água. Mais particularmente, fluido é injetado em um poço para formar uma fratura hidráulica. O fluido pode ser bombeado para a fratura sob pressão e posteriormente produzido a partir da fratura sob pressão e usado para gerar energia ou fluxo em uma unidade de osmose reversa para dessalinização.

Discussão da Técnica Relacionada

[0002] vários fatores incluindo segurança energética, volatilidade de preço, regulação de carbono, incentivos fiscais e medos do aquecimento global antropogênico estão impulsionando o crescimento rápido de fontes de energia renováveis. Uma vez que os combustíveis fósseis líquidos são consumidos principalmente na indústria de transporte devido a sua excelente densidade de energia (cerca de 45 MJ/litro) e biocombustíveis fornecem limitado ganho energético, a função principal das fontes de energia renováveis é deslocar o consumo de combustível fóssil na geração de energia elétrica. Os EUA presentemente consomem na ordem de 1 TW (10¹² Watts) de energia elétrica, de modo que apenas as tecnologias renováveis que podem eventualmente fornecer de 100 de GW total são opções de escala de rede significativa. Além da energia hidroelétrica, que vem sendo operada essencialmente a plena capacidade por décadas, somente sistemas a base solar e eólica podem ser considerados neste momento. Nenhum destes tem atualmente custo competitivo sem substanciais subsídios financiados publicamente, embora se espere que gastos de capital e custos de operação caiam durante o tempo e possam

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2/19 eventualmente atingir paridade de preço com usinas de carvão e a gás. Destes, turbinas eólicas são mais econômicas, com uma despesa de capital (capex) de cerca de US$1,75/watt, e o estado do Texas sozinho tem uma base instalada com uma capacidade de produção de pico de aproximadamente 2,5 GW.

[0003] Estes dois principais recursos renováveis, eólico e solar, sofrem de intermitência em ambas bases, diárias e sazonal, como ilustrado na FIG 1. Nenhum dos dois é, portanto, apropriado para fornecer energia de carga de base. Flutuações de saída também causam instabilidade de rede; sem meios dinâmicos de nivelamento de carga (por exemplo, tecnologias de rede inteligente), fontes de energia renováveis devem agora ser limitadas a menos do que cerca de dez por cento de energia liberada em uma dada rede elétrica. Como resultado, energia elétrica renovável no nível da rede é limitada não somente pela fonte custos, mas também pelas tecnologias de estabilização de rede.

	Custo relacionado a energia ($/kWh)	Custo relacionado a potência ($/kW)	Equilíbrio de planta ($/kWh)	Eletrolizador ($/kW)	Compressor ($/scfm)	n, Eficiência de descarga
Baterias de chumbo- ácido (baixo)	175	200	50			0,85
Baterias de chumbo- ácido (médio)	225	250	50			0,85
Baterias de chumbo- ácido (alto)	250	300	50			0,85
Baterias de qualidade de potência	100	250	40			0,85
Baterias avançadas	245	300	40			0,7
Micro-SMES	72.000	300	10.000			0,95
Médio-SMES (HTS projetado)	2000	300	1500			0,95
SMES (HTS projetado)	500	300	100			0,95
Rodas flutuantes (alta velocidade)	25.000	350	1000			0,93
Rodas flutuantes (baixa velocidade)	300	280	80			0,9
Supercapacitores	82.000	300	10.000			0,95
Armazenamento de energia a ar comprimido (CAES)	3	425	50			0,79
Armazenamento a ar comprimido em vasos (CAS)	50	517	50			0,7
Hidro-bombeado	10	600	2			0,87
Armazenamento de célula de combustível hidrogênio/gás (baixo)	15	500	50	300	112,5	0,59

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Armazenamento de célula de combustível hidrogênio/gás (alto)	15	1500	50	600	112,5	0,59
Armazenamento de célula de combustível/subterrâneo	1	500	50	300	112,5	0,59
Armazenamento de energia de hidrogênio/gás	15	350	40	300	112,5	0,44

[0004] Assim, é necessária uma tecnologia de armazenamento de energia elétrica de grande escala em paralelo com fontes de energia renováveis. A tabela 1 enumera as características das tecnologias de armazenamento de energia candidatas. Os sistemas de armazenagem elétrica mais comuns em uso atualmente são com base em algum tipo de tecnologia de bateria; os principais candidatos incluem chumbo-ácido, íon de lítio e baterias de fluxo de vanádio. Esses são, geralmente, úteis não apenas para nivelar energias renováveis na fonte, mas também para o deslocamento de pico e melhoria da confiabilidade no ponto de uso. A partir de 2008, instalações estavam sendo compradas pela PG&E para áreas residenciais com uma capacidade nominal de fornecimento de 1 MW por 5 horas a um preço de US$ 2 milhões. Estes foram justificados pelo adiamento do investimento em maior capacidade de transmissão (~2/3) e parcialmente pela melhor qualidade de serviço (~1/3). Isto proporciona uma escala útil e ponto de preço para considerar tecnologias de armazenamento alternativas: 5.000 kw-hora de capacidade, e US$ 400/kw-h de preço.

Tabela 1

[0005] Como exemplo aplicado, uma turbina eólica com capacidade nominal de 3 MW e fator de utilização típico de 0,3 gerará cerca de 22.000 kwhora por dia. Se três unidades de armazenamento baseadas em bateria descritas acima fossem dedicadas a cada turbina eólica, o capex mais que dobraria, com base em US$ 5,25 milhões para uma instalação de turbina eólica de 3 MW. Claramente, a tecnologia de bateria atual é proibitivamente cara para armazenamento em escala de rede geral, mesmo com melhorias técnicas razoáveis e economias de escala.

