ПОДЗЕМНЫЙ ТЕПЛОГИДРОАККУМУЛЯТОР

Полезная модель предназначена для создания систем сезонного аккумулирования тепла в подземных водоносных горизонтах и приемущественного использования его в последующем для целей теплоснабжения.
В настоящее время системы сезонного аккумулирования тепла в подземных водоносных горизонтах нашли широкое применение (в больших объемах в странах Западной Европы) для создания систем теплоснабжения (Kabus Е., Bartels J. Подземное аккумулирование тепла и холода. «Теплоэнергетика» №6, 2004 г., стр.70-76; патент РФ №2371638. Система теплоснабжения с подземным теплогидроаккумулированием. F24D 15/04; F24H 4/02. Заявка №2008111776/03 от 27.03.2008 г. Опубл. 27.10.2009 г. в бюл. №30; патент РФ №2329435. Скважинный теплоисточник. F24D 3/08; F24J 3/08. Заявка №2006132584/03 от 11.09.2006 г., опубл. 20.07.2008 г.).
Первоначальная зарядка подземных теплогидроаккумуляторов (далее, ПТГА), как правило, осуществляется с использованием солнечных концентраторов в летнее время, либо с использованием гидродинамических теплогенераторов дискового типа (указанные патенты). При работе системы теплоснабжения с ТПГА для повывшения с каждым циклом циркуляции понижающейся температуры теплоносителя по мере циркуляции в ней, предполагается: 1) в известных зарубежных - путем включения в конце отопительного сезона традиционной котельной, предусматривающей потребление энергии; 2) по указанным патенетам - нагрев теплоносителя после очередного цикла отработки (потерь тепла) в системе теплоснабжения с использованием вихревого теплогенератора, перед поступлением в ПТГА. В первом случае экономится до 75% топлива, а во втором - 100%. Теплоисточники с ПТГА экологичны, капитальные затраты на их сооружение в 2-4 раза ниже, в сравнении с затратами на сооружение традиционных котельных, их можно отнести к возобновляемым. Перспективы систем теплоснабжения с ПТГА очевидны.
Известный ПТГА включает скважину для зарядки его горячей водой пробуренную с поверхности или из горной выработки до подземного водоносного интервала и сообщающую его с теплоисточником и скважину сообщения его с теплопотребителем, а каналы скважин снабжены побудителями движения воды в них и водоносном интервале, например, насосами для обеспечения движения теплоносителя при его зарядке и теплоотборе горячей воды из него.
Для сооружения ПТГА необходимо иметь информацию о гидрогеологических условиях его расположения. При этом важными являются следующие факторы: фильтрационные свойства водоносного интервала (они же определяют текучесть воды между нагнетательной и разборной скважинами); малопроницаемость кровли и подошвы водоносного интервала; однородность структуры водоносного интервала; скорость течения воды в водоносном интервале - она должна быть низкой (Kabus Е., Bartels J. Подземное аккумулирование тепла и холода. «Теплоэнергетика» №6, 2004 г., стр.71).
Недостатком известного ПТГА является то, что при высоких скоростях течения воды в водоносном интервале, как выяснено, которые составляют более 10 м/год, эффективность их работы может быть низкой или они могут быть не работоспособными. Объясняется это тем, что «тепловой пузырь» из теплой воды в водоносном интервале при высоких скоростях воды в нем может сместиться от нагнетательной и водоразборной скважин (его сообщения с теплоисточником и теплопотребителем), либо вообще разубожиться проточными водами интервала и растворить «тепловой пузырь». То есть, ни во всех подземных водоносных интервалах могут быть сформированы известные ПТГА, по этой причине не повсеместно могут быть использованы (ограничены условия применения) перспективные системы теплоснабжения, предусматривающие применение ПТГА в качестве теплоисточника.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание подземного теплогидроаккумулятора сохраняющего свою работоспособность при высоких скоростях воды в подземных водоносных интервалах.
В горной практике для устройства противофильтрационных завес (далее, ПФЗ) горных выработок от воздействия водоносных интервалов известна технология, предусматриваающая для этого бурение тампонажных скважин вокруг горной выработки, в которых производится тампонирование интервалов их пересечения с водоносным интервалом. При этом затампонированные околоскважинные объемы соседних скважин перекрываются, а образованная тампонажная завеса образует надежную противофильтрационную завесу. Такая защита горных выработок предусмотрена нормативно-технической документацией (НТД): СНиП 2.06.14-85 «Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод»; СНиП 2.06.15 - 85; СНиП 3.02.03-84 «Подземные горные выработки»; ТКП/ПР1/45-3.03 «МУ Тоннели и метрополитен, проходка горных выработок».
