CN111456918A - 一种基于油气钻井的大规模井筒储能*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于油气钻井的大规模井筒储能***，所述井筒储能***外联可再生能源发电装置和外部电网，所述***包括集中控制装置和多个储能单元；所述每个储能单元包括油气直井井筒、储能配重体、配重钢索和能量转换装置；所述储能配重***于所述井筒内部；所述能量转换装置用于电能与储能配重体的重力势能的相互转换；所述集中控制装置通过控制每个储能单元的能量转换装置调配对应的储能单元的储能。本发明提供的储能***具有储能水平高、简单、反应快、寿命长、受地域和气候影响小、可规模化等优点，保障了风能发电厂或者太阳能发电厂对外电网进行平稳输出。

Description

一种基于油气钻井的大规模井筒储能***
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种基于油气钻井的大规模井筒储能的***。
背景技术
电力***供需要求实时平衡，电力***的这种特性要求***的供给和需求有足够大的灵活度，能够通过不断的调节来实现双方的匹配。近些年，随着可再生能源，尤其是风力发电和光伏发电的大规模接入，***的灵活度日益枯竭，由于电力***调节能力不足、网络条件约束或者需求不足导致的弃风、弃光现象非常频繁，极大地制约了可再生能源的进一步发展。在这样的背景下，储能的意义逐渐凸显出来。
目前主要常用的储能方式为抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、锂离子电池和全钒液流电池等。但这些方法都存在着地域、反应时间、储能规模和寿命等应用局限。
随着钻井技术的发展和成本的降低，利用井筒进行配重储能成为可能。
国内已有利用矿井井筒重物储能的相关研究，但是，矿井最大的缺点是井筒较浅，垂深基本都在1000m以下，储能水平较低；矿井的开发主要靠挖掘，成本高；且矿井很难做到高密度布置，矿井控制一般都是单口井进行控制，因此，矿井储能对于电力***的调节能力有限。
国内公开发表的相关文献中，已见计算机控制的井中重力***及其在油藏注水监测方面的研究，也有供电装置、气井开采、钻井隔水管灌注阀、注水井、抽油机智能控制的相关研究，但其控制***主要是对单口井进行控制，未实现多井协调作业。
发明内容
本发明针对电力***灵活度日益枯竭，导致的弃风、弃光现象非常频繁，而常见储能方式存在着地域、反应时间、储能规模和使用寿命短等应用局限，以及油气井大深度钻井技术的日益成熟和成本降低的情况，提出一种应用于电力***的简单、反应快、寿命长、受地域和气候影响小、可规模化的储能***，保障风能发电厂或者太阳能发电厂对外电网进行平稳输出。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于油气钻井的大规模井筒储能的***，所述井筒储能***外联可再生能源发电装置和外部电网，所述***包括集中控制装置和N个储能单元，其中，N≥1，N取整数；
所述每个储能单元包括油气直井井筒、储能配重体、配重钢索和能量转换装置；
所述储能配重***于所述井筒内部；
所述能量转换装置安装于所述井筒的上部，用于电能与储能配重体的重力势能的相互转换；所述能量转换装置包括电机、发电机和井口支架，所述电机和发电机设于井口位置；所述井口支架通过配重钢索与储能配重体相连接；
所述集中控制装置通过控制每个储能单元的能量转换装置调配对应的储能单元的储能。
进一步地，所述每个储能单元还包括防冲撞底座；所述防冲撞底座可拆卸安装于所述井筒的底部；所述防冲撞底座的材质为弹性材料。
进一步地，所述油气直井井筒为原油天然气直井的井筒或废弃油气直井的井筒。
进一步地，所述废弃油气直井的井筒的内壁采用水泥进行封堵。
