СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ ЗЕМЛИ И ДОБЫЧИ МИНЕРАЛОВ В ЗОНЕ ОСЛАБЛЕННОЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ Российский патент 1996 года по МПК F24J3/08 

Известен так называемый способ хот-драй-рок (горячей сухой скалы), который был разработан в шестидесятые годы учеными лаборатории Лос Аламос, штат Нью-Мексико, США, для создания больших площадей нагрева в горячих сухих кристаллических горных породах для использования тепла Земли. Этот способ хот-драй-рок своим названием описывает предложение искусственно создавать в горячих сухих горных породах, в которых нет естественного поступления воды с поверхности Земли или из других источников, зоны растрескивания, сообщающиеся одна с другой, чтобы по возможности использовать теплоту Земли в местах, где имеются аномалии теплоты Земли, но невозможно получение естественного горячего пара, как это имеет место в классических местах использования теплоты Земли.

Процесс хот-драй-рок основан на способе "гайдро-Фрэк", который, например, в нефтедобывающей промышленности используется уже 30 лет, чтобы активировать добычу нефти и газа в иссякающих месторождениях. По этому способу хот-драй-рок нижняя часть скважины, где нужно получить растрескивание породы, закупоривают по направлению вверх и подвергают высокому гидравлическому давлению, чтобы под действием эффекта гайдро-Фрэк взломать окружающую породу. Давление воды должно значительно превысить прочность подлежащей раскалыванию породы на сдвиг, чтобы порода растрескалась и образовались бы длинные трещины с большим объемом для нагревания воды.

Этот способ проходил испытания в местности Фентон Хилл вблизи Лос Аламоса, США, и был успешен до глубин 3000 м. Однако эксперимент на глубине 4000 м после первоначального успеха оказался неудачным, так как устройство подачи давления в нижней части скважины отказало при высоком необходимом давлении воды. Так как прочность породы на срез с возрастанием нагрузки сверху возрастает, способ хот-драй-рок имеет свои границы по глубине, где прочность породы на срез получается выше, чем технически достижимые давления в запечатанной с помощью так называемых "пакеров" скважине. Как показывают измерения в глубинных скважинах и сейсмические исследования, имеются большие отклонения от в общем линейной зависимости прочности на сдвиг в породе при возрастании нагрузки сверху. В некоторых слоях прочность на сдвиг по временам возрастает непропорционально сильно. Так, на глубине 3000 м она может временами доходить до 2000 бар. Такие неустойчивые нарастания прочности на сдвиг добавочно ограничивают применимость способа хот-драй-рок. Новейшие геологические сведения, сейсмические исследования и результаты так называемого Кольского сверхглубокого бурения на советском Кольском полуострове, где в течение 17 лет дошли до глубины 13,600 м, показывают, что прочность на сдвиг пород континентальной земной коры от временного резкого возрастания, которое является не определяющим, как правило, до 13 км глубины линейно возрастает с глубиной, чтобы затем внезапно и резко снизиться в отношении к весу вышележащих слоев, на глубине примерно 30 км. Объясняется это явление и поведение кристаллических пород потерей воды кристаллизации при действующих на этих глубинах температурах и давлениях, за счет чего возникает естественный процесс типа майкро-фрэк, который до этого компактную породу заставляет растрескиваться тонкими трещинами, и при этом резко падает прочность на сдвиг.

Эту область мелких трещин континентальной земной коры с уменьшенной прочностью на сдвиг в кругах специалистов называют зоной слабости, имеющей уже в верхней области температуру около 500^oС. На глубине примерно 30 км температура достигает величин порядка выше 1000^oС.

Задачей изобретения является создание на основе этой теории способа использования тепла Земли высокого качества (перегретая вода примерно при 500^oС) и необходимого количества, а также добыча встречающихся там минералов в зоне слабости, что возможно в любом месте Земли при небольших затратах.

