СПОСОБ СОЗДАНИЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТОКА В БУРОВОЙ СКВАЖИНЕ
PROCEDURE OF FORMATION OF HYDRO-POWER FLOW IN DRILL WELL

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано для обеспечения работы скважинных гидроэнергетических установок, в частности тепловодоснабжающих скважин, скважинных гидроэлектростанций, при производстве энергоресурсов в условиях, в которых имеются условия для их работы. Особый интерес использования скважинных гидроэнергоустановок представляют районы и местности, не охваченные централизованным энергообеспечением.
Известен способ создания гидроэнергетического потока [1], используемый на ГЭС. Он предусматривает сооружение плотины, устройство в плотине водовода (водоводов), верхняя часть которого сообщается с источником воды - водохранилищем, формируемым за счет плотины, перегораживающей русловой поток реки. Нижняя часть водовода сообщена с нижним бьефом ГЭС, уровень которого не превышает уровня природного положения реки и является зоной стока. Перепад высот уровня воды в водохранилище (верхнем бьефе) и положения гидроагрегата, установленного в водоводе ГЭС, представляет давление гидроэнергетического потока в месте установки гидроагрегата. Расход воды в водоводе ГЭС является второй характеристикой гидроэнергетического потока, а его мощность определяется произведением расхода потока воды в водоводе на ее давление в месте установки гидроагрегата.
Гидроэнергетический поток в водоводе ГЭС имеет стабильное значение, так как уровень в водохранилище практически не изменяется, либо меняется на незначительную величину. Расход потока воды в водоводе имеет постоянную величину на всей протяженности водовода. Для его определения достаточно измерение расхода в одном сечении водовода. Таким образом, определение и создание гидроэнергетического потока, воздействующего на гидроагрегат ГЭС, несложно.
Такой подход к формированию гидроэнергетического потока, для организации на его основе работы скважинного гидроэнергоагрегата, не достаточен.
Наиболее близким к предлагаемому и принятым за прототип является способ создания гидроэнергетического потока в буровой скважине по заявке на изобретение РФ, Решение от 26.11.2007 г.о выдаче патента на изобретение РФ (по заявке №2006128728/03(031196) «Способ создания гидроэнергетического потока в скважине», М.кл. Е02В 9/00 (2006.01), поданной 07.08.2006 г. [2]), принятой за прототип.
Способ создания гидроэнергетического потока в буровой скважине, принятый за прототип, предусматривает организацию движения жидкости по каналу скважины от расположенного выше источника воды, сообщенного со скважиной, к расположенной ниже зоне ее поглощения, определении расхода и давления воды в предполагаемой точке установки агрегата и вычислении гидравлической мощности потока.
Недостаток способа, принятого за прототип, заключается в том, что условия его применения ограничены. Объясняется это тем, что известный способ предусматривает использование зон поглощения в гидроэнергетической скважине природного происхождения. Распространение таких зон поглощения не всегда может совпадать с желаемыми по их местоположению (территориальному), по глубине и характеристикам, что существенно ограничивает возможность использования способа по прототипу, либо «делает» его не экономичным для выработки энергоресурсов в необходимом районе (территории), прогнозировать и получать конкретные требуемые энергетические мощности и гидроэнергопотенциал.
Таким образом, прототипу присущ недостаток, ограничивающий условия его применения.
Технический результат, на достижение которого направлен заявляемый способ - обоснование нового способа создания гидроэнергетического потока в буровой скважине, имеющего более широкие возможности для формирования скважинных гидроэнергоисточников путем приближения их местоположения (на местности), энергетической мощности и гидроэнергопотенциала к желаемым за счет искусственного формирования зоны поглощения.
ду
дн
дн
гэа
ду
гэа
г
Для достижения указанного технического результата при осуществлении заявляемого способа создания гидроэнергетического потока в буровой скважине, предусматривающего бурение скважины до зоны поглощения, сообщение скважины с поверхностным водоемом с возможностью регулирования расхода воды, либо (и) с перебуренными скважиной водоносными интервалами в верхней ее части, и с зоной поглощения в нижней ее части, установку гидроэнергоагрегата, либо имитатора его гидросопротивления, соответствующего номинальному режиму работы гидроэнергоагрегата в нижней части скважины, несколько выше пересечения скважины с зоной поглощения, определение положения динамического уровня Н, (м) при динамическом режиме скважины, при этом вычисляют напорный уровень Н по формуле: H(м)=L(м)-H(м), где L(м) - расстояние от устья скважины до местоположения гидроэнергоагрегата в скважине, м; проводят скважинную расходометрию на интервале от динамического уровня до места установки гидроэнергоагрегата, а гидравлическую мощность потока в месте установки гидроэнергоагрегата N определяют по следующей формуле:
г
гэа
где N - гидравлическая мощность потока воды в скважине в месте установки гидроэнергоагрегата, Вт; Q - расход воды в месте установки гидроэнергоагрегата,
3
3
2
м/с (из скважинной расходограммы); ρ - плотность воды, кг/м; q - ускорение свободного падения м/с, в нем зона поглощения является искусственно созданной, а формируют ее образованием коллектора или емкости в породах, например, гидравлическим разрывом пласта в интересуемом интервале пробуренной в них скважине.
