Способ извлечения геотермальной энергии слабопроницаемого массива горных пород

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при создании геотермальных циркуляционных систем (ГЦС) теплоснабжения любых объектов с сезонным или иным изменением требований к температуре теплоносителя. Обеспечивает повышение эффективности извлечения геотермальной энергии. Способ включает бурение не менее двух вертикально-наклонных скважин. Они пересекают на разных уровнях две серии вертикальных трещин гидроразрыва. Там образуют верхний и нижний коллекторы. Через нагнетательную скважину подают холодную воду. Через добычную скважину поднимают нагретую воду. Затем нагретую воду подают в сеть теплообменника. Перед началом циркуляции увеличивают раскрытие трещины гидроразрыва высоконапорным воздействием на трещину. Часть количества воды от общего расхода воды в геотермальной циркуляционной системе, нагретой в верхнем коллекторе, направляют в нижний коллектор. Эту часть воды определяют по аналитической формуле. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при создании геотермальных циркуляционных систем (ГЦС) теплоснабжения любых объектов с сезонным или иным изменением требований к температуре теплоносителя.

Известен способ по патенту США N 3786858, 1974 г., заключающийся в бурении нагнетательной вертикально-наклонной скважины, из призабойного интервала которой образована вертикальная трещина гидроразрыва слабопроницаемого массива горячих горных пород. Добычная вертикально-наклонная скважина пересекает эту трещину и выводит поток воды, нагретый при фильтрации по трещине, к расположенному на земной поверхности теплообменнику. В теплообменнике геотермальная энергия пород передается рабочему теплоносителю, направляемому к объекту теплоснабжения, а после энергетического использования его охлажденный поток возвращается в теплообменник для нагревания за счет геотермального теплоносителя. Его поток при этом охлаждается и насосом по нагнетательной скважине вновь направляется в трещину, замыкая контур геотермальной циркуляционной системы (ГЦС). Недостатками способа являются слишком малые значения возможной тепловой мощности N_T и срока службы, которые определяются ограниченной площадью теплообменной поверхности одной трещины и небольшим расходом воды W, который способна принять такая трещина с раскрытием в первые миллиметры или их доли. Даже при небольшом темпе нагнетания до 5-25 л/с скорость потока воды на входе в трещину составляет десятки м/с, в прискважинной зоне трещины наблюдается турбулентность, значительные потери напора, а начальный гидравлический импеданс достигает 2 МПа с/л. Кроме того, температура добываемого геотермального теплоносителя не поддается регулированию без использования других источников тепла (она постепенно снижается в соответствии с нестационарностью процесса теплообмена в трещине), тогда как для объектов теплоснабжения характерны сезонные и иные колебания графика тепловой нагрузки и необходимой температуры теплоносителя от минимальной в системе постоянного горячего водоснабжения до максимальной для отопления в наиболее холодные зимние месяцы.

Известен другой способ (AGU, Vol. 55, р. 40026, 1974 г.), по которому между наклонными интервалами нагнетательной и добычной скважин, напорной водой образуется искусственный коллектор из нескольких вертикальных трещин гидроразрыва. Данная схема позволяет во столько же раз увеличить суммарную теплообменную поверхность распределяемой между трещинами расход циркулирующей в ГЦС воды, ее тепловую мощность и срок службы. Однако при интервале между трещинами менее 30 м тепловое взаимодействие их фильтрационных потоков уже через 10-15 лет становится существенным и может привести к сокращению срока ГЦС. В то же время с увеличением этого параметра возрастают длина и стоимость дорогостоящего бурения наклонных интервалов скважин. Способ также не позволяет регулировать температуру геотермального теплоносителя и не исключает высокий гидравлический импеданс прискважинных зон трещин.

