СКВАЖИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
DOWNHOLE HYDROELECTRIC STATION

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано для производства электроэнергии и организации электроснабжения потребителей в местностях, в которых имеются необходимые условия для работы скважинной гидроэлектростанции, в том числе для децентрализованного электроснабжения автономных, удаленных от централизованных инженерных коммуникаций потребителей. Электростанция может работать как с использованием поверхностных, в т.ч. непроточных, так и подземных вод, либо при их сочетании. Предлагаемая скважинная гидроэлектростанция может расширить номенклатуру нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).
Известна гидроэлектростанция (Карелин В.Я. и др. Гидроэлектрические станции. Под ред. Проф. В.Я.Карелина и Г.Н. Кривченко. М., Энергоиздат, 1987 г., стр.15-21), которая включает источник воды, например, реку, плотину, питательную емкость (водохранилище), сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенной ниже точки сообщения водовода с питательной емкостью. В нижней части водовода установлена гидравлическая машина - гидротурбина, вал которой соединен с ротором электрогенератора, образуя их сочетание, называемое гидроагрегатом.
г
э
э
г
Энергоносителем при работе ГЭС является вода, используемая гидротурбинами при определенном напоре. Мощность водяного потока, подведенного к гидротурбине, определяется произведением расхода воды Q на напор Н ее потока. Таким образом, энергетическая ценность энергоносителя на ГЭС зависит от расхода и напора потока воды. Гидравлическая мощность N гидротурбины преобразуется в электрическую мощность N посредством соединенного с гидротурбиной электрического генератора. Коэффициент полезного действия (КПД), η гидроустановки определяется отношением величины электрической мощности N на шинах электрогенератора к величине подведенной гидравлической мощности N.
Недостатком известной гидроэлектростанции является то, что для ее работы требуется сооружение плотины. Сооружение плотины ГЭС - мероприятие затратное. Кроме того, с сооружением плотины и последующим повышением уровня воды с ее напорной стороны связаны следующие отрицательные последствия: затопление территорий по берегам реки, зачастую представляющие собой плодородные сельскохозяйственные земли; вырубки лесов и выведение из хозяйственной деятельности охотничьих угодий; экологические изменения, связанные с образованием водоемов больших объемов и площадей; значительные затраты, связанные с переносом населенных пунктов, инженерных сооружений из зоны затопления, а также с подготовкой места будущего водохранилища. С отрицательными последствиями связано также отвлечение денежных средств. В большей степени отрицательные последствия сооружения плотин наблюдаются в равнинных местностях. При сооружении плотин на малых реках сложность их эксплуатации в условиях резкоконтинентального климата связана с сезонными изменениями - перемерзанием рек, их разливом в период паводков. Кроме того, известная гидроэлектростанция работает при использовании в качестве источника воды только имеющих сток - поверхностных вод, как правило, рек, что существенно ограничивает географические и территориальные условия их применения.
Известна скважинная гидроэлектростанция (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.), избавленная от указанного недостатка, наиболее близкая предлагаемой скважинной гидроэлектростанции и принятая за прототип.
Скважинная гидроэлектростанция включает источник воды, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенной ниже точки сообщения водовода с источником воды, установленную в нижней части водовода гидравлическую машину - гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором, водовод образован горной выработкой, например буровой скважиной, пробуренной до зоны стока, источником воды является поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, либо поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, а электрогенератор сообщен кабелем, установленным в буровой скважине, с электроформирующим устройством на дневной поверхности.
В изобретении устранены характерные для гидроэлектростанции с плотинной схемой недостатки. Они заключаются в том, что требуемый напор воды достигается без высокозатратного сооружения плотины и связанных с этим отрицательных последствий экономического, хозяйственного, социального, эколого-климатического характера. Кроме того, изобретение позволяет расширить условия его применения - беспроблемную эксплуатацию в условиях резкоконтинентального климата в морозный и паводковый периоды, а также работу не только с использованием поверхностных источников вод, но и подземных, либо при их сочетании. Перечисленные последствия имеют существенное значение и финансовый эквивалент.
Гидравлическая мощность потока скважинной гидроэлектростанции создается в буровой скважине, пробуренной до поглощающего интервала, в результате формирующегося при этом перетока воды из вышерасположенного источника в поглощающий интервал (зону стока). Высота потока в скважине и, как следствие, его напор может составлять большую величину - десятки и сотни метров, а напор - от десятых долей МПа до МПа. Без сооружения плотины известное техническое решение (по прототипу) позволяет получить высокое значение напора потока в скважинной гидроэлектростанции и при одинаковых расходах воды (в сравнении с низконапорными, плотинными) - высокие гидравлические и вырабатываемые электрические мощности без сооружения плотины.
Источниками потока воды в буровой скважине могут быть соединенные с ней либо поверхностные (река, озеро, море, болото, водохранилище, продукты таяния ледников, накопители технической воды и др.), либо перебуренные скважиной и соединенные с ней подземные водоносные зоны, или их сочетания. Формирование рабочего потока воды скважинной гидроэлектростанции в земных недрах, имеющих круглогодичную положительную температуру, позволяет эксплуатировать скважинную гидроэлектростанцию и вырабатывать электрическую энергию круглогодично в условиях резкоконтинентального климата.
Но скважинная гидроэлектростанция, принятая в качестве прототипа, имеет недостатки.