В способе создания гидроэнергетического потока в буровой скважине может быть образованы несколько не сообщающихся между собой зон поглощения, сообщающихся со скважиной на различных ее глубинах, пересечения которых со скважиной оборудуют дистанционно управляемыми перекрывающими устройствами.
Совокупность признаков заявляемого способа создания гидроэнергетического потока в буровой скважине позволяет расширить условия его применения. Подтверждения чему приведены ниже.
В массивах естественного залегания горных пород возможно и известны технологии создания коллекторов (Арене В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. - М.: Недра, стр.16-17; 266; 269, [3]): гидравлический разрыв пласта; взрывное разрушение; бурение системы горизонтальных скважин; образование емкостей - подземным растворением, подземным выщелачиванием, подземной выплавкой и др.
При наличии условий сформировать подземную емкость или коллектор каким-либо из перечисленных способов имеется реальная возможность искусственно создать зону поглощения. А при этом местоположение и характеристики ее приблизить к желаемым, исходя из требуемых местоположения (территории), энергетической мощности и гидроэнергопотенциала.
Искусственное формирование нескольких зон поглощения перебуренных скважиной, расположенных на различной глубине и сообщающихся со скважиной по управляющему воздействию с поверхности - позволяет использовать их для заполнения водой при выработке энергии в скважинном гидроэнергоагрегате. Различное расположение по глубине зон поглощения, как правило, при одном положении динамического уровня, позволяет реализовывать при этом различные гидравлические мощности скважинного гидроагрегата. Объясняется различие мощностей при этом различными напорами воздействующими на гидроагрегаты, устанавливаемые над каждой из зон поглощения.
На фиг.1, 2 приведены схемы осуществления способа создания гидроэнергетического потока в буровой скважине энергетического назначения. На фиг.1 приведена схема гидроэнергетической скважины, а на фиг.2 - схема скважинного дистанционно управляемого перекрывающего устройства, в частности на фиг.2,а - в открытом состоянии скважинного перекрывающего устройства и на фиг.2,б - в закрытом состоянии скважинного перекрывающего устройства.
1
2
3
д
н1
н2
н3
На фиг.1 и 2 введены следующие обозначения: 1 - буровая скважина; 1.1 - трубы; 2 - подземный водоносный интервал; 2.1 - трубопровод от поверхностного источника воды; 3 - поглощающий интервал; 3.1 - второй поглощающий интервал; 3.2 - третий поглощающий интервал; 4 - патрубок с перфорированным участком; 5 - перфорационные отверстия; 6 - перфорированная клапанная часть патрубка 4; 7 - пружинные фиксаторы; 8 - перекрывающий патрубок; 9 - покрытие из эластичного материала; 10 - кольцевая канавка; 11 - вода в скважине; I - место установки гидроагрегата у первого поглощающего интервала; II - место установки гидроагрегата у второй поглощающей зоны; III - место установки гидроагрегата у третьей поглощающей зоны; IV - узел скважинного перекрывающего устройства; L=350 м, L=480 м, L=610 м - расстояния от устья скважины, соответственно, до первой, второй и третьей поглощающей зон; Н=50 м - динамический уровень воды в скважине; H=300 м, Н=430 м, Н=560 м - напоры, создаваемые «столбами» воды в местах установки гидроагрегата в скважине, соответственно, у первой, второй и третьей поглощающих зон.
Пробурена скважина гидроэнергетического назначения 1, схема которой приведена на фиг.1. Ею перебурен подземный водоносный интервал 2. Ниже перебуренного скважиной водоносного интервала в данном геологическом разрезе поглощающая зона (поглощающие зоны) отсутствуют. Для возможности формирования гидроэнергетических потоков в скважине с целью последующей установки выше каждой из них гидроагрегатов для выработки электроэнергии в ней образованы искусственно зоны поглощения 3; 3.1; и 3.2, соответственно. Созданы они одним из способов, применяемых для этого - гидроразрывом пласта (Арене В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. - М.: Недра, стр.68-70 [3]).
