在碳達峰碳中和目標的驅動(dòng)下,我國加快推進(jìn)油氣勘探開(kāi)發(fā)與新能源融合發(fā)展,以油氣產(chǎn)業(yè)為基礎, 加強新能源、新材料與新業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)利用,構建油氣上游領(lǐng)域與新能源新產(chǎn)業(yè)融合、多能互補的發(fā)展新格局。地熱能是新能源的重要組成部分,具有儲量豐富、 分布廣泛、季節和氣候影響度低、穩定可靠的突出特點(diǎn),在供熱、發(fā)電和綜合應用等方面擁有巨大潛力。 長(cháng)慶油田共有近3 000口水源井,依托水源井開(kāi)展地熱利用,具有較大的開(kāi)發(fā)潛力。因此,有必要分析水源井地熱利用經(jīng)濟性的影響因素,研究地熱水溫度、 地熱水流量和換熱器材質(zhì)價(jià)格等因素對地熱利用系統經(jīng)濟運行的影響規律。

1 水源井地熱利用技術(shù)經(jīng)濟評價(jià)的理論基礎

1.1 “取水用熱+直接換熱”地熱利用工藝

“取水用熱+直接換熱”地熱利用工藝是指經(jīng)過(guò)脫水處理的原油進(jìn)入油水換熱器進(jìn)行升溫處理,地熱則依托水源井的中溫來(lái)水,來(lái)水經(jīng)過(guò)旋流除砂、過(guò)濾等工序進(jìn)入油水換熱器,與脫水原油換熱后進(jìn)入注水系統。此外,受季節變化影響,地熱溫度及來(lái)油溫度浮動(dòng)較大,站區配備水套加熱爐,地熱供熱能力不足時(shí),可對原油進(jìn)行補熱處理。

1.2 “有無(wú)對比”經(jīng)濟評價(jià)方法

“有無(wú)對比”經(jīng)濟評價(jià)方法是指通過(guò)比較有無(wú)項目?jì)煞N情況下項目的投入物和產(chǎn)出物可獲量的差異, 評估項目的增量費用和效益,評估項目的各項技術(shù)經(jīng)濟指標,進(jìn)而論證項目的經(jīng)濟可行性。結合水源井地熱利用項目特征,采用“有無(wú)對比”經(jīng)濟評價(jià)方法。 項目的增量投資是指水源井地熱項目所需井下工程改造和地面工程改造的投資之和。增量費用包括水源井地熱項目實(shí)施后新增固定資產(chǎn)維護修理費、折舊費用。 增量效益是指水源井地熱項目實(shí)施后節約燃氣帶來(lái)的增產(chǎn)天然氣效益。

2 “取水用熱+直接換熱”工藝經(jīng)濟性的影響因素

選取A站點(diǎn)作為“取水用熱+直接換熱”工藝典型站場(chǎng)。

2.1 地熱水溫度

地熱水溫度關(guān)系地熱井供熱能力,直接影響系統設備選型。根據長(cháng)慶油田地熱溫度和A站點(diǎn)地熱供熱系統實(shí)際運行情況,設定4種地熱水溫工況,即 24、28、32 ℃(實(shí)際工況)和36 ℃,分析地熱系統經(jīng)濟性。A站點(diǎn)不同地熱水溫度的經(jīng)濟性分析結果如表1所示。

由經(jīng)濟性分析可知,以A站點(diǎn)數據為基準,地熱水溫度為24~32 ℃,在設定的投入及節能量下, 增量投資內部收益率滿(mǎn)足基準收益率的要求(不低于6%),具有良好的經(jīng)濟效益。其中,地熱水溫度為36 ℃時(shí),稅后內部收益率為1 6.17%,地熱水溫度為24 ℃時(shí),稅后內部收益率為7.9%,這是因為水源井“取水用熱+直接換熱”工藝依托原有注水系統, 不增加注水投資,且水源井緊鄰A站點(diǎn),保溫管改造費用較低,整體收益率良好。

總體而言,測算范圍內,隨著(zhù)地熱出水溫度的升高,在相同流量下,來(lái)油加熱溫度呈上升趨勢,節約的伴生氣量隨之提升,因而項目收益增加。由擬合分析可知,來(lái)油溫度為3 ℃時(shí),以達到內部收益率(6%) 為目標,地熱水溫的經(jīng)濟性邊界條件為21.7 ℃。