Один недостаток заключается в том, что исходя из описания и формулы изобретения прототипа не следует, что гидротурбина, турбогенератор и электрокабель его электросвязи с дневной поверхностью выполнены приспособленными для работы в скважинных условиях, в частности на глубинах до 5000-7000 м. Специфика скважинных условий заключается в следующем:
- малые диаметры скважины, которые для глубокого бурения (с учетом диаметров скважинных электробуров, потенциально предполагаемых для использования в качестве скважинных электрогенераторов, которые составляют 164-290 мм) составляют 172-490 мм (Справочник инженера по бурению. I том. Под редакцией В.И.Мещевича, Н.А.Сидорова. М., Недра, 1973 г., стр.176; 257);
- большие глубины гидроэнергетических скважин, которые исходя из рекомендуемых глубин применения электробуров возможно использовать в качестве электрогенератора в заявляемой скважинной гидроэлектростанции (там же, стр.265-266), составляют до 5000-7000 м;
- высокие гидростатические давления, которые могут достигать в скважинах, заполненных водой, 50-70 МПа;
- загрязненная вода в скважине, которая (в т.ч. при использовании ее из водоносной зоны) может содержать абразивные частицы;
т
- повышенные температуры работы в месте установки гидротурбины, электрогенератора и электрокабеля, связанные с увеличением глубины скважины. Принимая во внимание то, что геотермальный градиент составляет Г=3°С/100 м (общеизвестно), температура пород на глубине 5000 м может составлять 150°С.
Об исполнении электогенератора, гидротурбины и электрокабеля, обеспечивающем их приспособленность для работы в скважинных условиях, в описании и формуле изобретения прототипа не указывается, а указанные изделия общепромышленного применения не предназначены для работы в специфичных скважинных условиях.
Кроме того, использованные технические решения в прототипе по установке и фиксации в скважине электрогенератора, электробура и кабеля для обеспечения создания вращающего момента и передачи реактивного момента на стенки скважины или закрепленной на устье скважины бурильной колонны - как опорного элемента, не очевидны. Исходя из описания и графики прототипа установка и фиксация в скважине «моста», на котором смонтированы гидротурбина с электрогенератором, может быть осуществлена либо с использованием обсадных труб, на которых выполнены установка и фиксация гидротурбины и электрогенератора (что экономически целесообразно и технически возможно при малых глубинах), либо с использованием вспомогательной горной выработки (шахты, штольни и др.), «подходящей» к скважине в месте установки гидротурбины и электрогенератора, что существенно усложняет конструкцию скважины-сооружения, повышает трудоемкость ее сооружения и капитальные вложения на реализацию. Косвенным признаком наличия вспомогательной горной выработки в скважинной гидроэлектростанции по прототипу является то, что прибор для измерения расхода (поз. 30 на фиг.1 описания прототипа) обозначен как предназначенный для снятия показаний расхода воды «по месту» - без дистанционной передачи показаний, что возможно осуществить из вспомогательной горной выработки. Проходка вспомогательной горной выработки для установки и обслуживания гидроэнергетического оборудования в скважине экономически целесообразна при малых ее глубинах, а при больших глубинах - экономически не целесообразна и, зачастую, технически не осуществима, что «делает» скважинную гидроэлектростанцию по прототипу нереализуемой. В свою очередь, при малых глубинах гидроэнергетической скважины не используется гидроэнергопотенциал, который может быть получен в ней при одинаковых расходах воды, но при установке гидроэнергетического оборудования на больших глубинах (см. пояснение выше). Этим может объясняться и несовмещаемость используемых при таких технических решениях по установке, эксплуатации и обслуживанию электрогенератора, гидротурбины и кабеля с техникой и технологией, применяемой при бурении скважин, с использованием которых все операции по эксплуатации скважинного оборудования осуществлялись бы только через устье скважины (в том числе по установке и фиксации в скважине гидроагрегата и кабеля, их спуско-подъемах при обслуживании и ремонте) и с использованием применяемых для выполнения аналогичных операций в бурении техники, технологии, в том числе решений по установке и фиксации «работающих» в скважине устройств.
Другим недостатком скважинной гидроэлектростанции по прототипу является то, что в ней предусматривается использование только вертикально пробуренной скважины до зоны стока, что ограничивает условия ее применения.
В общем случае, поглощаемая вода «уходит» в недра, в интервалы, представленные, как правило, фильтрующими или трещиноватыми породами. Это ограничивает условия ее применения, в частности в горных условиях, в которых сток может быть осуществлен путем искривления скважины с места, расположенного ниже установки гидроагрегата, и проводки ее до пересечения с дневной поверхностью. При этом указанное пересечение будет являться стоком воды.
Таким образом, недостатки скважинной гидроэлектростанции, принятой в качестве прототипа, заключаются: а) в малой глубине их использования, из-за неприспособленности применяемого в ней оборудования для работы в скважинных условиях глубокого бурения и из-за несовмещаемости операций по их подготовке и эксплуатации с техникой и технологией, применяемой при бурении скважин (малые глубины их использования объясняют их невысокие энергетические мощности при идентичных расходах и невысокую технико-экономическую эффективность); б) в нешироких условиях ее применения, из-за того, что в ней скважина пробурена вертикально, а зоной стока является только подземный поглощающий интервал.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая скважинная гидроэлектростанция, заключается в повышении удельной мощности, энергетической и экономической эффективности, расширении условий применения скважинной гидроэлектростанции, в сравнении с принятой в качестве прототипа.
Для достижения указанного технического результата в скважинной гидроэлектростанции, включающей источник воды, соединенный с источником воды, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенной ниже точки сообщения водовода с источником воды, установленную в нижней части водовода гидравлическую машину, например гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором, корпуса которых выполнены с возможностью фиксирования и обеспечения восприятия реактивного момента опорным элементом, электрическую линию связи электрогенератора с установленным на дневной поверхности у устья скважины электроформирующим устройством, соединенного силовым кабелем с потребителем, согласно изобретению водовод образован гидроэнергетической скважиной, пробуренной до зоны стока, источником воды является поверхностный водоем, в зоне которого пробурена гидроэнергетическая скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, а буровая гидроэнергетическая скважина до места установки гидроагрегата пробурена вертикальной, в ней гидротурбина и электрогенератор агрегатированы и составляют скважинный гидроагрегат, при этом скважинный гидроагрегат и электрическая линия связи электрогенератора с дневной поверхностью выполнены приспособленными для эксплуатации их в скважинных условиях, например, гидроагрегат выполнен в виде соединенных между собой своими корпусами турбобура и электробура, снабженный фиксатором, выполненным с условием возможности взаимодействия с опорным элементом, в качестве электрической линии связи применен скважинный кабель, а их эксплуатация является совмещаемой с техникой и технологией бурения скважин и скважинных геофизических работ, например, для спуско-подъема скважинный гидроагрегат снабжен головкой и дистанционно управляемой лебедкой, каротажной лебедкой для скважинного кабеля, в горных условиях, либо когда нижерасположенная зона стока не пересекается с вертикальной трассой гидроэнергетической скважины, ее интервал ниже места установки скважинного гидроагрегата пробурен направленным до пересечения с зоной стока, например с поверхностью горного рельефа.
