Устройство для преобразования геотермальной энергии эксплуатационных нефтяных скважин в электрическую

Полезная модель относится к средствам для преобразования энергии в частности, к устройствам преобразования геотермальной энергии в электрическую, и предназначена для выработки электроэнергии в районах нефтедобычи за счет использования геотермальной энергии эксплуатационных скважин, работающих в системе поддержания пластового давления (ППД) закачкой воды в продуктивные пласты.
Известна паротурбинная установка для геотермальной электростанции, включающая установленную в добывающей скважине колонну труб для термальной воды, размещенную в нагнетательной скважине колонну труб, связанную с нагнетательным насосом, и систему вторичного теплоносителя, включающую турбину, связанную трубопроводом с генератором, и связанный с турбиной конденсатор, отличающаяся тем, что она снабжена установленным в затрубном пространстве нагнетательной скважины дополнительным трубопроводом, который связан с конденсатором для подачи в дополнительный трубопровод вторичного теплоносителя, а колонна труб добычной скважины связана трубопроводом с нагнетательным насосом для подачи термальной воды в колонну труб нагнетательной скважины (патент РФ № 2035588, приор. 16.09.1991 г., опубл. 20.05.1995 г.).
В этой технологической схеме электроэнергия вырабатывается за счет преобразования тепла термальной воды, поднимающейся по колонне труб добывающей скважины, которая подводится к нагнетательному насосу и закачивается по колонне труб нагнетательной скважины обратно в пласт. По мере подъема вторичного теплоносителя в затрубном кольцевом пространстве происходят его нагрев, испарение и перегрев за счет передачи тепла закачиваемой высокотемпературной термальной воды через цилиндрическую поверхность колонны труб нагнетательной скважины. Перегретый пар, поступая на турбину, вращает ротор, а последний приводит в действие генератор. Отработанный пар поступает в конденсатор с водяным охлаждением. Охлажденный теплоноситель из конденсатора самотеком опускается в зону нагрева по дополнительному трубопроводу, установленному в затрубном пространстве нагнетательной скважины. Самотечное опускание вторичного теплоносителя обеспечивается за счет давления, создаваемого перепадом высот, равного высоте затрубного кольцевого пространства.
В известном устройстве не предусмотрено использование кинетической энергии нагнетаемой жидкости для преобразования ее в электрическую, что снижает эффективность установки.
Известно устройство для преобразования геотермальной энергии в электрическую (патент РФ № 2096696, приор. 09.02.1993 г., опубл. 20.11.1997 г.).
Известное устройство включает центральную геотермальную скважину, а также несколько скважин, размещенных вокруг центральной и снабженных установленными в них на валах гидротурбинами, а также электрогенераторы, запорные клапаны, установленные в нижней части скважин, резервуар, блок, в который входят дегазатор, турбогенератор, камера сгорания, газожидкостной теплообменник, градирня, соединительные патрубки, трубопроводы, распределитель.
В известном устройстве задействован кругооборот жидкости, например воды, которая направляется в несколько скважин и попадает на лопасти гидротурбин, закрепленные на валу, вращает вал, который передает крутящий момент электрогенератору, затем попадает в резервуар, где нагревается до температуры испарения скважинным геотеплом, поднимается в газообразном состоянии на поверхность, отдает тепло в специальном блоке, после чего снова попадает в скважину. При этом гидротурбина и резервуар для нагрева жидкости расположены непосредственно в скважине, а добывающие скважины и нагнетательная скважина соединены между собой подземным резервуаром для обмена теплом между циркулирующей жидкостью и внутрискважинным теплом (прототип к заявленному устройству).
В известном устройстве предусмотрены генератор с электротурбиной для преобразования кинетической энергии закачиваемой жидкости в нагнетательную скважину в электрическую и блок для преобразования тепловой энергии откачиваемой жидкости из добывающей скважины в электроэнергию.
Особенностью известного устройства является то, что необходимым условием работы является наличие подземного резервуара для обмена теплом между циркулирующей одной и той жидкостью и внутрискважинным теплом.
Такое условие невыполнимо при промышленной эксплуатации нефтяных скважин, где такая циркуляция не может быть обеспечена в силу того, что в нагнетательную скважину закачивают воду для поддержания пластового давления (ППД) в продуктивном пласте, а откачивают из добывающих скважин продуктивную смесь нефти и воды. Кроме того, расположение непосредственно в нагнетательной скважине генератора с электротурбиной усложняет технологию получения электроэнергии из геотермального тепла эксплуатационных нефтяных скважин.