进一步地，所述储能配重体由M节配重圆柱体可拆卸首尾相接组成；219≤M≤912，M取整数；所述圆柱体材质为碳钢或合金钢；所述圆柱体的长度为5.486-6.706m或8.230-9.144m或11.582-13.716m。
进一步地，首节所述圆柱体的顶端设有连接机构，用于连接所述配重钢索；所述每节圆柱体的侧面安装有防撞条；所述最底层一节圆柱体的底部安装有防撞底盘。
进一步地，所述配重钢索为圆股钢丝绳或压实股钢丝绳。
进一步地，所述油气直井井筒为二开井或者三开井，所述井筒于井底的直径为298.45～339.73mm,所述井筒垂深为3000～5000m。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、油气井最深可达到10000m，本发明采用的能用于储能的油气井较为经济的可以到3000-5000m，可通过增加储能配重体的重量提高储能水平，解决了矿井井筒浅，储能水平低的问题。
2、本申请所用的油气井采用大型机械钻机进行施工，效率高，成本低；且油气井可以进行高密度布置，采用油气井储能可以协调众多储能井作业，大大提高了对电力***的调节能力。
3、本发明采用油气井钻技术钻取大深度井或者利用废弃油气井筒，通过内设的储能配重体在井筒中的上下运动实现储能和放能，并在井筒上方设置能量转换装置完成电能和配重的重力势能的转换，具有以下优点：反应时间短，可以快速进行势能和电能的转换；受外界气候影响因素小；地域因素影响因素小，不受地标因素影响；储能设施简单，寿命长；可进行大规模储能领域，配置灵活；随着规模的增大，成本降低；相对于矿井井筒储能，油气井因其更深，单位储能成本更低。
4、本发明通过协调众多储能井作业，调配各个井筒配重上升和下降顺序高度精准完成风力发电和太阳能发电等装置对外网进行平稳输出。
5、本发明所用的储能配重体由多节配重圆柱体组合而成，通过配重分节逐节连接下放到井中，使用灵活。
基于上述理由本发明可在储能等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于油气钻井的大规模井筒储能***简图。
图中：1、可再生能源发电装置；2、能量转换装置；3、外部电网；4、储能配重体；5、油气直井井筒；6、配重钢索；7、地下地层；8、集中控制装置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，为本发明提供的实例，本实施例提供了一种基于油气钻井的大规模井筒储能的***所述井筒储能***外联可再生能源发电装置1和外部电网3，所述井筒储能***包括集中控制装置8和多个储能单元(图1中仅以一个储能单元为例进行说明)；每个储能单元包括能量转换装置2，储能配重体4，油气直井井筒5，配重钢索6。所述储能配重***于所述井筒内部；所述能量转换装置用于电能与储能配重体的重力势能的相互转换；所述能量转换装置包括电机、发电机和井口支架，所述电机和发电机设于井口位置；所述井口支架通过配重钢索与储能配重体相连接，以承受配重、钢索以及配件的重量；当处于电力匮乏的工况时，能量转换装置自动控制储能配重体下降，所述配重体带动发电机，将所述配重体的重力势能转化为电能输出；当处于电力富裕的工况时，能量转换装置自动启动井口电机将处于低位的储能配重体进行提升，将电能转化为所述配重体的重力势能；所述集中控制装置通过控制每个储能单元的能量转换装置调配对应的储能单元的储能。
优选的，储能单元的个数与下列因素有关：1)可再生能源发电站规模；2)地层地质稳定性井筒深度，井筒深度与地层地质稳定性有关；3)可用于布置井筒的地表面积。
优选的，储能单元的单井储能量是由最后一开井的直径、井筒深度以及储能配重的重量和长度共同决定。多井筒协同储能需要储能井尽可能的集中规整布置，在地质条件稳定的前提下，布井间隔为50-100m。储能单元的位置需要根据当地的地层状况来确认，优先选择地层蠕变性小、无坚异常硬地层、无油气、无异常高压层等的稳定区域，井筒为几开井需要根据地层条件和成本确定。储能单元布置区域选择应尽量避免在风景区、自然保护区、人员聚集区、军事敏感区等及其他不易进行钻井活动的区域。
