Установка для выработки геотермальной энергии
Изобретение относится к энергетике, а именно к использованию геотермального тепла в установках, использующих воду от внешнего источника. Задача изобретения - повышение эффективности и экономичности за счет уменьшения количества воды и более простой эксплуатации. Суть изобретения в том, что в установке для выработки геотермальной энергии, включающей главным образом вертикальный нагнетательный ствол скважины, идущий от поверхности в толщу земли, выполненный с возможностью приема воды, главным образом вертикальный выходной ствол скважины, находящийся на расстоянии от нагнетательного ствола и идущий также от поверхности в толщу земли, выполненный с возможностью отвода из него пара, главным образом горизонтальный ствол скважины, который соединяет два вертикальных ствола скважины, по меньшей мере один участок горизонтального ствола скважины, расположенный в горячей горной породе, все указанные скважины имеют обсадные трубы, предотвращающие контактирование жидкости, проходящей через скважины, с почвой или с грунтовыми водами, а вода, полученная после конденсации пара, из выходного ствола скважины закачивается в нагнетательный ствол скважины и используется повторно. Кроме того, горизонтальный ствол скважины может целиком находиться в горной породе, нагнетательный и выходной стволы скважины входят в горячую горную породу, в установке предусмотрены средства для нагнетания воды из нагнетательного ствола скважины в горизонтальный ствол скважины. В такой установке поступающая в горную породу вода не загрязняется и поэтому она может использоваться повторно. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.
Предпосылки к созданию изобретения
Настоящее изобретение относится к установке для выработки геотермальной энергии, а более конкретно к усовершенствованной установке для выработки геотермальной энергии, в которой не используют воду в горячей горной породе и используют воду из внешнего источника, причем эта вода может быть использована повторно. Известно, что установки для выработки геотермальной энергии используют в течение многих лет. Обычная установка предусматривает бурение скважины в горячую горную породу, которая содержит горячую воду. Если пласт является сухим и горячим, то вода может быть закачена в скважину и в горячую горную породу. Горячая горная порода либо содержит горячую воду, либо будет нагревать воду, закаченную в нее, пока вода не достигнет температуры и давления, которые превосходят условия, необходимые для образования пара. Горячая вода вытекает из скважины или откачивается из нее, причем после снятия давления происходит разделение горячей воды и пара, и отделенный пар используют для вращения турбины, которая вращает электрический генератор или некоторый другой механизм. Генератор может быть подключен к электрической сети для передачи электроэнергии в точку ее использования, или же энергия может быть использована на месте ее получения. Отметим, что может потребоваться обработка грунтовой воды перед ее возвратом в горячую горную породу. Было обнаружено, что в применяемых в настоящее время установках для выработки геотермальной энергии природная вода или вода, которую закачивают в горячую горную породу, является сильно загрязненной. Такая вода обычно имеет высокое содержание твердых веществ и может содержать образующие накипь или корродирующее химикаты, или то и другое, что требует проведения обработки перед тем, как вода может быть возвращена в горячую горную породу. После использования пара для вращения турбины, пар конденсируется в водную фазу, причем полученная вода также является загрязненной и требует обработки ранее ее пропускания через трубопроводы и бассейны для обработки и ранее ее возврата в горячую горную породу.
Следует также иметь в виду, что использование единственной скважины, в которую закачивают воду и из которой отводят пар, ограничивает местоположение как турбогенератора, так и самих скважин, так как они должны быть расположены поблизости друг от друга, если единственную скважину используют для приема воды, отвода пара и возврата воды в пласт. Кроме того, использование единственной скважины ограничивает время нахождения воды в горячей горной породе, в результате чего эффективность установки снижается.
