废弃气田地热发电的集成模拟：评估可持续能源回收的综合性方法

《Geoenergy Science and Engineering》：Integrated Simulation of Geothermal Power Generation from Abandoned Gas Fields: Evaluating Integrated Approaches for Sustainable Energy Recovery

该研究将废弃离岸天然气田改造为CO?蒸汽地热系统，构建储层-井筒-地表耦合模拟框架，对比ORC、sCO?-DPG和TEG三种发电技术。结果表明，TEG因辅助电力需求低、结构简单成为该盆地最具竞争力的方案，集成模型为类似项目提供了实用工具。

　　

孔金|李克文|王磊|周雨霞|田中原

中国地质大学（北京）能源资源学院，学园路29号，北京100083，中国

摘要

将枯竭的海上气田重新利用为二氧化碳羽流地热（CPG）系统，通过利用现有的地下数据和基础设施，提供了一种经济高效的方式来提供可调度、低碳的电力。本研究开发并验证了一个集成的储层-井筒-地表模拟框架，用于超临界二氧化碳（sCO₂）的热提取和电力生成。储层和非等温井筒模型在COMSOL中求解，时间推进耦合方案将井口的温度、压力和质量流量输出传递到基于MATLAB的地表电力转换模块。评估了三种发电选项：有机朗肯循环（ORC）、超临界二氧化碳直接发电（sCO₂-DPG）和热电发电（TEG）。通过将耦合的储层-井筒预测与现有的分析解进行基准比较，并用文献数据验证热力学循环计算，确认了模型的可靠性。应用于英琼盆地的一个实际案例，在50年的运营期内，当考虑寄生损失时（ORC和sCO₂-DPG约为20%），这三种选项表现出不同的净功率特性。最终安装容量分别为TEG 2.14 MW、ORC 1.99 MW和sCO₂-DPG 1.58 MW。由于其辅助功率需求可忽略不计且结构简单，TEG被确定为该盆地海上部署的一个有竞争力的选项。所提出的耦合框架为废弃气田中地热再利用项目的筛选和设计提供了一个实用工具。

引言

全球能源危机的日益紧迫，加上气候变化影响的加剧，推动了全球对低碳和可持续能源解决方案的追求（Edouard等人，2023；Ferrantelli等人，2020；Kurnia等人，2022）。在过去的一个世纪里，传统化石燃料的开采无疑促进了工业化和社会经济发展；然而，这也导致了大量的温室气体（GHG）排放，其中二氧化碳（CO₂是导致全球变暖的主要长期温室气体。为应对这一挑战，能源行业正在向清洁和可再生能源转型，而地热能——以其高可靠性、基础负荷供应和低环境足迹而著称——成为这一转型的关键组成部分（Liu等人，2024；Ma等人，2020；Zhang等人，2022；Zhou等人，2022）。

地热能系统不仅不受天气和季节变化的影响，而且可以在最小的土地使用和排放下持续发电。然而，传统的地热开发常常面临技术限制，例如需要高温储层、深井钻探成本以及在低渗透率或低温条件下的低热回收效率（Anya等人，2025；Cano等人，2022；Xu等人，2021）。对于裂缝地热储层，已经开发了耦合的热液-多孔弹性模型来捕捉更强的多物理相互作用，进一步推动了集成系统级建模（Abdel Azim等人，2024）。这些挑战在沉积盆地或废弃的石油和天然气田中尤为明显，在这些地方，尽管地热梯度可能较低，但已经存在地下数据和基础设施（Kurnia等人，2022；Norouzi等人，2023；Yerima等人，2024b）。

将废弃的气田重新用于地热发电提供了一种经济高效且环境协同的可再生能源部署途径（Zhang等人，2009）。这些气田经过数十年的碳氢化合物开采，通常拥有详细的地质和地球物理数据集、井网和地表基础设施，可以重新使用或重新利用（Aydin和Merey，2021；Schifflechner等人，2024；Xu等人，2021）。此外，通过先进的工程策略可以利用剩余的地层压力和热潜力（Adams等人，2015；Antoneas和Koronaki，2024）。最近关于将废弃的石油和天然气井转化为单井闭环同轴热提取系统的可行性研究表明了实际的低温发电潜力（Li等人，2025）。

在这种背景下，使用超临界二氧化碳（sCO₂）作为热提取流体受到了越来越多的关注。二氧化碳羽流地热（CPG）概念利用了超临界二氧化碳的优越性能——低粘度、高密度和优异的热膨胀性——来提高地下储层中的热扫效率（Adams等人，2015；Antoneas和Koronaki，2024；Schifflechner等人，2024；Yerima等人，2024a）。与水相比，超临界二氧化碳在致密地层中具有更好的流动性，并且在长时间运行中保持更好的热传递效率（Bielicki等人，2023；Guo等人，2019）。井筒-储层耦合已被应用于量化枯竭的石油和天然气储层中的长期sCO₂热提取（Xu等人，2025）。此外，sCO₂系统本身支持碳封存，创建了一个双重用途的系统，既解决了清洁能源生成问题，又提供了二氧化碳储存的途径，从而有助于实现净零排放目标（Ezekiel等人，2024；Wang和Li，2025）。

