将闲置油气井改造为可再生能源储存——南加州大学研究

南加州大学（USC）Iraj Ershaghi教授及其研究团队发现利用闲置油气井进行能源储存的方法——解决太阳能和风能发电的主要难题之一：储能。

Tech Briefs： 这个想法源自何处？

Ershaghi教授： 该国面临的主要问题是如何处理大量寿命终结、必须永久封堵的油气井。井封堵是所有油公司面临的重大问题。我说的是大公司——小公司有时无力承担封堵成本可能直接破产撤离，责任落到州政府，封堵成本巨大。

加州目前有37,000多口闲置井，全美超过一百万。我一直关注井封堵问题，思考工程界如何降低封堵成本、更有效实施。

一问题在于不当封堵井可能成为气体泄漏源。不仅因温室气体排放有害，若在废弃井上不知情建房，天然气渗入车库也绝非乐事。

我一直研究为何会发生此情况。一想法是或许封堵不当，或许用的水泥不合格。因此我部分兴趣在于如何更高效、负责任地封堵。许多情况下甚至难以定位废弃井，因封堵时切除井口套管使其隐蔽。

随后一家公司找到我们，有意与USC合作，看能否帮助解决可再生能源行业面临的重大问题——储能。他们印象中空油气储层或可作储存。我最初回应：别想了。向含氢碳储层注入含氧压缩空气不审慎。

我知道阿拉巴马州McIntosh的McIntosh电力公司钻探巨大地质盐构造——盐丘。他们在盐沉积中制造空腔储存压缩空气，利用能源过剩时存储，需要时释放压缩空气驱动涡轮发电。

虽加州无盐丘，但从地表到地下烃层，存在充满古老盐水的砂岩层。这些沉积物沉积于加州被水覆盖时期，故地质层水含盐。我们想到或许可用McIntosh方法，但将压缩空气储存于这些含盐水砂层。我院教员Jha博士计算：若能钻至4000英尺以下，在将闲置井改造为注入井的2000英尺半径范围内，可储存产生5-10兆瓦电力。加州井周围有许多英亩英尺此类层可用于大量储存。

加州法规要求公用事业公司在特定日期前提供大规模储能容量。这些公司依据立法授权苦苦挣扎，因指望电池技术，但目前电池技术尚不足以满足需求。这时我们意识到加州可行方案或可利用盐水层储存压缩空气。

我们听到油公司欢迎利用其部分井储能，因可获得碳负信用。加州要求碳中和——每生产一桶油，运营商须以某种方式证明在缓解CO₂问题。

我们正与一些表演示项目兴趣的运营商洽谈。

我和同事非常激动，认为这将变革性促进可再生能源进入加州能源市场。

Tech Briefs： 水泥相对于含水层放置在哪里？

Ershaghi教授： 典型井有系列管道通往烃层。闲置井中，水泥塞放在烃层上方。但表层套管可能在地表下50-70英尺处切除并回填。这有时成环境问题，需昂贵修复。

相反，我们建议方案不需切除井口。油气可能垂直地表下9000英尺，但地表下5000英尺左右可能有数百英尺含盐水砂岩。这些沉积物因盐水曾被忽视。

若太阳能产生过剩电力，能储存供夜间或停电时用将完美。我提议利用过剩电力驱动空气压缩机，将压缩空气注入含盐水砂岩储存。

我们类似水坝发电：水向下流经大坝释放势能推动涡轮。此场景中，压缩空气动能传递给水激活涡轮再发电机。需用储存能量时，压缩空气上升至地面加压水容器驱动涡轮。

此外，我们提议在现有井地表安装传感器，实时检测任何烃类泄漏。

因水低压缩性，地层储存压力可达3000 psi。生产几天压力急剧下降。降至如500 psi某水平，压缩机自动启动注入更多空气将压力恢复至3000 psi。

通过测量湿地沉积层厚度和面积，知体积可计算可储存多少空气转化为电力。计算显示这仅使电力成本增加几美分。

Tech Briefs： 能否详细解释空气与水间作用？

Ershaghi教授： 类似储存天然气。将气体注入油藏，气体推回原油，生产时再采出。就像溜溜球往返：注入再生产。

计算单口井可储存5-10兆瓦。乘以加州约37,000口闲置井，达吉瓦级别。这将成主要电力来源。州可自给自足，不再进口燃料。双赢因加州油气产量下降，电力需求不减。

假设我是油田运营商，有一千口井。可能知某部分储层枯竭。那些井不再产油具经济性。枯竭区可能有10-30口井。用这些轻松建100兆瓦设施。

此法美妙在于可用于美国大部分地区——不限产油区。

例如纽约虽无大规模油气生产，但泥盆纪页岩上方有水砂沉积可用。美国任何地方钻探深入，都能见盐水层。百万年前美国大部分被水道覆盖，故地下湿沉积物遍布。可能在从未产油气的州，地下仍有湿层。美国地质调查局有地图显示地下湿砂沉积位置。

