Устройство для эксплуатации геотермальной скважины

Полезная модель относится к средствам для утилизации геотермальной энергии пробуренных скважин для бытовых и производственных нужд, и может быть использована в устройствах преобразования геотермальной энергии в электрическую.
Известны исследования по созданию промышленных установок для утилизации геотермальной энергии и ее использования не только для обогрева жилых и производственных помещений, но также и для выработки электроэнергии (Н.А. Гнатусь. Петротермальная энергетика России. Перспективы освоения и развития. // Вестник Российской Академии естественных наук., М., РАЕН, 2011 г., №2, с. 41-47).
Температурный режим для преобразования геотермальной энергии, транспортируемой на поверхность с помощью геотермальных скважин, предусматривает его поддержание на поверхности на уровне не ниже +60°С, что не всегда осуществимо из-за влияния на процесс переноса геотермальной энергии различных факторов, например, изменение пластового давления в пробуренной скважине и, соответственно, дебита пластовой жидкости - основного средства для переноса геотермальной энергии на поверхность.
Известно, что пробуренные скважины снабжаются стальными обсадными трубами (обсадная колонна) для крепления стенок скважины, которые также влияют на теплообмен между пластовой жидкостью (теплоносителя) с окружающими горными породами и снижают ее температуру.
Известна геотермальная установка энергоснабжения потребителей, которая содержит контур съема тепла земли, контур испарения и конденсации рабочего тела турбины, контур охлаждения конденсатора и контур теплоснабжения потребителя (Пат. РФ №2330219, приор. 27.12.2006 г., публ. 27.01.2008 г.).
Контур съема тепла земли содержит опускную трубу, расположенную в скважине и герметично закрытую, например, перегородкой со стороны глубинного грунта скважины. Внутри опускной трубы коаксиально расположена подъемная труба, внешняя сторона которой имеет теплоизолированный слой. Теплоизолированный слой существенно снижает теплообмен между теплым потоком теплоносителя, находящимся в подъемной трубе, и холодным потоком теплоносителя, находящимся в опускной трубе.
Недостатком известной геотермальной установки является то, что опускная труба (обсадная колонна) не снабжена теплоизолирующим слоем для снижения теплообмена обсадной колонны с окружающими горными породами, поэтому находящаяся там холодная жидкость снижает температуру транспортируемого по подъемной трубе (насосо-компрессорная труба - НКТ) теплоносителя (пластовой жидкости), в результате чего снижается эффективность геотермальной установки.
Кроме того, нанесение теплоизолирующего слоя увеличивает себестоимость и усложняет процесс изготовления НКТ, за счет чего снижается технологичность утилизации тепла геотермальной скважины.
Задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в повышении эффективности утилизации геотермальной энергии пробуренных скважин за счет снижения потерь тепла пластовой жидкости при транспортировке по НКТ на поверхность внутри обсадной колонны в скважине и снижении трудозатрат.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для эксплуатации геотермальной скважины, содержащем контур съема тепла пластовой жидкости, поднимаемой на поверхность земли из скважины, контур передачи тепла пластовой жидкости в контур теплоснабжения потребителя, при этом контур съема тепла пластовой жидкости содержит обсадную колонну, расположенную в скважине, НКТ для подъема пластовой жидкости на поверхность, в отличие от известного, указанная обсадная колонна на устье скважины загерметизирована и в нее спущена дополнительная обсадная колонна, изготовленная из стеклопластика, в которой коаксиально расположена НКТ для подъема пластовой жидкости на поверхность, выполненная также из стеклопластика.
На прилагаемой фигуре представлена схема заявляемого устройства.
Устройство для эксплуатации геотермальной скважины включает: контур съема тепла пластовой жидкости, поднимаемой на поверхность земли из скважины, который содержит обсадную колонну 1 (стандартно выполненную из стали), расположенную в скважине 2, например, скважине для добычи нефтепродуктов. Внутрь стальной обсадной колонны 1, загерметизированной на устье 3 скважины, спущена дополнительная обсадная колонна 4, изготовленная из стеклопластика, внутри которой коаксиально расположена НКТ 5 для подъема пластовой жидкости 6 на поверхность, выполненная также из стеклопластика. Поз. 7 - задвижка на выходе НКТ 5.
