СИСТЕМА И СПОСОБ ОТБОРА ТЕПЛА ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СРЕД Российский патент 2025 года по МПК F24T10/17 F24T50/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Варианты осуществления объекта изобретения, раскрытые в настоящем документе, в целом относятся к системе и способу отбора тепла из среды, имеющей высокую температуру, и, в частности, к подземному соосному инструменту, заканчивающемуся закрытым башмаком, причем только башмак выполнен с возможностью входа в высокотемпературную среду, а инструмент выполнен с возможностью циркуляции текучей среды возле башмака, сбора тепла, принятого башмаком от указанной среды, и передачи тепла на поверхность.

ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[0002] Эксплуатация подземных сверхгорячих залежей (СГЗ) является перспективным решением для получения большого количества энергии. Эти подземные сверхгорячие залежи могут быть природными или специально созданными человеком (такие как подземная газификация угля) или случайно образованными (такие как пожары на торфяных или угольных месторождениях). Независимо от происхождения СГЗ отбирать генерируемую ими энергию желательно с минимальным загрязнением окружающей среды.

[0003] Естественные СГЗ образуются, например, в непосредственной близости от магмы, где достигается температура свыше 900°С. В связи с этим в Исландии случайно была пробурена скважина в магму. Эта скважина могла бы производить большее количество энергии почти бесплатно, например, 36 МВтэ, в дополнение к установленной электрической мощности 60 МВтэ из 33 скважин, пробуренных для местной геотермальной электростанции [1].

[0004] СГЗ также может быть создана намеренно (например, создана человеком), как например, в рамках сверхвысокотемпературного подземного хранилища тепловой энергии (СВТ-ПХТЭ). Например, системы концентрированной солнечной энергии (КСЭ) могут в течение дня достигать высоких температур свыше 500°С и до 2000°С посредством использования параболического желоба или других устройств, но именно не в момент высокого спроса на энергию. Таким образом, ПХТЭ представляет собой решение для хранения высокотемпературной текучей среды и извлечения энергии, связанной с текучей средой, когда системы КСЭ не способны генерировать достаточно энергии. Были исследованы решения для хранения в естественном грунте, и в различных исследованиях рассматривается хранение текучих сред температурой до 650°С. Также могут рассматриваться другие сверхвысокотемпературные источники энергии, такие как атомные станции.

[0005] СГЗ может быть создана посредством процессов другого назначения, таких как подземная газификация угля (ПГУ), которая направлена на получение синтез-газа в результате процесса подземного сжигания угля при температуре от 600°С до 1000°С [2-4].

[0006] Однако извлечение тепла из СГЗ является сложной задачей из-за экстремальных условий (температура, коррозия и давление), в которых используются материалы и системы. В связи с этим рассмотренная выше скважина, случайно пробуренная в магму температурой 900 С, была получена с использованием углеродистой стали марок API К55 и Т95, которые традиционно используются для геотермальных скважин. Обсадная колонна в этом случае быстро разрушилась, что привело к прекращению использования большого количества имеющейся там энергии. После того, как скважину прекратили использовать, а затем закрыли, был произведен каротаж скважины с помощью видеокамеры. Наблюдалась сильная коррозия, а также разрывы при растяжении, что позже было подтверждено анализом 8-метрового участка, извлеченного из самой верхней части скважины.

[0007] Из этого опыта следует, что обычные скважины и инструменты, даже если они изготовлены из стали более устойчивых марок, не подходят для долгосрочного отбора тепла в СГЗ. В число недостатков этих скважин и инструментов входят:

цилиндрическая форма осадной колонны скважины подвержена вспучиванию и разрушению под действием термомеханических напряжений (циклическое воздействие тепловых нагрузок является усугубляющим фактором),

при использовании геотермального рассола в качестве рабочей текучей среды риск коррозии стали из-за химического состава рассола усугубляется сверхвысокой температурой, и

потенциальное повреждение окружающего массива горных пород (гидроразрыв, создание полости и скалывание в случае ПГУ) увеличивается с повышением температуры из-за дополнительного теплового напряжения.

[0008] Кроме того, цементный раствор в затрубном пространстве, используемый вокруг скважины, играет значительную роль в структурной целостности и долговечности скважины. Цемент должен обеспечивать механическую опору стальной обсадной колонны, защищает обсадную колонну от агрессивных пластовых флюидов, а мультислой, состоящий из нескольких обсадных колонн и слоев цемента между обсадными колоннами, должен обеспечивать предотвращение утечки рассола из кольцевого пространства в различные пласты, пересекаемые скважиной. Тепловое напряжение и связанное с ним повреждение цемента ставят под угрозу выполнение им этой задачи.

[0009] Таким образом, существует потребность в новой системе/инструменте, способном отбирать тепло из СГЗ, выдерживая при этом суровые условия, существующие в СГЗ.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] В соответствии с вариантом осуществления предложен способ отбора тепла из подземного местоположения с помощью соосного инструмента, который включает в себя башмак, выполненный из материала, устойчивого к нагреву. Способ включает этап помещения башмака соосного инструмента в подземное местоположение с обеспечением при этом отсутствия прямого контакта других частей инструмента с подземным местоположением. Способ также включает этап закачки текучей среды в инструмент, либо через проходное отверстие внутренней трубы к башмаку, а затем обратно на поверхность через кольцевое пространство, образованное внутренней трубой и внешней трубой, либо через кольцевое пространство к башмаку, а затем обратно на поверхность через проходное отверстие. Текучая среда обменивается теплом с башмаком, который размещается в горячем подземном местоположении.

