问答：用于储能的油气井

南加州大学 (USC) 的 Iraj Ershaghi 教授和一组研究人员找到了一种利用闲置油气井进行储能的方法——这是太阳能和风能发电的主要问题之一。

技术简介： 这个想法从何而来？

Iraj Ershaghi 教授： 这个国家的一个主要问题是如何处理大量已达到其生产寿命并不得不永久废弃的油气井。弃井是所有石油公司面临的主要问题。我说的是大公司——有时无力支付放弃成本的小型公司可能会宣布破产并走开。然后它变成了国家的责任，放弃的成本可能是巨大的。

加利福尼亚州目前有 37,000 多座井闲置，而在整个美国，您所说的超过 100 万座。我一直对废弃井的问题有些兴趣，并思考工程界可以做些什么来降低废弃成本并更有效地做到这一点。

一个问题是，当您不当弃井时，它可能成为气体泄漏的来源。这不仅因为它对温室气体的贡献而有害，而且在不知不觉中在一口废弃的井上盖房子然后经历气体泄漏到车库中也不是一件有趣的事情。

我一直在研究为什么会这样的问题。我的一个想法是，也许它没有被妥善丢弃，也许他们使用的水泥不合适。因此，我的部分兴趣在于如何更有效、更负责任地做到这一点。在许多情况下，甚至很难找到一口废弃的井，因为当有人废弃它时，他们会切断井口套管以便将其隐藏起来。

然后一家公司找到我们，说他们有兴趣与南加州大学合作，看看我们是否可以帮助他们解决可再生能源行业面临的一个重大问题——储能。他们的印象是，也许空的油气藏可以用作储存。我的第一反应是：别想了。向油气藏注入压缩空气和氧气是不明智的。

我知道阿拉巴马州麦金托什的麦金托什电力公司已经钻入了巨大的由盐制成的地质结构，称为盐丘。当能源产生多余的不需要的电力时，他们在这些盐沉积物中制造了空腔来储存压缩空气。当他们需要使用储存的能量时，他们会释放压缩空气来驱动涡轮机发电。

虽然我们在加利福尼亚没有盐丘，但我们知道，当你从地表一直到地下碳氢化合物带时，会有一层层充满古老咸水的砂岩。这些是在加利福尼亚被水覆盖时沉积的沉积物，因此这些地质层的含水量是咸的。我们的想法是，也许我们可以使用 McIntosh 方法，但将压缩空气储存在这些含盐水的砂沉积物中。我们的一位教员 Jha 博士计算出，如果你能下到 4000 英尺以下，你就可以有足够的存储空间在一个被改造成注入井的闲置井周围 2000 英尺半径范围内产生 5 到 10 兆瓦的电力。加利福尼亚的井周围有许多英亩英尺的层，可用于大量储存。

加利福尼亚州的法规要求公用事业公司在特定日期之前提供大容量储能。这项立法授权下的公用事业公司正在苦苦挣扎，因为他们指望电池，而截至目前，电池技术还不足以满足这一需求。就在那时，我们意识到加利福尼亚一个可行的解决方案可能是使用含盐含水层来储存压缩空气。

我们从石油公司那里听说，他们会欢迎将他们的一些油井用于储能，因为这会给他们带来碳负信用。在加利福尼亚，您必须做到碳中和——对于他们生产的每一桶石油，运营商必须以某种方式表明他们正在缓解二氧化碳问题。

我们现在正在与一些表现出有兴趣将闲置井用于示范项目的运营商进行交流。

我和我的同事们非常高兴地认为，这将为促进可再生能源并将其带入加州能源市场带来变革。

技术简介： 相对于含水层，您将水泥放在哪里？

厄沙吉教授： 一口典型的井有一系列通向碳氢化合物沉积物的管道。在闲置井中，在烃层上方放置一个水泥塞。然而，地表套管可能会在地表以下 50 或 70 英尺处被切断并填充。这有时会成为环境问题，需要进行昂贵的修复。

另一方面，我们提出了一种不需要切割井口的解决方案。石油和天然气可能在地表以下垂直 9000 英尺，但可能有数百英尺含盐水的砂岩，可能在地表以下 5000 英尺。这些沉积物以前因为咸水而被忽略了。

