分布式温度传感(DTS)在地热能中的应用

成功和可靠的EGS操作是改进地下可视化的关键。光纤分布式温度传感(Distributed Temperature Sensing,DTS)可以在压裂作业和生产过程中实现地下可视化和对裂缝分布的观测。

  在传统意义上,地热能发电厂仅限于在构造板块的边缘,但增强型地热系统(Enhanced Aeothermal Systems,EGS)的最新进展大大扩展了其地理范围。

  成功和可靠的EGS操作是改进地下可视化的关键。光纤分布式温度传感(Distributed Temperature Sensing,DTS)可以在压裂作业和生产过程中实现地下可视化和对裂缝分布的观测。相同的DTS系统可用于对油藏特征的描述和管理、生产优化、地表和地下完整性监测、流体注入和短路监测等。

  本文概述了地热能技术和DTS技术,并讨论了DTS在地热发电中的应用。

  地热能技术

  传统意义上,地热发电厂位于构造板块的附近,一般在构造板块的表面可以看到温泉和其他热活动迹象。然而,EGS可用于处在合理深度的热岩区域,4-6公里的井深可使EGS在许多地方通过钻井进入地下热岩;然后注入流体,通过与热岩接触加热,并将其移除以驱动地表涡轮机

分布式温度传感(DTS)在地热能中的应用

资料图 处在构造板块的温泉

  地热能是储存在地下的热能,可用作蒸汽或热水,通过蒸汽轮机的各种转换技术将其转换成电能。使用热水热源的转换设备必须将液体膨胀成高压蒸汽/蒸汽形式,然后用于机械能转动发电机涡轮发电。因为地热发电厂利用地球上自然加热的水来产生蒸汽,因此不需要燃烧任何化石燃料来发电。

  目前,有三种不同类型的地热能转换技术:干蒸汽、闪蒸和二元型。地热发电厂通常只使用其中一种或两种技术的组合。一般所用转换技术类型取决于流体(蒸汽或水)的状态及其温度。干蒸汽发电厂使用直接的地热蒸汽。闪蒸蒸汽是发电厂最常见的转换技术,通常要求在350°F-500°F范围内的资源温度。二元循环发电厂主要使用165°F至350°F的热流体。

  为了使EGS高效运行并提供具有价格竞争力的电力,需要管理井内的许多参数和条件,因为电厂的效率直接关系到可从储层中回收的热能量。地下储层必须能够在资源使用寿命内提供足够数量的优质地热流体。注入井和生产井之间的裂缝网络必须是可用的,或者必须通过水力压裂热岩来建立。

  重新注入生产的地热流体以维持储层压力并延长储层的使用寿命,因此,了解注入流体在注入井中的位置以及地热流体在生产井中的位置至关重要。喷射器和生产井之间还需要有大体积的裂缝网络,以便流体在从喷射器迁移到生产井时吸收最大的热量。

  光纤DTS技术

  基于光纤的分布式温度传感(DTS)系统由包含一个或多个激光器的DTS单元、一个光接收器、一个数据处理模块和一个长达20公里的光纤探头组成。

分布式温度传感(DTS)在地热能中的应用

资料图 便携式DTS系统

  当一个非常短的激光脉冲发射到光纤中时,脉冲将沿着光纤的长度传播,它与光纤内的熔融石英相互作用。这种作用使光沿着光纤的全长从每一点散射回光接收器。由于光纤中熔融石英玻璃的振动模式,拉曼散射将发射光脉冲的一小部分功率转换为频移斯托克斯和反斯托克斯分量,以此计算每个采样点的温度。

  拉曼的DTS是最常见的分布式监测技术,广泛应用于石油和天然气、电力公用事业、火灾探测和许多其他工业应用。地热井的地下条件非常类似于重油应用中遇到的地下条件,其中高温蒸汽被注入焦油砂储层以使油被提取。 

  DTS系统可与其他传感器(如压力表)结合使用,以提供更全面的数据集。光纤传感器可在高达570°F的温度下提供可靠的地下/井下作业; 其他类型的电子产品在250°F-350°F左右的温度下会出现可靠性和使用寿命问题。

  地热能应用中的DTS技术

分布式温度传感(DTS)在地热能中的应用

  有充分的证据表明,在勘探和生产过程中,改进地下可视化可使EGS操作更成功。光纤传感可以实时监测地下温度和压力,这些信息可用于:

  通过测量分布温度和点压力,或测量在油井底测量的压力,来估算新油井中或新油井之间的生产潜力。当操作员打开表面的水龙头,并让井内的流体流动时,井底压力将发生变化,该压力相对于表面压力或流量变化的变化速率,将允许计算储层尺寸、井间的流动阻力、钻井引起的井筒损坏、压裂作业的有效性以及完井。

  监测增产压裂过程中的裂缝发育情况。钻井时,破碎的岩石碎片通过钻井泥浆循环到地面。虽然钻井泥浆经过优化,可以尽可能地将岩石和岩屑从井内提出来,但它可能堵塞岩石中的孔隙,抑制流体流动。为了清除钻井泥浆残渣,可以注入酸或其他液体,这一过程称为增产。当新的裂缝打开时,DTS可以检测流体流动时的温度变化来填充体积。

  监测压裂作业期间或之后的化学注入,确定处理过程中化学物质的流向,以及哪些区域和裂缝吸收了化学物质。

  监测表面和地下的积垢和化学清理。水垢是由于水压和温度的变化而从地热流体中沉淀下来的矿物残留物,会在管壁上堆积,随着时间的推移,会形成一层厚厚的绝缘层,限制水流,并可能堵塞管道。向管道中注入化学物质,以除去积聚的水垢。通过了解扩展的严重程度,运营商可以更好地考虑哪些缓解方案最适合,并尽量减少使用昂贵的化学品。

  对注入井和生产井进行永久性监测,以确定产生流体的特定区域和裂缝,而且短路很容易被检测到并减轻。

  对套管和油管泄漏进行完整性监测,以避免污染地下水和地下含水层。

  通过将温度数据与地下点压力数据相结合,油藏工程师可以更新资产模型,优化地热发电厂的效率。也可以添加DTS通道来监视地面进程、工厂内部进程以及离开工厂的传输线。通常将电力电缆(输电线路)的容量降低到70%–75%,以避免电缆过热。因为过热电力电缆会缩短其使用寿命,在某些情况下会导致系统故障,从而导致收入和基础设施损失。使用DTS系统可以检测到由热点引起的局部过热,并减轻热点。最后,监测电力电缆中的温度分布可使负荷利用率达到95%-100%。精心设计DTS监控技术能使地热发电厂的运营支出和资本支出大幅节省。

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