CN110139815B - 具有脱盐作用的液压地质储能系统 - Google Patents

具有脱盐作用的液压地质储能系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110139815B
CN110139815B CN201780081205.9A CN201780081205A CN110139815B CN 110139815 B CN110139815 B CN 110139815B CN 201780081205 A CN201780081205 A CN 201780081205A CN 110139815 B CN110139815 B CN 110139815B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fluid
fracture
energy
rock
particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201780081205.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110139815A (zh
Inventor
H·K·施密特
A·H·曼德尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Quidnet Energy Inc
Original Assignee
Quidnet Energy Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US15/336,424 external-priority patent/US10125035B2/en
Application filed by Quidnet Energy Inc filed Critical Quidnet Energy Inc
Publication of CN110139815A publication Critical patent/CN110139815A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110139815B publication Critical patent/CN110139815B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65G—TRANSPORT OR STORAGE DEVICES, e.g. CONVEYORS FOR LOADING OR TIPPING, SHOP CONVEYOR SYSTEMS OR PNEUMATIC TUBE CONVEYORS
    • B65G5/00—Storing fluids in natural or artificial cavities or chambers in the earth
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices or the like
    • E21B33/138—Plastering the borehole wall; Injecting into the formation
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B41/00—Equipment or details not covered by groups E21B15/00 - E21B40/00
    • E21B41/005—Waste disposal systems
    • E21B41/0057—Disposal of a fluid by injection into a subterranean formation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/06—Stations or aggregates of water-storage type, e.g. comprising a turbine and a pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/17—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing energy in pressurised fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/42—Storage of energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y02A20/138—Water desalination using renewable energy
    • Y02A20/141—Wind power
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/50—Energy storage in industry with an added climate change mitigation effect

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Treatment Of Water By Ion Exchange (AREA)
  • Pretreatment Of Seeds And Plants (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)

Abstract

可通过将流体注入土地的裂缝中并在回收能量和/或使水脱盐的同时产生流体来存储能量。该方法可特别适合于例如，在电网规模的电能系统中存储大量能量。可形成裂缝并用树脂进行处理，以限制流体损失并增加蔓延压力。流体可为含有溶解盐的水或淡水，并且当产生水时，可使用水中的压力使部分或全部水脱盐。

