CN114876430B - 一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油页岩地下原位电加热技术领域，具体涉及一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统，包括供电系统和油页岩加热系统，供电系统包括市电系统、光电系统、风电系统和供电控制系统。每个独立的供电系统即可实现电能供应也可实现电力协同输运。通过供电系统的电力协同输运令电力以平稳的功率输送到油页岩加热系统，使油页岩实现地下原位电加热，在高温下裂解，通过提取装置的分离和提纯得到油页岩产物。系统利用可持续能源和市电系统峰谷时剩余电力三种能源的协同供电系统进行加热，在薄层油页岩的基础上，单个加热井组采用6口水平井呈正六边形的布局，增加油页岩加热效率，在低能耗的同时能够极大限度的开发利用油页岩。
Description
技术领域
本发明属于油页岩地下原位电加热技术领域，具体涉及一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统。
背景技术
随着传统化石能源（煤、石油和天然气等）储量不断减少，新能源在短时间内不能弥补他们的缺失，非常规能源的利用逐渐得到重视。油页岩因其储量折算成发热量，仅次于煤居于第二位，被认为是传统能源的重要替代能源之一。
目前，国内外油页岩常规开采方式分为地面干馏开采和地下原位开采两种。地面干馏开采油页岩是将油页岩开采后置于干馏炉内加热，裂解产生页岩油、热解油气和固体残留焦炭，这种方法对周围环境造成了极大的破环。地下原位开采模式分为地下传导加热、地下对流加热、地下辐射加热和地下燃烧等模式。
其中，地下传导加热原位开采技术是放置加热元器件，通过在储层间的传导加热，加热油页岩热裂解油气，地下传导加热技术成熟，对环境危害性小，开采占地面积小。
地下传导加热原位技术又分为壳牌原位转化（ICP）技术、埃克森-美孚（Electrofrac TM）技术、斯伦贝谢/Raytheon-CF的临界流射频技术和GFC地热燃料电池（IEP）技术。这四种传导加热技术分别有优缺点，本发明主要应用ICP技术。
在经济发展日益迅速的今天，风力发电和太阳能发电以其特有的优势，越来越受到人们的重视，而将风力发电、太阳能发电和市电峰谷电力协同供给负载端的联合运行模式既具有优良的调峰填谷能力的同时，又能够有效提高电网消纳风电、光电的能力。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统，在三年油页岩地下原为电加热开采的运行周期内，通过风光电三种能源的协同模式，在考虑薄层油页岩加热井组效率的基础上，降低能源的损耗，增加油页岩加热的效率，极大实现了低能耗开发利用油页岩。
本发明采用的技术方案为：一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统，系统包括供电系统和油页岩加热系统；所述供电系统包括市电系统、光电系统、风电系统和供电控制系统；
所述市电系统包括发电厂、升压变压器、降压变压器、市电控制器和市电畜电池组，市电系统能够独立的在市电控制器的控制下将电力通过升压变压器和降压变压器供应给用户端，同时将电信号传输给供电控制系统，并令每日的23时到7时发电厂产生的电力和市电畜电池组所储存的电力在市电控制器的控制下通过升压变压器和降压变压器以固定的交流电压值传送给供电控制系统；
所述光电系统包括太阳能光伏板、太阳能控制器、太阳能蓄电池组和太阳能逆变器，光电系统通过太阳能光伏板发电，并能在太阳能控制器的控制下将电力供应给用户端，同时将电信号传输给供电控制系统，将太阳能光伏板产生的电力通过太阳能逆变器以固定的交流电压值传送给供电控制系统；
所述风电系统包括风电机组、风力蓄电池组和风力控制器，风电系统通过风电机组发电，并能在风力控制器的控制下将电力供应给用户端，同时将电信号传输给供电控制系统，将风能产生的电力通过风电机组的变压器以固定的交流电压值传送给供电控制系统；
所述供电控制系统包括总蓄电池组、主控制器和逆变器，供电控制系统的主控制器通过接收的供电系统的三个分系统电信号，在信号处理后将主控制器的负反馈电信号输入供电系统，控制市电系统、光电系统和风电系统的协同发电，以定电压值供应给油页岩加热系统外的电力输送至总蓄电池组储存电力，通过逆变器输送至油页岩加热系统；
所述油页岩加热系统包括加热装置、监测装置和提取装置，监测装置用于实时监测加热装置的压力和温度参数，对加热装置进行保护，并指令提取装置工作。
