СПОСОБ ДОБЫЧИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РАССОЛОВ
METHOD FOR EXTRACTION AND USE OF CONCENTRATED GEOTHERMAL BRINES

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к скважинным способам добычи и последующего применения глубокозалегающих подземных пластовых рассолов, обладающих как гидроминеральным потенциалом, в особенности промышленными концентрациями полезных компонентов для прямого использования или последующей переработки в товарные продукты (бром, йод, кальций, магний, калий, литий, стронций и др., а также их производные), так и тепловым потенциалом, пригодным для использования по энергетическому назначению. Способ предусматривает защиту высокоминерализованных рассолов при их добыче от возможных фазовых температурных переходов, чреватых опасностью выпадения твердых осадков на элементах оборудования и скважины в результате охлаждения рассола при прохождении через низкотемпературные слои грунта в верхней части скважины. Особый интерес в этом отношении представляют широко распространенные по территории России так называемые среднетермальные (50-75°С) и слаботермальные (25-45°С) глубинные рассолы, которые охвачены вариантами предлагаемого способа.
Предлагаемый способ обеспечивает предупреждение кристаллизации солей за счет внутренних тепловых ресурсов рассола, а именно за счет передачи геотермальной энергии наиболее нагретой части потока рассола, в нижней части эксплуатационной колонны, в верхнюю часть колонны путем теплопереноса, осуществляемого от потока через теплопроводящую наружную поверхность проведенного внутрь колонны теплообменника к циркулирующему в нем теплоносителю, в качестве которого служит техническая вода.
Согласно предлагаемым вариантам способ позволяет реализовать не только гидроминеральный ресурс подземных рассолов для получения из них единичной или комплексной минеральной продукции, но и предоставляет возможность совмещенного или периодически раздельного применения нескольких направлений использования ресурсов геотермального рассола, например одновременного получения на базе единичной скважины гидроминерального сырья (ГМС) и теплоснабжения близрасположенных объектов подогретой, с использованием теплоэнергетического потенциала рассолов технической водой, которую в отличие от рассола можно напрямую (без промежуточных теплообменников) задействовать в наземной сети теплоснабжения.
В случае реализации предлагаемого способа с дополнительным обессоливанием и фильтрацией части переработанного на ГМС и поступающего в отводную линию рассола используют еще и водный ресурс последнего путем применения этой части флюида после водоподготовки для самообеспечения (заполнения и подпитки) помещенного в эксплуатационную колонну теплообменника - подогревателя и наземной сети теплоснабжения технической водой, что исключает затраты на обустройство водоисточников, например мелких скважин на воду.
Уровень техники
К аналогам предлагаемого изобретения относится способ вскрытия с помощью скважины высоконапорного пласта и добычи из него крепкого рассола, при котором перед вскрытием пласта в интервале геологического разреза под региональной водоупорной толщей формируют, например, методом гидроразрыва зону поглощения, после чего крепят ствол скважины промежуточной обсадной колонной, сообщающейся с устанавливаемой затем эксплуатационной колонной для отвода рассола из пласта через межколонное пространство. При этом зону поглощения связывают также с наземными емкостями и насосным оборудованием. После вскрытия бурением напорного пласта осуществляют отвод природного рассола закачкой наземным насосным оборудованием или за счет пластового давления, при этом отвод рассола по межколонному пространству в зону поглощения происходит за счет предусмотренной специальной цементации колонн: с недоподъемом цементного раствора основной обсадной колонны до башмака промежуточной обсадной колонны, размещенного над зоной поглощения (пат. 2365735 РФ, опубл. 27.08.2009).
Способ позволяет при наименее затратной по капиталовложениям односкважинной циркуляционной схеме для его реализации выполнить требования защиты окружающей среды путем обеспечения постоянного отвода высокоминерализованного рассола в предварительно подготовленную в пределах одного и того же геологического разреза поглощающую зону. За счет этого производят управляемое вскрытие даже высоконапорных пластов и защищенную от вредных выбросов утилизацию рассола, в т.ч. либо через сообщающуюся с устьевой развязкой скважины зону поглощения, либо через наземные емкости, рассол из которых в определенные периоды времени можно использовать по минерально-сырьевому назначению (производство ГМС, строительных смесей и т.п). Однако данный способ не предусматривает защиту от кристаллизации солей и выпадения твердых осадков в верхней части эксплуатационной колонны, где вследствие охлаждения, связанного с прохождением через низкотемпературные слои грунта, концентрированные рассолы подвергаются опасности температурного фазового перехода с выпадением твердых осадков.
Этот же фактор усложняет возможность одновременного освоения имеющегося, как правило, у таких рассолов теплоэнергетического потенциала, поскольку, например, в случае направления части потока рассола в энергетическую установку подобные отложения могут произойти и в наземном блоке, что потребует дополнительных затрат на обслуживание, обеспечение его надежности и коррозионной стойкости, включая необходимость монтажа промежуточных теплообменников, увеличивающих общие капитальные затраты.
Известен способ скважинной добычи жидких полезных ископаемых, склонных к температурному фазовому переходу, к которым, в частности, относят высокоминерализованные геотермальные рассолы, включающий защиту эксплуатационной колонны добывающей скважины от твердых образований, оседающих на стенках колонны из добываемого ископаемого (например, промышленного литиево-бромного рассола), в процессе его перемещения от рассолоносного пласта к устью скважины, и отвод рассола из пласта по эксплуатационной колонне. При этом защиту осуществляют термостатированием колонны в интервале вероятного фазового перехода путем непрерывной или периодической прокачки горячего теплоносителя по замкнутой циркуляционной системе, сформированной посредством размещения дополнительной подвесной технической колонны, соединяющей по принципу «сообщающихся сосудов» через устьевую обвязку затрубное и внутреннее пространство подвесной технической колонны и наземное емкостное и насосное оборудование (пат. 2361067 РФ, опубл. 10.07.2009).
Недостатком данного способа является то, что такая технология не предоставляет возможности утилизации потока рассола при вскрытии, освоении и эксплуатации пласта в пределах односкважинного циркуляционного контура, а также - отвода излишков рассола в случае переполнения наземных емкостей, что представляет угрозу окружающей среде и исключает применение высокодебитной скважины ввиду запредельного увеличения количества емкостей. В рамках способа также не предусмотрена возможность экологически безопасного сброса при переработке рассола до остаточного флюида с уменьшенной минерализацией. Эти обстоятельства приводят либо к необходимости строительства второй скважины (для сброса рассола), со значительно возрастающими при этом затратами на строительство подземной циркуляционной системы, либо ограничивают возможные объемы добычи и использования подземного рассола по данной технологии скважинами с умеренным дебетом, снижающими производительность системы.
Заложенный в данном способе нагрев теплоносителя предполагает наличие специальной наземной подогревательной емкости для выпуска теплоносителя в виде растворов хлорида натрия или хлоридов кальция и магния, что требует затрат на их приготовление (использование на эти цели части добываемого рассола не исключает выпадение осадков в сформированном циркуляционном межколонном пространстве). К тому же для подогрева требуются затраты на внешние энергоносители, что ведет к дальнейшему повышению эксплуатационных расходов (внутренние тепловые ресурсы добываемого рассола в этой технологии не задействованы).
Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ, принятый в качестве прототипа, сочетающий экологически безопасную утилизацию концентрированных рассолов при вскрытии, освоении, эксплуатации рассолоносных глубоких горизонтов и защиту эксплуатационной колонны при подъеме по ней рассола от возможных твердых отложений с возможностью осуществления обеих защитных функций в рамках односкважинной циркуляционной системы (пат. 2229587 РФ, опубл. 27.05.2004).