[0011] Согласно другому варианту осуществления предложен инструмент отбора тепла из залежи, при этом инструмент включает в себя башмак, выполненный из материала, который выдерживает температуры выше 500 С, внешнюю трубу, прикрепленную к башмаку, внутреннюю трубу, расположенную внутри внешней трубы и образующую кольцевое пространство с внешней трубой, причем внутренняя труба имеет проходное отверстие, и гибкое соединение, выполненное с возможностью соединения внешней трубы с башмаком так, что обеспечена возможность удлинения и сокращения внешней трубы без утечки текучей среды внутри кольцевого пространства. Внутренняя труба и внешняя труба выполнены с возможностью образования непрерывного контура для текучей среды между верхней частью кольцевого пространства и верхней частью проходного отверстия с обеспечением при этом возможности непосредственного контакта текучей среды с башмаком.

[0012] В соответствии еще с одним вариантом осуществления предложена система отбора тепла для отбора тепла из залежи, причем система отбора тепла содержит элемент обсадной колонны, выполненный с возможностью спуска в скважину или вбивания в грунт, и инструмент, выполненный с возможностью прикрепления к дальнему концу элемента обсадной колонны. Инструмент включает в себя башмак, выполненный из материала, который выдерживает температуры выше 50СГС, внешнюю трубу, прикрепленную к башмаку, внутреннюю трубу, концентрически расположенную внутри внешней трубы и образующую кольцевое пространство с внешней трубой, причем внутренняя труба имеет проходное отверстие, и гибкое соединение, выполненное с возможностью соединения внешней трубы с башмаком так, что обеспечена возможность удлинения и сокращения внешней трубы без утечки текучей среды внутри кольцевого пространства. Внутренняя труба и внешняя труба выполнены с возможностью образования непрерывного контура для текучей среды между верхней частью кольцевого пространства и верхней частью проходного отверстия с обеспечением при этом возможности непосредственного контакта текучей среды с башмаком.

[0013] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения инструмент может также содержать фильтрующий элемент, расположенный между внутренней трубой и башмаком вдоль продольной оси; и дополнительное гибкое соединение между внутренней трубой и фильтрующим элементом, причем контур проходит от кольцевого пространства к проходному отверстию через множество отверстий, выполненных в фильтрующем элементе. Более предпочтительно, фильтрующий элемент в таком случае будет нераздельной частью башмака.

[0014] В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения внутренняя труба может быть предпочтительно непосредственно прикреплена к башмаку с помощью дополнительного гибкого соединения. В этом решении внутренняя труба будет содержать множество отверстий, так что контур проходит от кольцевого пространства к проходному отверстию через множество отверстий.

[0015] В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения инструмент может также содержать выступ, который неподвижно прикрепляет внутреннюю трубу относительно внешней трубы, так что нижний конец внутренней трубы плавает над башмаком для обеспечения возможности контуру выхода из кольцевого пространства и входа в проходное отверстие.

[0016] В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения внутренняя труба может быть предпочтительно непосредственно соединена с башмаком дополнительным гибким соединением, а башмак имеет один или более каналов, которые позволяют контуру проходить от кольцевого пространства к проходному отверстию через указанные один или более каналов, причем указанные один или более каналов могут быть образованы исключительно в корпусе башмака.

[0017] В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения башмак может включать в себя только сплошной корпус без других компонентов.

[0018] В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения внутренняя и внешняя трубы инструмента являются концентрическими.

[0019] В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения башмак имеет форму конуса, и башмак имеет винтовую поверхность, прикрепленную к внешней поверхности конуса, или башмак имеет форму цилиндра, имеющего носок на дальнем конце.

[0020] В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения задачей изобретения является создание системы отбора тепла для отбора тепла из залежи, причем система отбора тепла содержит:

элемент обсадной колонны, выполненный с возможностью спуска в скважину или вбивания в грунт; и

инструмент, выполненный с возможностью прикрепления к дальнему концу элемента обсадной колонны, при этом инструмент включает в себя:

башмак, выполненный из материала, выдерживающего температуры выше 500°С;

внешнюю трубу, прикрепленную к башмаку;

внутреннюю трубу, концентрически расположенную внутри внешней трубы и образующую кольцевое пространство с внешней трубой, причем внутренняя труба имеет проходное отверстие; и

гибкое соединение, выполненное с возможностью соединения внешней трубы с башмаком так, что обеспечена возможность удлинения и сокращения внешней трубы без утечки текучей среды внутри кольцевого пространства,

причем внутренняя труба и внешняя труба выполнены с возможностью образования непрерывного контура для текучей среды между верхней частью кольцевого пространства и верхней частью проходного отверстия с обеспечением при этом возможности непосредственного контакта текучей среды с башмаком.

[0021] Такая система отбора тепла может также содержать:

- центратор, выполненный с возможностью центрирования элемента обсадной колонны в скважине; и

- пакер, выполненный с возможностью остановки продвижения текучей среды из скважины по направлению к верхней части инструмента.

[0022] В такой системе отбора тепла инструмент может также содержать: фильтрующий элемент, расположенный между внутренней трубой и башмаком вдоль продольной оси; и

- дополнительное гибкое соединение между внутренней трубой и фильтрующим элементом,

- причем контур проходит от кольцевого пространства к проходному отверстию через множество отверстий, выполненных в фильтрующем элементе. При этом фильтрующий элемент может быть нераздельной частью башмака.

[0023] В такой системе отбора тепла внутренняя труба может быть непосредственно прикреплена к башмаку дополнительным гибким соединением, и при этом внутренняя труба включает в себя множество отверстий, так что контур проходит от кольцевого пространства к проходному отверстию через множество отверстий.

[0024] В такой системе отбора тепла инструмент может также содержать: выступ, который неподвижно прикрепляет внутреннюю трубу относительно внешней трубы, так что нижний конец внутренней трубы плавает над башмаком для обеспечения возможности контуру выхода из кольцевого пространства и входа в проходное отверстие.

[0025] В такой системе отбора тепла внутренняя труба также может быть непосредственно соединена с башмаком дополнительным гибким соединением, а башмак имеет один или более каналов, которые позволяют контуру проходить от кольцевого пространства к проходному отверстию через указанные один или более каналов. При этом один или более каналов могут быть образованы исключительно в корпусе башмака.