进一步的，所述加热装置包括加热井组、监测井组和产出井组，在地面向地下打入加热井组、监测井组和产出井组，通过电加热的方式将油页岩加热，油页岩位于顶层基岩和底层基岩之间。
进一步的，单个加热井组为6口水平井组成，位置与水平线成5°，井布局呈正六边形；相比其他的井组结构，由正六边形的井口结构组成的井组开采油页岩的经济效益最好，水平井加热薄层油页岩的热效率相比于垂直井高。
进一步的，所述加热井组包括表层套管、电缆扶正器、温度检测系统、加热电缆、加热器和生产套管；通过加热电缆和加热器加热油页岩，电缆扶正器将电缆扶正，根据温度检测系统对加热器进行温度反馈，实时调控，避免加热器温度过高而烧毁。加热井组将供电系统的电信号转变为热信号，通过加热器加热油页岩，热能通过热传导作用传递到油页岩岩体内，随着加热时间的不断增长，岩体温度不断升高，赋存于油页岩中的干酪根逐渐达到其裂解温度，转变页岩油和页岩气等复合产物，产物经监测装置和提取装置的调配在产出井组抽提出油页岩的复合产物。
进一步的，所述风电机组包括风力机、齿轮箱、永磁同步发电机、机侧变流器、网侧变流器和变压器；风力机通过齿轮箱向永磁同步发电机传输动力，永磁同步发电机将动能转换为电能，机侧变流器和网侧变流器连接，变压器用于改变交流电压；所述风力蓄电池组在储存电能的同时能够向负载供电，风力控制器对永磁同步发电机所发的电能进行调节和控制。
进一步的，所述供电控制系统的主控制器实时接收市电系统、光电系统和风力系统统传递的电信号，根据分系统的电信号筛选出最优电信号的系统，向三个分系统发出负反馈信号，令电力参数信号最优的系统对油页岩加热系统供电，其余两个系统独立发电。在同等情况下，市电系统的峰谷时间段在23时到7时，利用削峰填谷的特点优先在峰谷时间段的供电，同时令光电系统每日的光照强度较强时间段在11时到16时，优先光照较强时间段的供电，其余时间段油页岩加热系统的电力供应与整个时间段的实时协同切换的电力调配直接由供电控制系统控制，通过系统间电信号的反馈实现整个系统三条线路与总蓄电池组的实时协同调配。
本发明的有益效果：提供了一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统，在三年油页岩地下原为电加热开采的运行周期内，通过风光电三种能源的协同模式，在考虑薄层油页岩加热井组效率的基础上，降低能源的损耗，增加油页岩加热的效率，极大实现了低能耗开发利用油页岩。其主要优点如下：
（1）、该系统在利用太阳能和风能可持续资源的基础上，考虑市电系统的峰谷差，将市电在峰谷时多余的电能用于油页岩的加热，在三种能源协同发电进行加热油页岩的同时，实现低能耗高利用的开发油页岩；
（2）、采取地下原位电加热的方法加热油页岩，根据油页岩多为薄层油页岩的特点，单个加热井组采用6口水平井呈正六边形结构组成，单口井轴线位置与地面水平线成5°，6口井并行对油页岩加热井加热，此井组结构将经济效益在油页岩电加热系统上发挥充分，是当前经济效益最优的结构，增大了油页岩加热井的传热效率，能够极大限度的开发利用油页岩。
附图说明
图1是实施例一中风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统的结构框图；
图2是实施例二中油页岩地下原位电加热装置的结构示意图；
图3是实施例二中水平正六边式加热井的结构示意图；
图4是实施例三中加热井组的结构示意图；
图5是实施例四中风电机组的结构框图。
具体实施方式
实施例一
参照图1，一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统，系统包括供电系统和油页岩加热系统；所述供电系统包括市电系统、光电系统、风电系统和供电控制系统；供电系统的三个分系统既可独立工作，又可协同工作供电给油页岩加热系统。
所述市电系统包括发电厂1、升压变压器2、降压变压器3、市电控制器4和市电畜电池组5，市电系统能够独立的在市电控制器4的控制下将电力通过升压变压器2和降压变压器3供应给用户端，同时将电信号传输给供电控制系统，并令每日的23时到7时发电厂1产生的电力和市电畜电池组5所储存的电力在市电控制器4的控制下通过升压变压器2和降压变压器3以固定的交流电压值传送给供电控制系统；
所述光电系统包括太阳能光伏板6、太阳能控制器7、太阳能蓄电池组8和太阳能逆变器9，光电系统通过太阳能光伏板6发电，并能在太阳能控制器7的控制下将电力供应给用户端，同时将电信号传输给供电控制系统，将太阳能光伏板6产生的电力通过太阳能逆变器9以固定的交流电压值传送给供电控制系统；