В этом способе добычи и использования геотермальных рассолов с помощью скважины вскрывают напорный рассолоносный пласт, поднимают из него под давлением по эксплуатационной обсадной колонне высокоминерализованный геотермальный рассол, после чего по кольцевому пространству между эксплуатационной и промежуточной обсадными колоннами, сообщающемуся через устьевую обвязку скважины с наземными емкостями и нагнетательным оборудованием, а также - со сформированной до вскрытия рассолоносного пласта в интервале геологического разреза скважины ниже пачки регионального водоупора зоной поглощения, рассол отводят в процессе вскрытия, освоения и дальнейшей эксплуатации пласта в зону поглощения и наземные емкости с возможностью использования гидроминерального потенциала рассола из емкостей, при этом защиту эксплуатационной колонны от оседания твердых образований на ее стенках из добываемого рассола в процессе его подъема от пласта к устью скважины осуществляют путем термостатирования верхней части колонны в интервале вероятного температурного фазового перехода за счет непрерывной или периодической прокачки вдоль потока рассола в колонне с возможностью теплопереноса к нему теплоносителя с начальной температурой, превышающей ожидаемые без термостатирования температуры рассола в верхней части колонны.
Одним из основных недостатков прототипа является то, что при реализации способа для термостатирования колонны используется схема безвозвратной закачки теплоносителя по сообщающемуся с наземным подогревающим устройством межколонному пространству в предварительно сформированную поглощающую зону или существующий природный коллектор (пласт). Кроме необходимости в данном случае в затратном воспроизводстве объемов теплоносителя, неизбежный в таком открытом цикле постоянный подогрев новых порций жидкости требует постоянных затрат на внешние энергоносители, что также увеличивает эксплуатационные расходы. К тому же в качестве прокачиваемого теплоносителя в способе приходится подбирать соответствующие растворы, не допускающие смешения в поглощающей зоне разных геохимических типов вод, создающего угрозу кальматации, снижения пропускной способности, а в перспективе ведущего к прекращению функционирования зоны. Например, применительно к добыче бромисто-литиевых рассолов в качестве теплоносителя в рассматриваемом известном способе предложены горячий рассол хлорида натрия или часть добываемого полезного ископаемого в виде хлоридов кальция и магния или отходов их переработки.
К другим существенным недостаткам можно отнести то обстоятельство, что способ не предусматривает возможность использования на термостатирование теплоэнергетической составляющей ресурсов добываемого рассола, обусловленной геотермальным градиентом окружающих скважину на большом протяжении (от так называемого интервала вероятного фазового перехода до рассолоносного пласта) горных пород. К тому же сформированная согласно прототипу схема прокачки теплоносителя вдоль наружной поверхности эксплуатационной колонны, также как и аналог этой схемы по предназначению, предлагающий подачу теплоносителя без утечек за счет замкнутого циркуляционного контура (пат. 2361067 РФ, опубл. 10.07.2009), не создает перспективы одновременного или периодически раздельного, требующего гибкости в зависимости от сезонного или рыночного спроса, меняющегося дебита, пластового давления в скважинах и др. факторов использования различных ресурсных составляющих геотермальных рассолов, особенно слаботермальных рассолов, широко распространенных, например, по территориям ЦФО, СЗФО и др. федеральных округов России. Применение единичных направлений использования имеющихся в распоряжении нескольких видов ресурсов (ГМС, тепловая энергия, водный потенциал) ограничивает ассортимент и объемы отпускаемой продукции, что в условиях рыночных отношений ведет в результате к значительному ухудшению экономических показателей, увеличивая срок окупаемости проектов. При этом надо иметь в виду, что применительно к односкважинной технологии возможный выход из ситуации путем деления общего объема добываемого рассола на несколько потоков, по отдельным направлениям использования, не всегда является эффективным решением, поскольку снижает выход продукции по каждому отдельному виду ресурсов.
Цель настоящего изобретения - посредством изменения схемы прокачки и типа теплоносителя при защите эксплуатационной колонны от отложений использовать для прогрева рассола его теплоэнергетический потенциал, за счет этого снижая или полностью ликвидируя потребление на прогрев внешних энергоносителей. К тому же за счет предлагаемой многовариантной схемы, обращенной на возможность использования в рамках односкважинной циркуляционной технологии различных ресурсных составляющих добываемого геотермального рассола, реализовать комплексный подход к целостному освоению потенциала ресурсов, расширяющий территориальные и технологические возможности такого освоения, в т.ч. с перспективой перераспределения направлений добычи и использования под меняющиеся требования рынка.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе добычи и использования концентрированных геотермальных рассолов, при котором с помощью скважины вскрывают напорный рассолоносный пласт, поднимают из него по эксплуатационной обсадной колонне высокоминерализованный геотермальный рассол, после чего по кольцевому пространству между эксплуатационной и промежуточной обсадными колоннами, сообщающемуся через устьевую обвязку скважины с наземными емкостями и нагнетательным оборудованием, а также со сформированной до вскрытия рассолоносного пласта в интервале геологического разреза скважины ниже пачки регионального водоупора зоной поглощения, рассол отводят в процессе вскрытия, освоения и дальнейшей эксплуатации пласта в зону поглощения и наземные емкости с возможностью использования гидроминерального потенциала рассола из емкостей, при этом защиту эксплуатационной колонны от оседания твердых образований на ее стенках из добываемого рассола в процессе его подъема от пласта к устью скважины осуществляют путем термостатирования верхней части колонны в интервале вероятного температурного фазового перехода за счет непрерывной или периодической прокачки вдоль потока рассола в колонне с возможностью теплопереноса к нему теплоносителя с начальной температурой, превышающей ожидаемые без термостатирования температуры рассола в интервале вероятного температурного фазового перехода, согласно изобретению прокачку теплоносителя ведут внутри поднимаемого по эксплуатационной колонне рассола посредством размещения в этой колонне замкнутого контура циркуляции с теплоносителем в виде технической воды, выполненного путем крепления к устьевой обвязке скважины коаксиального теплообменника, протянутого в колонне до глубины не менее величины интервала фазового перехода и состоящего из соосного колонне теплопроводящего вертикального цилиндрического корпуса, закрытого в основании и имеющего сверху отверстия для подачи воды в корпус и для монтажа внутри корпуса центрального трубопровода с открытым недостающим до основания корпуса нижним концом и открытым для выпуска воды выше устья скважины верхним концом, при этом воду прокачивают сначала по образованному корпусом и трубопроводом кольцевому пространству теплообменника в направлении, противоположном направлению подъема рассола по эксплуатационной колонне, затем подают по центральному трубопроводу к выходу из теплообменника, а использование гидроминерального потенциала рассола проводят с отводом образующегося при использовании менее концентрированного флюида, вместе с отводимыми излишками рассола из пласта и емкостей, в зону поглощения, при этом перед подачей в общую отводную линию флюид фильтруют от механических примесей.