井筒模拟在地热开发中至关重要，主要在于优化热提取、提高系统稳定性和降低运营成本。通过准确模拟井筒内的温度分布、流体流动和热交换过程，井筒模拟可以有效预测和优化热提取效率。例如，它可以帮助识别影响热提取性能的关键因素，如井深、注入流量和压力，从而实现热能的有效利用（Hong等人，2025；Ji等人，2025；Shi等人，2018；Sui等人，2018；Tonkin等人，2021）。在设计和运营优化方面，井筒模拟有助于确定最佳的井设计，包括井深、直径和材料选择，确保长期高效和安全的热提取。它还可以模拟在不同地热资源条件下的运营策略，以最大化热提取效率（Akbar等人，2016；Ezekiel等人，2024；Gao等人，2024；Hamlehdar等人，2024）。此外，井筒模拟减少了现场实验和测试的需要，使得在设计阶段就能进行性能预测，降低了开发成本和时间（Ji等人，2025）。耦合的井筒模拟-地球化学工作流程已被用于跟踪地热井沿线的压力-温度剖面和规模风险（Aydin等人，2025）。通过多物理耦合分析，井筒模拟为优化地热能系统提供了全面的理论支持，并促进了地热能的可持续利用（Abdelhafiz等人，2021；Tonkin等人，2021）。准确的井筒热力学至关重要，因为井筒流动和热传递直接决定了井口条件，并可能显著影响地热发电系统的评估（Xie等人，2025）。

在地表，有机朗肯循环（ORC）系统仍然是将低温到中温地热能转化为电能最广泛使用的技术。通过使用低沸点有机工作流体（例如R123、R245fa），ORC系统在地热应用中可以实现10-18%的热效率水平（Aliahmadi等人，2021；Song等人，2021；Zhang等人，2015）。这些系统成熟、模块化，并且可以在各种规模上商业获得。在地表方面，地热ORC研究越来越多地结合了压力降意识优化，强调了在净功率评估中需要真实的井口边界条件（Wang等人，2024）。相比之下，基于塞贝克效应的热电发电机（TEG）通过直接将温差转化为电能提供了更简单的替代方案（Li等人，2021）。尽管它们的热电转换效率通常较低（通常低于5%），但TEG没有活动部件，具有高度的可扩展性，并且可以集成到混合配置中，直接从ORC系统或井口回收废热（Liu等人，2021；Mohammadi和Fallah，2023；Qiao等人，2024；Wang等人，2025；Zhao等人，2021）。

此外，多能源或混合地热系统的发展势头正在加快。将地热发电与二氧化碳封存、氢气生产、海水淡化或区域供暖系统结合起来，代表了能源系统设计的范式转变。这些配置允许资源级联和协同生产价值，从而提高能源效率，降低单位成本，并增强对市场波动的韧性（Gutiérrez-Negrín，2024；Hamlehdar等人，2024）。这些复杂系统的开发需要集成建模，不仅要评估技术性能，还要考虑生命周期排放、土地使用影响和长期可持续性。已经提出了集成框架，以将地热利用与二氧化碳封存和利用相结合，突出了系统级评估的价值（Liu等人，2023）。

尽管以前的研究为个别组件（如储层建模、井筒热损失或涡轮机设计）提供了宝贵的见解，但很少有研究尝试将这三个组件整合到一个耦合模拟平台中。然而，这些组件之间存在显著的相互依赖性。例如，由井筒热损失引起的温度下降直接影响发电单元的入口条件，进而影响热效率、循环配置和经济产出。

本研究旨在建立一个集成的地热能回收模拟和评估框架，重点关注储层规模的热传递、井筒热力学传递和地表发电系统的耦合。该框架应用于英琼盆地的一个案例研究，这是一个典型的具有地热潜力的低温到中温气田示例。通过比较不同的工作流体、生产策略和发电技术（包括ORC、TEG和超临界二氧化碳直接发电），本研究为决策者提供了评估废弃气田中不同地热发电技术可行性的宝贵工具。集成模拟模型为设计高效系统提供了指导，并显著促进了向低碳、可持续能源的转型。

部分摘录

模型描述

本研究提出了一个完全耦合的地热发电系统，整合了地下储层热提取、井筒热传输和地表能量转换过程。该系统旨在利用现有基础设施，从废弃或枯竭的气田中提取剩余的地热能，从而降低开发成本和建设时间。工作流体——通常是超临界二氧化碳（sCO₂）——在多孔地质结构中循环

计算模型

在这项研究中，我们基于实际的地层数据开发了一个二氧化碳羽流地热系统的地下储层模型。储层的几何模型是根据储层顶部和底部表面的深度数据构建的，这些数据来自地震解释。由于海上气田的井之间的距离相当远，所有井都位于储层的顶部，整个储层长约12公里，宽约10公里，因此

储层模型分析

二氧化碳（CO₂在储层内的流动过程是二氧化碳羽流地热（CPG）系统中地热提取过程的关键组成部分，直接影响系统的热提取效率。因此，研究CO₂的热传递特性至关重要。本节模拟了在实际储层条件下的温度变化，以及生产井中CO₂的温度。图14展示了

结论

本研究开发了一个用于废弃气田的综合地热发电模型，重点关注地下储层热提取、井筒热传输和地表能量转换系统的整合。通过将这个耦合模拟框架应用于英琼盆地的一个案例研究，该盆地代表了低温到中温含量的气田，我们评估了三种发电技术——有机朗肯循环（ORC）、超临界二氧化碳直接发电（sCO₂

CRediT作者贡献声明

周雨霞：项目管理。田中原：项目管理。李克文：验证、监督、方法论、概念化。王磊：监督、方法论、概念化。孔金：写作——审阅与编辑、写作——初稿、软件、方法论、数据管理、概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

我们衷心感谢“海南省院士创新平台”为这项研究提供的特定研究资金。