Решается эта задача способом общего использования тепла Земли и добычи минералов в зоне слабости, который отличается тем, что на этой глубине от 13 до 30 км континентальной литосферы, где прочность породы на сдвиг внезапно резко падает по отношению к давлению вышележащих слоев, с использованием гидростатического давления водяного столба с достигающей этой глубины облицованной устойчивыми к давлению трубами скважине и с добавлением еще нехватающего остаточного давления посредством закачивания воды под давлением с поверхности в эту скважину с холодной водой, служащую шахтой, так что получается желаемый процесс гайдро-фрэк для раскалывания достаточно большой зоны нагрева с горячей породы со сниженной прочностью на сдвиг, и что закачанная вода после нагрева в расколотой породе выходит через по меньшей мере еще одну, находящуюся на расстоянии от первой, скважину, являющуюся выходной скважиной, с выводом на поверхность земли, где тепло ее используется или же выделяются содержащие в ней минералы.

Этим решается сейчас еще нерешенная техническая задача создания больших поверхностей нагрева на больших глубинах, причем именно посредством использования бурения расплавлением по патенту ФРГ N 2554101 C2 и международной заявки РСТ /E 88/0013 эту зону слабости можно достичь скважинами большого диаметра. Скважина до последних двух километров глубины, которые должны быть расколоты процессом гайдро-фрэк, имеет облицовку трубами большой прочности, и раскрыв расколотых уже геологическими процессами горячих пород в этой зоне слабости возможен уже под давлением столба холодной воды. Величина диаметра скважины, которая достижима лишь посредством упомянутой технологии бурения расплавлением, играет здесь важную двойную роль.

1. Существует закономерная зависимость между диаметром скважины и длиной трещин, исходящих от скважины под действием процесса гайдро-фрэк в горячей породе, и, таким образом, величиной раскрываемого геотермического резервуара. По теперешним представлениям трещины распространяются примерно на 600-кратную величину диаметра скважины.

2. Диаметр скважины является мерой для расхода через нее и для способности скважины выполнять функцию суточного накопителя, чтобы без проблем обеспечивать покрытие колебаний расхода за сутки.

По аналогии к понятию "хот-драй-рок" предлагаемый способ назовем способом "хот-вик-рок" (горячая слабая скала). Первая, к примеру, проходимая по способу расплавления скважина по патенту ФРГ 2554101 С2 и международной заявке РСТ /88/00013 предназначена для использования в качестве шахты с холодной водой. Эта шахта достигает глубины между примерно 13 и 15 км, т.е. в так называемую зону слабости, и бурится предпочтительно с диаметром от одного до двух метров. Периферийно относительно этой скважины центральной шахты с холодной водой бурятся дополнительные скважины диаметром примерно один метр в качестве подающих шахт на расстоянии примерно 100 м от центральной скважины. Эти подающие шахты в процессе бурения с выгодой отклоняют в сторону от центральной примерно на 100 м, чтобы на глубине охватить максимально возможную площадь нагрева. Такое отклонение на 1000 м при глубине 15 км достигается без проблем, так как при бурении уже упомянутой кольской скважины с использованием ротационной технологии, которая имеет ограниченные возможности по управлению отклонением, по необходимости пришлось отклониться на 840 м, хотя и стремились избежать этого отклонения. Длины образовавшихся по процессу "Гайдpофэк") трещин, достигающие примерно шестисоткратного диаметра скважины, тогда достаточно раскроют область между скважинами. Все скважины армируются стальными трубами на глубину примерно 13 км, примерно до расстояния 2 км от нижнего конца скважины. Такая облицовка стальными трубами является известным уровнем техники. По меньшей мере верхняя половина скважины, служащей для выдачи, получает термоизоляцию. Нижние, не облицованные стальными трубами, концы скважин служат для получения больших площадей нагрева по способу гайдро-фрэк в горячей породе. На поверхности выдающие шахты через теплообменную установку соединены с центральной шахтой с холодной водой. Теплообменная установка сконструирована так, что сначала используется пик температуры для использования технического пара в хозяйстве из перегретой геотермальной воды с температурой выше 300^oС и в заключение покрывается потребность в электроэнергии, составляющая лишь малую часть всей получаемой энергии, основную часть которой покрывает прямое использование тепла, в виде горячей воды для промышленности, сельского хозяйства и для обогрева жилья. Способ запускают, закрыв сначала все запорные задвижки в теплообменной установке, и все имеющиеся шахты заполняют с помощью насосов под давлением холодной водой. Породы в глубине зоны слабости имеют столь малую прочность на сдвиг за счет естественного процесса гайдро-фрэк на этих глубинах, что почти достаточно будет лишь гидростатического давления стоящего в центральной шахте столба холодной воды, чтобы вызывать явление эффекта гайдро-фрэк у основания скважин. Для раскалывания пород и создания больших площадей нагрева, а также поддержания их в раскрытом состоянии поэтому потребуются лишь небольшие давления. Инициировать процесс гайдро-фрэк, начинающийся при давлениях примерно 1500 1700 бар, можно посредством гидростатического давления в столбе воды высотой 15 км и добавочного давления от насосов примерно 200 бар. Фрэк-эффект будет поддерживаться до тех пор, пока не образуется достаточно большой резервуар и не установится связь через трещины между отдельными шахтами на глубине. После достижения этого состояния за исключением центральной шахты, подача воды в остальные прекращается, а вентили в теплообменной установке открывают. Под давлением продолжающейся подачи воды в центральную шахту из остальных выжимается перегретая геотермальная вода, которая вытесняет верхний слой еще прохладной воды через теплообменную установку к подающим насосам в центральную шахту, за счет чего и начинается получение энергии, пока постепенно после вытеснения холодной воды из подающих скважин не будет достигнут желаемый уровень получения энергии при отсутствии перехода перегретой воды в паровую фазу, что вызвало бы появление осадков на стенках подающих шахт. Также и в перегретой геотермальной воде нужно бороться с возможным осаждением осадков за счет предусмотрения заряженных электродов в контуре обращения, для сосредоточения ионного обмена на них, в предусмотренных для этого агрегатах, где будут выделяться ценные минералы и газы, и даже благородные металлы из геотермальной жидкости. В сильно минерализованных геотермальных водах получение энергии может стать вторичным процессом, а добыча минералов основным, так что получение энергии и руды будут ветвями одного комплекса установок.