Краткое изложение изобретения
Настоящее изобретение позволяет преодолеть указанные трудности, причем одной из его задач является создание усовершенствованной установки для выработки геотермальной энергии, в которой вода, получающая теплоту из горячей горной породы, не становится загрязненной, так что она может быть использована повторно, причем не требуется проведение ее химической обработки после ее использования в стандартных водяных бойлерах, при этом указанная установка является экономичной по объему использованной воды. Другой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной установки для выработки геотермальной энергии, в которой турбина, которая вращает генератор или другой механизм и в которую подается пар, не обязательно должна быть расположена в непосредственной близости от нагнетательной скважины, которую используют для введения воды в толщу земли, и может быть расположена на расстоянии от скважины. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной установки для выработки геотермальной энергии, которая является более эффективной. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной установки для выработки геотермальной энергии, которую легко устанавливать, так как скважины могут быть пробурены при помощи техники горизонтальной проходки скважин, которую широко используют в нефтяной промышленности. Усовершенствованная установка для выработки геотермальной энергии является простой в эксплуатации. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание установки, в которой не требуется удаление воды из пласта, так что поддерживается давление в пласте.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи. На фиг.1 схематично показана установка для выработки геотермальной энергии с использованием отдельных нагнетательной (входной) и выходной скважин, выполненная в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.2 схематично показана установка для выработки геотермальной энергии с комбинацией входной и выходной скважин в единственную скважину.
Подробное описание изобретения
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показана установка для выработки геотермальной энергии в соответствии с настоящим изобретением. Эта установка содержит нагнетательную скважину 1, которая идет в толщу земли 2 от поверхности 3, пока она не встречается со слоем или пластом горячей горной породы 4 в толще земли 2. В местоположении, удаленном от нагнетательной скважины 1, пробурена также выходная скважина 5, которая также идет от поверхности 3 в горячую горную породу 4. Когда скважина приближается к горячей горной породе, то она поворачивает от вертикального в горизонтальное направление 6 и проходит через горячую горную породу 4 на расстоянии, необходимом для надлежащего нагревания воды, после чего ствол скважины поворачивает к вертикали и идет до поверхности. Таким образом, нагнетательная скважина 1, горизонтальный ствол скважины 6 и выходная скважина 5 образуют непрерывный путь от поверхности вниз в горячую горную породу через лежащий над ней материал, а затем вверх до поверхности через скважину 5. На фиг.1 ствол скважины 6 показан горизонтальным, однако следует иметь в виду, что при необходимости ствол скважины 6 может иметь и другую ориентацию. Отметим, что из единственной вертикальной скважины могут быть пробурены несколько горизонтальных скважин. Блок турбогенератора 10 или некоторый другой механизм, который работает при помощи пара, расположен в непосредственной близости от выходной скважины 5 и соединен с выходной скважиной 5 таким образом, что пар, выходящий из выходной скважины 5, приводит в действие блок турбогенератора 10 или другой аналогичный механизм, позволяющий вырабатывать энергию или выполнять некоторые другие функции.
При помощи этой установки чистую воду закачивают в нагнетательную скважину 1 и выпускают в точке 12, причем вода протекает через ствол скважины 6 в горячей горной породе 4, превращаясь при этом в пар, а затем пар выходит из земли через выходную скважину 5 и приводит в действие блок турбогенератора 10 или некоторый другой механизм. После конденсации пара в конденсаторе 13 пар превращается в водную фазу. Полученная вода, которая хранится в баке 14, проходит очистку в установке 15 и закачивается назад в нагнетательную скважину 1 для повторения описанной выше операции. Однако следует иметь в виду, что в ходе указанной операции смесь пара и воды загрязняется и не может быть использована повторно без соответствующей очистки, так как может вредно воздействовать на работу блока турбогенератора. Поэтому в каждом рабочем цикле вода проходит через процесс очистки 15, чтобы обеспечить ее надлежащую чистоту.
