Подземная система извлечения геотермальной энергии
Изобретение относится к подземной системе извлечения геотермальной энергии для извлечения тепла из подземного пласта. Технический результат заключается в уменьшении или исключении сейсмической активности и уменьшении повреждения пласта. Система содержит нагнетательную скважину, содержащую первую скважинную трубчатую металлическую конструкцию, расположенную в первом стволе скважины с образованием первого затрубного пространства между ними, проходящую от поверхности в подземный пласт и выполненную с возможностью нагнетания рабочей текучей среды через первое нагнетательное отверстие в эксплуатационную область, определенную в подземном пласте, и тем самым получения нагретой рабочей текучей среды; и первую эксплуатационную скважину, содержащую вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию, расположенную во втором стволе скважины с образованием второго затрубного пространства между ними, проходящую от поверхности в упомянутый подземный пласт, в упомянутую эксплуатационную область, и обеспечивающую извлечение нагретой рабочей текучей среды через первое эксплуатационное отверстие. Первая скважинная трубчатая металлическая конструкция нагнетательной скважины содержит первый затрубный барьер и второй затрубный барьер, выполненные с возможностью разжатия в первом затрубном пространстве с примыканием к стенке первого ствола скважины для изолирования эксплуатационной зоны в упомянутой эксплуатационной области. Каждый затрубный барьер содержит трубчатую металлическую часть, установленную в качестве части первой скважинной трубчатой металлической конструкции и имеющую первое отверстие для разжатия и наружную поверхность, разжимную металлическую муфту, окружающую трубчатую металлическую часть и имеющую внутреннюю поверхность, обращенную к упомянутой трубчатой металлической части, и наружную поверхность, обращенную к стенке ствола скважины. Каждый конец разжимной металлической муфты соединен с трубчатой металлической частью, и кольцевое пространство между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты и трубчатой металлической частью, причем разжимная металлическая муфта разжата таким образом, что она примыкает к стенке первого ствола скважины в результате введения текучей среды под давлением в кольцевое пространство через первое отверстие для разжатия. Первое нагнетательное отверстие расположено в первой скважинной трубчатой металлической конструкции между первым затрубным барьером и вторым затрубным барьером, и первая эксплуатационная зона расположена между первой скважинной трубчатой металлической конструкцией и второй скважинной трубчатой металлической конструкцией, так что обеспечивается возможность извлечения нагретой рабочей текучей среды во вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию через первое эксплуатационное отверстие. Также настоящее изобретение относится к способу подземного извлечения геотермальной энергии для извлечения тепла из подземного пласта с помощью подземной системы извлечения геотермальной энергии в соответствии с настоящим изобретением. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.
Настоящее изобретение относится к подземной системе извлечения геотермальной энергии для извлечения тепла из подземного пласта. Кроме того, данное изобретение относится к способу подземного извлечения геотермальной энергии для извлечения тепла из подземного пласта с помощью предложенной подземной системы извлечения геотермальной энергии.
В геотермальной системе рабочую текучую среду нагнетают в подземный пласт, и затем нагретую рабочую текучую среду, извлеченную из эксплуатационной скважины, используют для снабжения нагретой текучей средой населения, или преобразуют нагретую рабочую текучую среду в электричество. Для нагревания рабочей текучей среды в пласте выполняют разрывы, чтобы рабочая текучая среда могла проходить через упомянутый пласт и нагреваться посредством нагретого пласта. Однако при выполнении таких разрывов зачастую возникает сейсмическая активность, которая в некоторых случаях может препятствовать дальнейшему разрыву и даже может привести к закрытию геотермальной системы.
Задача настоящего изобретения заключается в полном или частичном устранении вышеупомянутых неудобств и недостатков предшествующего уровня техники. В частности, задача заключается в создании усовершенствованной геотермальной системы, в которой сейсмическая активность сведена к минимуму так, чтобы уровень активности был ниже допустимого уровня, или даже полностью исключена.
Вышеуказанные задачи, а также другие задачи, преимущества и признаки, очевидные из нижеследующего описания, достигаются согласно настоящему изобретению посредством подземной системы извлечения геотермальной энергии для извлечения тепла из подземного пласта, содержащей:
- нагнетательную скважину, содержащую первую скважинную трубчатую металлическую конструкцию, расположенную в первом стволе скважины с образованием первого затрубного пространства между ними, и проходящую от поверхности в подземный пласт и выполненную с возможностью нагнетания рабочей текучей среды через первое нагнетательное отверстие в эксплуатационную область, определенную в подземном пласте, и, тем самым, получения нагретой рабочей текучей среды, и
- первую эксплуатационную скважину, содержащую вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию, расположенную во втором стволе скважины с образованием второго затрубного пространства между ними, и проходящую от поверхности в упомянутый подземный пласт, в упомянутую эксплуатационную область, и выполненную с возможностью извлечения нагретой рабочей текучей среды через первое эксплуатационное отверстие,
причем первая скважинная трубчатая металлическая конструкция нагнетательной скважины содержит первый затрубный барьер и второй затрубный барьер, выполненные с возможностью разжатия в первом затрубном пространстве для примыкания к стенке первого ствола скважины для изоляции эксплуатационной зоны в упомянутой эксплуатационной области, при этом каждый затрубный барьер содержит:
- трубчатую металлическую часть, установленную в качестве части первой скважинной трубчатой металлической конструкции и имеющую первое разжимное отверстие и наружную поверхность,
- разжимную металлическую муфту, окружающую трубчатую металлическую часть и имеющую внутреннюю поверхность, обращенную к упомянутой трубчатой металлической части, и наружную поверхность, обращенную к стенке ствола скважины, причем каждый конец разжимной металлической муфты соединен с трубчатой металлической частью, и
- затрубное пространство между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты и трубчатой металлической частью, причем разжимная металлическая муфта выполнена с возможностью разжиматься так, что она примыкает к стенке первого ствола скважины, за счет введения текучей среды под избыточным давлением в затрубное пространство через первое разжимное отверстие,
при этом первое нагнетательное отверстие расположено в первой скважинной трубчатой металлической конструкции между первым затрубным барьером и вторым затрубным барьером, и первая эксплуатационная зона расположена между первой скважинной трубчатой металлической конструкцией и второй скважинной трубчатой металлической конструкцией, так что обеспечивается возможность извлечения нагретой рабочей текучей среды во вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию через первое эксплуатационное отверстие.
