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行業資訊

雙碳目標下油氣田企業地熱能開發利用思考

1地熱能發展的動因、機遇

 

1.1 地熱能發展的動因

 

首先是保障國家能源安全的要求:一方面我國油氣對外依存度不斷上升,根據中國石油和化學工業聯合會數據,2015-2020年中國原油和天然氣進口規模逐年增長(表1-2),2020年中國進口原油約5.42億噸,同比增長7.3%;進口天然氣1.02億噸,同比增長5.3%;原油對外依存度達到73.5%,天然氣對外依存度達為42.0%,預計未來幾年我國油氣對外依存度還將繼續上升。另一方面我國新增探明油氣地質儲量降至近10年來最低點,隨著高品質常規油氣資源儲量的減少,我國油氣資源開發正日益轉向超深油氣、頁巖油氣、深水油氣、煤層氣等領域,而這些資源的開采由于技術難度較大、成本高,效益開發難度大。因此,實現由傳統油氣資源開發向油氣與新能源開發并重的能源轉型,是保障國家能源安全的必然選擇。

 

其次是雙碳目標下的迫切需要:我國正面臨著有限的化石燃料資源和更嚴格的環境保護要求的嚴峻挑戰,發展清潔能源是當前可以同時解決一系列能源問題的最優途徑。在此基礎上,我國明確提出力爭2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標后,未來常規化石能源的使用要逐漸減少。而奔向低碳的核心是能源轉型,由常規的化石燃料能源轉向可再生能源,同時大部分可再生能源風能太陽能等,都是波動性、間歇性的,而地熱能儲量豐富、分布廣泛,具有穩定連續的優勢。

 

作為非碳基能源,地熱能具有強大的代替化石能源的功能,一是是隨著城市化程度不斷提高(2030年,我國城鎮化率將提高到70%,2050年,80%),我國每年新增建筑面積約20億平方米,加之南方供暖市場逐漸擴大,我國建筑領域的碳排放量在未來十年內仍會持續攀升,二是在環境約束條件下的燃煤電廠將可能面臨關停或搬遷,電廠余熱帶動的城市供暖面積急需新的熱源替代。利用地熱能替代傳統碳基能源供暖,是實現碳達峰、碳中和目標不可或缺的能源,理應發揮更大的作用

 

1.2 地熱能發展的機遇

 

2020年9月22日,習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表講話,鄭重提出中國碳達峰、碳中和目標。2021年1月27日,國家能源局發布《關于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》,將地熱能作為可再生能源供暖的重要方式,積極鼓勵推廣和應用;2月23日,就《關于促進地熱能開發利用的若干意見(征求意見稿)》公開征求意見,系統性提出了地熱能發展的目標和重點任務,目標要求2025年地熱能供暖(制冷)面積比2020年增加50%;2035年地熱能供暖(制冷)面積比2025年翻一番。根據此目標,預測至2025年地熱供暖制冷)面積將達20億平方米以上,2035年地熱供暖制冷)面積將達40億平方米以上。任務要求編制地熱能開發利用規劃,營造有利于地熱能開發利用的政策環境,中國地熱能產業將迎來發展的春天。


雙碳目標下油氣田企業地熱能開發利用思考-地大熱能

 

2油氣田企業開發地熱能利用優勢及現狀分析

 

2.1油氣田企業開發地熱能利用的優勢

 

2.1.1開發前景廣闊

在我國板塊內部地殼沉降區,廣泛發育了中新生代沉積盆地,如華北盆地松遼盆地四川盆地、鄂爾多斯盆地、渭河盆地、蘇北盆地等,沉積盆地不僅富集油氣資源,也蘊藏豐富的中低溫地熱資源

 

在含油氣盆地中,地下水與油氣、地熱能三者相互依存,初步測算中石油探區主要盆地地熱資源量約占全國地熱資源總量的70-80%,2000m以淺儲存的地熱資源總量相當于4000×108t標準煤的發熱量溫度利用下限25℃)。同時這些地熱資源的分布區大多位于我國經濟較發達地區,油氣田企業開發這些地區的地熱資源,具有得天獨厚的地域條件和廣闊的市場應用前景。