[0006] As principais tecnologias para armazenamento de energia elétrica em escala de rede incluem armazenamento de energia hidrelétrica reversível e em ar comprimido (CAES). A usina hidrelétrica reversível usa energia elétrica fora do pico para bombear a subida da água para um

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4/19 reservatório. Isso requer acesso imediato a grandes quantidades de água e terrenos convenientemente situados, os quais são escassos na região onde a densidade de energia eólica é adequada - as grandes planícies do centro dos EUA. Essa abordagem técnica é certamente comprovada e confiável e também possui uma excelente eficiência de ida e volta de ~ 87%. Os sistemas de armazenamento de ar comprimido dependem da disponibilidade de minas abandonadas ou do desenvolvimento de cavernas subterrâneas profundas. Esta é uma tecnologia comprovada que pode ser instalada em cerca de 85% dos EUA continentais e fornece eficiência razoável em ~ 80%. Como a compressão e expansão do ar gera grandes mudanças de temperatura, a instalação do CAES para lidar com esse canal de energia parasita é relativamente complexa e cara. O gráfico na FIG. 2 localiza várias tecnologias de armazenamento no espaço Power-Energy e mostra claramente que a usina hidrelétrica reversível e o CAES se sobressaem na combinação de alta energia total com capacidade de alta potência.

[0007] Outra aplicação importante para tecnologias de armazenamento está na mudança de pico ou na entrega de energia extra durante curtos períodos de extrema demanda. Essa região é indicada como Recursos distribuídos na FIG. 2. Os picos de demanda das tardes de verão relacionados ao ar condicionado são um excelente exemplo. Infelizmente, este é um período de baixa produtividade para turbinas eólicas. O gráfico na FIG. 3 mostra os custos de capital estimados de várias tecnologias candidatas para atender a essa aplicação.

[0008] Como observado acima, essa aplicação está sendo tratada por alguns pioneiros como PG&E, com base principalmente no investimento diferido em linhas de transmissão e na melhoria da qualidade do serviço. Certamente, há também uma vantagem de marketing baseada no selo verde da energia distribuída.

[0009] Até o momento em que a usina hidrelétrica reversível e / ou o CAES forem implantados em grande escala, notamos que há uma oportunidade interessante de arbitragem em armazenar excesso de energia noturna das turbinas eólicas e revendê-lo durante o pico de demanda das tardes de verão. Curiosamente, diz-se que os parques eólicos realmente pagam aos operadores da rede para tomar sua energia à noite. Especialistas em energia

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5/19 eólica, como a Green Mountain Energy, vendem energia eólica no varejo por US$ 0,19 / kw-hora durante o dia. Portanto, existe uma oportunidade de gerar cerca de US$ 0,20 / kw-hora com um sistema de armazenamento de doze horas. Isso pode ser uma empresa bastante lucrativa se a tecnologia de armazenamento for barata o suficiente. A economia das tecnologias existentes faz disso uma proposta marginal, na melhor das hipóteses, em um ambiente de mercados de capitais restritos e demanda por altas taxas de retorno internas.

[0010] Em muitas áreas, também há escassez de água potável ou doce. Um dos principais métodos de dessalinização da água é a osmose reversa. Esse processo requer pressão para superar a pressão osmótica da água salgada e forçar a água através de um sistema de membrana semipermeável. Assim, existem oportunidades adicionais para combinar tecnologia de armazenamento e tecnologia de dessalinização.

BREVE RESUMO DA INVENÇÃO

[0011] A presente invenção utiliza poços para armazenar fluido a alta pressão em fraturas (por exemplo, fraturas hidráulicas e / ou fraturas de ocorrência natural) na terra. O fluido é usado em equipamentos convencionais para produzir energia à medida que o fluido é produzido de volta a partir do poço. As paredes da fratura podem ser feitas menos permeáveis e a pressão de propagação da fratura pode ser aumentada pela injeção de uma resina, como epóxi, na fratura. São descritos os recursos de armazenamento, os requisitos de capital e as taxas de retorno antecipadas que permitem uma operação lucrativa para recursos distribuídos e gerenciamento de carga, bem como a arbitragem noturna da energia eólica. Se o fluido armazenado for água salina, como a água produzida a partir de estratos na terra, e houver demanda por água doce, uma fração selecionada da água salina produzida a partir da capacidade de armazenamento pode ser direcionada para uma unidade de osmose reversa para dessalinização.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] A FIG. 1 mostra o padrão de vento diurno em Wildorado, Texas

[0013] A FIG. 2 mostra os custos e eficiências das tecnologias de armazenamento de energia.

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[0014] A FIG. 3 mostra aplicações de utilidade distribuídas e correspondência de energias renováveis.

[0015] A FIG. 4 ilustra uma fratura hidráulica na terra e equipamentos para a sua formação.

[0016] A FIG. 5A é uma vista em seção transversal de uma fratura que ilustra a colocação de uma resina em uma rocha penetrada pela fratura.

[0017] A FIG. 5B é uma vista em seção transversal de uma fratura que ilustra um fluido de deslocamento movendo a resina em direção ao final da fratura.

[0018] A FIG. 5C é uma vista em seção transversal de uma fratura que ilustra a resina deslocada para a ponta da fratura.