С использованием скважинного прибора комплексного контроля параметров водоносных интервалов и зон поглощения [4] выполнена скважинная расходометрия [5], посредством которой определены: местоположения (подошвы и кровли зон), статический уровень, динамический уровень, дебит водоносной зоны гидроэнергетической скважины. По результатам скважинных исследований дебит водоносной зоны составил 120 л/мин. Скважина оборудована скважинными перекрывающими устройствами IV (фиг.1) идентичной конструкции (фиг.2), причем перфорированные клапанные их (патрубков 4) части 6 установлены для перекрытия каждой из поглощающих зон 3; 3.1; и 3.2. Перекрывающие устройства IV выполнены с возможностью иметь (посредством дистанционного управляющего воздействия с поверхности) либо закрытое, либо открытое их состояние. Она снабжена перекрывающим патрубком фиг.2, которая для перекрытия сообщения поглощающих зон со скважиной устанавливается (по воздействию с поверхности) в свое верхнее положение и удерживается в нем за счет пружин 7 (фиг.2,а), которые при этом заходят в кольцевую канавку перекрывающего патрубка 8. Перфорационные отверстия 5 в патрубке 4 при этом перекрываются патрубком 8 и сообщение поглощающей зоны со скважиной прекращается.
Для сообщения поглощающей зоны со скважиной перекрывающий патрубок 8 перемещается (с поверхности гидрозахватом, установленным на бурильной колонне) вниз. Для перемещения патрубка 8 с поверхности он вначале фиксируется опущенным на бурильных трубах гидравлическим захватом, который упираясь своими внутренними кулачками внутри патрубка «захватывает» его. Перемещением вниз бурильной колонны перемещается вместе с ним и перекрывающее устройство, а фиксирующие его в верхнем ненагруженном положении пружины 7 при этом сжимаются и выходят из зацепления с канавкой патрубка 8. После этого кулачки опускаемого на бурильной колонне гидравлического захвата сжимаются, а патрубок освобождается от него. Бурильная колонна с гидравлическим захватом поднимается на поверхность.
1
2
3
д
д
Установленные скважинными измерениями с использованием скважинного расходомера местоположения искусственно созданных зон поглощения и предполагаемые для установки в последующем выше каждой из них гидроагрегата составляют, соответственно, первой поглощающей зоны - L=350 м; L=480 м; L=610 м. Установлено также, что динамический уровень в скважине Н при одном открытом перекрывающем устройстве с одной из поглощающих составляет Н=50 м. Исходя из
1
2
3
д
H1
1
Д
H2
H3
L, L, L, и Н определены значения напоров «столба» воды в точках вероятных установок гидроагрегатов над каждой из зон поглощения. В частности, Н=L-Н=350 м - 50м=300 м, по аналогии - Н=430 м, а Н=560 м.
r
дн
гэа
В случае «работающей» первой искусственно созданной поглощающей скважины 3 (две другие зоны поглощения 3.1 и 3.2 - перекрыты) мощность гидравлического потока в предполагаемой точке установки гидроагрегата выше этой зоны поглощения, составляет следующую величину (1) N=ρ·q·Н·Q.
3
3
2
-3
3
H1
гэа
После подстановки конкретных значений для условий рассматриваемого случая (ρ=10кг/м; q=9,8 м/с; Н=300 м; Q=2·10м/с)
г1
3
3
2
-3
3
N=10кг/м·9,8 м/с·300 м·2·10м/с=6000 Вт=6,0 кВт.
Для оценки гидравлической мощности гидроэнергетического потока в скважине «при работе» второй поглощающей зоны 3.1 производят измерения при перекрытых сообщениях скважины с поглощающими зонами 3 и 3.2 и открытом ее сообщении с поглощающей зоной 3.1. Это достигается с поверхности с использованием спускаемого на бурильной колонне гидравлического захвата, перемещением после его фиксации перекрывающего устройства 8.
г
дн
гэа
В случае «работающей» второй искусственно созданной поглощающей скважины 3 (две другие зоны поглощения 3.1 и 3.2 - перекрыты) мощность гидравлического потока в предполагаемой точке установки гидроагрегата выше этой зоны поглощения составляет следующую величину (1) N=ρ·q·Н·Q.