В скважинной гидроэлектростанции опорным элементом может быть фиксируемая в гидроэнергетической скважине колонна труб с закрепленной в ней электрической линией связи электрогенератора с установленным на дневной поверхности у устья гидроэнергетической скважины электроформирующим устройством.
Скважинная гидроэлектростанция в условиях горного рельефа может включать инженерно-коммуникационную скважину (скважины), направленно пробуренную (пробуренные) от устья гидроэнергетической скважины до центра (центров) питания, расположенного, например, около потребителя, в которой установлены силовой, а при необходимости и контрольный, кабели.
Совокупность признаков заявляемой скважинной гидроэлектростанции позволяет:
а) повысить удельную (единичную) мощность и экономическую эффективность за счет увеличения глубины применения при одновременном снижении затрат на установку и эксплуатацию скважинной гидроэлектростанции в сравнении с вариантом, когда гидроагрегат не является приспособленным для эксплуатации в скважинных условиях, а его эксплуатация является совмещаемой с техникой и технологией бурения скважин и скважинных геофизических работ, и требующим проходки дополнительной горной выработки к месту установки и эксплуатации скважинного гидроагрегата. Превышение затрат на осуществление такого варианта определяется затратами на проходку и эксплуатацию этой дополнительной горной выработкой. Не трудно видеть, что они тем больше, чем больше глубина, а при пороговом ее значении наступает экономическая ее нецелесообразность и, далее, - техническая невозможность осуществления такой горной выработки. Нецелесообразной и нереализуемой при этом является и скважинная гидроэлектростанция.
Заявляемая скважинная гидроэлектростанция свободна от необходимости проходки подобных дополнительных горных выработок и связанных с этим затрат, а установка и эксплуатация входящих в ее состав узлов может осуществляться при любых глубинах скважин, в частности, достигнутых в настоящее время при бурении на нефть и газ до 5-7 км, при использовании серийно выпускаемого специализированного бурового оборудования.
Экономическая эффективность достигается приспособленностью применяемых в ней гидротурбины, электрогенератора - скважинного гидроагрегата и линии связи от электрогенератора до дневной поверхности для работы в скважинных условиях. Их приспособленность объясняется тем, что гидротурбина и электрогенератор (выполнен маслонаполненным) являются оборудованием техники бурения, соответственно, турбобур и электробур, способный работать как в качестве электродвигателя, так и в качестве электрогенератора, ротор и якорь которых соединены.
В качестве линии связи гидроагрегата с дневной поверхностью используется скважинный геофизический кабель, спускаемый в гидроэнергетическую скважину с помощью каротажной лебедки. Конструкцией такого кабеля предусмотрена грузонесущая и защитная оболочка (при использовании колонны труб в качестве опорного элемента линией связи гидроагрегата с дневной поверхностью может быть применяемый в скважинах при электробурении кабель, устанавливаемый отрезками в каждую бурильную трубу). Приспособленность гидроагрегата и электрокабеля в заявляемой скважинной гидроэлектростанции позволяет эксплуатировать ее в глубоких скважинах, имеющих свою специфику: малые диаметры скважины (172-490 мм) и большие глубины - до 7000 м; высокие гидростатические давления - до 70 МПа; загрязненная скважинная вода, в т.ч. содержащая абразивные включения; повышенные температуры в скважине на значительной глубине. Приспособленность гидроагрегата и электрокабеля для работы в скважинных условиях позволяет увеличить глубины их установки в скважине и при одинаковых расходах увеличить гидравлическую мощность гидротурбины и развиваемую электрическую мощность электрогенератора, соединенного с гидротурбиной. При этом достигается повышение удельной (единичной) мощности, энергетической и экономической эффективности заявляемой скважинной гидроэлектростанции.
Эффективность заявляемой скважинной гидроэлектростанции повышается и за счет совмещаемости операций по спуску, установке и фиксации в скважине с техническими средствами и технологиями, применяемыми при бурении (в т.ч. и операций по спуско-подъемам скважинного гидроэнергооборудования при его ремонтах и обслуживании). В частности, по одному варианту спуск скважинного гидроагрегата в гидроэнергетическую скважину может осуществляться с использованием геофизической лебедки, оборудованной наконечником-захватом с электромагнитной муфтой, взаимодействующей с головкой, установленной на гидроагрегате. Спуск скважинного электрокабеля осуществляется с использованием каротажной лебедки, а сам скважинный электрокабель установлен на ней и выполнен грузонесущим, в защитной оболочке. Соединение с гидроагрегатом и отсоединение от него, в т.ч. в гидроэнергетической скважине, осуществляется путем подачи электрического напряжения на муфту специального наконечника-захвата, устанавливаемого на кабеле лебедки. Фиксироваться корпус скважинного гидроагрегата в скважине может за счет, например, механического фиксатора, принцип работы которого такой же, как принцип работы других скважинных устройств аналогичного назначения. При этом опорным элементом, воспринимающим реактивный момент гидроагрегата, являются стенки скважины.