Разжимная металлическая муфта может быть пластически деформирована во время расширения.
Кроме того, разжимная металлическая муфта может не быть многоразового использования.
Наличие затрубных барьеров, примыкающих к стенке ствола скважины, обеспечивает то, что эксплуатационные зоны изолируют по существу одновременно с помощью простого решения, за счет повышения давления в скважинной трубчатой металлической конструкции и разжатия разжимной металлической муфты без использования инструмента.
В некоторых решениях уровня техники затрубное пространство между скважинной трубчатой металлической конструкцией и стенкой ствола скважины цементируют, а затем выполняют разрывы посредством изоляции секции внутри скважинной трубчатой металлической конструкции и повышения давления в этой секции для выполнения разрывов через цемент. Для этой операции необходимо очень высокое давление, чтобы имелась возможность разрыва также цемента, и этот процесс отнимает много времени, поскольку необходимо некоторое время, чтобы повысить давление в секции, а затем сбросить давление, чтобы переместить инструмент в следующую секцию для повышения давления в этой секции и так далее. Кроме того, операция цементирования также занимает много времени и, кроме того, не исключен риск неполного заполнения затрубного пространства и, соответственно, опасность недостаточной степени герметизации затрубного пространства. Если операция цементирования выполнена некачественно, существует большой риск того, что процесс разрыва не будет успешно проведен, после чего вся скважина должна быть затампонирована и ликвидирована. Использование предложенного решения с затрубными барьерами, разжимаемыми за один проход, устраняет риск неудачной операции цементирования и, соответственно, неудачного разрыва. Если один затрубный барьер не смог разжаться, этот затрубный барьер можно разжать отдельно с помощью инструмента. Кроме того, упомянутый процесс разрыва не требует энергия для разрыва цемента, поскольку предложенное решение не предусматривает использование цемента.
Подземная система извлечения геотермальной энергии в соответствии с настоящим изобретением представляет собой металлическую систему, которая очень легко проводит тепло и не теряет со временем своих рабочих характеристик по сравнению с резиновыми, цементными, эластомерными или полимерными материалами.
Подземная система извлечения геотермальной энергии может быть соединена по текучей среде с системой централизованного теплоснабжения на поверхности.
Кроме того, подземная система извлечения геотермальной энергии может быть соединена по текучей среде с установкой для превращения тепла в электроэнергию.
Кроме того, вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция может содержать первый затрубный барьер и второй затрубный барьер.
Вышеописанная подземная система извлечения геотермальной энергии может содержать вторую эксплуатационную скважину, имеющую вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию и первое эксплуатационное отверстие.
Кроме того, первая скважинная трубчатая металлическая конструкция может содержать дополнительные затрубные барьеры, изолирующие вторую эксплуатационную зону в эксплуатационной области.
Кроме того, первая скважинная трубчатая металлическая конструкция может иметь внутренний диаметр, превышающий диаметр второй скважинной трубчатой металлической конструкции.
Кроме того, нагнетательная скважина и эксплуатационная скважина могут иметь вертикальную часть и горизонтальную часть.
Кроме того, эксплуатационная скважина может быть расположена на заданном расстоянии от нагнетательной скважины.
Первая скважинная трубчатая металлическая конструкция и/или вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция могут содержать по меньшей мере одно устройство управления потоком.
Наличие устройств управления потоком обеспечивает то, что одно устройство управления потоком может быть открыто при разрыве эксплуатационной зоны, и таким образом, давление разрыва может быть значительно ниже, чтобы избежать сильной сейсмической активности, поскольку процесс разрыва одновременно происходит только через одно нагнетательное отверстие и/или через одно эксплуатационное отверстие.
Вышеописанная подземная система извлечения геотермальной энергии может дополнительно содержать насос, выполненный с возможностью регулирования давления рабочей текучей среды в первой скважинной трубчатой металлической конструкции.
Таким образом, насос выполнен с возможностью регулирования скорости рабочей текучей среды, протекающей в упомянутой подземной системе.
Вышеописанная подземная система извлечения геотермальной энергии может дополнительно содержать средство регулирования устройств управления потоком, чтобы избирательно нагревать текучую среду в каждой эксплуатационной зоне так, что одновременно используется только часть упомянутых эксплуатационных зон.
Кроме того, нагнетательная скважина и/или эксплуатационная скважина могут дополнительно содержать один или более боковых отводов, выходящих из основной части скважины, причем боковой отвод содержит боковую скважинную трубчатую металлическую конструкцию, соединенную по текучей среде со скважинной трубчатой металлической конструкцией в основной части скважины.
Кроме того, упомянутая система может содержать нагнетательную скважину и множество эксплуатационных скважин, окружающих нагнетательную скважину.
Кроме того, нагнетательная скважина и эксплуатационная скважина (эксплуатационные скважины) могут содержать множество боковых отводов на различной глубине в подземном пласте.