Description

具有脱盐作用的液压地质储能系统
该部分继续申请要求2014年6月30日提交的序列号为14/318,742的优先权，该序列号要求2010年8月9日提交的美国非临时申请序列号12/853,066的优先权，该美国非临时申请要求2009年8月10日提交的美国临时申请序列号61/232,625的优先权，所有这些文献都通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及储能和脱盐。更具体地，流体被注入井中以形成水力裂缝。流体可在压力下被泵入裂缝，然后在压力下从裂缝中生产，用于发电或流入反渗透装置中以进行脱盐。
背景技术
包括能源安全、价格波动、碳调节、税收激励和对人为全球变暖的担忧等许多因素正在推动可再生能源的快速增长。由于液态化石燃料因其出色的能量密度(约45兆焦耳/升)而主要消耗在交通运输行业，而生物燃料仅提供有限的能量获得可再生能源的关键作用是取代发电中的化石燃料消耗。美国目前消耗大约1TW(1012瓦)的电力，因此只有最终能输送100GW总发电量的可再生技术才是有意义的电网规模选择。除了几十年来基本满负荷运行的水力发电之外，目前只能考虑基于太阳能和风能的系统。如果没有大量的公众资助补贴，目前这两者都不具有成本竞争力，尽管预期资本支出和运营成本会随着时间的推移而下降，并最终可能达到与燃煤和燃气发电厂同等的比价。这两者中，风力涡轮机更经济，资本支出(资本开支)约为$1.75/瓦，仅德克萨斯州具有安装完毕的基地，峰值产能约为2.5GW。
这两种关键的可再生资源(风能和太阳能)在逐日和季节基础上都存在间歇性，如图1所示。因此，它们都不适合提供基本负载电力。输出波动也会导致电网不稳定；在没有动态负载均衡装置(例如智能电网技术)的情况下，现在必须将可再生电源限制为小于给定电网上输送的功率的约百分之十。因此，可再生电力在电网水平方面不仅受到能源经济的限制，还受到电网稳定技术的限制。
因此，需要与可再生能源并行的大规模电能存储技术。表1列举了候选能量存储技术的特征。目前使用的最常见的电能存储系统基于某种电池技术；主要候选者包括铅酸电池、锂离子电池和钒流电池。这些通常不仅可用于在能源处调平可再生能源，而且还可用于峰值转换并提高使用点的可靠性。自2008年起，PG&E已以$2M USD的价格，为住宅区购买了额定容量为1MW、供电5小时的设施。通过延缓对增加输电能力的投资(约2/3)以及部分地通过提高服务质量(约1/3)证明了其合理性。这为考虑替代存储技术提供了有用的规模和价格点：5,000kw-hr的容量和$400/kw-hr的价格。
表1
Figure BDA0002110002800000021
Figure BDA0002110002800000031
作为应用实例，额定容量为3MW、典型利用系数为0.3的风力机每天的发电量约为22,000kw-hr。如果3个上述以电池为基础的存储单元分别投入于每台风力涡轮机，资本开支将翻一番，这是基于用于3MW风力涡轮机设施的$5.25M考虑的。显而易见，即使在合理的技术改进和规模经济的情况下，当前的电池技术对于一般的电网规模存储来说也是贵得离谱。
电网电能存储的主要技术包括抽水蓄能和压缩空气储能(CAES)。抽水蓄能利用非高峰电力将水泵送到高位储层。这就需要有大量的水和便利的位置地形，而在风力发电密度适宜的地区(美国中部的大平原地区)，这两种资源都供应不足。这种技术方法当然是经过试验并且可靠的，并且具有约87％的良好的往返效率。压缩空气存储系统取决于废弃矿井的可用性或深的地下洞穴的开发。这是一种经过验证的技术，可安放在美国大陆的85％左右，并提供约80％的合理效率。由于空气的压缩和膨胀产生了大的温度变化，用于处理这种寄生能量通道的CAES设备相对复杂和昂贵。图2中的图表将各种储能技术定位在电能空间中，并清楚地展示了抽水蓄能和CAES在组合高的总能量与高功率能力上各自的优势。
存储技术的另一个关键应用在于峰移(peak shifting)，或者在短时期的极端需求期间提供额外的电力。该区域在图2中表示为“分布式资源”。夏季下午与空调相关的需求高峰是一个典型的例子。遗憾的是，这同时是风力涡轮机的低生产率时期。图3中的图表示出了用于服务该应用的各种候选技术的估计资本成本。
如上所述，该应用目前正由一些早期采用者如PG&E解决，主要基于传输线的延迟投资和改进的服务质量。当然，还有一种基于分布式电源“绿色标志”的营销优势。
在大规模部署抽水蓄能和/或CAES之前，我们注意到存在有趣的套利机会，即：从风力涡轮机中存储多余的夜间电力，并在夏季下午需求高峰时转售。有趣的是，据说风电场实际上向电网运营商支付夜间供电费用。像Green Mountain Energy这样的风力发电行家，以白天$0.19/kw-hr的零售价出售风能。因此，存在通过12小时存储系统大体收入$0.20/kw-hr的机会。如果存储技术足够便宜，这将是一个非常有利可图的事业。在资本市场吃紧且要求高内部收益率的环境下，现有技术的经济性使得这充其量只是一个边缘命题。