 

2.1.2技術優勢明顯

 

地熱能開發利用屬于多行業、多學科之間的交叉與融合,其開發利用技術是一門多學科的綜合技術,主要包括地熱資源的勘查與評價技術、高溫地熱鉆完井工藝技術、高效換熱和制冷技術、防腐防垢技術、地熱尾水回灌技術、地熱梯級利用技術、熱泵地熱發電技術地熱開發利用自動監控與信息化技術、增強型地熱(EGS)開發利用技術等。

 

油氣田企業在油氣數十年勘探開發過程中,積累了地熱資源評價和開發所需的地質、地球物理、地球化學等資料,以及開發地熱能所需的鉆完井、測錄井、油藏工程、儲層壓裂改造、防腐防垢、自動監控與信息化技等地熱資源開發的關鍵核心技術,其地質研究基礎與開發技術高度重疊,具有得天獨厚的技術優勢。 

 

2.1.3 沉淀資產盤活

 

在對地熱能進行開發利用時,首先會通過技術勘探手段對地熱能資源進行評估,確定地熱能資源的儲量以及開采可行性,然后依靠石油開采技術開鑿地熱井,對溫度較高、熱儲存量大以及經濟可開發性高的地熱能資源加以開發利用。油氣田隨著開發的不斷進行,儲層中的油氣會逐漸枯竭,當其超出經濟上的可行點,生產井就要被廢棄,如果不采取必要措施,廢棄井會帶來許多問題,也會耗費大量人力、物力和財力。

 

同時這些廢棄油氣井所處的區域常常是地熱能資源十分豐富的地區,其內部存儲了十分巨大的可利用地熱能資源。因此,在原有油氣開采井的基礎上,對廢棄油氣井進行改造,將其作為地熱井進行再利用具有十分重要的意義,不僅可以將地熱能轉化為機械能和電能加以利用,還可以在地熱能資源開發過程中節約大量的鉆井費用,減少地熱能資源的開發成本,而且在一定程度上對當地的環境污染和安全隱患可以進行有效的治理。因此,利用廢棄油氣井進行地熱能發電將大大提高廢棄油氣井的利用價值,同時也會成為一種廢棄油氣井綜合治理和有效利用地熱能資源的新方式。

 

2.1.4余熱利用潛力大

 

注水采油是目前油田低滲透儲層最常用的開發方式之一。在長期的開發過程中,有大量水注入地下,維持地層壓力,又有大量的水隨油氣一起采出,油氣分離后,形成新的污水;同時在氣田開發中也實施了多項排水采氣措施,產生了大量富含地熱能的污水,它們是油氣田地熱賦存的重要組成部分。有效提取污水中的熱量,變廢為寶,節約了地熱開發鉆井成本,又解決了熱儲層貧水問題,對于能源的高效利用非常重要。

 

2.2油氣田企業開發地熱能利用現狀分析


長期以來,油氣田企業的主要精力都在油氣勘探開發上。隨著全球能源轉型的持續推進,2021年9月底,國家能源局發布的《關于能源領域深化“放管服”改革優化營商環境的實施意見(征求意見稿)》,要求傳統石油公司在做好油氣生產的同時,積極拓展風能太陽能、地熱能、氫能新能源業務,紛紛向綜合能源公司轉型發展。另一方面,以玉門油田為代表的部分老油田企業經過數十年的發展,油氣資源逐漸匱乏,單純依賴“油氣”發展愈發力不從心,亟需轉換發展動能。

 

中國石化在 2014 年就在河北省雄縣實現了地熱供暖覆蓋率 95%以上。地熱與天然氣結合來為整個城區供熱雄縣項目是中國石化華北地區建設的第一個地熱供暖工程。公司在進駐雄縣之初,根據雄縣地熱資源情況合理化布局,對地熱資源進行科學化開采,實現生產井科學開采和回灌井 100%回灌效果。