Кроме того, нагнетательная скважина и эксплуатационная скважина (эксплуатационные скважины) могут содержать множество боковых отводов в разных положениях вдоль протяженности первой скважинной трубчатой металлической конструкции и второй скважинной трубчатой металлической конструкции.
Кроме того, вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция может содержать экран, выполненный с возможностью фильтрования нагретой рабочей текучей среды перед поступлением во вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию.
Затрубный барьер может содержать блок разжатия.
Кроме того, блок разжатия может иметь первое впускное отверстие, соединенное по текучей среде с разжимным отверстием, второе впускное отверстие, соединенное по текучей среде с первой зоной, и выпускное отверстие, соединенное по текучей среде с затрубным пространством, причем блок разжатия может содержать элемент, выполненный с возможностью перемещения по меньшей мере между первым положением и вторым положением, причем в первом положении разжимное отверстие соединено по текучей среде с выпускным отверстием и давление в трубчатой конструкции превышает первое давление, а во втором положении выпускное отверстие соединено по текучей среде с первой зоной, и первое давление превышает давление в трубчатой конструкции.
Кроме того, трубчатая металлическая часть может содержать по меньшей мере одно второе разжимное отверстие, соединенное по текучей среде с первым впускным отверстием.
Блок разжатия может содержать золотниковый клапан, причем упомянутый элемент может быть расположен в упомянутом золотниковом клапане.
Кроме того, блок разжатия может содержать двухходовой клапан, соединенный по текучей среде с разжимным отверстием для управления течением текучей среды в затрубное пространство и из него.
Кроме того, затрубный барьер может содержать вторую разжимную металлическую муфту в затрубном пространстве, разделяющую упомянутое затрубное пространство на первую часть и вторую часть, причем первая часть затрубного пространства соединена по текучей среде с разжимным отверстием, а вторая часть затрубного пространства соединена по текучей среде с затрубным пространством.
Кроме того, скважинная трубчатая металлическая конструкция может содержать множество отверстий, соединенных по текучей среде с одной и той же эксплуатационной зоной.
Настоящее изобретение также относится к способу подземного извлечения геотермальной энергии для извлечения тепла из подземного пласта с помощью вышеописанной подземной системы извлечения геотермальной энергии, включающему в себя этапы, на которых
- повышают давление в первой скважинной трубчатой металлической конструкции нагнетательной скважины для разжатия затрубных барьеров,
- обеспечивают соединение по текучей среде через нагнетательное отверстие в первой скважинной трубчатой металлической конструкции,
- разрывают эксплуатационную зону за счет повышения давления текучей среды разрыва, такой как текучая среда, имеющаяся в первой скважинной трубчатой металлической конструкции, или текучая среда разрыва, в первой скважинной трубчатой металлической конструкции,
- вводят рабочую текучую среду в первую скважинную трубчатую металлическую конструкцию нагнетательной скважины и затем в эксплуатационную зону, и
- извлекают нагретую рабочую текучую среду из эксплуатационной зоны.
Кроме того, перед этапом обеспечения соединения по текучей среде через нагнетательное отверстие в первой скважинной трубчатой металлической конструкции, первая скважинная трубчатая металлическая конструкция может быть перфорирована с образованием упомянутого нагнетательного отверстия.
Кроме того, перед этапом обеспечения соединения по текучей среде через нагнетательное отверстие в первой скважинной трубчатой металлической конструкции, нагнетательное отверстие может быть открыто, например, посредством выдвигания скользящей муфты из положения закрытия нагнетательного отверстия.
Вышеописанный способ подземного извлечения геотермальной энергии, в котором вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция может содержать первый затрубный барьер, может дополнительно включать этап, на котором во второй скважинной трубчатой металлической конструкции повышают давление для разжатия затрубных барьеров второй скважинной трубчатой металлической конструкции.
Кроме того, перед этапом повышения давления во второй скважинной трубчатой металлической конструкции для разжатия затрубных барьеров, вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция может быть перфорирована с образованием эксплуатационного отверстия.
Кроме того, перед этапом повышения давления во второй скважинной трубчатой металлической конструкции для разжатия затрубных барьеров, эксплуатационное отверстие второй скважинной трубчатой металлической конструкции может быть открыто, например, посредством выдвигания скользящей муфты из положения закрытия эксплуатационного отверстия.
Вышеописанный способ подземного извлечения геотермальной энергии может дополнительно включать этап, на котором эксплуатационную зону разрывают за счет повышения давления текучей среды во второй скважинной трубчатой металлической конструкции.
Вышеописанный способ подземного извлечения геотермальной энергии может дополнительно включать этап, на котором останавливают разрыв эксплуатационной зоны из первой скважинной трубчатой металлической конструкции во время разрыва из второй скважинной трубчатой металлической конструкции.
Вышеописанный способ подземного извлечения геотермальной энергии может дополнительно содержать этап, на котором регистрируют перепад давлений в первой скважинной трубчатой металлической конструкции при проведении разрыва эксплуатационной зоны из второй скважинной трубчатой металлической конструкции.
Кроме того, вышеописанный способ подземного извлечения геотермальной энергии может дополнительно включать этап, на котором закрывают первое нагнетательное отверстие и открывают второе нагнетательное отверстие.
Кроме того, вышеописанный способ подземного извлечения геотермальной энергии может дополнительно включать этап, на котором выполняют разрыв через второе нагнетательное отверстие.
Наконец, вышеописанный способ подземного извлечения геотермальной энергии может дополнительно включать этап, на котором перфорируют первую скважинную трубчатую металлическую конструкцию и/или вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию.