在许多地区，还缺少淡水或饮用水。脱盐的主要方法之一是反渗透。该过程需要压力来克服咸水的渗透压力并迫使水通过半透膜。因此，存在用于组合存储技术和脱盐技术的额外机会。
发明内容
本发明使用井在土地中的裂缝(例如，水力裂缝和/或天然存在的裂缝)中以高压存储流体。当从井中回流产生流体时，流体用于传统设备中以产生动力。可使裂缝的壁变得较不可渗透，并且可通过将树脂(诸如环氧树脂)注入裂缝中来增加裂缝的蔓延压力。描述了能够为分布式资源和负载管理提供盈利操作的存储能力、资本要求和预期回报率，以及风力发电的隔夜套利。如果存储的流体是盐水，例如从土地的地层产生的水，并且需要淡水，从存储容量中产生的选定部分的盐水可被引导至反渗透装置以进行脱盐。
附图说明
图1示出了德克萨斯州威尔多拉多(Wildorado)的每日风模式。
图2示出了能量存储技术的成本和效率。
图3示出了分布式设施应用和可再生能源的匹配。
图4示出了土地中的水力裂缝和用于形成所述裂缝的设备。
图5A是裂缝的横截面图，示出了将树脂放置在由裂缝穿透的岩石中。
图5B是裂缝的横截面图，示出了使树脂朝向裂缝的端部移动的置换流体。
图5C是裂缝的横截面图，示出了位移到裂缝的尖端的树脂。
图6示出了井周围土地中的水力裂缝和地表上用于控制从裂缝的回流并且发电或对水脱盐的设备。
具体实施方式
水力压裂通常用于改善钻入到低渗透性储层中的油井和气井的生产率。这种裂缝增加了井进入储层岩石的有效生产表面积。事实上，只有通过大范围压裂才能实现对非常规储层(如巴内特页岩和巴肯层(Barnett Shale and Bakken Formation))的有盈利的开采。简单地说，在将井套管粘合到位之后，在需要的层产生穿孔，然后在高压下将流体向下泵送到井中以在井周围的岩石层中引起裂缝，如图4所示。井41已被钻入地下地层。运砂车42可将支撑剂运至井场。压裂流体可混合并存储在罐45中，从该罐中将压裂流体吸入搅拌车43，在那里压裂流体与沙子或其他支撑剂混合。高压泵44用于以足以在井周围形成裂缝46的压力迫使流体沿井41向下。支撑剂颗粒47可在裂缝形成后被泵入裂缝中。形成裂缝46的必要压力通常线性地取决于深度；典型的“裂缝梯度”是每英尺井深约0.8PSI。因此，3000英尺的井需要在岩石面处施加大约2,400PSI的压力以产生水力裂缝。在浅井(深达1,000至2,000英尺)中，水力裂缝通常水平蔓延。在更大的深度下，岩石中的自然应力倾向于导致竖直定向的裂缝。对于我们储能的目的，裂缝的定向并不重要。在任何情况下，通过岩石围绕裂缝的变形来存储能量，所述变形主要是弹性变形。裂缝可能主要在一个平面中从井延伸穿过周围岩石层，如图4所示，或者，在诸如巴内特或巴肯页岩地层的天然裂缝岩石中，裂缝可在大体积上延伸，具有许多不同的流体路径。
井中的裂缝可从井眼径向延伸例如大约100米至1000米。如果裂缝主要在一个平面内，则在井眼处的裂缝厚度可为0.5-2cm。在裂缝操作期间可使用微震方法实时监测裂纹蔓延，同时可使用倾斜仪同时地测量土地表面处的变形程度和模式。裂缝的岩石层的流体渗透性和弹性性质有效地确定了通过给定泵送系统可能达到的裂缝程度。随着裂缝长度的增加，岩石的表面积随着进入岩石的流体速率(rate)而不是随着适当地填充裂缝的流体速率而增加。因此，高渗透性岩石可能根本难以形成裂缝，而低渗透性的岩石可能会形成裂缝到更大的距离。可将流体损失添加剂(颗粒)添加到压裂流体中以降低从裂缝进入岩石的流体的速率。通过在压裂流体中泵送聚合物树脂可进一步降低流体损失。优选地，可使用脂肪族环氧树脂，例如在L.Eoff等人的文献“Water-Dispersible Resin System for WellboreStabilization”，SPE 64980,2001中所述。也可使用呋喃、酚醛树脂和其它环氧树脂。树脂体系可作为纯树脂、树脂/沙子混合物泵送，或分散在水基或油基压裂流体中。树脂可与稀释剂或溶剂混合，其可为反应性的。在压裂树脂开始处的纯树脂填塞物(slug)之后可为树脂在压裂流体中的分散体，然后是压裂流体。可将支撑剂和/或流体损失剂添加到任一种流体中。将不同流体的体积优选地选择为允许环氧树脂或其他树脂将裂缝填充到尖端并围绕裂缝尖端渗入岩石。可重复施加树脂或包含树脂的流体的注入以实现来自裂缝的更低流体损失。
图5A、图5B和图5C通过示出裂缝的横截面而示出了将树脂放置在裂缝中以制备用于存储能量的裂缝的方法，如本文所述。在图5A中，树脂、树脂的分散体或与树脂50混合的液体存在于井眼中，并存在于岩石中形成的裂缝51中。树脂50可包含防流体损失用添加剂(fluid loss additive)。裂缝周围有渗漏到岩石中的树脂52。在图5B中，置换流体54(其可是含有油基增粘剂或含有树脂溶剂的水)被示出使树脂50朝向裂缝的端部移动。置换流体54优选地比树脂50更粘稠。泄漏到岩石中的树脂52中的量增加。在图5C中，仅有限量的树脂50保留在裂缝中，并且该树脂存在于裂缝的尖端或端部附近。裂缝51可包含支撑剂55。
在固化之后，裂缝尖端中或周围的树脂将增加裂缝的蔓延压力并允许在流体存储期间产生更宽的裂缝。在裂缝中在压力下存储的流体的流体泄漏速率可降低到较小值或最小值。通过实现从裂缝的低流体损失，气体也可单独或与液体一起用作存储过程的工作流体。
