СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПЕТРОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА Российский патент 2024 года по МПК F24T10/20 

Изобретение относится к способам извлечения петротермального тепла глубинных пород для использования в системах снабжения тепловой энергией.

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.

Так же известен способ, (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).

Наиболее близким к предложенному является (Патент РФ № RU 2701029 C1, 24.09.2018) 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.

Недостатком известного способа является то, что в системе установлен тепловой насос для отбора тепла, значительно увеличивающий стоимость и сложность инженерных решений, а требуемый объём нагретого теплоносителя может быть обеспечен при пиковой нагрузке, создаваемой потребителем тепловой энергии, только на короткий промежуток времени и не способен обеспечить длительную подачу теплоносителя в заданных пределах генерации за счет малого объёма циркуляционной жидкости.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности теплогенерирующей установки по теплоснабжению, снижение общей стоимости технологического оборудования и снижение стоимости вырабатываемой тепловой энергии, снижение глубины бурения без потери тепловой мощности, увеличение теплоотдачи петротермальной скважины, ускорение запуска установки в эксплуатацию при использовании отработанных нефтяных и газовых скважин.

Указанный технический результат достигается за счет исключения из схемы устройства теплового насоса (сложного технологического оборудования), а так же установки перфорированной трубы-вставки для предотвращения вымывания призабойной зоны, что повышает надежность устройства исключая засорение каналов-трещин после многоступенчатого гидроразрыва пласта, отсутствие дополнительного потребителя электроэнергии (теплового насоса) снижает конечную стоимость вырабатываемой тепловой энергии, а именно в способе извлечения низкотемпературного петротермального тепла из скважины с температурным градиентом по вертикальной обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре и используемого для нужд теплоснабжения, при котором нагретый (теплом недр) теплоноситель закачивается из буферных полостей по наклонно-направленным обсадным трубам в вертикальную обсадную трубу, а охлажденный (потребителем) - опускается по трубе, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу и получает тепло вновь, согласно изобретению теплоноситель нагревается от разогретой породы в подземном теплообменнике, образованном методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта, затем собирается в буферных полостях созданных путем разбуривания породы которые за счет своего объёма также создают дополнительную площадь теплообмена. Для образования подземного теплообменника методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта, в нижней части концентрично опущенной трубы в зоне создаваемого подземного теплообменника выполнены отверстия с диаметром, зависящим от расчетной мощности скважины. Жидкость для гидравлического разрыва подается сначала по трубе, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу, для образования трещин, после промывается кислотным раствором для снижения сопротивления движению жидкости в трещинах, а затем проходя через буферные полости и наклонно-направленные обсадные трубы, удаляется промывочной жидкостью согласно схеме устройства. После промывки к участку трубы с отверстиями спускается перфорированная труба-вставка меньшего диаметра для предотвращения вымывания призабойной зоны скважины избыточным напором и засорения подземного теплообменника (каналов-трещин).

Согласно изобретению теплоноситель подается через концентрично опущенную трубу, контактирует с разогретой сухой горной породой (подземным теплообменником) и нагретый – переходит в буферные полости, набирая достаточный объем разогретого теплоносителя для непрерывной подачи потребителю, затем по наклонно-направленным обсадным трубам поступает в общий ствол вертикальной обсадной трубы и подается к распределительно-регулирующей системе (РРС), затем поступает к потребителю, охлаждается и возвращается обратно через РРС в концентрично опущенную трубу. Для образования подземного теплообменника методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта выполнены отверстия в трубе, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу. Диаметр отверстий рассчитывается исходя из проектируемой мощности установки. Жидкость для многоступенчатого гидравлического разрыва пласта подается сначала по трубе, концентрично опущенной в верительную обсадную трубу, для образования трещин в породе, после образованные трещины-каналы промываются кислотным раствором для снижения сопротивления движению жидкости, затем раствор собирается в буферных полостях и оттуда по наклонно-направленным обсадным трубам поступает в общий ствол вертикальной обсадной трубы и далее удаляется. После промывки к участку трубы с отверстиями спускается перфорированная труба-вставка меньшего диаметра для предотвращения вымывания призабойной зоны скважины избыточным напором и засорения подземного теплообменника. В связи с повсеместным распространением петротермальных источников указанная технология может быть использована для круглогодичного теплоснабжения обособленных и удаленных объектов с обустройством низкотемпературных отопительных систем, и создания экологически чистых энергоустановок. Снижение капитальных затрат на бурение скважины достигается за счет увеличения площади теплообменной поверхности без увеличения глубины бурения и внедрение технических и технологических решений энергоэффективного использования возобновляемых источников энергии.