Задачей заявляемой полезной модели является упрощение технологии получения электроэнергии из геотермальной энергии эксплуатационных нефтяных скважин, работающих в системе поддержания пластового давления (ППД) закачкой воды в продуктивные пласты.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для преобразования геотермальной энергии эксплуатационных нефтяных скважин в электрическую, содержащем гидроэлектрическую турбину, работающую на кинетической энергии жидкости, закачиваемой в нагнетательную скважину, теплоэлектрогенераторы, предназначенные для преобразования тепловой энергии откачиваемой жидкости из добывающих скважин в электрическую, в отличие от известного, гидроэлектрическая турбина установлена на входном водоводе подачи воды в системе ППД на устье нагнетательной скважины внутри кустовой ячейки добывающих нефтяных скважин, к каждой из которых подведен отвод подачи воды в системе ППД, на устье каждой добывающей скважины установлен термоэлектрогенератор, теплообменник которого с одной стороны соединен с указанным отводом подачи воды в системе ППД, а с другой стороны - с отводным коллектором со скважинной продукцией, добываемой из каждой добывающей скважины.
На прилагаемой фигуре представлена схема обвязки нефтяных скважин на эксплуатационной кустовой ячейке водоводами в системе ППД и отводными коллекторами с добываемой скважинной продукцией.
Заявляемое устройство размещено на участке с пятиточечной эксплуатационной кустовой ячейкой нефтяных скважин, включающей расположенные по углам квадрата добывающие скважины 1 и расположенную в центре нагнетательную скважину 2. Все добывающие скважины соединены отводными коллекторами 3 с скважинной продукцией (нефть-вода), которая отводится в продуктопровод 4.
Закачиваемая вода в нагнетательную скважину 2 по системе ППД подается по входному водоводу 5 с кустовой насосной станции (на фиг. не показана) и далее по водоводу 6 направляется к соседней эксплуатационной ячейке (на фиг. не показана).
От входного водовода 5 отведены отводы 7 меньшего диаметра к каждой добывающей скважине 1, где на устье установлены термоэлектрогенераторы 8 с теплообменниками, к которым с одной стороны подведена вода по системе ППД из отводов 7, а с другой стороны по коллекторам 3 подается скважинная продукция, добываемая из скважин 1. Получаемая электроэнергия с помощью термоэлектрогенераторов 8 собирается по силовым линиям 9 и направляется в линию 10 (24V) для питания насосов в системе ППД.
На устье нагнетательной скважины 2 на входном водоводе 5 установлена гидроэлектрическая турбина 11, через которую проходит закачиваемая вода в нагнетательную скважину 2. Получаемая с помощью гидроэлектрической турбины 11 электроэнергия отводится по линии 12 (220V) в промышленную сеть промысла.
Управление и электроснабжение скважинными насосами в процессе эксплуатации скважин 1 осуществляется с помощью шкафов управления 13, к которым подведено электропитание от силовой промышленной линии 14.
При закачке воды в нагнетательную скважину 2 через входной водовод 5, где установлена гидроэлектрическая турбина 11, последняя приводится в действие с помощью кинетической энергией, движущейся по водоводу 5 закачиваемой в скважину 2 воды, и преобразует ее в электрическую энергию переменного тока напряжением до 220V, которая отводится по силовой линии 12.
Расчеты гидроэлектрической турбины известны из источников: Домбровский В.В и др. Проектирование гидрогенераторов, ч. 2. Конструкции. Механические расчеты. - М.: Энергия, 1968. Видеман Е. и др. Конструкции электрических машин. - Л.: Энергия, 1972. Абрамов А.И. и др. Расчет и конструирование гидрогенераторов. - М.: Высшая школа, 1964.
На устье каждой добывающей скважины 1 установлен термоэлектрогенератор 8 с теплообменником, работающий на утилизационном тепле подземных вод (скважинной продукции, добываемой из скважин 1) (https://ru.wikipedia/wiki/Термоэлектрогенераторы).
К теплообменникам термоэлектрогенераторов 8 с одной стороны подведена холодная вода по системе ППД из отводов 7 меньшего диаметра, а с другой стороны по коллекторам 3 подается скважинная продукция, добываемая из скважин 1, имеющая температуру выше наземной. При этом термоэлектрогенераторы 8 преобразуют разницу в температуре между скважинной продукцией и холодной водой в системе ППД в постоянное напряжение тока до 24B, которое с помощью силовой линии 10 направляется для потребления на промысле.