优选的，具体实施时，所述的集中控制装置采用DCS或者PLC进行控制，每口储能井即为一个储能单元，通过控制每个储能单元的能量转换装置调配对应的储能单元的储能，能量转换装置对储能配重体的提升和下放是由集中控制装置根据电厂整体对外输出状态进行集中控制。多个储能单元储放能时需要通过集中控制装置进行控制，包括控制储能单元储放能顺序，配重体的上升和下降，固定的上升和下放速度设定，配重位置等。
其工作原理如下：
储能单元储放能顺序和每口储能井的配重上提和下放高度控制之间采用逻辑嵌套控制。此过程中首选进行储放能井的选择，将储能井分成M的序列，即序列1，序列2，序列3…序列M。每个序列需要进行排序，例如：
序列1-1，序列1-2，序列1-3…序列1-N；
序列2-1，序列2-2，序列2-3…序列2-N；
序列3-1，序列3-2，序列3-3…序列3-N；
…
序列M-1，序列M-2，序列M-3…序列M-N。
因为单口储能单元的配重上升和下降速率相同，即储能单元储放能速率相同。首先根据储放能的规模选择同时操作的序列数量，即对序列1；或者序列1和序列2；或者序列1、序列2和序列3；或者序列1、序列2、序列3…序列M同时进行储放能操作。考虑到设备的损耗，序列顺序需要定期进行有序调整。
选定序列后，每个序列内的储能单元控制过程采用堆栈顺序方法进行控制，例如：假定序列M在选定范围内，当发电量大于设定电能输出量时，按照序列M-1、序列M-2、序列M-3…序列M-N的顺序分别进行充电；当发电量小于设定电能输出量时，按堆栈原理，先进后出，后进先出顺序储能单元对外进行电能输出，即电能输出顺序为序列M-N…序列M-3、序列M-2、序列M-1。同理，考虑到设备的损耗，序列内的储能单元顺序需要定期进行有序调整。
针对储能单元，配重的重量和位置设有反馈信号到集中控制装置，用于计算每个储能单元的储能状态，配重上升及下降运动为设定的匀速运动。当配重重量发生脱落，卡塞等情况，反馈信号将进入到集中控制装置，集中控制装置对该储能单元进行停止运行，并进行锁定和发出警报。
当储能单元剩余电量低于设定值，例如10％储备情况下，集中控制装置进行报警提示。
储能阶段通过以上控制来实现电能对电网的平稳输出。
优选的，所述每个储能单元还包括防冲撞底座；所述防冲撞底座可拆卸安装于所述井筒的底部；所述防冲撞底座的材质为弹性材料。主要用于非正常工况下在配重圆柱体即将触底过程中速度过快时进行协助减速，同时保护井底和配重圆柱体的底部；所述防冲撞底座的材质为具有一定强度的弹性材料，其寿命结束后通过井下工具容易取出并进行更换，正常运行过程中配重不允许接触到井底防冲撞设施顶部。
优选的，所述油气直井井筒为原油天然气直井的井筒或废弃油气直井的井筒。
优选的，所述废弃油气直井的井筒的内壁采用水泥进行封堵。防止地层油气外窜。井筒位置应在风能发电厂或者太阳能发电厂附近。
优选的，所述储能配重体由M节配重圆柱体可拆卸首尾相接组成；配重圆柱体之间的连接可以选择螺纹等高强度非永久连接的连接方式。根据井筒垂深3000-5000m；219≤M≤912，M取整数；所述圆柱体材质为碳钢或合金钢；所述圆柱体的长度分三个等级，分别为第一类5.486-6.706m(18-22ft)、第二类(常用)8.230-9.144m(27-30ft)、第三类11.582-13.716m(38-45ft)。配重圆柱体为采用具有抗拉伸和强度效果较好材料制作的一定标准圆柱体，每节圆柱体两端带有连接机构，可以进行组装连接成为一定长度的圆柱配重；配重圆柱体采用碳钢或者合金钢等高密度、抗拉伸、强度大、易加工的介质制作的一定标准圆柱体。