所述风电系统包括风电机组100、风力蓄电池组16和风力控制器17，风电系统通过风电机组100发电，并能在风力控制器17的控制下将电力供应给用户端，同时将电信号传输给供电控制系统，将风能产生的电力通过风电机组100的变压器以固定的交流电压值传送给供电控制系统；
所述供电控制系统包括总蓄电池组18、主控制器19和逆变器20，供电控制系统的主控制器19通过接收的供电系统的三个分系统电信号，在信号处理后将主控制器19的负反馈电信号输入供电系统，控制市电系统、光电系统和风电系统的协同发电，以定电压值供应给油页岩加热系统外的电力输送至总蓄电池组18储存电力，通过逆变器20输送至油页岩加热系统；
所述油页岩加热系统包括加热装置21、监测装置22和提取装置23，监测装置22用于实时监测加热装置21的压力和温度参数，对加热装置21进行保护，并指令提取装置23工作。
市电系统的发电厂将一次能源转化为电能；升压变压器和降压变压器在系统中的主要作用是变换电压和传递电能以利于电功率的传送；市电控制器主要是控制电路的接线和改变电路中电阻值来保护电路的主令装置；市电蓄电池组在发电机端电压高于蓄电池的电动势时，将一部分电能储存起来，也起到辅助向用电设备供电的作用。市电系统独立工作时，由市电控制器控制发电厂发电，通过升压变压器和降压变压器将电力供给用户端，同时控制市电蓄电池组工作；市电系统处于23时到7时的时间段，通过电力网的配置将工用及民用所产生的峰值峰谷差，采用填谷的技术，由市电控制器将控制系统的电信号传输给供电控制系统，并以发电厂连接变压器和市电蓄电池组连接变压器两条电路向供电控制系统供电。
光电系统的太阳能光伏板将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能；太阳能控制器对太阳能蓄电池组的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件，是光电系统的核心部件，同样起到电气保护反接、短路和过流等作用；太阳能蓄电池组在储存电能的同时也可向负载供电；太阳能逆变器直流电逆变成交流电，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。光电系统工作时，由太阳能控制器将控制系统的电信号传输给供电控制系统，控制太阳能光伏板发电，经太阳能蓄电池组和太阳能逆变器以固定的交流电压值向供电控制系统供电。
供电控制系统的总蓄电池组将在供电控制系统以恒定的电压输出给油页岩加热系统外的多余的能量储存，以便随时向油页岩加热系统供电；主控制器控制供电系统的三个分系统彼此的协同供电，并控制供电控制系统向油页岩加热系统输入平稳的电力，以及总蓄电池组的充放电；逆变机将供电系统输入的电力以及供电控制系统提供的电力都转换为定电压值，输入油页岩加热系统。供电控制系统通过主控制器根据供电系统的三个分系统控制器传输的电力表参数的电信号判断输送电力系统之间的切换，并将负反馈信号传输给分系统的控制器，从而调配整个供电系统的发电，并将三个分系统输送给供电控制系统多余的电力输入总蓄电池组储存，以便负载所需电力不稳定时通过主控制器转换为定电压值以实现及时的电力供给。
通过风光电三种电力输运方式对油页岩实行三种能源的协同加热，使地下原位电加热能耗极大降低，在考虑薄层油页岩的基础上，单个加热井组采用6口井布局呈正六边形结构的水平井组成，增加油页岩加热效率，在低能耗的同时能够极大限度的开发利用油页岩。
实施例二
参照图2和图3，在实施例一技术方案基础上，一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统的加热装置21包括加热井组213、监测井组216和产出井组217，在地面向地下打入加热井组213、监测井组216和产出井组217，通过电加热的方式将油页岩212加热，油页岩212位于顶层基岩211和底层基岩218之间；
单个加热井组213为6口水平井组成，位置与水平线成5°，井布局呈正六边形；相比其他的井组结构，由正六边形的井口结构组成的井组开采油页岩的经济效益最好，水平井加热薄层油页岩的热效率相比于垂直井高。
加热装置采取地下原位电加热开采油页岩技术，在地面向地下打入加热井组、监测井组和产出井组，通过电加热的方式将油页岩加热，令油页岩加热裂解；监测装置通过监测井组获得的电压和温度等参数控制供电系统向加热器输送的电力，保护加热组件，并监测产物的产出进度，以便提取符合产物；提取装置通过泵等输送装置将油页岩复合产物进行提取。油页岩加热系统通过加热装置加热油页岩，在监测装置的控制下，将油页岩裂解的符合产物经过提取装置进行提取。