В рамках представленного выше определяющего пункта формулы изобретения предлагаются варианты способа, в одном из которых дополнительным отличием способа является то, что теплообменник протягивают в скважине до глубины не менее 0,6-0,8 расстояния от устья скважины до рассолоносного пласта, при этом в интервале от нижней границы зоны вероятного фазового перехода до основания корпуса теплообменника используют возрастающий с глубиной скважины, под воздействием геотермального градиента, теплоэнергетический потенциал рассола на компенсацию сопровождающего термостатирование колонны падения температуры технической воды вверху корпуса теплообменника и - на дальнейшее повышение температуры воды при ее движении к основанию корпуса с возможностью последующего применения накопленной водой на этом участке геотермальной энергии в располагаемой между выходом и входом теплообменника наземной сети на теплоснабжение расположенных рядом со скважиной объектов, а также непрерывного или посезонного совмещения использования теплоэнергетического потенциала с использованием гидроминерального потенциала рассола, отведенного при добыче либо в наземные емкости, либо, по дополнительной отводной линии, на комбинат переработки рассола в химическую продукцию.
Следующее дополнительное отличие, касающееся всех вышеперечисленных вариантов способа, заключается в том, что кроме гидроминерального и теплоэнергетического потенциалов используют водный ресурс добываемого рассола путем применения менее концентрированной части рассола в виде флюида, отводимого после использования гидроминерального потенциала рассола, при этом флюид периодически подают на заполнение и подпитку контуров циркуляции технической воды в теплообменнике и наземной сети теплоснабжения, предварительно доводя до кондиций технической воды путем прокачки через блок водоподготовки, устанавливаемый с возможностью подключения после участка фильтрации механических примесей, входом к отводной линии, а выходом - к линии заполнения водой теплообменника и сети теплоснабжения.
Другое отличие определяется вариантом способа, в котором в случае совпадения возможных перерывов в добыче рассола с продолжающимся сезоном теплоснабжения на теплоснабжение используют возрастающий с глубиной скважины теплоэнергетический потенциал устанавливающегося в данные периоды в эксплуатационной колонне в соответствии с давлением в пласте столба геотермального рассола, при этом для поддержания вверху центрального трубопровода температуры технической воды, нагретой перед этим в результате осуществления теплопереноса через стенку корпуса теплообменника в нижней более горячей части столба рассола, трубопровод применяют с выполненной не менее, чем на половину его общей длины, верхней частью из теплоизоляционного материала, например фибергласса.
Еще одно дополнительное отличие, реализуемое по отношению к вариантам способа, предусматривающим в составе своих технологических возможностей функцию теплоснабжения (пункты 2-4 формулы изобретения), связано с расширением территориальных возможностей применения способа за счет скважин, вскрывающих пласты со слаботермальными рассолами. Для этого применительно к слаботермальным рассолам температуру технической воды, охлаждаемой в результате теплосъема при использовании на теплоснабжение с применением устанавливаемого между выходом из теплообменника и наземной сетью термотрансформатора, регулируют перед возвращением в теплообменник в сторону повышения на величину перепада между выбранной по конкретным геологическим условиям температурой теплоносителя для термостатирования колонны и фактической, замеренной на выходе из термотрансформатора температурой возвращаемой воды, обеспечивая требуемый перепад, например, путем пропускания воды через устанавливаемую перед входом в теплообменник с возможностью подогрева от традиционного энергоносителя накопительную емкость.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена схема реализации предлагаемого способа добычи и использования геотермальных рассолов, представляющая в общем виде три разных варианта осуществления способа:
- по первому варианту добычу обращают на использование только гидроминерального потенциала рассола, применяя при добыче рассолов, склонных к температурному фазовому переходу, новый метод термостатирования эксплуатационной колонны (по данному варианту схему рассматривают без блока теплоснабжения - БТС, условно изображенного на фиг.1 в правом верхнем углу);
- второй вариант представляет комплексное использование гидроминерального и теплоэнергетического потенциалов при добыче геотермальных рассолов так называемого среднетермального уровня (температура на выходе из скважины в диапазоне 50-70°С) с возможностью совмещения при этом в рамках одной скважины минерально-сырьевого предназначения добычи с другой ее потребительской функцией - теплоснабжением близрасположенных объектов за счет внутренних тепловых ресурсов рассола, передаваемых технической воде (подключение БТС на фиг.1 условно показано пунктирной стрелкой, изображенная ниже узла БТС справа от скважины часть схемы относится, в основном, к блоку гидроминерального использования);
- в связи с тем, что по третьему варианту способа к примененным выше двум ресурсным составляющим геотермального рассола добавляют еще использование его водного ресурса, возможность самообеспечения при этом технической водой циркуляционного контура внутриколонного теплообменника (ВКТО), а также узла БТС, с введением блока водоподготовки (БВП) в отводную линию, возвращаемого с переработки менее минерализованного рассола, условно отображена на фиг.1, указывающей на подключение БВП, вертикальной пунктирной стрелкой.
На фиг.2 изображен фрагмент схемы, предусматривающей, во-первых, вариант реализации способа при возможных остановках в добыче рассола (они условно отражены на схеме в виде установившегося в эксплуатационной колонне столба рассола), совпадающих с незавершившимся отопительным сезоном, когда с целью сохранения эффективного теплоснабжения акцентируют выбор трубопровода, используемого для выпуска теплоносителя - воды из скважинного теплообменника, применяя, например, верхний и нижний его участки из материалов с разными теплопроводящими свойствами. На фиг.2 также акцентированы особенности реализации способа по варианту добычи и использования слаботермальных рассолов (от 25 до 45°С - в рассолоносном пласте), когда температурный уровень воды на выходе теплообменника (в примере на фиг.2 составляет 25-35°С) не достаточен для прямой (фиг.1) подачи в отопительные приборы и требует, как показано на фиг.2, термотрансформации через тепловой насос.
На фиг.3 показан использованный при сравнении и подтверждении некоторых из преимуществ предлагаемого способа пример расчетных графиков распределения температур Т воды по длине Н скважинного теплообменника, смоделированного на основе построенной в Ярославской области специальной глубокой скважины (Медягинской) для оценки возможностей одной из известных односкважинных циркуляционных технологий (Калинин М.И., Баранов А.В. Метод расчета глубинных теплообменников для геотермального теплоснабжения. Разведка и охрана недр, №6, 2003, С.53-60). Пример также использован авторами изобретения в качестве одной из предпосылок для выбора порога минимальных значений протяженности ВКТО относительно устья скважины в предлагаемом способе согласно пункту 2 приведенной ниже формулы изобретения.
Осуществление изобретения
В качестве одного из основных элементов при подготовке к работе схемы осуществления предлагаемого способа добычи и использования геотермальных рассолов согласно фиг.1 предусматривают строительство глубокой скважины 1, которую в интервале геологического разреза, выбранного из условия предварительного выявления в нем, по крайней мере, одного имеющего кровлю 2 продуктивного рассолоносного пласта 3, обустраивают по варианту конструкции « колонна в колонне», состоящему из размещенной в верхней части разреза обсадной колонны-кондуктора 4 и эксплуатационной обсадной колонны 5.
Такое исполнение скважины (с промежуточной колонной) позволяет далее, после спуска кондуктора 4, перед тем, как проходить бурением пласт 3, на основе расположенного выше природного или искусственно созданного (гидроразрывом) коллектора подготовить зону 6 для поглощения представляющего опасность для окружающей среды концентрированного рассола в периоды последующего бурения скважины 1 со вскрытием высоконапорного пласта 3, его освоением и выводом на режим эксплуатации. Для изоляции верхних пресных водоносных горизонтов кондуктор 4 спускают в подошву 7 регионального водоупора 8, цементируя заколонное пространство кондуктора до устья (показано штриховкой). Затем производят бурение под колонну 5, не доходя 100 м до пласта 3, производят спуск колонны 5 и цементирование ее известным методом, заключающимся в подъеме цемента за колонной до отметки на 50-100 м ниже башмака кондуктора, чтобы обеспечить возможность сообщения пласта 3 через межколонное пространство 9 с зоной поглощения 6, а через устьевую обвязку скважины 1 - с наземными емкостями 10. Последние соединяют с наземным насосным блоком 11 (НБ), предназначенным для отвода природного рассола по межколонному пространству 9 в зону поглощения 6 и емкости 10, наряду с возможным в определенных условиях (аномально напорный пласт) отводом рассола за счет собственной энергии высоконапорного пласта 3.
