CN117735149A - 一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，包括如下过程：利用端部脱砂方法对符合选址要求的枯竭天然气井的主裂缝以及分支裂缝的尖端充填支撑剂；将氢气注入到枯竭天然气井的压裂裂缝当中，实现对氢气的储存；当需要利用氢气时，将储存在枯竭天然气井压裂裂缝当中的氢气返排到地表进行利用。基于该方法可以实现高效安全储氢，对电网多余的电能就行消纳，实现了对能量的长时间存储，大幅提高了可再生能源的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及新能源储能领域，特别涉及一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法。
背景技术
储氢技术的发展具有非常重要的意义。随着国民经济的不断发展，储氢作为清洁能源的关键存储手段，能够有效解决可再生能源波动性大的问题，提高能源的利用效率。在能源转型中，通过发展储氢技术，可以更好地整合和利用大规模的可再生能源，推动绿色能源的大规模应用。同时，储氢技术还能为能源系统提供灵活的手段，促进电力、交通、工业等领域减少碳排放，助力实现低碳经济。
尽管储氢技术发展对于我国能源发展具有重要的战略意义，但是当前常规的储氢手段包括高压气态储氢法、化学储氢以及吸附式储氢，但是这些储氢方式仍然面临非常大的技术挑战。首先，储氢的成本相对较高，包括生产、储存和输送过程中的能源消耗成本，使其在商业化应用上面临经济上的竞争性问题。其次，氢气在常温常压下的密度较低，需要占用大量空间进行储存，这带来了储运成本的增加和空间利用的限制。此外，氢气具有极高的渗透性，容易导致储氢设施的安全隐患，增加了技术实施和运营的风险。以上这些问题已经成为当前制约储氢技术发展的关键瓶颈技术问题，只有克服这些技术难题，才能更好的推动储氢技术在清洁能源领域的广泛应用。
发明内容
为了解决当前储氢技术面临的技术瓶颈问题，本发明的目的在于提出一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，基于该方法可以实现高效安全储氢，对电网多余的电能就行消纳，实现了对能量的长时间存储，大幅提高了可再生能源的利用率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，包括如下过程：
利用端部脱砂方法对符合选址要求的枯竭天然气井的主裂缝以及分支裂缝的尖端充填支撑剂；
将氢气注入到枯竭天然气井的压裂裂缝当中，实现对氢气的储存；
当需要利用氢气时，将储存在枯竭天然气井压裂裂缝当中的氢气返排到地表进行利用。
优选的，枯竭天然气井符合选址要求的条件包括：
所述枯竭天然气井的天然气日产量不足500m3/天，井筒无出砂现象，天然气含硫量低于20mg/m3；
储气层具备压裂裂缝，主裂缝设计长度≥1500m，缝高≥10m，深度不超过3500m；
储气层具备良好的天然圈闭构造和生储盖组合，基质渗透率大于0.1mD，孔隙度大于10％，无断层与天然裂缝带；
储气层岩石断裂韧性KIC需要≥30MPa·m1/2；
压裂裂缝上下具有良好的遮挡层，遮挡层厚度大于3m，基质渗透率小于0.01mD；
井筒套管、水泥环质量完好。
优选的，储气层为致密砂岩与碳酸盐岩。
优选的，将氢气注入到枯竭天然气井的压裂裂缝的过程中：
控制缝内的气体压力在裂缝净延伸压力之下；
注气速度不超过10m3/min；
控制注气量：对于体积小于500000m3的气藏，最大注气量为60000m3；对于体积大于500000m3，小于1500000m3的气藏，最大注气量为150000m3；对于体积大于1500000m3的气藏，最大注气量为200000m3。
优选的，对氢气进行储存时，控制储存的时间满足以下要求：
对于体积小于500000m3的气藏，储存时间不超过5个月；对于体积大于500000m3，小于1500000m3的气藏，储存时间不超过3个月；对于体积大于1500000m3的气藏，储存时间不超过2个月。