油页岩加热系统在地下原位电加热开采技术中，单个加热井组为6口水平井组成，位置与水平线成5°，井布局呈正六边形，井深、井径和井距根据油页岩实际情况决定，如油页岩厚度为7m时，加热井直径采用0.1m，邻间井距为5m，井深为地层到油页岩岩层下的2米左右部分的总长度。单个产出井组为正六边形加热井中间的水平产出井与水平井旁边的垂直于地面的辅助产出井组成，实现产物的横纵向共同提取。而实际上的复合加热井组、监测井组和产出井组由若干组的加热井组、监测井组和产出井组组成。
实施例三
参照图4，在实施例一和实施例二技术方案基础上，加热装置21的加热井组213包括表层套管2131、电缆扶正器2132、温度检测系统2133、加热电缆2134、加热器2135和生产套管2136；通过加热电缆2134和加热器2135加热油页岩，电缆扶正器2132将电缆扶正，根据温度检测系统2133对加热器2135进行温度反馈，实时调控，避免加热器2135温度过高而烧毁。加热井组213将供电系统的电信号转变为热信号，通过加热器2135加热油页岩，热能通过热传导作用传递到油页岩岩体内，随着加热时间的不断增长，岩体温度不断升高，赋存于油页岩中的干酪根逐渐达到其裂解温度，转变页岩油和页岩气等复合产物，产物经监测装置22和提取装置23的调配在产出井组217抽提出油页岩的复合产物。
油页岩裂缝214是在油页岩加热的条件下，热量在低渗透多孔介质的油页岩的传递使油页岩发生物理变化，产生裂缝，增加了油页岩加热后产物215的流动和产出效率。油页岩加热后产物215是在加热井将油页岩加热至350℃~750℃时，油页岩发生化学变化，裂解出油气等复合物。
实施例四
参照图5，在实施了一技术方案基础上，风电系统的风电机组100包括风力机10、齿轮箱11、永磁同步发电机12、机侧变流器13、网侧变流器14和变压器15；风力机10通过齿轮箱11向永磁同步发电机12传输动力，永磁同步发电机12将动能转换为电能，机侧变流器13和网侧变流器14连接，变压器15用于改变交流电压；所述风力蓄电池组16在储存电能的同时能够向负载供电，风力控制器17对永磁同步发电机12所发的电能进行调节和控制。
风力机利用风轮旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电；齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给永磁同步发电机并使其得到相应的转速；永磁同步发电机将动能转换为电能；机侧变流器和网侧变流器顺序连接，直流电容C并联在机侧变流器和网侧变流器之间的直流正母线P和直流负母线N之间，控制励磁的幅值、相位和频率等，使定子侧能向负载侧输入恒频电；变压器通过电磁感应的原理来改变交流电压；风力蓄电池组在储存电能的同时也可向负载供电；风力控制器对永磁同步发电机所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往负载端，另一方面把多余的能量按风力蓄电池组的特性曲线对风力蓄电池组进行充电，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把风力蓄电池组的电能送往负载，风力蓄电池组充满电后，控制器要控制风力蓄电池组不被过充，当风力蓄电池组所储存的电能放完时，控制器要控制风力蓄电池组不被过放电，保护风力蓄电池组。风电系统工作时，在风力控制器的控制下，将控制系统的电信号传输给供电控制系统，控制风电机组发电，并向负载端输入恒定电压值，并将多余的能量输入风力蓄电池组。
风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统具有风光电三种电力输运方式，分别为市电系统、光电系统和风电系统，供电控制系统的主控制器实时接收供电系统的三个分系统传递的电信号，根据分系统的电信号筛选出最优电信号的系统，向三个分系统发出负反馈信号，令电力参数信号最优的系统对油页岩加热系统供电，其余两个系统独立发电。在同等情况下，市电系统的峰谷时间段在23时到7时，利用削峰填谷的特点优先在峰谷时间段的供电，同时令光电系统每日的光照强度较强时间段在11时到16时，优先光照较强时间段的供电，其余时间段油页岩加热系统的电力供应与整个时间段的实时协同切换的电力调配直接由供电控制系统控制，通过系统间电信号的反馈实现整个系统三条线路与总蓄电池组的实时协同调配。电力由供电系统输送至油页岩加热系统，油页岩的加热井组将供电系统的电信号转变为热信号，通过加热器加热油页岩，热能通过热传导作用传递到油页岩岩体内，随着加热时间的不断增长，岩体温度不断升高，赋存于油页岩中的干酪根逐渐达到其裂解温度，转变页岩油和页岩气等复合产物，产物经监测装置和提取装置的调配在产出井组抽提出油页岩的复合产物，实现低能耗高利用的开发油页岩。