 

冀東油田積極打造京津冀地區地熱供暖示范基地,于2018年率先建成中國石油首個域外清潔能源供暖項目,也是全國最大單體地熱供暖項目——武城縣清潔能源供暖項目,建成230萬平方米地熱供暖項目“當年建設,當年投用”,現已做到百分百“無壓回灌”。

 

截至2020年底,冀東油田已完鉆地熱井64口,建成曹妃甸新城和柳贊新農村336萬平方米地熱供暖項目,年可節約標煤10.16萬噸,折合原油7.1萬噸,實現減排二氧化碳26.6萬噸,相當于植樹95萬棵。2020年冬季,共入網運行熱力站27座,累計供熱時間151天,比燃煤鍋爐平均熱負荷高出近20%,供暖效果好,保障了華北理工大學等8所學校、美和藍灣等7個居民小區以及柳贊鎮農村的供暖需求。

 

遼河油田自2006年以來,累計實施13個地熱項目試驗,建設了興一礦、潤誠苑小區等地熱供暖工程,每年可節約燃煤4000余噸,減少二氧化碳排放超2萬噸。遼河油田錦州采油廠歡三聯合站地熱利用工程通過將10口廢棄油水井改造地熱井,替代站內燒天然氣伴熱的工藝,預計每年能節約天然氣900余萬立方米,年可替代標煤1.21萬噸,減少運行成本600萬元。

 

吉林油田2021年7月開展了乾安大情字花9站報廢井儲層地熱利用先導試驗項目,節能效果顯著,花9井熱采項目可實現日節氣1000立方米。

 

這些油氣田企業依托傳統技術優勢,不斷打造地熱資源商業利用新模式。

 

3地熱能開發中存在的問題

 

盡管經過幾十年的發展和積累,地熱能產業體系初步形成,但從整體上看,我國地熱能產業還處于發展初期階段,還遠遠不能滿足我國清潔供暖不斷增長的需求,特別是不能滿足“雙碳”目標下地熱能在能源革命中的戰略定位要求,制約油氣田企業地熱發展主要存在以下幾個方面的問題。

 

3.1. 屬性問題

 

總體看來,《水法》未明確地熱的屬性,僅籠統指出地下水為水資源,沒有區分界定地熱與地下水;《礦產資源法》將地熱列為能源礦產;《可再生能源法》則認定地熱為一種能源。因此,從法律層面講,地熱潛在擁有礦產資源屬性、水資源屬性、能源屬性三重定義,而我國針對地熱資源屬性尚未形成統一明晰的定義。

 

具體到操作層面和執法層面,地熱受《礦產資源法》《水法》《可再生能源法》的調控,地熱的管理既給地方行政主管部門帶來困惑,具體來說就是管理分工多元化容易使地熱企業分不清管理主體,造成部分地區地熱管理相對混亂,權、責、利主體不明確,嚴重制約了地熱資源的科學規劃、合理開發,越位、缺位、相互制約和重復執法等問題經常出現,這給油氣田企業開發地熱帶來諸多困惑。


3.2 伴生問題

 

由于屬性和技術不規范也帶來了大量伴生問題,一是部分地區未考慮地熱供暖“取熱不取水”的特點,地熱項目礦產資源費、水資源費收取政策相對教條,無論是否回灌,均按照統一標準收取,損傷了采用回灌措施企業的收益和積極性。

 

二是由于技術不規范,開采地熱資源過程中引起的地下水位下降、地表水污染等問題,再如系統設計與運營經驗不足、缺乏科學論證造成的熱泵系統供暖效果難以保證等問題,對地熱產業的良性發展產生了消極的社會影響,也帶來了項目審批難度大等問題。

 

3.3壁壘問題

 

目前從事地熱行業的企業、科研院所、事業單位相對較多,但多數技術研發工作都受限于基礎資料、知識產權、專利保護等,難以實現資源共享、技術共享。嚴重制約了行業和技術的發展,造成了重復投資和重復攻關的行業壁壘問題。

 