出于能量存储的目的，我们对具有极少流体损失的大裂缝感兴趣。理想地，流体损失将为零，因此合适的岩石层可为完全不可渗透的。我们注意到，在压裂过程中用于减少或消除从裂缝的流体损失的添加剂在本申请中可用于减少或消除微渗透岩石层中的流体损失。可用于减少流体侵入的材料包括聚合物、细二氧化硅、粘土、可能的新纳米结构材料(如石墨烯悬浮液)以及所选材料的混合物。注入裂缝的任何流体可包含支撑剂或不包含支撑剂。
在这些条件下，我们注意到用于产生裂缝的能量可分为三大类：流体摩擦(损失，取决于泵送速率和井中的管道尺寸)，裂缝的岩石(小；损失)，以及裂缝周围岩石的弹性弯曲。重要的是，我们注意到用于使岩石弹性变形的能量实际上存储为势能。当岩石松弛到其原始位置时，该能量可从自裂缝和钻孔中喷出的流体流中回收。因此，在形成大的裂缝之后，流体填充的空间可用于液压提升(和弯曲(flex，收缩))过载并存储机械能。通过允许加压流体通过涡轮机漏出，可有效地回收该能量。在高于破裂梯度的压力下注入流体的过程可重复选定的次数，与产生流体回流以产生动力的过程交替进行。因此，裂缝用作弹性存储容器。总体而言，该方案在概念上类似于抽水蓄能系统。然而，取代将水单独泵送到高位，我们将把水向下泵送，用水来液压提升和弯曲大而致密的土块，或者弹性地使土地变形。对于两者来说，关键部件(泵、涡轮机)和损耗通道(流体摩擦)都是相似或相同的，因此，在约为87％的往返基础上，我们预计这种新方法将具有与抽水蓄能相同的总效率。
这种新方法的关键优点是可使用平坦的地形，并且消除了大型土方工程和环境影响。
我们在下面示出了一对示例性的裂缝设施，以证明通过这种新方法可用的能量存储的规模，假设在水力裂缝周围发生的岩石变形或提升可由以下表示：
例1.1km深井，在100米半径(典型的油田裂缝)上的1cm平均提升
井深：1,000m
裂缝半径：100m
填塞物容量：31,400,000m3
岩石密度：2,800kg/m3
填塞物质量：87,900,000,000kg
填塞物重量：862,000,000,000牛顿
平均提升：1cm
提升能量：8,620,000,000焦耳8.6E 9焦耳
存储容量：2,395kw-hr
例2.1km深的井，在100米半径上的10cm平均提升
井深：1,000m
裂缝半径：500m
填塞物体积：7.85E 8m3
岩石密度：2,800kg/m3
填塞物质量：2.20E 12kg
填塞物重量：2.16E 13牛顿
平均提升：10cm
提升能量：2.16E 12焦耳
存储容量：5.99E 5kw-hr
尽管描述了水力裂缝性质的解释，但申请人不希望受到关于水力裂缝性质的特定科学理论的约束。
为了比较，以典型的30％利用率运行的3MW风力涡轮机每天产生2.16E4kw-hr。因此，实施例2中描述的单元可存储由167个涡轮机组成的风电场的整个标称日产量。如果以当前价格($400/kw-hr)购买基于电池的存储系统以获得此存储能量，则需要大约$239,000,000的资本投入。我们预计在这种水力裂缝中储能的资本投入将大约少三到十倍。能量存储的规模明显地处于负载管理状态(图2)，其目前仅可通过抽水蓄能和CAES技术来解决。如果本例中的系统每天以30％的容量循环，则在$0.10/kw-hr下，套利价值约为每天$18,000。
注入裂缝的流体可为液体或气体。合适的流体是从饮用水蓄水层下面的土地中的岩石层中产生的卤水。卤水可与烃的产生一起产生。如果卤水或含有溶解盐的水被注入到图4或图5的裂缝中，产生的回流流体基本上与注入的流体具有相同的成分。产生的流体的压力将处于升高的水平，直到裂缝闭合。如上所述，过压可用于产生动力，或者过压可用于使一部分产生的水或所有产生的水脱盐，如图6所示。
参见图6，已经钻出井60并且已在井中形成一个或多个水力裂缝62。如上所述，从裂缝的泄漏已被限制。已将管状件放置在井中并安装有阀63以控制流入或流出井的流量。然后，井可连接到阀64，用于在回流阶段期间控制流向发电设施的流量，如上所述。井也可通过阀65连接到脱盐或其他水处理设施。优选的水处理设施是反渗透单元，例如单元66。使用从井60回流的流体的高压，半透膜67允许从水中除去溶解的盐并产生淡水，如图所示。阀64和65都可在处于高压下的存储水的回流阶段期间打开，从而允许产生动力和产生淡化水。替代地，阀64和65中的任何一个可关闭，并且所有产生的流体可用于一个目的，例如脱盐。或者，在回流阶段期间，任一阀也可在打开或关闭方面改变。阀响应于回流阶段期间的产生的流体的压力变化的打开变化可改善发电和脱盐的组合过程的结果。
取决于所处理的水的盐度，反渗透通常需要半透膜上任意位置(anywhere)的200-1200psi的压差。这通常是克服渗透压并使水流过半透膜所需的驱动力范围。取决于工艺条件，海水的典型流速为15-35gal/ft2/日(GFD)。