Известен также способ извлечения геотермальной энергии по а. с. N 1390345, М.кл. E 21 В 43/28, 1986, принятый за прототип, включающий бурение вертикально-наклонных скважин, вскрывающих два коллектора из нескольких трещин гидроразрыва горячих пород на глубине H₁ - для получения рабочего теплоносителя с минимальной температурой T₁ и на глубине H₂ - для максимальной температуры T₂. Недостатком способа является большой объем наиболее сложных и дорогих гидроразрывных работ по созданию нижнего коллектора, количество и площадь трещин которого должны обеспечивать нагревание потока отработанной холодной воды с температурой Т₀ до высокой температуры T₂.

Задачей предлагаемого способа является устранение отмеченных недостатков, т. е. повышение эффективности извлечения геотермальной энергии, уменьшение ее себестоимости за счет увеличения общего расхода воды в геотермальной циркуляционной системе снижения затрат по созданию коллекторов в горячих слабопроницаемых горных породах.

Задача решается тем, что в способе извлечения геотермальной энергии слабопроницаемого массива горных пород, включающем бурение не менее двух вертикально-наклонных скважин, пересекающих на разных уровнях две серии вертикальных трещин гидроразрыва, образование там верхнего и нижнего коллекторов, подачу холодной воды через нагнетательную скважину и подъем нагретой воды через добычную скважину, подачу ее в сеть теплообменника, перед началом циркуляции увеличивают раскрытие трещины гидроразрыва высоконапорным воздействием на трещину, после чего часть количества воды ( Δ W) от общего расхода воды в геотермальной циркуляционной системе, нагретой в верхнем коллекторе, направляют в нижний коллектор, причем эту часть количества воды определяют из выражения где W - общий расход воды в геотермальной циркуляционной системе, м³/с; Т_п - температура нагрева воды, заданная потребителем, град.C; T₁ - температура нагрева воды в верхнем коллекторе, град. C; Т₂ - температура нагрева воды в нижнем коллекторе, град. C.

Коллекторы могут быть образованы на развернутых относительно вертикали наклонных частях скважин.

При высоконапорном воздействии на трещины сначала нагнетают водовоздушную пену с добавкой 1% сульфинола до давления в трещинах 60-70 МПа, затем после периода деструкции продувают трещины продуктом горения смеси аммиачной серы 70% и толченого угля до давления 100-200 МПа, после чего заполняют трещины водой, которую замораживают с использованием твердой углекислоты до давления 350 МПа.

Предложенный способ позволяет уменьшить число трещин гидроразрыва в нижнем коллекторе, необходимых для обеспечения требуемой пропускной способности, а значит снизить затраты по созданию коллектора. Это становится возможным за счет уменьшения количества воды, нагреваемой в нижнем коллекторе, теперь это только Δ W, а не W.

Увеличение раскрытия трещин гидроразрыва в обоих коллекторах позволит также уменьшить число трещин за счет увеличения пропускной способности коллекторов.

Способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема ГЦС с расположением коллекторов на продолжении нагнетательной и добычной скважин; на фиг. 2 - схема ГЦС с расположением коллекторов на развернутых относительно вертикали наклонных частях скважин.

Схема содержит следующее.

1. Нагнетательная скважина.

2. Добычная скважина.

3. Трещина гидроразрыва.

4. Насос.

5. Теплообменник.

6. Потребитель.

Способ осуществляется следующим образом.

На первой стадии строительства каскадной ГЦС бурят нагнетательную 1 и добычную 2 скважины, меж их наклонными интервалами образуют верхний коллектор К₁, состоящий из нескольких вертикальных трещин гидроразрыва 3. Верхний коллектор K₁ располагается в массиве горячих пород на средней глубине H₁, которая должна обеспечивать нагревание фильтрационного потока воды, нагнетаемого насосом 4 до уровня, достаточного, чтобы получить в теплообменнике 5 рабочий теплоноситель с постоянной температурой T₁ в течение срока службы ГЦС, заданного потребителем 6.

