EA043119B1 - METHOD FOR CREATING HIGHLY EFFICIENT GEOTHERMAL WELL STRUCTURES - Google Patents
METHOD FOR CREATING HIGHLY EFFICIENT GEOTHERMAL WELL STRUCTURES Download PDFInfo
- Publication number
- EA043119B1 EA043119B1 EA202091275 EA043119B1 EA 043119 B1 EA043119 B1 EA 043119B1 EA 202091275 EA202091275 EA 202091275 EA 043119 B1 EA043119 B1 EA 043119B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- well
- fluid
- interlayer
- drilling
- permeability
- Prior art date
Links
Description
Область техники, к которой относится предлагаемое изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Предлагаемое изобретение в целом относится к созданию геотермических скважинных структур, а в частности - к способам изменения проницаемости данной геологической среды для создания высокоэффективных геотермических скважинных структур с улучшенными термическими и механическими характеристиками, а кроме того, с рабочими текучими средами улучшенного состава.The present invention generally relates to the creation of geothermal well structures, and in particular to methods for changing the permeability of a given geological environment to create highly efficient geothermal well structures with improved thermal and mechanical characteristics, and in addition, with improved working fluids composition.
Предпосылки создания предлагаемого изобретенияPrerequisites for the creation of the invention
Извлечение геотермической энергии - привлекательная идея с точки зрения энергетики, а также сточки зрения охраны окружающей среды ввиду возможности ее рекультивации.The extraction of geothermal energy is an attractive idea from an energy point of view, as well as from an environmental point of view, due to the possibility of its reclamation.
Известные до сих пор технические решения фокусировались на проблемах, касающихся проницаемости скважин, их геометрических параметров, рабочих текучих сред, конфигурации скважинных структур с множественными поперечными участками и производства энергии. Примеры попыток решения этих проблем будут рассмотрены ниже.Known hitherto technical solutions have focused on problems relating to the permeability of wells, their geometries, working fluids, the configuration of well structures with multiple transverse sections and energy production. Examples of attempts to solve these problems will be discussed below.
Тема нарушения проницаемости геологической среды затрагивается в материалах Всемирного геотермального конгресса, Мельбурн, Австралия, 19 -25 апреля 2015 года, Бадалян и др. (Badalyan et al.), Лабораторные исследования нарушения проницаемости теплоносной геологической среды по причине миграции мелкого материала:The topic of permeability disturbance of the geological environment is covered in the proceedings of the World Geothermal Congress, Melbourne, Australia, April 19-25, 2015, Badalyan et al.
Здесь мы представляем новый способ оценки нарушения проницаемости геологической среды в термальных резервуарах. Давно известно, что причиной нарушения проницаемости геологической среды является мобилизация, миграция и стрейнинг мелкого материала природных резервуаров... Порожденная скоростью миграция мелкого материала приводит к некоторому уменьшению проницаемости геологической среды, результатом чего является начальное нарушение проницаемости геологической среды. Последующее нагнетание водного раствора с низкой ионной силой увеличивает силу электростатического отталкивания между глинистыми частицами и песчаной поверхностью, вызывает дальнейшую мобилизацию частиц, что приводит к нарушению проницаемости геологической среды. Мобилизованный мелкий материал со смешаннослойным иллит-хлоритовым минералогическим составом обусловливают уменьшение проницаемости геологической среды из-за закупорки поровых каналов.Here, we present a new way to evaluate permeability disturbance in thermal reservoirs. It has long been known that the cause of disturbance of the permeability of the geological environment is the mobilization, migration and straining of fine material of natural reservoirs ... The migration of fine material generated by the speed leads to some decrease in the permeability of the geological environment, resulting in an initial violation of the permeability of the geological environment. The subsequent injection of a low ionic strength aqueous solution increases the electrostatic repulsion force between the clay particles and the sandy surface, causing further mobilization of the particles, which leads to a violation of the permeability of the geological environment. Mobilized fine material with mixed-layer illite-chlorite mineralogical composition causes a decrease in the permeability of the geological environment due to blockage of pore channels.
Миграция мелкого материала представляет собой один из наиболее широко распространенных механизмов нарушению проницаемости геологической среды в нефтяных и газовых скважинах. Многочисленные недавние публикации говорят об ухудшении качества скважин по причине миграции мелкого материала в геотермальных полях.Fine material migration is one of the most common mechanisms for permeability disturbance in oil and gas wells. Numerous recent publications talk about the deterioration of well quality due to the migration of fine material in geothermal fields.