可使用一定范围的含水量-从非常低的盐度(在正常操作期间从地层中出来的少量TDS)，到中等盐度(使用咸的地下水或与烃一起产生的水作为注入物)，到高盐度(高盐度工艺用水)。反渗透可用于在正常操作期间既控制存储设施的水质，即，去除可能影响储层的性能(例如，导致井中和/或裂缝内部的水垢积聚)的溶解固体，又控制将非饮用水源转换为可饮用水质的方法(例如“抽水储能脱盐”)。可使用反渗透工艺中公知的装置，诸如压力交换器能量回收装置(可从Energy Recovery公司购得)。这提供了一种整合能量存储和水处理/脱盐的方法。如果在回流过程中不产生动力，该过程可被视为通过对水进行脱盐而将存储的能量直接转化为有用功。
已经描述了注入裂缝中的水并且具有溶解的盐，但是淡水(不具有溶解的盐)也可用作工作流体。然后从裂缝回流的淡水的压力可交换至待脱盐的水，从而可使用反渗透对盐水进行脱盐。如上所述的压力交换器可用于此目的。
在某些实施例中，在裂缝产生和/或膨胀操作期间可将颗粒注入裂缝中以流到裂缝的蔓延尖端，这可实现桥接并进行筛阻(screen out)，从而可阻止进一步的裂缝蔓延。在一些实施方案中，颗粒可被注入裂缝中以流到裂缝的尖端，这可实现桥接并进行筛阻，从而可阻止进一步的裂缝蔓延。在实施例中，桥接可包括堵住岩石层中的孔隙空间或流体路径。桥接件可为部分的或全部的，并且可不受限制地由固体(例如钻出的固体、钻屑、崩落物(例如，来自井眼的岩石碎块；崩落物可为碎片、尖片、块和/或各种形状的岩石))和/或可能会在狭窄地方堆集在一起的废物导致。筛阻可包括当处理流体中携带的固体(例如压裂流体中的支撑剂)在穿孔或类似的受限流动区域上形成桥接件时可能发生的情况。在没有限制的情况下，这可能对流体流动产生显著限制，这可能导致泵压力的快速升高。颗粒可包括一定范围的尺寸以实现桥接和相互应变，从而使流过桥接件的流体流量最小化。颗粒可接近流体(例如，诸如水和/或聚合物的操作流体)中的中性浮力或为中性浮力。颗粒可为顺从的/可压缩的，使得它们可在回流/发电循环期间被压缩，然后在适当的位置(例如，在裂缝中)膨胀以保持定位和裂缝尖端附近的桥接。
通过注入悬浮在操作流体中的材料来桥接、插入、阻塞、覆盖或隆起(swell)岩石层(所述岩石层可为可渗透的)中的孔隙和/或孔喉(例如，在粒间岩石中，孔喉可能是两个颗粒相遇的点处的孔隙空间，这可能连接两个较大的孔隙体积；孔喉的数量、大小和分布可控制岩石层的电阻率、流量和毛细管压力特性中的多个)，通过有意地引起岩石层损坏以减小岩石层的所述渗透性，可利用可渗透岩石层进行能量(例如，液压能)存储。在某些实施方案中，悬浮在操作流体中的材料可包括悬浮在流体中的固体颗粒的混合物，被构造/设计成插入岩石层中的孔隙(例如，二氧化硅粉、研磨大理石等)。在其他实施例中，悬浮在操作流体中的材料可包括板状材料，例如膨润土、石墨烯或石墨氧化物，用于覆盖岩石层中的孔隙并阻挡岩石层中的流体流动。在一些实施例中，悬浮在操作流体中的材料可包括板状颗粒、球形颗粒、棒状颗粒、长形颗粒、纤维状颗粒或其组合。然而，在其他实施例中，悬浮在操作流体中的材料可包括树脂或有机材料的胶体悬浮液(即，胶体的悬浮液)，其可桥接岩石层中的孔隙并润湿岩石层的表面和/或岩石层的孔喉。胶体可为例如乳胶热固性树脂，其可在填充岩石层中的孔喉之后固化。在一些实施例中，悬浮在操作流体中的材料可包括流体的胶体悬浮液，其可润湿岩石层并且具有高表面张力，高表面张力可降低能量存储系统中含水工作流体(例如，工作流体的含水部分)的相对渗透性。可润湿岩石层并且可包括可降低含水工作流体的相对渗透性的高表面张力的胶体悬浮液的实施例可包括粘性油滴，其可能润湿富含有机质的页岩的表面或碳酸盐岩(例如方解石、石灰石和/或白云石)的略微疏水性的表面。
可能已经预先直接形成裂缝的贫瘠致密气体储层可用作水能存储储层(例如，致密砂岩储层，可为天然亲水的-水本身可能导致地层损坏以降低烃的相对渗透性并可允许存储水而不产生气体或其他碳氢化合物，例如有问题的气体或其他碳氢化合物。
在某些实施例中，可通过水注入来对裂缝进行格式化(例如，填充、扩张(inflate)和/或膨胀(expand))。水可循环/注入和流出裂缝而不会使裂缝蔓延。动力循环的所有点处的压力可保持低于裂缝蔓延压力。
在某些实施例中，加压流体可存储在裂缝中，并且可直接供给到加压的反渗透脱盐元件(例如膜)中。脱盐可能不需要额外的加压步骤-在注入到裂缝期间，流体可能已经被加压。另外，能量可存储在裂缝中，并且可使用涡轮机/发电机转换成电力，然后能量可为脱盐过程提供动力(例如，能量和水之间的关系-能量的产生和水可能是相关的)。在裂缝中存储能量可缓冲可再生能源的间歇性质，即，脱盐可能需要连续不断的且高度可靠的能量供应以便具有成本效益，因此可能需要便宜的存储以便有效地利用可再生能源。光伏(“PV”)太阳能可为能量源(例如，来自PV太阳能的能量可通过使用水力裂缝来存储并且可被输送到反渗透脱盐工厂)。该技术还可用于减轻现有反渗透脱盐设备在电网上的需求，即，可通过使用该存储技术使得脱盐能力脱离电网。在某些实施例中，脱盐水可存储在裂缝中。地热能也可为用于该过程的能量来源，以执行地热脱盐。待处理(例如，脱盐)的水源可包括海水、含盐地下水、产出油、产出气体、回流水、工艺废水、工业废水、冷却塔排放和/或城市废水。
尽管已经关于具体细节描述了本发明，但是，除非它们包括在所附权利要求中，否则并不意味着这些细节应当被视为对本发明范围的限制。

