技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能量存儲和水脫鹽。特別是，流體注入井中形成水力壓裂。在壓力下流體可能會被泵入裂縫中，隨后在壓力下從裂縫中采水用于發(fā)電或流入反滲透裝置用于脫鹽。

相關(guān)領(lǐng)域討論

多種因素推動可再生能源的快速增長，包括能源安全、價格波動、碳排放條例、稅收優(yōu)惠和人為全球變暖的恐懼。因為液體礦物燃料杰出的能量密度(約45MJ/升)，其主要消耗于交通運輸行業(yè)，生物燃料僅提供有限的能量增益，可再生能源的重要作用是在電力產(chǎn)生中取代化石燃料。美國目前消耗近1TW(10¹²瓦)的電力，因此只有最終可以實現(xiàn)上百GW總量的可再生能源技術(shù)是有意義的電網(wǎng)規(guī)模選項。除了水電已經(jīng)基本上滿負荷操作了數(shù)十年，此時只有太陽能和風(fēng)系統(tǒng)可以被考慮。當(dāng)今如果沒有大量的公共資金補貼，上述沒有一種具有成本競爭力，盡管資本支出和操作成本有望隨時間下降并最終實現(xiàn)與煤和天然氣火力發(fā)電站同等的價格。其中，風(fēng)力渦輪機更經(jīng)濟，資本支出(capex)為約1.75美元/瓦、且僅得克薩斯州具有安裝基礎(chǔ)，生產(chǎn)高峰容量約2.5GW。

這兩種重要的可再生能源，風(fēng)能和太陽能受日常和季節(jié)間歇性限制，如圖1所示。也都不適合用于提供基本負載的電源。輸出波動也會導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定；沒有動態(tài)負載平衡工具(例如智能網(wǎng)格技術(shù))，可再生電力資源現(xiàn)在必須限制在低于給定電網(wǎng)輸出電力的大約10％。因此，電網(wǎng)水平的可再生電力不僅受限于來源經(jīng)濟學(xué)，也受限于電網(wǎng)穩(wěn)定技術(shù)。

因此，需要大規(guī)模的電力能源存儲技術(shù)以及可再生能源。表1列舉了候選能源存儲技術(shù)的特征。目前使用的最常見的電力存儲系統(tǒng)是基于某種類型的電池技術(shù)；主要的候選者包括鉛-酸、鋰離子電池、釩流動電池。這些通常對調(diào)節(jié)可再生能源的來源、以及移峰和改善使用點的可靠性是有用的。截至2008，PG&E購買了裝置用于住宅區(qū)，其具有1MW額定容量，供應(yīng)5小時，價格為2百萬美元。通過遞延投資于增加傳輸容量(約2/3)和部分通過改進服務(wù)質(zhì)量(約1/3)，證明這些都是有道理的。這為考慮替代性存儲技術(shù)提供了有用的規(guī)模和價格點：5000kw-h容量，400美元/kw-h價格。

表1

作為應(yīng)用實例，具有3MW額定容量且典型利用系數(shù)為0.3的風(fēng)力渦輪機將產(chǎn)生約22000kw-h/天?；?MW風(fēng)力渦旋裝置為5.25百萬美元，如果3個上述基于電池的存儲單元用于每個風(fēng)力渦輪機，資本輸出將大于兩倍。顯然，目前的電池技術(shù)對于普通電網(wǎng)規(guī)模存儲是非常昂貴的，即使具有合理的技術(shù)改進和規(guī)模經(jīng)濟。

