Способ извлечения тепловой энергии на нефтяном месторождении
METHOD FOR EXTRACTION OF THERMAL ENERGY IN OIL DEPOSIT

Изобретение относится к способам извлечения тепловой энергии из искусственно нагретого грунта и может использоваться в качестве альтернативных источников энергии, например, для отопления зданий и сооружений, подогрева приточного вентиляционного воздуха, производства бытовой горячей воды или иное применение.
Известен способ извлечения геотермальной энергии из скважины (РФ №2341736, опубл. 20.12.2008) с помощью теплового насоса, вход которого соединен с трубопроводами с заборной и поглощающей скважинами, выход теплового насоса подключен трубопроводами к системе распределения тепла. К тепловому насосу подключен U-образный контур трубопровода, помещенный в скважину и по которому циркулирует жидкость, подаваемая с поверхности. В известном техническом решении тепло контуру теплового насоса передается жидкостью, нагреваемой в скважине.
Известен способ извлечения геотермальной энергии из добытой продукции действующей нефтяной скважины, выбранный за прототип, (РФ №2592913, опубл. 04.06.2015), включающий подключение входа теплового насоса к трубопроводу, помещенному в ствол скважины, а выхода - к системе распределения тепла потребителю, при этом осуществляют разделение в скважине с помощью скважинного сепаратора продукции нефтяной скважины на нефть и воду, затем с помощью скважинного насоса очищенную воду направляют в продуктопровод, подключенный к тепловому насосу, при этом тепловой насос включает внутренний замкнутый контур, проходящий через испаритель с жидкостью низкотемпературного кипения, конденсатор, компрессор и редукционный клапан, к конденсатору которого подключают отвод теплопровода потребителя, а к испарителю с жидкостью низкотемпературного кипения подключают отвод продуктопровода с очищенной водой. В известном патенте используется тепловая энергия добываемой скважинной жидкости, в частности смеси нефти и воды. Установка расположена на участке нефтяного месторождения на устье скважины и не может быть использована на участках месторождения высоковязкой нефти.
Указанные способы не эффективны и не могут быть применены для извлечения тепловой энергии, добываемой из грунта, искусственно нагретого паром при извлечении высоковязкой нефти.
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа, позволяющего эффективно извлечь и применить тепло искусственно нагретого паровыми потоками, в процессе разработки и эксплуатации месторождений высоковязкой нефти.
Технический результат состоит в расширении арсенала способов получения тепловой энергии и реализации назначения, именно в повышении эффективности извлечения и использования тепла, создаваемого в процессе разработки и эксплуатации месторождения высоковязкой нефти по комбинированному термошахтному способу, получение дешевой тепловой энергии для нужд населения, в том числе для отопления и бытовых нужд близлежащих поселений.
Технический результат достигается тем, что способ извлечения тепловой энергии на нефтяном месторождении, включающий извлечение тепловой энергии с помощью теплового насоса, вход которого подключен к трубопроводу, помещенному в среду для теплообмена, а выход - к системе распределения тепла потребителю, согласно изобретения, извлечение тепловой энергии осуществляют из искусственно нагреваемого грунта, в качестве среды для теплообмена используют слой грунта высотой до 100 метров, расположенный над пластом продуктивной высоковязкой нефти, разрабатываемым комбинированным термошахтным способом, постоянный искусственный нагрев слоя грунта осуществляют от галереи подземных скважин, пробуренных с поверхности участка разрабатываемого месторождения до продуктивного пласта, в которые закачивается перегретый пар парогенераторными установками, тепловой насос устанавливают на поверхности земли в границах участка разрабатываемого месторождения, над зоной активации разогрева нефтяного пласта бурят вертикальную скважину на глубину 30-100 м, в которую устанавливают U-образный трубопровод, выполняющий роль теплообменника, отбор и преобразование низкопотенциального тепла из грунта до высокого температурного уровня проводят путем передачи тепла через теплообменник закрытого типа с жидким незамерзающим теплоносителем, подключенный к контуру испарителя теплового насоса. На поверхности земли в границах участка месторождения может быть установлено два и более тепловых насосов, выход которых подключен к системе распределения тепла потребителю. Для исключения вероятности охлаждения трубопровода в зимний период его теплоизолируют на глубину до 3,1 м.
Известны способы добычи высоковязкой нефти из коллектора через горизонтальный ствол скважины или систему скважин (РФ 2421608), с использованием инжекции нагретой текучей среды (РФ 2422618), шахматно-циклическим способом (РФ 2418945), специально разработанные для «тяжелой» ярегской нефти.
Из уровня техники известен комбинированный способ термошахтной разработки месторождения высоковязкой нефти (РФ 2425211, МПК Е21И 43/24, опубл. 27.07.2011).