将居民日夜用电差值损耗中的夜间（22时到7时）待用电能、太阳能和风能用于油页岩地下原位传导加热技术的开发，考虑风、光电能的间歇性和波动性，对油页岩储层开展三种能源的协同供电，其中油页岩地下原位传导加热技术的加热井组为呈六边形的水平井加热模式，适用于薄层油页岩加热特点，降低能源损耗与环境破坏，实现低能耗高利用开发油页岩。
Claims (5)
1.一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统，其特征在于：系统包括供电系统和油页岩加热系统；所述供电系统包括市电系统、光电系统、风电系统和供电控制系统；
所述市电系统包括发电厂（1）、升压变压器（2）、降压变压器（3）、市电控制器（4）和市电畜电池组（5），市电系统能够独立的在市电控制器（4）的控制下将电力通过升压变压器（2）和降压变压器（3）供应给用户端，同时将电信号传输给供电控制系统，并令每日的23时到7时发电厂（1）产生的电力和市电畜电池组（5）所储存的电力在市电控制器（4）的控制下通过升压变压器（2）和降压变压器（3）以固定的交流电压值传送给供电控制系统；
所述光电系统包括太阳能光伏板（6）、太阳能控制器（7）、太阳能蓄电池组（8）和太阳能逆变器（9），光电系统通过太阳能光伏板（6）发电，并能在太阳能控制器（7）的控制下将电力供应给用户端，同时将电信号传输给供电控制系统，将太阳能光伏板（6）产生的电力通过太阳能逆变器（9）以固定的交流电压值传送给供电控制系统；
所述风电系统包括风电机组（100）、风力蓄电池组（16）和风力控制器(17)，风电系统通过风电机组（100）发电，并能在风力控制器（17）的控制下将电力供应给用户端，同时将电信号传输给供电控制系统，将风能产生的电力通过风电机组（100）的变压器以固定的交流电压值传送给供电控制系统；
所述供电控制系统包括总蓄电池组（18）、主控制器（19）和逆变器(20)，供电控制系统的主控制器（19）通过接收的供电系统的三个分系统电信号，在信号处理后将主控制器（19）的负反馈电信号输入供电系统，控制市电系统、光电系统和风电系统的协同发电，以定电压值供应给油页岩加热系统外的电力输送至总蓄电池组（18）储存电力，通过逆变器（20）输送至油页岩加热系统；
所述油页岩加热系统包括加热装置（21）、监测装置（22）和提取装置（23），监测装置（22）用于实时监测加热装置（21）的压力和温度参数，对加热装置(21)进行保护，并指令提取装置(23)工作。
2.根据权利要求1所述的一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统，其特征在于：所述加热装置（21）包括加热井组(213)、监测井组(216)和产出井组(217)，在地面向地下打入加热井组（213）、监测井组（216）和产出井组（217），通过电加热的方式将油页岩（212）加热，油页岩(212)位于顶层基岩(211)和底层基岩(218)之间。
3.根据权利要求2所述的一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统，其特征在于：单个加热井组（213）为6口水平井组成，位置与水平线成5°，井布局呈正六边形。
4.根据权利要求2所述的一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统，其特征在于：所述加热井组（213）包括表层套管（2131）、电缆扶正器（2132）、温度检测系统（2133）、加热电缆（2134）、加热器（2135）和生产套管（2136）；通过加热电缆（2134）和加热器（2135）加热油页岩，电缆扶正器（2132）将电缆扶正，根据温度检测系统（2133）对加热器（2135）进行温度反馈，实时调控，避免加热器（2135）温度过高而烧毁。
5.根据权利要求1所述的一种风光电协同地下原位电加热薄层油页岩系统，其特征在于：所述风电机组（100）包括风力机（10）、齿轮箱（11）、永磁同步发电机（12）、机侧变流器（13）、网侧变流器（14）和变压器（15）；风力机（10）通过齿轮箱（11）向永磁同步发电机（12）传输动力，永磁同步发电机（12）将动能转换为电能，机侧变流器（13）和网侧变流器（14）连接，变压器（15）用于改变交流电压；所述风力蓄电池组（16）在储存电能的同时能够向负载供电，风力控制器（17）对永磁同步发电机（12）所发的电能进行调节和控制。
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