水源井地热利用经济性的影响因素研究

在碳达峰碳中和目标的驱动下,我国加快推进油气勘探开发与新能源融合发展,以油气产业为基础, 加强新能源、新材料与新业务的开发利用,构建油气上游领域与新能源新产业融合、多能互补的发展新格局。地热能是新能源的重要组成部分,具有储量丰富、 分布广泛、季节和气候影响度低、稳定可靠的突出特点,在供热、发电和综合应用等方面拥有巨大潜力。 长庆油田共有近3 000口水源井,依托水源井开展地热利用,具有较大的开发潜力。因此,有必要分析水源井地热利用经济性的影响因素,研究地热水温度、 地热水流量和换热器材质价格等因素对地热利用系统经济运行的影响规律。

1 水源井地热利用技术经济评价的理论基础

1.1 “取水用热+直接换热”地热利用工艺

“取水用热+直接换热”地热利用工艺是指经过脱水处理的原油进入油水换热器进行升温处理,地热则依托水源井的中温来水,来水经过旋流除砂、过滤等工序进入油水换热器,与脱水原油换热后进入注水系统。此外,受季节变化影响,地热温度及来油温度浮动较大,站区配备水套加热炉,地热供热能力不足时,可对原油进行补热处理。

1.2 “有无对比”经济评价方法

“有无对比”经济评价方法是指通过比较有无项目两种情况下项目的投入物和产出物可获量的差异, 评估项目的增量费用和效益,评估项目的各项技术经济指标,进而论证项目的经济可行性。结合水源井地热利用项目特征,采用“有无对比”经济评价方法。 项目的增量投资是指水源井地热项目所需井下工程改造和地面工程改造的投资之和。增量费用包括水源井地热项目实施后新增固定资产维护修理费、折旧费用。 增量效益是指水源井地热项目实施后节约燃气带来的增产天然气效益。

2 “取水用热+直接换热”工艺经济性的影响因素

选取A站点作为“取水用热+直接换热”工艺典型站场。

2.1 地热水温度

地热水温度关系地热井供热能力,直接影响系统设备选型。根据长庆油田地热温度和A站点地热供热系统实际运行情况,设定4种地热水温工况,即 24、28、32 ℃(实际工况)和36 ℃,分析地热系统经济性。A站点不同地热水温度的经济性分析结果如表1所示。

由经济性分析可知,以A站点数据为基准,地热水温度为24~32 ℃,在设定的投入及节能量下, 增量投资内部收益率满足基准收益率的要求(不低于6%),具有良好的经济效益。其中,地热水温度为36 ℃时,税后内部收益率为1 6.17%,地热水温度为24 ℃时,税后内部收益率为7.9%,这是因为水源井“取水用热+直接换热”工艺依托原有注水系统, 不增加注水投资,且水源井紧邻A站点,保温管改造费用较低,整体收益率良好。

总体而言,测算范围内,随着地热出水温度的升高,在相同流量下,来油加热温度呈上升趋势,节约的伴生气量随之提升,因而项目收益增加。由拟合分析可知,来油温度为3 ℃时,以达到内部收益率(6%) 为目标,地热水温的经济性边界条件为21.7 ℃。

2.2 地热水流量

地热水流量关系后端地热水和来油的换热效果, 直接影响油水换热器规格。根据长庆油田地热温度和 A站点地热供热系统实际运行情况,设定4种地热水流量工况,即1 10、160、210 m3/d(实际工况)和 260 m3/d,分析地热系统经济性。A站点不同地热水流量的经济性分析结果如表2所示。

由经济性分析可知,依据A站点实际运行工况,地热出水温度为32 ℃,地热水流量为1 10~260 m3/d, 增量投资内部收益率满足基准收益率的要求(不低于 6%),具备经济效益。其中,地热水流量为260 m3/d 时,换热器换热面积为1 0 m2,税后内部收益率为 14.46%;地热水流量为1 10 m3/d时,换热器换热面积为20 m2,税后内部收益率为9.67%。水源井“取水用热+直接换热”工艺的整体收益率较好,因为依托原有注水系统,不增加注水投资,且水源井紧邻 A站点,保温管改造费用较低。

总体而言,测算范围内,随着地热水流量的升高,在相同地热出水温度和原油升温效果的条件下, 地热水和原油换热效果提升,换热器换热面积减小, 项目整体投资降低。由拟合分析可知,地热水温度为 32 ℃时,以达到内部收益率(6%)为目标,地热水流量的经济性边界条件为7 1.7 m3/d。

2.3 地热水矿化度

地热水水质复杂,矿化度可表征水中各种离子、 分子的含量,不同成分对设备和管道材质的适用性要求不同。根据长庆油田地热采出水水质分析,矿化度突出特点表现为氯离子含量较高,其直接影响油水换热器材质。依据A站点实际运行工况,在地热出水温度32 ℃和流量210 m3/d的条件下,选用碳钢(实际工况)、254SMO不锈钢、2205双相不锈钢和钛材分别作为热泵蒸发器材质,分析地热系统经济性。

依据A站点实际运行工况,地热出水温度为32 ℃, 地热水流量为210 m3/d,在设定的投入及节能量下，增量投资内部收益率满足基准收益率的要求(不低于 6%),具备经济效益。同时,经济性与换热器材质价格呈负相关,254SMO不锈钢和钛材的氯离子耐受性最强,价格因素导致其收益率较低。综合考虑维护成本和设备价格,碳钢和2205双相不锈钢价格较低,经济性更加突出。

3 结论

选取A站点作为水源井“取水用热+直接换热” 工艺典型站场,以地热出水温度、地热水量、地热水矿化度为影响因素开展经济评价,然后提出建议。依据A站点实际运行工况,在地热出水流量210 m3/d的条件下,项目经济性与地热水温度呈正相关。地热出水温度为32 ℃时,项目经济性与地热水流量呈正相关。地热出水温度为32 ℃,地热水流量为210 m3/d时, 对比分析碳钢(实际工况)、254SMO不锈钢、2205 双相不锈钢和钛材的蒸发器价格和维护成本,碳钢经济性更加突出。后续可根据项目技术要求,开展多因素影响分析,提升研究成果的普遍适用性。为了推进碳达峰碳中和,加快发展方式绿色转型,后续可考虑碳税政策对地热利用经济效益的影响。