3
3
2
-3
3
H2
гэа
После подстановки конкретных значений для условий рассматриваемого случая (ρ=10кг/м; q=9,8 м/с; Н=430 м; Q=2·10м/c)
г2
3
3
2
-3
3
N=10 кг/м·9,8 м/с·430 м·2·10м/c=8600 Вт=8,6кВт.
Для оценки гидравлической мощности гидроэнергетического потока в скважине «при работе» третьей поглощающей зоны 3.2 производят измерения при перекрытых сообщениях скважины с поглощающими зонами первой 3 и второй 3.1 и сообщении ее с поглощающей зоной 3.2. Это достигается с поверхности с использованием спускаемого на бурильной колонне гидравлического захвата, перемещением после его фиксации перекрывающего устройства 8.
г
дн
гэа
В случае «работающей» третьей искусственно созданной поглощающей скважины 3.2 (две другие зоны поглощения 3 и 3.1 - перекрыты) мощность гидравлического потока в предполагаемой точке установки гидроагрегата выше этой зоны поглощения составляет следующую величину (1) N=ρ·q·Н·Q.
3
3
2
-3
3
H2
гэа
После подстановки конкретных значений для условий рассматриваемого случая (ρ=10кг/м; q=9,8 м/с; Н=430 м; Q=2·10м/c)
г2
3
3
2
-3
3
N=10 кг/м·9,8 м/с·560 м·2·10м/c=11200 Вт=11,2кВт.
При формировании гидродинамического потока в буровой скважине, далее ГЭПБС, воздействующего на установленный в скважине гидроагрегат, вода, в общем случае поступает в скважину из источников питания, которым могут быть либо поверхностный водоем, либо (и) подземные водоносные интервалы. А создаваемая гидроэнергетическим потоком его гидравлическая мощность определяется произведением давления потока в месте установки гидроэнергоагрегата, далее ГЭА, на расход воды, проходящий через ГЭА.
Сформированные ГЭПБС с использованием скважинных гидроэнергопреобразователей (гидроагрегатов) с учетом значений их коэффициентов полезного действия (КПД) могут быть преобразованы в тепловую [6] или электрическую энергию [7], с использованием соответствующих устройств.
Таким образом, заявляемый способ создания гидроэнергетического потока в буровой скважине позволяет расширить условия применения способа, принятого в качестве прототипа:
1. Путем его формирования в условиях, когда в данной точке геологического разреза отсутствуют поглощения.
2. Путем его формирования созданием искусственной зоны поглощения на глубине, при которой обеспечивается требуемая (и желаемая) энергетическая мощность.
3. Путем создания нескольких зон поглощения на различной глубине и путем формирования потоков при организации их движения в соответствующую зону поглощения.
Предлагаемый способ создания гидроэнергетического потока в буровой скважине позволяет с высокой точностью определять его гидравлическую мощность в различных горногидрогеологотехнических условиях, на основе использования скважинных исследований. Способ позволяет обосновать варианты совершенствования и формирования скважинных гидроэнергоисточников. Это дает основание рекомендовать использование его при создании и эксплуатации объектов скважинной гидроэнергетики, то есть на всех стадиях их существования (изыскания; проектирование; бурение, строительство и сооружение; эксплуатация; ремонт и модернизация).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Карелин В.Я. и др. Гидроэлектрические станции. / Под ред. проф. В.Я.Карелина и Г.И.Кривченко. - М.: Энергоатомиздат, 1987 г., стр.15-21.
2. Решение от 26.11.2007 г. о выдаче патента на изобретение РФ по заявке №2006128728/03(031196) «Способ создания гидроэнергетического потока в скважине», М.кл. Е02В 9/00 (2006.01), поданной 07.08.2006 г. (прототип).
3. Арене В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. - М.: Недра.
4. Петров А.И. Глубинные приборы для исследования скважин. - М.: Недра, 1980 г., 223 с.
5. Гершанович И.М. Гидрогеологические исследования скважин методом расходометрии. - М.: Недра, 1981 г., 294 с.
6. Патент №2291255 РФ на изобретение «Тепловодоснабжающая скважина». М.кл. Е03В 3/00; F24H 4/02. Опубл. 10.01.2007 г. Бюл. №1.
7. Generation of electricity during the injection of a denste fluid into a subterranean formation. Патент US 4132269 А, кл. Е21В 43/20, F03G 7/04, опубл. 02.01.1979 г.