В материалах Международной конференции по технологии бурения и последующего освоения геотермических скважин, Механизмы нарушения проницаемости геологической среды в геотермических скважинах с первичной проницаемостью геологической среды, Альбукерке, Нью-Мексико, США, 21 января 1981 года, Бергош и др. (Bergosh et al.) в резюме своей презентации указывают следующее:In Proceedings of the International Conference on Drilling Technology and Subsequent Development of Geothermal Wells, Mechanisms for Permeability Disruption in Primary Permeability Geothermal Wells, Albuquerque, New Mexico, USA, January 21, 1981, Bergosh et al. The summary of their presentation states the following:
Теплоносные геологические среды с первичной проницаемостью подвержены нарушению проницаемости при бурении и последующем освоении скважин. Исследуются нарушения проницаемости вблизи скважины, причиной которых могут быть проникновение твердотельных частиц и химическое взаимодействие между глинистыми материалами геологической среды, фильтратами бурового раствора и пластовыми рассолами. Испытания фильтратов разного химического состава на проницаемость песчаника из района Ист-Меса показывают, что проницаемость значительно нарушается при протекании пластовых рассолов с низкой минерализацией. Это нарушение приписывают процессам катионного обмена и катионной миграции, которые подрывают стабильность глинистых структур. Сдвиговое действие текучей среды смещает частицы, которые забивают поровые каналы, необратимо уменьшая проницаемость. Программа испытаний с целью изучения действия несомых промывочной жидкостью частиц на теплоносные геологические среды продолжается. Окончательные результаты этих испытаний будут представлены на конференции.Heat-bearing geological media with primary permeability are subject to permeability disturbance during drilling and subsequent development of wells. Permeability disturbances are investigated near the wellbore, which can be caused by the penetration of solid particles and chemical interaction between clay materials of the subsurface, mud filtrates and formation brines. Permeability testing of filtrates of various chemical compositions in sandstone from the East Mesa region shows that permeability is significantly impaired by the flow of formation brines with low salinity. This disturbance is attributed to the processes of cation exchange and cation migration, which undermine the stability of clay structures. The shear action of the fluid dislodges the particles that clog the pore channels, irreversibly reducing the permeability. A test program to study the effects of fluid-borne particles on heat-bearing geological media is ongoing. The final results of these tests will be presented at the conference.
Ясно, что потеря проницаемости этих теплоносных геологических сред оказывает значительное влияние на продуктивность скважинной структуры и, следовательно, на извлечение энергии.It is clear that the loss of permeability of these thermal fluids has a significant impact on the productivity of the well structure and hence energy recovery.
В материалах Всемирного геотермального конгресса, проходившего с 28 мая по 10 июня 2000 года в Кюсю - Тохоку, Япония, доклад Физико-химические аспекты миграции глинистого материала и уменьшение приемистости геотермальных кластических пластов, Чистяков (Tchistiakov) резюмирует:In the proceedings of the World Geothermal Congress, held from May 28 to June 10, 2000 in Kyushu - Tohoku, Japan, the report Physico-chemical aspects of clay material migration and decrease in injectivity of geothermal clastic reservoirs, Chistyakov (Tchistiakov) summarizes:
Вероятность нарушения проницаемости можно оценить, только имея широкие взгляды и междисциплинарное мышление, а не автоматически применяя математические уравнения к результатам лабораторных испытаний. Мы убеждены, что лучшее понимание фундаментальных физико-химических принципов стабильности и миграции частиц глинистого материала в пористых средах поможет специалистам разработать более совершенные и эффективнее использовать существующие технологии, чтобы предотвратить вызываемое глинистым материалом нарушение проницаемости геотермальных пластов.The likelihood of a permeability failure can only be assessed with an open mind and interdisciplinary thinking, and not by automatically applying mathematical equations to laboratory test results. We believe that a better understanding of the fundamental physico-chemical principles of stability and migration of clay particles in porous media will help scientists develop better and more efficient use of existing technologies to prevent clay-induced permeability disturbance of geothermal reservoirs.