Либо гидроагрегат может спускаться в гидроэнергетическую скважину на специальных бурильных трубах, предназначенных для электробурения, а корпус гидроагрегата жестко соединен с колонной бурильных труб и при работе он неподвижен, при этом бурильная колонна является опорным элементом, воспринимающим реактивный момент гидроагрегата. Она фиксируется на устье скважины и в скважине с использованием установленных на забое по ее длине фиксаторов, взаимодействующих со стенками скважины, например, под действием веса колонны или ее частей либо под действием давления воды в скважине. При его использовании, автоматически, при соединении бурильных труб осуществляется электрическое соединение установленных в них отрезков электрических кабелей. При работе скважинной гидроэлектростанции по этому варианту бурильная колонна не извлекается из скважины;
б) достичь эффекта повышения энергоэффективности за счет управляемости гидроэнергетическим режимом работы и ресурсосбережения (сбережения подземных вод) в периоды перерывов в использовании скважинной гидроэлектростанции за счет установки в канале сообщения подземной водоносной зоны со скважиной устройства регулирования расхода воды с возможностью дистанционного управления им с дневной поверхности. Посредством этого устройства в периоды перерывов в работе скважинной гидроэлектростанции прерывается поступление воды из подземной водоносной зоны в скважину (и далее - в зону стока). Расход воды в эти (непроизводительные) периоды уменьшается и этим достигается эффект сбережения подземных вод (ресурсосбережения);
в) расширить условия ее применения, в частности, за счет искривления скважины, ниже от места установки скважинного гидроагрегата до пересечения ее с дневной поверхностью горного рельефа, либо - до пересечения с зоной стока, удаленной от вертикальной трассы гидроэнергетической скважины;
г) в горных условиях: упростить линию электропередачи (ЛЭП) от устья скважины к расположенному ниже (в предгорье) потребителю; исключить ее (ЛЭП) влияние на ландшафтный вид (особенно в местах ландшафтного туризма и зонах рекреационного назначения); придать свойство большей защищенности самой ЛЭП от возможных хищений образующих ее элементов за счет того, что она расположена в специальной инженерно-коммуникационной скважине, направленно-пробуренной от места, расположенного поблизости от устья гидроэнергетической скважины, до центра питания потребителя. При бурении направленной инженерно-коммуникационной скважины применяются отработанные для этого технология и технические средства направленного бурения. При необходимости, в процессе ее бурения осложненные интервалы скважины (неустойчивые породы или породы, склонные к набуханию, водоносные интервалы и др.) перекрываются трубами либо тампонируются. Силовой кабель (а при необходимости и контрольный) в инженерно-коммуникационной скважине выполнен грузонесущим, либо закреплен на грузонесущем элементе, например на тросике.
На фиг.1-8 в качестве примера приведены схемы работы предлагаемой скважинной гидроэлектростанции, в дальнейшем СГЭС. На фиг.1 изображена схема питания СГЭС от источника воды природного или искусственного происхождения, расположенного на земной поверхности или выше нее. На фиг.2 изображена схема питания СГЭС от подземного источника воды - подземной водоносной зоны; на фиг.3 - схема питания СГЭС как от поверхностного, так и от подземного источников. На фиг.4 и 5 приведены схемы узлов устройства регулирования расхода воды: устьевого (вид I) и скважинного (вид II) соответственно. На фиг.6 приведена схема предлагаемой СГЭС в гористой местности при осуществлении стока воды с использованием направленной скважины, пробуренной до дневной поверхности горного рельефа. На фиг.7 приведено схематичное изображение скважинной гидроэлектростанции, реализуемой с использованием самоходной буровой установки; на фиг.8 - схематичное изображение скважинной гидроэлектростанции, реализуемой с использованием геофизической каротажной станции.
н
д
На фиг.1-8 введены следующие обозначения: 1 - вертикальный интервал гидроэнергетической скважины, в дальнейшем - скважины; 2 - направленно пробуренный интервал гидроэнергетической скважины; 3 - инженерно-коммуникационная наклонная скважина; 4 - источник воды природного или искусственного происхождения, расположенный на земной поверхности или выше нее (поверхностный источник воды); 5 - подземный источник воды - подземная водоносная зона; 6 - обсадная труба большего диаметра, перфорированная в интервале подземной водоносной зоны; 7 - перфорированная внутренняя труба со шламовым карманом; 8 - кольцевой объем; 9 - фильтр; 10 и 11 - верхний и нижний ограничители хода на перфорированной трубе 7; 12 - дистанционно управляемый перфорированный патрубок; 13 - тросик дистанционного подъема (управления) патрубка 12; 14 - рукоять тросика 13; 15 - скважинный поток, движущийся ниже скважинного гидроэлектроагрегата к зоне стока, в дальнейшем, зоне ухода воды; 16 - гидротурбина; 17 - электрогенератор; 18 - фиксатор гидроагрегата; 19 - уступ скважины (ниже него скважина имеет диаметр, меньший чем диаметр выше расположенного ее интервала); 20 - электрическая линия связи электрогенератора с электроформирующим устройством 22 на дневной поверхности; 21 - головка гидроагрегата; 22 - электроформирующее устройство; 23 - электрокабель (силовой кабель) от электроформирующего устройства 22 к потребителю электроэнергии; 24 - обсадная перфорированная труба с отверстиями 25; 26 - перфорированное кольцо с отверстиями 27; 28 - колонна труб для электробурения с встроенным в бурильные трубы электрическим кабелем (КБТЭ) на фиг.7, или скважинный геофизический кабель (СГК) на фиг.8; 29 - соединение КБТЭ со скважинным гидроагрегатом на фиг.7 (резьбовое), либо скважинного геофизического кабеля (СГК) со скважинным гидроагрегатом; 30 - канал сообщения кольцевого объема скважины с рабочим объемом турбрбура; 31 - зона ухода воды (зона стока), например, представленная породами сообщенной трещиноватости или пористости - подземная емкость. Другим вариантом зоны ухода воды может быть пересечение скважины с поверхностью горного рельефа в горных условиях (фиг.6, либо подземный горный интервал; 32 - узел крепления колонны труб 28 с соединенным с ней гидроагрегатом (фиг.7), либо крепления блок-баланса 32 на устье скважины (фиг.8); 33 - канал подвода воды от природного или промышленного источника; 34 - контактное устройство; 35 - линия к электроформирующему устройству (ЭФУ); 36 - электролиния линия к электропотребителю (силовой кабель); 37 - автомобильная база буровой установки (фиг.1), либо геофизической каротажной станции (фиг.2); 38 - двигатель внутреннего сгорания; 39 - мачта буровой установки; 40 - лебедка буровой установки; 41 - вращатель буровой установки; 42 - трос для выполнения спуско-подъемных операций (СПО); 43 - блоки талевой системы; 44 - элеватор; 45 - опора-домкрат; 46 - помещение мобильной геофизической каротажной станции (ГКС); 47 - пульт оператора ГКС; 48 - лебедка ГКС; 49 - электролиния от лебедки ГКС к контактному устройству 34; 50 - крепление лебедки ГКС с встроенным элементом трансмиссии автомобильной базы; 51 - геофизический скважинный каротажный кабель; 52 - блок-баланс; 53 - блок-баланс; Н - напор скважинной гидроэлектростанции (воспринимаемый гидротурбиной); Н - динамический уровень воды в скважине.
