墨西哥油气井地热利用的数值评价：面向可再生能源转型与环境可持续性的井间热相互作用模型

《Renewable Energy Focus》：Numerical evaluation of hydrocarbon wells for geothermal utilization: a model for renewable energy transition and environmental sustainability in Mexico

　　

脱碳（decarbonization）需要整合新技术和先进系统，以利用地热储层（geothermal reservoirs）等能源。由于钻井成本，油气井（hydrocarbon wells）再利用正受到推动。研究目标是对高潜地热油气井间相互作用进行数值模拟。研究人员将墨西哥油气井与地热区叠加，并依据地形、地热、地质和不活跃性准则识别有利区。在包含84,150个节点和70口井的控制体积（4,244 m×5,655 m×4,500 m）内构建地层剖面。仅井对（X-1、X-2）与（X-4、X-3）——间距分别为360 m和430 m——表现出相关热特征。Fortran90模拟中，平均温度分别为160°C和150°C，最大值为166°C，深度分别为4,500 m、4,000 m和4,500 m。热导率10%变化使初始温度变化±3%，低于预期±20°C。以25°C间隔绘制等温线揭示热非线性。Recklaw和Weches组导热性更好，Queen City组保热更有效。地热能可通过直接利用应用（direct-use applications）开发，即使邻近缺少特定数据的井也可利用。转换为岩石热系统（petrothermal systems）需分析地质力学（geomechanics）、水力压裂（hydraulic fracturing）和机械完整性（mechanical integrity）。该研究提出墨西哥首个用于评估油气井地热潜力的数值模型——一种面向脱碳和可再生能源分散化的可持续能源转型替代方案，初期为区域尺度，随后为国家尺度。

研究背景与问题：脱碳目标要求整合新技术和先进系统以利用地热储层等能源；由于钻井成本高，油气井再利用受到推动。墨西哥2004—2015年在墨西哥湾有超过11,000口井被封堵废弃且缺乏作业或修复可靠性研究；截至2021年7月，Petróleos Mexicanos（PEMEX，墨西哥石油公司）报告33,355口井处于临时或永久废弃、关闭、等待废弃、不活跃或暂停状态。多数墨西哥油气田处于开采后期，有必要探索地热发电潜力。已有研究提出分析或数值研究、试点测试及废弃油气井改造再利用；加拿大识别出60,000口井底水温足以供暖的井，其中500口适合发电；Virginia Hills提出Rankine Cycle热交换器可释放低温地热；底孔温度120—140°C的废弃井可适合直接和间接使用25—50年。墨西哥Electric Research Institute（IIE，电力研究所）与Mexican Center for Innovation in Geothermal Energy（CeMIE-Geo，墨西哥地热能创新中心）评估了增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems, EGS）发电潜力，但干热岩（Hot Dry Rock, HDR）初步研究强调需进一步开展地质力学、地质、地震、岩石物理、地球化学及技术可行性分析。以往研究未通过数值模型再利用油气井；本研究以减少钻井成本、利用现有成熟井并考虑环境标准，首次在墨西哥建立油气井地热潜力数值模型，促进区域到国家的脱碳、能源分散化和数字化。论文发表在《Renewable Energy Focus》。其意义在于提供低钻井成本、可持续和环境友好的能源替代方案，初期区域尺度并具扩展至国家尺度的潜力。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员采用Centro Nacional de Hidrocarburos（CNH，国家碳氢化合物中心）与Sistema de Información de Hidrocarburos（SIH，碳氢化合物信息系统）公共数据、Comisión Federal de Electricidad（CFE，联邦电力委员会）与IIE地热数据库及International Heat Flow Commission（IHFC，国际热流委员会）热流资料，叠加油气盆地与地热区，依据异常地温梯度（>30°C/km）、中高焓（100—150°C、>150°C）、深度>1,500 m、不活跃状态及NOM-150-SEMARNAT-2017等筛选井。在Burgos盆地Interest田构建4,244 m×5,655 m×4,500 m控制体积，25×33×102网格、84,150节点、70口井；用Fortran90有限体积法（finite volume method, FVM）基于Fourier定律和稳态假设模拟一维井筒热流，输入地温梯度40°C/km、地表温度25°C、热流84 mW/m²，结合地层热导率并以20次迭代校准（热导率变化至10%），ParaView可视化。样本队列来源为CNH/SIH公共井数据、CFE/IIE地热数据库及文献汇编。