電網(wǎng)規(guī)模電能存儲的領(lǐng)先技術(shù)包括抽水儲能和壓縮空氣能量儲存(CAES)。抽水儲能使用非峰值電力將水向上泵至水庫。這就需要容易獲得大量的水和位置優(yōu)越的地勢，這兩者在風(fēng)力密度合適的區(qū)域-美國中部大平原，都是短缺的。這些技術(shù)方法當(dāng)然是經(jīng)過考驗的和可靠的，并具有約87％的出色的循環(huán)效率。壓縮空氣存儲系統(tǒng)取決于廢棄礦山的可用性或深次表洞穴的發(fā)展。這是一項成熟的技術(shù)，可以安放在約85％的美國大陸并提供合理的約80％的效率。因為壓縮和膨脹空氣會產(chǎn)生較大的溫度變化，處理附加能量通道的CAES設(shè)備是相對復(fù)雜和昂貴的。圖2中的圖表探明了電力-能量空間的各種存儲技術(shù)，并清楚顯示抽水儲能和CAES在結(jié)合高總能量和高電容量方面是獨特的。

存儲技術(shù)的另一項關(guān)鍵應(yīng)用在于峰轉(zhuǎn)移，或者在極端需求的短期內(nèi)輸送額外電量。這一區(qū)域在圖2中被稱之為“分布式資源”。夏日午后需求峰值(與空調(diào)有關(guān))是最好的例子。不幸的是，這對于風(fēng)力渦輪機同時是低生產(chǎn)率時間。圖3中的圖表顯示了用于服務(wù)該應(yīng)用的各種候選技術(shù)的評估資本成本。

正如上文所指出的，這種應(yīng)用目前正被幾個早期采用者如PG&E處理，主要是根據(jù)遞延投資傳輸線路和改善服務(wù)素質(zhì)。當(dāng)然，基于“綠色標(biāo)志”分布式能源，也有營銷的優(yōu)勢。

直至抽水蓄能和/或CAES大規(guī)模部署的時候，我們注意到從風(fēng)力渦輪機儲存多余的夜間電力并在夏季午后需求高峰重新出售的有趣的套利機會。據(jù)傳聞，風(fēng)力發(fā)電場據(jù)說實際上付款給電網(wǎng)運營商以接收夜間電力。風(fēng)電專家，像綠山能源(Green Mountain Energy)，白天風(fēng)能零售價為0.19美元/kw-h。因此，運用12小時儲存系統(tǒng)，有機會獲得毛收入大約0.20美元/kw-h。如果儲存技術(shù)足夠便宜，這可能是利潤非?？捎^的企業(yè)?，F(xiàn)有技術(shù)的經(jīng)濟學(xué)在緊縮資本市場和需求較高的內(nèi)部回報率的環(huán)境中使其至多是邊際主張。

在很多領(lǐng)域，還缺乏新鮮的或可飲用的水。水脫鹽的一項主要的方法是反滲透。這一過程需要壓力來克服鹽水的滲透壓力使水透過半透膜。因此，存在更多的機會結(jié)合存儲技術(shù)和脫鹽技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明使用井在地下高壓水力壓裂裂縫中存儲流體。該流體從井中采回，用于傳統(tǒng)設(shè)備發(fā)電。通過注入樹脂，例如環(huán)氧樹脂至裂縫中，裂縫壁可制成較不透氣的，傳播壓力可能會增加。存儲能力、資本需求和預(yù)期的回報率，使分布式資源和負載管理以及過夜風(fēng)力套利運作有利可圖，這些都會有相關(guān)的說明。如果儲存的流體是鹽水，例如產(chǎn)自地下層的水，且有淡水需求，從儲存容量采回的一部分鹽水可直接置于反滲透裝置脫鹽。