Настоящее изобретение и его многочисленные преимущества далее описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых показаны некоторые неограничивающие варианты осуществления настоящего изобретения и на которых
на фиг. 1 показан вид с частичным поперечным сечением подземной системы извлечения геотермальной энергии,
на фиг. 2 показан вид с частичным поперечным сечением другой подземной системы извлечения геотермальной энергии,
на фиг. 3 показан вид с частичным поперечным сечением еще одной подземной системы извлечения геотермальной энергии,
на фиг. 4 показан вид сверху подземной системы извлечения геотермальной энергии,
на фиг. 5 показан вид с частичным поперечным сечением подземной системы извлечения геотермальной энергии, показанной на фиг. 4,
на фиг. 6 показан схематичный вид сверху подземной системы извлечения геотермальной энергии, на котором показаны нагнетательная скважина и эксплуатационные скважины,
на фиг. 7 показан схематичный вид сверху другой подземной системы извлечения геотермальной энергии, на котором изображены как нагнетательные скважины, так и эксплуатационные скважины,
на фиг. 8 показан схематичный вид сверху другой подземной системы извлечения геотермальной энергии, на котором изображены как нагнетательные скважины, так и эксплуатационные скважины,
на фиг. 9 показано поперечное сечение затрубного барьера, и
на фиг. 10 показано поперечное сечение блока разжатия затрубного барьера.
Все чертежи выполнены весьма схематично, не обязательно выполнены в масштабе, и иллюстрируют только части, необходимые для понимания настоящего изобретения, причем другие части опущены или лишь предполагаются.
На фиг. 1 показана подземная система 1 извлечения геотермальной энергии для извлечения тепла из подземного пласта 2 в эксплуатационной области 100, имеющей одну или более эксплуатационных зон 101. Подземная система извлечения геотермальной энергии содержит нагнетательную скважину 3, содержащую первую скважинную трубчатую металлическую конструкцию 4, расположенную в первом стволе 5 скважины с образованием первого затрубного пространства 6 между стенкой первого ствола 5 скважины и первой скважинной трубчатой металлической конструкцией 4. Нагнетательная скважина 3 проходит от поверхности в подземный пласт и выполнена с возможностью нагнетания рабочей текучей среды через первое нагнетательное отверстие 7 в эксплуатационную зону 101 эксплуатационной области 100, определенной в подземном пласте, и, тем самым, получения нагретой рабочей текучей среды, которая затем поступает в первую эксплуатационную скважину 8, 8а. Первая эксплуатационная скважина 8 содержит вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию 9, расположенную во втором стволе 10 скважины с образованием второго затрубного пространства 11 между второй скважинной трубчатой металлической конструкцией 9 и стенкой второго ствола 10 скважины. Эксплуатационная скважина 8 проходит от поверхности в подземный пласт, в эксплуатационную область, и выполнена с возможностью извлечения нагретой рабочей текучей среды через первое эксплуатационное отверстие 12. Первая скважинная трубчатая металлическая конструкция нагнетательной скважины содержит первый затрубный барьер 20, 20а и второй затрубный барьер 20, 20b, выполненные с возможностью расширения и примыкания к стенке ствола скважины в первом затрубном пространстве для изоляции эксплуатационной зоны 101 в эксплуатационной области. Каждый затрубный барьер содержит трубчатую металлическую часть 21, установленную в качестве части первой скважинной трубчатой металлической конструкции. Причем упомянутая трубчатая металлическая часть имеет первое разжимное отверстие 22 и наружную поверхность 23. Затрубный барьер дополнительно содержит разжимную металлическую муфту 24, окружающую трубчатую металлическую часть и имеющую внутреннюю поверхность 25, обращенную к трубчатой металлической части, и наружную поверхность 26, обращенную к стенке первого ствола скважины и примыкающую к этой стенке. Таким образом, разжимные металлические муфты пластически деформируются и устанавливаются на постоянной основе в стволе скважине и не могут быть извлечены и повторно использованы и, следовательно, не могут быть сдуты и повторно разжаты в другом месте в скважине. Каждый конец 27, 28 разжимной металлической муфты соединен с трубчатой металлической частью, образующей затрубное пространство 29 между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты и трубчатой металлической частью. Разжимная металлическая муфта 24 выполнена с возможностью разжатия за счет введения текучей среды под избыточным давлением в затрубное пространство через первое разжимное отверстие 22. Первое нагнетательное отверстие расположено в первой скважинной трубчатой металлической конструкции между первым затрубным барьером 20, 20а и вторым затрубным барьером 20, 20b. При этом первая эксплуатационная зона расположена между первой скважинной трубчатой металлической конструкцией 4 и второй скважинной трубчатой металлической конструкцией 9, так что рабочая текучая среда, когда она протекает в разрывах, нагревается в пласте, и нагретую рабочую текучую среду извлекают во вторую скважинной трубчатой металлической конструкции через первое эксплуатационное отверстие. На поверхности подземная система извлечения геотермальной энергии соединена по текучей среде с системой 51а централизованного теплоснабжения (показана на фиг. 1) для распределения нагретой текучей среды конечным потребителям и/или установке 51b для превращения тепла в электроэнергию (показана на фиг. 2) для превращения тепла в электроэнергию.
Наличие первого и второго затрубных барьеров обеспечивает то, что процесс разрыва может быть выполнен с использованием меньшего давления текучей среды разрыва и, таким образом, разрыв осуществляют более направленным образом, поскольку текучую среду разрыва направляют к пласту, находящемуся только в этой зоне. Кроме того, одновременно может быть разорвана одна эксплуатационная зона, вместо одновременного разрыва всех зон. При разрыве с помощью существенно более низкого давления разрыва текучей среды разрыва разрывают только пласт в эксплуатационной зоне между первым стволом скважины и вторым стволом скважины, в отличие от того, что имеет место в известных из уровня техники системах, в которых процесс разрыва приводит к существенно большей площади разрыва в других направлениях, нежели только в направлении эксплуатационной скважины. Это приводит к значительно более высокому риску возникновения сейсмической активности и, кроме того, пласт повреждается существенно более сильно и увеличивается опасность обрушения пласта.