2.2 地熱水流量

地熱水流量關(guān)系后端地熱水和來(lái)油的換熱效果, 直接影響油水換熱器規格。根據長(cháng)慶油田地熱溫度和 A站點(diǎn)地熱供熱系統實(shí)際運行情況,設定4種地熱水流量工況,即1 10、160、210 m3/d(實(shí)際工況)和 260 m3/d,分析地熱系統經(jīng)濟性。A站點(diǎn)不同地熱水流量的經(jīng)濟性分析結果如表2所示。

由經(jīng)濟性分析可知,依據A站點(diǎn)實(shí)際運行工況,地熱出水溫度為32 ℃,地熱水流量為1 10~260 m3/d, 增量投資內部收益率滿(mǎn)足基準收益率的要求(不低于 6%),具備經(jīng)濟效益。其中,地熱水流量為260 m3/d 時(shí),換熱器換熱面積為1 0 m2,稅后內部收益率為 14.46%;地熱水流量為1 10 m3/d時(shí),換熱器換熱面積為20 m2,稅后內部收益率為9.67%。水源井“取水用熱+直接換熱”工藝的整體收益率較好,因為依托原有注水系統,不增加注水投資,且水源井緊鄰 A站點(diǎn),保溫管改造費用較低。

總體而言,測算范圍內,隨著(zhù)地熱水流量的升高,在相同地熱出水溫度和原油升溫效果的條件下, 地熱水和原油換熱效果提升,換熱器換熱面積減小, 項目整體投資降低。由擬合分析可知,地熱水溫度為 32 ℃時(shí),以達到內部收益率(6%)為目標,地熱水流量的經(jīng)濟性邊界條件為7 1.7 m3/d。

2.3 地熱水礦化度

地熱水水質(zhì)復雜,礦化度可表征水中各種離子、 分子的含量,不同成分對設備和管道材質(zhì)的適用性要求不同。根據長(cháng)慶油田地熱采出水水質(zhì)分析,礦化度突出特點(diǎn)表現為氯離子含量較高,其直接影響油水換熱器材質(zhì)。依據A站點(diǎn)實(shí)際運行工況,在地熱出水溫度32 ℃和流量210 m3/d的條件下,選用碳鋼(實(shí)際工況)、254SMO不銹鋼、2205雙相不銹鋼和鈦材分別作為熱泵蒸發(fā)器材質(zhì),分析地熱系統經(jīng)濟性。

依據A站點(diǎn)實(shí)際運行工況,地熱出水溫度為32 ℃, 地熱水流量為210 m3/d,在設定的投入及節能量下，增量投資內部收益率滿(mǎn)足基準收益率的要求(不低于 6%),具備經(jīng)濟效益。同時(shí),經(jīng)濟性與換熱器材質(zhì)價(jià)格呈負相關(guān),254SMO不銹鋼和鈦材的氯離子耐受性最強,價(jià)格因素導致其收益率較低。綜合考慮維護成本和設備價(jià)格,碳鋼和2205雙相不銹鋼價(jià)格較低,經(jīng)濟性更加突出。

3 結論

選取A站點(diǎn)作為水源井“取水用熱+直接換熱” 工藝典型站場(chǎng),以地熱出水溫度、地熱水量、地熱水礦化度為影響因素開(kāi)展經(jīng)濟評價(jià),然后提出建議。依據A站點(diǎn)實(shí)際運行工況,在地熱出水流量210 m3/d的條件下,項目經(jīng)濟性與地熱水溫度呈正相關(guān)。地熱出水溫度為32 ℃時(shí),項目經(jīng)濟性與地熱水流量呈正相關(guān)。地熱出水溫度為32 ℃,地熱水流量為210 m3/d時(shí), 對比分析碳鋼(實(shí)際工況)、254SMO不銹鋼、2205 雙相不銹鋼和鈦材的蒸發(fā)器價(jià)格和維護成本,碳鋼經(jīng)濟性更加突出。后續可根據項目技術(shù)要求,開(kāi)展多因素影響分析,提升研究成果的普遍適用性。為了推進(jìn)碳達峰碳中和,加快發(fā)展方式綠色轉型,后續可考慮碳稅政策對地熱利用經(jīng)濟效益的影響。