Устройство для извлечения геотермальной энергии из добытой продукции действующей низкотемпературной нефтяной скважины

Предлагаемая полезная модель относится к средствам извлечения геотермальной энергии из продукции нефтегазовых скважин и может использоваться в качестве альтернативных источников энергии.
Известен способ извлечения геотермальной энергии из добытой продукции действующей нефтяной скважины (пат. РФ №2592913, приор. 04.06.2015, опубл. 27.97.2016), который реализуется с помощью геотермальной установки, расположенной на участке нефтяного месторождения с повышенным геотермическим градиентом на устье скважины, содержащей электропогружной насос для подъема добываемой продукции, представляющей собой смесь нефти с водой, из скважины на поверхность. К электропогружному насосу проведен электрокабель для питания от шкафа управления. Под электропогружным насосом установлен сепаратор для отделения нефти от сопутствующей воды.
Добываемая продукция на поверхности направлена в продуктопровод для воды и в нефтепровод.
Геотермальная установка содержит наземный блок теплонасоса с внутренним замкнутым контуром, проходящим через испаритель, конденсатор, компрессор и редукционный клапан.
Через испаритель также проходит отвод продуктопровода, а через конденсатор проходит отвод теплопропровода.
Известная геотермальная установка предназначена для извлечения геотермальной энергии из добытой продукции действующей нефтяной скважины, расположенной на нефтяном месторождении с повышенным геотермическим градиентом, обеспечиваемым высокой температурой разрабатываемого нефтяного пласта, и может быть рентабельной при пластовой температуре около 100 С и выше.
На территории нефтяных месторождений, например, Урало-Поволжского региона, в эксплуатации находится значительный фонд скважин, имеющих температуру на забое от 30 до 45 град. С, в которых применение способа и устройства по пат РФ №2592913 становится не рентабельным.
Известно изобретение по пат. РФ №2168008 (приор. 26.05.1999 г., опубл. 27.05.2001 г.) «Способ повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин и скважинный нагреватель для его осуществления», в котором для разогрева прискважинной зоны пласта используют нагреватель на топливных элементах.
В качестве топливного элемента в нагревателе использовано безгазовое топливо, компоненты которого, реагируя между собой, при определенных условиях взаимодействия образуют полностью конденсированные продукты реакции. В частности, таким безгазовым топливом может служить железоалюминиевый термит с инертной добавкой, в результате реакции горения которого образуются твердые (порошкообразные) продукты реакции и выделяется большое количество тепла. Обычно температура горения термитного топлива находится в пределах 1800-2400°С, но ее можно регулировать (снижать) до необходимой величины, введением различного количества инертной добавки, в качестве которой используют, например, оксид алюминия.
В результате прогрева прискважинной зоны пласта происходит очищение прискважинного пространства от асфальтосмолистых и парафиновых отложений и увеличивается интенсивность притока флюида в скважину.
В известном изобретении топливные элементы служат для обеспечения реакции горения с выделением большого количества тепла и не могут служить источником электроэнергии, например, для скважинного электродвигателя с насосом, обеспечивающего подачу добываемой продукции на поверхность.
Известны топливные элементы, в которых электроэнергия вырабатывается в процессе физико-химических реакций в топливном элементе и используется для обеспечения работы электродвигателя (htts://ru.wikipedia.org/wiki/Твердооксидный_топливный_элемент).
Твердооксидные (твердоокисные) топливные элементы (англ. Solid-oxide fuel cells, SOFC) - разновидность топливных элементов, электролитом в которых является керамический материал (например, на базе диоксида циркония), проницаемый для ионов кислорода.
При действии этих элементов вырабатывается очень высокая температура от 600 до 1000 град. С, которая может обеспечить нагрев прискважинного пространства, если разместить топливные элементы внутри скважины.
За прототип к заявляемому устройству принято устройство для извлечения геотермальной энергии из добытой продукции действующей нефтяной скважины с высоким температурным градиентом по пат. РФ №2592913.
Заявляемое устройство решает задачу повышения рентабельности извлечения геотермальной энергии из добытой продукции действующей низкотемпературной нефтяной скважины, в том числе за счет снижения расхода электроэнергии для функционирования скважинного и наземного оборудования.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для извлечения геотермальной энергии из добытой продукции действующей низкотемпературной нефтяной скважины, содержащем скважинный насос с электродвигателем, скважинный сепаратор для разделения продукции нефтяной скважины на нефть, подаваемую на поверхность, и воду, подаваемую по трубопроводу на вход наземного блока преобразования тепловой энергии пласта в электрическую, в отличие от известного, указанный сепаратор в скважине установлен на жесткой подвеске, закрепленной на устье скважины, к сепаратору жестко подсоединен при помощи отрезка нсосно-компрессорной трубы (НКТ) насос с электродвигателем, ниже которого размещен блок топливных батарей, электрически соединенный с указанным электродвигателем.
На фиг. дана принципиальная схема заявленного устройства.