В схеме для осуществления способа (фиг.1) предусматривают защиту эксплуатационной колонны 5 применительно к добыче концентрированных рассолов, склонных к температурному фазовому переходу, посредством термостатирования верхней части колонны, охлаждаемой низкотемпературными слоями грунта, за счет прогрева этой части циркулирующим вдоль поверхности колонны подогретым теплоносителем. Для этого схема предусматривает размещение в колонне 5, вдоль ее оси, закрытого циркуляционного контура в виде прикрепленного к устьевой обвязке скважины 1 коаксиального внутриколонного теплообменника (ВКТО), вертикальный корпус 12 которого набирают из теплопроводящих цилиндрических блоков с общей протяженностью корпуса в скважине не менее ожидаемой длины интервала вероятного фазового перехода с соблюдением при сборке и спуске в скважину соосности корпуса 12 относительно колонны 5 (устанавливаемые при этом центраторы на схеме условно не показаны). Нижний блок корпуса 12 имеет закрытое основание, а вверху корпус снабжен двумя отверстиями для монтажа входного патрубка 13 и центрального трубопровода 14, смонтированного вдоль оси теплообменника с недостающим до основания корпуса 12 открытым нижним концом и заканчивающегося сверху выпускным патрубком 15.
1
2
В период сборки теплообменника, осуществляемой после операций по вскрытию пласта 3, сопряженных с отводом рассола в зону поглощения 6 и в наземные емкости 10, пласт 3 временно перекрывают известными методами (например, с применением тяжелых буровых растворов). При этом общую длина корпуса 12 набирают разной (H или Н на фиг.1), соответственно - длину трубопровода 14, в зависимости от выбранных под конкретные задачи и условия вариантов реализации способа.
п
Так при осуществлении способа по первому варианту, в рамках использования только гидроминерального потенциала добываемого рассола, когда для добычи рассолов, склонных к температурному фазовому переходу, необходимо, главным образом, обеспечить функцию термостатирования эксплуатационной колонны, длину теплообменника выбирают с превышением вероятной длины зоны температурного фазового перехода на величину, соответствующую при спуске теплообменника достижению интервала пород с приемлемыми для указанной функции температурами. С учетом осуществляемого теплопереноса через поток рассола, омывающий нижнюю часть корпуса теплообменника, в примере на фиг.1 в качестве параметров для решения задачи последующего термостатирования предложены температура пород Т в диапазоне 28-33°С и вариант длины теплообменника, соответствующий величине Hi его заглубления в скважину (уровень размещения основания корпуса 12 для укороченного варианта теплообменника на фиг.1 условно показан пунктирной линией).
По первому варианту способа после сборки скважинного теплообменника замкнутый контур циркуляции теплоносителя получают напрямую соединением входа 13 и выхода 15 теплообменника через циркуляционный насос 16 (фиг.1). При этом возможны начальное заполнение и подпитки теплообменника технической водой от источника водоснабжения, условно обозначенного на схеме позицией 17 (включая водоем, мелкую скважину на воду и др.), с помощью насоса 16 через трубопровод с открытыми перемычками 18 и 19. После заполнения теплообменника он считается подготовленным к переходу в рабочий режим циркуляции воды через перемычки 19 и 20 (при закрытой перемычке 18), осуществляемый для рассматриваемого варианта, как будет показано ниже, тем же насосом 16 с обеспечением в установившемся режиме на входе и выходе теплообменника одинаковой температуры воды, достаточной для осуществления функции термостатирования колонны 5 в требуемом интервале пород (в приведенном на фиг.1 примере температуру воды поддерживают на уровне 25-30°С).
Для осуществления другой основной функции предлагаемого способа, заключающейся в использовании гидроминерального потенциала добываемого рассола (или его части), в схеме на фиг.1 предусмотрен узел с элементами, показанными справа от скважины, ниже БТС. В этом блоке, кроме трубопроводной ветви подачи рассола из скважины (с условно показанным на фиг.1 обратным клапаном 21) в наземные емкости 10 через перемычку 22 и ветви отвода рассола обратно - в межколонное пространство 9 и далее в зону поглощения 6 либо напрямую, минуя емкости 10, через перемычку 23 в зону 6, имеется ветвь отвода рассола из емкостей 10 через перемычки 24 и 25, с помощью насосного блока 11. Предусмотрена также дополнительная ветвь для подачи рассола через перемычку 26 непосредственно на комбинат 27 по переработке рассола на гидроминеральное сырье (КГМС).
С целью обеспечения отвода в зону поглощения 6 флюида, образующегося при уменьшении концентрации рассола в процессе получения из него товарных продуктов - ТП (ТП из емкостей могут служить, например, антигололедные, строительные или специальные буровые смеси; ТП от КГМС - химическая продукция на основе кальция, магния, брома, йода и др.), при подготовке схемы на фиг.1 вводят ветви с перемычками 28 и 29, объединяемые в общий контур подачи флюида через циркуляционный насос 30. С целью защиты зоны поглощения 6 от кольматажа для очистки отводимого флюида от возможных в нем твердых частиц в подготавливаемую схему на участке подачи флюида в общую (с рассолом) отводную линию устанавливают фильтр 31 механических примесей.
2
В отличие от рассмотренного варианта способа при подготовке схемы добычи геотермального рассола, обращенной на его комплексное использование по гидроминеральному и теплоэнергетическому назначениям, с целью обеспечения дополнительной ступени теплосъема при выходе рассола из скважины (на теплоснабжение) для спуска в эксплуатационную колонну набирают более длинный ВКТО, обеспечивающий величину заглубления нижней его части в интервал геологического разреза с более горячими породами, чем в первом варианте способа. В примере на фиг.1 это соответствует заглублению Н в интервал с температурами пород 55-65°С (меньшими, чем температуры для пласта, где 60-70°С), выбранный из соображений гарантированного обеспечения на выходе из патрубка 15 воды с традиционными параметрами подачи в отопительные приборы БТС (например, 50-60°С), соответствующими температурам обратной воды 35-40°С. Последние, как видно из представленного примера, будут удовлетворять эффективным параметрам термостатирования колонны 5 при закачке воды в ВКТО через патрубок 13 (вторая ступень теплосъема, на фиг.1 температуры циркулирующей в БТС воды, соответственно - на выходе и входе ВКТО, ввиду изображения БТС в отключенном положении, чтобы выделить второй вариант способа, условно показаны в скобках).
Например, на основе подтвержденных бурением глубоких скважин в ЦФО, геологических разрезов с температурами осадочных пород и глубинных пластовых вод на глубине 2-3 км в диапазоне 55-70°С длину Hi спуска теплообменника в эксплуатационную колонну 5 выбирают по второму варианту способа из условия заглубления его основания на величину не менее 0,6-0,8 расстояния от устья скважины до рассолоносного пласта 3. Выбор такого ограничения обусловлен проведенной аналогией, в т.ч. - с расчетными графиками на фиг.3, отражающими зависимость температуры Т циркулирующей воды от длины Н скважинного теплообменника, смоделированного, как уже отмечалось, применительно к использованию по тепловому назначению Медягинской скважины, пробуренной до глубины 2250 м в Ярославской области (Калинин М.И., Баранов А.В. Метод расчета глубинных теплообменников для геотермального теплоснабжения. Разведка и охрана недр, №6, 2003, с.53-60). Из графиков следует, что основной рост температуры теплоносителя происходит до указанного выше порога, с дальнейшим увеличением проходимой длины теплообменника рост Т в пределах заданного Н заметно затухает и сводится к незначительной величине.