Известен способ формирования такой изоляционной завесы (патент РФ №2075572, заявка №94041858/03 от 22.11.1994 г. E02D 19/18; E21D 11/38. Опубл. 20.03.1997 г.), позволяющий качественно ее выполнять в различных горно-геологических условиях. ПФЗ создается экран-объем, изолирующий объем горных пород, в котором предполагается выполнять горные работы, например проходку горной выработки, от воздействий подземного водоноса. В изолированном от подземных вод объеме производятся работы по проходке горной выработки, как правило, без осложнений вносимых подземными водами.
Такая технология, предусматривающая создание изолированного объема горных пород от воздействия подземных вод, может быть использована и для создания ПТГА эффективно работающего при высоких скоростях воды в подземных водоносных интервалах.
ПФЗ горной выработки включает (Кипко Э.Ф., Лушникова А.Ю., Спичак Ю. и др. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт. М., Недра, 1984 г.) расположенный в подземном водоносном интервале экран-объем, сформированный с использованием пробуренного с поверхности или из горной выработки множества скважин, причем, линия соединяющая точки заложения скважин на земной поверхности, является замкнутой, и, скважинами перебурен подземный водоносный интервал, а методами тампонирования или инъектирования они на протяженности водоносного интервала, а также частично включая его кровлю и подошву затампонированы, при этом, для создания герметичной поверхности теплогидроаккумулятора, расстояние между скважинами выбрано соответствующим определенной схеме, например, с условием наложения затампонированных околоскважинных объемов при их тампонировании.
й
Использование этих признаков известной ПФЗ и признаков известного ПТГА изложенных на 1 странице могут быть использованы для формирования прототипа (сборного) заявляемой полезной модели и до отличительной части ее формулы (полезной модели).
Решена поставленная задача по созданию полезной модели тем, что в заявляемом подземном теплогидроаккумуляторе в отличие от известного сборного прототипа (известных подземного теплогидроаккумулятора и пртивофильтрационной завесы), включающих расположенный в подземном водоносном интервале экран-объем, сформированный с использованием пробуренного с поверхности или из горной выработки множества скважин тампонирования, причем, линия соединяющая точки заложения скважин на земной поверхности, является замкнутой, и, скважинами перебурен подземный водоносный интервал, а методами тампонирования или инъектирования они на протяженности водоносного интервала, а также частично включая его кровлю и подошву затампонированы, при этом, для создания герметичной поверхности теплогидроаккумулятора, расстояние между скважинами выбрано, с условием наложения затампонированных околоскважинных объемов при их тампонировании; скважину для зарядки его горячей водой пробуренную с поверхности или из горной выработки до подземного водоносного интервала и сообщающую его с теплоисточником и скважину сообщения его с теплопотребителем, а каналы скважин снабжены побудителями движения воды в них и водоносном интервале, например, насосами для обеспечения движения теплоносителя при его зарядке и теплоотборе горячей воды из него, в нем экран-объем снабжен каналом сообщения внутреннего объема экрана-объема с водоносным интервалом в нижней его части со стороны противоположной направлению направлению подземного водотока в нем, а пробуренные до водоносного интервала скважины зарядки теплогидроаккумулятора и сообщения его с теплопотребителем расположены в экране-объеме и разнесены между собой.
В заявляемом подземном теплогидроаккумуляторе:
а) канал сообщения внутреннего объема экрана-объема с водоносным интервалом в нижней его части со стороны противоположной направлению подземного водотока в ней, для создания поверхности теплогидроаккумулятора, может быть сформирован не тампонированием соответствующих интервалов скважин тампонирования;
б) скважина сообщения его с теплопотребителем, с поверхности или из горной выработки может быть пробурена, например, к расположенной ниже горной выработке, так что ею перебурена и подошва экрана-объема, а ее интервал выше кровли экрана-объема перекрыт, например, затампонирован, часть скважины ниже подошвы экрана-объема обсажена теплоизолированной трубой и снабжена задвижкой;
в) канал сообщения внутреннего объема экрана-объема с водоносным интервалом в нижней его части со стороны противоположной направлению подземного водотока в ней, может быть выполнен в виде участка направленно пробуренной скважины, которой перебурена боковая поверхность экрана-объема и установленного в ней обратного клапана с возможностью создания им направления водотока - из экрана-объема, при этом канал направленно пробуренной скважины выше сообщения водотока с экраном-объемом - перекрыт, например, затампонирован;
г) его кровля может быть перебурена не совершенными тампонажными скважинами - не на всю мощность водоносного интервала, а методами тампонирования или инъектирования скважины затампонированы от их забоя до кровли водоносного интервала, образуя экран-объем с не загерметизированным его дном;
д) может быть произведена сбойка скважин в экране-объеме;
е) пробуренное с поверхности или из горной выработки множество скважин тампонирования может быть выполнено в виде групп многоствольных скважин, каждая из которых включает несколько, например, пять скважин - одну основную и четыре дополнительные, пробуренные так, что траектории их пересечения интервалов водоносного интервала совпадают с аналогичными пробуренными с поверхности или из горной выработки не многоствольными и имеется возможность тампонирования их участков на протяженности водоносного интервала.
