李克文教授团队：油田区地热发电工程基础与应用

随着石油日益减少，废弃油田利用成为了一个极其重要的问题。传统的油田开采模式中，最后一步通常是报废油井或者整个油田。然而，废弃油田仍然蕴藏着巨大的能源资源，如果没有得到充分利用，甚至会对城市经济和社会造成极大的挑战和危害。为了解决这个问题，作者及其团队在过去十多年中，一直致力于废弃油田利用方面的研究，并取得了许多有价值的技术成果。这些成果包括废弃油藏的地热资源化利用、原油纳米催化裂解降黏与升温增产技术、先进的热伏发电技术以及油热电联产理论和方法等。这些技术和方法不仅可以使老油田焕发青春，使石油城可持续发展，而且也有利于国家目前提出的碳达峰、碳中和“双碳”政策的落实和顺利实现。

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旨在通过总结、分析国内外近十年来在油田地热工程与地热发电方面的科研成果，提供切合实际的地热资源评价方法、地热发电工程设计理论和有关实用技术。本书首先介绍与油田地热发电工程有关的基础知识，然后论述热储（油层）温度的变化规律，常规地热资源及油田区地热资源的评价方法，介绍油田区地热开发数值模拟的基本原理、过程、方法及有关注意事项。最后，介绍地热发电的常规方法与技术，适合于油田区的中低温地热发电先进技术。本书是一本以油田地热发电工程基础与应用为主要内容的工业技术书籍。作者及其团队的有关研究成果及总结的国内外地热发电新技术对今后地热发电，特别是油田区地热发电的发展具有重要的指导及参考意义。

李克文

李克文，教授、博士生导师。历任美国斯坦福大学能源资源工程系资深研究员、长江大学“楚天学者”特聘教授、中国石油勘探开发研究院开发实验中心主任、北京大学教授，现任中国地质大学(北京)教授。曾任 Society of Petroleum Engineers ReservoirEvaluation & Engineering(石油工程领域国际权威杂志)副主编、国际岩心分析家协会技术委员会委员，目前担任国家地热能中心学术委员会委员、International Journal ofPetroleum Science and Technology(《国际石油科学与技术》)杂志理事，以及 Society ofPetroleum Engineers Journal(《美国石油工程师协会杂志》)、Geothermics(《地热学》)、Transport in Porous Media(《多孔介质渗流》)、Journal of Petroleum Science andEngineering(《石油科学与工程杂志》)、Energy and Fuels(《能源和燃料》)等多个国际专业期刊的技术编辑等。公开发表论文 100 余篇，其中 SCI 收录论文 80 篇，专著 3 本，并拥有 10 多项专利。2018 年获国家能源局软科学研究成果二等奖，2015 年获选第二批国土资源科技领军人才，2003 年荣获美国石油工程师协会(Society of PetroleumEngineers, SPE)杰出编辑奖，2002 年、2005 年、2006 年、2012 年及 2013 年 5 次荣获美国地热资源委员会地热国际年会的最佳论文奖，1998 年获得国际岩心分析家协会授予的终身会员奖，1995 年被评为中国石油天然气总公司跨世纪学科带头人。李克文教授是国际上从事气润湿反转技术提高采收率的学术创始人，建立了基于流体流动规律的产量预测新方法，有关公式以李克文教授的名字命名。李克文教授还提出了开发废弃油井(油田)的油热电联产新理论和新方法。多年来，李克文教授主持过国内外多项重大科研项目，在热储工程、干热岩、地热增强系统、油气田伴生地热工程、中低温地热发电，尤其是热伏发电方面取得了多项突破性的重要成果，是地热工程与油气田开发领域的国际知名专家。

部分科研成果

作者长期从事油田地热发电相关的科研工作，曾于2008年提出了油热电联产的新概念和新技术，建立了废弃油井油热电联产的流程（图1）。

图1 废弃井改造成地热井的示意图

此外，团队已合作研发热伏发电技术近10年，具有完备的实验室设备和专业化人才队伍，生产了市场上最大的热伏发电片（温差发电片）：8*8cm（图2）。利用自主研发的热伏发电芯片进行发电和工业化试验（图3），分别应用在废弃工业余热和地热井（图4）中，取得了非常理想的效果。

图2 自主研发的热伏发电芯片

图3 热伏发电技术工业余热利用

图4 热伏发电技术地热井中应用

实验室设备

团队所在的油气田地热开发实验室采用购买与研发相结合的方式，已拥有部分先进的、各具特色的仪器和设备。部分装置设备的有关照片如下（图5、6）。

（a）高压平流泵（120 MPa）

（b）装置相片

图5 高温高压低渗透注气开发实验装置图

原油催化裂解实验装置。反应系统主要包括两个不锈钢反应釜，容积为90mL，最高承受温度为300℃，耐压为30MPa，相关装置照片如下：

图6 原油催化裂解实验装置图

团队介绍

项目团队具有完备的实验室设备和专业化人才队伍，团队负责人李克文，中国地质大学（北京）教授，历任中石油勘探开发研究院原油层物理中心主任、北京大学教授、长江大学“楚天学者”特聘教授、美国斯坦福大学地热研究中心资深研究员。核心成员主要为中国地质大学（北京）7名博士和4名硕士，申请相关专利15项，11项已取得授权，发表数十篇国际SCI论文，团队获得“摇篮杯”创业大赛金奖、“互联网+”创业大赛北京市三等奖、雄安新区“智绘未来”创业大赛优秀奖。