Способ по изобретению, отличающийся использованием гидростатического давления столба воды в скважине, может также расширить эффективный радиус действия известного процесса хот-драй-рок за счет развиваемых при этом давлений, если предусмотреть соответствующее стальное армирование скважин. Новый способ дает возможность работать в замкнутом геотермическом контуре, чтобы в биосферу и атмосферу не попадали вредные вещества, так что вода из скважины или скважин с горячей водой через теплообменник в конечном счете соединяется с водой, подаваемой в шахту холодной воды через замкнутый трубопровод под давлением. Таким образом, геотермальная вода после отбора из нее тепла прямо возвращается в шахту холодной воды с добавлением некоторого количества свежей воды для компенсации потерь, под значительным добавочным давлением, которое необходимо для поддержания или инициации образования трещин по процессу гайдро-фрэк в рабочем резервуаре на глубине. Этот экологический аспект является решающим фактором для использования тепла Земли, так как на поверхность не выводятся вредные вещества, а осаждение растворенных в геотермальной воде веществ, как и в естественных геологических процессах, происходит в охлажденных верхних областях растрескавшихся горных пород резервуара. Еще одним важным экологическим аспектом является устройство вторичного энергетического контура без охлаждающей градирни, чтобы предотвратить дальнейший разогрев атмосферы отходящим теплом. Это становится возможным за счет вывода энергии на достаточное количество потребителей, соединенных с геотермальной установкой, которые потребляют большое количество низкотемпературной воды, тогда как сейчас, особенно в больших обычных и атомных энергетических установках, тепло просто выпускают в атмосферу. Остаточное тепло дальних отопительных систем используется в теплицах и водных установках для выращивания полезных растений и животных, снабжающих население окружающих геотермальную установку районов. Подземный тепловой резервуар, кроме того, очень гибок, в особенности, если вокруг центральной шахты с холодной водой под давлением на соответствующих расстояниях находится несколько периферийных геотермальных подающих шахт, которые могут временно хранить перегретую воду. Заполненные перегретой гетермальной водой подающие шахты могут таким образом служить аккумуляторами на короткое время для выравнивания суточных колебаний пиков потребления, или вся установка может служить аккумулятором на длительное время за счет чего можно выравнивать сильно меняющееся по сезонам потребление энергии без ввода добавочных установок.