[0019] A FIG. 6 ilustra uma fratura hidráulica na terra ao redor de um poço e equipamento na superfície da terra para controlar o retorno do fluxo da fratura e gerar energia ou água dessalinizada.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0020] O fraturamento hidráulico é usado rotineiramente para melhorar as taxas de produção de poços de petróleo e gás perfurados em reservatórios de baixa permeabilidade. Tais fraturas aumentam a área produtiva efetiva da superfície dos poços na rocha do reservatório. De fato, a exploração lucrativa de reservatórios não convencionais, por exemplo a formação de xisto de Barnett e Bakken, só pode ser alcançada através de fraturas extensas. Resumidamente, depois que o revestimento do poço é cimentado no local, perfurações são criadas no estrato de interesse e, em seguida, um fluido é bombeado pelo poço a alta pressão para induzir fraturas na formação rochosa ao redor do poço, como ilustrado na FIG. 4. O poço 41 foi perfurado em uma formação de subsuperfície. O caminhão de areia 42 pode trazer propante para o local do poço. O fluido de fraturamento pode ser misturado e armazenado no tanque 45, do qual é puxado para o caminhão misturador 43, onde é misturado com areia ou outro propante. Bombas de alta pressão 44 são usadas para forçar o fluido para baixo do poço 41 a uma pressão suficiente para formar a fratura 46 em torno do poço. As partículas de propante 47 podem ser bombeadas para a fratura após a sua formação. A pressão necessária para formar a fratura 46 geralmente depende linearmente da profundidade; um gradiente de fratura típico é de cerca de 0,8 PSI por pé (180,96 Pa por cm) de profundidade do poço.

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Portanto, um poço de 3.000 pés (914,4 metros) requer uma pressão de cerca de 2.400 psi (16.547 kPa) na face da rocha para criar uma fratura hidráulica. Em poços rasos (até 1.000 a 2.000 pés de profundidade (304,8 a 609,6 metros)), as fraturas hidráulicas normalmente se propagam horizontalmente. Em profundidades maiores, as tensões naturais na rocha tendem a levar a fraturas orientadas verticalmente. Para nosso propósito de armazenamento de energia, a orientação das fraturas não é importante. De qualquer forma, a energia é armazenada pela deformação da rocha ao redor da fratura, que é principalmente a deformação elástica. A fratura pode estar primariamente em um plano que se estende do poço através da formação rochosa circundante, como mostrado na FIG. 4, ou, em rochas naturalmente fraturadas, como as formações de xisto de Barnett ou Bakken, a fratura pode se estender por um grande volume, com muitos caminhos de fluido diferentes.

[0021] Uma fratura em um poço pode se estender radialmente a partir do furo de poço, por exemplo, da ordem de 100 metros a 1000 metros. Se a fratura ocorrer principalmente em um plano, a espessura da fratura poderá ser da ordem de 0,5 - 2 cm no furo do poço. A propagação de fissuras pode ser monitorada em tempo real durante a operação de fratura usando métodos microssísmicos, enquanto o grau e o padrão de deformação na superfície da Terra podem ser medidos simultaneamente usando medidores de inclinação. A permeabilidade ao fluido e as propriedades elásticas do estrato de rocha fraturado determinam efetivamente a extensão da fratura possível com um determinado sistema de bombeamento. À medida que a fratura aumenta de comprimento, a área da superfície da rocha aumenta junto com a taxa de fluidos que entram na rocha, em vez de preencher a fratura propriamente dita. Assim, rochas altamente permeáveis podem ser difíceis de fraturar, enquanto rochas menos permeáveis podem ser fraturadas a distâncias maiores. Aditivos de perda de fluido (partículas) podem ser adicionados ao fluido de fratura para diminuir a taxa de fluidos que entram na rocha a partir da fratura. A perda de fluido pode ser ainda mais reduzida bombeando uma resina de polímero no fluido de fraturamento. De preferência, uma resina epóxi alifática pode ser usada, como descrito no artigo Sistema de resina dispersível em água para estabilização de poço, L. Eoff et al., SPE 64980, 2001. Furan, resinas fenólicas e outras resinas epóxi também podem ser usadas. O sistema de resina pode ser bombeado como

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8/19 uma resina pura, uma mistura de resina / areia ou dispersa em fluido de fraturamento à base de água ou óleo. A resina pode ser misturada com um diluente ou solvente, que pode ser reativo. Um tampão de resina pura no início de uma resina de fratura pode ser seguido por uma dispersão de resina no fluido de fraturamento e isso seguido pelo fluido de fraturamento. Propante e/ou agentes de perda de fluido podem ser adicionados a qualquer um dos fluidos. Volumes dos diferentes fluidos são preferencialmente selecionados para permitir que epóxi ou outra resina encha a fratura na ponta e se infiltre na rocha ao redor da ponta da fratura. A injeção de resina ou fluidos contendo resina pode ser aplicada repetidamente para obter menor perda de fluido de uma fratura.

[0022] As FIGS. 5A, 5B e 5C ilustram, mostrando seções transversais de uma fratura, um método de colocação de uma resina em uma fratura para preparar a fratura para armazenamento de energia, conforme aqui ensinado. Na FIG. 5A, uma resina, dispersão de resina ou mistura líquida com resina 50 está presente em um furo de poço e na fratura 51 que foi formada na rocha. A resina 50 pode conter um aditivo para perda de fluido. A resina vazada na rocha 52 envolve a fratura. Na FIG. 5B, o fluido de deslocamento 54, que pode ser água contendo um viscosificante, solvente à base de ou contendo óleo para a resina, é mostrado movendo a resina 50 em direção ao final da fratura. O fluido de deslocamento 54 é preferencialmente mais viscoso que a resina 50. A quantidade de resina vazada na rocha 52 aumentou. Na FIG. 5C, apenas uma quantidade limitada de resina 50 permanece na fratura e está presente próximo à ponta ou extremidade da fratura. A fratura 51 pode conter propante 55.