附圖說明

圖1顯示了德克薩斯州Wildorado的每日風(fēng)型。

圖2顯示了能量存儲技術(shù)成本和效率。

圖3顯示了分布式應(yīng)用程序和可再生資源匹配。

圖4說明了地下水力壓裂裂縫及其形成設(shè)備。

圖5A是裂縫的橫截面圖，顯示了樹脂泄漏至裂縫周圍巖石。

圖5B顯示了裂縫終端的樹脂。

圖5C顯示了裂縫中的壓裂支撐劑。

圖6說明了地表井和設(shè)備周圍的地下水力壓裂，用于控制從裂縫回流并產(chǎn)生電力或脫鹽水。

具體實施方式

水力壓裂慣常用于提高鉆入低滲透油藏儲集層的油氣井的生產(chǎn)率。這類裂縫增加了儲集層巖石中的井的有效生產(chǎn)表面區(qū)域。確實，非傳統(tǒng)儲集層如巴奈特頁巖(Barnett Shale)和巴肯組泥頁巖(Bakken formation)的有利可圖的勘探，只能通過大量的水力壓裂實現(xiàn)。簡單地說，在井管固定位置后，在目標(biāo)底層形成穿孔，然后在高壓下將流體泵入井中，誘導(dǎo)巖石中裂縫形成于井周圍，如圖4所示。井41已鉆入地下地層。運砂車42可將壓裂支撐劑運至井點。壓裂流體可在罐45中混合和儲存，并從該處送至混砂車43與沙子或其他壓裂支撐劑混合。高壓力泵44是用于在足以在井周圍形成裂縫46的壓力下，迫使流體進入井41。壓裂支撐劑顆粒47可能會在裂縫形成后被泵入裂縫中。形成裂縫46的必要壓力線性取決于深度；典型的“裂縫梯度”是每英尺深度約0.8PSI。因此，3000英尺的井在巖壁需要約2400psi的壓力以產(chǎn)生水力壓裂。在淺井(最多到1，000-2，000英尺深)，水力壓裂裂縫通常水平傳播。在更大的深度，巖石中的自然應(yīng)力往往導(dǎo)致垂直導(dǎo)向的裂縫。對于我們的儲存能量的目的，裂縫方向是不重要的。在任何情況下，能量儲存是通過裂縫周圍巖石的變形，主要是彈性變形。裂縫可主要位于一個平面內(nèi)，通過圍巖層從井延伸，如圖4所示，或者主要位于自然裂隙巖石內(nèi)，如巴奈特或巴肯組泥頁巖層，裂縫具有許多不同流體路徑可大量延伸。

裂縫在井中可從井眼徑向延伸，例如，大約100米至1000米。如果裂縫主要是在同一平面，井眼裂縫厚度可在約0.5-2厘米。裂紋擴散在斷裂操作中使用威震方法可實時監(jiān)控，而地表面形變度和類型使用傾斜儀可同時測量。斷裂的巖層的流體透過性和彈性有效決定了可能用給定泵系統(tǒng)的斷裂程度。隨著斷裂長度增加，巖石表面面積隨著進入巖石而非完全填充裂縫的流體比例增加。因此，高滲透性的巖石很難斷裂，而低滲透性的巖石能破裂至更遠的距離。流體損失添加劑(顆粒)可添加到壓裂流體以降低流體從裂縫進入巖石的比例。流體損失可通過在壓裂液中泵入聚合物樹脂進一步降低。優(yōu)選的，可使用脂肪族環(huán)氧樹脂，如“Water-Dispersible Resin System for Wellbore Stabilization，”L.Eoff et al，SPE64980，2001中所述。呋喃樹脂、酚醛樹脂和其他環(huán)氧樹脂也可以使用。樹脂系統(tǒng)可以作為凈樹脂、樹脂/沙子混合物，或分散于水基或油基壓裂液中被泵入。該樹脂可與稀釋劑或溶劑混合，可能具有反應(yīng)性?？墒紫仍跀嗔褬渲跏褂靡粔K凈樹脂，然后使用樹脂在壓裂液中的分散體，再然后使用壓裂液。壓裂支撐劑和/或流體損失劑可被添加到其中一種流體。優(yōu)選選擇不同流體的量以允許環(huán)氧樹脂或其他樹脂填充裂縫至端部并滲入裂縫端部的巖石。樹脂或含樹脂流體的注入可重復(fù)操作以獲得裂縫的較低的流體損失。

