СПОСОБ УСТАНОВКИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА
METHOD FOR INSTALLING GEOTHERMAL HEAT EXCHANGERS FOR LOW-GRADE HEAT EXTRACTION

Изобретение относится к способам извлечения и использования геотермального тепла.
Из уровня техники известен способ монтажа коаксиального геотермального зонда в грунте, при котором сначала с помощью бурильного устройства сооружают скважину под геотермальный зонд, а затем в подготовленную скважину опускают коаксиальный геотермальный зонд. После введения коаксиального геотермального зонда уложенную вначале складками рукавную оболочку, одновременно образующую ограничительные стенки трубчатой оболочки коаксиального геотермального зонда, расширяют таким образом, что она, по существу, прилегает к стенкам скважины под геотермальный зонд (см. заявку РФ №2014150551, кл. МПК F24J 3/08, опубл. 10.07.2016).
Техническая проблема заключается в необходимости осуществления большого количества операций, в частности подъема бурового снаряда, обсаживания ствола скважины обсадной трубой.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в уменьшении количества операций, в частности подъема бурового снаряда, обсаживания ствола скважины обсадной трубой. Кроме того, сокращено количество и длина подводящих магистралей к зонду, уменьшено разрушение ландшафта на участке проведения зондирования.
Технический результат обеспечивается тем, что способ установки геотермальных теплообменников для извлечения низкопотенциального тепла включает бурение скважин с использованием буровой колонны, применяемой как обсадная труба, и съемным породоразрушающим инструментом. Бурение скважин для установки зондов осуществляют без переноса бурового станка с одного места и под углом 20-45 градусов к горизонту. При этом в грунт устанавливают железобетонное кольцо диаметром 1,5 м, его верхний торец заглубляют на 0,3-0,4 м от поверхности, на этом же уровне устраивают кольцевую площадку шириной 0,5 м. Зазор между грунтом и кольцом заполняют утрамбованным влажным песком, дно кольца заливают бетонной стяжкой, сверху на железобетонное кольцо устанавливают колодезную опору бурового станка, определяют наклон оси бурения, монтируют буровой станок на колодезной опоре. В процессе бурения используют железобетонное кольцо в качестве зумпфа, а после окончания бурения - в качестве кессонной камеры геотермального коллектора. Устье скважины располагают на дне вплотную к стенке, устанавливают трубу-кондуктор. Для тампонажа скважин используют цементно-бентонитовый раствор, используют в виде породоразрушающего инструмента разборный забурник со съемным пилотом, устанавливаемый внизу буровой колонны. При достижении заданной глубины бурения в колонну бурильных труб опускается на жестком тросе извлекатель съемного пилота. После извлечения пилота в колонну бурильных труб, выполняющих роль обсадной трубы, опускают подготовленный геотермальный зонд, колонну бурильных труб свинчивают с вращателем буровой установки и приподнимают на 0,5 м. Через кольцевой зазор между трубой зонда и бурильной трубой в затрубное пространство закачивают тампонирующую смесь, заполняющую пространство между зондом и стволом скважины, осуществляют подъем и разбор буровой колонны, а зонд остается в грунте, далее весь буровой станок поворачивают вокруг вертикальной оси на следующее направление бурения, располагая скважины «веером» с устьем всех скважин в одном колодце и под углом 20-45 градусов к горизонту.
Изобретение имеет следующие частные случаи осуществления.
Буровая установка «якорится» за железобетонное колодезное кольцо.
Колодезную опору ориентируют по направлению бурения, раскрепляя ее болтами.
Труба-кондуктор выполнена диаметром 110 мм и длиной 1,8 м, заглублена на 0,8-1,2 м.
Колодезное кольцо является зумпфом для бурового раствора.
Бурение ведут с повторным использованием бурового раствора после его очистки от шлама.
В качестве бурового раствора при бурении глин используют воду.
В качестве бурового раствора при бурении неустойчивых пород используют композиции на основе бентонитовых глин.
Длину каждой скважины определяют грунтовыми условиями, она преимущественно составляет 25 м, или 33 м, или 50 м.
Буровая колонна состоит из бурильных труб, имеющих резьбовое соединение, позволяющее свинчивать их, при этом внутренняя поверхность колонны после свинчивания не имеет выступающих частей, также отсутствуют выступающие части на наружной поверхности.
Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:
Фиг. 1 отображает забурник;
Фиг. 2 отображает забурник в разрезе А-А;
Фиг. 3 отображает забурник в разрезе Б-Б.
На иллюстрациях отображены следующие конструктивные элементы:
1 - корпус;
2 - прямоугольные окна;
3 - кольцо;
4 - втулка;
5 - коронка;
6 - ниппель;
7 - корпус пилота;
8 - защелка;
9 - пружина;
10 - сменный пилот;
11 - центрирующее кольцо;
12 - промывочные канавки.
Предлагаемый способ относиться к геотермальному (геотермическому) зондированию грунта для извлечения низкопотенциальной тепловой энергии. Бурение скважин для установки зондов (геотермальных теплообменников) осуществляется без переноса бурового станка, с одного места и под углом 20-45 градусов к горизонту. Геотермальный теплообменник состоит из совокупности пластиковых геотермальных зондов, объединенных в один коллектор, и используется для работы теплового насоса типа «рассол-вода». При этом сам тепловой насос, представляющий по своей сути холодильную машину, может как охлаждать грунт вокруг геотермального зонда, забирая тепло, так и нагревать тот же грунт, отдавая излишнее тепло. Геотермальный зонд при таком использовании представляет собой теплообменник, внутри которого циркулирует теплоноситель, поступающий от теплового насоса, а снаружи - массив грунта.