Claims (19)

1.一种存储和产生可渗透岩石层中的能量的方法，包括：
将支撑剂颗粒、流体损失添加剂和聚合物树脂注入所述可渗透岩石层的裂缝中以制备用于存储和产生能量的所述裂缝；
将顺从颗粒注入所述裂缝中以桥接和筛阻所述裂缝的尖端并阻止进一步的裂缝蔓延，其中所述顺从颗粒是能压缩的和能膨胀的；
将流体向井下泵送到所述裂缝中以流到所述裂缝的尖端；
将所述流体存储在所述裂缝中作为机械能；和
在所述流体从所述裂缝中泄漏之前，减小所述井中的压力，以便产生一部分流向所述井上的流体并允许产生的所述流体的压力产生能量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述顺从颗粒被构造成使通过桥接件的流体流最小化。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述顺从颗粒被构造为在回流或发电循环期间压缩。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述顺从颗粒被构造为在所述裂缝中膨胀。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括允许所述流体通过涡轮机从所述裂缝中漏出。
6.一种存储和产生可渗透岩石层中的能量的方法，包括：
引起岩石层损坏；
通过将悬浮在流体中的材料向井下注入来桥接、插入、阻塞、覆盖或隆起所述岩石层中的孔隙和/或孔喉，以降低所述岩石层渗透性；
将顺从颗粒注入所述岩石层的裂缝中以桥接和筛阻所述裂缝的尖端并阻止进一步的裂缝蔓延，其中所述顺从颗粒是能压缩的和能膨胀的；
将所述流体存储在所述裂缝中作为机械能；和
在所述流体从所述裂缝泄漏之前，减小所述井中的压力，以便产生一部分向所述井上的流体并允许产生的所述流体的压力产生能量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述材料包括二氧化硅粉、研磨大理石或其组合。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述材料包括膨润土、石墨烯或石墨氧化物，其中所述材料被构造成用于覆盖所述岩石层中的孔隙并阻挡岩石层中的流体流动。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述材料包括树脂或有机材料的胶体悬浮液，所述胶体悬浮液被构造成桥接所述岩石层的孔隙并润湿所述岩石层的表面和/或所述岩石层的孔喉。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述材料包括胶体，其中所述胶体包括乳胶热固性树脂，所述乳胶热固性树脂被构造成在所述岩石层中填充孔喉后固化。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述材料包括流体的胶体悬浮液，所述流体的胶体悬浮液被构造成润湿所述岩石层。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述材料包括流体的胶体悬浮液，所述流体的胶体悬浮液包括表面张力，所述表面张力被构造成降低所述流体的含水部分的相对渗透性。
13.根据权利要求6所述的方法，其中，所述材料包括粘性油滴，所述粘性油滴被构造成润湿富含有机质的页岩的表面或碳酸盐岩的疏水性表面。
14.根据权利要求6所述的方法，其中，所述悬浮在流体中的材料是支撑剂颗粒、流体损失添加剂和聚合物树脂。
15.一种存储和产生可渗透岩石层中的能量的方法，包括：
将材料注入所述可渗透岩石层的裂缝中以制备用于存储和产生能量的所述岩石层的裂缝，其中所述材料包括板状颗粒、球形颗粒、棒状颗粒、长形颗粒、纤维状颗粒或其组合；
将顺从颗粒注入所述裂缝中以桥接和筛阻所述裂缝的尖端并阻止进一步的裂缝蔓延，其中所述顺从颗粒是能压缩的和能膨胀的；
将水向井下注入到储层的所述裂缝中以填充、扩张或膨胀所述裂缝而不会使所述裂缝蔓延；
将流体存储在所述裂缝中作为机械能；和
在所述流体从所述裂缝泄漏之前，减小所述井中的压力，以便产生一部分来自所述井的流体并允许产生的所述流体的压力产生能量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述储层是贫瘠致密气体储层，其中所述贫瘠致密气体储层是亲水的。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括引起地层损坏以降低烃的相对渗透性。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括在不产生气体的情况下允许水存储。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述材料是支撑剂颗粒、流体损失添加剂和聚合物树脂。
CN201780081205.9A 2016-10-27 2017-10-26 具有脱盐作用的液压地质储能系统 Expired - Fee Related CN110139815B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/336,424 2016-10-27
US15/336,424 US10125035B2 (en) 2009-08-10 2016-10-27 Hydraulic geofracture energy storage system with desalination
PCT/US2017/058407 WO2018081345A1 (en) 2016-10-27 2017-10-26 Hydraulic geofracture energy storage system with desalination