圖5A、5B和5C通過顯示裂縫橫截面說明了置入樹脂至裂縫以制備用于儲存能量的裂縫的方法，如此處所教導(dǎo)的。在圖5A中，樹脂、樹脂分散體或具有樹脂50的液體混合物存在于井眼和已在巖石中形成的裂縫51中。樹脂50可包含流體損失添加劑。在裂縫周圍，樹脂泄漏進入巖石52。在圖5B中，顯示頂替液54將樹脂移動至裂縫端部，其可以為含增粘劑的水，油性或含溶劑，用于樹脂。頂替液54優(yōu)選粘性高于樹脂50。泄漏進巖石52的樹脂量增加了。在圖5C中，僅僅有限量的樹脂50留在裂縫中，且存在于裂縫尖端或末端。裂縫51可含有壓裂支撐劑55。

固化后，裂縫尖端里面或周圍的樹脂將增加裂縫的傳播壓力并允許在流體存儲過程中形成更寬的裂縫。在壓力下存儲于裂縫中的流體的泄漏率可降低至較小的或最小值。隨著實現(xiàn)裂縫的低流體損失，也可單獨使用氣體或與流體一起作為工作液用于存儲過程。

為能量存儲目的，我們對大裂縫小流體損失有興趣。理想的流體損失為零，因此合適的巖層可能完全不透氣的。我們注意到，在壓裂過程中用于減少或消除流體損失的添加劑在本申請中也可用于減少或消除輕微滲透巖層中的流體損失。可用于減少流體入侵的材料包括聚合物、精細硅砂、粘土、可能是新的納米結(jié)構(gòu)材料如石墨烯懸浮物，以及選定材料的混合物。注入到裂縫中的任何流體可包含或不包含壓裂支撐劑。

在這些情況下，我們注意到，用于產(chǎn)生裂縫的能量可分為三大類：流體摩擦(損失，取決于泵入率和井中管道的大小)、巖石破裂(小；損失)、和裂縫周圍巖石的彈性撓曲。重要的是，我們注意到，用于使巖石彈性形變的能量實際上存儲為勢能。隨著巖石松弛至原始位置，這種能量可以從裂縫或鉆孔排出的流體流回收。因此，在大裂縫形成后，充滿空間的流體可用于水壓抬升表土(并使其彎曲)并儲存機械能。通過允許受壓流體從渦輪機中離開，可有效回收能量。在高于壓裂梯度的壓力下注入流體的過程可重復(fù)既定次數(shù)，與采回流體生成電力的過程交替進行。因此，裂縫作為靈活的存儲容器?？偟膩碚f，這一計劃在概念上類似于抽水儲能系統(tǒng)。與單獨向上抽水不同，我們向下泵入水，并用其水壓抬升大密度地表塊使其彎曲或使地表彈性變形。關(guān)鍵組件(泵、渦輪機)和損失渠道(流體摩擦)是相似或共同的，因此，我們希望這種新的辦法將會具有與抽水儲能相同的總體效率，以往返為基礎(chǔ)計算約87％。

這種新的辦法的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可使用平坦的地形，而且消除了大規(guī)模的土方工程和環(huán)境影響。

下面我們顯示了裂縫裝置的一對實例，以闡明假設(shè)通過這種方法在水力壓裂裂縫周圍發(fā)生巖石變形或抬升時可用的能量存儲規(guī)模，可表示如下：

實例1 1千米的深井，100m半徑范圍平均抬升1厘米(典型的油田斷裂)。

實例2 1千米的深井，500m半徑范圍平均抬升10厘米。

雖然解釋了水力壓裂屬性，申請人不想受關(guān)于水力壓裂性質(zhì)的某一特定的科學(xué)理論限制。

用于比較，3兆瓦的風(fēng)力渦輪機以典型的30％利用率操作，每天產(chǎn)生2.16E4kw-h。在實例2中描述的裝置因此可以存儲風(fēng)力發(fā)電場167臺渦輪機的名義日輸出全部電量。如果以目前價格(400美元/kw-h)購買基于電池的存儲系統(tǒng)用于存儲該數(shù)量的能量，需要約2億3900萬美元的資本投資。我們預(yù)期，投資水力壓裂能量存儲的資本約為上述投資的1/3-1/10。能量存儲規(guī)模明顯地在負載管理框架中(圖2)，目前僅通過抽水儲能和CAES技術(shù)可實現(xiàn)。如果在該實例中的系統(tǒng)，以每天30％容量循環(huán)，以0.10美元/kw-h計算，套利值將達到約18000美元每天。