В этом документе утверждается, что нарушение проницаемости геологической среды при бурении скважин вызывается глинистым материалом.This document states that the disturbance of the permeability of the geological environment during well drilling is caused by clay material.
На кратком курсе лекций по геотермальным разработкам и геотермическим скважинам, организованном GTP при Университете ООН и LaGeo в Санта-Текла, Сальвадор, с 11 по 17 мая 2012 года, в презентации Кислотная обработка геотермальных пластов для стимулирования притока Барриос и др.In a short lecture course on geothermal developments and geothermal wells organized by GTP at the United Nations University and LaGeo in Santa Tecla, El Salvador, from 11 to 17 May 2012, in the presentation Acidizing geothermal reservoirs to stimulate the flow of Barrios et al.
- 1 043119 (Barrios et al.) отмечают:- 1 043119 (Barrios et al.) note:
Может иметь место заиливание как нагнетательных, так и продуктивных скважин, из-за чего сокращается их продуктивность и приемистость ниже их возможности. Главными причинами этих засорений могут быть проникновение в микротрещины пласта бурового раствора (главным образом бентонитового), попадание обломков горных пород или буровой мелочи в процессе бурения при полной потере циркуляции, попадание больших количеств растворенных твердых веществ, повторное закачивание воды с высоким потенциалом осаждения диоксида кремния, образование мелкозернистых твердых частиц, перемещаемых миграцией глинистой фракции, попадание фрагментов аморфного диоксида кремния из трубопроводов повторного закачивания в процессе их охлаждения и нагревания после обслуживания, осаждение кальцита в перфорированном хвостовике и/или в перфорированной эксплуатационной колонне.There may be siltation of both injection and productive wells, which reduces their productivity and injectivity below their capacity. The main causes of these blockages can be penetration of drilling fluid (mainly bentonite) into microfractures of the formation, ingress of rock fragments or drilling fines during drilling with complete loss of circulation, ingress of large amounts of dissolved solids, re-injection of water with a high potential for precipitation of silica, formation of fine-grained solids displaced by migration of the clay fraction, ingress of amorphous silica fragments from re-injection pipelines during their cooling and heating after service, calcite precipitation in the perforated liner and/or in the perforated production string.
Обеспечить непрерывный поток для выработки энергии можно только контролируя все возможные причины нарушения проницаемости. Хорошо известно, что в области использования геотермической энергии используют технологии и практические приемы, сходные с применяемыми в нефтедобывающей промышленности в течение последних 50 лет. Нефтяные и газовые скважины аналогичны в отношении проблем, связанных с образованием отложений и загрязнения буровым раствором, поэтому и для предотвращения проблем с проницаемостью с целью улучшения характеристик приемистости и продуктивности для геотермических скважин могут быть применены аналогичные технологии. Экономически эффективное и широко используемое решение состоит в использовании кислот для растворения отложений и засорений, создаваемых твердыми частицами.It is only possible to ensure a continuous flow for energy generation by controlling all possible causes of permeability failure. It is well known that the field of geothermal energy uses technologies and practices similar to those used in the oil industry over the past 50 years. Oil and gas wells are similar in terms of scaling and mud fouling problems, and similar techniques can be applied to prevent permeability problems to improve injectivity and productivity for geothermal wells. A cost-effective and widely used solution is to use acids to dissolve deposits and blockages created by solids.