[0023] Após a cura, a resina na ou ao redor da ponta da fratura aumentará a pressão de propagação da fratura e permitirá que fraturas mais amplas sejam criadas durante o armazenamento de fluido. A taxa de vazamento de fluido a ser armazenado sob pressão na fratura pode ser reduzida para um valor pequeno ou mínimo. Com a obtenção de baixa perda de fluido devido a uma fratura, gás também pode ser usado como fluido de trabalho para o processo de armazenamento, sozinho ou com líquido.

[0024] Para fins de armazenamento de energia, estamos interessados em grandes fraturas com pouca perda de fluido. Idealmente, a perda de fluido será zero e, portanto, estratos de rocha adequados podem ser completamente impermeáveis. Observamos que os aditivos usados para reduzir

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9/19 ou eliminar a perda de fluido de uma fratura durante a o ato de fraturar seriam úteis nesta aplicação para reduzir ou eliminar a perda de fluido em camadas de rocha levemente permeáveis. Os materiais úteis para reduzir a invasão de fluidos incluem polímeros, sílica fina, argilas, possivelmente novos materiais nanoestruturados, como suspensões de grafeno e misturas de materiais selecionados. Qualquer fluido injetado na fratura pode conter um propante ou pode não conter um propante.

[0025] Sob essas condições, notamos que a energia usada para gerar a fratura pode ser dividida em três categorias principais: fricção de fluido (perdida, depende das taxas de bombeamento e tamanho dos tubos no poço), rachaduras (pequenas; perdidas) e flexão elástica da rocha ao redor da fratura. É importante notar que a energia usada para deformar a rocha elasticamente é, na verdade, armazenada como energia potencial. Essa energia pode ser recuperada da corrente de fluido ejetada da fratura e do poço à medida que a rocha relaxa em sua posição original. Assim, depois que uma grande fratura é formada, o espaço cheio de fluido pode ser usado para levantar (e flexionar) hidraulicamente a sobrecarga e armazenar energia mecânica. Essa energia pode ser recuperada com eficiência, permitindo que o fluido pressurizado escape através de uma turbina. O processo de injeção de fluidos a uma pressão acima do gradiente de fratura pode ser repetido um número selecionado de vezes, alternadamente com o processo de produção de fluido de volta para gerar energia. Assim, a fratura funciona como um vaso de armazenamento elástico. No geral, esse esquema é conceitualmente semelhante aos sistemas hidrelétricos de retorno. Em vez de bombear a água sozinha para cima, no entanto, bombearemos a água para baixo e a usaremos para levantar e flexionar hidraulicamente um grande bloco denso de terra ou deformar a terra elasticamente. Os principais componentes (bombas, turbinas) e canais de perda (atrito do fluido) são semelhantes ou comuns a ambos, portanto, esperamos que essa nova abordagem tenha a mesma eficiência geral que a hidrelétrica reversível, a cerca de 87% em uma viagem de ida e volta.

[0026] Uma vantagem importante dessa nova abordagem é que um terreno plano pode ser usado, e terraplenagem maciça e impactos ambientais são eliminados.

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[0027] Mostramos abaixo um par de exemplos de instalações de fratura para demonstrar a escala de armazenamento de energia disponível por essa nova abordagem, assumindo que a deformação ou elevação da rocha que ocorre ao redor de uma fratura hidráulica pode ser representada pelo seguinte: Exemplo 1. Poço de 1 km de profundidade, com elevação média de 1 cm acima do raio de 100 metros (fratura típica do campo petrolífero)

Profundidade do poço:	1.000 m
Raio de fratura:	100 m
Volume do tampão:	31.400.000 m3
Densidade da rocha	2.800 kg / m3
Massa do tampão:	87.900.000.000 kg
Peso do tampão:	862.000.000.000 Newtons
Elevação média:	1 cm
Energia de elevação:	8.620.000.000 Joules 8,6 E 9 Joules
Capacidade de armazenamento:	2.395 kw-h

Exemplo 2. Poço de 1 km de profundidade, com elevação média de 10 cm acima de 500 metros de raio

Profundidade do poço:	1.000 m
Raio de fratura:	500 m
Volume do tampão:	7,85 E 8 m3
Densidade da rocha:	2.800 kg / m3
Massa do tampão:	2,20 E 12 kg
Peso do tampão:	2,16 E 13 Newtons
Elevação média:	10 cm
Energia de elevação:	2,16 E 12 Joule
Capacidade de armazenamento:	5.99 E 5 kw-h

[0028] Embora sejam descritas explicações sobre propriedades de fratura hidráulica, o Requerente não deseja se vincular a uma teoria científica específica relativa às propriedades de fraturas hidráulicas.

[0029] Para comparação, uma turbina eólica de 3 MW operando com um fator de utilização típico de 30% gera 2,16E4 kw-hora por dia. A unidade

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11/19 descrita no exemplo 2 pode, portanto, armazenar toda a produção diária nominal de parques eólicos compostos por 167 turbinas. Se alguém adquirisse um sistema de armazenamento baseado em bateria para essa quantidade de energia armazenada a preços atuais (US$ 400 / kw-h), seria necessário um investimento de capital de aproximadamente US$ 239 milhões. Esperamos que o investimento de capital para armazenamento de energia nessas fraturas hidráulicas seja aproximadamente três a dez vezes menor. A escala de armazenamento de energia está claramente no regime de gerenciamento de carga (FIG. 2), que atualmente é acessível apenas pela tecnologia hidrelétrica reversa e CAES. Se o sistema neste exemplo fosse submetido a ciclo com 30% da capacidade todos os dias, o valor da arbitragem seria de aproximadamente US$ 18.000 por dia a US$ 0,10 por kw-hora.