В некоторых решениях уровня техники затрубное пространство между скважинной трубчатой металлической конструкцией и стенкой ствола скважины цементируют, а затем выполняют разрывы посредством изоляции секции внутри скважинной трубчатой металлической конструкции и повышения давления в этой секции для выполнения разрывов через цемент. Для этой операции необходимо очень высокое давление, чтобы имелась возможность разрыва также цемента, и этот процесс отнимает много времени, поскольку необходимо некоторое время, чтобы повысить давление в секции, а затем сбросить давление, чтобы переместить инструмент в следующую секцию для повышения давления в этой секции и так далее. Кроме того, операция цементирования также занимает много времени и, кроме того, не исключен риск неполного заполнения затрубного пространства и, соответственно, опасность недостаточной степени герметизации затрубного пространства. Если операция цементирования выполнена некачественно, существует большой риск того, что процесс разрыва не будет успешно проведен, после чего вся скважина должна быть затампонирована и ликвидирована. Использование предложенного решения с затрубными барьерами, разжимаемыми за один проход, устраняет риск неудачной операции цементирования и, соответственно, неудачного разрыва. Если один затрубный барьер не смог разжаться, этот затрубный барьер можно разжать отдельно с помощью инструмента. Кроме того, упомянутый процесс разрыва не требует энергия для разрыва цемента, поскольку предложенное решение не предусматривает использование цемента. Таким образом, благодаря решению без использования цемента, давление разрыва в соответствии с настоящим изобретением ниже, чем в известных решениях, в которых используют цемент, и, следовательно, решения с использованием цемента обладают большей опасностью создания слишком высокой сейсмической активности.
Подземная система извлечения геотермальной энергии в соответствии с настоящим изобретением представляет собой металлическую систему, которая очень легко проводит тепло и не теряет со временем своих рабочих характеристик по сравнению с резиновыми, цементными, эластомерными или полимерными материалами.
Наличие затрубных барьеров, примыкающих к стенке ствола скважины, обеспечивает то, что эксплуатационные зоны изолируют по существу одновременно с помощью простого решения, за счет повышения давления в скважинной трубчатой металлической конструкции и по существу одновременного разжатия разжимных металлических муфт затрубных барьеров без использования инструмента. Эксплуатационные и/или нагнетательные отверстия могут быть впоследствии открыты или выполнены посредством перфорирования.
Затрубные барьеры расположены снаружи скважинной трубчатой металлической конструкции и, таким образом, центрируют скважинную трубчатую металлическую конструкцию в стволе скважины.
Как показано на фиг. 2, вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция подземной системы извлечения геотермальной энергии содержит первый затрубный барьер 20, 20а и второй затрубный барьер 20, 20b. Процесс разрыва затем может быть также частично выполнен из эксплуатационной скважины, например, одновременно с разрывом из нагнетательной скважины или после него. При разрыве как из нагнетательной скважины 3, так и из эксплуатационной скважины 8 процесс разрыва может быть еще более «щадящим», поскольку разрыв может быть направлен непосредственно к другой скважине. По сравнению с другими известными решениями, разрывается только значительно меньшая зона, поскольку давление разрыва может быть еще ниже из-за того, что текучая среда разрыва должна проходить только через пласт или эксплуатационную зону и, соответственно, давление может быть значительно снижено, по сравнению с разрывов, выполняемым лишь из одной нагнетательной скважины.
Как показано на фиг.3, подземная система извлечения геотермальной энергии содержит вторую эксплуатационную скважину 8b, имеющую вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию 9b и первое эксплуатационное отверстие 12b. Таким образом, одну нагнетательную скважину используют для нагнетания рабочей текучей среды к двум эксплуатационным скважинам, что существенно усиливает образование нагретой рабочей текучей среды. Таким образом, эксплуатационная область больше, чем в системе, показанной на фиг. 1. Как можно видеть, скважинная трубчатая металлическая конструкция содержит вторые затрубные барьеры 20, 20с, изолирующие вторую эксплуатационную зону 102 в эксплуатационной области. Таким образом, каждая из скважинных трубчатых металлических конструкций может содержать множество затрубных барьеров, выполненных с возможностью изоляции множества эксплуатационных зон 101, 102, 103, как показано на фиг. 5. В соответствии с фиг.5, нагнетательная скважина 3 расположена между первой эксплуатационной скважиной 8а и второй эксплуатационной скважиной 8b. Нагнетательная скважина и эксплуатационные скважины имеют вертикальную часть 14 и горизонтальную часть 15. Каждая нагнетательная скважина и/или эксплуатационная скважина дополнительно содержит (содержат) по меньшей мере один боковой отвод 16, выходящий из основной части 40 скважины, причем боковой отвод содержит боковую скважинную трубчатую металлическую конструкцию 17, соединенную по текучей среде со скважинной трубчатой металлической конструкцией в основной части 40 скважины. Боковые отводы нагнетательной скважины и эксплуатационной скважины (эксплуатационных скважин) предусмотрены на разных глубинах в подземном пласте, так что эксплуатационная область имеет большую протяженность в вертикальном направлении, по сравнению с системой, показанной на фиг. 3.