优选的，首节所述圆柱体的顶端设有连接机构，用于连接所述配重钢索；所述每节圆柱体的侧面安装有防撞条；所述最底层一节圆柱体的底部安装有防撞底盘。所述每节圆柱体的侧面安装有防撞条，防止其划伤井壁；所述防撞条的材质可以选择具有一定弹性、抗磨且润滑的塑料或者合成树脂材料，例如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS树脂，聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚对苯二甲酸丁二醇酯、改性聚苯醚及聚四氟乙烯，改性橡胶等；所述最底层一节圆柱体的底部安装有防撞底盘，防止配重圆柱体底部在上升或者下降中撞伤井筒；防撞底盘的材质可以选择具有弹性，抗磨且润滑的塑料或者合成树脂材料。
优选的，所述配重钢索根据配重重量选择圆股钢丝绳或压实股钢丝绳。
优选的，所述油气直井井筒为二开井或者三开井，所述井筒于井底的直径为298.45～339.73mm,所述井筒垂深为3000～5000m。
上述基于油气钻井的井筒储能***的具体工作流程如下：
风电厂通过自然风力推动风力发电机转动产生电能或者光伏电厂通过光伏发电装置将阳光转化为电能，或者其他可再生资源通过相应装置产生电能，根据发电设施发电状态以及电网用电状态或者电网供电协议，对电网进行供电。
当可再生能源发电装置的发电量大于外部电网电量需求时，所述集中控制装置根据所控制的储能单元的储能状态以及多余电量，计算所需储能单元的数量，通过远程控制将未进行储能或者未储满能的储能单元的储能配重体通过能量转换装置提起到预定高度，储能配重体将多余电能转化为井筒配重的重力势能，保证对电网的平稳供电；
当可再生能源发电装置的发电量大于外部电网电量需求时，所述集中控制装置根据所控制的储能单元的储能状态以及电量缺口，计算所需电能，通过远程控制将储满能的储能井的配重通过能量转换装置降低到预定高度，将配重的重力势能转化为电能并对电网进行平稳供电。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于油气钻井的大规模井筒储能***，其特征在于，所述井筒储能***外联可再生能源发电装置和外部电网，所述***包括集中控制装置和N个储能单元，其中，N≥1，N取整数；
所述每个储能单元包括油气直井井筒、储能配重体、配重钢索和能量转换装置；
所述储能配重***于所述井筒内部；
所述能量转换装置安装于所述井筒的上部，用于电能与储能配重体的重力势能的相互转换；所述能量转换装置包括电机、发电机和井口支架，所述电机和发电机设于井口位置；所述井口支架通过配重钢索与储能配重体相连接；
所述集中控制装置通过控制每个储能单元的能量转换装置调配对应的储能单元的储能。
2.根据权利要求1所述的大规模井筒储能***，其特征在于：所述每个储能单元还包括防冲撞底座；所述防冲撞底座可拆卸安装于所述井筒的底部；所述防冲撞底座的材质为弹性材料。
3.根据权利要求1所述的大规模井筒储能***，其特征在于：所述油气直井井筒为原油天然气直井的井筒或废弃油气直井的井筒。
4.根据权利要求3所述的大规模井筒储能***，其特征在于：所述废弃油气直井的井筒的内壁采用水泥进行封堵。
5.根据权利要求1所述的大规模井筒储能***，其特征在于：所述储能配重体由M节配重圆柱体可拆卸首尾相接组成；219≤M≤912，M取整数；所述圆柱体材质为碳钢或合金钢；所述圆柱体的长度为5.486-6.706m或8.230-9.144m或11.582-13.716m。
6.根据权利要求5所述的大规模井筒储能***，其特征在于：首节所述圆柱体的顶端设有连接机构，用于连接所述配重钢索；所述每节圆柱体的侧面安装有防撞条；所述最底层一节圆柱体的底部安装有防撞底盘。
7.根据权利要求1所述的大规模井筒储能***，其特征在于：所述配重钢索为圆股钢丝绳或压实股钢丝绳。
8.根据权利要求1所述的大规模井筒储能***，其特征在于：所述油气直井井筒为二开井或者三开井，所述井筒于井底的直径为298.45～339.73mm,所述井筒垂深为3000～5000m。
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