В контуре передачи тепла пластовой жидкости в контур теплоснабжения потребителя: выход НКТ 5 с пластовой жидкостью 6 снабжен тепловым насосом 8, включающим внутренний замкнутый контур, проходящий через испаритель 9 с жидкостью низкотемпературного кипения, конденсатор 10, компрессор 11 и редукционный клапан 12, при этом через конденсатор 10 проходит отвод 13 теплопровода потребителя, а через испаритель 9 с жидкостью низкотемпературного кипения проходит отвод от НКТ 5 с пластовой жидкостью 6.
Скважина 2 с обсадной колонной 1 диаметром до 250 мм пересекает разрез горной породы, часто имеющий сложное гелогическое строение, содержащее в своем составе следующие литотипы: малопроницаемую покрышку из алевритов 14, пласт карбонатных отложений 15, пласт водонасыщенного песчаника 16, пласт трещинно-кавернозного известняка 17, насыщенного геотермальной пластовой жидкостью 6 температурой до +100 град С. Перечисленные отложения разделены непроницаемыми глинистыми перемычками 18.
НКТ 5 спущена до интервала перфорации 19 в пласте трещинно-кавернозного известняка 17, насыщенного геотермальной пластовой жидкостью 6. Поз. 20 - жидкость, заполняющая межтрубное пространство между НКТ 5 и дополнительной стеклопластиковой колонной 4. Поз. 21 - цементный камень в заколонном пространстве.
Опыт применения стеклопластиковых труб для крепления обсадными колоннами пробуренных скважин представлен в статье: Шумилов А.В., Матяшев С.В., Семенов Б.А. и др. Применение стеклопластиковых обсадных колонн на месторождениях Пермской областии. // НТВ «Каротажник», Тверь, АИС, 1998 г., вып. 53, с. 69-74).
Устройство работает следующим образом.
Пластовая жидкость 6, поступающая из пласта 17 через перфорацию 19 в ствол скважины, обсаженной стальной колонной 1 и дополнительной стеклопластиковой колонной 4, поднимается по НКТ 5 на поверхность за счет превышения пластового давления над гидростатическим, либо с помощью глубинного насоса (на фиг. не показано).
При этом происходит теплообмен между пластовой жидкостью 6 и жидкостью 20, заполняющей межтрубное пространство между НКТ 5 и дополнительной стеклопластиковой колонной 4. Через жидкость 20, находящейся в покое за счет того, что обсадная колонна 1 загерметизирована на устье скважины, происходит теплообмен с окружающими горными породами, которые отделены обсадными колоннами 1 и 4.
Процесс теплообмена описывается известным уравнением теплопроводности (Л.С. Каплан, А.Л. Каплан. Справочное пособие нефтяника. Ч. 1, Уфа, УГНТУ, 2004 г.):
,
t
где W - количества тепла, переносимого пластовой жидкостью, ккал,
λ - коэффициент теплопроводности, ккал/м час град,
Δt - разность температур между пластовой жидкостьюа и окружающей средой, градС,
2
S - площадь поверхности теплообменника, м,
Δτ - продолжительность теплообмена, час,
- расстояние, на котором происходит теплообмен, м.
Из указанного справочного пособия известно, что элементы конструкции геотермальной скважины имеют следующие коэффициенты теплотеплопроводности λ:
1
2
Для оценки степени теплоизоляции, которую обеспечивает применение стеклопластиковых НКТ и дополнительной стеклопластиковой обсадной колонны, определим значение общего коэффициента теплопроводности λ среды при транспортировке пластовой жидкости по стальной НКТ, помещенной а стальную обсадную колонну, и значение общего коэффициента теплопроводности λ среды при транспортировке пластовой жидкости по НКТ, изготовленной из стеклопластика и помещенной в дополнительную обсадную колонну, изготовленную также из стеклопластика:
1
λ=0,6+45+45=0,9=91,5 ккал/м час град С,
2
λ=0,6+0,07+0,07+45+0,9=46,64 ккал/м час град С.
Согласно формуле (1) количество тепла, потраченного на теплообмен в окружающее пространство в первом случае, составляет , а во втором случае - , при этом зная, что значения Δt, S, Δτ,  в первом и во втором случае одинаковые, то отношение  будет равно 46,64:91,5=0,5×100%=50%.
Полученный результат подтверждает, что теплоизолирующие свойства НКТ и дополнительной обсадной колонны, изготовленных из стеклопластика, на 50% снижают теплопотери пластовой жидкости при транспортировке ее на поверхность и снижают влияние природных факторов на эффективность геотермальной установки, тем самым, повышается коэффициент ее эффективности. При этом используются готовые стеклопластиковые трубы, не требующие дополнительной теплоизоляции.