在枯竭的非传统油气储层的裂缝空间中利用压缩空气储能的可行性分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Feasibility analysis of compressed air energy storage in fracture space of depleted unconventional oil and gas reservoirs

枯竭油气储层裂隙网络用于压缩空气储能系统研究，通过整合现有水力压裂设施构建可持续储能系统，数值分析显示圆形/椭圆形裂隙系统单日输出1634.86/1667.06千瓦时，热导率显著影响性能，多井互联提升储能容量和效率，证实技术可行性并助力全球减碳。

　　随着全球环境问题日益突出以及能源转型的不断推进，开发多样化的能源存储技术成为平衡能源供需的关键任务。本文探讨了一种创新的压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage, CAES）方法，即利用废弃或接近废弃的非常规油气储层中的裂缝网络作为储能介质。该方法不仅提高了能源存储的灵活性，还为实现全球碳中和目标提供了新的技术路径。

在当前的能源体系中，化石燃料的使用仍然占据主导地位，而随着工业活动的增加，对化石燃料的需求也在持续上升。这一趋势导致了温室气体排放量的增加，对全球气候稳定和公众健康构成了重大威胁。为了应对这一挑战，各国纷纷制定了以可再生能源为主导、多种替代能源为补充的能源战略。然而，可再生能源的间歇性和季节性波动给能源供应的稳定性带来了挑战，使得能源存储技术成为不可或缺的组成部分。

现有的能源存储技术主要包括机械储能、化学储能、电磁储能、电池储能和热储能等类别。其中，抽水蓄能（Pumped Storage Hydroelectricity, PSH）和压缩空气储能（CAES）因其容量大、寿命长、放电时间长以及成本相对较低，被视为成熟的储能技术。然而，PSH技术受限于地理条件和水文环境，难以大规模推广。相比之下，CAES技术可以利用多种地下储层（如盐洞、废弃油气储层、岩洞、盐腔和含水层）或人工结构进行存储，因此在选址方面更加灵活，同时具备较高的安全性和可靠性，是大规模储能的重要选择。

压缩空气储能系统的基本原理如图1所示，主要包括非绝热式（Diabatic CAES, D-CAES）和绝热式（Adiabatic CAES, A-CAES）两种类型。在D-CAES系统中，电力驱动压缩机将电能转化为高压空气的内能，并将其储存于地下储层中。当电力需求高峰时，高压空气被加热后进入涡轮机，推动发电机发电。而A-CAES系统则通过热能存储装置保存压缩空气过程中产生的热量，在释放阶段利用这些热量对空气进行加热，从而实现高效发电。A-CAES技术的优势在于减少了对外部燃料的依赖，提高了系统的可持续性。

然而，传统的CAES技术在实际应用中仍面临诸多限制。例如，小规模的储能方法（如电池和电容器）虽然在某些场景下具有优势，但其效率较低且存在较高的安全风险，难以满足大规模储能的需求。此外，地下储能设施的建设成本较高，且对地质条件有严格要求。盐洞因其良好的流变特性、低渗透性和自恢复能力，被认为是压缩空气储能的理想场所。然而，盐洞的分布有限，难以满足未来能源存储的广泛需求。

面对这些挑战，本文提出了一种新的压缩空气储能方法，即利用废弃或接近废弃的非常规油气储层中的裂缝网络作为储能空间。该方法被称为“地下裂缝压缩空气储能”（Deep Underground Reservoir Compressed Air Energy Storage, DUR-CAES）。DUR-CAES系统主要针对已经开发完毕或接近开发完毕的非常规油气储层，这些储层在开发过程中通过水力压裂技术形成了复杂的裂缝网络。在油气开采结束后，这些裂缝网络仍然具备良好的结构完整性，可以作为压缩空气的存储空间。

在DUR-CAES系统中，压缩空气的储存和释放过程与传统CAES系统相似，但其热能存储方式有所不同。传统的CAES系统通常依赖于外部热能存储装置，而DUR-CAES则利用储层岩石本身进行热能存储。这意味着在压缩空气的过程中，热量被直接存储在裂缝网络中，并在释放时被重新利用。这种设计不仅减少了对外部热能设备的依赖，还降低了系统的整体成本，提高了经济可行性。