注入至裂縫中的流體可以是液體或氣體。合適的流體是產(chǎn)自飲用水地層以下的地層的鹽水。該鹽水可與烴類生產(chǎn)同時進行。如果鹽水或含有溶解鹽的水注入圖4或5的裂縫中，采回的流體組分與注入流體大致相同。采出流體的壓力在高壓水平直至裂縫關(guān)閉。過量的壓力將用于產(chǎn)生電力，如上所述，或者過量壓力用于使部分或全部采出水脫鹽，如圖6所示。

參考圖6，井60已經(jīng)鉆孔，并且水力壓裂或裂縫62已經(jīng)在井中形成。已經(jīng)限制從裂縫泄漏，如上文所討論的。管件已經(jīng)置于井中，且閥63已經(jīng)安裝以控制進出井的流體。然后在回流階段，將井連接至閥64用于控制流體至發(fā)電設(shè)施，如上面所討論的。通過閥65可將井連接至脫鹽或其他水處理設(shè)施。優(yōu)選的水處理設(shè)施是反滲透裝置，如裝置66。使用從井60回流的流體的高壓，半滲透膜67可以去除水中的溶解鹽并生產(chǎn)淡水，如圖所示。閥64和65均可在存儲水高壓回流階段打開，從而既產(chǎn)生電力又生產(chǎn)淡化水。或者，可關(guān)閉閥64和65之一，所有采出流體用于一種目的，例如脫鹽?；蛘撸诨亓麟A段任何一個閥也可能在打開或關(guān)閉狀態(tài)變化。更改閥門打開狀態(tài)以響應(yīng)采出流體在回流階段的壓力變化可改善發(fā)電和脫鹽的綜合過程的結(jié)果。

反滲透通常需要半透膜兩側(cè)200-1200psi的壓力差，這取決于處理中的水的鹽度。這是需要克服滲透壓并使水流過半滲透膜的通常的驅(qū)動力范圍。典型的海水流率是15-35加侖/英尺²/天(GFD)，這取決于工藝條件。

可用各種水含量---從極低鹽度(在正常操作中少量TDS從地層中出來)，至中等鹽度(使用含鹽地下水或伴隨烴產(chǎn)生的作為注射液的水)、高鹽度(高鹽度工藝水)。反滲透可用于同時控制正常操作過程中的存儲設(shè)施的水質(zhì)量，即去除可能影響儲存器性能的溶解固體，例如造成井中和/或裂縫內(nèi)部結(jié)垢，以及控制將非飲用水源水轉(zhuǎn)換成飲用質(zhì)量的方法(例如“抽水脫鹽”)?？墒褂迷诜礉B透過程中已知的設(shè)備，例如壓力交換器能量回收設(shè)備(可從Energy Recovery，Inc.獲得)。這為整合能量存儲和水處理/脫鹽提供了方法。如果在回流過程中沒有電力產(chǎn)生，該過程通過使水脫鹽可視為基本將儲存能量直接轉(zhuǎn)化為有效功。

注入到裂縫中的水已被描述，且具有溶解鹽，但是淡水(不具有溶解鹽)也可用作工作流體。從裂縫回流的淡水壓力可轉(zhuǎn)化成待脫鹽的水使得鹽水可使用反滲透壓脫鹽。壓力交換器如上文所述可用于這一目的。

雖然本發(fā)明描述了相關(guān)具體細節(jié)，它的目的并不在于被視為限制本發(fā)明，除非它們都包含在隨附的權(quán)利要求中。