Пробуренная до зоны ухода воды (зоны стока) гидроэнергетическая скважина 1 (далее - скважина), устье которой сообщено с источником воды, природного происхождения - рекой 4 (фиг.1) оборудуется определенным образом. При этом на устье скважины устанавливается обсадная труба 24, перфорированная по высоте (соответствующей глубине реки) у устья скважины отверстиями 25. На обсадной трубе установлено кольцо 26, перфорированное отверстиями 27 в интервале, соответствующем перфорации обсадной трубы 24. Кольцо выполнено поворотным, причем в положении «закрыто» перфорационные отверстия 27 в кольце 26 не совпадают с отверстиями 25 в обсадной трубе 24, а в положении "открыто" - совпадают. В качестве электрогенератора использован электродвигатель электробура серийного изготовления, используемый при электробурении, который при вращении его якоря может работать в режиме электрогенератора. В качестве гидротурбины использован турбобур серийного изготовления, используемый в турбинном бурении. Турбобур и электробур приспособлены для работы в скважинных условиях.
К наконечнику с электромагнитной муфтой, установленному на грузонесущем геофизическом скважинном кабеле, подсоединяют гидроагрегат, представляющий соединенные корпусами турбобур и электробур, посредством установленной в верхней его части головки 21. Скважинный геофизический кабель установлен на геофизической лебедке. С использованием лебедки гидроагрегат спускают в скважину 1. При спуске до уступа 19 фиксатор 18 упирается в него (уступ) и срабатывает - под действием веса гидроагрегата корпуса гидроагрегата затормаживается за счет сил трения о стенки скважины. Спуск прекращается. Опорным элементом, воспринимающим реактивный момент гидроагрегата, являются стенки скважины. Отсоединение скважинного геофизического кабеля осуществляется посредством дистанционно управляемого наконечника с электромагнитной муфтой, на который для этого подается электрическое напряжение - управляющий сигнал.
Гидроагрегат может быть спущен в скважину и с использованием лебедки, применяемой при бурении снарядами со съемными керноприемниками. С использованием лебедки, применяемой при бурении со съемными керноприемниками, на тросике (с дистанционно управляемым «захватом») в скважину спускают агрегатированные электрогенератор 17 с гидротурбиной 16 (гидроагрегат). При этом гидроагрегат фиксируется в скважине посредством фиксатора гидроагрегата 18, который срабатывает после постановки гидроагрегата на уступ скважины 19. Отсоединение от тросика осуществляется посредством специальной конструкции «захвата», спускаемого на тросике, и головки 21 на электрогенераторе (гидроагрегате). Конструкция лебедки для осуществления скважинного съемного гидроагрегата аналогична конструкции скважинного съемного керноприемника (Козловский Е.А. и др. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин: в 2-х томах под общей редакцией проф. Е.А.Козловского, том 1, стр.364-368; том 2, стр.56-85 - М.: Недра, 1984). Конструкция такого устройства позволяет соединиться посредством «захвата» на тросике с головкой 21 на гидроагрегате для подъема его, при необходимости.
Скважинный электрокабель 20, приспособленный для работы в скважинных условиях, посредством специальной каротажной лебедки опускают в скважину одновременно со спуском гидроагрегата. Соединенный с электрогенератором 17, на дневной поверхности он подключен к электроформирующему устройству 22.
В случае, когда источником воды является подземная водоносная зона 5 (фиг.2), СГЭС оборудуется обсадной трубой 6 большего (чем диаметр основного ствола скважины) диаметра и перфорированной в интервале подземной водоносной зоны. Снаружи нее в интервале перфорации (водоносной зоны) установлен фильтр 9. С протяженностью до устья скважины установлена перфорированная внутренняя труба 7 со шламовым отстойником. Она предназначена для улавливания шлама, поступающего из подземной водоносной зоны при работе СГЭС. Фиксируется она в скважине посредством резьбового соединения. В интервале подземной водоносной зоны установлен перфорированный патрубок 12, перемещение которого возможно в пределах верхнего 10 и нижнего 11 ограничителей его хода. Без постороннего воздействия патрубок за счет своего веса находится в нижнем положении, при котором отверстия в обсадной трубе 7 и в патрубке 12 не совпадают и вода из подземной водоносной зоны не поступает в скважину. К патрубку 12 подсоединен тросик 13 с рукоятью 14. Посредством них патрубок 12 может быть поднят до верхнего ограничителя 10 его хода. В этом положении отверстия в обсадной трубе 7 и в патрубке 12 совпадают и вода из водоносной зоны 5 поступает в скважину. Патрубок 12 устанавливается в соответствующее положение либо когда необходима подача воды в скважину (при работе СГЭС), либо когда подача воды в скважину должна быть прекращена (при перерывах в работе СГЭС), например, при ремонте энергетического оборудования СГЭС, его замене или при длительных перерывах в потребности электроэнергии от СГЭС. Трубами 6 и 7 образован кольцевой объем отстойника.
