吴浩洋 宛文宇 孟繁宇 肖雷雷
中海油服油田技术事业部塘沽作业公司 天津市滨海新区 300459
【摘要】石油是世界能源体系最重要的组成部分之一,其勘探和开采依赖搭配传感器的机械钻头，大部分传感器的电流由可充电的二次电池供给。然而，油井下方极端的环境条件，如高温等，极易造成电池内部活性物质失效,从而导致设备失灵并可能引发生产事故。因此，为井下传感设备开发温度耐受性良好的储能器件，对于实现设备的长效利用具有重要意义。本文提出将具有优异高温特性的钠-硫电池作为传感器能源，介绍其电化学原理，高温储能机制及在石油工业中的应用构想。该设计可以进一步提升极端条件下传感器供能系统的稳定性，增加有效工作时长，并有望大幅降低相关设备的研发和操作成本。
【关键词】钻井；传感器；二次电池；钠-硫电池；高温工作
1．引言
石油作为全球能源体系最为关键的组成部分之一，其开采和应用具有极端重要的战略价值。石油开采依赖于钻头传感设备的稳定运行。然而，常规传感器中使用的锂离子二次电池，在油井内部极端操作条件下存在较大的安全隐患。例如：电池内部材料在高温下极易发生受热失活，造成设备失效并诱发生产事故。针对传统二次电池在油井高温环境下的应用风险，本文提出利用具有高温存储特性的新型钠-硫电池作为传感器能源，取代高温不稳定的常规锂离子电池，从而提升钻井勘探设备的安全性和使用寿命。基于上述主张，本文将分别介绍：1）二次电池的电化学原理；2）储能器件的能量密度和使用周期对比；3）储能器件在油井中的高温失效机制；4）钠-硫电池的工作原理和高温特性； 5）钠-硫电池在高温钻井中的应用构想。本论文提出的应用设计，有望进一步提升石油勘探和开采系统的长期稳定性，增加有效工作时长，同时具有操作性强，成本低廉，环境友好且易于大规模推广的优势
2．储能电池在油田开采中的应用
2.1 二次电池工作原理
目前最为常规的二次电池为锂离子电池，其主要构件包括正极和负极，正、负极之间的隔膜可以起到阻挡作用，防止电池短路[1]。此外，常规锂离子电池内部填充有机电解液，用以运输锂离子，驱动电池发生化学能-电能的相互转换。得到的电能以电子形式在外部线路运输，保证用电设备能够以设定的电流稳定运行。目前商品化锂离子电池的电极材料包括正极的磷酸铁锂、钴酸锂、镍锰酸锂和负极的石墨。锂离子电池多数采用“嵌脱型”的储能原理， 正、负极材料间仅发生锂离子的相互交换，一般不会发生大幅的结构演变，具有较强的可逆性。锂离子电池在正、负极间周期性穿梭，因此锂离子电池也被称为“摇椅电池”。除锂离子外，与之结构相似的钠离子也可以作为电化学转化的媒介，对应的电池被称为钠离子电池。
2.2 二次电池在油田勘探中的应用示范
目前可充电二次电池在石油勘探中的主要应用是为传感器件提供稳定电流。衡量锂离子电池性能的关键指标之一是能量密度，用以表征单位质量的电池能够提供的用电量。目前商业化锂离子电池的能量密度约为200-400 Wh/kg（瓦时/千克），亦即，每千克储能电池单次充电能够供给0.2-0.5度电。不同电池体系对应的能量密度比较，以石油勘探的深度作为类比，开采深度越大，意味着单次充电后电池的使用周期理应越长，对电池存储性能的挑战也就越大。新型储能器件，如锂-硫/钠-硫电池等，其理论能量密度所能持续的放电周期（此处简单换算为对应的极限勘探深度），相比常规锂离子电池可以高出一倍以上。
因此，考虑到井下开采深度大，设备往返困难，单次充电的工程成本较高，有必要使用具有更高能量密度的储能器件，从而减少由于充电带来的时间和物质成本。
2.3. 二次电池在油田勘探中的应用挑战