Как показано на фиг. 4, упомянутая система содержит одну нагнетательную скважину 3 и множество эксплуатационных скважин 8, окружающих нагнетательную скважину. При использовании подземной системы извлечения геотермальной энергии, содержащей одну нагнетательную скважину и множество эксплуатационных скважин, первая скважинная трубчатая металлическая конструкция имеет внутренний диаметр, превышающий диаметр второй скважинной трубчатой металлической конструкции, как показано на фиг. 4. Как показано на фиг. 4 и 5, эксплуатационная скважина 8 расположена на заданном расстоянии от нагнетательной скважины 3. Между тем, система с фиг. 5 содержит множество нагнетательных скважин и множество эксплуатационных скважин.
Как показано на фиг. 3, первая скважинная трубчатая металлическая конструкция и/или вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция могут содержать устройство 42 управления потоком. Наличие устройств 42 управления потоком обеспечивает то, что одно устройство 42 управления потоком может быть открыто одновременно с разрывом эксплуатационной зоны, и таким образом давление разрыва может быть значительно снижено, чтобы избежать сильной сейсмической активности, поскольку процесс разрыва происходит только через одно нагнетательное отверстие и/или через одно эксплуатационное отверстие одновременно в каждой скважине. Подземная система извлечения геотермальной энергии дополнительно содержит насос 50 для регулирования давления текучей среды разрыва и рабочей текучей среды в первой скважинной трубчатой металлической конструкции. Таким образом, насос выполнен с возможностью регулирования скорости рабочей текучей среды, протекающей в подземной системе.
Как можно видеть на фиг. 3, подземная система извлечения геотермальной энергии дополнительно содержит средство 53 регулирования устройств управления потоком, чтобы избирательно открывать или закрывать эксплуатационную зону, например, во время разрыва, а также в процессе эксплуатации, так что только текучая среда нагревается в каждой эксплуатационной зоне и только некоторые из эксплуатационных зон используются одновременно. Вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция содержит экран 54, выполненный с возможностью фильтрования нагретой рабочей текучей среды перед поступлением нагретой рабочей текучей среды во вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию 9. Упомянутое средство 53 может представлять собой самодвижущийся приводной блок и, кроме того, может быть использовано для выдвигания муфты 61 (показана на фиг. 9) для открытия нагнетательного отверстия 7 и/или эксплуатационного отверстия 12.
Нагнетательная скважина 3 и эксплуатационные скважины 8 могут дополнительно содержать множество боковых отводов 16 в разных положениях вдоль протяженности первой скважинной трубчатой металлической конструкции и второй скважинной трубчатой металлической конструкции, как показано на фиг. 6. Эксплуатационные скважины 8 показаны пунктирными линиями, а нагнетательная скважина 3 показана сплошными линиями. Нагнетательная скважина 3 и эксплуатационные скважины 8 могут дополнительно содержать множество боковых отводов 16 в разных положениях вдоль вертикальной протяженности скважин, как показано на фиг.5.
Затрубный барьер может содержать клапан 36, соединенный по текучей среде с разжимным отверстием 22, как показано на фиг. 9. Клапан 36 может быть двухходовым клапаном или трехходовым клапаном. При разжатии затрубного барьера клапан 36 обеспечивает соединение по текучей среде скважинной трубчатой металлической конструкции и пространства 29 и обеспечивает наличие соединения по текучей среде между указанным пространством и затрубным пространством после разжатия. При разжатии затрубных барьеров за счет повышения давления в скважинной трубчатой металлической конструкции отверстие 7 закрыто благодаря тому, что муфта 61 смещена для закрытия этого отверстия. Перед выполнением разрыва муфту 61 смещают в показанное положение, в котором она больше не закрывает упомянутое отверстие. При разрыве пласта давление в затрубном пространстве, ограниченном затрубными барьерами, может превышать давление в пространстве 29, и затрубный барьер содержит блок 31 разжатия, содержащий клапан. Блок 31 разжатия имеет первое впускное отверстие 32, соединенное по текучей среде с разжимным отверстием, второе впускное отверстие 33, соединенное по текучей среде с первой зоной, и выпускное отверстие 34, соединенное по текучей среде с затрубным пространством. Как показано на фиг. 9 и 10, блок 31 разжатия содержит элемент 35, выполненный с возможностью перемещения по меньшей мере между первым положением и вторым положением. В первом положении разжимное отверстие соединено по текучей среде с выпускным отверстием и давление в трубчатой конструкции превышает первое давление, а во втором положении выпускное отверстие соединено по текучей среде с первой эксплуатационной зоной 101 и первое давление Р1 превышает давление TP в трубчатой конструкции. Блок 31 разжатия может содержать золотниковый клапан, как показано на фиг. 10, причем упомянутый элемент 35 находится в упомянутом золотниковом клапане.
Тепло извлекают из подземного пласта для того, чтобы обеспечивать теплом, например, здания или преобразовывать тепло в другую форму энергии, такую как электроэнергию. Тепло извлекают из подземного пласта посредством подземной системы извлечения геотермальной энергии за счет повышения давления в первой скважинной трубчатой металлической конструкции нагнетательной скважины для расширения затрубных барьеров и, тем самым, создания изоляционных зон. Затем обеспечивают соединение по текучей среде через нагнетательное отверстие в первой скважинной трубчатой металлической конструкции, например, посредством открытия клапана или посредством перфорирования скважинной трубчатой металлической конструкции перфорационным пистолетом. Затем разрывают эксплуатационную зону за счет повышения давления в первой скважинной трубчатой металлической конструкции, например, с помощью текучей среды разрыва, содержащей расклинивающие наполнители, которые поступают в создаваемые разрывы и остаются в них, чтобы удерживать разрывы открытыми. Затем вводят рабочую текучую среду в первую скважинную трубчатую металлическую конструкцию нагнетательной скважины и далее в эксплуатационную зону. После прохождения эксплуатационной зоны нагретую рабочую текучую среду извлекают из эксплуатационной зоны.