Реализация отличительных (от сборного прототипа) признаков обуславливает появление у ПТГА важного нового свойства - обеспечение его работоспособности при высоких скоростях воды в подземных водоносных интервалах. Достигается его работоспособность при высоких скоростях воды в водоносном интервале тем, что объем заявляемого ПТГА изолирован от воздействия скоростного потока воды в подземном интервале и поэтому не может разубоживаться или его «тепловой пузырь» перемещаться от сообщенных с ним скважин до теплоисточника и теплопотребителя.
Сочетание признаков заявляемого подземного теплогидроаккумулятора позволяет, за счет обеспечение его работоспособности при высоких скоростях воды в подземных водоносных интервалах, расширить условия применения перспективных систем теплоснабжения с подземным теплогидроаккумулированием и сделать их, практически, повсеместными.
Ниже приведены признаки обозначенных выше (п.а) - (п.е) дополнительных пунктов полезной модели, реализация которых направлена на повышение показателей назначения ПТГА и расширение условий его применения и эксплуатации:
а) канал сообщения внутреннего объема экрана-объема с водоносным интервалом в нижней его части со стороны противоположной направлению подземного водотока в ней, для создания поверхности теплогидроаккумулятора, может быть сформирован не тампонированием соответствующих интервалов скважин тампонирования;
При формировании поверхности объема-экрана тампонированием скважин, для создания канала в поверхности объема-экрана, устанавливаются пробки в соответствующих интервалах скважин, что в процессе тампонирования позволяет создать канал требуемых размеров, формы в нужном месте расположения. Технологический прием по п.а) является наиболее экономичным и технически отработанным для процесса бурения при формировании ПТГА;
б) скважина сообщения его с теплопотребителем, с поверхности или из горной выработки может быть пробурена, например, к расположенной ниже горной выработке, так что ею перебурена и подошва экрана-объема, а ее интервал выше кровли экрана-объема перекрыт, например, затампонирован, часть скважины ниже подошвы экрана-объема обсажена теплоизолированной трубой и снабжена задвижкой;
С точки зрения техники и технологии бурения, осуществление п.б) не вызывает каких либо сложностей и может быть осуществлена с использованием отработанных технологий и серийно выпускаемого оборудования.
С точки зрения энергетической при обозначенных горно-геологических условиях работ и размещения энергопотребителя реализация п.б) позволяет получить дополнительный энергетический эффект, связанный с использованием напора выше расположенного ПТГА (выше ниже расположенной горной выработки), для прокачивания теплоносителя по системе тепдлоснабжения;
в) канал сообщения внутреннего объема экрана-объема с водоносным интервалом в нижней его части со стороны противоположной направлению подземного водотока в ней, может быть выполнен в виде участка направленно пробуренной скважины, которой перебурена боковая поверхность экрана-объема и установленного в ней обратного клапана с возможностью создания им направления водотока - из экрана-объема, при этом канал направленно пробуренной скважины выше сообщения водотока с экраном-объемом - перекрыт, например, затампонирован;
С точки зрения техники и технологии бурения, осуществление п.б) не вызывает каких либо сложностей и может быть осуществлена с использованием отработанных технологий и серийно выпускаемого оборудования.
Наличие такого обратного клапана в сообщении экрана-объема с водоносным интервалом позволяет повысить экономичность работы ПТГА за счет уменьшения непроизвольных утечек горячей воды из экрана-объема, имеющие место без такового;
г) его кровля может быть перебурена не совершенными тампонажными скважинами - не на всю мощность водоносного интервала, а методами тампонирования или инъектирования скважины затампонированы от их забоя до кровли водоносного интервала, образуя экран-объем с не загерметизированным его дном;
Реализация п.г) позволяет расширить условия применения ПТГА в гидрогеологических условиях, когда подземный водоносный интервал имеет большую мощность и перекрытие ее изоляционной завесой на всю мощность может быть экономически не целесообразной. В ограниченном объемом-экраном ПТГА горячая вода, имеющая меньшую плотность, стремиться подняться в верхнюю его зону, поэтому за счет температурной разности плотностей горячая вода удерживается объеме ПТГА. Несомненно, что часть горячей воды при открытом днище объема-экрана через него будет теряться, а энергоэффективность ПТГА будет несколько ниже полностью изолированного. Однако, важно создание возможности реализации ПТГА в условиях мощных подземных водотоков.
С точки зрения техники и технологии бурения, осуществление п.б) не вызывает каких либо сложностей и может быть осуществлена с использованием отработанных технологий и серийно выпускаемого оборудования.