[0026] В такой системе отбора тепла башмак может иметь форму конуса или цилиндра, имеющего носок на дальнем конце.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0027] Для более полного понимания настоящего изобретения следует обратиться к приведенным ниже описаниям, приведенным в совокупности с прилагаемыми чертежами, на которых:

[0028] ФИГ. 1 - схематичное изображение инструмента отбора тепла, имеющего концевой башмак для защиты внутренней и наружной труб от непосредственного воздействия экстремальных условий в исследуемой залежи;

[0029] на ФИГ. 2А и 2В проиллюстрировано гибкое соединение, которое позволяет внутренней и внешней трубам соединяться по текучей среде с концевым башмаком без утечек с учетом теплового расширения;

[0030] ФИГ. ЗА - схематичное изображение концевого башмака инструмента отбора тепла, имеющего встроенный фильтрующий элемент, а ФИГ. ЗВ - схематичное изображение концевого башмака без фильтрующего элемента;

[0031] ФИГ. 4 - таблица, представляющая различные материалы, которые могут быть использованы для изготовления башмака таким образом, чтобы башмак мог выдерживать высокую температуру;

[0032] ФИГ. 5 - схематичное изображение другого инструмента отбора тепла, имеющего концевой башмак для термической защиты внутренней и внешней труб;

[0033] ФИГ. 6 - схематичное изображение еще одного инструмента отбора тепла, имеющего концевой башмак для термической защиты внутренней и внешней труб;

[0034] ФИГ. 7 - схематичное изображение еще одного другого инструмента отбора тепла, имеющего концевой башмак для термической защиты внутренней и внешней труб;

[0035] на ФИГ. 8А-8С показаны различные формы концевого башмака;

[0036] на ФИГ. 9А проиллюстрировано бурение скважины для инструмента отбора тепла, на ФИГ. 9В проиллюстрировано помещение инструмента отбора тепла в скважину так, что только концевой башмак входит в высокотемпературную залежь, а на ФИГ. 9С проиллюстрировано закрытие скважины после отбора тепла и извлечения инструмента отбора тепла; и

[0037] ФИГ. 10 - блок-схема способа отбора тепла из залежи инструментом отбора тепла.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0038] Нижеследующее описание вариантов осуществления относится к прилагаемым чертежам. Одинаковые или сходные элементы на разных чертежах имеют одинаковые ссылочные номера. Нижеприведенное подробное описание не ограничивает изобретение. Объем же изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения. Для простоты следующие варианты осуществления рассмотрены в отношении соосного инструмента, снабженного концевым винтовым башмаком для входа в СГЗ. Однако варианты осуществления, которые будут рассмотрены далее, не ограничиваются винтовым башмаком, а соосный инструмент может быть снабжен концевыми башмаками различной формы. Кроме того, рассмотренные далее варианты осуществления не ограничиваются соосным инструментом, поскольку в инструменте могут быть использованы несоосные трубы.

[0039] В настоящем описании ссылка на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные по отношению к варианту осуществления изобретения, включены по меньшей мере в один вариант осуществления раскрытого объекта изобретения. Таким образом, появление выражений «в одном варианте осуществления» или «в варианте осуществления» в разных местах настоящего описания необязательно означает ссылку на один и тот же вариант осуществления. Более того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или более вариантах осуществления.

[0040] В соответствии с вариантом осуществления новый соосный инструмент отбора тепла включает в себя внутреннюю трубу и внешнюю трубу [5], которые расположены концентрически. В одном варианте осуществления продольные оси двух труб могут быть смещены относительно друг друга. Каждая из внутренней и внешней труб может быть прикреплена, непосредственно или опосредованно, к соответствующей части концевого башмака. Башмак выполнен с возможностью входа в залежь с экстремальными условиями (например, высокая температура, высокое давление, высокая коррозии), в то время как внутренняя и внешняя трубы защищены от этих условий, т.е. они выполнены с возможностью пребывания вне залежи. Внутренняя и внешняя трубы выполнены с возможностью обеспечения циркуляции текучей среды от поверхности к концевому башмаку, а затем обратно к поверхности по разным путям, например, сначала вниз по направлению к концевому башмаку через кольцевое пространство, образованное между двумя трубами, а затем вверх по направлению к поверхности через проходное отверстие внутренней трубы. Следует отметить, что текучая среда может в альтернативном варианте осуществления протекать сначала через проходное отверстие внутренней трубы, а затем вверх по направлению к поверхности через кольцевое пространство двух труб. Поток текучей среды непосредственно контактирует с частью концевого башмака для приема тепла залежи.

[0041] Более конкретно, как показано на ФИГ. 1, новый инструмент 100 (также называемый в настоящем документе «скважинным инструментом» или «соосным инструментом», или «инструментом для отбора тепла») включает в себя внутреннюю трубу 110, внешнюю трубу 120, концентрическую относительно внутренней трубы 110, и концевой башмак 130. Внешняя труба 120 соединена с башмаком 130 посредством первого гибкого соединения 140, а внутренняя труба 110 соединена с башмаком 130 посредством второго гибкого соединения 141. Гибкое соединение 140 или 141 представляет собой любое соединение между двумя различными элементами, которое обеспечивает возможность расширения вследствие тепловых причин одного или обоих элементов, с сохранением при этом целостности потока текучей среды через соединение, т.е. без утечки текучей среды. Пример такого гибкого соединения был приведен в [6] и [7] и проиллюстрирован на ФИГ. 2А и 2В (которые соответствуют ФИГ. 3А и 3В в [6]). Гибкое соединение 140/141 обеспечивает возможность двум соединенным элементам (например, 110 и 130 или 120 и 130) достигать соединения по текучей среде, которое является расширяемым при повышении температуры без вспучивания или утечки текучей среды внутри. Более конкретно, на ФИГ. 2А и 2В показано гибкое соединение 140/141, имеющее полый трубчатый основной корпус 201 с первым отверстием 202 трубчатой муфты, прикрепленным к внешнему корпусу 120, и вторым отверстием 203 трубчатой муфты, прикрепленным к ободу или буртику концевого башмака 130. На фигурах показано, как соединитель может компенсировать тепловое расширение из-за изменения температуры, когда высокотемпературная среда начинает протекать через инструмент 100, и сокращение, когда скважину необходимо охладить.