如果太阳能产生多余的电力，如果可以将其储存起来以供夜间使用或在停电时提供电力，那将是完美的。我的建议是储存多余的电力，以备以后需要时使用，通过它来运行空气压缩机。然后将压缩空气注入含盐水砂岩中。

我们做一些类似于水坝的事情，在那里你可以发电，因为水通过向下流过水坝并转动涡轮机来释放其势能。在这种情况下，压缩空气的动能被传递给水，从而为涡轮机和发电机供电。当需要储存的能量时，加压空气会上升到地表并加压水容器以运行涡轮机。

此外，我们建议在现有井的表面放置传感器，以便我们也能够实时检测任何碳氢化合物泄漏。

因为水具有低压缩性，其储存的形成压力可以是例如每平方英寸 3000 磅。当你用它生产几天时，压力下降得非常快。当压力下降到一定水平时，比如 500 psi，压缩机会自动启动，通过注入更多空气将压力恢复到 3000 psi。

通过测量湿地沉积物的厚度和面积，我们可以知道体积，并可以计算出一个人可以储存多少空气来转化为电能。我们的计算表明，这只会增加几美分的电费。

技术简介： 你能解释一下空气和水之间的作用吗？

厄沙吉教授： 这类似于我们储存天然气时所做的事情。您将天然气储存在油藏中。当你注入气体时，它会将石油推回，当你生产时，你就会生产。这就像一个来回的悠悠球：注入然后产生。

我们已经计算出每口井可以储存 5 到 10 兆瓦。将其乘以加利福尼亚大约 37,000 口闲置井，您就有了千兆瓦。这将是一个主要的电力来源。国家可以自给自足，不再需要进口燃料。这将是双赢的，因为加利福尼亚的石油和天然气产量正在下降，而对电力的需求却没有任何变化。

假设我是一名油田操作员，我可能有一千口井。我可能知道水库的某个部分已经耗尽。这些油井将不再能够生产足够的石油来使它们在经济上可行。在那个枯竭区域可能有 10 到 30 口井。有了这些，您就可以轻松建造一个 100 兆瓦的设施。

这种方法的美妙之处在于它可以在美国大部分地区使用——它不仅限于产油区。

例如，在纽约，虽然没有大规模的石油和天然气生产，但在泥盆系页岩上方确实有水砂矿床，可以使用。在美国的任何地方，当您向下钻探时，您都会看到含盐含水层。一百万年前，美国的大部分地区都被水道覆盖，所以现在到处都是湿沉积物。你可能处于一个从未产生一滴石油或天然气的状态，但它仍然会在地下有这些潮湿的层。美国地质调查局的地图可以显示地下湿沙沉积的位置。

技术简介： 你提到在加利福尼亚，这些沙子含有盐水；它必须是生理盐水才能起作用吗？

厄沙吉教授： 由于我们在美国许多地方都面临淡水短缺问题，为此目的使用地下淡水资源并不是一个好主意。但是，如果我们走得足够深，我们发现的任何水都可能是咸水。

这个解释需要一个简短的地质学课程。如果你绘制过去 3 亿年的地球温度，基本上，它表明地球的温度有时非常高，有时非常低。当地球的大部分表面被水覆盖时，它会经历冰冻和融化的时期。这逐渐破坏了岩层区域，并积累了碎屑。

随着海洋的上升，岩石侵蚀形成的沉积物被海水饱和。这就是为什么最深的水沉积物是咸水，而像加利福尼亚这样的地方急需的淡水却要浅得多，而且通常会用雨水来补充。

如您所知，在过去的二十年里，人们一直在努力进行碳捕获和封存。这个想法是，如果你有太多的二氧化碳，你只需将其储存在地下地质构造中。但人们一直担心二氧化碳泄漏。因此，在我们提出的储能概念中，我们也从这种经验中受益，因为有很多关于地下二氧化碳封存的研究和建模。我们的情况要简单得多，因为如果你将空气储存在地下，即使它泄漏了，谁在乎 - 你只是在空气中添加更多的空气，没有二氧化碳，没有有毒燃料，它只是空气。

目前，人们没有尽快建设可再生能源的原因是经济状况不佳。事实是，建造这些设施需要花费大量资金，而且此时您并没有使用所产生的每一千瓦，如果没有大规模存储，这些电力的很大一部分可能会被浪费掉。