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110139815A CN110139815A (zh) 2019-08-16
CN110139815B true CN110139815B (zh) 2022-07-26

Family

ID=62025448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780081205.9A Expired - Fee Related CN110139815B (zh) 2016-10-27 2017-10-26 具有脱盐作用的液压地质储能系统

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP3532408A4 (zh)
CN (1) CN110139815B (zh)
AU (1) AU2017348102A1 (zh)
SG (1) SG11201903768PA (zh)
WO (1) WO2018081345A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10669471B2 (en) 2009-08-10 2020-06-02 Quidnet Energy Inc. Hydraulic geofracture energy storage system with desalination
AU2019264551A1 (en) * 2018-11-13 2020-05-28 Quidnet Energy Inc. Hydraulic geofracture energy storage system with desalination
CN114016988A (zh) * 2021-11-03 2022-02-08 王瀚艺 通过地层进行储能和释能的方法和系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4776171A (en) * 1986-11-14 1988-10-11 Perry Oceanographics, Inc. Self-contained renewable energy system
WO2006003637A1 (en) * 2004-07-02 2006-01-12 Schlumberger Canada Limited Degradable additive for viscoelastic surfactant based fluid system
CN101679042A (zh) * 2006-12-07 2010-03-24 罗曼·布莱克 减少温室气体向大气中的排放的方法
CN102530463A (zh) * 2011-11-26 2012-07-04 四川大学 多井地下能源储存库及其工作模式
CN104040114A (zh) * 2012-01-03 2014-09-10 埃克森美孚上游研究公司 使用溶洞生产烃类的方法
CN105555905A (zh) * 2013-04-17 2016-05-04 斯塔特伊石油公司 用于co2eor和储存的方法及其用途