[0042] Более конкретно, проходящий в осевом направлении круговой зазор 221, обращенный внутрь, образован выступающим внутрь верхним ободом 211 вблизи первого отверстия 202 трубчатой муфты и выступающим внутрь центральным ободом 213. Внутри зазора 221 предусмотрен выступающий в радиальном направлении внутренний трубчатый элемент 207. Внутренний трубчатый элемент имеет первую круговую зону зацепления для зацепления с сопрягаемой зоной зацепления конца внешней трубы 120 и вторую круговую зону зацепления вблизи второго отверстия 203 трубчатой муфты для зацепления с сопрягаемой зоной зацепления конца башмака 130. На фигурах показано, что внутренний трубчатый элемент 207 короче в осевом направлении, чем обращенный внутрь круговой зазор 221, и, следовательно, выполнен с возможностью перемещения в обратном направлении и скольжения в пределах обращенного внутрь кругового зазора 221, между выступающим внутрь верхним ободом 211 и выступающим внутрь центральным ободом 213. Внутренний трубчатый элемент 207 может свободно скользить в осевом направлении в пределах зазора 221.

[0043] На фигурах также показано, что внешняя труба 120 имеет круговую зону 208 крепления для крепления к соединителю 140. В одном варианте осуществления зона 208 крепления включает в себя резьбу. Нижнее отверстие 203 трубчатой муфты включает в себя внешний опорный элемент 209, который имеет круговую зону 210 крепления (например, резьбу) для крепления башмака 130 к соединителю 140. Внешний опорный элемент 206 верхнего отверстия 202 трубчатой муфты имеет выступающий внутрь верхний обод 211, проходящий внутрь на величину, равную толщине верхнего отверстия внутреннего трубчатого элемента 207. Кроме того, внутренний трубчатый элемент 207 верхнего отверстия 202 трубчатой муфты имеет выступающий внутрь нижний обод 212, проходящий внутрь на величину, равную толщине нижнего отверстия внешней трубы 120. Могут быть использованы другие типы гибких соединений 140. Хотя на ФИГ. 2А и 2В описано возможное гибкое соединение между внешней трубой 120 и башмаком 130, такое же гибкое соединение может быть достигнуто между внутренней трубой 110 и башмаком 130.

[0044] Следует отметить, что в одном варианте осуществления для обеспечения соединения с внешней трубой 120 башмак 130 имеет резьбу 210 на внешней поверхности 132 рядом с верхней поверхностью 136, как показано на ФИГ. 3А и 3В. В приведенном на ФИГ. 3А варианте осуществления для достижения соединения с внутренней трубой 110 башмак 130 также включает в себя фильтрующий элемент 150, который выполнен за одно целое с корпусом 131 башмака. Фильтрующий элемент 150 выполнен в форме втулки с внутренним проходным отверстием, а боковые стенки втулки имеют множество отверстий 152. Следует отметить, что диаметр фильтрующего элемента меньше наружного диаметра корпуса 131 на верхней поверхности 136, чтобы учесть кольцевое пространство 112. Для достижения соединения с внутренней трубой в варианте осуществления на ФИГ. 3В башмак 130 имеет буртик 134, который приподнят от верхней поверхности 136 башмака, а резьба 210 образована на боковой поверхности 134А буртика 134 для непосредственного зацепления с внутренней трубой. Специалистам в данной области техники понятно, что этот вариант осуществления является одним из множества возможных вариантов осуществления гибкого соединения 140.

[0045] Как показано на ФИГ. 1, внутренняя труба 110 может быть соединена посредством еще одного гибкого соединения 141 с фильтрующим элементом 150, если он присутствует. Как описано далее, есть варианты осуществления, в которых фильтрующий элемент 150 отсутствует. Фильтрующий элемент 150 может представлять собой трубу, имеющую тот же внутренний и/или наружный диаметр, что и внутренняя труба 110, а также множество отверстий 152, обеспечивающих текучей среде 154 возможность выхода из кольцевого пространства 112, образованного внешней поверхностью внутренней трубы 110 и внутренней поверхностью внешней трубы 120, и поступления в проходное отверстие 114 внутренней трубы 110. Таким образом, текучая среда 154 может быть закачана с поверхности в кольцевое пространство 112, где она может непосредственно контактировать с башмаком 130, а затем возвращена на поверхность через проходное отверстие 114 с переносом при этом тепла, передаваемого от башмака. Таким образом, образуется контур или путь 156 от верхней части кольцевого пространства 112 до башмака 130 и затем до верхней части проходного отверстия 114. В одном варианте применения направление пути 156 может быть обратным, как схематически проиллюстрировано на фигуре, т.е. текучая среда сначала поступает в проходное отверстие 114, проходит через отверстия 152, а затем поступает в кольцевое пространство 112, прежде чем достичь обратно поверхности. Следует отметить, что верхняя часть 158 инструмента 100 соответствует части инструмента, которая выполнена с возможностью прикрепления к элементу обсадной колонны перед спуском в скважину или вбиванием в грунт. Это означает, что верхняя часть 158 инструмента 100 может иметь резьбу 159 для крепления к элементу обсадной колонны. Таким образом, внутренняя труба 110 и внешняя труба 120 выполнены с возможностью образования непрерывного контура 156 для текучей среды 154 между верхней частью кольцевого пространства 112 и верхней частью проходного отверстия 114 с обеспечением в то же время возможности непосредственного контакта текучей среды 154 с башмаком 130.