除此之外，二次电池在油井中应用的另一大难题在于极端条件下电池材料的耐受性。通常，锂离子电池在地面上的使用温度不超过60 oC，然而油井下方的环境温度一般超过150 oC，锂离子电池在高温下的失效机理可以简单划分为以下几个步骤：低于80 oC时，电池仍可以稳定运行；温度超过90 oC后，电池内部构建的完整界面开始遭到破坏；温度高于150oC时，正极材料的结构出现分解和产气，同时隔膜融化，孔道关闭，电池内部不再发生离子交换，电池失效。温度进一步升高，则可能发生完全的热失控和电池着火爆炸[2]。由此可见，油井内部的温度已经远远超过了常规锂离子电池的耐受温度，即使可以采取绝热或温控手段减少使用风险，仍无法从原理上解决这一问题，同时也增加了设备生产和维护的困难。因此，有必要开发具有高温度耐受性的新型储能器件，使其可以在200 oC以上实现稳定运行。
3. 钠-硫电池在石油工业中的应用构想
3.1 钠硫电池原理
目前，地面上较为实用的高温储能器件是钠-硫电池，其结构中包含金属钠和硫的活性物质，被封存在特制的玻璃管道中防止外泄。电解质为固态，区别于常规使用的液体电解质，高温下更加安全。钠-硫电池的电化学储能机制明显区别于常规锂离子电池，它的电荷运输媒介为钠离子[3]。在室温下，金属钠和硫均为固态，内部钠离子的迁移相对困难，因此常温下工作的钠硫电池性能反而不尽如人意。然而，当环境温度升高到钠（97.72oC）和硫（112.8oC）的熔融温度以上，此时，钠和硫均转变为液态，流动性大幅增加。在流动态的钠和硫内部，钠离子受到的阻力显著降低，迁移变得更加迅速，同时，所使用的固体电解质导电性能提升。此时电池的性能被完整“激活”，电流输出能力大幅提升，能量密度显著升高，远高于常规的锂离子或钠离子电池。因此，一般情况下，钠-硫电池的工作温度往往需要高于200 oC，在地面常温储能系统中发挥的效用十分有限，甚至需要额外为其提供热能才能保证正常工作，显然从环保的角度来说是不利的。
3.1 钠硫电池在石油开采中应用的可行性分析
然而，钠硫电池这一特性，很有可能为其在矿井中找到巨大的用武之地。矿井内部天然的高温环境十分有利于钠-硫电池发挥理论上的高能量密度。无需任何人为的热供给，钠-硫电池可以自发地利用矿井的热能，实现最大化的性能发挥。在此，设想将钠-硫电池设计成小型化的储能器件，内构于钻头所搭配的传感器中。对于钻头开采过程中产生的大量热能，以及周围环境存在的地热或燃烧热等，可以采用特定装置，收集并传导到钠-硫电池的工作区域，激活电池，产生持续有效的能量输出。多余的热能则可以被保存起来，为后续电池提供热源。由此，针对电池的温控装置由“绝热”装置转变为了“保温”装置，从研发难度和成本上带来的优势是十分可观的。此外，钠和硫均为地壳中广泛分布的元素，钠元素更是可以从海水中提取，相比于一般的电池原材料，其成本几乎可以忽略不计，也意味着这一电池技术有望在世界范围的油、气勘探中得到低成本和大面积的推广。
4. 结论
本文旨在设计并构想一种新型可充电电池在钻井勘探设备中的应用。系统论述了现有开采设备供能系统存在的底层逻辑障碍和实际应用困难。创造性地提出利用高温性能优异的钠-硫电池提升用电设备在井下环境中的安全性。详细论证了这一设计的实际应用前景，证明其具有理论上的极高可行性和商业价值，同时在原料和成本方面具有无可比拟的优势，适合大规模推广。
参考文献
[1] 陈立泉. 锂离子电池正极材料的研究进展[J]. 电池, 2002, 32(s1):32-35.
[2] 锂离子电池热失效机理和致爆时间研究综述[J].电源学报，2018，016，186-193.
[3] 温兆银.钠硫电池及其储能应用[J].上海节能,2007(02):7-10.