优选的，向枯竭天然气井注入的氢气来自于电解制氢，电解制氢的水源为油田现场的地层水。
优选的，将储存在枯竭天然气井压裂裂缝当中的氢气利用返排管线返排到地表，并进行气水分离，将分离出的地层水用于电解制氢。
优选的，每隔45～60天对返排管线检查并清理结垢。
优选的，将返排至地表的氢气先进行气水分离，之后将分离出来的氢气供给氢氧燃料电池，氢氧燃料电池利用氢气进行发电，氢氧燃料电池供电产生的余热储存在储热罐，。
优选的，电解制氢和储存过程中，能量的流动关系为电能转换为氢能和围岩的弹性应变能和应力势能；
返排和发电过程中，能量的流动关系为氢能和围岩的弹性应变能和应力势能转换为电能和热能。本发明具有如下有益效果：
本发明利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法中，为了防止向枯竭天然气井注入氢气过程中压裂裂缝再次扩展延伸从而造成氢气的泄露，因此本发明利用端部脱砂方法对符合选址要求的枯竭天然气井的主裂缝以及分支裂缝的尖端充填支撑剂，从而在裂缝注氢过程中有效降低裂缝尖端的能量，阻止裂缝的延伸与扩展。此外，由于地下枯竭的天然气藏具备良好的孔隙结构，储气容积巨大，而且储氢高效安全可避免极端天气和火灾，因此通过枯竭气井压裂裂缝可以将富裕电力生产的氢气快速的沿着裂缝面存储到储层的孔隙和具备一定几何尺寸的裂缝当中；当需要利用氢气时，将枯竭天然气井中储存的氢气返排出地面再进行利用，如供给氢氧燃料电池进行发电，最终绿色高效的解决综合能源系统供需不平衡，消纳等技术问题。
附图说明
图1是本发明利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能方法的技术流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参见图1，本发明利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法包括以下步骤：
步骤(1)将外部电网用电低峰期的富裕电能或太阳能、风能这些间歇性能源的电力输送至电解槽装置进行电解制氢；电解槽制氢所用的水源为油田现场的地层水，由于地层水矿化度很高，导电能力强，因此无需加入额外的化学剂，可直接利用碱性电解水制氢法进行制氢；
步骤(2)将电解制氢获得的氢气利用注气管线沿着枯竭天然气井的井筒，注入到枯竭天然气井的压裂裂缝当中进行暂时的储存；
向压裂裂缝注入氢气过程中：
(1)缝内的气体压力必须严格控制在裂缝净延伸压力之下，从而防止裂缝的起裂和扩展；
(2)注气速度不得超过10m3/min，从而防止氢气在储气层孔隙中的非稳态驱替，加速氢气的溶解和扩散损失；
(3)气井最大的储气容积由储层大小决定，对于体积小于500000m3的气藏，最大注气量为60000m3；对于体积大于500000m3，小于1500000m3的气藏，最大注气量为150000m3；对于体积大于1500000m3的气藏，最大注气量为200000m3；
由于氢气具有高渗透性能，因此必须对注入到裂缝与基质孔隙中的氢气的储存时间进行限制，从而防止氢气的大规模耗散，具体要求如下：
对于体积小于500000m3的气藏，储存时间不得超过5个月；对于体积大于500000m3，小于1500000m3的气藏，储存时间不得超过3个月；对于体积大于1500000m3的气藏，储存时间不得超过2个月
步骤(3)在用电高峰期，将储存在枯竭天然气井压裂裂缝当中的氢气利用返排管线排出到地表的气水分离器装置；
步骤(4)利用气水分离装置将气体和地层水分离，其中地层水回收利用至电解槽，将H2为主，包含极少量天然气的混合气体输送至燃料电池，为燃料电池提供燃料；
步骤(5)利用燃料电池产生电能供给电网，其供电产生的余热储存在储热罐为后续供暖等热负荷提供热能。
本发明的上述方案中，能满足用来进行氢储能的枯竭气井的选址需要满足以下条件：
(1)天然气日产量不足500m3/天，井筒无出砂现象，天然气含硫量低于20mg/m3。