[0046] В варианте осуществления, показанном на ФИГ. 1, башмак выполнен цельным, т.е. его корпус 131 не имеет отверстий или каналов, за исключением фильтрующего элемента 150, который имеет отверстия 152. Он может быть изготовлен из одного куска материала, т.е. корпус 131 и фильтрующий элемент 150 выполнены за одно целое. Кроме того, башмак (под которым понимается корпус и фильтрующий элемент, если таковой имеется) выполнен из металла или сплава, способного выдерживать высокие температуры (например, от 500 до 1200°С) и/или высокое давление, например, до 20 МПа. В одном варианте применения башмак выполнен из вольфрама или титана. В другом варианте применения, для которого важна как можно более низкая цена башмака, может быть использован высококачественный сплав. Например, в первую очередь следует рассмотреть нержавеющие стали, поскольку они обеспечивают хороший баланс между ценой и устойчивостью к экстремальным средам, в частности сплавы, обычно используемые для тепловых реакторов и камер сгорания, которые имеют более высокую прочность на разрыв при высоких температурах. Некоторые примеры этих сплавов проиллюстрированы в таблице, приведенной на ФИГ. 4. Сплавы, включающие хром, алюминий и титан, обладают хорошей устойчивостью к экстремальным условиям (высокотемпературная деформация и механизм коррозии). Следует отметить, что с улучшением марки сплава увеличивается его стоимость.

[0047] В другом варианте осуществления, как проиллюстрировано на ФИГ. 5, фильтрующий элемент 150 может быть исключен (т.е. используется конфигурация башмака 130, показанная на ФИГ. 3В), а отверстия 152 могут быть выполнены непосредственно в нижней части внутренней трубы 110. В этом случае гибкие соединения 141 между внутренней трубой и фильтрующим элементом также отсутствует, поскольку внутренняя труба соединяется непосредственно с буртиком 134 башмака 130 посредством гибкого соединения 141, показанного на фигуре.

[0048] Еще в одном варианте осуществления изобретения, как проиллюстрировано на ФИГ. 6, внутренняя труба 110 неподвижно прикреплена к внешней трубе 120 посредством одного или более выступов 610. В этом случае нижний конец 110А внутренней трубы 110 расположен выше башмака 130, так что имеется свободный путь 156 для текучей среды 154 от кольцевого пространства 112 к проходному отверстию 114. Иными словами, в этом варианте осуществления отсутствуют фильтрующий элемент 150 и отверстия 152, связанные с башмаком 130 или внутренней трубой 110. Выступы 610 также могут быть использованы в предыдущих вариантах осуществления, т.е. для фиксации внутренней трубы относительно внешней трубы. Однако в предыдущих вариантах осуществления также возможно, что внутренняя труба независима от внешней трубы, т.е. они не соприкасаются друг с другом через какой-либо элемент, за исключением фильтрующего элемента и/или башмака.

[0049] Еще в одном варианте осуществления, как проиллюстрировано на ФИГ. 7, внутренняя труба 110 непосредственно соединена с башмаком 130, например, с помощью гибкого соединения 141, и во внутренней трубе отсутствуют отверстия 152 и нет фильтрующего элемента. Для этого варианта осуществления используется конфигурация башмака 130, показанная на ФИГ. 3В Таким образом, в этом варианте осуществления отсутствует прямой поток текучей среды из кольцевого пространства 112 к проходному отверстию 114. В этом случае через корпус башмака 130 выполнено множество каналов 710, которые соединяют по текучей среде кольцевое пространство 112 с проходным отверстием 114, так что поток 154 текучей среды по-прежнему проходит из кольцевого пространства к проходному отверстию, но через корпус башмака. В этом случае предполагается, что текучая среда будет отбирать больше тепла от корпуса башмака, поскольку текучая среда эффективно проникает внутрь башмака. Хотя во всех вышеприведенных вариантах осуществления между внутренней и внешней трубами и концевым башмаком показано гибкое соединение 140/141, специалисту в данной области техники понятно, что можно использовать и негибкое соединение, даже если есть утечки текучей среды. Следует отметить, что во всех вышеописанных вариантах осуществления башмак включает в себя только сплошной корпус без каких-либо других компонентов, т.е. без сквозных отверстий, каналов, клапанов и т.д. в корпусе 131, и только в варианте реализации на ФИГ. 7 присутствует дополнительная структура, т.е. каналы 710.

[0050] Что касается формы башмака 130, в предыдущих вариантах осуществления проиллюстрировано, что башмак имеет форму пули, например, наибольший наружный диаметр, соответствующий наружному диаметру внешней трубы, а затем корпус, имеющий вершину 138, как показано на ФИГ. 1. Длина корпуса (т.е. от буртика 134 до вершины 138) может быть выбрана в зависимости от ширины разведываемой СГЗ. В одном варианте применения для варианта осуществления, показанного на ФИГ. 1, длину фильтрующего элемента 150 выбирают в зависимости от диаметра скважины, в которую помещают инструмент 100.

[0051] В одном способе применения, как показано на ФИГ. 8А (следует отметить, что на ФИГ. 8А-8С для простоты не показан фильтрующий элемент), корпус 131 башмака 130 имеет винтовую поверхность 133, проходящую по длине башмака. Винтовая поверхность может быть добавлена или выполнена в корпусе 131 для содействия продвижению башмака в грунт, когда скважина для спуска инструмента 100 заранее не пробурена. Следует отметить, что инструмент 100 может быть опущен в заранее пробуренную скважину или может быть вбит в грунт, если нижние слои грунта мягкие. На ФИГ. 8В показан еще один вариант осуществления, в котором форма башмака 130 представляет собой плоский конус. На ФИГ. 8С показан еще один вариант осуществления, в котором башмак 130 имеет цилиндрическую форму 810 и заканчивается заостренной формой 812, например, конусом. Специалистам в данной области техники понятно, что могут быть использованы и другие формы.