С момента открытия месторождения в 1932 году «тяжелую» ярегскую нефть пытались извлечь традиционными методами - при помощи скважин. Но большая вязкость сырья и низкое пластовое давление не позволили добывать его с поверхности земли. С 1972 года стали применять паротепловые методы добычи: в пласт нагнетается пар, который делает нефть более текучей и «легкой на подъем».
Среди основных были одногоризонтный способ и подземно-поверхностная система. Основное различие между ними в том, что при первом пар подается в пласт непосредственно из эксплуатационной галереи в нефтеносном пласте, а при второй - через нагнетательные скважины на поверхности земли.
3
Инженеры ЛУКОЙЛ-Коми вместе со специалистами из ЛУКОЙЛ-Инжиниринга объединили технологии теплоподачи одногоризонтной и подземно-поверхностной систем, разработав комбинированный способ термошахтной разработки месторождения высоковязкой нефти. В настоящее время изобретение внедряется в производство. В результате применения технологии пар закачивается с двух направлений. В качестве источников пара используются парогенераторы, вырабатывающие влажный пар с сухостью 0,8 и температурой до 250°С. Для производства тонны пара в среднем расходуется 60÷70 кг нефти или 60÷70 м газа. Производимый в парогенераторах теплоноситель транспортируется к нагнетательным скважинам по паропроводам.
Предполагаемое изобретение позволяет извлечь тепловую энергию из грунта и использовать ее для отопления зданий и сооружений жилого поселка, находящегося в 3,5 км от места ведения разработки.
На рисунке 1 представлено распределение температур в пласте через 0,5 года эксплуатации [Рузин, Л.М. Разработка залежей высоковязких нефтей и битумов с применением тепловых методов: учеб. пособие / Л.М. Рузин, О.А. Морозюк. Ухта: УГТУ, 2015. - 166 с., стр. 89]. На рисунке 2 представлено схематичное функционирование теплового насоса с замкнутой системой циркуляции теплоносителя в теплообменнике.
Добыча высоковязкой нефти осуществляется закачиванием пара через галерею скважин 3 в нефтяной пласт 2, вокруг которых создается текучая среда 7. Нагретый продукт скважинным насосом 9 подается на поверхность для аккумулирования и дальнейшей переработки. На всем участке разработки тяжелой нефти тепло нагретого грунта 1 не используется. Нами предлагается извлечение тепловой энергии искусственно нагретого грунта тепловым насосом. Для работы теплового насоса требуется только источник электроэнергии. Принцип действия теплового насоса аналогичен принципу действия холодильника. В обоих есть испаритель, компрессор, конденсатор и дросселирующее устройство - все части объединены в единый контур. В испарителе хладагент нагревается до температуры 6-8°С, отобранной от теплоносителя из скважины, закипает и испаряется. Полученный пар сжимается компрессором. При росте давления температура хладагента поднимается до 35-65°С. Это тепло отдается через теплообменник конденсатора рабочей жидкости потребителя, который использует энергию по своему усмотрению. Охлажденный хладагент снова конденсируется, продавливается через дроссель, давление падает, и хладагент вновь поступает в испаритель, где готов испариться.
В качестве среды для теплообмена используется слой грунта высотой до 100 метров, расположенный над пластом продуктивной высоковязкой нефти. Слой грунта в процессе разработки и эксплуатации месторождения постоянно нагревается от галереи подземных скважин, в которые закачивается перегретый пар парогенераторными установками. Работа парогенераторных установок ведется ежесуточно непрерывно в течение всего периода разработки месторождения.
Тепловой насос, установленный на поверхности земли в пределах границ разрабатываемого месторождения в радиусе действия паровых установок, содержит: 10 - U-образный трубопровод, выполняющий роль теплообменника; 11 - испаритель; 12 - контур хладагента; 13 - компрессор; 14 - конденсатор; 15 - расширительный клапан.