В системе, в которой вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция содержит затрубные барьеры, во второй скважинной трубчатой металлической конструкции также повышают давление для расширения упомянутых затрубных барьеров.
Для еще большего снижения давления разрыва, эксплуатационная зона также может быть разорвана из эксплуатационной скважины за счет повышения давления текучей среды во второй скважинной трубчатой металлической конструкции. Перед началом процесса разрыва из эксплуатационной скважины процесс разрыва из первой скважинной трубчатой металлической конструкции может быть остановлен во время разрыва из второй скважинной трубчатой металлической конструкции, так что когда регистрируют перепад давлений в нагнетательной скважине, разрывы проходят поперек эксплуатационной зоны и процесс разрыва может быть прекращен.
При наличии множества эксплуатационных зон, и после разрыва первой эксплуатационной зоны, первое нагнетательное отверстие закрывают, открывают второе нагнетательное отверстие и начинают разрыв через второе нагнетательное отверстие.
Подземная система 1 извлечения геотермальной энергии, показанная на фиг.7, содержит множество нагнетательных скважин 3 и множество эксплуатационных скважин 8, расположенных параллельно, проходящих от установки 51 и выходящих в подземный пласт. Упомянутая установка представляет собой систему 51а централизованного теплоснабжения (показанную на фиг. 1) для распределения нагретой текучей среды конечным потребителям и/или тепловой установке 5lb для получения электроэнергии (показанной на фиг. 2) для превращения тепла в электричество. Все скважины проходят от установки 51 и выходят в пласт и, соответственно, могут быть выполнены очень длинными и охватывать очень большую эксплуатационную область, по сравнению с вариантом с фиг. 1. Скважины могут быть выполнены в одной горизонтальной плоскости и пробурены перпендикулярно плоскости максимального напряжения так, что разрывы создаются перпендикулярно протяженности скважин и, соответственно, разрывы создаются в плоскости максимального напряжения, что приводит к более контролируемому разрыву. При проектировании подземной системы извлечения геотермальной энергии, чтобы горизонтальные части скважин были выполнены на одном вертикальном уровне и, таким образом, в одной плоскости, разрывы выполняют в слое пласта одного типа и, таким образом, разрывы могут быть выполнены более контролируемым образом, поскольку энергия, необходимая для создания разрывов, будет примерно одинаковой. Кроме того, конструкция системы, в которой все скважины проходят от установки, позволяет покрыть 1000 км2 пласта и создать подземную систему извлечения геотермальной энергии с очень большой пропускной способностью без использования очень большой установки 51. Эксплуатационные скважины расположены так, что между ними размещена нагнетательная скважина и соблюдается одинаковое взаимное расстояние d.
Показанная на фиг. 8 подземная система извлечения геотермальной энергии содержит две нагнетательные установки 51 с и расположенную между ними эксплуатационную установку 51, так что нагнетание происходит на удалении от места эксплуатации, и не нагретую рабочую текучую среду транспортируют к нагнетательным установкам, а нагретую рабочую текучую среду извлекают в той же установке, в которой нагретую рабочую текучую среду используют для преобразования в электроэнергию или распределяют между конечными пользователями.
Под скважинной трубчатой металлической конструкцией понимается любой тип трубы, трубчатого элемента, трубопровода, хвостовика, колонны труб из металла и т.п., используемый под землей для подземного извлечения геотермальной энергии.
Хотя настоящее изобретение описано на примере предпочтительных вариантов осуществления, для специалиста в данной области техники является очевидным, что возможно множество модификаций данного изобретения, не выходящих за пределы объема правовой охраны изобретения, определенного нижеследующей формулой изобретения.
1. Подземная система (1) извлечения геотермальной энергии для извлечения тепла из подземного пласта (2), содержащая
нагнетательную скважину (3), содержащую первую скважинную трубчатую металлическую конструкцию (4), расположенную в первом стволе (5) скважины с образованием первого затрубного пространства (6) между ними, и проходящую от поверхности в подземный пласт и выполненную с возможностью нагнетания рабочей текучей среды через первое нагнетательное отверстие (7) в эксплуатационную область (100), определенную в подземном пласте, и, тем самым, получения нагретой рабочей текучей среды, и
первую эксплуатационную скважину (8), содержащую вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию (9), расположенную во втором стволе (10) скважины с образованием второго затрубного пространства (11) между ними, и проходящую от поверхности в упомянутый подземный пласт, в упомянутую эксплуатационную область, и выполненную с возможностью извлечения нагретой рабочей текучей среды через первое эксплуатационное отверстие (12),
причем первая скважинная трубчатая металлическая конструкция нагнетательной скважины содержит первый затрубный барьер (20, 20а) и второй затрубный барьер (20, 20b), выполненные с возможностью разжатия в первом затрубном пространстве для примыкания к стенке первого ствола скважины для изоляции эксплуатационной зоны (101) в упомянутой эксплуатационной области, при этом каждый затрубный барьер содержит:
трубчатую металлическую часть (21), установленную в качестве части первой скважинной трубчатой металлической конструкции и имеющую первое разжимное отверстие (22) и наружную поверхность (23),
разжимную металлическую муфту (24), окружающую трубчатую металлическую часть и имеющую внутреннюю поверхность (25), обращенную к упомянутой трубчатой металлической части, и наружную поверхность (26), обращенную к стенке ствола скважины, причем каждый конец (27, 28) разжимной металлической муфты соединен с трубчатой металлической частью, и
затрубное пространство (29) между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты и трубчатой металлической частью, причем разжимная металлическая муфта выполнена с возможностью разжиматься так, что она примыкает к стенке первого ствола скважины, путем введения текучей среды под давлением в затрубное пространство через первое разжимное отверстие,
при этом первое нагнетательное отверстие (7) расположено в первой скважинной трубчатой металлической конструкции (4) между первым затрубным барьером (20, 20а) и вторым затрубным барьером (20, 20b), и эксплуатационная зона (101) расположена между первой скважинной трубчатой металлической конструкцией (4) и второй скважинной трубчатой металлической конструкцией (9), так что обеспечивается возможность извлечения нагретой рабочей текучей среды во вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию (9) через первое эксплуатационное отверстие (12).