Преимущества способа хот-вик-рок многообразны и складываются из следующего.

1. Тепло Земли по способу хот-вик-рок может использоваться в любой точке земли, не так, как по способу хот-драй-рок, только в выбранных местах с нужными для такого способа тепловыми аномалиями.

2. По способу хот-вик-рок можно получать высококачественную энергию в качестве промышленного пара в количестве на квадратный метр площади установки, недостижимом для известных ранее способов.

3. За счет облицовки стальными трубами скважин и наличия чрезвычайно прочных верхних слоев породы возможность прорыва на поверхность используемого подземного резервуара сведена к минимуму.

4. Энергетическая производительность реализованного таким образом геотермического резервуара возрастает со сроком эксплуатации как по качеству, так и по количеству. Это фантастическое явление обуславливается, во-первых, поведением перегретой воды, которая согласно законам вязкости течет всегда к самой горячей точке, так что однажды введенный в эксплуатацию резервуар тепла Земли самостоятельно расширяется на все более глубокие и более горячие зоны, и, во-вторых, за счет постоянно происходящего освобождения энергии вследствие термонапряжений, которые возникают вследствие охлаждения однажды раскрытых в процессе гайдро-фрэк резервуара тепла Земли в его породах.

Использование: для получения горячего пара в горячих сухих горных породах, в которых нет естественного поступления воды с поверхности земли. Сущность изобретения: на глубине от 13 до 30 км континентальной литосферы выполняют скважину, облицованную стальными трубами и закачивают в нее холодную воду, которая поле поглощения тепла в расщепленных породах подается наверх через другую скважину, находящуюся на расстоянии от первой, и на поверхности используют накопленное тепло или добывают из воды минералы. 4 з.п.ф-лы.

1. Способ использования тепла Земли и добычи минералов в зоне ослабленной земной коры, т.е. на глубине от 13 до 30 км континентальной литосферы, в которой прочность на сдвиг пород по сравнению с приложенным сверху давлением неожиданно резко снижается, отличающийся тем, что при использовании гидростатического давления водяного столба в достигающей этих глубин, полученной с помощью бурения плавлением скважине, имеющей по меньшей мере один метр в диаметре и доходящей до зоны ослабленной земной коры, облицованной выдерживающими это давление стальными трубами, и при добавлении недостающего еще давления посредством закачивания воды под давлением с поверхности в эту действующую в качестве шахты давления холодной воды скважину, создают такое давление воды, что получают гайдро-фрэк для расщепления достаточно большой зоны нагрева в горячей породе с уменьшенной прочностью на сдвиг, и закачанную воду после поглощения тепла в расщепленной породе подают через одну по меньшей мере дополнительную скважину, находящуюся на поверхности Земли на расстоянии около 100 м от первой скважины, также выполненную путем бурения плавлением и действующую в качестве транспортирующий шахты с диаметром по меньшей мере один метр для подачи среды на поверхность Земли, где используют ее теплоту и добывают содержащиеся в ней минералы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подающая или подающие шахты на верхнем конце герметично соединены с шахтой холодной воды под давлением таким образом, что получают замкнутый контур обращения геотермальной воды, в котором геотермальную воду после отдачи энергии посредством теплообменников снова подводят в подземный резервуар без контактирования с биосферой. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что однажды расщепленный резервуар тепла Земли при использовании подающего под давлением насоса может поддерживаться открытым с малой затратой энергии по сравнению с получаемой энергией. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что на некотором примерно одинаковом расстоянии от скважины, действующей в качестве шахты холодной воды под давлением и служащей для закачки воды, используют несколько расположенных по периферии скважин в качестве подающих шахт для подачи наверх нагретой воды таким образом, что закачанная вода от основания центральной шахты холодной воды под давлением проходит радиально во все стороны через возникшие в процессе гайдро-фрэк трещины с забором тепла и внутрь расположенных по периферии подающих шахт и поднимается по ним под действующим там давлением. 5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что полученную с использованием теплообменника находящуюся под высоким давлением горячую воду пропускают со снижением давления через расширительные турбины, приводящие генераторы электроэнергии или подают в систему трубопроводов дальнего отопления.