д) может быть произведена сбойка скважин в экране-объеме;
Для создания систем теплоснабжения с ПТГА текучесть воды в нем (коэффициент фильтрации) должна иметь значительную величину и обеспечивать закачку и подъем воды (Kabus Е., Bartels J. Подземное аккумулирование тепла и холода. «Теплоэнергетика» №6, 2004 г., стр.71). В горно-гидрогеологических условиях, характеризующихся малыми значениями коэффициента фильтрации, его значение может быть повышено сбойкой скважин (Брылин В.И. Бурение скважин специального назначения. Учебное пособие, 3-е издание. Издательство ТПУ. г.Томск. 2009 г., стр.156-159), которая создается гидроразрывом порд водоносного интервала между скважинами в объеме-экране. Реализация п.д) позволяет расширить условия применения ПТГА, повысить энергетический и экономический эффекты его применения.
Осуществляется п.д) с использованием отработанных технологий и серийно выпускаемого оборудования.
е) пробуренное с поверхности или из горной выработки множество скважин тампонирования может быть выполнено в виде групп многоствольных скважин, каждая из которых включает несколько, например, пять скважин - одну основную и четыре дополнительные, пробуренные так, что траектории их пересечения интервалов водоносного интервала совпадают с аналогичными пробуренными с поверхности или из горной выработки не многоствольными и имеется возможность тампонирования их участков на протяженности водоносного интервала.
Для создания ПТГА с поверхности или из горной выработки необходимо пробурить множество скважин тампонирования, очевидна высокая затратность его создания, которая возрастает с увеличением глубины скважин. В таких условиях есть целесообразность вместо бурения с земной поверхности множества скважин тампонирования бурить несколько многоствольных скважин, в каждой из которых с поверхности до определенной глубины бурят одну основную скважину, а от нее с определенной глубины (ближе к ее забою) несколько дополнительных. Реализация п.е) позволяет существенно снизить объемы бурения и снизить затраты на сооружение ПТГА.
Осуществляется п.е) с использованием отработанных технологий направленного бурения и серийно выпускаемого оборудования.
Ниже приведен пример выполнения заявляемого ПТГА.
На фиг.1 схематично приведен разрез подземного теплогидроаккумулятора по плоскости совпадающей с осями скважин для зарядки и сообщения с теплопотребителем; на фиг.2 - вид сверху на подземный теплогидроаккумулятор; на фиг.3 - схематичный разрез подземного теплогидроаккумулятора по плоскости совпадающей с осями скважин для зарядки и сообщения с теплопотребителем пробуренной вниз; на фиг.4 - схематичный разрез подземного теплогидроаккумулятора с незагерметизированным его дном.
На фиг.1-4 введены следующие обозначения: 1 - горная порода; 2 - водоносный интервал; 3 - кровля водоносного интервала; 4 - подошва водоносного интервала; 5 - экран-объем; 6 - направление движения воды в водоносном интервале; 7 - группа скважин тампонирования - для создания экрана-объема путем тампонирования их на протяженности водоносного интервала и, частично, в кровле 3 и подошве 4 водоносного интервала; 8 - затампонированный интервал скважины; 9 - затампонированный околоскважинный объем; 10 - скважина для зарядки; 11, 12 - трубопровод и с вентилем в нем, соответственно; 13 - скважина сообщения с теплопотребителем; 14, 15 - трубопровод сообщения с теплопотребителем с вентилем в нем, соответственно; 16 - канал сообщения внутреннего объема экрана-объема с водоносным интервалом; 17 - насос; 18 - перекрытый, например, затампонированный, интервал скважины технологического назначения; 19 - теплоизоляция скважин; H - высота теплоносителя в скважине сообщения с теплопотребителем.
Описание ПТГА в статическом состоянии.
Схемы ПТГА образованного совершенными скважинами тампонирования (подземный водоносный интервал перебурен на всю его мощность) показаны на фиг., фиг.1; 2; 3, а схема ПТГА образованного несовершенными скважинами тампонирования (подземный водоносный интервал перебурен не на всю его мощность) показана на фиг.4.
ПТГА образованный совершенными скважинами тампонирования представляет собой, практически, изолированный объем экран. Боковая поверхность его 5 изолированы тем, что образована она цементными околоскважинными объемами 9 формируемыми вокруг каждой из скважин тампонирования 7. Околоскважинные объемы 9 перекрыты, поэтому вся боковая поверхность формируемого экрана 5 представляет собой, практически, сплошную и герметичную поверхность. В ней имеется только канал сообщения внутреннего объема экрана-объема с водоносным интервалом 16. Герметичность экрана-объема ПТГА снизу обеспечена подошвой водоносного интервала 4, которой является водоупорная порода, а сверху - его кровлей 3, являющейся, также горной породой в естественных условиях ее залегания. К экрану-объему 5 с поверхности или из горной выработки пробурены скважины: одна 10 для зарядки ПТГА, сообщающую его с теплоисточником; вторая 13, сообщающая его с теплопотребителем. При зарядке ПТГА горячая вода от теплоисточника 17 посредством трубопровода И нагнетается в скважину 10, которая при сооружении выплнена теплоизолированной (теплоизоляция 19). Скважина 13 посредством трубопровода 14 соединена с теплопотребителем. Она также теплоизолирована (теплоизоляция 19).