д
н
Для случая (фиг.3), когда источником питания являются и поверхностный источник 4, и подземная водоносная зона 5, потоки воды источников суммарно формируют в ней сплошной поток с динамическим уровнем Н и напором Н, воздействующим на гидроэнергоагрегат.
В гористой местности (фиг.6) интервал скважины СГЭС от места ниже установки гидроагрегата пробурен направленным 2 до дневной поверхности горного рельефа. При этом выход водовода 31 может быть соединен с системой водоснабжения, например, расположенного ниже пересечения скважины с дневной поверхностью, потребителя воды.
При использовании в качестве электрической линии связи 20 электрогенератора 17 с установленным на дневной поверхности электроформирующим устройством 22 электрического кабеля, встроенного в бурильные трубы 28 для реализации СГЭС, используется буровая установка, в том числе самоходная (фиг.7). Она базируется на автомобильной базе 37 и включает мачту 39, лебедку 40, на которой установлен трос 42. Трос 42 пропущен через блоки 43, установленные на мачте. На «бродячем» конце троса установлен элеватор 44, посредством которого трос (грузоподъемный) периодически «подхватывает» бурильные трубы колонны труб при выполнении спуско-подъемных операций (СПО). Вращатель 41 с труборазворотом предназначен для развинчивания (свинчивания) бурильных труб при СПО, а элементы талевой системы (мачта, лебедка, трос, блоки, элеватор) для подъема-спуска труб при этом.
Вращение от двигателя внутреннего сгорания автомобиля может передаваться либо вращателю-труборазвороту, либо на талевую (обеспечивающую спуск-подъем труб) систему. После установки гидроагрегата в скважине кабель 20 подключается к электроформирующему устройству 22 через контактное устройство 34.
При использовании в качестве электрической линии связи 20 электрогенератора 17 с установленным на дневной поверхности электроформирующим устройством 22 скважинного геофизического кабеля 28 для реализации СГЭС используется самоходная геофизическая каротажная станция (фиг.8). Она базируется на автомобильной базе 37 и включает помещение геофизической каротажной станции 46, в котором установлены одна или две лебедки 48 с установленными на них геофизическими кабелями 20 и 51 (на одной из лебедок может быть установлен грузоподъемный тросик). Установлен в помещении станции и пульт оператора 47. Геофизический кабель 20 соединяется посредством установленной на нем муфты с гидроагрегатом посредством головки 21. Кабель скважинный соединяется с электрогенератором 17 гидроагрегата. Гидроагрегат на каротажном кабеле опускается в скважину. При спуске-подъеме каротажный кабель пропускается через «ручеек» блок-баланса 52 (последний оборудуется глубиномером спускаемого в скважину на каротажном кабеле гидроагрегата). После постановки гидроагрегата на уступ 19 срабатывает фиксатор гидроагрегата в скважине, СГЭС готова к работе. Посредством контактного устройства 34 гидроагрегат подключается к электроформирующему устройству 22. В каротажной станции предусмотрена возможность передачи вращающего момента от двигателя внутреннего сгорания автомобильной базы приводу каротажной лебедки (лебедок).
1
д
д
1
Работает СГЭС (фиг.1) следующим образом. Перфорированный патрубок 26 устанавливается в положении "открыто". При этом вода из поверхностного источника воды 4 (природного или искусственного происхождения) поступает в скважину 1, по скважине ниже гидроагрегата она движется к зоне ухода (стока) 31, в том числе по направленно пробуренной скважине (искривление скважине может быть осуществлено на участке скважины ниже места установки скважинного гидроэнергоагрегата). Ввиду того, что гидроагрегат создает определенное гидросопротивление, уровень воды в скважине повышается и при расходе поступающей в скважину воды Q, спустя переходный период, устанавливается на определенном значении, равном Н. На интервале от Н до зоны стока устанавливается поток с расходом Q, в любом сечении которого наблюдается его сплошность. В месте установки гидроагрегата поток воды из кольцевого канала вышерасположенного электрогенератора 17 через канал сообщения в корпусе гидроагрегата 30 кольцевого объема скважины с рабочим объемом гидротурбины поступает в гидротурбину 16 и вращает ее ротор. Вращение от ротора гидротурбины передается соединенному с ним якорю электрогенератора. Фиксатор 18 препятствует перемещению соединенных гидротурбины-электрогенератора (гидроагрегата) вниз под действием его веса и потока воды, фиксатор же (благодаря силам трения о стенки скважины) воспринимает реактивный крутящий момент, возникающий при вращении ротора гидротурбины и якоря электрогенератора под действием потока воды. Электрогенератор является маслонаполненным и герметичным. Электрогенератором вырабатывается напряжение электрического тока, которое по скважинному электрокабелю 20 из скважины (от гидроагрегата) передается на дневную поверхность, в частности на электроформирующее устройство 22. Электроформирующее устройсттво СГЭС 22 снабжено регулятором частоты и амплитуды вырабатываемого напряжения - формирователем электрического напряжения требуемого качества. От него напряжение нормированного качества подается на преобразование и отпуск потребителям.
Гидравлическая мощность, развиваемая гидротурбиной, определяется из следующего выражения (Малинин Н.К. Теоретические основы гидроэнергетики. М., Энергоатомиздат, 1985 г.)