[0052] Когда требуется использовать инструмент 100 (как проиллюстрировано на ФИГ. 9А-9С), на этапе 1000 (см. блок-схему на ФИГ. 10) собирают различные данные (например, сейсмическая разведка или информация, полученная во время бурения скважины, и т.д.), прежде чем опускать (или вбивать) инструмент в грунт. На основе данной информации определяют верхнюю границу СГЗ. На этапе 1002 пробуривают скважину 902 для достижения вершины СГЗ, как показано на ФИГ. 9А, а затем, на этапе 1004, инструмент 100 опускают (или вбивают, если скважина предварительно не пробурена) в скважину 902 до тех пор, пока башмак 130 не соприкоснется непосредственно с СГЗ. В этом варианте осуществления в непосредственном контакте с СГЗ находится только башмак, а не внутренняя и внешняя трубы, как проиллюстрировано на ФИГ. 9В. Это делает систему 900 более устойчивой к возможным повреждениям из-за сверхвысокой температуры и коррозионных процессов, происходящих в высокотемпературных текучих средах. Башмак 130 выполнен с возможностью противостояния термомеханическим деформациям, возникающим вследствие тепловых напряжений, движений грунта во время процесса отбора тепла. Как описано выше, башмак может быть выполнен из сплавов, которые устойчивы к высоким температурам (до 1000°С), коррозионным средам, тепловым напряжениям, обладают достаточной прочностью на разрыв и достаточной теплопроводностью при соответствующих температурах. При очень высоких температурах в первую очередь учитывают термическую стабильность, поскольку она может устанавливать ограничения для конкретного типа сплава с точки зрения размягчения или охрупчивания и вызывать изменение термических свойств, таких как теплопроводность, при колебаниях температуры. Следует отметить, что допустимы большие деформации башмака, поскольку он является не опорным элементом для инструмента 100, а лишь теплообменным элементом. Иными словами, инструмент 100 поддерживается внутри скважины 902 соответствующей обсадной колонной 910, которая может включать в себя множество элементов обсадной колонны, соединенных друг с другом, как проиллюстрировано на ФИГ. 9В. Элемент обсадной колонны может иметь длину около 12 м. Инструмент 100 может иметь аналогичную или меньшую длину. Множество элементов обсадной колонны могут быть соединены друг с другом посредством резьбы, как известно в данной области техники. Инструмент 100 может быть соединен посредством резьбы с нижним концом последнего элемента обсадной колонны.

[0053] Высокая теплопроводность сплавов при высокой температуре обеспечивает передачу тепла от металлического башмака 130 к соосным трубам 110/120. Для оптимизации конструкции инструмента и соответствующей скважины (длина и диаметр башмака, диаметр скважины, количество и расположение соосных систем «скважина с башмаком») проводят термогидравлическое численное моделирование.

[0054] На ФИГ. 9А показаны кондукторная обсадная колонна 904 и протекторная обсадная колонна 906, установленные в скважине 902, пробуренной посредством бурильной колонны 908. Следует отметить, что обе обсадные колонны установлены над СГЗ. Бурильная колонна 908 может иметь буровой наконечник 909 для бурения скважины 902. Для привода бурового наконечника используют поворотный стол 912, установленный на поверхности скважины. Когда скважина готова, буровой наконечник 909 и бурильную колонну 908 удаляют, а инструмент 100 опускают в скважину, как показано на ФИГ. 9В. Для выравнивания инструмента 100 с продольной осью скважины 902 над инструментом 100 может быть установлен центратор 914, как показано на фигуре. В одном варианте осуществления для предотвращения попадания текучей среды из СГЗ в обсадную колонну 906 может быть установлен пакер 916, например, непосредственно над башмаком 130, как показано на ФИГ. 9В. В целях безопасности для предотвращения резкого выброса текучей среды из скважины 902 или обсадной колонны 910 на поверхность на устье скважины может быть установлен противовыбросовый превентор 918. Противовыбросовый превентор 918 по существу представляет собой мощный клапан, который выполнен с возможностью закрытия (герметизации) скважины, если давление внутри скважины становится больше заданного значения. В одном варианте применения кольцевое пространство между протекторной обсадной колонной 906 и соосным инструментом 100 заполнено адаптированным вязким гелем, который обеспечивает теплоизоляцию инструмента отбора тепла и при этом ограничивает тепловое напряжение, действующее на протекторную обсадную колонну и ее цемент.

[0055] После того, как на этапе 1006 тепло из СГЗ было отведено, что может занять месяцы, если не годы, на этапе 1008 обсадную колонну 910 и связанный с ней инструмент 100 извлекают из скважины, и затем на этапе 1010 скважину 902 герметизируют цементными пробками 920, как проиллюстрировано на ФИГ. 9С. Таким образом, вероятность того, что текучая среда из скважины выйдет на поверхность после ликвидации скважины, мала. Ликвидация скважины происходит, когда через определенное время, в зависимости от происхождения СГЗ, тепла на башмаке будет недостаточно для экономически целесообразного отбора, и соосный инструмент с башмаком может быть извлечен, если была выбрана такая конструкция. При проектировании ликвидации учитывают прогнозируемую эффективную продолжительность действия источника тепла, в качестве которого может выступать угольный или торфяной пожар, подземная газификация угля или тонкая магматическая дайка или силь.

[0056] Разумное и безопасное внедрение этой технологии можно сочетать с методами мониторинга, например, уделяя внимание, в частности, температуре, давлению и механическому поведению инструмента и вмещающей толщи горных пород. В зависимости от характера СГЗ может потребоваться дополнительный специальный мониторинг. Например, системы 903 распределенных акустических измерений (distributed acoustic sensing, DAS), зацементированные за протекторной обсадной колонной 906, обеспечивают возможность контроля температуры и давления на границе между толщей горных пород и инструментом, в то время как волокна системы DAS, вставленные в соосный инструмент 100 и прикрепленные к внутренней или внешней трубе, обеспечивают возможность определения изменения температуры и давления в зависимости от глубины в соосном контуре. В одном варианте применения дополнительную систему для обнаружения и локализации потенциального образования или сдвига разломов и трещин вследствие вызванного теплового напряжения обеспечивает сеть 930 сейсмических датчиков на поверхности (или заглубленных в шумной среде), как схематически проиллюстрировано на ФИГ. 9А. Эта сеть также может быть использована для определения местоположения СГЗ и для обеспечения того, чтобы в СГЗ входил только башмак 130, а не внутренняя и внешняя трубы.