Подготовку схемы на фиг.1 к комплексному использованию добываемого геотермального рассола (получение ГМС и теплоснабжение) проводят путем присоединения к патрубкам 13 и 15 (вход и выход ВКТО) с помощью перемычек 35 и 36, прямой и обратной ветвей блока теплоснабжения 37, в который, как правило, входят традиционные теплообменники, распределительная сеть и отопительные приборы (условно не показаны) и который функционирует за счет циркуляционного насоса 38 (горизонтальной пунктирной стрелкой условно показано подключение БТС к ВКТО).
Применительно к осуществлению предлагаемого способа по третьему варианту (п.3 формулы изобретения), связанному с использованием части водного ресурса рассола, при подготовке рабочей схемы (фиг.1) в ней применяют блок водоподготовки 32 (БВП), подключаемый на участке после фильтра 31 своим входом через перемычку 33 к отводной линии флюида, функционирующей от насоса 30, а выходом - через перемычку 34 к трубопроводу 17, служащему для заполнения ВКТО технической водой (на фиг.1 подключение БВП условно показано вертикальной пунктирной стрелкой).
2
При подготовке схем к другим вариантам осуществления способа учитывают возможность преодоления сопровождающих рабочий процесс факторов и условий, снижающих эффективность теплопереноса. Например, если схему подготавливают под циклограмму рабочего процесса, которая содержит возможные перерывы в добыче рассола, совпадающие с продолжающимся сезоном теплоснабжения (отопления), то при сборке ВКТО применяют центральный трубопровод 14 особого исполнения. Поскольку в указанные перерывы движение потока рассола по эксплуатационной колонне прекращается, и это сопровождается образованием в пространстве между корпусом 12 теплообменника и эксплуатационной колонной 5 неподвижного столба 42 (фиг.2) пластового рассола, имеющего статический уровень в соответствии с давлением в пласте 3, для поддержания температуры теплоносителя-воды, достигнутой в нижней, самом нагретой (за счет геотермальной энергии) части ВКТО, верхнюю часть трубопровода 14 собирают не менее, чем на половину общей его длины из элементов, выполненных из теплоизолирующего материала, например фибергласса. В ранее рассмотренных вариантах способа это условие является предпочтительным, но в некоторых случаях не обязательным (например, при повышенных температурах рассола, связанных с движением потока по варианту спуска ВКТО на глубину Н, как в примере на фиг.1, а также высоких скоростях подъема воды по трубопроводу 14).
Другим фактором изменения рабочей схемы еще по одному варианту способа является расширение территориальных и технологических возможностей комплексного использования гидроминерального и теплоэнергетического потенциалов пластовых вод с распространением в рамках совмещенного производства эффективности теплоснабжения на широко распространенные слаботермальные (но высокоминерализованные) рассолы (территории ЦФО, СЗФО и др. федеральных округов России).
Для этого в подготавливаемую схему (на фиг.2 условно показан рассолоносный пласт 3 с характерными по данному варианту способа температурами рассола) к линии подачи технической воды перед входным патрубком 13 добавляют подключаемый через перемычки 39б и 39в блок регулирования температуры (БРТ, позиция 40) для периодического или непрерывного догрева воды перед подачей в межтрубное пространство ВКТО. Блок предназначен для подъема температуры, охлаждаемой в испарителе теплового насоса 41 воды (в примере на фиг.2 - с 25-35°С на входе до 15-20°С на выходе), до как минимум первоначальных значений на выходе из ВКТО (на входе в тепловой насос) или выше (30-35°С на фиг.2), например, путем подмешивания к воде при закрытой перемычке 39а и открытых 39б, 39в горячей воды из входящей в состав БРТ емкости, подогреваемой за счет внешнего энергоносителя, например электроэнергии. Для экономии затрат на энергоносители в состав БРТ закладывают элементы регулирования процесса смешения в соответствии с поступающим сигналом о величине перепада между заданной (по конкретным геологическим условиям) температурой теплоносителя - воды для термостатирования колонны и замеряемой температурой воды на выходе из испарителя теплового насоса.
После проведения подготовительных работ по вскрытию бурением продуктивного пласта 3 и его освоению, сопровождаемых в этот период сбросом рассола в поглощающую зону 6 или наземные емкости 10, удаляют скопившиеся в емкостях отходы рассола, смешанного с буровой жидкостью (шлам), используя часть из них при подготовке строительных материалов и по другому назначению и отводя остатки в резервную емкость (или вырытый котлован). Далее согласно общей схеме на фиг.1 предлагаемый способ добычи и использования геотермального рассола осуществляют в следующей последовательности.
В начале рабочего периода размещенный внутри колонны 5 теплообменник (ВКТО) с помощью насоса 16 заполняют водой от источника 17 (например, от водоаккумулятора или мелкой скважины на воду) при открытых перемычках 18, 19 и закрытой перемычке 20. После заполнения перемычку 18 закрывают и при открытых перемычках 19 и 20 насосом 16 воду многократно перемещают по замкнутому таким образом циркуляционному контуру ВКТО, сначала подавая через патрубок 13 в межтрубное пространство в направлении, обратном движению рассола по колонне 5, а затем за счет давления, создаваемого насосом 16, меняют направление, поднимая по центральному трубопроводу 14 на выход из ВКТО через патрубок 15 (направления движения воды и рассола обозначены стрелками на фиг.1).
Поднимаемый за счет энергии высоконапорного пласта 3 или в результате нагнетания насосным блоком 11 концентрированный геотермальный рассол (фиг.1) в контролируемом в соответствии с дебитом скважины и объемом использования количестве (расходомеры условно не показаны, позицией 21 условно показан обратный клапан) отводят по межколонному пространству 9 в наземные емкости 10 (при открытой перемычке 22 и закрытых 23 и 26, фиг.1) либо, меняя положение перемычек, направляют по другим веткам: через перемычку 26 - непосредственно на комбинат 27 по переработке рассола на ГМС, сбрасывая излишки добываемого рассола через перемычку 23 с обратным клапаном, с помощью насосного блока 11 в поглощающую зону 6. Туда же с помощью насосного блока 11 отводят возможные излишки рассола при заполнении емкостей (через перемычки 24 и 25), а также с помощью циркуляционного насоса 30 частично обессоленный в результате переработки в товарные продукты (ТП) флюид, направляя его вместе с избыточным потоком рассола из скважины через перемычки 28, 29 и фильтр 31 очистки от механических примесей в общую линию отвода и поглощающую зону 6 (фильтр используют для защиты зоны 6 от кальматации).