[0030] O fluido injetado em uma fratura pode ser líquido ou gás. Um fluido adequado é salmoura produzida a partir de um estrato na terra abaixo dos equadores de água potável. A salmoura pode ser produzida juntamente com a produção de hidrocarbonetos. Se salmoura ou água contendo sal dissolvido for injetada na fratura da FIG. 4 ou 5, o fluido produzido de volta será essencialmente da mesma composição que o fluido injetado. A pressão do fluido produzido estará em um nível elevado até que a fratura se feche. A pressão excessiva pode ser usada para produzir energia, como revelado acima, ou a pressão excessiva pode ser usada para dessalinizar uma porção da água produzida ou toda a água produzida, como ilustrado na FIG. 6

[0031] Em relação à FIG. 6, o poço 60 foi perfurado e uma fratura hidráulica ou fraturas 62 foram formadas no poço. O vazamento da fratura foi limitado, como discutido acima. Tubulares foram colocados no poço e a válvula 63 instalada para controlar o fluxo dentro ou fora do poço. O poço pode então ser conectado à válvula 64 para controlar o fluxo nas instalações de geração de energia, como discutido acima, durante uma fase de retorno. O poço também pode ser conectado à dessalinização ou a outras instalações de tratamento de água através da válvula 65. Uma instalação de tratamento de água preferida é uma unidade de osmose reversa, como a unidade 66. Utilizando pressão elevada de fluido que flui do poço 60, a membrana semipermeável 67 permite a remoção do sal dissolvido da água e a produção de água doce, como mostrado na figura. As válvulas 64 e 65 podem ser abertas durante uma fase de retorno da água

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12/19 armazenada a pressão elevada, permitindo a produção de energia e a produção de água dessalinizada. Alternativamente, qualquer uma das válvulas 64 e 65 pode ser fechada e todo o fluido produzido ser usado para uma finalidade, como dessalinização. Alternativamente, qualquer válvula também pode variar na abertura ou fechamento durante uma fase de retorno. A variação da abertura das válvulas em resposta à variação na pressão do fluido produzido durante uma fase de retorno pode melhorar os resultados dos processos combinados de geração de energia e dessalinização.

[0032] Dependendo da salinidade da água a ser tratada, a osmose reversa normalmente requer entre 200 e 1200 psi (1378,95 e 8273,71 kPa) de pressão diferencial através de uma membrana semipermeável. Essa é tipicamente a faixa de força motriz necessária para superar a pressão osmótica e fazer com que a água flua através da membrana semipermeável. As taxas de fluxo típicas são de 15 a 35 gal / ft² / dia (GFD) (0,061 a 0,142 L/ cm²/ dia) para água do mar, dependendo das condições do processo.

[0033] Pode ser utilizada uma faixa de conteúdo de água --- de salinidade muito baixa (pequenas quantidades de TDS saindo de um estrato durante a operação normal) a salinidade moderada (usando água subterrânea salobra ou água produzida juntamente com hidrocarboneto como injetável) , a salinidades elevadas (água de processo de alta salinidade). Osmose reversa pode ser usada para controlar a qualidade da água da instalação de armazenamento durante a operação normal, ou seja, remover sólidos dissolvidos que podem afetar o desempenho do reservatório, por exemplo, causando acúmulo de incrustações no poço e / ou dentro das fraturas , bem como um método para converter fontes de água não potáveis em qualidade potável (por exemplo, dessalinização por hidrogênio bombeado). Dispositivos bastante conhecidos em processos de osmose reversa, como dispositivos de recuperação de energia de trocadores de pressão (disponíveis na Energy Recovery, Inc. ) podem ser usados. Isso fornece uma maneira de integrar armazenamento de energia e tratamento / dessalinização da água. Se nenhuma energia for produzida durante o retorno, o processo pode ser visto como essencialmente convertendo a energia armazenada diretamente em trabalho útil dessalinizando a água.

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[0034] A água injetada nas fraturas foi descrita como tendo sal dissolvido, mas a água doce (sem sais dissolvidos) também pode ser usada como fluido de trabalho. A pressão da água doce que flui de volta de uma fratura pode então ser trocada por água para ser dessalinizada, de modo que a água salina possa ser dessalinizada usando osmose reversa. Trocadores de pressão como os descritos acima podem ser utilizados para esse fim.