为了验证该系统的可行性，本文建立了一个基于质量与能量守恒定律的数值模型，模拟了不同裂缝形态、热传导系数、储能周期以及井数对系统性能的影响。研究结果表明，在单个储能周期（24小时）内，基于圆形裂缝和椭圆形裂缝的系统分别实现了1634.86 kW·h和1667.06 kW·h的累计输出功率，系统往返效率分别达到了73.37%和74.81%。这些数据表明，DUR-CAES系统在技术上是可行的，并且具有较高的能量转换效率。

此外，研究还发现，裂缝网络中的岩石热传导系数对系统性能具有显著影响。较高的热传导系数有助于空气温度的调节，从而提高储能和释能过程的效率。同时，通过连接多个井，可以进一步扩大储能容量，并提升充放电效率。这些发现为未来的储能系统设计提供了重要的参考依据，同时也为非常规油气储层的再利用提供了新的思路。

非常规油气储层的开发通常伴随着高成本和高技术要求。由于这些储层的孔隙度和渗透性较低，开发过程中需要进行水力压裂以提高油气产量。然而，水力压裂后的储层往往会出现产量迅速下降的现象，即所谓的“L型曲线”（见图2）。这种现象表明，一旦储层的产量低于盈亏平衡点，其经济价值将大幅下降，从而影响整体开发效益。因此，如何有效利用这些已经开发的储层，使其在油气开采结束后仍能发挥其他功能，成为了一个重要的研究课题。

DUR-CAES系统正是针对这一问题提出的创新解决方案。通过将水力压裂后的裂缝网络作为压缩空气的存储空间，不仅可以实现能源的高效存储和释放，还可以避免对储层进行二次开发，从而降低资源浪费和环境影响。这种做法充分利用了现有基础设施，减少了额外的建设成本，同时为能源系统提供了新的灵活性和可扩展性。

从经济角度来看，DUR-CAES系统具有显著的优势。传统的储能设施需要大量的土地和建设投入，而DUR-CAES则可以利用已经开发完毕的储层，避免了重新选址和建设的高昂成本。此外，该系统还可以与现有的油气开采设施相结合，实现资源共享和协同运作，进一步提升经济效益。例如，在油气开采结束后，储层中的裂缝网络可以被用于压缩空气储能，而无需对储层进行大规模改造。

从环境角度来看，DUR-CAES系统同样具备优势。传统储能技术如电池储能虽然具有较高的能量密度，但其生产和使用过程中可能带来环境污染和资源消耗问题。相比之下，DUR-CAES系统主要依赖于自然地质结构，减少了对环境的额外影响。同时，该系统在运行过程中无需使用外部燃料，进一步降低了温室气体排放，有助于实现碳中和目标。

然而，DUR-CAES系统在实际应用中仍面临一些挑战。首先，裂缝网络的结构和特性对系统性能有重要影响，因此需要对储层进行详细的地质评估和分析，以确保其具备良好的储能条件。其次，裂缝网络的热传导能力决定了系统在充放电过程中的能量转换效率，因此需要优化热能存储和释放过程，以提高整体效率。此外，系统在运行过程中可能会受到地质活动、地下水流动等因素的影响，需要进行长期监测和维护，以确保其稳定性和安全性。

为了进一步推广DUR-CAES技术，还需要解决一些关键问题。例如，如何提高裂缝网络的热能存储能力，以适应不同的储能需求和环境条件；如何优化系统的设计，使其在不同规模和应用场景下都能实现高效的能量转换；以及如何建立相应的法规和标准，以确保该技术在实际应用中的安全性和可靠性。这些问题的解决将有助于推动DUR-CAES技术的广泛应用，并为全球能源转型提供更加可持续的解决方案。

总之，DUR-CAES系统为压缩空气储能技术提供了一种新的实现方式，通过利用废弃或接近废弃的非常规油气储层中的裂缝网络，实现了能源的高效存储和释放。该系统不仅具备较高的经济可行性，还能够有效减少环境影响，为全球能源结构的优化和碳中和目标的实现提供了新的可能性。未来，随着技术的不断进步和政策的进一步支持，DUR-CAES有望成为一种重要的大规模储能技术，为构建更加清洁、高效和可持续的能源系统做出贡献。