Для того, чтобы предотвратить загрязнение смеси пара и воды при ее прохождении через ствол скважины 6 в горячей горной породе 4, ствол скважины 6 облицован и/или изготовлен из материала 7, который является коррозионно-стойким, так что смесь пара и воды не входит в контакт с горячей горной породой 4. Скважины 1 и 5, а также ствол скважины 6, могут быть цементированы на месте в соответствии со стандартами выполнения водяных и нефтяных скважин. Так как смесь пара и воды остается чистой и может быть использована повторно после блока турбогенератора, то вода не удаляется в сточные воды. Для дополнительного предотвращения загрязнения смеси пара и воды желательно также производить облицовку нагнетательной скважины 1 и выходной скважины 5 при помощи не подверженных коррозии обсадных труб 8 и 9 соответственно, с цементированием указанных труб на месте. В этом случае при поступлении воды в нагнетательную скважину 1 она не входит в контакт с грунтом 2 и не загрязняется, причем выходящий из выходной скважины 5 пар остается чистым, так как он тоже не входит в контакт с толщей земли 2. Поэтому смесь пара и воды остается чистой и может быть использована повторно без риска загрязнения. Следовательно, установка в соответствии с настоящим изобретением позволяет экономить воду, так как не требуется ее удалять в сточные воды или подвергать дорогой очистке, которая требуется в том случае, когда загрязненные грунтовые воды циркулируют в установке. Следует также иметь в виду, что настоящее изобретение позволяет размещать выходную скважину 5 в местоположении, удаленном от нагнетательной скважины 1, причем выходная скважина 5 может быть пробурена в непосредственной близости от блока турбогенератора 10. Таким образом, если по каким-либо причинам нагнетательная скважина 1 не может быть расположена вблизи от блока турбогенератора 10, то она может быть пробурена в местоположении, удаленном от него, так как ствол скважины 6 может иметь любую желательную длину, с учетом того, что он главным образом расположен в горячей горной породе, и, как минимум, должен иметь длину, достаточную для превращения воды в пар, что не приводит к вредному воздействию на эффективность и работу установки в соответствии с настоящим изобретением.
Настоящее изобретение позволяет создать усовершенствованную установку для выработки геотермальной энергии, в которой поступающая в горячую горную породу вода не загрязняется, так что она может быть использована повторно, причем турбогенератор или некоторый другой механизм, которые работают при помощи пара, не обязательно должны быть расположены вблизи от нагнетательной скважины, которую используют для закачки воды в почву, а могут быть расположен на удалении от этой скважины, при этом в установке уменьшен расход воды, она является более экономичной, может быть легко установлена и является простой в эксплуатации.
На фиг.2 показан вариант описанной выше установки, в которой присутствуют все элементы установки, показанной на фиг.1. Следует иметь в виду, что все отмеченные выше результаты могут быть получены при использовании единственной вертикальной скважины и одной или нескольких горизонтальных скважин. Вода поступает в горизонтальную область скважины через трубы, идущие вниз в обсадной колонне, и вытекает в конце обсадной колонны. Вода затем превращается в пар, который выходит назад из единственной скважины и поступает к турбине.
В том и другом варианте обработанная вода может быть на любом конце ветви горячей воды или может распределяться по всем участкам ветви горячей воды.
Как видно на чертежах, может быть одна или несколько горячих ветвей. Все горячие ветви могут работать одновременно или же могут быть использованы поочередно, когда одна горячая ветвь работает, а другие ветви нагреваются до тех пор, пока они не будет готовы к работе.
На чертежах горячая ветвь показана горизонтальной, однако следует иметь в виду, что она может иметь наклон вверх или вниз для того, чтобы улучшить ее положение в горячей горной породе.
Отметим, что может потребоваться чистка горячей ветви, обычно с длительными промежутками между операциями чистки. Для этого впускную трубу удаляют и вводят в горячую ветвь чистящий механизм, который проходит по линии, снимая наросты со стенок, которыми обычно является накипь. Отходы удаляют и после завершения чистки указанную впускную трубу возвращают на место.
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.
1. Установка для выработки геотермальной энергии, включающая главным образом вертикальный нагнетательный ствол скважины, идущий от поверхности в толщу земли, выполненный с возможностью приема воды, главным образом вертикальный выходной ствол скважины, находящийся на расстоянии от нагнетательного ствола и идущий также от поверхности в толщу земли, выполненный с возможностью отвода из него пара, главным образом горизонтальный ствол скважины, который соединяет два вертикальных ствола скважины, причем, по меньшей мере, один участок горизонтального ствола скважины расположен в горячей горной породе, при этом все указанные скважины имеют обсадные трубы, предотвращающие контактирование жидкости, проходящей через скважины, с почвой или с грунтовыми водами, а вода, полученная после конденсации пара из выходного ствола скважины, закачивается в нагнетательный ствол скважины и используется повторно.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что горизонтальный ствол скважины целиком находится в горной породе.
3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что нагнетательный и выходной стволы скважины входят в горячую горную породу.
4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в ней предусмотрены средства для нагнетания воды из нагнетательного ствола скважины в горизонтальный ствол скважины.