1
п
Когда геотермальный рассол добывают в рамках описанной выше схемы, то есть с целевой установкой на реализацию только гидроминерального потенциала, функцию термостатирования верхней части колонны 5 осуществляют за счет подогрева циркулирующей воды в зоне расположения нижних участков корпуса 12, близких к основанию ВКТО, то есть для данного варианта способа (с одной ступенью теплосъема) для решения задачи термостатирования достаточному уровню спуска ВКТО в зону воздействия геотермального градиента пород удовлетворяет Hi. В результате происходит перенос тепла от постоянно движущегося вверх нагретого потока рассола к движущейся вниз технической воде через теплопроводящую стенку корпуса. Для применяемого по данному варианту способа и показанного в примере на фиг.1 укороченного варианта ВКТО (с обозначенным пунктирной линией положением основания) уровень заглубления H должен соответствовать интервалу пород с Т не менее 28-33°С. Последний диапазон выбран из расчета, что после подъема воды по центральному трубопроводу 14, с учетом допускаемых теплопотерь при подъеме, на выходе и входе ВКТО будет обеспечена температура циркулирующей воды в диапазоне, достаточном для термостатирования верхней части колонны 5 (в примере на фиг.1 он принят равным 25-30°С).
Термостатирование осуществляют, неоднократно прокачивая воду насосом 16 по замкнутому контуру ВКТО, в результате чего происходит теплоперенос через теплопроводящую стенку корпуса 12 к окружающей прослойке рассола, имеющей первоначально на всем протяжении зоны вероятного фазового температурного перехода более низкую температуру, чем у подаваемой нагретой воды. В результате подаваемая вода сначала охлаждается, затем падение температуры воды компенсируют с глубиной подачи за счет постепенного выравнивания температур пород и рассола в соответствии с геотермальным градиентом пород и выбранной протяженностью теплообменника, а на верхнем участке движения потока рассола, в интервале вероятного температурного фазового перехода, вплоть до выхода из скважины, получают примерно усредненную между рассолом и водой температуру. За счет описанного теплообмена в данном варианте способа обеспечивают защиту верхней части эксплуатационной колонны от выпадения твердых отложений, связанных с неустойчивостью рассолов при понижении их температуры за критические для фазовых переходов значения, ввиду прохождения через приповерхностные, наименее нагретые слои грунта.
Таким образом, на подогрев теплоносителя, предназначенного для термостатирования определенного участка колонны, в предложенном способе используют внутренний тепловой ресурс рассола, обусловленный наличием геотермального градиента в залегающих ниже указанного участка породах, что позволяет в отличие от прототипа избавиться от затрат на внешние энергоносители для подогрева теплоносителя.
При осуществлении предлагаемого способа по второму варианту использование гидроминерального потенциала добываемого геотермального рассола совмещают в рамках той же односкважинного системы с использованием его теплоэнергетических ресурсов на теплоснабжение объектов, находящихся рядом со скважиной (с учетом допускаемых теплопотерь в трубопроводах, как правило, имеется ввиду расстояние от нее не более 1,0-1,5 км). В качестве примера такого комплексного использования ресурсов геотермального рассола на фиг.1 рассмотрен вариант совмещения гидроминерального производства и отопления производственных площадей химического комбината (позиция 27 на фиг.1).
2
2
п
2
Как уже отмечалось выше, по второму варианту предлагаемого способа применяют более длинный ВКТО, достигающий при спуске в скважину своим основанием глубины H (фиг.1), которая соответствует интервалу геологического разреза с повышенными относительно условий в первом варианте температурами пород (Н в примере на фиг.1 соответствует Т в диапазоне 55-65°С). Например, применительно к параметрам Медягинской скважины (подтвержденная бурением глубина залегания кровли средне-верхнекембрийского рассолоносного комплекса около 2080 м) с учетом принятых ограничений (пункт 2 формулы изобретения), вытекающих из проведенных аналогий с графиками на фиг.3, для работы по второму варианту способа подойдет ВКТО, длина Н спускаемой в скважину части которого равна примерно 1500 м.
После заполнения ВКТО водой с использованием водоисточника 17 и циркуляционного насоса 16 при замкнутой схеме прокачки воды через теплообменник, описанной выше при рассмотрении первого варианта способа, начинают рабочие операции в установившемся эксплуатационном режиме добычи рассола и использования его гидроминеральных ресурсов с подключением необходимых для этого элементов схемы на фиг.1 (БТС в этот период условно показан отключенным).
С наступлением отопительного сезона способ осуществляют с дополнительными функциями, связанными с теплоснабжением, которые реализуют следующим образом.
Подключая к патрубкам 13 и 15 теплообменника блок теплоснабжения 37 (БТС, на фиг.1 направление подключения обозначено пунктирной стрелкой), насос 16 выключают, прерывая одновременно линию подачи воды через него и увеличивая контур циркуляции воды за счет трубной разводки БТС при открытых перемычках 35 и 36. Включая в работу циркуляционный насос 38, при открытых перемычках 19, 20, 35, 36 (перемычка 18 закрыта) поток выходящей из ВКТО воды с температурами, достигнутыми за счет геотермальной энергии более глубоко залегающих пород (протяженность ВКТО в отличие от первого варианта способа при глубине расположения основания Hz соответствует температурам воды на выходе ВКТО 50-60°С, условно показанным на фиг.1 для второго варианта в скобках), направляют в БТС через прямую линию с открытой перемычкой 35. В теплообменниках, распределительной сети и отопительных приборах БТС (условно не показаны) осуществляют необходимый для теплоснабжения первый этап теплосъема. После этого через обратную линию с открытой перемычкой 36 воду, охлажденную после теплосъема в БТС до 35-40°С, возвращают через патрубок 13 в межтрубное пространство ВКТО, в верхней части которого реализуют вторую ступень теплосъема, нагревая при этом через теплопроводящую стенку корпуса 12 более холодную на этом участке прослойку рассола внутри колонны 5. Таким образом, по второму варианту способа функцию термостатирования колонны осуществляют, пользуясь тем обстоятельством, что температурный уровень оборотной воды из систем отопления удовлетворяет необходимому уровню температур теплоносителя для термостатирования (как правило, не ниже, в примере на фиг.1 он находится в диапазоне 35-40°С).
При дальнейшем движении к основанию теплообменника затраченное водой на термостатирование тепло постепенно компенсируют, а затем температуру воды наращивают за счет движущегося с глубины потока горячего рассола. Нагретую таким образом воду прокачивают насосом 38 наверх через центральный трубопровод 14, в результате чего через патрубок 15 в БТС снова подают при открытых перемычках 20 и 35 воду с температурой, восстановленной до первоначального значения (50-60°С на фиг.1). Далее рабочие процессы в циркуляционном контуре, составленном путем присоединения ВКТО к БТС, повторяют посезонно в приведенной последовательности, с отключением БТС в межотопительные периоды, согласно ситуации, показанной на фиг.1.
Для продолжения использования в эти периоды гидроминерального потенциала рассола ВКТО снова переключают в режим циркуляции воды по замкнутому контуру через перемычки 19 и 20, включая в работу насос 16. Параллельно, для экологически безопасного целевого потребления гидроминеральных ресурсов рассола, в зависимости от заданной циклограммы рабочих процессов, производят отбор рассола из скважины 1 либо через трубопроводную ветку с перемычкой 22 (подача в наземные емкости 10, с отпуском ТП в виде шлама, специальных буровых, строительных и др. смесей), либо - ветку с перемычкой 26 (подача на комбинат 27 с отпуском ТП в виде химических компонентов), либо - ветку с перемычкой 23, с подключением через перемычки 24 и 25 насосного блока 11, который осуществляет одновременный отвод рассола из емкостей 10 и пласта 3 в межколонное пространство 9 и далее в зону поглощения 6 (фиг.1).
Одновременно с использованием дополнительной отводной линии, содержащей перемычки 28, 29, насос 30 и фильтр 31 осуществляют защиту окружающей среды от выбросов и излишков рассола путем отвода приемлемой (с позиции дальнейшего смешивания и безопасной закачки в скважину) части флюида, которая образуется из рассола в наземных емкостях 10 при выгрузке смесей и на комбинате 27 после выделения из рассола химических соединений.