(2)储气层具备压裂裂缝，主裂缝设计长度≥1500m，缝高≥10m，深度不超过3500m；
(3)储气层优选致密砂岩与碳酸盐岩，具备良好的天然圈闭构造和生储盖组合，基质渗透率大于0.1mD，孔隙度大于10％，孔隙连通性强，无断层与天然裂缝带，具备良好的储气条件；
(4)储气层岩石断裂韧性KIC需要≥30MPa·m1/2，从而预防分支裂缝和水力裂缝的起裂延伸；
(5)压裂裂缝上下具有良好的遮挡层，遮挡层厚度大于3m，基质渗透率小于0.01mD，可以阻挡氢气的泄露；
(6)井筒套管、水泥环质量完好，不存在泄露风险，材质可以有效抵抗氢损伤。
本发明的上述方案中，由于氢气返排过程中会携带地层的孔隙水，对管线造成一定的腐蚀作用，因此必须每隔45～60天对所有管线进行检查，及时清除管线的结垢，防止安全事故的发生。
本发明的上述方案中，整个能量的流动关系为：
(1)电解制氢和注氢过程中：电能转换为氢能和围岩的弹性应变能和应力势能；
(2)返排和发电过程中：氢能和围岩的弹性应变能和应力势能转换为电能和热能。
其中注氢过程中压力作用会导致原本闭合的压裂裂缝重新开启，从而对裂缝周围的岩石施加弹性应变能和应力势能；在返排氢气阶段，压裂裂缝会逐渐闭合，围岩释放自己的弹性应变能和应力势能，辅助气体返排出地面。
实施例
本实施例以长庆油田长6储层为致密砂岩储层，前期选址过程中调查了1200口枯竭气井，最终选定X24井为可以进行储氢的气井，该井采气5年后进入高含水期，日产量不足200方，对该井前期进行了调查，其基本情况为：
(1)储气层前期进行了水力压裂施工作业，主裂缝设计长度为1200m，缝高30m，储层深度为3200米；
(2)气层基质渗透率为0.2mD，孔隙度平均值为12％，扫描电镜结果显示孔隙连通性强，储层内部微地震结果显示无断层和天然裂缝群，整体储气条件具备；
(3)储气层岩石力学测试结果显示其断裂韧性KIC＝32MPa·m1/2，可在一定程度上预防裂缝的再次起裂扩展，储气层上下具有良好的泥质遮挡层，基质渗透率为0.002mD，可以有限阻挡氢气的泄露；
(4)利用测井工具探查井下套管和水泥环，显示整个井筒的套管和水泥环质量完好，不存在氢气泄露的风险。
(5)储层体积接近1600000m3，最大注气量为200000m3；
(6)地层水矿化度为25000mg/L，可直接进行碱性电解水制氢法进行制氢
基于本发明上述方案的技术指导，首先利用端部脱砂方法向X24井原始的压裂裂缝注入了500m3粒径为200目的陶粒支撑剂，从而对裂缝的尖端进行充填，保证裂缝无法再次起裂延伸扩展，然后按照图1所示的技术流程在井场建设了综合能源系统。整个系统的核心装置包括：外部电网、电解槽、枯竭天然气井、气水分离器、氢氧燃料电池、储热罐，外部电网与电解槽相连并未电解槽供电，电解槽的氢气出与枯竭天然气井的注气管线连接，枯竭天然气井的返排管线在地面上与气水分离器连接，气水分离器的出水口与电解槽连接，气水分离器的气体出口与氢氧燃料电池连接，燃料电池的输电端与电网连接，其供电产生的余热储存在储热罐。
2023年6月首次进行了整个综合能源系统的试运行，初次消纳电力8×104kWh，制造氢气约2500m3，将制造的氢气以小于裂缝净延伸压力的速度注入到X24井的裂缝与基质孔隙当中进行存储。存储50天后，在2023年7月用电高峰期阶段，将地下存储的氢气返排至地面利用燃料电池装置进行了发电，最终累积发电量为4.56×104kWh，首次运行整个系统的能源转换效率约为57％，性能良好实现了对富裕电力的长期安全存储。
从本发明上述方案可以看出，本发明具有以下特点：
(1)本发明提供的方法可以高效、快速、安全的储存氢能，可以避免极端天气和火灾等常见的安全事故的发生；(2)本发明提供的方法可实现能源绿色高效的转换，整个过程碳排放极少，对环境友好，解决了当前综合能源系统供需不平衡，富裕电力消纳等技术问题；(3)油田现场存在大量的枯竭气井，为储能场所的选择提供了有利条件，而且无需建设大量的储气罐，因此本发明提供的方法相比较其他储氢方法更为经济。