В случае, когда теплопотребитель расположен ниже высотного положения ПТГА, скважина сообщения его с теплопотребителем 14 пробурена вниз (фиг.3), она также теплоизолирована (теплоизоляция 19). В нем интервал 18 скважины 14 перекрыт, например, затампонирован (пенопластом) и является интервалом скважины технологического назначения. При такой схеме, использование ТПГА для организации теплоснабжения позволяет использовать природный напор создаваемый разностью высотного положения Н для покачивания теплоносителя по системе теплоснабжения и является энергосберегающим решением.
3
В ПТГА образованном несовершенными скважинами тампонирования (фиг.4) дно отсутствует, в нем экран-объем 5 снизу (с донной его стороны) не изолирован от водоносного интервала 2. В условиях мощного водоносного интервала (несколько десятков или сотен метров) сооружение экрана-объема с перебуриванием и тампонированием его на всю мощность может оказаться очень затратным и экономически не целесообразным. Необходимый объем экран-объема 5 оценивается исходя из предполагаемого теплопотребления, и может ограничиваться объемом 50-70 тыс.м и, даже, менее
В ПТГА такой конструкции, благодаря температурной разности плотностей горячей воды в экране-объеме 5, которая меньше чем в водоносном интервале 2, горячая вода удерживается в экране-объеме 5 и он является работоспособным. При такой схеме ПТГА его объем не зависит от мощности водоносного интервала и он может быть сооружен с учетом обоснованной и приемлемой экономической целесообразности. В виду того, что теплообменные процессы межу тепоносителем в экране-объеме 5 в ПТГА с несовершенными скважинами тампонирования протекают интенсивнее в сравнении с ПТГА с совершенными скважинами, энергоэффективность их (с несовершенными скважинами тампонирования), конечно ниже. Однако, в ущерб (несколько меньшей) энергоэффективности их с успехом можно использовать в условиях с очень мощными водоносными интервалами, сооружение в которых ПТГА (с бурением совершенных скважин тампонирования) могут быть затратными и экономически не целесообразными. Применение такого ПТГА позволяет расширить условия его применения.
Описание процессов формирования и работы ПТГА.
Общие требования и рекомендации. Формирование экрана-объема ПТГА осуществляется по аналогии с требованиями и рекомендациями НТД по созданию инъекционных завес при проходке подземных горных выработок, при этом диаметры скважин тампонирования приняты минимальными (их перечень указан на стр.2).
В соответствии с ними инъекционные завесы (тампонаж горных пород) следует предусматривать для защиты вертикальных, наклонных и горизонтальных подземных выработок от подземных вод.
В зависимости от глубины залегания, состояния, инженерно-геологических свойств закрепляемых пород и их трещиноватости устройство инъекционных завес и тампонаж горных пород может осуществляться с применением следующих способов: цементации, глинизации, смолизации и силикатизации (см. таблицу).
Таблица
Способ закрепления пород
Характеристики закрепляемых пород
Рекомендуемый тип и вид инъекционного раствора
Вид пород
Коэффициент фильтрации, м/сут
Цементация
Крупнообломочные, среднезернистые пески
80-600
Цементные
Различные виды цемента, с инертными и химическими добавками разного назначения, аэрированные растворы, растворы на вибромолотых цементах
20-100
Цементно-глинистые
Цемент, глина, добавки разного назначения
Нескальные грунты, включая мелкозернистые и пылеватые пески, супеси
0,3-5
ОТДВ Микродур
Различные марки Микродура с пластификатором и ускорителем схватывания
Силикатизация
Крупнообломочные, пески, лессы
5-80
Двухрас-творная силикатизация
Силикат натрия, хлористй кальций
Пески средне- и мелкозернистые и пылеватые, супеси
0,5-20
Однорастворная силикатизация
Мягкие и твердые гели силиката натрия с отвердителями-растворами кислот и окисей метталов
Смолизация
Пески средне- и мелкозернистые и пылеватые, супеси
0,3-50
Растворы смол
Карбамидные и другие виды полимерных смол
Цементацию (инъекцию цементных, глиноцементных и глиноцементн-песчаных растворов), как правило следует применять для устройства завес в скальных трещиноватых породах с раскрытием трещин свыше 0,10 мм, свободных от заполнения или же заполненных легко поддающимися промывке вторичными материалами, при скорости движения подземных вод по трещинам не более 600 м/сут, при большей скорости применение цементации должно быть обосновано опытным путем.