[0035] Em certas modalidades, particulados podem ser injetados em uma fratura durante as operações de geração e / ou expansão de fratura para fluir para uma ponta de propagação de uma fratura que pode alcançar pontes e peneirar e, assim, impedir a propagação adicional da fratura. Em algumas modalidades, particulados podem ser injetados em uma fratura para fluir para uma ponta da fratura que pode alcançar pontes e peneirar e, assim, impedir a propagação adicional da fratura. Em modalidades, a ponte pode incluir obstruir espaços de poros ou caminhos de fluido em uma formação rochosa. Uma ponte pode ser parcial ou total e, sem limitação, pode ser causada por sólidos, como sólidos perfurados, estacas, cavings (por exemplo, pedaços de rocha do poço; cavings podem ser lascas, fragmentos, pedaços e / ou várias formas de rocha) e / ou lixo que pode ficar alojado em um local estreito. A peneiração pode incluir uma condição que pode ocorrer quando os sólidos transportados em um fluido de tratamento, como um propante em um fluido de fratura, criam uma ponte entre perfurações ou uma área de fluxo restrita semelhante. Sem limitação, isso pode criar uma restrição significativa ao fluxo de fluido que pode causar um rápido aumento na pressão da bomba. As partículas podem incluir uma variedade de tamanhos para alcançar pontes e esforços mútuos, de modo a minimizar o fluxo de fluido após a ponte. As partículas podem estar próximas de flutuante neutro ou flutuante neutro em um fluido (por exemplo, um fluido operacional, como água e / ou polímeros). As partículas podem ser compatíveis / compressíveis para que possam ser comprimidas durante um ciclo de retorno / geração de energia e depois se expandir no lugar (por exemplo, em uma fratura) para manter a localização e a ponte na vizinhança da ponta da fratura.

[0036] Formações rochosas permeáveis podem ser utilizadas para armazenamento de energia (por exemplo, energia hidráulica), induzindo intencionalmente danos na formação rochosa para reduzir a referida

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14/19 permeabilidade da formação rochosa injetando materiais suspensos no fluido operacional para fazer uma ponte, obstruir, bloquear, cobrir ou inchar poros e / ou gargantas de poros (por exemplo, em uma rocha intergranular, as gargantas de poros podem ser um espaço poroso em um ponto em que dois grãos se encontram, o que pode conectar dois volumes de poros maiores; o número, tamanho e distribuição das gargantas de poros podem controlar muitos das características de resistividade, fluxo e pressão capilar da formação rochosa) na formação rochosa que pode ser permeável. Em certas modalidades, os materiais suspensos no fluido operacional podem compreender uma mistura de partículas sólidas suspensas no fluido configurado / projetado para obstruir os poros na formação rochosa (por exemplo, farinha de sílica, mármore moído e similares). Em outras modalidades, os materiais suspensos no fluido operacional podem compreender materiais em forma de placa, como, por exemplo, argila bentonita, grafeno ou óxido de grafite para cobrir os poros na formação rochosa e bloquear o fluxo de fluido na formação rochosa. Em algumas modalidades, os materiais suspensos no fluido operacional podem compreender partículas em forma de placa, partículas esféricas, partículas em forma de bastão, partículas alongadas, partículas fibrosas ou combinações dos mesmos. No entanto, em outras modalidades, os materiais suspensos no fluido operacional podem compreender suspensões coloidais (isto é, uma suspensão de colóides) de resinas ou materiais orgânicos que podem colmatar poros na formação rochosa e molhar a superfície da formação rochosa e / ou poros gargantas da formação rochosa. Os colóides podem ser, por exemplo, uma resina termoendurecível de látex que pode solidificar após o enchimento da garganta dos poros na formação rochosa. Em algumas modalidades, os materiais suspensos no fluido operacional podem compreender uma suspensão coloidal de fluidos que podem umedecer a formação rochosa e uma alta tensão superficial que pode reduzir a permeabilidade relativa de um fluido de trabalho aquoso (por exemplo, uma porção aquosa do fluido de operação ) em um sistema de armazenamento de energia. Um exemplo de uma suspensão coloidal de fluidos que pode umedecer a formação rochosa e pode compreender uma alta tensão superficial que pode reduzir a permeabilidade relativa de um fluido de trabalho aquoso pode incluir gotículas de óleo viscoso que podem umedecer a superfície de folhelhos ricos

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15/19 em orgânicos ou superfícies um pouco hidrofóbicas de rochas carbonáticas, como, por exemplo, calcita, calcário e / ou dolomita.

[0037] Reservatórios de gás estreitos esgotados que podem ter sido previamente fraturados diretamente, podem ser utilizados como reservatórios de armazenamento de energia da água (por exemplo, reservatórios de arenito estreitos que podem ser naturalmente hidrofílicos - a própria água pode causar danos à formação para reduzir a permeabilidade relativa dos hidrocarbonetos e pode permitir o armazenamento de água sem produção de gás ou outros hidrocarbonetos, por exemplo, gases problemáticos ou outros hidrocarbonetos).

[0038] Em certas modalidades, fraturas podem ser formatadas (por exemplo, encher, inflar e / ou expandir) por injeção de água. A água pode ser ciclada / injetada dentro e fora de uma fratura sem propagá-la. A pressão em todos os pontos do ciclo de energia pode ser mantida abaixo de uma pressão de propagação de fratura.

[0039] Em certas modalidades, o fluido pressurizado pode ser armazenado em uma fratura e pode ser alimentado diretamente em um elemento de dessalinização por osmose reversa pressurizada (por exemplo, membrana). Pode não haver etapas adicionais de pressurização necessárias para a dessalinização - o fluido já pode ter sido pressurizado durante a injeção em uma fratura. Além disso, a energia pode ser armazenada em uma fratura e pode ser convertida em eletricidade usando uma turbina / gerador e, em seguida, a energia pode alimentar um processo de dessalinização (por exemplo, um nexo energético da água - uma geração de energia e água pode estar relacionada). O armazenamento de energia em fraturas pode tamponar a natureza intermitente da energia renovável, ou seja, a dessalinização pode exigir um fornecimento de energia consistente e altamente confiável para ser rentável e, portanto, pode exigir armazenamento barato, a fim de utilizar eficazmente a energia renovável. A energia solar fotovoltaica (PV) pode ser uma fonte de energia (por exemplo, a energia da energia solar fotovoltaica pode ser armazenada usando fraturas hidráulicas e pode ser fornecida para instalações de dessalinização por osmose reversa). Esta técnica também pode ser usada para mitigar uma demanda de instalações de dessalinização por osmose reversa existentes em uma rede, isto é, a capacidade de dessalinização pode ser retirada de uma rede usando esta