所以，如果你想出一种方法来储存电力，然后在需要时使用它，你将解决一个重大的经济问题。这将使可再生能源的扩张更容易为投资者和整个社会所接受。

技术简介： 您基本上是在说您正在使用现有技术，但以一种更经济、更有用的方式应用它？

厄沙吉教授： 我认为我们的贡献更多如下。第一，这是一项经过验证的技术，人们将空气储存在盐丘中。我们的第一个贡献是你不需要盐丘——只要你有一个盐水含水层，就可以完成这项工作。第二，给人的印象是这很昂贵，因为你必须打井。但我们已经证明，我们可以使用注定要废弃的现有油井。这就是想法。因此，本质上是利用闲置井，使用含盐含水层，并扩大技术以使其广泛可用，同时减少国家和公众对废弃井成本的责任。

技术简介： 运行压缩机的能量损失如何？

厄沙吉教授： 假设您使用的是一百兆瓦的太阳能源。当你用那一百兆瓦来生产压缩空气时，如果你看一下能量平衡，当然，你会失去能量。因此，您可能拥有可用兆瓦的一小部分。

但这就是大自然。熵的概念是能量总是在任何完成工作的过程中丢失。这是一个研究领域：如何将损失降到最低。

因此，在将 100 兆瓦转换为压缩空气并通过存储过程并返回之后，您可能只有 60 兆瓦可用。但是从 100 降到 60 总比不产生任何有用的能量要好。

技术简介： 您能否简要描述一下整体操作的运作方式。

厄沙吉教授： 在阿拉巴马州的工厂，为了进行比较，他们使用回风来转动压缩机。当空气回来时，它必须被加热膨胀，这样他们才能使用它。如果你这样做，你需要燃烧天然气来产生热量。我们不需要它，因为我们使用压缩机对水施加压力。驱动涡轮的是水压。

技术简介： 压缩空气如何将其能量传递给涡轮机？

厄沙吉教授： 返回的压缩空气在需要时到达地面，并对高压垂直容器中的水进行加压。水压启动并运行涡轮机。发电的动能来自压缩空气的压力。

技术简介： 建立这些系统的经济动机是什么？

厄沙吉教授： 首先，我们不必钻井并通过许可程序。在加利福尼亚州，大部分石油和天然气用地都是收费用地。如果我拥有收费土地上的房屋的所有权，那意味着我拥有从地表一直到地球中心的一切。如果事实证明我的土地下面有一个油田，我可以将我的权利出租给一家石油公司。这通常以每月生产的收入的百分比形式出现。

大多数石油公司拥有的土地是收费土地。因此，如果我是一名经营者，拥有许多井，其中一些井在经济上是非生产性的，那么这可能是一种收入来源。如果我将那些废弃的水井变成储存设施，我可以向公用事业公司收取使用它们的权利。然后，运营商将从这些非生产井中获得收入来源。同时，运营商消除或推迟了废弃成本。

这也可能成为土地所有者的新收入来源：将他们的地下权利出租给存储运营商。

公用事业公司会发现这是值得的，因为它们可以减少发电所需的石油和天然气量。

技术简介： 会不会有地下干扰，例如水力压裂时发生的情况？

厄沙吉教授： 我很高兴你问了这个问题。国家资源委员会有一份报告总结了关于水力压裂是否引起地球震动的问题的研究。他们的结论是，没有证据表明水力压裂的实际做法引起了震颤。他们得出的结论是，小地震是由泵入处理井的废液引起的。不断添加这些流体对砂土加压，从而改变地下应力场。

技术简介： 您的下一步是什么？

厄沙吉教授： 我们将有一个示范项目，由公用事业公司或石油公司资助。我希望明年秋天我们可以有一个网站。我们已经确定了一些理想的站点，至少对于演示而言。一个 5 兆瓦的发电设施可能需要 2200 万美元，包括对油和水相互作用的进一步研究。我们还将研究新材料，可能会放入新的管道，可能会使用复合材料，不同类型的水泥。我们的团队包括电气工程师、地下水研究科学家、水文学家、水库工程师和复合工程师，他们将致力于优化系统。此外，我们将研究场地特征，不仅是为了适当的地质，而且是为了接近电网。我们还打算将数字技术应用于现场监控。

本次采访的编辑版本出现在 2021 年 2 月的《技术简报》中。