На конференции и выставке Общества инженеров нефтегазовой промышленности, состоявшихся с 3 по 5 июля 2015 года в Будапеште, Венгрия, в резюме доклада Новый лабораторный метод оценки нарушения проницаемости в геотермических скважинах Ю и др. (You et al.) отмечают:At the Society of Petroleum Engineers conference and exhibition, held from 3 to 5 July 2015 in Budapest, Hungary, in the abstract of the report A new laboratory method for assessing permeability disturbance in geothermal wells, You et al. (You et al.) note:
Представляется новый метод оценки проницаемости в теплоносных геологических средах и прогнозирования снижения продуктивности скважин. Разработанная лабораторная методика имеет целью определить ухудшение проницаемости на основе данных о мобилизации, миграции и стрейнинга мелкого материала природной геологической среды. Проводили лабораторные испытания заводнения керна с постоянной и поэтапно снижаемой ионной силой раствора с измерением потери давления по длине керна и накапливаемой концентрации вымываемых частиц. Стабилизация проницаемости пласта имеет место после заполнения многочисленных пористых структур, можно предположить медленный по сравнению с водным носителем дрейф мобилизованных частиц. Водный раствор низкой ионной силы увеличивает силы электростатического отталкивания между глинистыми частицами и поверхностями песчинок, что способствует дальнейшей мобилизации частиц и приводит к нарушению проницаемости геологической среды. Смешаннослойные каолинитовые и иллит-хлоритовые глинистые породы идентифицируются с помощью анализа с применением сканирующего электронного микроскопа и с помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа, и именно эти породы в первую очередь отвечают за нарушение проницаемости. При повышении температуры на связывание частиц конкурирующее дествие оказывали понижение вязкости водного раствора с одной стороны и ослабление электростатического притяжения с другой. Микромоделирование механического равновесия частиц мелкого материала показывает, что действие на связывание частиц вязкости водного раствора является доминирующим. Результатом является отрыв мелкого материала и ухудшение проницаемости при повышении температуры.A new method for assessing permeability in heat-bearing geological media and predicting well productivity decline is presented. The developed laboratory technique aims to determine the deterioration of permeability based on data on the mobilization, migration and straining of fine material in the natural geological environment. Conducted laboratory tests of core flooding with a constant and gradually reduced ionic strength of the solution with the measurement of pressure loss along the length of the core and the accumulated concentration of leached particles. Formation permeability stabilization takes place after numerous porous structures are filled, it can be assumed that the drift of mobilized particles is slow compared to the water carrier. An aqueous solution of low ionic strength increases the electrostatic repulsive forces between clay particles and sand grain surfaces, which contributes to further mobilization of particles and leads to a violation of the permeability of the geological environment. Mixed-layer kaolinite and illite-chlorite clayey rocks are identified by scanning electron microscope analysis and energy dispersive X-ray analysis, and it is these rocks that are primarily responsible for permeability disturbance. With an increase in temperature, the binding of particles was competed by a decrease in the viscosity of the aqueous solution, on the one hand, and a weakening of the electrostatic attraction, on the other. Micromodeling of the mechanical equilibrium of particles of fine material shows that the effect on particle binding of the viscosity of the aqueous solution is dominant. The result is fine material shedding and deterioration of permeability as the temperature rises.
Что касается буровых растворов, то много предложений делалось в отношении их состава, чтобы смягчить проблемы, связанные, помимо прочего, с укреплением, проницаемостью и уплотнением скважин. Буровые растворы имеют отношение также к вышеупомянутому обсуждению нарушения проницаемости продуктивного пласта.With regard to drilling fluids, many proposals have been made regarding their composition in order to mitigate problems associated with, among other things, strengthening, permeability and compaction of wells. Drilling fluids are also relevant to the above discussion of reservoir permeability disturbance.
В патенте США № 6,059,036, выданном 9 мая 2000 года на имя Чаттерджи и др. (Chatterji et al.), раскрыты способы и композиции для уплотнения подземных зон. Текст этого патента гласит:US Pat. No. 6,059,036, issued May 9, 2000 to Chatterji et al., discloses methods and compositions for compacting subterranean areas. The text of this patent reads:
Предлагаемым изобретением предусмотрены усовершенствованные способы и композиции для уплотнения подземных зон и ограничения потерь бурового раствора, перетоков его через скважину из одного пласта в другой и/или подземных выбросов. Предлагаемый способ уплотнения подземной зоны в основе содержит следующие стадии:The present invention provides improved methods and compositions for compacting subterranean zones and limiting losses of drilling fluid, its flow through the well from one formation to another and/or underground emissions. The proposed method for compacting the underground zone basically contains the following stages:
приготовление вязкой уплотняющей композиции с отложенным схватыванием согласно предлагаемому изобретению, введение этой уплотняющей композиции в подземную зону, подлежащую уплотнению, и оставление этой уплотняющей композиции для схватывания в виде отвержденной уплотняющей массы.preparing a viscous, delayed setting sealing composition according to the invention, introducing the sealing composition into the subterranean area to be sealed, and leaving the sealing composition to set as a hardened sealing mass.