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油田区地热发电工程基础与应用

Engineering Fundamentals and Applicationsof Geothermal Power Generation in Oilfield Areas

李克文，张金川，贾霖 著

ISBN 978-7-03-073987-2

责任编辑：刘翠娜 李亚佩

内容简介

本书主要介绍与油田区地热发电工程有关的基础知识及相关的实用技术，包括与热储有关的基本概念，常规地热资源及油田区地热资源的评价方法，油田区地热开发的数值模拟，油田区热储温度的变化规律，提高油田区地热流体温度的原油裂解与亚燃烧技术、地热发电方法与技术，油田区地热发电的优势及地热发电成本与效率分析等。本书内容丰富，既有油田区地热发电工程的基础知识，又有相应的工程知识与先进的中低温地热发电实用技术，包括热伏（半导体温差）发电技术的基本原理与现场先导性应用实例；既有国内外的最新进展，又有作者及其团队多年的研究成果。

目录速览

前言
第1章　绪论
第2章　地热工程基础及常用基本概念
2.1　简介
2.2　岩石与流体的基本概念
2.2.1　孔隙度
2.2.2　润湿性
2.2.3　毛管压力
2.2.4　相对渗透率
2.2.5　双重介质
2.3　热储的基本概念
2.3.1　水热型地热资源
2.3.2　干热型地热资源
2.3.3　增强型地热系统
2.3.4　传导型地热系统
2.3.5　对流型地热系统
2.3.6　地热温标
2.3.7　地表地热显示
2.3.8　地热异常（区）
2.4小结
参考文献
第3章　主要油田区热储温度的变化规律和地热资源量
3.1　简介
3.2　原始地层（热储）温度的影响因素
3.2.1　地壳厚度
3.2.2　断层与裂缝
3.2.3　基底起伏
3.2.4　盖层
3.2.5　岩浆活动
3.2.6　岩性
3.2.7　岩石放射性
3.3　原始地层温度的预测方法
3.3.1　地热温标法
3.3.2　钻孔测温法
3.3.3　Lachenbruch和Brewer方法
3.3.4　Horner方法及其改进方法
3.4　中国主要油田区储层温度的变化规律与热储特征
3.4.1　华北油田
3.4.2　大庆油田
3.4.3　辽河油田
3.4.4　胜利油田
3.4.5　中国主要盆地的地温梯度
3.4.6　中国主要油田的地热资源
3.5小结
参考文献
第4章　地热资源评价方法
4.1　前言
4.2　地热资源的计算与评价方法
4.2.1　地热资源量计算
4.2.2　地热水资源计算
4.2.3　地热资源评价方法的优缺点分析
4.3　油田伴生地热资源的计算方法改进
4.3.1　计算方法1（常规地热田标准方法）
4.3.2　计算方法2（油田伴生地热：考虑油气水饱和度）
4.3.3　计算方法3（油田伴生地热：考虑油气水饱和度及其变化）
4.3.4　地热资源量计算结果及评价
4.4　地热资源评价软件
4.5　小结
参考文献
第5章　地热开发的数值模拟
5.1　简介
5.2　数值模拟基本理论与常用软件
5.2.1　连续介质假设
5.2.2　流动方程
5.2.3　热量运移方程及温度场控制方程
5.2.4　常用数值模拟软件
5.3　数值模拟过程与方法
5.3.1　数值模拟过程与步骤
5.3.2　地质概念模型和网格设计
5.3.3　参数赋值
5.3.4　边界配置
5.3.5　数值模拟的一些注意事项
5.4　不需要输入相对渗透率实验数据的数值模拟方法
5.4.1　数值模拟的不确定性和存在的问题
5.4.2　利用毛管压力计算相对渗透率的方法
5.4.3　不需要输入相对渗透率实验数据的数值模拟方法及验证
5.4.4　饱和度函数输入方法分析与讨论
5.5　热储数值模拟实例
5.5.1　留北区块油田伴生地热数值模拟的目的和任务
5.5.2　数值模拟方案的设置
5.5.3　生产数据及井温等数据的历史拟合
5.5.4　数值模拟结果
5.6　小结
参考文献
第6章　亚燃烧理论与技术
6.1　简介
6.2　火烧油层提高采收率的基本原理
6.2.1　火烧油层方法的基本概念
6.2.2　催化裂解的三个反应阶段
6.2.3　催化剂的作用
6.3　亚燃烧的基本原理
