СПОСОБ УСТАНОВКИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА
METHOD FOR INSTALLATION OF GEOTHERMAL HEAT EXCHANGERS FOR EXTRACTION OF LOW-POTENTIAL HEAT

Изобретение относится к способам извлечения и использования геотермального тепла. Предлагаемый способ относится к геотермальному (геотермическому) зондированию грунта для извлечения низкопотенциальной тепловой энергии.
Из уровня техники известен способ монтажа коаксиального геотермального зонда в грунте, при котором сначала с помощью бурильного устройства сооружают скважину под геотермальный зонд, а затем в подготовленную скважину опускают коаксиальный геотермальный зонд. После введения коаксиального геотермального зонда уложенную вначале складками рукавную оболочку, одновременно образующую ограничительные стенки трубчатой оболочки коаксиального геотермального зонда, расширяют таким образом, что она, по существу, прилегает к стенкам скважины под геотермальный зонд (см. заявку RU 2014150551, кл. МПК F24J 3/08, опубл. 10.07.2016). Также известен способ монтажа коаксиальных геотермальных зондов с использованием бурильной штанги в качестве обсадной трубы при погружении зонда (см. RU 2641439, кл. МПК E21B 7/04 (2006.01), E21B 7/20 (2006.01), E21B 7/28 (2006.01), E21B 33/00 (2006.01), F24T 10/10, опубл. 22.03.2018).
В настоящий момент применяется практика бурения различными методами для оборудования геотермальных скважин. Патентуемый способ установки геотермального теплообменника для извлечения низкопотенциального тепла основан на применении разработанной технологии прокола грунта в совокупности с разработанной технологией извлекаемого пневмоударника или пневмопробойника для погружения коаксиального зонда. Ограничения по глубине отсутствуют.
Геотермальный теплообменник состоит из совокупности пластиковых геотермальных зондов, объединенных в один коллектор, и использующийся для работы теплового насоса типа «рассол-вода», внутри которых циркулирует теплоноситель, а снаружи - массив грунта. Используя принцип Карно, тепловой насос может работать как в режиме нагрева теплоносителя (отопления), так и в режиме охлаждения теплоносителя, что позволяет использовать его для поддержания необходимой температуры в помещении.
Задачей настоящего изобретения является внедрение метода прокола грунта в совокупности с извлекаемым пневмоударником или пневмопробойником для снижения издержек и уменьшения временных затрат на проводимые работы.
Прокол грунта осуществляется из одной точки без переноса установки оборудования скважины под углами от 10° до 60° к горизонту в зависимости от конкретных условий. В грунте устанавливается упорное кольцо, диаметром вписанной окружности около 1,5 метра.
Упорное кольцо монтируется в грунт, внутрь упорного кольца монтируется установка оборудования скважины. Упорное кольцо используется как опорный элемент, не позволяющий перемещаться установке оборудования скважины, как продольно оси прокола, так и поперечно, за счет фиксации внутри кольца. После окончания монтажа геотермальных зондов упорное кольцо используется как кессонная камера геотермального коллектора.
Прокол грунта в совокупности с извлекаемым пневмоударником или пневмопробойником осуществляется посредством подачи на пневмоударник или пневмопробойник сжатого воздуха. Рабочая колонна, состоящая из соединенных между собой резьбовым соединением штанг, используется в качестве канала подачи сжатого воздуха к пневмоударнику или пневмопробойнику. По необходимости происходит вдавливание рабочей колонны гидравлическим приводом с постоянным контролем следующих технических параметров:
- максимальное гидравлическое давление при вдавливании;
- скорость прохода рабочей колонны;
- расход воздуха и его давление;
- плавность хода рабочей колонны в цикле вдавливания;
- контроль крепления установки вдавливания в упорном кольце;
- контроль всех подвижных элементов;
- контроль отсутствия протечек в гидравлических системах;
- контроль протечек в пневматических элементах системы.
По мере прохода в грунт рабочая колонна наращивается с верхнего конца дополнительными штангами, последовательно соединяясь между собой резьбовым соединением.
При достижении заданной глубины заложения геотермального зонда использование пневмоударника или пневмопробойника и, соответственно, вдавливание рабочей колонны прекращаются. Используя разработанное инженерное решение, пневмоударник или пневмопробойник отсоединяется от рабочей колонны и извлекается из скважины сквозь рабочую колонну.