пг
пол
пот
тр
нагн
окр
доб
Теплообменник 10 подключен к входу теплового насоса и представляет собой внешний контур трубопровода с циркулирующим незамерзающим жидким теплоносителем (например, раствор этиленгликоля), помещенный в среду для теплообмена в виде искусственно нагретого грунта. Для обеспечения теплообменной среды специально для теплообменника 10 над зоной активации разогрева нефтяного пласта в радиусе действия паровых установок бурят вертикальную скважину на глубину от 30 метров до 100 метров и устанавливают в нее теплообменник замкнутого типа. Из описания патента №2425211 известно, что все подземные скважины: добывающие, нагнетательные и парораспределительные обсаживают на глубину 50-100 м. Зона активации разогрева пласта 2 высоковязкой нефти обеспечивается галереей подземных скважин - нагнетательной 3 с перфорационными каналами 5 и парораспределительной, взаимосвязанных с добывающей скважиной 4. Разогретая нефть 8 представляет собой текучую среду 7, которая извлекается с помощью скважинного насоса 9. Теплоноситель нагревается в слое искусственно разогретого грунта и отдает свое тепло контуру теплового насоса. Глубина погружения внешнего контура (теплообменника) обоснована расчетами. С помощью расчетов нами обосновано, что при установке теплообменника 10 на глубину до 30 метров работа теплового насоса будет недостаточно эффективна, т.к. не обеспечивается требуемая разность подающей и возвратной температур и достаточная скорость потока теплоносителя (см. пример). Распределение температуры в пласте при нагнетании горячей воды с расходом 500 м3/сут., составляет около 70 м при начальной температуре пласта То=20°С и температуре теплового агента на забое нагнетательной скважины Тв=200°С. Тепло, вырабатываемое парогенератором Q, включает полезное тепло Q, которое накапливается в продуктивном пласте, и потерянное тепло Q: в паропроводах - Q, в нагнетательных скважинах - Q, в окружающих пласт породах -Q и в добывающих скважинах - Q. Доля теплопотерь в среднем составляет 40÷60% от количества тепла, производимого парогенераторами.
Известно, что глубина промерзания грунта в зимний период в г. Усинск может достигать 3, 1 м (http://www.center-pss.ru/goroda/20/usinsk-glpr.htm). Наблюдения за снежным покровом земной поверхности на разрабатываемом месторождении с применением выше указанной технологии свидетельствуют о том, что в зимний период температура верхнего слоя близка к нулевой, однако с целью исключения вероятности охлаждения внешнего контура в зимний период, его необходимо теплоизолировать на глубину до 3,1 м.
В U-образном теплообменнике 10 теплоноситель циркулирует от теплового насоса к источнику тепла за счет разности температур теплоносителя и грунта. В испарителе 11 нагретый в грунте теплоноситель отдает свою тепловую энергию контуру хладагента 12, охлаждается и возвращается к источнику тепла, где вновь нагревается. В испарителе 11 хладагент нагревается, начинает кипеть и превращается в пар, поступающий в компрессор 13, сжимается и с возрастанием давления температура его повышается. В конденсаторе 14 пар нагревает воду системы отопления и через расширительный клапан 15 возвращается к теплоносителю. Циклы повторяются. Тепловая установка расположена в радиусе действия паровых установок нефтяного месторождения, где располагаются скважина нефтяная 4 и скважина нагнетательная 3, в которую закачивается пар 6 от парогенераторной установки.
Извлеченную тепловую энергию нагретого грунта 16 можно использовать для отопления зданий, сооружений, технологических нужд, подогрева приточного вентиляционного воздуха, горячего водоснабжения (ГВС). Тепловой насос обладает высоким КПД, повышает эффективность использования тепла без затрат на топливо и снижает энергозатраты предприятия.
Пример.
о
В качестве теплоносителя первичного контура теплового насоса используют низкозамерзающую жидкость, например, раствор этиленгликоля с точкой замерзания равной -13°С. Тепловая мощность Q, получаемая от низкопотенциального источника искусственно нагретого грунта составляет:
3
р
B
H
в
н
где, G - расход теплоносителя первичного контура, кг/с; w - скорость потока теплоносителя, принимаем равной 0,5 м/с; ρ - плотность раствора этиленгликоля, равная 1005 кг/м; с - теплоемкость раствора незамерзающей жидкости, например, этиленгликоля, при температуре 0°С составляет 3700 Дж/кг °С; t, t - температура подающей и возвратной линии теплового насоса, °С; разность этих температур (t-t) принимаем равной 5°С.
Объем отапливаемого здания определяем по укрупненным показателям (для жилых и общественных зданий):
max
зд
в
н
Q=αV⋅q⋅(t-t)
в
н
в
н
в
н.
зд
3
3
-
3
где α - коэффициент, учитывающий район строительства здания α=0,54+22/(t-t); q - удельная тепловая характеристика здания, кДж/(м⋅°С⋅сут.), для общественных зданий малой этажностью q=42 кДж/(м⋅°С⋅сут.) [СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий (приняты Постановлением Госстроя РФ от 26.06.2003 N 113 // М.: Госстрой РФ, ФГУП ЦПП, 2004]; t, t - температура воздуха внутри помещений и снаружи здания, °С, t=22 С, t=-36 С; V объем здания, м.
3
Тепловой насос при принятых исходных данных может быть использован для теплоснабжения здания объемом 2813 м. Для получения требуемого количества тепловой энергии для теплоснабжения жилого поселка на участке может установлено несколько тепловых насосных установок.