6.3.1　亚燃烧方法的基本概念
6.3.2　亚燃烧的机理
6.4　高压注空气的燃烧实验
6.4.1　高压注空气燃烧实验装置
6.4.2　催化剂对不同原油的催化裂解作用
6.4.3　催化剂和高岭土协同作用下的催化裂解效果
6.4.4　催化剂加入方式的对比实验
6.5　微波辅助加热的亚燃烧实验
6.5.1　微波辅助加热的原理与优势
6.5.2　微波辅助加热提高原油采收率的研究概况
6.5.3　微波辅助稠油裂解降黏的实验装置与实验步骤
6.5.4　催化剂种类对微波辅助稠油裂解降黏效果的影响
6.5.5　微波辅助稠油裂解降黏的规律与机理
6.6小结
参考文献
第7章　储层改造技术的理论基础
7.1　简介
7.2　热储岩石力学与水力压裂裂缝扩展
7.2.1　地应力对水力压裂的影响
7.2.2　储层岩石变形对水力压裂裂缝的影响
7.2.3　水力压裂裂缝扩展方式对地热开发的影响
7.2.4　温度对岩石力学性质的影响
7.3　热储压裂液
7.4　压裂裂缝单层支撑剂嵌入理论
7.4.1　闭合压力对单侧缝宽减小量的影响
7.4.2　支撑剂直径对单侧缝宽减小量的影响
7.4.3　支撑剂弹性模量对单侧缝宽减小量的影响
7.4.4　储层弹性模量对单侧缝宽减小量的影响
7.4.5　弹性模量差对单侧缝宽减小量的影响
7.5　支撑剂挤压变形理论
7.6　压裂裂缝多层支撑剂嵌入理论
7.6.1　支撑剂嵌入深度理论计算
7.6.2　支撑剂嵌入量实验拟合
7.7　考虑支撑剂变形和嵌入的裂缝导流能力理论
7.7.1　裂缝导流能力理论计算
7.7.2　裂缝导流能力实验拟合
7.8　小结
参考文献
第8章　油热电联产理论与方法
8.1　简介
8.2　油热电联产理论
8.2.1　油热电联产的基本概念
8.2.2　油田区开发利用地热的优势
8.2.3　油热电联产的基本理论
8.2.4　原油生产与地热开发的异同
8.3　提高产能的方法与措施
8.3.1　压裂提液方法
8.3.2　压裂提液对产液量的影响
8.3.3　压裂提液对产液温度的影响
8.4　油热电联产技术的产能分析
8.4.1　曙光油田的地质背景
8.4.2　油热电联产的产能计算
8.4.3　油热电联产的产能分析
8.5　油热电联产方法与综合利用
8.5.1　油热电联产流程
8.5.2　油井改造成油热电联产井技术
8.5.3　热能的梯级与综合利用
8.6　油热电联产过程的数值模拟
8.6.1　高压注空气数值模拟的数值模型
8.6.2　井筒换热模型的描述
8.6.3　油热电联产中生产井的模型
8.6.4　油热电联产过程中的温度变化规律
8.7　油热电联产过程中热伏发电的设计与应用
8.7.1　油管结构的改进与热伏发电装置的安装方式
8.7.2　油管外壁热伏发电装置的温度与电压分布
8.7.3　井下换热热伏发电一体化系统的发电功率
8.8　小结
参考文献
第9章　地热发电方法与技术
9.1　简介
9.1.1　概述
9.1.2　地热发电现状
9.1.3　中低温地热发电的可行性
9.2　常规地热发电方法与技术
9.2.1　干蒸汽发电
9.2.2　闪蒸发电
9.2.3　双工质发电
9.2.4　全流发电
9.2.5　复合发电
9.3　热伏发电原理
9.3.1　热伏发电的基本概念
9.3.2　塞贝克效应
9.3.3　佩尔捷效应
9.3.4　汤姆孙效应
9.3.5　热电效应的相互关系：开尔文定律
9.3.6　三种热电效应的应用情况
9.4　热伏发电芯片的结构与数值模拟
9.4.1　热伏发电芯片的结构
9.4.2　芯片的数值模拟
9.4.3　热伏发电芯片的实验测试
9.4.4　数值模拟结果的验证与边界条件的确定
9.4.5　芯片电压、功率的敏感性分析
9.4.6　新型热伏发电芯片
9.5　热伏发电系统
9.5.1　热伏发电系统的结构与测试装置
9.5.2　热伏发电系统的实验测试
9.5.3　热伏发电系统的现场应用
9.6　热伏发电技术与其他发电技术的比较
9.6.1　与传统汽轮机发电技术相比，热伏发电技术的优点
9.6.2　与光伏和风力发电技术相比，热伏发电技术的优点
9.6.3　热伏发电技术的缺点
9.7　小结
参考文献

（本期编辑：王芳）

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