地下储存技术用于在地下生产过程中整合间歇性能源供应

《Geography and Sustainability》：Subsurface storage for integration of intermittent energy supply during subsurface production

地下能量存储与间歇性可再生能源整合在油气生产中的应用研究。通过向邻近储层注水压缩储存能量，并在低能期通过交叉流释放维持稳定注水率，提升油气采收率。案例显示风能驱动注水结合地下存储可缓解间歇性影响，但需权衡储层容量与渗漏效率，结构需具备多层致密隔层特征。

　　随着全球对碳中和目标的不断推进，减少海上石油和天然气作业中的碳排放成为关键议题。海上平台作为碳排放的重要来源，其运行过程中依赖的燃气轮机是主要的碳排放驱动因素之一。特别是在挪威，海上油气开发的碳排放占其大陆架总排放量的很大比例，其中燃气轮机和火炬排放共同构成了约90.6%的碳排放。因此，如何有效降低海上平台的碳排放，成为能源行业面临的重要挑战。当前，许多海上平台正在通过电气化方式逐步替代燃气轮机，以减少碳足迹。然而，电气化方案在技术与经济层面仍存在一定的局限性，尤其是对于远离陆地的平台而言，电力需求可能与陆地的用电需求发生冲突。此外，虽然海上风电等可再生能源具有广阔的发展前景，但其供应的不稳定性也给海上油气生产带来了新的挑战。因此，开发高效的能源存储方案，以平衡能源供应，成为实现可持续能源利用的关键环节。

在海上油气生产过程中，水驱是一种常用的提高采收率的技术手段。然而，水驱过程对能量的需求非常大，特别是在注入和采出阶段。由于可再生能源供应的波动性，直接使用这些能源进行水驱可能会导致注入速率的不稳定，从而影响油气产量。因此，如何将多余的可再生能源有效地转化为可用于水驱的能量，成为研究的重点。本文提出了一种利用地下能源存储的新方法，通过在相邻的储层中注入多余的水来实现能量的存储，随后在能源供应不足或能源价格较高时，通过井内跨流的方式将储存的水重新引入主产层，以维持油气生产。

该方法的核心在于建立一个与主产层隔离的储层，作为能量的存储介质。当海上风电等可再生能源供应充足时，平台可以将多余的电力用于压缩水，将其注入到该储层中，从而提高储层的压力。当能源供应不足或能源价格较高时，储层中的水会通过井内跨流的方式流入主产层，以支持水驱作业，从而维持油气产量。这种方法的优势在于，它能够将能量以最直接的方式存储，即作为压缩的水，从而避免了传统能源存储方式中可能存在的能量转换损耗。然而，这种方法也存在一定的挑战，例如在储层之间可能出现的渗漏问题，这会降低存储效率。

在实际应用中，跨流现象在多层油气储层中是常见的。当井内不同层段之间存在压力差异时，跨流就会发生。这种压力差异可能由储层渗透率的不同、注入或采出速率的变化，甚至井的关闭等极端情况引起。因此，跨流不仅影响储层内的压力分布，还可能对油气产量产生显著影响。本文提出的地下能源存储方法，正是基于这一现象，通过利用多层储层之间的压力差异，实现能量的存储和释放。

在多层储层中，储层的规模、岩性特征以及与其他注入或采出井的关系都会影响压力分布。如果储层之间存在几乎不渗透的隔层，那么在不同层段之间产生的压力差异会更加明显。在这种情况下，若某一储层是生产层，而另一储层是存储层，那么跨流现象可能会对生产层的压力产生重要影响。当井被关闭时，储层之间不同的压力分布会导致井底不同层段的压力变化，从而引发跨流现象。因此，在设计地下能源存储系统时，需要充分考虑储层的结构特征，以确保能量存储和释放的效率。

本文提出的方法适用于具有多层结构的储层，特别是那些由几乎不渗透的隔层分隔的储层。在这种情况下，如果存储层位于主产层之上，可以通过增加井的穿透深度和额外的射孔来实现能量的存储。如果存储层位于主产层之下，则可以通过延长注入井，使其穿透存储层来实现能量的存储。这种灵活的井布局设计使得该方法在多种储层条件下都具有应用潜力。此外，该方法不仅适用于海上油气生产，也可以应用于其他需要能量存储的领域，例如地热能开发或碳捕集与封存（CCS）。

在研究过程中，本文采用了一种模拟方法，以评估该地下能源存储方法的有效性。通过模拟不同场景，包括不使用存储层、使用存储层以及使用不同能源来源的情况，研究团队能够分析该方法对油气产量的影响。模拟结果还展示了在能源供应波动的情况下，使用存储层可以有效维持水驱作业，从而确保油气生产的连续性。此外，模拟还揭示了在不同储层尺寸和岩性特征下，存储容量与效率之间的权衡关系。例如，较大的储层可能具有更高的存储容量，但同时也可能增加能量损失的风险。

除了传统的能源存储技术，如电池、氢能、氨能、压缩空气、飞轮和超级电容器，本文提出的地下能源存储方法提供了一种新的解决方案。与这些技术相比，地下能源存储方法的优势在于其无需能量转换过程，因此具有更高的效率。然而，该方法仍然存在一定的能量损失，例如在流体流动过程中由于粘性耗散而产生的能量损失。因此，在实际应用中，需要综合考虑各种因素，以优化该方法的性能。

此外，本文还讨论了该方法在实际操作中的可行性。例如，在海上风电场与油气平台之间建立能源存储系统，可以有效解决能源供应波动的问题。然而，这种系统的设计和实施需要考虑到多个因素，包括储层的物理特性、井的布局、注入和采出速率的控制等。因此，在设计和实施过程中，需要进行详细的地质调查和工程评估，以确保系统的稳定性和可靠性。

本文的研究结果表明，地下能源存储方法可以在一定程度上缓解可再生能源供应波动对油气生产的影响。特别是在能源供应不足或价格较高的情况下，该方法能够通过跨流方式将储存的水重新引入主产层，从而维持水驱作业。这种方法不仅能够提高油气生产的连续性，还能减少对非可再生能源的依赖，从而实现更环保的能源利用。然而，该方法的实施仍然面临一定的挑战，例如储层之间的渗漏问题、井的布局优化以及系统的经济可行性。

总之，本文提出了一种基于地下能源存储的新型方法，通过在相邻储层中注入多余的水来实现能量的存储和释放。该方法在海上油气生产中具有重要的应用价值，特别是在应对可再生能源供应波动的情况下。然而，该方法的实施需要综合考虑多种因素，包括储层的结构特征、井的布局以及系统的经济性和技术可行性。未来的研究可以进一步探索该方法在不同储层条件下的优化方案，以提高其在实际应用中的效果。