Перед вводом в действие созданной геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) горячего водоснабжения (например, Т₁=70^oC) осуществляют комплексное высоконапорное воздействие на трещины гидроразрыва для их расширения и увеличения общего расхода воды в ГЦС.

Высоконапорное воздействие на трещины осуществляют за счет нагнетания водовоздушной пены с добавкой 1% сульфинола до давления в трещинах 60-70 МПа, затем после периода деструкции продувают трещины продуктом горения смеси аммиачной серы 70% и толченого угля до 30% до давления 100-200 МПа, после чего заполняют трещины водой, которую замораживают с использованием твердой углекислоты до давления 350 МПа. Высоконапорное воздействие может осуществляться не только комплексом перечисленных, но и каждым в отдельности.

Через некоторое время после начала работы верхнего коллектора K₁ приступают к выполнению второго коллектора К₂. Коллектор K₂ должен располагаться более глубоко, чем коллектор K₁, и служить для догрева горячей воды, поступающей из коллектора К₁, до более высокой температуры. Коллектор K₂ может быть расположен как на продолжениях наклонных частей скважин, на которых расположен K₁ (фиг. 1), так и на развернутых относительно вертикали наклонных частях скважин (фиг. 2). Перед введением коллектора К₂ в работу также производят комплексное высоконапорное воздействие на трещины гидроразрыва для их расширения и увеличения общего расхода воды в ГЦС.

После введения в работу нижнего коллектора К₂ воду, поступающую на поверхность из коллектора K₁, направляют через регулировочный кран в коллектор К₂ для догрева до более высокой температуры. Регулируя количество воды Δ W, поступающей для догрева, можно регулировать температуру воды T_п, идущей к потребителю по формуле где W - общий расход воды в геотермальной циркуляционной системе, м³/с; Т_п - температура нагрева воды, заданная потребителем, град. C; T₁ - температура нагрева воды в верхнем коллекторе, град.C;
T₂ - температура нагрева воды в нижнем коллекторе, град.C.

Таким образом, может быть повышена эффективность извлечения геотермальной энергии, снижение затрат по созданию коллекторов и достигнуто уменьшение себестоимости продукции за счет увеличения количества воды, циркулирующей в коллекторах с самого начала работы ГЦС, возможности регулирования температуры теплоносителя и уменьшения числа трещин гидроразрыва.

Формула изобретения

1. Способ извлечения геотермальной энергии слабопроницаемого массива горных пород, включающий бурение не менее двух вертикально-наклонных скважин, пересекающих на разных уровнях две серии вертикальных трещин гидроразрыва, образование там верхнего и нижнего коллекторов, подачу холодной воды через нагнетательную скважину и подъем нагретой воды через добычную скважину, подачу ее в сеть теплообменника, отличающийся тем, что перед началом циркуляции увеличивают раскрытие трещины гидроразрыва высоконапорным воздействием на трещину, после чего часть количества воды (ΔW) от общего расхода воды в геотермальной циркуляционной системе, нагретой в верхнем коллекторе, направляют в нижний коллектор, причем эту часть воды определяют из выражения

где W - общий расход воды в геотермальной циркуляционной системе, м³/с;
Т_п - температура нагрева воды, заданная потребителем, град.С;
T₁ - температура нагрева воды в верхнем коллекторе, град.С;
Т₂ - температура нагрева воды в нижнем коллекторе, град.С.

2. Способ извлечения геотермальной энергии по п.1, отличающийся тем, что коллекторы образуют на развернутых относительно вертикали наклонных частях скважин.

3. Способ извлечения геотермальной энергии по п.1 или 2, отличающийся тем, что при высоконапорном воздействии на трещину сначала нагнетают водовоздушную пену с добавкой 1% сульфинола до давления в трещинах 60-70 МПа, затем после периода деструкции продувают трещину продуктом горения смеси аммиачной серы 70% и толченого угля до 30% до давления 100-200 МПа, после чего заполняют трещины водой, которую замораживают с использованием твердой углекислоты до давления 350 МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2