Для приготовления цементных растворов применяется портладцемент марки не ниже 300, допускается использование сульфатостойкого цемента, шлакопортладцемента и тампонажного портладцемента. При наличии агрессивных вод следует предусматривать цементы стойкие по отношению к подземным водам.
Глинизация (инъекция глиносиликатных растворов) предусматривается в случаях, когда цементация не экономична или не надежна из-за наличия агрессивных вод, способных корродировать цемент.
Смолизация (инъекция растворов синтетических смол с отвердителем) предусматривается для устройства завес в песчаных (с коэффициеном фильтрации 0,3-50 м/сут) и в скальных тонкотрещиноватых и пористых горных породах.
Силикатизация (инъекция одного или двух химических растворов) предусматривается для устройства завес в песчаных породах. При этом: в песках с коэффициентом фильтрации 2-80 м/сут следует производить поочередно нагнетание в поры пород растворов силиката натрия и хлористого кальция, а в мелких песках с коэффициентом фильтрации 0,5-2,0 м/сут - раствора силиката натрия с добавкой фосфорной или кремнефтористой кислоты.
Допускается комбинировать способы устройства инъекционных завес.
Выбор расстояния между скважинами (шаг скважин) инъекционной завесы следует призводить из условия обеспечения ее сплошности и установленных (допустимых) - величин удельного водопоглощения и коэффициента фильтрации завесы.
in
Оптимальное расстояние между скважинами, как правило, определяют на основании опытных работ, а при их отсутствии - исходя из величины радиуса распространения инъецируемого раствора r вычисляемого по формуле
,
in
3
где g - расход раствора нагнетаемого в скважину, м/ч;
t - продолжительность нагнетания раствора в скважину, ч;
in
h - мощность тампонирования водоносного интервала, м;
t
m - пустотность горных пород;
h
k - коэффициент неравномерности распространения пустот и трещин в горных породах.
Технология бурения скважин тампонирования. Каждую из скважин тампонирования 7 бурят вращательным способом с поверхности до глубины соответствующей перебуриванию водоносного интервала 2 и проходке в лежащей ниже него водоупорной подошве 4 двух четырех метров. Основной диаметр бурения скважин тампонирования 59 мм. В процессе бурения интересуемого интервала отбирается и изучается керн перебуриваемых пород.
При бурении скважин для тампонирования в породах, склонных к набуханию, в промывочную воду вводят специальные добавки, снижающие набухание горных пород: жидкое стекло, сульфитно-спиртовую барду. Количество их при бурении конкретного интервала определено лабораторным путем с учетом свойств пересекаемых скважиной пород.
ф
ф
3
Цементация. После бурения множества скважин 7 выборочно в восьми (контрольных) из 42 скважин выполнены гидродинамические исследования скважины методом скважинной расходометрии. В результате - определено положение границ водоносного интервала 2, коэффициент его фильтрации К и оценено состояние пород в водоносном интервале (далее, ВНИ), в частности кровля и подошва ВНИ находятся на глубине 65 и 78 м; коэффициент фильтрации К=120 м/сут; породы - крупнообломочными разностями. Исходя из заданного объема ПТГА. который должен составлять 60 тыс.м, и высоты экрана-объема равного 13 м (мощность водоносного интервала), определено, что диаметр основания и кровли должны составлять 38 м. С учетом выше приведенной формулы для определения расстояния между скважинами тампонирования (1) установлено, что для сооружения экрана-объема 5 ПТГА необходимо пробурить 42 скважины тампонирования 7.
Исходя из рекомендаций и требований для создания экрана-объема обоснована целесообразность применения способа цементации.
ф
Каждую из контрольных скважины испытывали не менее чем при трех ступенях давления нагнетания, с достижением на каждой ступени установившегося расхода воды в течение 10-20 мин. В остальных цементационных скважинах параметры для определения коэффициентов фильтрации определяли ускоренным методом - при одной ступени давления. В зависимости от величины К назначают начальную консистенцию цементного раствора.