Устройство для извлечения геотермальной энергии из добытой продукции действующей низкотемпературной нефтяной скважины содержит размещенный в скважине 1 с обсадной трубой 2 и цементным кольцом 3 скважинный сепаратор 4, который установлен на подвеске 5, жестко закрепленной на устье скважины 1. Сепаратор 4 разделяет скважинную продукцию на нагретую нефть, которую подают по нефтепроводу 6 на поверхность, и нагретую воду, которую подают по водопроводу 7 на вход наземного блока преобразования тепловой энергии пласта в электрическую 8. К сепаратору 4 жестко подсоединен при помощи отрезка НКТ 9 электроцентробежный насос 10 (ЭЦН) с электродвигателем 11 (ЭД), разделенные приемным фильтром 12. Ниже электродвигателя 11 размещен блок топливных батарей 13 с термоэлеметами ТЭ1…ТЭ4, электрически соединенный с электродвигателем 11. Блок топливных батарей 13 размещен на уровне продуктивного пласта, вскрытого перфорацией 14.
Наземный блок преобразования тепловой энергии пласта в электрическую 8 выполнен в виде бинарной системы, включающей первичный контур, содержащий проходящий через теплообменник 15 водопровод 7, и вторичный контур, содержащий замкнутый трубопровод 16 с циркулирующим по нему хладоагентом. Трубопровод 16 с одной стороны подключен к теплообменнику 15, а с другой стороны - к парогенератору 17 с электротурбиной 18, компрессору 19 и конденсатору 20, при этом электротурбина 18 соединена силовой линией 21 с компрессором 19.
Добытая нефть по нефтепроводу 6 подается на АГЗУ 22 (автоматаческая групповая замерная установка) для учета, а охлажденная вода после теплообменника 15, поступает на БНС 23 (блочная насосная станция) и далее направляется в нагнетательную скважину (на фиг. на показана).
Часть энергии, вырабатываемой наземным блоком преобразования тепловой энергии пласта в электрическую 8, подается на компрессор 19, а часть энергии подается на обеспечение питанием АГЗУ 22 и БНС 23.
Устройство работает следующим образом.
Перед работой с предлагаемым устройством осуществляют его сборку из следующих блоков: скважинный сепаратор 4 установливают на подвеске 5, к сепаратору 4 жестко подсоединяют при помощи отрезка НКТ 9 ЭЦН 10 с электродвигателем 11, разделенные приемным фильтром 12, ниже электродвигателя 11 размещают блок топливных батарей 13, электрически соединенный с ЭД 11. При этом перед спуском в скважину топливные батареи активируют от источника электроэнергии, который в дальнейшем при работе в скважине не используется, так как в результате физико-химической реакции в блоке топливных батарей происходит образование электроэнергии, которой питается указанное скважинное оборудование, и выделение большого количества тепла.
Сборку спускают в скважину 1 так, чтобы блок топливных батарей 13 находился на уровне интервала перфорации 14, для чего расчитывают длину отрезка НКТ 9. Подвеску 5 жестко закрепляют на устье скважины.
Поскольку блок топливных батарей 13 размещен на уровне продуктивного пласта, вскрытого перфорацией 14, то при выделении большого количества тепла во время процесса физико-химических реакций в топливных батареях происходит прогрев добываемой пластовой жидкости до температуры около 150-200 град.С. Тип топливных батарей подбирают таким образом, чтобы обеспечивалась выработка электроэнергии, достаточной для работы скважинного электродвигателя 11, приводящего в действие насос 10 и сепаратор 4.
В результате прогрева призабойной зоны пласта на уровне перфорации 14 происходит снижение вязкости нефти в добываемой пластовой жидкости, что способствует росту ее дебита согласно формуле Дарси:
где:
н
3
Q - дебит нефти, м,
ΔР - разница между пластовым и забойным давлением, мПа,
- коэффициент проницаемости, мДа,
h - толщина пласта, м,
μ - коэффициент вязкости, Па⋅с.
Нагретая пластовая жидкость (смесь нефти и воды) до 100-150 град.С поступает на фильтр 12 насоса 10 и через НКТ 9 поступает в сепаратор 4.
Во время работы сепаратор 4 разделяет пластовую жидкость на нагретую нефть, которую подают на поверхность по нефтепроводу 6, и нагретую воду, которую подают по водопроводу 7, входящему в первичный контур с теплообменником 15 наземного блока преобразования тепловой энергии пласта в электрическую 8.
В теплообменнике 15 происходит обмен температурой нагретой воды с легкоиспаряющимся хладоагентом, который в парогенераторе 17 превращается в пар, затем поступающий на электротурбину 18, и далее на компрессор 19 и конденсатор 20, где пар переходит в жидкую фазу и снова попадает в теплообменник 15.
Часть энергии, вырабатываемая электротурбиной 18, подается по силовой линии 21 на компрессор 19, а часть энергии подается на обеспечение питанием АГЗУ 22 и БНС 23.
Таким образом, за счет оснащения топливными элементами оборудования для добычи скважинной продукции, решают задачу прогрева забойной зоны продуктивного пласта до температуры около 150-200°С, тем самым повышается дебит скважины, а также задачу обеспечения электроэнергией скважинного оборудования и задачу повышения температурного градиента, обеспечивающего рентабельность получения электроэнергии с помощью наземной геотермальной установки.