特別是砂巖熱儲地熱尾水回灌、干熱巖發電、地下儲能、深井直接換熱、防腐防垢、熱儲改造地熱水長距離輸送等技術問題仍未能有效解決,形成了技術發展的壁壘,嚴重影響了地熱資源的可持續發展和規模化應用。  

 

3.4效益問題

 

可再生能源是新生事物,技術上需要提高效益,經濟上需要降低成本,如果不提供政策支持是無法與常規能源競爭的。但是地熱能開發,特別是中深層地熱能供暖利用項目是一項民生工程,具有初投資較大、回報周期長、內部收益率低等特點,如果按照與常規能源按照同樣的經濟指標立項、審批、考核,不提供政策支持的情況下是無法與常規能源競爭的。

 

4、油氣田企業地熱能開發路徑

 

實現“雙碳”目標要構建清潔低碳、安全高效的能源體系,而地熱能作為五大非碳基可再生能源之一,特別適合于為建筑供冷供熱,替代和減少化石能源建筑中的使用,是未來能源轉型的新方向。

 

要加快實施和推進地熱能等清潔能源替代,國家能源局要求傳統石油公司在做好油氣生產的同時,大力拓展地熱能等清潔能源業務,就要解決地熱能開發過程中的高成本、低效益問題。如何通過政策支持和技術創新快速降低地熱能開發和利用成本,擴大使用規模和應用場景,關于油氣田企業地熱能開發路徑提以下幾點建議:

 

4.1  統籌部署,同步研究

 

地熱與石油是共存于沉積盆地的兩種資源,與油氣開發技術高度重疊,這就要求油氣田企業在油氣勘探評價過程中將地熱資源與油氣資源的勘探評價工作同計劃、同部署、同研究,節約地熱資源的勘探評價成本。

 

同時在油田開發區有較大的地熱能應用空間和可利用的廢棄油水井,可以大幅降低勘探開采成本,開展地熱能梯級綜合利用的條件也非常優越,主要涉及輸油管線維溫伴熱、站內采暖、洗浴、措施洗井、大棚種植等,將地熱能的開發與油氣田的開發和建設統籌部署,也是油氣田企業開發和利用地熱能降低投資的有效途徑。

 

4.2  多能互補,協同發展

 

地熱資源開發利用的主要投資和成本來自鉆完井、提液、泵輸和回灌,提液量與回灌液量大,用電量較大,電力成本占運行成本的比例較高,用電成本占操作成本的1/3-1/2以上。

 

同時,國家能源局發布又要求傳統石油公司在做好油氣生產的同時,積極拓展風能太陽能、地熱能、氫能新能源業務,一是利用風電光伏的棄電(成本低廉)來降低地熱能開發利用過程中的運行成本;二是因區域、用戶特征,綜合利用城市余熱資源,合理利用區域周邊熱源,借鑒“雄安模式”以水熱型地熱能供暖和地埋管地源熱泵為基礎熱源,以污水余熱、垃圾發電余熱、太陽能為補充,建成多能互補清潔能源供熱系統,也是油氣田企業開發和利用地熱能降低投資的一種方式。

 

4.3  政策支持,技術引領

 

地熱產業發展模式的完善直接關系到地熱產業的可持續發展,同時也與政府績效、企業利潤、金融機構收益和用戶利益密切相關。

 

一是與美國日本冰島等地熱發達國家相比,我國地熱產業在發展模式上還存在很大差距。為了彌補這種差距,實現產業趕超,針對地熱產業發展現狀,政府應當簡化地熱審批程序、加大稅收優惠力度、推行政府采購等優惠政策,推動地熱產業實現跨越式發展。

 

二是發揮職能優勢,引導學校、科研管理部門、企業及有關方面加強地熱技術研發、人才隊伍建設,打破行業壁壘,形成合力,向政策、技術要效益,不斷降低地熱開發成本,提高地熱開發效益,帶動油氣田企業地熱能開發利用的積極性。

 

 

注:原文首發于2022年8月刊《中國地熱》雜志