Преобразование солнечной энергии в тепло при добыче нефти

Пар можно производить, не сжигая природный газ, а с помощью солнечных тепловых установок, которые поглощают солнечную энергию и нагревают жидкий теплоноситель, пропуская его через теплообменник

Сохраняющийся мировой спрос на нефть и потребность экономить средства побуждает нефтедобывающие компании искать нетрадиционные способы освоения нефтяных месторождений.

В частности, такие ископаемые ресурсы, как тяжелая нефть, битуминозные пески и горючие сланцы вновь привлекают внимание, поскольку новые технологии обещают сделать их добычу менее затратной.

Кроме того, конкурируя с возобновляемыми источниками энергии за экологию, добывающие компании вынуждены искать устойчивые с природоохранной точки зрения методы извлечения нефтяных ресурсов. Одним из интересных подходов в области добычи нефти является преобразование солнечной энергии с помощью солнечных тепловых установок. [1]

Технический обзор

С первых дней возникновения нефтедобывающей промышленности инженеры стремились к увеличению продуктивности добычи геологических запасов нефти, используя технологии, известные как методы увеличения нефтеотдачи (МУН).

Обычно продуктивность добычи достигается повышением температуры (снижением вязкости нефти), закачкой воды или другой жидкости, или внедрением химических реагентов, чтобы вытеснить необходимую субстанцию.

На практике химикаты используются редко из-за высоких затрат и негативных экологических последствий. Почти во всех широко используемых методах МУН используется комбинация, в которой повышается температура пласта и закачивается вода, чтобы вытеснить нефтесодержащие жидкостные слои. Сочетание этих методов известно как термическое увеличение нефтеотдачи (ТМУН).

На рис. 1 показан основной рабочий процесс метода ТМУН, основанного на инжекции пара - наиболее распространенного способа в этом семействе методик.

Рис. 1. Схема закачки пара в скважину, согласно методу ТМУН. Пар нагнетается через одну скважину, разогревает и вытесняет нефть, которая выходит из другой скважины. Источник: Wikimedia Commons, United Staes DOE

На рисунке видно, что пар сначала закачивается в резервуар через нагнетательную скважину. Затем он передает нефти часть своей тепловой энергии, конденсируется и вытесняет ее.

Разогретая нефть выходит из соседней скважины на некотором расстоянии. Несмотря на то, что при организации такой системы необходимо преодолеть множество технических проблем, в данном контексте наибольший интерес вызывает производство пара.

Как правило, пар для ТМУН основан на сжигании природного газа. Интуитивно понятно, конечно, что выходящий из скважины попутный природный газ можно использовать, чтобы производить пар, однако на практике затраты на его обработку на месте оказываются слишком высоки, поэтому производственную площадку он обычно покидает в виде выведенного в сторону горящего факела, а технологический пар получается при сжигании газа, который подводится извне.

Этот газ из внешнего источника значительно увеличивает стоимость производства, не говоря уже о сильных выбросах углерода. По этой причине нефтяные компании заинтересованы в менее дорогостоящих источников пара для ТМУН.

Солнечно-термальная добыча нефти

Одним из решений, чтобы снизить стоимость производства пара для ТМУН, является тепловая энергия от Солнца. Тепловые установки преобразуют солнечное излучение в тепло, чтобы нагревать жидкий теплоноситель, пропуская его через теплообменник.

Солнечные установки для ТМУН имеют значительные экологические и экономические преимущества перед установками на основе газа. В частности, в процессе увеличения нефтеотдачи можно снизить выбросы углерода с 23,8 г CO₂/МДж с газовой установкой до 0,1 г CO₂/МДж, используя солнечное парогенераторное оборудование. [2,3]

С экономической точки зрения, установки на основе солнечной энергии после первоначальных инвестиций избавлены от высоких издержек производства, в отличие от установок на основе газа, и не подвержены рыночным колебаниям цен на природный газ. [4]

Хотя солнечные установки подвержены значительно более высоким начальным инвестиционным вложениям, сниженные эксплуатационные затраты делают солнечный ТМУН экономически жизнеспособным как в ближайшем будущем, так и в долгосрочной перспективе. В любом случае можно говорить о том, что солнечные установки ТМУН являются, по меньшей мере, такими же экономичными или даже несколько более выгодными, чем газовые установки.

Текущие реализации и ограничения

Если солнечный метод ТМУН обладает явными экологическими преимуществами и сопоставимыми экономическими затратами по сравнению с газовыми установками, возникает резонный вопрос: почему солнечный ТМУН до сих пор не распространен широко? Почему не каждая нефтяная компания использует этот подход?

Ответ сводится как к практическим возможностям солнечного ТМУН, а в действительности, к солнечной энергии в целом, так и к базовым реалиям нефтяной промышленности.

С практической стороны, постоянным недостатком солнечной энергии является ее неспособность стабильно производить энергию, за исключением определенных часов в регионах с высоким уровнем солнечного излучения.

Еще одним препятствием для нефтяных компаний, чтобы внедрить эту технологию, являются чрезвычайно высокие начальные капиталовложения.

В такой бурной сфере, как нефтяная промышленность, компании устали вкладывать огромные суммы в проекты, которые смогут в ближайшем будущем обеспечить только номинальное экономическое преимущество. Реальные экономические выгоды солнечного ТМУН находятся в долгосрочном временном горизонте.

В настоящее время существует два конкурирующих проекта для увеличения коэффициента извлечения нефти (КИН) на основе солнечной энергии, которые были доведены до практической реализации.

BrightSource Energy разработала конструкцию солнечной башни и совместно с Chevron реализовала опытный проект вблизи Коалинга, Калифорния, с которого часть пара направляется на нефтяное месторождение.

GlassPoint Solar, проектная фирма, создала конструкцию с концентрирующими солнечными желобами, расположенными в «теплице». Конструкция GlassPoints менее эффективна, чем у Brightsource, однако, стоит значительно дешевле. GlassPoint заключил партнерские отношения с Petroleum Development Oman для возведения такой теплицы на месторождении Amal в Омане. Установка была построена в конце 2012 года, и сегодня дает более 20% технологического пара.

Смотреть вперед

Экономическая целесообразность была и всегда будет основным фактором, определяющим добычу нефти. Просто экологических преимуществ недостаточно, и до тех пор, пока производители нефти не увидят в методах увеличения нефтеотдачи на основе солнечной энергии очевидную экономическую выгоду, по сравнению с газовыми методами, их использование не станет широкомасштабным явлением. Чтобы повсеместно внедрить эту технологию, еще многое предстоит сделать.

Источник:

Timothy Anderson. «Солнечная энергия и добыча нефти»

Ссылки:

[1] A. Kovscek, «Новые вызовы и возможное будущее для термически улучшенной добычи нефти», J. Petrol. Sci. Eng. 98-99, 130 (2012).

[2] A. R. Brandt и S. Unnasch, «Энергетическая интенсивность и выбросы парниковых газов от термического повышения нефтеотдачи», Energy Fuels 24, 4581 (2010).

[3] J. Sandler и другие, «Пар, генерируемый солнечной энергией для добычи нефти: моделирование пласта, экономический анализ и оценка жизненного цикла», Energy Convers. Manage. 77, 721 (2014).

[4] T. Anderson, «Экономический анализ повышения нефтеотдачи на основе солнечной энергии», One Petro SPE-173466-STU, 29 Oct 14.

[5] A. Agarwal и A. R. Kovscek, «Пар, генерируемый солнечной энергией для извлечения тяжелой нефти: сопряженный анализ геомеханического и пластового моделирования», One Petro SPE-165329-MS, 19 Apr 13.