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2392460B (en) * 2002-08-29 2006-02-08 Schlumberger Holdings Delayed-gelation solution
US7772163B1 (en) * 2003-06-20 2010-08-10 Bj Services Company Llc Well treating composite containing organic lightweight material and weight modifying agent
US9481519B2 (en) * 2009-08-10 2016-11-01 Quidnet Energy Inc. Hydraulic geofracture energy storage system with desalinization
US8763387B2 (en) * 2009-08-10 2014-07-01 Howard K. Schmidt Hydraulic geofracture energy storage system
US20120043085A1 (en) * 2010-08-19 2012-02-23 Schlumberger Technology Corporation Wellbore service fluid and methods of use
US9611416B2 (en) * 2010-10-25 2017-04-04 Isp Investments Llc Salt-tolerant, thermally-stable rheology modifiers
AR084949A1 (es) * 2011-01-31 2013-07-10 Halliburton Energy Serv Inc Aumento de la complejidad de fracturas en formaciones subterraneas de permeabilidad ultra baja mediante el uso de particulas degradables
US20150204171A1 (en) * 2013-11-06 2015-07-23 Geosierra, Llc Carbon dioxide energy storage and enhanced oil recovery
GB2530551B (en) * 2014-09-26 2016-09-21 Delphian Ballistics Ltd Perforating gun assembly and method of use in hydraulic fracturing applications

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4776171A (en) * 1986-11-14 1988-10-11 Perry Oceanographics, Inc. Self-contained renewable energy system
WO2006003637A1 (en) * 2004-07-02 2006-01-12 Schlumberger Canada Limited Degradable additive for viscoelastic surfactant based fluid system
CN101679042A (zh) * 2006-12-07 2010-03-24 罗曼·布莱克 减少温室气体向大气中的排放的方法
CN102530463A (zh) * 2011-11-26 2012-07-04 四川大学 多井地下能源储存库及其工作模式
CN104040114A (zh) * 2012-01-03 2014-09-10 埃克森美孚上游研究公司 使用溶洞生产烃类的方法
CN105555905A (zh) * 2013-04-17 2016-05-04 斯塔特伊石油公司 用于co2eor和储存的方法及其用途

Also Published As

Publication number Publication date
AU2017348102A1 (en) 2019-05-16
WO2018081345A1 (en) 2018-05-03
SG11201903768PA (en) 2019-05-30
EP3532408A1 (en) 2019-09-04
CN110139815A (zh) 2019-08-16
EP3532408A4 (en) 2020-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11927085B2 (en) Hydraulic geofracture energy storage system with desalination
CA2807760C (en) Hydraulic geofracture energy storage system
EP3161254B1 (en) Hydraulic geofracture energy storage system with desalinazation
EP3660263A2 (en) Hydraulic geofracture energy storage system with desalination
US10125035B2 (en) Hydraulic geofracture energy storage system with desalination
CN110139815B (zh) 具有脱盐作用的液压地质储能系统
Toth Hungary country update 2005-2009
Milliken Geothermal resources at Naval petroleum reserve-3 (NPR-3), Wyoming
Menéndez et al. Low-enthalpy geothermal energy potential of mine water from closured underground coal mines in Northern Spain
US20240084683A1 (en) Hydraulic Geofracture Energy Storage System and Associated Methods
Jelgersma Redevelopment of the abandoned Dutch onshore Schoonebeek oilfield with gravity assisted steam flooding
RU2341618C2 (ru) Способ гидроаккумулирования
Bobok et al. Geothermal energy production and its environmental impact in Hungary
RU114065U1 (ru) Подземный водоисточник-накопитель для деривационных скважинных гэс
BOBOK Comparison of geothermal energy production technologies
Driscoll Water Requirements in Deep Geothermal Systems
Grant et al. Full Life-Cycle Water Require-ments for Deep Geothermal Energy Developments in South Australia

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20220726

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee