Способ извлечения петротермального тепла

Изобретение относится к способам извлечения петротермальной энергии с последующим применением в системах теплоснабжения и хладоснабжения. Из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе теплоноситель подается в подземный котел-теплообменник, нагревается, поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю при помощи теплового насоса. Затем теплоноситель охлаждается и снова поступает в скважину, цикл повторяется. В теплый период используется для нужд хладоснабжения, включая в работу второй тепловой насос. Для создания подземного котла-теплообменника методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта выполнены смещенные по глубине отверстия в оконечной части обсадной трубы и трубы, концентрично опущенной в обсадную трубу. Для образования подземного котла-теплообменника жидкость для гидравлического разрыва подается сначала по трубе, концентрично опущенной в обсадную трубу для образования трещин, после промывается кислотным раствором для снижения сопротивления движению жидкости в трещинах, а затем по обсадной трубе с удалением промывочной жидкости через трубу, концентрично опущенную в обсадную трубу. Техническим результатом является снижение глубины бурения без потери тепловой мощности. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам извлечения петротермального тепла глубинных пород для использования в системах энергоснабжения.

Известен способ извлечения геотермального тепла с помощью парового котла на подземном тепле (патент РФ №2099649, 20.12.1997. Паровой котел на подземном тепле), с водяным пространством и пространством парообразования с пароотводящей трубой, двумя трубами разного диаметра, из которых большего диаметра установлена в земной скважине, а вторая труба размещена внутри первой с примыканием к ее внутренней стороне и дополнительно снабжена обратным клапаном.

В трубу меньшего диаметра поступает самотеком или накачивается вода, обратный клапан под давлением воды открывается, и вода поступает в трубу большего диаметра (котел) до определенного уровня в водном пространстве. Под действием подземного тепла образовавшийся пар отводится трубой большего диаметра потребителю, например к паровой машине с электрогенератором или для обогрева теплиц, зданий и т.д.

Недостатком известного способа является то, что водяной пар при подъеме отдает тепло грунтам, температура которых уменьшается по мере приближения к поверхности, что приводит к «экологическому тепловому загрязнению» поверхностных слоев грунта.

Известен способ извлечения тепла земных недр (заявка РФ №2003113562, 27.10.2004. Установка для выработки геотермальной энергии) с помощью установки для выработки геотермальной энергии, включающей вертикальный нагнетательный ствол скважины, идущий от поверхности в толщу земли и вертикальный выходной ствол скважины, идущий также от поверхности в толщу земли, находящиеся на расстоянии друг от друга, горизонтальный ствол скважины, который соединяет указанные два вертикальные ствола скважины вместе, причем горизонтальный ствол скважины расположен в горячей горной породе, при этом все указанные вертикальные и горизонтальные скважины имеют обсадные трубы, предотвращающие протекание жидкости через стенки скважины и контакт ее с почвой или с грунтовыми водами. Нагнетательный ствол скважины выполнен с возможностью приема воды, а выходной ствол скважины выполнен с возможностью отвода из него пара, причем предусмотрены средства для пропускания воды из нагнетательного ствола скважины через горизонтальный ствол скважины для того, чтобы превратить воду в пар; вода из выходного ствола скважины или вода, полученная после конденсации пара из выходного ствола скважины, возвращается в нагнетательный ствол скважины и используется повторно.

Недостатком известного способа является необходимость бурения трех скважин, что существенно увеличивает капитальные затраты.

Также известны технологии извлечения тепла из горячих сухих подземных коллекторов (НВК) [Петрогеотермальные ресурсы как новый вид энергии XXI века. Маркшейдерия и недропользование №3(41), май-июнь 2009 г.]. Сущность НВК технологии заключается в следующем.

Пробуривается 2-3 скважины до глубин с температурами, отвечающими требованиям теплоснабжения или производства электроэнергии. Одна из них является нагнетательной, подающей под давлением воду в зону нагрева, другие 1-2 скважины - эксплуатационные, по ним образующийся пар с необходимой температурой поступает на поверхность. Если естественная проницаемость раскаленного массива пород недостаточна, то осуществляется его гидроразрыв для образования подземного «котла».

Методы гидроразрыва пластов и наклонного бурения скважин хорошо освоены нефтегазовой промышленностью и применяются для интенсификации притоков флюидов, однако применение гидроразрыва возможно для создания петротермальных циркуляционных систем (ПЦС). Трещины, образовавшиеся в результате гидроразрыва, поддерживаются в раскрытом состоянии гидростатическим давлением жидкости. При этом потери теплоносителя в окружающий массив составят около 1% его общего объема теплоносителя.

Недостатком известного способа является необходимость бурения не менее двух скважин, что существенно увеличивает капитальные затраты.

Наиболее близким к предложенному является способ извлечения геотермального тепла (Патент РФ №2288413, 27.11.2006), при котором из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре, и используемого для нужд теплоснабжения, охлажденный теплоноситель подается в обсадную трубу, а нагретый -поднимается по трубе, концентрично опущенной в обсадную трубу, и передает тепло потребителю при помощи теплового насоса.

Недостатком известного способа является то, что необходима большая глубина скважины, что связано с существенными капитальными затратами, т.к. основная проблема извлечения петротермальной энергии заключается в низкой теплоотдаче грунтов скважины (тепловая мощность скважины достигает 1-1,2 МВт при глубине до 3000 м). Это связано с низкими коэффициентами теплопроводности грунтов (термическая характеристика горных пород в основном определяется физическими свойствами, зависящими от их структурно-текстурных особенностей, свойств породообразующих минералов и среды, заполняющей пространство между минералами), что приводит к низким значениям коэффициента теплопередачи, и низкими температурными градиентами скважин (gradT=(20÷90)°С/км).

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание экологически чистых энергоустановок, снижение глубины бурения без потери тепловой мощности, увеличение теплоотдачи, ускорение запуска установки в эксплуатацию при использовании отработанных нефтяных и газовых скважин. Создание комбинированной установки по теплоснабжению и хладоснабжению.

Указанный технический результат достигается за счет того, что теплоноситель подается в обсадную трубу, контактирует с разогретой сухой горной породой (подземным котлом - теплообменником) и нагретый - поднимается по трубе, концентрично опущенной в обсадную трубу, передает тепло теплообменнику теплового насоса, охлаждается и возвращается обратно в обсадную трубу. Тепловой насос в свою очередь передает энергию в систему теплоснабжения потребителя тепла. Для образования подземного котла - теплообменника методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта выполнены смещенные по глубине отверстия в оконечной части обсадной трубы и трубы, концентрично опущенной в обсадную трубу. Диаметр отверстий определяется по известным формулам в зависимости от расчетной мощности скважины, т.е. их количество и диаметр зависят от расхода теплоносителя. Жидкость для гидравлического разрыва подается сначала по трубе, концентрично опущенной в обсадную трубу, для образования трещин, после промывается кислотным раствором для увеличения площади теплообмена и снижения сопротивления движению жидкости в трещинах, а затем по обсадной трубе с удалением промывочной жидкости через трубу, концентрично опущенную в обсадную трубу. В связи с повсеместным распространением петротермальных источников указанная технология может быть использована для круглогодичного теплоснабжения обособленных и удаленных объектов, и создания экологически чистых энергоустановок, а также хладоснабжения в летний период за счет установки в контуре трехходового крана и дополнительного теплового насоса, который в свою очередь передает выработанное тепло в скважину по имеющемуся контуру для аккумуляции тепла в подземном котле теплообменнике. Снижение капитальных затрат на бурение скважины достигается за счет снижения глубины бурения и внедрение технических и технологических решений энергоэффективного использования возобновляемых источников энергии.

На фиг. 1 представлена схема извлечения петротермального тепла по предлагаемому способу. Схема включает в себя следующие элементы: скважину с обсадной трубой 1; трубу 2, концентрично опущенную в обсадную трубу; подземный котел - теплообменник 3; тепловой насос 4 (для теплоснабжения); потребитель тепла 5; тепловой насос 6 (для хладоснабжения); трехходовой кран 7; участок труб со смещенными по глубине отверстиями 8.

Способ осуществляется следующим образом.

Воду полученную из артезианской скважины или иного резервуара с водой, подготавливают и закачивают в скважину по обсадной трубе 1 в подземный котел теплообменник 3, где происходит контакт воды с разогретой горной породой, процесс теплообмена, затем нагретая до t₁ вода поднимается по трубе 2 концентрично опущенной в обсадную трубу 1 и подается в теплообменник теплового насоса 4, затем на выходе из теплообменника, охлаждается имея температуру t₂, поступает к нагнетательным насосам 5 и закачивается через обсадную трубу 1 скважины в подземный котел теплообменник 3, таким образом контур замыкается и цикл повторятся. В период работы установки на теплоснабжение и хладоснабжение, в систему включается второй тепловой насос 6 при помощи трехходового крана 7 который открывает дополнительный контур системы не нарушая цикл.

Применение теплового насоса позволяет увеличить теплоотдачу скважины за счет понижения температуры обратной воды t₂, закачиваемой в скважину. При этом исключается необходимость тепловой изоляции оголовка скважины. Скважина предназначается для круглогодичного использования потребителем: в холодный период - на производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение); в теплый период - на производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение, хладоснабжение).

ПРИМЕР осуществления способа.

Основываясь на основном законе теплопередачи

Q=kFΔt,

где Q - тепловая мощность, Вт;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

Δt - среднелогарифмический температурный напор, °С;

F - площадь поверхности теплообмена, м²,

для повышения теплоотдачи петротермальной скважины при одинаковых температурном напоре Δt и коэффициенте теплопередачи к необходимо увеличение поверхности контакта грунтов с теплоносителем (площади поверхности теплообмена F).