[0057] Термин «примерно» использован в настоящей заявке для обозначения изменения до 20% параметра, характеризуемого этим термином. Понятно, что, хотя термины «первый», «второй» и т.д. могут быть использованы в настоящем документе для описания различных элементов, эти элементы не должны ограничиваться данными терминами. Эти термины использованы только для различения одного элемента от другого. Например, первый объект или этап может быть назван вторым объектом или этапом, и аналогичным образом второй объект или этап может быть назван первым объектом или этапом в пределах объема настоящего раскрытия. Первый объект или этап и второй объект или этап являются объектами или этапами соответственно, но их не следует считать одним и тем же объектом или этапом.

[0058] Терминология, используемая в описании в настоящем документе, предназначена для описания конкретных вариантов осуществления и не является ограничивающей. Используемые в настоящем описании и в прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа также включают в себя формы множественного числа, если контексте явно не указано иное. Также следует понимать, что термин «и/или», используемый в настоящем документе, относится к любым возможным комбинациям одного или более связанных перечисленных элементов и охватывает их. Дополнительно следует отметить, что термины «включает в себя», «включающий в себя», «содержит» и/или «содержащий» при использовании в настоящем описании определяют наличие заявленных признаков, составляющих, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают присутствия или добавления одного, или более других признаков, составляющих, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп. Кроме того, используемый в настоящем документе в зависимости от контекста термин «если» может означать «когда», или «после», или «в ответ на определение», или «в ответ на обнаружение».

[0059] В раскрытых вариантах осуществления предложен соосный инструмент с концевым башмаком, который используют для отбора тепла из залежи с одним или более экстремальными параметрами, такими как высокая температура. Благодаря помещению в залежи только башмака, другие компоненты инструмента частично защищены (изолированы) от высокой температуры. Следует понимать, что это описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, варианты осуществления предназначены для охвата альтернативных вариантов, модификаций и эквивалентов, которые включены в сущность и объем изобретения, охарактеризованного прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании вариантов осуществления изложены многочисленные конкретные детали для обеспечения всестороннего понимания заявленного изобретения. Однако специалисту в данной области техники понятно, что различные варианты осуществления могут быть реализованы на практике без таких конкретных подробностей.

[0060] Хотя признаки и элементы настоящих вариантов осуществления описаны в вариантах осуществления в конкретных комбинациях, каждый признак или элемент может быть использован отдельно без других признаков и элементов вариантов осуществления или в различных комбинациях с другими признаками и элементами, раскрытыми в настоящем документе, или без них.

[0061] В этом письменном описании использованы примеры раскрытого объекта изобретения для обеспечения специалистам в данной области техники возможности его реализации на практике, включающей изготовление и использование любых устройств или систем и выполнение любых включенных способов. Патентоспособный объем объекта изобретения определяется формулой изобретения и может включать в себя другие примеры, известные специалистам в данной области техники. Предполагается, что такие другие примеры входят в объем формулы изобретения.

Ссылочные материалы

Полное содержание всех публикаций, перечисленных в настоящем документе, включено в настоящую патентную заявку посредством ссылки.

[1] Fri6leifsson G.O., Palsson В., Albertsson A.L., Stefansson В., Gunnlaugsson Е., Ketilsson J., Gislason 2015, IDDP-1 Drilled Into Magma - Создана первая в мире система Magma-EGS, доклад Всемирного геотермального конгресса 2015 г., Мельбурн, Австралия, 19-25 апреля 2015 г.;

[2] Kacur, J. and Kostur, К. (2017). Подходы к контролю газа в ПГУ. Acta Polytechnica, 57(3), стр. 182-200. doi.org/10.14311/ap.2017.57.0182.

[3] Otto, С, Kempka, Т, Kapusta, К. and Stahczyk, К. (2016). Реактивация разлома может привести к гидравлическим коротким замыканиям при подземной газификации угля - новые знания из регионального термомеханического 3D-моделирования. Minerals, 6(4), стр. 101-119. doi.org/10.3390/min6040101.

[4] Bhutto, A.W., Bazmi, А.А. and Zahedi, G. (2013). Underground coal gasification: От основ к применениям. Progress in Energy and Combustion Science, 39, стр. 189-214. doi.org/10.1016/j.pecs.2012.09.004.

[5] Home, R.N. (1980). Конструктивные соображения по поводу скважинного коаксиального геотермального теплообменника. В: Geothermal Resource Council Transactions, выпуск 4. Солт-Лейк-Сити, 9 сентября 1980 г.

[6] Публикация международной заявки на выдачу патента WO 2017/103950.

[7] Публикация международной заявки на выдачу патента WO 2020/084642 А1.

Группа изобретений относится к геотермальной энергетике. Инструмент (100) отбора тепла из залежи включает в себя башмак (130), выполненный из материала, который выдерживает температуры выше 500 °С, внешнюю трубу (120), прикрепленную к башмаку (130), внутреннюю трубу (110), расположенную внутри внешней трубы (120) и образующую кольцевое пространство (112) с внешней трубой (120). Внутренняя труба (110) имеет проходное отверстие (114) и гибкое соединение (140), выполненное с возможностью соединения внешней трубы (120) с башмаком (130) так, что обеспечена возможность удлинения и сокращения внешней трубы (120) без утечки текучей среды (154) внутри кольцевого пространства (112). Внутренняя труба (110) и внешняя труба (120) выполнены с возможностью образования непрерывного контура (156) для текучей среды (154) между верхней частью кольцевого пространства (112) и верхней частью проходного отверстия (114) с обеспечением при этом возможности непосредственного контакта текучей среды (154) с башмаком (130). Система (900) отбора тепла для отбора тепла из залежи включает указанный инструмент (100) отбора тепла. Техническим результатом является получение тепла от высокотемпературных источников тепла. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Инструмент (100) отбора тепла из залежи, содержащий: башмак (130), выполненный из материала, выдерживающего температуры выше 500°С;