г
н
1
N=P·Q,
г
где N - гидравлическая мощность, развиваемая гидротурбиной, кВт;
н
P - давление воды, воспринимаемое гидротурбиной, Па;
1
3
Q - расход воды через гидротурбину, м/с.
Отработав, вода после гидроагрегата движется к зоне ее ухода (стока) 31.
д
н
В условиях, когда источником воды в СГЭС является подземная водоносная зона 3 (фиг.2), по аналогии с предыдущим случаем скважинный гидроагрегат спускается в скважину, фиксируется, а скважинный электрический кабель 20 от него подключается к электроформирующему устройству 22. Подземная вода из водоносного интервала 5 через фильтр 9 и отверстия в обсадной трубе 6 поступает в кольцевой канал 8, образованный указанной трубой, имеющей больший диаметр, и перфорированной трубой меньшего диаметра 7 с перфорацией в ее верхней части. В кольцевом канале 8 оседают загрязняющие воду, поступающую из водоноса 5 (шлам), частицы (в т.ч. абразивные). Осевшие частицы по мере накопления периодически удаляются. Вода из верхней части кольцевого канала через перфорационные отверстия в трубе 7 (в определенной степени очищенная) и отверстия в патрубке 12 поступает в скважину 1 и по ее каналу далее - к нижерасположенной зоне ее ухода (стока) 31. В канале скважины 1 образуется поток воды, а граница положения в скважине сплошного потока и воздуха определяет положение динамического уровня Н. Гидравлический напор Н, как и расход потока, участвует в формировании гидравлической мощности потока в месте установки гидроагрегата. Определяется гидравлическая мощность потока и, как следствие, электрическая - по аналогии с приведенной выше формулой. Гидравлический поток воды вращает ротор гидротурбины 16, который соединен с якорем электрогенератора 6. Вырабатываемое гидроагрегатом напряжение электрического тока по скважинному электрокабелю 20 передается на дневную поверхность - на электроформирующее устройство 22. Благодаря ему напряжение поддерживается (вне зависимости от уровня подключенной нагрузки) на требуемом уровне и с параметрами, нормируемыми установленными требованиями.
По аналогии с предыдущим случаем, после скважинного гидроэлектроагрегата вода движется к зоне ее ухода 31.
При перерывах в работе СГЭС прерывают сообщение подземной водоносной зоны 5 со скважиной 1. Для этого посредством тросика 13 с рукоятью 14 (его растормаживают) натяжение ослабляют и перфорированный патрубок 12 под действием своего веса опускается вниз до нижнего ограничителя его хода 11. В таком положении отверстия в патрубке 12 и в перфорированной трубе 7 не совпадают и переток воды из водоносной зоны в скважину прекращается.
В конкретном примере скважинной гидроэлектростанции пробурена скважина. Скважиной перебурена водоносная зона, расположенная в интервале от 34 до 38 м. После перебуривания водоносной зоны до глубины установки гидроагрегата (181 м) скважина пробурена вертикальной и далее до ниже расположенной зоны стока.
д
д
э
После установки гидроагрегата в скважине, в т.ч. за счет его гидросопротивления, динамический уровень воды в скважине Н в рассматриваемом примере составил Н=31 м (гидроагрегат установлен на глубине 181 м). При работе скважинной гидроэлектростанции от электроформирующего устойства 22 поступает стабильное электронапряжение, направляемое в сеть потребителя. Электрическая мощность, вырабатываемая скважинной гидроэлектростанцией и отпускаемая в сеть потребителя, составила N=6,0 кВт.
Гидравлическая мощность, вырабатываемая гидротурбиной предлагаемой установки, составляет, с учетом приведенного выше:
г
н
1
N=P·Q
1
3
где Q - дебит водоносной зоны, м/с;
н
P - давление воды, воспринимаемое гидротурбиной, Па;
3
где ρ - плотность воды, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
Н - высота столба воды, воспринимаемая гидроагрегатом, м.
Гидравлическая мощность, вырабатываемая гидротурбиной, составляет:
КПД предлагаемой скважинной гидроэлектростанции (Типовая программа проведения энергетических обследований гидроэлектростанций. РД 153-34.2-09.165-00 СПО «ОРГРЭС»,М., 2000 г.) составляет:
,
д
н
Работа СГЭС для случая (геолого-географических условий), когда источниками воды являются одновременно и поверхностный 4, и подземная водоносная зона 5 (фиг.3), предусматривает установку гидроагрегата со скважинным электрокабелем 20 в скважине 1, которые выполняются по аналогии с предыдущим случаем. Вода из поверхностного источника 4 в скважину 1 поступает через перфорационные отверстия, выполненные в верхней части обсадной трубы и в кольце 25, которые в его положении «открыто» совпадают. Вода, через отверстия поступающая в скважину, далее по ее каналу движется вниз - к зоне ухода (стока) 31. Вода из подземной водоносной зоны 5 поступает в скважину 1 по аналогии с предыдущим случаем (две колонны обсадных труб с фильтром на фиг.3 не показаны). Потоки воды из поверхностного источника 4 и из подземной водоносной зоны 5, движущиеся к зоне стока, образуют поток, верхняя граница сплошности которого определяет положение динамического уровня воды в сважине Н и соответственно напор Н, под действием которого вода со значением расхода в скважине формирует гидравлическую мощность потока, которая преобразуется гидротурбиной 16 и электрогенератором 17 в электрическую энергию, которая передается по скважинному электрическому кабелю 20 на дневную поверхность. Вырабатываемая электрическая мощность определяется гидравлической мощностью потока воды в точке установки гидроагрегата с учетом коэффициентов полезного действия гидротурбины и электрогенератора, как показано выше.