При осуществлении способа по третьему варианту, кроме использования гидроминерального и теплоэнергетического потенциалов рассола, реализуют возможность самообеспечения схемы на фиг.1, необходимой для ее функционирования технической водой. Вместо традиционных водоисточников (условно обозначенных на фиг.1 позицией 17), создание которых связано с дополнительными затратами (строительство скважин на воду и др.), используют водный ресурс рассола в виде части флюида, отводимого после использования гидроминерального потенциала рассола, выбирая объем этой части из условия достаточного заполнения и требуемой периодической подпитки элементов схемы, в т.ч. - циркуляционных контуров ВКТО и БТС.
Для этого флюид, представляющий рассол с уменьшенной в результате переработки концентрацией, предварительно доводят до кондиций технической воды, для чего в отводную линию, функционирующую от насоса 30, на участке после фильтра 31 механических примесей периодически подключают блок водоподготовки 32 (БВП), присоединяя его к линии входом, через перемычку 33 (на фиг.1 условно показано вертикальной пунктирной стрелкой), а выходом через перемычку 34 - к трубопроводу заполнения ВКТО водой (для удобства обозначен той же позицией 17).
После заполнения контуров ВКТО и БТС определенным объемом подготовленной в БВП воды в остальном операции по осуществлению данного варианта способа проводят аналогично рассмотренной выше последовательности, периодически контролируя количество воды в контурах и заранее готовя в БВП очередную порцию воды для их подпитки.
Следующий вариант предлагаемого способа учитывает возможные в процессе проведения работ или предусмотренные циклограммой рабочего процесса периодические остановки в добыче рассола, например, связанные с временным перенасыщением пунктов для переработки рассола гидроминеральным сырьем или готовой товарной продукцией. Эти остановки, как правило, ухудшают рабочую ситуацию с позиции эффективности теплообмена, поскольку в отличие от рассмотренных выше вариантов способа позитивное влияние на теплообмен постоянно поступающего с глубины подогретого потока рассола (на фиг.1 движение рассола в кольцевом зазоре между ВКТО и колонной 5 обозначено стрелками) в эти периоды сменяется теплообменом через неподвижную прослойку установившегося в указанном зазоре столба жидкости (условно отмечен позицией 42 на фиг.2).
2
Предлагаемым усовершенствованием по данному варианту способа (п.4 формулы изобретения), направленным на сохранение возможности эффективного теплоснабжения при работе с перерывами в добыче рассола, является то, что при реализации теплоснабжения по ранее рассмотренной схеме с использованием ВКТО большей длины (соответствует Н на фиг.1), центральный трубопровод 14 применяют с выполненной, по крайней мере на половину его длины, верхней частью из теплоизоляционного материала, например фибергласса. Таким приемом удерживают на данном участке трубопровода температуру поступающей наверх технической воды, подогретой перед этим в результате теплопереноса, осуществленного через стенку корпуса ВКТО в интервале расположения нижней части столба рассола, самой нагретой от глубокозалегающих горных пород. В зависимости от геотермических и других параметров геологического разреза выбор длины ВКТО связывают с выбором разных исполнений трубопровода 14: от составной конструкции (например, нижняя часть - из теплопроводящего материала, верхняя - из теплоизолирующего) до полностью выполненного трубопровода 14 из теплоизолирующего материала.
При таком варианте способа не только решают задачу непрерывающегося эффективного теплоснабжения в периоды совпадения перерывов в добыче рассола с незавершенным отопительным сезоном, но и сохраняют возможность использования гидроминерального потенциала рассола (согласно ограничительной части формулы изобретения - п.1 формулы) путем переработки в указанные технологические перерывы созданного задела из добытого перед этим рассола, например, накопленного в наземных емкостях 10. Поскольку прекращение добычи связано с отключением насосного блока 11, образовавшийся после переработки флюид отводят в этот период в зону поглощения 6 с помощью насоса 30, по аналогии со схемой на фиг.1. При возвращении к добыче рассола включают в работу насосный блок 11, восстанавливают функции подъема рассола из пласта 3 и отвода его излишков в ту же зону по межколонному пространству 9.
Фрагмент на фиг.2 отражает особенности еще одного варианта способа, распространяющего возможность эффективной добычи и комплексного использования концентрированного геотермального рассола на слаботермальные рассолы.
При осуществлении способа по этому варианту решают проблему обеспечения двух необходимых ступеней теплосъема (на теплоснабжение объектов и термостатирование колонны) в условиях заниженных температурных параметров рассолоносного пласта. Так в примере, фрагментарно изображенном на фиг.2, реально ожидаемый при характерных для данного случая температурах в пласте (35-40°С) температурный уровень рассола на выходе ВСКО, даже с учетом сниженных за счет исполнения трубопровода 14 теплопотерь, не превысит 25-35°С. Поскольку применение теплоносителя такого низкопотенциального уровня на теплоснабжение связано с необходимостью термотрансформации передаваемого тепла до потребительского уровня, осуществляемой, например, с помощью устанавливаемого перед БТС теплового насоса с электроприводом (ТН - позиция 41 на фиг.2), то при реализации теплоснабжения по предложенной на фиг.2 схеме на выходе из испарителя ТН получают воду с температурами 15-20°С, не удовлетворяющими ранее рассмотренным температурным параметрам теплоносителя для термостатирования колонны.
Поэтому в следующем предлагаемом варианте способа (п.5 формулы изобретения) для решения указанной проблемы температуру технической воды, охлаждаемой в результате теплосъема при использовании на теплоснабжение с применением устанавливаемого между выходом из скважинного теплообменника и наземной сетью теплоснабжения термотрансформатора, регулируют перед возвращением в теплообменник, в сторону повышения на величину перепада между выбранной по конкретным геологическим условиям температурой теплоносителя для термостатирования колонны и фактической, замеренной на выходе из термотрансформатора температурой возвращаемой воды. Способ по данному варианту осуществляют в следующей последовательности.
После нескольких циклов прокачки по замкнутому контуру заполненного водой ВКТО насос 16 выключают и, включая в работу насос 38, при закрытых перемычках 18, 19, 39а и открытых перемычках 20, 35, 36, 39б, 39в воду подают через испаритель теплового насоса 41, другая сторона которого (конденсатор) связана с контуром отопления БТС, затем - в блок регулирования температуры БРТ, представляющий емкость 40, заполненную водой, нагреваемой от традиционного энергоносителя, например электроэнергии. В соответствии с сигналом, поступающим от измерителя температуры воды, установленного на выходе испарителя (условно не показан) о величине указанного температурного перепада, меняют уровень догрева воды в БРТ, регулируя таким образом температуру воды перед подачей через перемычку 39в во входной патрубок 13 в сторону повышения до заданной температуры, выбранной для осуществления функции термостатирования верхней части колонны 5. Термостатирование сопровождается следующими процессами теплообмена.