внешнюю трубу (120), прикрепленную к башмаку (130);

внутреннюю трубу (110), расположенную внутри внешней трубы (120) и образующую кольцевое пространство (112) с внешней трубой (120), причем внутренняя труба (110) имеет проходное отверстие (114); и

гибкое соединение (140), выполненное с возможностью соединения внешней трубы (120) с башмаком (130) так, что обеспечена возможность удлинения и сокращения внешней трубы (120) без утечки текучей среды (154) внутри кольцевого пространства (112),

причем внутренняя труба (110) и внешняя труба (120) выполнены с возможностью образования непрерывного контура (156) для текучей среды (154) между верхней частью кольцевого пространства (112) и верхней частью проходного отверстия (114) с обеспечением при этом возможности непосредственного контакта текучей среды (154) с башмаком (130).

2. Инструмент по п. 1, также содержащий:

фильтрующий элемент (150), расположенный между внутренней трубой и башмаком вдоль продольной оси; и

дополнительное гибкое соединение между внутренней трубой и фильтрующим элементом,

причем контур проходит от кольцевого пространства к проходному отверстию через множество отверстий, выполненных в фильтрующем элементе.

3. Инструмент по п. 2, в котором фильтрующий элемент является нераздельной частью башмака.

4. Инструмент по п. 1, в котором внутренняя труба непосредственно прикреплена к башмаку дополнительным гибким соединением.

5. Инструмент по п. 4, в котором внутренняя труба включает в себя множество отверстий, так что контур проходит от кольцевого пространства к проходному отверстию через множество отверстий.

6. Инструмент по п. 1, также содержащий

выступ (610), который неподвижно прикрепляет внутреннюю трубу относительно внешней трубы, так что нижний конец внутренней трубы плавает над башмаком для обеспечения возможности контуру выхода из кольцевого пространства и входа в проходное отверстие.

7. Инструмент по п. 1, в котором внутренняя труба непосредственно соединена с башмаком дополнительным гибким соединением, а башмак имеет один или более каналов, которые позволяют контуру проходить от кольцевого пространства к проходному отверстию через указанные один или более каналов.

8. Инструмент по п. 7, в котором один или более каналов образованы исключительно в корпусе башмака.

9. Инструмент по п. 1, в котором башмак включает в себя только сплошной корпус без других компонентов.

10. Инструмент по п. 1, в котором внутренняя и внешняя трубы являются концентрическими.

11. Инструмент по п. 1, в котором башмак имеет форму конуса, и башмак имеет винтовую поверхность, прикрепленную к внешней поверхности конуса, или башмак имеет форму цилиндра, имеющего носок на дальнем конце.

12. Система (900) отбора тепла для отбора тепла из залежи, содержащая:

элемент (910) обсадной колонны, выполненный с возможностью спуска в скважину (902) или вбивания в грунт; и

инструмент (100), выполненный с возможностью прикрепления к дальнему концу элемента (910) обсадной колонны,

причем инструмент (100) включает в себя:

башмак (130), выполненный из материала, выдерживающего температуры выше 500°С;

внешнюю трубу (120), прикрепленную к башмаку (130);

внутреннюю трубу (110), концентрически расположенную внутри внешней трубы (120) и образующую кольцевое пространство (112) с внешней трубой (120), причем внутренняя труба (110) имеет проходное отверстие (114); и

гибкое соединение (140), выполненное с возможностью соединения внешней трубы (120) с башмаком (130) так, что обеспечена возможность удлинения и сокращения внешней трубы (120) без утечки текучей среды (154) внутри кольцевого пространства (112),

причем внутренняя труба (110) и внешняя труба (120) выполнены с возможностью образования непрерывного контура (156) для текучей среды (154) между верхней частью кольцевого пространства (112) и верхней частью проходного отверстия (114) с обеспечением при этом возможности непосредственного контакта текучей среды (154) с башмаком (130).

13. Система отбора тепла по п. 12, также содержащая:

центратор (914), выполненный с возможностью центрирования элемента обсадной колонны в скважине; и

пакер (916), выполненный с возможностью остановки продвижения текучей среды из скважины по направлению к верхней части инструмента.

14. Система отбора тепла по п. 12, в которой инструмент также содержит:

фильтрующий элемент (150), расположенный между внутренней трубой и башмаком вдоль продольной оси; и

дополнительное гибкое соединение между внутренней трубой и фильтрующим элементом,

причем контур проходит от кольцевого пространства к проходному отверстию через множество отверстий, выполненных в фильтрующем элементе.

15. Система отбора тепла по п. 14, в которой фильтрующий элемент является нераздельной частью башмака.

16. Система отбора тепла по п. 12, в которой внутренняя труба непосредственно прикреплена к башмаку дополнительным гибким соединением, и при этом внутренняя труба включает в себя множество отверстий, так что контур проходит от кольцевого пространства к проходному отверстию через множество отверстий.

17. Система отбора тепла по п. 12, в которой инструмент также содержит

выступ (610), который неподвижно прикрепляет внутреннюю трубу относительно внешней трубы, так что нижний конец внутренней трубы плавает над башмаком для обеспечения возможности контуру выхода из кольцевого пространства и входа в проходное отверстие.

18. Система отбора тепла по п. 12, в которой внутренняя труба непосредственно соединена с башмаком дополнительным гибким соединением, а башмак имеет один или более каналов, которые позволяют контуру проходить от кольцевого пространства к проходному отверстию через указанные один или более каналов.

19. Система отбора тепла по п. 18, в которой один или более каналов образованы исключительно в корпусе башмака.

20. Система отбора тепла по п. 12, в которой башмак имеет форму конуса или цилиндра, имеющего носок на дальнем конце.