В необходимых случаях, когда подача воды в скважину должна быть прекращена, перекрытие поверхностного источника производится поворотом кольца 26 в положение «закрыто», а перекрытие воды из подземной водоносной зоны 5 - ослаблением тросика 13, при котором патрубок 12 опускается и перекрывает поступление воды из водоносной зоны 5 в скважину 1. Значение вырабатываемой СГЭС мощности (гидравлической и электрической) аналогично приведенной в первом примере. Условно расчет его не приводится.
Зонами стока гидроэнергетических скважин могут быть сообщенные с ними пустотные природные образования, а также:
1) проницаемые водовмещающие породы природного происхождения в интервалах:
- целесообразной и возможной, в перспективе, добычи воды из них;
- обводнения при разработке нефтяных месторождений;
- захоронения загрязненных вод, как правило, не подлежащих для использования в перспективе;
2) искусственные подземные горные выработки - водо-газохранилища;
3) горные выработки, в т.ч. шахты, штольни и др., в частности, и ранее выполненные.
В заявляемой скважинной гидроэлектростанции нет необходимости специально оборудовать зону ухода (стока) воды.
н
Схема СГЭС в гористой местности (а равно и для случая образования водовода «пересечением» скважиной подземной горной выработки, например штольни) изображена на фиг.6. При этом скважина от места, расположенного ниже места установки гидроагрегата, искривлена и пробурена направленной в направлении дневной поверхности горного рельефа. Следует отметить о существовании и широком применении разработанных технологий и технических средствах направленного бурения (Лиманов Е.Л., Страбыкин И.Н., Елизаров М.Н. Направленное бурение разведочных скважин. М., Недра, 1978 г.). Вода из поверхностного источника 4 через перфорационные отверстия в обсадной трубе поступает в скважину 1. Далее, по искривленному ниже гидроагрегата интервалу скважины 2 движется и поступает в ниже расположенное пересечение скважины с дневной поверхностью, представляющее зону ее ухода (стока). При этом в точке установки гидротурбины формируемая гидравлическая мощность потока преобразуется последовательно, вначале - во вращение ротора гидротурбины 16, а затем - его вращение передается якорю электрогенератора 17 и вырабатывается электрическая энергия. При работе СГЭС гидравлическая мощность потока воды в рассматриваемом случае определяется произведением напора воды Н на расход ее потока. Электрическая мощность СГЭС определяется с учетом КПД гидротурбины и электрогенератора (их произведением). Она может быть определена умножением гидравлической мощности потока в месте установки гидроагрегата на указанное произведение.
Выработанная и сформированная до требуемого качества на СГЭС электроэнергия может отпускаться от электроформирующего устройства 22 потребителям, расположенным непосредственно у устья гидроэнергетической скважины 1. Для передачи ее потребителям, удаленным от устья гидроэнергетической скважины, например, расположенным у подножия горы, используется силовой кабель 36, установленный в направленно пробуренной инженерно-коммуникационной скважине 3. Вход кабеля 36 подключен к электроформирующему устройству 22, а его выход у забойного пересечения инженерно-коммуникационной скважины с дневной поверхностью горного рельефа подключен к распределительным сетям потребителя.
Реализация СГЭС в горной местности, предусматривающая бурение направленного интервала скважины от места ниже установки гидроагрегата до дневной поверхности горного рельефа, позволяет расширить условия применения СГЭС в сравнении с прототипом.
«Отработавшая» на скважинной гидроэлектростанции вода поступает на дневную поверхность и может использоваться для питьевого, хозяйственно-бытового и другого назначения. Она не изымается из оборота, а в последующем, формированием поверхностного водотока или организованного (водопроводного) транспортирования, может быть использована водопотребителем.
Значение развиваемой СГЭС мощности и вырабатываемой ею электроэнергии определяется по аналогии с последовательностью, приведенной выше. Условно расчет ее не приводится.
Для случаев использования в качестве источников воды для работы предлагаемой скважинной гидроэлектростанции природных источников (река, озеро, подземная водоносная зона), при соблюдении условия, когда расход воды при работе гидроэлектростанции не превышает естественного восполнения, истощение запасов не происходит, условия его работы сохраняются постоянно, и скважинная гидроэлектростанция может работать бесконечно долго.
Использование предлагаемой СГЭС позволяет:
- повысить удельную (единичную) мощность, энергетическую и экономическую эффективность;
- достичь эффекта сбережения подземных вод;
- расширить условия ее применения.
Возможная схема энергоснабжения рассредоточенных потребителей с использованием предлагаемой гидроэлектростанции, предусматривающая несколько гидроэлектростанций - каждая непосредственно у потребителей и являющихся центрами их питания с распределительными сетями, исключает наличие магистральных линий электропередач (ЛЭП), что характерно для современных схем ГЭС. Преимущество такого решения (отсутствие магистральных ЛЭП) позволяет исключить:
- сооружение ЛЭП и связанные с этим и их обслуживанием затраты денежных средств;
- потери электроэнергии при ее передаче, которые, как известно, по ЛЭП могут составлять 8-12% и более (Варнавский Б.П. и др. Энергоаудит промышленных и коммунальных предприятий. Изд-во «Ассоциация энергоменеджеров» [13];
- хищение компонентов ЛЭП.
Кроме того, размещение заявляемой СГЭС в земных недрах делает ее более скрытной и неуязвимой.
Относительно скрытности. В настоящее время обнаружение энергообъектов легко осуществляется с использованием инфракрасных, в том числе оптических, систем. Предлагаемая СГЭС такими системами не может быть обнаружена, так как ее тепловое излучение экранируется слоем земных недр, расположенных выше гидроагрегата.
Относительно неуязвимости. Расположенная над СГЭС земная масса велика, велика и мощность (по глубине), расположенных сверху пород, и разрывы снарядов на земной поверхности (при попытках ее уязвимости) не сказываются на ее работоспособном состоянии. Этим объясняется большая живучесть предлагаемой СГЭС, а также возможность двойного применения ее в гражданских технологиях и в военных целях, в том числе в военные периоды.