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16/19 técnica de armazenamento. Em certas modalidades, a água dessalinizada pode ser armazenada em fraturas. A energia geotérmica também pode ser uma fonte de energia para esse processo, a fim de realizar a dessalinização geotérmica. As fontes de água a serem tratadas (por exemplo, dessalinizadas) podem incluir água do mar, água subterrânea salina, óleo produzido, gás produzido, água de retorno, águas residuais de processo, águas residuais industriais, descarga de torre de resfriamento e / ou águas residuais municipais.

[0040] Em certas modalidades, xistos dúcteis e outras formações de granulação fina adequadas com baixa permeabilidade podem fornecer a matriz ideal para armazenamento de energia hidráulica no subsolo. No entanto, muitas regiões de xisto podem conter argilas reativas à água e podem se tornar instáveis mecanicamente na presença de fluidos de fratura à base de água e / ou fluidos de trabalho. Para aumentar a faixa de regiões de xisto aplicáveis ao armazenamento de energia hidráulica e da mesma forma para estratos argilosos e matrizes mal consolidadas, um método que emprega uma variedade de tratamentos e procedimentos para reduzir a reatividade da água e / ou aumentar a resistência da matriz pode ser discutido mais adiante.

[0041] A instabilidade do xisto pode ser um problema pertinente e de longa data encontrado durante a perfuração de poços para hidrocarbonetos. Os meios para estabilização temporária de xistos durante as operações de perfuração e revestimento podem ter sido desenvolvidos anteriormente. Com relação à presente revelação, um novo método para estabilização a longo prazo de formações de xisto reativas pode ser revelado. Geralmente, aditivos para fluidos de perfuração que estabilizam essas regiões problemáticas do xisto podem reduzir a atividade da água usando sais (por exemplo, KCl, NaCl, Ca Cl2), vincular argilas com polímeros coordenadores, revestir a superfície da rocha com emulsões hidrofóbicas (isto é, gilsonita, asfalto emulsionado, sulfonatos de petróleo) e / ou combinações dos mesmos. Sem limitações, os polímeros de coordenação para as argilas de ligação podem ser poliacrilamida parcialmente hidrolisada, poliacrilamida aniônica, poliacrilamida catiônica, poliaminas, óxidos de polietileno e / ou combinações dos mesmos. Químicas de silicato, como silicato de sódio ou silicato de potássio, que desidratam xistos enquanto geram géis na presença de cátions polivalentes (por exemplo, Ca++) podem ser particularmente vantajosas. Da mesma forma, as químicas usadas para

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17/19 purificação de água por floculação (isto é, sulfato de ferro, cloreto de ferro, sulfato de alumínio, cloreto de alumínio e / ou combinações dos mesmos) podem ser usadas com sucesso para ligar argilas e estabilizar xistos reativos.

[0042] Em modalidades, fraturas podem ser criadas e/ou expandidas usando uma sequência de fluidos que reagem para formar precipitados, ou géis, que inibem o transporte de fluidos através de poros ou pequenos canais. Em certas modalidades, os reagentes dentro da sequência de fluidos podem não ser pré-misturados antes da injeção, mas podem ser permitidos misturar in situ. Em modalidades alternativas, os reagentes dentro da sequência de fluidos podem ser pré-misturados antes da injeção. Os reagentes dentro da sequência de fluidos podem ser introduzidos em uma fratura em várias etapas de inflação separadas por extração de fluidos injetados, contando que os reagentes possam permanecer nos poros da matriz ou adsorvidos nas superfícies da matriz. Durante as operações, quando uma sequência de fluidos é injetada, o fluxo de fluido multifásico pode ditar as características do fluxo de fluido. Água doce ou fluidos de descarga semelhantes podem ser usados como espaçadores, ou tampões, em que um tampão é um volume designado de uma substância individual, entre as introduções de reagentes variados. Os tampões dos reagentes podem ser selecionadas de classes representativas de estabilizadores de xisto mencionados acima, incluindo suas misturas. Em modalidades, as misturas para um determinado tampão de um reagente podem reagir para formar precipitados e / ou géis se certas espécies forem misturadas. Uma sequência de tampões de reagentes pode ser selecionada para suportar a geração de precipitados e / ou géis in situ.

[0043] Os precipitados e / ou géis podem ser formados, sem limitação, por combinações de cátions polivalentes como Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, Al⁺⁺⁺, Fe⁺⁺, Fe⁺⁺⁺ e / ou combinações dos mesmos, com certos ânions, como sulfato, carbonato, silicato, fosfato, oxalato e / ou combinações dos mesmos. Além disso, sais de ferro e alumínio podem gerar floculantes para purificação de água sem os íons reagentes específicos, como mencionado acima. Sem limitação, precipitados de interesse particular podem incluir carbonato de cálcio, sulfato de cálcio, silicato de cálcio, fosfato de cálcio e / ou combinações dos mesmos. O cálcio pode geralmente ser introduzido como CaCl2. Os ânions podem ser introduzidos em um tampão separado na forma dos sais de sódio e / ou potássio

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18/19 correspondentes. Em certas modalidades, polímeros e / ou particulados (ou seja, argilas, sílica pirogênica e / ou combinações dos mesmos) para aumentar a viscosidade e a capacidade de obstrução dos poros podem ser adicionados aos tampões de fluido conforme necessário, em que os polímeros e / ou particulados não são reativos com outras espécies nesse tampão de fluido.

