Способ извлечения геотермальной энергии из подземных коллекторов

Авторы патента:

F28D21 - Теплообменники, не отнесенные к группам F28D 1/00- F28D 20/00

E21C41 - Подземные и открытые способы разработки полезных ископаемых (E21C 45/00 имеет преимущество ); системы разработок (для торфа E21C 49/00)

E21B43/24 - с применением тепла, например нагнетанием пара (нагревание, охлаждение или изоляция скважин E21B 36/00)

Изобретение относится к горному делу и м.б. использовано дпя извлечения тепла пород коллектора. Цель - повышение эффективности извлечения геотермальной энергии путем снижения затрат на бурение скважин и потерь тепла. При извлечении геотермальной энергии из подъемных коллекторов (к) последние вскрьшают бурением с поверхности по меньшей мере двух скважин (с). Первоначально бурят откачную С. В ней определяют горногеологические и теплофизические свойства пород. Затем по падению К бурят нагнетательную С. Расстояние ежду откачной и нагнетательной С определяют по заданной формуле. Нагнетательную С размещают относительно откачной С ниже по падению К. Холодный теплоноситель по С нагнетают насосом в К. Двигаясь по К за счет действия свободной конвекдаи, теплоноситель принимает температуру пород К и поднимается по С на поверхность. По трубопроводу теплоноситель поступает в теплообменник, |В последнем теплоноситель нагревает воду, циркулирующую между теплообменником и потребителем. Затем насосом вода вновь нагнетается в К. 3 ил. i (Л 4 4 О) 4: 00 ас

8 А1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ()9) SU(I() ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 4140661/22-03 (22) 29 ° 10.86 (46) 23.12.88. Бюл. 11 47 (71) Ленинградский горный институт им. Г.В.Плеханова (72) 10.Д.Дядькин, С.Г.Гендлер, Е.ЛеАртемьева и P.Ã.Àëèáåêîâ (53) 536.24(088.8) (56) Патент США Ф 3878884, кл. F 28 D 21/00, 1980.

Назаров С.Н. Об одном способе использования глубинного тепла Земли. В сб.: Геотермические исследования и использование тепла Земли.

М.: Наука, 1966, с. 346-354. (54) СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ

ЭНЕРГИИ ИЗ ПОДЗЕИН11Х КОЛЛЕКТОРОВ

-(57) Изобретение относится к горному делу и м.б ° использовано для извлечения тепла пород коллектора. ЦельвЂ” повышение эффективности извлечения геотермальной энергии путем снижения (58 4 F 28 D 21/00, Е 21 В 43/24, Е 21 С 41/00 затрат на бурение скважин и потерь тепла. При извлечении геотермальной и энергии иэ подъемных коллекторов (К) последние вскрывают бурением с поверхности по меньшей мере двух скважин (С). Первоначально бурят откачную С.

В ней определяют горногеологические и теплофиэические свойства пород. Затем по падению К бурят нагнетательную С. Расстояние Между откачной и нагнетательной С определяют по заданной формуле. Нагнетательную С размещают относительно откачной С ниже по падению К. Холодный теплоноситель по

С нагнетают насосом в К. Двигаясь по

К за счет действия свободной конвек- д

Ю ции, теплоноситель принимает температуру пород К и поднимается по С на поверхность. По трубопроводу теплоноситель поступает в теплообненнин. С, В последнем теплоноситель нагревает воду, циркулирующую между теплообмен- 2 ником и потребителем. Затем насосом вода вновь нагнетается в К. 3 ил.

1446438

Изобретение относится к области горного деля и может быть использовано для извлечения тепла пород коллектора. 5

Целью изобретения является повышение эффективности из влечения геотермальной энергии из наклонных коллекторов путем снижения затрат на бурение скважин и потерь тепла. !О

На фиг, 1 показана диаграмма распространения теплоносителя в коллекторе; на фиг. 2 и 3 вЂ” извлечения геотермальной энергии.

При извлечении геотермальной энер- 15 гии из наклонных коллекторов интенсивность процессов тепломассопереноса в системе нагнетаемый теплоносительвЂ” горные породы определяется совокупным действием вынужденной и свободной конвекции. Соотношение между этими двумя составляшщими фильтрационного течения зависит при прочих равных условиях (мощность, проницаемость, угол падения коллектора, температура 25 теплоносителя) от расстояния между нагнетательной и добычной скважинами. При максимальном расстоянии L,„„ соответствующем приблизительно размерам пласта по падению между условными границами (области с более низкой проницаемостью пород), превалирует вьпгужденная конвекция (фиг. Ià).Она же определяет величину площади охвата потоком теплоносителя коллектора и обуславливает максимальное время его эксплуатации (фиг. 2). В то же время такое расположение скважин связано с максимально возможными объемами буровых работ и значительными 4О потерями напора при движении теплоносителя. При уменьшении расстояния между скважинами удельный вес вынужденной конвекции в формировании процесса фильтрационного течения снижа- 45 ется, а свободно-конвективный возрастает. Однако интейсивность роста свободно-конвективной составляющей гораздо меньше, чем снижение вынужденной. Это приводит к уменьшению площади ахваTil коллектора (фиг. 1,б) и времени его эксплуатации (фиг. 2).