На чертеже (в графической части) представлена схема извлечения низкотемпературного петротермального тепла по предлагаемому способу. Схема включает в себя следующие элементы: скважину с обсадной трубой 1; трубу, концентрично опущенную в вертикальную обсадную трубу 2; устройство корректировки давления и подмеса теплоносителя 3; устьевую платформу 4; затвор - центратор 5; наклонно-направленные обсадные трубы 6; буферные полости для сбора теплоносителя 7; призабойный участок обсадной трубы 8; подземный теплообменник 9; участок трубы со смещенными по глубине отверстиями 10; перфорированную трубу-вставку 11; циркуляционный насос 12; устройство распределительное блока РРС 13; узел коллектор - потребитель 14; устройство регулирующего блока РРС 15.

Способ осуществляется следующим образом.

Воду, полученную из артезианской скважины или иного резервуара с водой, подготавливают и закачивают в скважину по трубе, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу 2 в подземный теплообменник 9, где происходит контакт воды с разогретой горной породой, процесс теплообмена, затем нагретая до t₁ вода по каналам-трещинам поступает в буферные полости 7, а затем через наклонно-направленные обсадные трубы 6, по вертикальной обсадной трубе перемещается в циркуляционный насос 12 и поступает в устройство распределительное блока РРС 13 распределительно-регулировочной системы, регулируется и поступает в коллектор 14, охлаждается потребителем, охлажденный до температуры t₂, поступает в устройство регулирующего блока РРС 15, затем через устройство подмеса теплоносителя 3 к циркуляционным насосам 12 и закачивается через трубу 2 скважины в теплообменник 9, таким образом контур замыкается, и цикл повторятся. Глубина скважины до забойной зоны L1 зависит от температурного градиента, расстояния L2 прямо пропорциональны площади подземного теплообменника, длина L3 зависит от типа устанавливаемой перфорированной трубы-вставки, а L4 длина участка трубы со смещенными по глубине отверстиями, рассчитываемая в зависимости от проекторной мощности установки.

Применение устройства РРС позволяет увеличить тепловую мощность скважины за счет изменения характеристик скорости и давления в системе, а также изменения температуры 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).

ПРИМЕР осуществления способа

Основываясь на основном законе теплопередачи

,

где Q - тепловая мощность, Вт;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²⋅К);

- среднелогарифмический температурный напор, °С;

F - площадь поверхности теплообмена, м²,

для повышения теплоотдачи петротермальной скважины при одинаковом температурном напоре и коэффициенте теплопередачи k 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 теплообменника кислотными растворами для увеличения 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 движения теплоносителя в канале - трещине.

Для создания подземного теплообменника методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта выполнены смещенные по глубине отверстия на участке 10; в оконечной части трубы 2, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу 1, длина участка отверстий, а также их диаметр зависят от проектируемой тепловой мощности скважины.

Жидкость для многоступенчатого гидравлического разрыва пласта подается сначала по трубе 2, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу 1 для образования трещин, а затем через буферные полости 7 и наклонно-направленные обсадные трубы 6 по вертикальной обсадной трубе 1 с удалением промывочной жидкости, 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 породой может быть увеличена до 50 %, что, как ожидается, приведет к увеличению теплоотдачи петротермальной скважины также на 25-50 % или снижения глубины бурения на ту же величину.

В свою очередь исходя из закономерности: чем глубже скважина, тем выше температура в ее нижней точке, теплоотдача скважины увеличивается с увеличением глубины бурения в связи с увеличением температуры на забое. Однако, применение 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 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=kL ², тыс. руб.,

где L - глубина скважины, км;

k - стоимостный коэффициент.

Тогда при одинаковых значениях (k) при снижении глубины бурения на 25-50 % капитальные затраты снижаются в 2-4 раза.

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

Изобретение относится к способам извлечения петротермальной тепловой энергии с последующим применением в системах теплоснабжения. Способ извлечения петротермального тепла из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре и используемого для нужд теплоснабжения. Охлажденный потребителем теплоноситель подается в трубу, концентрично опущенную в обсадную трубу, а нагретый - поднимается по обсадной трубе и передает тепло потребителю. Теплоноситель, нагретый от разогретой породы в подземном теплообменнике, образованном методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта, по каналам-трещинам поступает в буферные полости, созданные путем разбуривания участков наклонно-направленных скважин, и далее, по наклонно-направленным обсадным трубам, подается в обсадную трубу. Техническим результатом является повышение надежности теплогенерирующей установки по теплоснабжению, снижение глубины бурения без потери тепловой мощности, увеличение теплоотдачи петротермальной скважины, ускорение запуска установки в эксплуатацию при использовании отработанных нефтяных и газовых скважин. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

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 потребителем теплоноситель подается в трубу, концентрично опущенную в обсадную трубу, а нагретый - поднимается по обсадной трубе и передает тепло потребителю, отличающийся тем, что теплоноситель, нагретый от разогретой породы в подземном теплообменнике, образованном методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта, по каналам-трещинам поступает в буферные полости, созданные путем разбуривания участков наклонно-направленных скважин, и далее, по наклонно-направленным обсадным трубам, подается в обсадную трубу.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нижней части обсадной трубы в зоне создаваемого подземного теплообменника выполняются отверстия.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что к части обсадной трубы с отверстиями спускается перфорированная труба-вставка.