[0044] Em modalidades em que as matrizes rochosas podem ser baixas em minerais contendo cálcio (por exemplo, calcita, gipsita, anidrita, apatita ou bentonita de cálcio), pode ser vantajoso gerar fraturas inicialmente com uma solução de cloreto de cálcio (por exemplo, 1 % até 20% de CaCl2). Após vazamento ou remoção de tal fluido após um período de imersão, um tampão reagente subsequente de fluido contendo silicato de sódio (por exemplo, 1% a 20% NaSiO4) pode ser injetada. O primeiro tampão pode desidratar e estabilizar qualquer xisto na matriz rochosa. O cálcio presente no primeiro tampão reagente pode se ligar às superfícies de argila e reticular-se com partículas de argila proximais. O cálcio residual pode permanecer em solução em espaços porosos e / ou micro-fraturas após vazamento e / ou produção de excesso de fluido na fratura individual. Numa injeção subsequente, os ânions de silicato podem ser fornecidos, os quais podem invadir o poro e / ou o espaço de fratura. O silicato pode reagir com o cálcio para formar silicato de cálcio e géis de sílica que reticulam ainda mais a argila e as superfícies minerais enquanto obstruem quaisquer poros e / ou volumes de micro-fratura com o gel. Em uma modalidade separada, os reagentes podem ser injetados para preencher uma única fratura, desde que os tampões reagentes sejam separadas por espaçadores que compreendem água doce ou um fluido similarmente não reativo. Após o tratamento da matriz rochosa ao redor da fratura, a água doce e / ou salgada não reativa pode ser injetada e produzida repetidamente sem danos materiais ou erosão da matriz rochosa. O tratamento pode ser repetido para fortalecer e / ou reforçar a matriz rochosa, conforme necessário.

[0045] Nas modalidades em que as matrizes rochosas contêm volumes significativos de minerais à base de cálcio, a ordem dos tampões dos reagentes pode ser revertida. Se a ordem dos tampões dos reagentes for revertida, o silicato pode reagir imediatamente com superfícies minerais de cálcio e íons de cálcio dissolvidos para formar géis e reticular argila e superfícies minerais. Outros aspectos do tratamento podem permanecer os mesmos,

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19/19 incluindo sequenciamento de tampões, espaçadores de água doce e aditivos adicionais.

[0046] Embora a presente invenção tenha sido descrita com relação a detalhes específicos, não se pretende que tais detalhes sejam considerados limitações no escopo da invenção, exceto na medida em que estejam incluídos nas reivindicações anexas.

Claims

1. Método para armazenar e produzir energia, CARACTERIZADO pelo fato de compreender:

bombear um fluido para baixo de um poço para uma fratura para inibir o transporte de fluido para longe da fratura, em que o fluido compreende uma sequência de reagentes;

injetar um fluido subsequente para baixo do poço;

armazenar o fluido subsequente na fratura como energia mecânica; e antes do vazamento do fluido subsequente da fratura, reduzir a pressão no poço, de modo a produzir uma porção do fluido subsequente para cima do poço e permitir que a pressão do fluido produzido produza energia.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fratura está em uma matriz rochosa que não possui minerais contendo cálcio, em que um primeiro tampão da sequência de reagentes compreende cloreto de cálcio, em que um tampão subsequente da sequência de reagentes compreende silicato de sódio.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda desidratar qualquer xisto presente na matriz rochosa.

4. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o cálcio se liga a superfícies de argila e reticula com partículas de argila proximais.

5. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda misturar o cálcio com o silicato de sódio in situ para baixo do poço.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda a produção de um precipitado e um gel.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda a reticulação de superfícies de argila com o precipitado.

8. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda o entupimento de poros ou micro-fraturas com o gel.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a sequência de reagentes é separada por espaçadores de um fluido não reativo.

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10. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fratura está em uma matriz rochosa que compreende minerais contendo cálcio, em que um primeiro tampão da sequência de reagentes compreende silicato de sódio ou silicato de potássio.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda a mistura do primeiro tampão com os minerais contendo cálcio in situ para baixo do poço.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda a produção de um precipitado e um gel.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda a reticulação de superfícies de argila com o precipitado.

14. Método, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda o entupimento de poros ou micro-fraturas com o gel.

15. Método para armazenar e produzir energia, CARACTERIZADO pelo fato de compreender:

injetar um primeiro fluido para baixo de um poço para criar uma fratura;

bombear um segundo fluido para baixo de um poço até a fratura para inibir o transporte de fluido para longe da fratura, em que o segundo fluido compreende uma sequência de reagentes;

injetar um terceiro fluido para baixo do poço;

armazenar o terceiro fluido na fratura como energia mecânica; e antes do vazamento do terceiro fluido da fratura, reduzir a pressão no poço, de modo a produzir uma porção do terceiro fluido para cima do poço e permitir que a pressão do fluido produzido produza energia.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda a expansão da fratura.

17. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda produzir um precipitado e um gel, em que o precipitado e o gel são produzidos pela mistura de um silicato com um cátion polivalente.

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18. Método, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o precipitado reticula com superfícies de argila presentes na fratura e em que o gel obstrui os poros ou micro-fraturas na fratura.