Tech Briefs： 你提到加州这些砂层含盐水；必须是盐水才行吗？

Ershaghi教授： 鉴美许多地区面临淡水短缺，用地下淡水资源作此目的不佳。但钻得足够深，发现水大概率是盐水。

解释需简要地质课。若绘制过去3亿年地球温度图，显示地温时高时低。当地表大部分被水覆盖，经历冻融循环。逐渐分解岩层，碎屑物质累积。

岩石侵蚀形成沉积物随海平面上升饱和海水。故最深水沉积是盐水，而加州等地急需淡水较浅、通常雨水补给。

过去二十年有碳捕获封存努力。想法是二氧化碳过多就存入地下地质构造。但担心二氧化碳泄漏。我们提议储能概念也受益于此经验，因有大量地下CO₂封存研究建模。我们情况简单得多：地下储存空气，即使泄漏也无妨——只是给空气添空气，无二氧化碳、无毒燃料，只是空气。

目前人们不快建设可再生能源，因经济性不佳。事实是建设这些设施成本高，此时并非利用每千瓦发电量，无大规模储存显著部分电力可能浪费。

若想出储存电力并在需要时使用的方法，将解决重大经济问题。这将使可再生能源扩张更被投资者和社会大众接受。

Tech Briefs： 你基本说用现有技术但以更经济实用方式应用？

Ershaghi教授： 我认为贡献在于：一、经证实技术，人们在盐丘储存空气。我们首要贡献：不需盐丘——只要有盐水层即可。二、印象中这昂贵因需钻井。但我们证明可用注定封堵的现有井。这就是想法。本质上利用闲置井、盐水层，扩展技术广泛适用，同时降低州和公众井封堵成本责任。

Tech Briefs： 运行压缩机的能量损耗如何？

Ershaghi教授： 假设用100兆瓦太阳能源。将其转化为压缩空气，从能量平衡看，当然损耗能量。可能仅剩部分兆瓦可用。

但这是大自然规律。熵概念指做功过程中能量总损耗。这是研究领域：如何最小化损耗。

所以100兆瓦转化为压缩空气经储存过程返回，可能仅剩60兆瓦可用。但从100降到60总比完全无有用电力好。

Tech Briefs： 简述整体运作如何工作。

Ershaghi教授： 阿拉巴马设施为比较，用回流空气驱动压缩机。空气回流需加热膨胀才能用，需燃烧天然气产热。我们不需因用压缩机施压于水。是水压驱动涡轮。

Tech Briefs： 压缩空气如何将能量传递给涡轮？

Ershaghi教授： 需要时回流压缩空气来到地面，加压垂直高压容器中水。水压激活并驱动涡轮。发电动能来自压缩空气压力。

Tech Briefs： 建设这些系统的经济激励是什么？

Ershaghi教授： 首先，无需钻井和许可流程。加州大多油气土地是私有地。若我拥有私有地住宅所有权，意味拥有从地表到地心一切。若发现我土地下有油田，可租权给油公司。通常按月产量收入百分比形式。

大多油公司拥有土地为私有地。若我是运营商，拥有多口井部分无经济产出，这可成收入源。将废弃井转为储存，可向公用事业公司收取使用权费。运营商从不产油井获收入。同时运营商消除或推迟封堵成本。

这也可能成土地所有者新收入源：租赁地下权利给储存运营商。

公用事业公司会觉得值得，因可减少发电所需油气量。

Tech Briefs： 会有地下扰动吗，如压裂引发的？

Ershaghi教授： 很高兴你问此问题。国家资源委员会有报告总结压裂是否引起地震研究。结论：无证据表明压裂实践本身引起震颤。结论轻微地震由废弃井注入废液引起。持续注入这些流体加压砂层，改变地下应力场。

Tech Briefs： 下一步计划？

Ershaghi教授： 将有示范项目，由公用事业或油公司资助。预计明年秋天前有场地。已确定一些理想演示场地。5兆瓦发电设施含油水相互作用进一步研究可能耗资2200万美元。也将研究新材料，可能新管材、复合材料、不同水泥。团队含电气工程师、地下水研究科学家、水文地质学家、储层工程师、复合材料工程师优化系统。此外研究场地特征，不仅地质适宜也考虑靠近电网。还拟应用数字技术场地监测。

本访谈编辑版刊登于2021年2月《Tech Briefs》期刊。