Сокращение времени эксплуатации коллектора происходит лишь до определенI ной величины расстояния 1, после

max 55 которой значительно возрастает влияние свободной конвекции, что BHoBb приводит к повышению площади охвата коллекторя (фиг. 1 â) и увеличению времени его эксплуатации (фиг. 2), При равенстве расстояния между скважинами эксплуатации, при расположении скважин на расстоянии L „друг от друга (фиг. 2) дальнейшее уменьшение расстояния между скважинами (до L „) снова обуславливает снижение площади охвата фильтрационным потоком коллектора (фиг. 1,г) и времени его эксплуатации (фиг. 2). Таким образом при извлечении геотермальной энергии из наклонных коллекторов всегдя сущеCтвует некоторое минимальное расстояние между эксплуатационными скважинами Ь .„, при котором время эксплуатации коллектора приблизитель" но соответствует времени эксплуатации при размещении скважин на макси" малько возможном расстоянии друг от друга L Причем случай равенства . расстояния между скважинами 1, ;„харак" теризуется максимальным объемом буровых работ и энергетическими затратами на прокачку теплоносителя.

Анализ закономерностей извлечения геотермальной энергии из наклонных коллекторов с помощью геотермальных циркуляционных систем свидетельствует о том, что процессы тепломассопереноса зависят от многих. факторов, среди которых наиболее значительное влияние оказывают мощность коллектора Ь„ (м), угол его падения (g (град), проницаемость пород К (м ) их пористость m 1 (доли ед,), температура пород Т < (К),удельная теплоемкость Ст (Дж/(кг К), плотность и (кг/м ), динамическая вязкость 1Пт(Па С), коэффициент объемного термического расширения Р (1/К) теплоносителя, удельная теплоемкость

С я (Дж/кг ° К), плотность („(кг/м ), температуропроводность а (м /с }, 2 теплопроводность > (Вт/м К) пород коллектора, расход ъ,. (м /с) и температура t < (К) закачиваемого теплоносителя, расстояние между эксплуатационными скважинами Ь (м),ускорение свободного падения p;=9,8 (м/C ), время ь -(с) .

Схема включает в себя нагнетательную скважину 1, добычную скважину 2, геотермальный коллектор 3, теплоноситель 4, нагнетательный насос 5, внутренний трубопровод 6, теплообменник 7, внешний трубопровод 8, потребитель 9.

1 ! с ч е г 1

L J

Фиа

14464

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Осуществляют бурение добычной и нагнетательной скважин 2 и 1. Причем определяют между ними расстояние

Ъ, а нагнетательную скважину 1 размещают относительно скважины 2 ниже по падению коллектора. Холодный теплоноситель 4 по скважине 1 с помощью )p насоса 5 нагнетают в коллектор 3.

Двигаясь по нему за счет действия свободной конвекции, теплоноситель 4 принимает температуру пород коллектора и по скважине 2 поднимается на 15 поверхность, где по трубопроводу 6 поступает в теплообменник 7. В теплообменнике 7 теплоноситель 4, охлаждаясь,.нагревает воду, циркулирующую по трубопроводу 8 между теплообменни- 20 ком 7 и потребителем 9, после чего вновь насосом 5 нагнетается в коллектор 3.

Формула изобретения

Способ извлечения геотермальной энергии из подземных коллекторов, включающий их вскрытие бурением с поверхности по меньшей мере двух сква- 30 жин, определение в них горногеологических и теплофизических-.ввойств пород коллектора, подачу в нагнетательную скважину теплоносителя, осуществление его циркуляции по коллектоРу 35 и подъем теплоносителя с температурой, CZ.

4 равной температуре пород коллектора, на поверхность по откачной скважине, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности извлечения геотермальной энергии из Наклонных коллекторов, снижения затрат на бурение скважин и потерь тепла, первоначально бурят .откачную скважину и определяют в ней горногеологические и теплофизические свойства по" род, после чего ниже по падению коллектора бурят нагнетательную скважину, при этом расстояние Ъ„щ„между откачкой и нагнетательной скважинами определяют из выражения

g 194 M Q Cq Pq cos (gg

Р, С,, К„ „ Т„- „т. „"

3 где т вЂ” расход теплоносителя, м /с;

С„, Сг вЂ” удельная теплоемкость пород и теплоносителя, Дж/кг>К;

„, p вЂ” плотность пород и теплоносителя, кг/м, Р - динамическая вязкость теплоносителя, Па с; т- коэффициент объемного термического расширения, 1/К;

К„- проницаемость пород, м

tp вЂ” угол падения коллектора, град; . h„- мощность коллектора, м;

Т „ вЂ” температура пород коллектора, К; вЂ” твмпература нагнетаемого теплоносителя, К.

1446438

О 200 ЧСО ЕО ВОО 10О гоо )МОО

Фи©8

Составитель В Л1ишкии