Подогретая вода после входа в ВКТО в зависимости от периодичности добычи сначала отдает тепло через стенку корпуса 12 охлажденному в интервале верхних слоев грунта движущемуся потоку концентрированного рассола (фиг.1) или неподвижной прослойке рассола 42 (фиг.2), имеющей низкую температуру в верхней части эксплуатационной колонны 5, предохраняя таким образом поверхность последней от выпадения твердых осадков из рассола, склонного к температурному фазовому переходу. При этом нагретая с помощью БРТ вода сначала охлаждается (например, с температур 30-35°С на входе в ВКТО до некоторого уровня: 20-25°С на фиг.2) в верхней части столба жидкости 42, а затем начинает набирать температуру с глубиной. Осуществляя дальнейшее движение в направлении основания ВКТО, температуру воды повышают за счет воздействия геотермального градиента (при температурах пласта в примере на фиг.2 - примерно на 15°С), и в результате, на выходе из патрубка 15, с учетом рассмотренного выше исполнения трубопровода 14, минимизирующего теплопотери при подъеме, получают температуру воды в диапазоне 25-35 С, соответствующем рекомендациям по достижению высоких коэффициентов преобразования в тепловом насосе. При параметрах отопления, принятых в примере на фиг.2 (максимальная температура нагрева воды 60°С), коэффициенты составят около 6-7 ед. (Петин Ю.М., Накоряков В.Е. Тепловые насосы // Российский химический журнал. - 1997. - Т. 41, №6. - С.107-111).
Далее указанные операции по теплоснабжению расположенных рядом со скважиной объектов и термостатированию колонны повторяют в приведенной последовательности, в соответствии со схемой на фиг.2, совмещая их в заданные рабочей циклограммой промежутки времени с использованием гидроминерального и водного потенциалов рассола рассмотренными выше методами (фиг.1).
Таким образом, в отличие от прототипа при предложенной схеме движения теплоносителя ниже термостатируемого участка эксплуатационной колонны, то есть - к основанию ВКТО, остаточный тепловой ресурс от догрева воды за счет внешнего энергоносителя присоединяют к теплоэнергетическому потенциалу глубокозалегающих пород и пластовых рассолов, что приводит к восстановлению температурных параметров технической воды, эффективных с позиции последующего осуществления функции теплоснабжения ввиду поддержания в годовом разрезе и от сезона к сезону стабильно высоких коэффициентов термотрансформации извлекаемой низкопотенциальной геотермальной энергии.
Пример возможного применения. В качестве возможного объекта применения предлагаемого способа были оценены потенциальные условия для его реализации, выявленные при строительстве глубоких скважин в ЦФО, в т.ч. - Медягинской специальной скважины в Ярославской области, вскрывшей на глубине 2067-2194 м перспективный для использования, по крайней мере, в восьми регионах ЦФО (Певзнер Л.А. и др. Геотермальная технология использования пластовых вод // Разведка и охрана недр. - 1994, №1. - с.34-36) водоносный средне - верхнекембрийский комплекс с концентрированным геотермальным рассолом. Рассол имеет на забое скважины температуру 56°С, минерализацию около 270 г/л, набор полезных компонентов в промышленных кондициях (Хахаев Б.Н. и др. Инновационные конкурентоспособные технологии на основе геотермальных и других возобновляемых источников для развития регионов ЦФО // Энергообеспечение и энергосбережение - региональный аспект. Материалы междунар. научно-практич. конф. 25 марта 2008 г., Ярославль. - С.56-62).
Сравнительная оценка тепловых процессов, характерных для предложенного способа, с расчетными графиками распределения температур Т воды по длине Н скважинного теплообменника, смоделированного на базе Медягинской скважины (фиг.3), показала следующее. Поскольку в качестве корпуса этого теплообменника, если провести аналогию с предложенным ВКТО, можно принять саму скважину, то в ней теплоперенос от окружающих горных пород к циркулирующему теплоносителю - воде осуществляется непосредственно через неподвижную стенку скважины, а значит, тепловое влияние пересекаемых скважиной водоносных горизонтов в данном случае будет вторичным по участию в процессе теплопередачи относительно теплопроводности. Вид графиков на фиг.3 указывает на несбалансированный при таких условиях теплообмена характер температур теплоносителя при длительных сроках циркуляции (стрелки на графиках обозначают направление движения теплоносителя - воды). Падение температуры воды на выходе из теплообменника относительно первого года эксплуатации: через 10 лет - 28%, через срок службы 30 лет - 40%, что по расчетам составит среднесезонный коэффициент термотрансформации (отвечающий в обратно пропорциональной зависимости за количество потребляемой приводом ТН электроэнергии) 4 ед. (Калинин М.И., Баранов А.В. Метод расчета глубинных теплообменников для геотермального теплоснабжения. Разведка и охрана недр, №6, 2003, с.53-60).
Относительно этой, реализованной в ряде стран и выбранной для сравнения технологии глубинного скважинного теплообменника предлагаемый способ, на примере варианта рабочей схемы согласно фиг.1, получает преимущество за счет размещения теплообменника с циркулирующим в нем подогретым теплоносителем - водой в потоке нагретого рассола. При этом в процессе теплопереноса, кроме окружающих горных пород, участвует природный коллектор - рассолоносный пласт, постоянно восполняющий прослойку геотермального теплоносителя между ВКТО и эксплуатационной колонной. Такие условия способствуют стабилизации температур циркулирующей в ВКТО воды по сезонам, что обеспечивает наряду с осуществляемой функцией защиты колонны от твердых отложений возможность совмещения и рационального перераспределения с учетом меняющихся требований рынка, гидроминерального производства товарной продукции и эффективного теплоснабжения объектов на базе одной скважины.
Даже в менее благоприятных геологических условиях, а именно меньших температурах пластовых вод, характерных, например, для СЗФО, за счет стабилизации температур на выходе ВКТО в диапазоне, показанном в примере на фиг.2, рабочие коэффициенты ТН составят существенно увеличенные значения (около 6-7 ед.). Часть сэкономленного при этом потребления электроэнергии на привод ТН (относительно указанных выше 4 ед. - примерно в 1,5 раза) перераспределяют в схеме на фиг.2 на нагрев теплоносителя в БРТ.
Таким образом, даже в условиях умеренных геотермальных градиентов и невысоких дебитов скважин (десятки куб. метров в час) создается возможность достижения рентабельности проектов в рамках наименее затратной (односкважинной) технологии при обращении ее на комплексные варианты использования различных ресурсных составляющих геотермального рассола. Так, применительно к гидрогеологическим условиям, подобным параметрам Медягинской скважины, благоприятствующим экологическим требованиям создания необходимых зон поглощения сбросов рассола, по приближенным оценкам, за счет совмещенного производства востребованной гидроминеральной (переклазовые порошки, карбонат кальция, поваренная соль, жидкий бром, хлористый калий и др.) и энергетической продукции (с получением от одной скважины тепловой мощности до 0,5 МВт) можно снизить срок окупаемости относительно только гидроминерального производства - не менее, чем в 1,5 раза.
Следовательно, за счет размещения контура циркуляции подогревающего теплоносителя внутри эксплуатационной колонны, в условиях движущейся или неподвижной прослойки геотермального рассола, охватывающей контур с теплоносителем в виде технической воды, в предлагаемом способе, в основном, за счет внутреннего теплового ресурса добываемого рассола обеспечивается возможность не только более эффективной защиты от выпадения осадков, связанных со склонностью концентрированных рассолов к температурному фазовому переходу, но и создания рациональных технологических комбинаций добычи и использования ресурсов. Это имеет особое значение, поскольку геологические площадки с умеренными градиентами температур горных пород, часто сопровождаемыми невысокими дебитами скважин, но высокой минерализацией пластовых вод, широко распространены, в т.ч. - в большинстве регионов России, что и потребовало, наряду с проблемой интенсивного роста затрат на глубинное бурение, разработки вариантов способа, рассчитанных на экологически защищенное и эффективное функционирование в разных условиях, с применением наименее затратного по инвестициям (односкважинного) подземного контура.