Claims (10)
1.一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，其特征在于，包括如下过程：
利用端部脱砂方法对符合选址要求的枯竭天然气井的主裂缝以及分支裂缝的尖端充填支撑剂；
将氢气注入到枯竭天然气井的压裂裂缝当中，实现对氢气的储存；
当需要利用氢气时，将储存在枯竭天然气井压裂裂缝当中的氢气返排到地表进行利用。
2.根据权利要求1所述的一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，其特征在于，枯竭天然气井符合选址要求的条件包括：
所述枯竭天然气井的天然气日产量不足500m3/天，井筒无出砂现象，天然气含硫量低于20mg/m3；
储气层具备压裂裂缝，主裂缝设计长度≥1500m，缝高≥10m，深度不超过3500m；
储气层具备良好的天然圈闭构造和生储盖组合，基质渗透率大于0.1mD，孔隙度大于10％，无断层与天然裂缝带；
储气层岩石断裂韧性KIC需要≥30MPa·m1/2；
压裂裂缝上下具有良好的遮挡层，遮挡层厚度大于3m，基质渗透率小于0.01mD；
井筒套管、水泥环质量完好。
3.根据权利要求1所述的一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，其特征在于，储气层为致密砂岩与碳酸盐岩。
4.根据权利要求1所述的一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，其特征在于，将氢气注入到枯竭天然气井的压裂裂缝的过程中：
控制缝内的气体压力在裂缝净延伸压力之下；
注气速度不超过10m3/min；
控制注气量：对于体积小于500000m3的气藏，最大注气量为60000m3；对于体积大于500000m3，小于1500000m3的气藏，最大注气量为150000m3；对于体积大于1500000m3的气藏，最大注气量为200000m3。
5.根据权利要求1所述的一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，其特征在于，对氢气进行储存时，控制储存的时间满足以下要求：
对于体积小于500000m3的气藏，储存时间不超过5个月；对于体积大于500000m3，小于1500000m3的气藏，储存时间不超过3个月；对于体积大于1500000m3的气藏，储存时间不超过2个月。
6.根据权利要求1所述的一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，其特征在于，向枯竭天然气井注入的氢气来自于电解制氢，电解制氢的水源为油田现场的地层水。
7.根据权利要求6所述的一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，其特征在于，将储存在枯竭天然气井压裂裂缝当中的氢气利用返排管线返排到地表，并进行气水分离，将分离出的地层水用于电解制氢。
8.根据权利要求7所述的一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，其特征在于，每隔45-60天对返排管线检查并清理结垢。
9.根据权利要求6所述的一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，其特征在于，将返排至地表的氢气先进行气水分离，之后将分离出来的氢气供给氢氧燃料电池，氢氧燃料电池利用氢气进行发电，氢氧燃料电池供电产生的余热储存在储热罐。
10.根据权利要求9所述的一种利用枯竭天然气井压裂裂缝进行氢储能的方法，其特征在于：
电解制氢和储存过程中，能量的流动关系为电能转换为氢能和围岩的弹性应变能和应力势能；
返排和发电过程中，能量的流动关系为氢能和围岩的弹性应变能和应力势能转换为电能和热能。
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