在碳達峰碳中和目標的驅動下,我國加快推進油氣勘探開發與新能源融合發展,以油氣產業為基礎, 加強新能源、新材料與新業務的開發利用,構建油氣上游領域與新能源新產業融合、多能互補的發展新格局。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,在供熱、發電和綜合應用等方面擁有巨大潛力。 長慶油田共有近3 000口水源井,依托水源井開展地熱利用,具有較大的開發潛力。因此,有必要分析水源井地熱利用經濟性的影響因素,研究地熱水溫度、 地熱水流量和換熱器材質價格等因素對地熱利用系統經濟運行的影響規律。

1 水源井地熱利用技術經濟評價的理論基礎

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過脫水處理的原油進入油水換熱器進行升溫處理,地熱則依托水源井的中溫來水,來水經過旋流除砂、過濾等工序進入油水換熱器,與脫水原油換熱后進入注水系統。此外,受季節變化影響,地熱溫度及來油溫度浮動較大,站區配備水套加熱爐,地熱供熱能力不足時,可對原油進行補熱處理。

1.2 “有無對比”經濟評價方法

“有無對比”經濟評價方法是指通過比較有無項目兩種情況下項目的投入物和產出物可獲量的差異, 評估項目的增量費用和效益,評估項目的各項技術經濟指標,進而論證項目的經濟可行性。結合水源井地熱利用項目特征,采用“有無對比”經濟評價方法。 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施后新增固定資產維護修理費、折舊費用。 增量效益是指水源井地熱項目實施后節約燃氣帶來的增產天然氣效益。

2 “取水用熱+直接換熱”工藝經濟性的影響因素

選取A站點作為“取水用熱+直接換熱”工藝典型站場。

2.1 地熱水溫度

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

由經濟性分析可知,以A站點數據為基準,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足基準收益率的要求(不低于6%),具有良好的經濟效益。其中,地熱水溫度為36 ℃時,稅后內部收益率為1 6.17%,地熱水溫度為24 ℃時,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,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,隨著地熱出水溫度的升高,在相同流量下,來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,來油溫度為3 ℃時,以達到內部收益率(6%) 為目標,地熱水溫的經濟性邊界條件為21.7 ℃。

2.2 地熱水流量

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

由經濟性分析可知,依據A站點實際運行工況,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足基準收益率的要求(不低于 6%),具備經濟效益。其中,地熱水流量為260 m3/d 時,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,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,保溫管改造費用較低。

總體而言,測算范圍內,隨著地熱水流量的升高,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,以達到內部收益率(6%)為目標,地熱水流量的經濟性邊界條件為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的適用性要求不同。根據長慶油田地熱采出水水質分析,礦化度突出特點表現為氯離子含量較高,其直接影響油水換熱器材質。依據A站點實際運行工況,在地熱出水溫度32 ℃和流量210 m3/d的條件下,選用碳鋼(實際工況)、254SMO不銹鋼、2205雙相不銹鋼和鈦材分別作為熱泵蒸發器材質,分析地熱系統經濟性。

依據A站點實際運行工況,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足基準收益率的要求(不低于 6%),具備經濟效益。同時,經濟性與換熱器材質價格呈負相關,254SMO不銹鋼和鈦材的氯離子耐受性最強,價格因素導致其收益率較低。綜合考慮維護成本和設備價格,碳鋼和2205雙相不銹鋼價格較低,經濟性更加突出。

3 結論

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