2. Система по п. 1, в которой вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция (9) содержит первый затрубный барьер (20, 20а) и второй затрубный барьер (20, 20b).
3. Система по п. 1 или 2, содержащая вторую эксплуатационную скважину (8b), имеющую вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию (9b) и первое эксплуатационное отверстие (12b).
4. Система по любому из пп. 1-3, в которой первая скважинная трубчатая металлическая конструкция (4) содержит дополнительные затрубные барьеры (20, 20с), изолирующие вторую эксплуатационную зону (102) в эксплуатационной области.
5. Система по любому из пп. 1-4, в которой нагнетательная скважина (3) и эксплуатационная скважина (8) имеют вертикальную часть (14) и горизонтальную часть (15).
6. Система по любому из пп. 1-5, в которой первая скважинная трубчатая металлическая конструкция (4) и/или вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция (9) содержат/содержит по меньшей мере одно устройство (42) управления потоком.
7. Система по любому из пп. 1-6, дополнительно содержащая насос (50), выполненный с возможностью регулирования давления рабочей текучей среды в первой скважинной трубчатой металлической конструкции (4).
8. Система по пп. 4 и 6, дополнительно содержащая средство регулирования устройств (42) управления потоком для обеспечения возможности избирательного нагрева текучей среды в каждой эксплуатационной зоне (101, 102) так, чтобы одновременно использовалась только часть упомянутой эксплуатационной области.
9. Система по любому из пп. 1-8, в которой нагнетательная скважина (3) и/или эксплуатационная скважина (8) дополнительно содержат/содержит по меньшей мере один боковой отвод (16), выходящий из основной части скважины (3, 8) и содержащий боковую скважинную трубчатую металлическую конструкцию (17), соединенную по текучей среде со скважинной трубчатой металлической конструкцией (4, 9) в основной части скважины (3, 8).
10. Система по любому из пп. 1-9, содержащая нагнетательную скважину (3) и множество эксплуатационных (8, 8a-h) скважин, окружающих нагнетательную скважину (3).
11. Способ подземного извлечения геотермальной энергии для извлечения тепла из подземного пласта (2) с помощью подземной системы (1) извлечения геотермальной энергии по любому из пп. 1-10, в котором
повышают давление в первой скважинной трубчатой металлической конструкции нагнетательной скважины для разжатия затрубных барьеров,
обеспечивают соединение по текучей среде через нагнетательное отверстие в первой скважинной трубчатой металлической конструкции,
разрывают эксплуатационную зону путем повышения давления текучей среды, такой как текучая среда, имеющаяся в первой скважинной трубчатой металлической конструкции, или текучая среда разрыва, в первой скважинной трубчатой металлической конструкции,
вводят рабочую текучую среду в первую скважинную трубчатую металлическую конструкцию нагнетательной скважины и затем в эксплуатационную зону, и
извлекают нагретую рабочую текучую среду из эксплуатационной зоны.
12. Способ по п. 11, в котором, перед тем как обеспечить соединение по текучей среде через нагнетательное отверстие в первой скважинной трубчатой металлической конструкции, перфорируют первую скважинную трубчатую металлическую конструкцию с образованием упомянутого нагнетательного отверстия.
13. Способ по п. 11, в котором, перед тем как обеспечить соединение по текучей среде через нагнетательное отверстие в первой скважинной трубчатой металлической конструкции, открывают нагнетательное отверстие, например, посредством выдвигания скользящей муфты (61) из положения закрытия нагнетательного отверстия.
14. Способ по любому из пп. 11-13, в котором вторая скважинная трубчатая металлическая конструкция (9) содержит первый затрубный барьер (20, 20а) и второй затрубный барьер (20, 20b), причем в упомянутом способе дополнительно повышают давление во второй скважинной трубчатой металлической конструкции для разжатия затрубных барьеров второй скважинной трубчатой металлической конструкции (9).
15. Способ по п. 11, в котором, перед тем как повысить давление во второй скважинной трубчатой металлической конструкции для разжатия затрубных барьеров, перфорируют вторую скважинную трубчатую металлическую конструкцию с образованием эксплуатационного отверстия.
16. Способ по п. 11, в котором перед, тем как повысить давление во второй скважинной трубчатой металлической конструкции для разжатия затрубных барьеров, открывают эксплуатационное отверстие второй скважинной трубчатой металлической конструкции, например, путем выдвигания скользящей муфты (61) из положения закрытия эксплуатационного отверстия.
17. Способ по любому из пп. 11-16, в котором дополнительно разрывают эксплуатационную зону путем повышения давления текучей среды во второй скважинной трубчатой металлической конструкции.
18. Способ по п. 17, в котором дополнительно останавливают разрыв эксплуатационной зоны из первой скважинной трубчатой металлической конструкции при проведении разрыва из второй скважинной трубчатой металлической конструкции.
19. Способ по п. 18, в котором дополнительно регистрируют перепад давлений в первой скважинной трубчатой металлической конструкции при проведении разрыва эксплуатационной зоны из второй скважинной трубчатой металлической конструкции.