Перспективным видится с точки зрения экологичности и снижения капитальных затрат способ многоступенчатого гидравлического разрыва пласта при бурении одиночной петротермальной скважины, который применяется в настоящее время для увеличения нефтеотдачи нефтеносного пласта. А также промывка полученной сети каналов подземного котла - теплообменника кислотными растворами для увеличения площади теплообмена и проницаемости трещин. Многоступенчатым гидравлическим разрывом называется процесс, при котором давление жидкости воздействует непосредственно на породу пласта вплоть до ее разрушения и образования трещины, проходящий в несколько этапов (ступеней). Продолжающееся воздействие давления жидкости расширяет трещину вглубь от точки разрыва. В закачиваемую жидкость добавляется расклинивающий материал, например, песок, керамические шарики или агломерированный боксит. Назначение этого материала - держать созданную трещину в раскрытом состоянии после сброса давления жидкости. Таким образом, создается новый, более просторный канал притока. Канал объединяет существующие природные трещины и создает дополнительную площадь теплообмена. Кислотный раствор увеличивает площадь теплообмена и способствует уменьшению сопротивления движению теплоносителя в канале - трещине.

Для создания подземного котла - теплообменника методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта выполнены смещенные по глубине относительно друг друга на равные расстояния отверстия на участке 8; в оконечной части обсадной трубы 1 и трубы 2, концентрично опущенной в обсадную трубу 1, диаметр отверстий зависит от проектируемой тепловой мощности скважины, наличие смещенных отверстий в трубах 1 и 2., отличает данный способ от способа многоступенчатого гидравлического разрыва пласта применяемого в нефтегазодобыче.

Жидкость для гидравлического разрыва подается сначала по трубе 2, концентрично опущенной в обсадную трубу 1 для образования трещин, а затем по обсадной трубе 1 с удалением промывочной жидкости через трубу 2 (на фиг. 1 показано стрелками направление движения жидкости), концентрично опущенную в обсадную трубу 1., трещины могут быть горизонтальными, вертикальными и наклонными. Пространственная ориентация трещины определяется напряженным состоянием горных пород в зоне скважины и изменениями обусловленными распределением напряжений. Напряжения формируются главным образом под действием гравитационных сил. Технология многоступенчатого гидравлического разрыва пластов достаточно хорошо отработана на нефтяных скважинах и не требует разработки специализированного оборудования. Также в качестве петротермальных скважин могут использоваться отработанные нефтяные скважины, что существенно ускорит процесс строительства и запуска в эксплуатацию системы, снизит капитальные затраты на обустройство скважины, которые являются основными. Таким образом, поверхность контакта теплоносителя с грунтом может быть увеличена на 30-60%, что, как ожидается, приведет к увеличению теплоотдачи петротермальной скважины также на 30-60% или снижения глубины бурения на ту же величину.

В свою очередь теплоотдача скважины увеличивается с увеличением глубины бурения в связи с увеличением температуры грунтов. Однако, применение многоступенчатого гидравлического разрыва пласта, как показано выше, позволяет увеличить теплоотдачу за счет увеличения площади теплообмена и получения глубоких вертикальных трещин, в результате чего возможно снижение глубины бурения скважины без потери тепловой мощности петротермальной скважины, при одновременном снижении капитальных затрат, т.к. технология многоступенчатого гидравлического разрыва пласта менее затратная по сравнению с глубинным бурением.

Известно, что капитальные затраты на бурение скважины находятся в квадратичной зависимости от глубины бурения

R=kL², тыс.руб.,

где L - глубина скважины, км;

k - стоимостной коэффициент.

Тогда при одинаковых значениях (k) при снижении глубины бурения на 30-60% капитальные затраты снижаются в 2-5 раз.

Таким образом, задачей оптимизации с целью снижения капитальных затрат является определение требуемой глубины скважины и площади поверхности раскрытия трещин при гидравлическом разрыве для обеспечения заданной тепловой мощности.

1. Способ извлечения петротермального тепла из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре и используемого для нужд теплоснабжения, при котором охлажденный в тепловом насосе теплоноситель подается в обсадную трубу, контактирует с горной породой, нагревается, поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю при помощи теплового насоса, отличающийся тем, что теплоноситель нагревается от разогретой породы в подземном котле-теплообменнике, образованном методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для образования подземного котла-теплообменника методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта выполнены смещенные относительно друг друга на равные расстояния отверстия с диаметром, зависящим от расчетной мощности скважины, расположенные на обсадной и концентрично опущенной трубах в зоне создаваемого подземного котла-теплообменника.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкость для гидравлического разрыва подается сначала по трубе, концентрично опущенной в обсадную трубу, для образования трещин, после промывается кислотным раствором для увеличения площади теплообмена и снижения сопротивления движению жидкости в трещинах, а затем по обсадной трубе с удалением промывочной жидкости через трубу, концентрично опущенную в обсадную трубу.