Оборудование тампонажных скважин в основном зависит от способа тампонирования и схемы нагнетания тампонажного раствора. При цементации горных пород скважину оборудовали кондуктором и цементационной головкой. На кондукторе закреплена цементационная головка, конструкция которой зависит от схемы нагнетания тампонажного раствора в скважины. В скважине выше границы кровли на 2-4 м установлен пакер. Пакеры, также установлены в сважинах для устройства канала сообщения 4 объема экрана-объема с водоносным интервалом. После монтажа необходимого оборудования осуществляется нагнетание тампонажного раствора. Если при его нагнетании в течение 0,5-1 ч количество раствора, принимаемого скважиной, не уменьшается или не происходит заметный рост давления, концентрацию раствора постепенно увеличивают, пока не будет подобран раствор, обеспечивающий уменьшение расхода и увеличение давления нагнетания. Раствор такой концентрации нагнетали до прекращения приема его скважиной при заданном давлении. Для более полного отжатая избыточной воды из раствора и уплотнения тампонажного материала в трещинах каждую скважину после прекращения нагнетания выдерживали под наибольшим давлением нагнетания не менее 30 мин. При тампонаже крупных трещин это время увеличивали до 1 ч. Решение о прекращении нагнетания тампонажного раствора в скважину принимали при снижении удельного расхода до величины не более 0,1 л/мин на 1 м цементируемой зоны при наибольшем давлении нагнетания. По окончании тампонажа и при затвердевании раствора до необходимой прочности скважину (множество скважин) разбуривали и определяли удельное водопоглощение затампонированного интервала. Если величина удельного водопоглощения составляла не более 0,05 л/мин, тампонирование пород водоносного интервала через эту скважину считали законченным. В противном случае в скважину (группу скважин) повторно нагнетали тампонажныи раствор и цикл работ повторяли до тех пор, пока величина удельного водопоглощения на участке цементации не снизится до указанной величины.
После сооружения экрана-объема 5 путем бурения множества скважин 7 и их тампонирования приступают к бурению скважины для зарядки 10 ПТГА горячей водой и скважины его сообщения с теплопотребителем 13. Диаметры бурения указанных скважин принят равным 76 мм, бурение осуществлялось твердосплавной коронкой с промывкой водой и глинистым раствором. Глубины скважин таковы, что ими перебурена кровля 3 водоносного интервала 2 на 1-1,5 м. Пробуренные скважины обсажены предварительно теплоизолированными 19 трубами, перфорированными с их нижних концов на расстоянии 1-1,5 м. После установки труб в скважинах выполнена их обвязка на устье для обеспечения подачи теплоносителя от теплоисточника к скважине 10 (зарядка ПТГА) и его подачи от скважины 13 к теплопотребителю. В результате обвязки устьев скважин 10 и 13 и выполнения монтажно-наладочных работ по их подключению к теплоисточнику и теплопотребителю ПТГА готов к работе.
Работы по реализации п.п.2; 3; 4; 5; формулы заявляемого ПТГА очевидны и выполняются с использованием общеизвестных широко практикуемых техники и технологии бурения скважин. Работы по реализации п.п.6; 7; формулы заявляемого ПТГА правильнее отнести к специальным, однако техника и технологии для разработаны:
ОВ
- Относительно п.6. Сбойку скважин осуществляют под давлением превышающим гидростатческое (Брылин В.И. Бурение скважин специального назначения. Учебное пособие для ВУЗ, изд. 3-е, Изд. ТПУ, г.Томск, 2009 г., стр.156-159). При гидроразрыве пласта в нагнетательную скважину, снабженную пакерами на границе участка, подлежащего разрушению (водоносного интервала), поршневыми насосами закачивают жидкость небольшими порциями при высоком давлении, что обеспечивает быстрое повышение давления на торце трещины. При достижениидвления на забое трещины в 1,5-2,5 раза выше гидростатического происходит разрывили расслоение пород, т.е. расширение естественных и образование новых трещин, когда трещина достигает другой скважины, что фиксируют по подъему жидкости в ее стволе (второй скважине), из нее производят встречный гидроразрыв. Для этого устье первой скважины закрывают, а во вторую - нагнетают воду. Этот прием позволяет существенно повысить текучесть воды при осуществлении зарядки ПТГА и теплопотреблении из него, снизить затраты энергии и средств при организации с применением ПТГА системы теплоснабжения;
- Относительно п.7. Техника и технология бурения с земной поверхности вместо множества скважин тампонирования несколько многоствольных скважин, в каждой из которых с поверхности до определенной глубины бурят одну основную скважину, а от нее с определенной глубины (ближе к ее забою) несколько дополнительных, отработаны (Нескоромных В.В., Калинин А.Г. Направленное бурение: Учебное пособие Под общей редакцией д.т.н., профессора А.Г.Калинина. - М: Изд. ЦентрЛитНефтегаз. - 2008. - 384 с. ISBN №978-5-902665-14-4) и, в принципе, не представляют сложностей.
Работа ПТГА. При использовании ПТГА в системах теплоснабжения могут применяться несколько схем: 1) зарядка ПТГА; 2) отбор горячей воды; 3) одновременные отбор горячей воды и зарядка ПТГА.
Зарядка ПТГА. При зарядке ПДГА устроенных с использованием совершенных скважин (фиг.1) горячая вода от теплоисточника 17 насосами по трубопроводу 11 нагнетается в скважину 10, и по ней движется вниз. По перфорационным отверстиям в нижней части обсадной трубы в ней - поступает в экран-объем 5. Как более горячая и имеющая меньшую плотность, она движется к «потолку» - в верхнюю часть экрана-объема 5, вытесняя из нижней его части через канал 16 холодную воду в водоносный интервал 2. С использованием регистрирующей контрольно-измерительной аппаратуры установленной на устье скважины 10 - расходомера-счетчика количества, термометра, манометра (на графике не показаны ввиду плотности элементов) оцениваются и отслеживаются объем закачиваемой воды, ее температура, вычисленное количество тепловой энергии закаченной в ПТГА вместе с горячей водой. Процесс зарядки ПТГА останавливают при аккумулировании в нем требуемого объема тепла.