Способ имеет преимущества, обусловленные упразднением некоторых технологических операций, таких как: разбор бурильных труб или штанг, подъем бурового снаряда, обсаживание ствола скважины обсадной трубой для последующего опускания в нее самого геотермального зонда. Обустройство отдельного приямка или зумпфа для циркуляции бурового раствора. Кроме того, сокращено количество и длина подводящих магистралей к зонду, уменьшено разрушение ландшафта на участке проведения зондирования.
Проводят бурение из «одной точки», поворачивая буровую установку вокруг вертикальной оси и располагая скважины «веером» с устьем всех скважин в одном колодце и под углом 20-45 градусов к горизонту.
В грунт устанавливается железобетонное кольцо КС-15.9 ГОСТ 8020 - 90 диаметром 1,5 м. Его верхний торец заглубляется на 0,3-0,4 м от поверхности, на этом же уровне устраивается кольцевая площадка шириной 0,5 м. Зазор между грунтом и кольцом заполняется утрамбованным влажным песком для обеспечения надежного крепления кольца. Дно кольца заливается бетонной стяжкой для облегчения удаления выбуренной породы. Сверху на железобетонное кольцо устанавливается колодезная опора бурового станка, ориентируется по направлению бурения и раскрепляется болтами. Определяется требуемый наклон оси бурения и фиксируется опорная стойка и поворотный кронштейн на осях в соответствующих отверстиях опоры. Монтаж бурового станка производится преимущественно на колодезной опоре с использованием железобетонного кольца в процессе бурения в качестве зумпфа для бурового раствора, а после окончания бурения - в качестве кессонной камеры геотермального коллектора. Устье скважины (выход зонда) располагается на дне вплотную к стенке, с установкой трубы-кондуктора диаметром 110 мм и длиной 1,8 м, заглубленной на 0,8…1,2 м. Бурение ведется с повторным использованием бурового раствора после его очистки (отстоя) от шлама. При бурении глин используется вода, при бурении неустойчивых пород (песков) применяются бентонитовые глины с добавками. Для тампонажа скважин используется цементно-бентонитовый раствор. Длина каждой скважины определяется грунтовыми условиями, рациональным использованием материала зонда, общими трудозатратами и выбирается из ряда 25; 33; 50 м при длине намотки трубы зонда в катушке не более 100 м. Катушка с зондом, а также катушка с уложенной в нее стеклопластиковой арматурой и закрепленным на конце извлекателем забурника крепится на оси стойки, которая вставляется в отверстия колодезной опоры.
Буровая колонна состоит из бурильных труб, имеющих резьбовое соединение NQC, позволяющее свинчивать их, при этом внутренняя поверхность колонны после свинчивания не имеет выступающих частей, заужающих внутреннее проходное сечение трубы. Также нет выступающих частей на наружной поверхности. Для операций свинчивания и развинчивания колонны на бурильной трубе предусмотрены лыски для удержания ее ключом от проворота. Породоразрушающим инструментом является разборный забурник, устанавливаемый внизу буровой колонны.
Забурник со съемным пилотом (фиг. 1-3) предназначен для бурения в породах до VIII категории буримости. Забурник состоит из корпуса 1, в стенке которого имеются два прямоугольных окна 2, закрытых кольцом 3. С передней стороны корпуса на резьбе М 64x2 навернута втулка 4 с колонковой резьбой под коронку 5, а с задней стороны на резьбе М 64x2 переводник-ниппель 6 на бурильные трубы NQC. Внутрь корпуса 1 вставлен съемный пилот, состоящий из корпуса 7, в котором на осях установлены две защелки 8, под воздействием пружины 9 входящие своими выступами в окна 2. Задние концы защелок имеют заостренную форму для взаимодействия с конусом извлекателя. Спереди в корпусе 7 на резьбе М 27 установлен сменный пилот 10 типа ДЛШ-50 от стандартного шнекового забурника. Между сменным пилотом 10 и корпусом 7 установлено центрирующее кольцо 11 с промывочными канавками 12. Для бурения применяются стандартные твердосплавные коронки типа СМ5-76, СА4-76 или других типов. При достижении заданной глубины бурения в колонну бурильных труб опускается на жестком тросе извлекатель, который своим конусом захватывает защелки 8, выводя их из зацепления с корпусом 1, и надежно удерживает съемный пилот. После подъема извлекателя защелки вручную сжимаются, и пилот отсоединяется. Повторная установка пилота в корпусе забурника производится на поверхности.
После извлечения пилота в колонну бурильных труб, выполняющих роль обсадной трубы, опускается подготовленный геотермальный зонд, заглушенный с обеих сторон. Колонна бурильных труб свинчивается с вращателем буровой установки и приподнимается на 0,5 м. Через кольцевой зазор между трубой зонда и бурильной трубой в затрубное пространство закачивается тампонирующая смесь, заполняющая пространство между зондом и стволом скважины. Далее происходит подъем и разбор буровой колонны, а зонд остается в грунте. После разбора колонны и удаления бурового шлама из колодца верхняя заглушка зонда отрезается и опускается внутренняя труба зонда, затем на собранный зонд сверху надевается временная компрессионная ПНД заглушка для исключения попадания бурового раствора вовнутрь зонда.
Далее ослабляют болты крепления колодезной опоры, и весь буровой станок поворачивают вокруг вертикальной оси на следующее направление бурения.