Далее, используя рабочую колонну в качестве обсадной трубы, в скважину погружается подготовленный геотермальный зонд необходимой длины. Далее рабочую колонну извлекают с помощью гидравлического привода, последовательно разбирая.
Для монтажа следующего геотермального зонда установка оборудования скважины не переноситься с одного места на другое, а поворачивается по вертикальной оси внутри кольца на следующее направление прокола.
Сущность настоящего изобретения поясняется следующей иллюстрацией:
Фиг 1. Отображает процесс прокола грунта полой штангой под фиксированным углом с использованием съемного пневмоударника или пневмопробойника;
1. Грунт
2. Стартовая рабочая штанга с извлекаемым пневмоударником или пневмопробойником;
3. Установка оборудования скважины;
4. Рабочая колонна;
5. Упорное кольцо.
Технический результат заключается в использовании технологии прокола грунта в совокупности с извлекаемым пневмоударником или пневмопробойником как способа монтажа коаксиальных зондов. Использования данного изобретения позволяет достичь следующих качественных показателей:
- снижение временных затрат на оборудование геотермального контура и, как результат, увеличение производительности труда;
- снижение стоимости монтажа геотермального контура;
- улучшение показателей эффективности геотермального контура;
- снижение зависимости от погодных условий (сезонности).
Данный результат достигается принципиально новым технологическим подходом при монтаже геотермальных скважин. Прикладное использование патентуемого способа монтажа коаксиальных зондов обеспечивается разработанными инженерно-техническими решениями и детально описанными методиками для каждого этапа производственного процесса.
Технический результат заключается в применении метода прокола грунта в совокупности с извлекаемым пневмоударником или пневмопробойником для монтажа геотермальных зондов, что влечет за собой уход от ранее внедренных методик установки геотермальных зондов, использующих бурение и вынужденных использовать в своем процессе все инструменты, применяемые в бурильной технологии. Уход от буровых работ при монтаже геотермального контура несет в себе следующие преимущества:
1. Исключается необходимость использования буровых жидкостей;
2. Исключается необходимость в зумпфе для буровой жидкости;
3. Исключается необходимость удалять шлам, так как отсутствует породоразрушение и вынос грунта из скважины наружу;
4. Отпадает необходимость дополнительного тампонирования, так как при использовании метода прокола грунт уплотняется, а не выносится на поверхность;
5. Достижение лучших показателей по теплопередаче между грунтом и установленным в скважину, сделанную методом прокола грунта, геотермальным зондом по сравнению с аналогичным геотермальным зондом, установленным в скважину, сделанную методом бурения;
6. Отсутствие необходимости использования бетонитов и подобных реагентов для укрепления стенок скважины перед установкой геотермального зонда.
Изобретение имеет следующие частные случаи осуществления:
1. Установка оборудования скважины фиксируется упорным кольцом;
2. Основным инструментом прохода служит пневмоударник или пневмопробойник, использование метода прокола посредством вдавливания штанги прокола с помощью гидравлического привода необходимо только на мягких, вязких, хорошо уплотняемых грунтах;
3. Установку оборудования скважины ориентируют по направлению прокола, фиксируя во внутренних гранях упорного кольца;
4. Установку оборудования скважины ориентируют по направлению прокола, фиксируя в упорном кольце разжимами;
5. Рабочая колонна состоит из полых труб, имеющих резьбовое соединение, что позволяет использовать рабочую колонну в качестве обсадной трубы при погружении геотермального зонда в скважину;
6. Рабочая колонна служит для подачи сжатого воздуха необходимого для работы пневмоударника или пневмопробойника; пневмоударник или пневмопробойник находится внутри рабочей колонны и соединяется с рабочей колонной резьбовым способом;
7. Пневмоударник или пневмопробойник отсоединяется от рабочей колонны и извлекается из скважины сквозь рабочую колонну;
8. Угол и длина заложения геотермального зонда, а следовательно, и угла прокола, определяются в зависимости от конкретных условий и требований (характеристики грунтов и глубины их залегания, размеры участка работ, близость коммуникаций и т.д.).