Аналогично производится зарядка ПТГА по схемам приведенным на фиг.3 и 4.
Следует отметить об эффективности использовать в качестве теплоисточника для нагрева теплоносителя солнечных концентраторов, гидродинамических теплогенераторов, например вихревых дискового типа, установленных с возможностью воздействия на них гидроэнергетических потоков, в том числе используя для этого природные перепады высот местности. Такие системы энергоэффективны и с их использованием возможно создание возобновляемых источников тепловой энергии.
Отбор горячей воды. При отборе горячей воды из ПДГА устроенных с использованием совершенных скважин (фиг.1) с использованием насоса, например, погружного в скважине 13, горячая вода из скважины подается на дневную поверхность, и далее, по трубопроводу 14 - к тепло потребителю. При этом вода забирается из верхней части экрана-объема 5, в которой она горячая, так как имеет меньшую плотность и верхняя часть трубы в скважине 13 пефорирована, а в нижнюю часть экрана-объема 5 по каналу 16 поступает холодная вода из водоноса 2. С использованием регистрирующей контрольно-измерительной аппаратуры установленной на устье скважины 13 - расходомера-счетчика количества, термометра, манометра (на графике не показаны ввиду плотности элементов) оцениваются и отслеживаются объем отобранной воды, ее температура, вычисленное количество тепловой энергии откаченной из ПТГА вместе с горячей водой. Процесс отбора тепла из ПТГА останавливают при достижении требуемого его объема.
По аналогии производится отбор тепла из ПТГА по схеме на фиг.4.
Отбор горячей воды из ПДГА устроенного с использованием совершенных скважин показанного (фиг.3) осуществляют без использованием насоса. Для отбора тепла в горячей воде в нем открывают вентиль 15, под действием напора формируемого высотой столба воды Н горячая вода движется вниз, и далее по трубопроводу 14 - к теплопотребителю. При этом вода забирается из верхней части экрана-объема 5, в которой она горячая, так как имеет меньшую плотность и в верхняя часть трубы в скважине 13 перфорирована, а в нижнюю часть экрана-объема 5 по каналу 16 поступает холодная вода из водоноса 2. С использованием регистрирующей контрольно-измерительной аппаратуры установленной на выходе скважины 13 - расходомера-счетчика количества, термометра, манометра (на графике не показаны ввиду плотности элементов) оцениваются и отслеживаются объем отобранной воды, ее температура, вычисленное количество тепловой энергии откаченной из ПТГА вместе с горячей водой. Процесс отбора тепла из ПТГА останавливают при достижении требуемого его объема.
Одновременные отбор горячей воды и зарядка ПТГА. Схема может быть использована при осуществлении систем теплоснабжения с использованием ПТГА, осуществляя следующий цикл: экран-объем 5 → скважина 13 → трубопровод 14 → теплопотребитель → система очистки теплоносителя → теплоисточник → трубопровод 11 → скважина зарядки 10 → экран-объем 5. При этом отбираемая для теплопотребителя из ПТГА горячая вода, после очередного цикла отдачи тепла теплопотребителю и ее очистки, перед закачкой в скважину зарядки 10 нагревается и после этого вновь закачивается в скважину 10. Зарядка и отбор горячей воды из ПТГА осуществляется насосами.
Использование в качестве теплоисточника солнечных концентраторов, гидродинамических теплогенераторов, например вихревых дискового типа, установленных с возможностью воздействия на них гидроэнергетических потоков, в том числе используя для этого природные перепады высот местности, позволяет с применением ПТГА создать возобновляемые источники энергии для систем теплоснабжения.
Идеологический подход формирования систем теплоснабжения с использованием ПТГА аналогичен для всех схем приведенных в материалах настоящей заявки и приведенных на фиг., фиг.1; 3 и 4.
Перспективным путем использования заявляемого ПТГА может быть использование его для создания энергоэффективных систем теплоснабжения, том числе при расположении его экрана-объема в водоносных интервалах с большими скоростями водотоков в них. Как показывает опыт (зарубежный, приемущественно западноевропейских стан), капитальные затраты на сооружение теплоисточников с использованием ПТГА и возобновляемых источников энергии в 2-4 раза ниже в сравнении с теплоисточниками предусматривающими для своей работы сжигание топлива или подвода энергии из вне. Кроме тог, такие энергоисточники экологичны.
Заявляемый ПТГА позволяет создавать указанные теплоисточники повсеместно.