研究结果：3.1 油田：通过CNH/SIH数据复核，2023年9月CNH清单包含17,495口油气井；2024年复核从17,698口记录中排除部分重复数据；文献检索获得802口有数据井，但地表温度、底温、热流、热导率、热梯度、压力、孔隙度、渗透率并非全部可得。结论是数据可用性限制地热评价。3.2 地热区：通过文献汇编获得1,360个地温计站点、2,005个异常或热点、414口井和地热区，共3,745个地热显示，但许多热参数不足。结论是地热显示丰富而参数完整性不足。3.3 具有地热潜力的油气井：通过叠加和筛选，在Burgos盆地选出Z-2、X-1/X-2、T-2/Y-3、Y-4/Y-5、X-4/X-3等井对；底孔温度超过140°C，井距360—685 m；X-1/X-2和X-4/X-3因不活跃且间距较近更具建模价值。Z-2受Vicksburg-Cold产层孔隙度和运移控制；Wilcox带影响其他井迁移通量行为，可能与古新世和始新世黏土序列厚度有关，Wilcox带地层剖面呈北南和东西向。结论是部分井对具初步地热利用前景。3.4 井间相互作用的地热数值模拟：通过构建网格和地层剖面，研究区地表70口井，16口有地质数据，仅X-1至X-4有地热记录；地表为低丘，高差不超过40 m。温度剖面显示Wilcox组坡度较陡，Recklaw和Weches组较平缓，后者热导性更好，在<500 m内传热比Wilcox组在>1,000 m内更显著；据静态焓理论上限，4,000 m深井、储层2,100—4,000 m、梯度45°C/km、峰值近150°C时，每井可供300—500人用10年，约59.40 kW，但需动态热-水-力耦合（Thermo-Hydro-Mechanical, THM）模拟确定实际产量。平均底温160°C@4,500 m、150°C@4,000 m，X-3/X-4方向4,500 m最大166°C；热导率10%变化使底温变化±3%（143°C±4.2°C、150°C±4.5°C），低于±20°C预期；25°C间隔等温线显示热非线性；Recklaw和Weches导热更好，Queen City保热更有效。70口井中>85%位于N-S排列西侧，周围井具潜伏热；X-5温度经插值，位于两对井中间，未来研究关注。结论是井间相互作用可作簇分析，模型给出静态地热系统概念化；直接利用如水果脱水、水泥骨料干燥、加热冷却；Rankine循环约需120°C，Burgos未来前景田用Garg and Combs体积法约4 MW双循环可供4,000家庭，Interest田尚需更多数据。

讨论部分总结：沉积盆地地热系统虽低焓，但可通过二元循环和直接利用；需补充地层与生物地层、地质力学、地球化学、岩石物理、水文地质数据以评估EGS。为获得更高温度可修复加深井，超临界流体高效提取可使产能较常规井提高十倍。需了解定向和垂直井产量、优化热回收、避免循环热损失和通过不同几何周围井的流体损失；评估油气藏转地热后化学溶解控制，因高温影响水岩作用；还需考虑深度、生产流量、现有管径、注入工作流体以及渗透率和孔隙度，以在封闭系统中优化采热；更深更高温钻井存在腐蚀、结垢、固井失败、套管或基础设施损坏导致失败和弃井。利用不活跃或废弃井数值模型可降低EGS参数不确定性和成本：低成本井钻井约400—600万美元；4—5 km井改造可达1,000—2,000万美元/井；8 km油气井可达7,000万美元。利用已完井和废弃井及水力压裂对EGS技术研究、试点和试改造有吸引力；经济上因无需新钻井且有基础设施可利用，但需检查暂停或废弃井机械状况，包括临时停产验证、弃井与用途变更评估、井机械完整性和一次/二次屏障、隔离中间渗透层、地面环境塞、移除地面结构并恢复场地；永久废弃井转换更快；需PEMEX和CFE工具及热-水-地质-力学（Thermo-Hydro-Geo-Mechanical, THGM）循环研究，保证技术科学路线可靠，逐步分阶段能源转型；需岩石力学、地应力、天然和人工裂缝起裂扩展、单/双/三耦合解、诱导地震；可减少废弃油井污名，按时间及工业、农业、市政需求供能小地方；需墨西哥大学和研究机构人才；EGS-HDR可减少CO₂排放。

研究结论翻译：数据可用性决定任何与干热岩等新能源系统相关研究的准确性。在墨西哥，需与PEMEX运营的油气生产井组和CFE管理的地热系统合作，以最小化成本并利用现有地热潜力井；该整合可显著影响常规能源基础设施，尽管构成必须应对的重大挑战；新技术和方法用于新兴能源系统（EGS-HDR）可在短期内提高地方、国家和全球发电能力。基于文献识别墨西哥3,745个热活动地点（但无法获得官方政府数据）及CNH 2023年报告的17,495口分布于各盆地的油气井，需整合信息识别底孔温度约150°C的废弃或不活跃陆上井，如Burgos地区井，适合发电（双循环电厂运行于120—180°C）或直接利用；该途径再利用非可再生能源现有基础设施，促进区域和国家脱碳与能源转型。地层和地质信息使X-1、X-2、X-4、X-3井被选中，生成25×33×102网格，尺寸4,244 m×5,655 m×4,500 m，总84,150节点，包含70口现有井；剖面涵盖8个地层：Yegua、Cook Mountain、Weches、Queen City、Recklaw、Wilcox（Eocene），Wilcox（Paleocene）和Midway（Paleocene）构成模型底部；热导率10%变化导致温度剖面3%变化；温度剖面显示Recklaw和Weches热导率最高。825次Fortran90模拟获得平均底温150°C和160°C，最大166°C；25°C间隔等温线表明即使热导率微变，地质地层仍引起扰动。模型显示若地层、地质和水文地质条件恒定，井与其邻居可作簇分析；模型为场址特定，精炼需行业地震、地质力学或相关地球物理数据，这些显著影响EGS-HDR，尤其流体流动和热传递损失；作为首个含耦合数据的区域油气井簇地热模型，它提供静态地热系统概念化，促进分散化并通过整合技术、方法和先进能源系统（如EGS-HDR）促进脱碳，为利用地热储存储层提供可行替代。该研究是识别现有具地热潜力油气井的第一步；持续发展取决于干热岩或岩石热系统数据可用性，该途径因节省钻井费用而成本有效；除作为低污染、连续和大规模潜力的可持续能源转型替代外，该方法促进脱碳、分散化和综合可再生系统扩展，最终有助于提高2050年发电能力。