Предлагаемые уплотняющие композиции имеют в своем составе водосодержащий силикат щелочного металла, гелеобразующий агент для повышения вязкости этого раствора и имеющий замедленное действие активатор полимеризации или образования поперечных связей упомянутого силиката щелочно- 2 043119 го металла и схватывания уплотняющей композиции в виде отвержденной уплотняющей массы.The proposed sealing compositions include a water-containing alkali metal silicate, a gelling agent to increase the viscosity of this solution, and a slow-acting polymerization or cross-linking activator of said alkali metal silicate and setting of the sealing composition in the form of a hardened sealing mass.
Как упоминалось выше, там, где требуются уплотняющие композиции низкой плотности или где требуется уплотнение большой кавернозной подземной зоны, уплотняющая композиция с целью активизации и придания ей вспучивания может быть вспенена. Для облегчения заполнения и уплотнения зоны невспененные и вспененные композиции могут включать также разжижающие реагенты и/или кольмитанты.As mentioned above, where low density sealant compositions are required or where a large cavernous subterranean area is required to be sealed, the sealant composition may be foamed to activate and swell it. The non-foamed and foamed compositions may also include thinners and/or bridging agents to facilitate filling and sealing of the zone.
Этот документ полезен тем, что он демонстрирует эффективность композиций на основе силиката щелочного металла для предотвращения потерь бурового раствора и для уплотнения скважин вообще.This document is useful in that it demonstrates the effectiveness of alkali metal silicate compositions in preventing mud losses and in sealing wells in general.
В патенте США № 7,740,068, выданном 22 июня 2010 года на имя Боллард (Ballard), раскрыт силикатный скважинный флюид и способы стабилизации неконсолидированных геологических сред. Текст этого патента гласит:US Pat. No. 7,740,068, issued June 22, 2010 to Ballard, discloses a silicate well fluid and methods for stabilizing unconsolidated subsurfaces. The text of this patent reads:
Преимущество состоит в том, что варианты осуществления предлагаемого изобретения могут обеспечить получение составов для обработки приствольной зоны или добавок, которые могут использоваться для стабилизации неконсолидированной геологической среды. Использование твердых или измельченных осадителей силиката может обеспечить замедление реакции между силикатом и осадителями или продлить время гелеобразования. Замедление реакции может обеспечить для гелевых компонентов, силиката и осадителей более полное проникновение в неконсолидированную геологическую среду прежде, чем произойдет гелеобразование. Кроме того, если применять осадители силиката в виде твердого измельченного до микронных или субмикронных размеров материала, то осадители силиката имеют меньше помех при проникновении в геологическую среду.Advantageously, embodiments of the present invention can provide wellbore treatments or additives that can be used to stabilize the unconsolidated subsurface. The use of solid or pulverized silicate precipitants can slow down the reaction between the silicate and the precipitants or prolong the gel time. Slowing down the reaction can allow the gel components, silicate, and precipitants to more fully penetrate the unconsolidated subsurface before gelation occurs. In addition, if silicate precipitators are used in the form of solid material crushed to micron or submicron sizes, then silicate precipitators have less interference when penetrating into the geological environment.
Этот документ полезен тем, что он обосновывает целесообразность использования силикатов для стабилизации геологической среды.This document is useful in that it justifies the feasibility of using silicates to stabilize the geological environment.
В патенте США № 8,822,386 , выданном 2 сентября 2014 года на имя Кинтеро и др. (Quintero et al.), раскрыты буровые растворы, содержащие наночастицы и способы применения таких растворов при бурении, а также растворы, используемые при завершении скважины. Этот документ вносит дальнейший вклад в корпус работ, относящихся к буровым растворам и говорит о пользе применения таких текучих сред в процессе бурения. Текст этого патента приводит дальнейшие подробности в этом отношении.U.S. Patent No. 8,822,386, issued September 2, 2014 to Quintero et al., discloses drilling fluids containing nanoparticles and methods for using such fluids in drilling, as well as fluids used in well completion. This document further contributes to the body of work relating to drilling fluids and speaks to the benefits of using such fluids in the drilling process. The text of this patent gives further details in this regard.
Согласно одному примеру осуществления предлагаемого изобретения, не ограничивающему объем последнего, буровой раствор, содержащий наночастицы, предположительно полезен с точки зрения стабилизации скважины в процессе бурения, в частности, при проходке участков глинистого сланца, которые могут содержать области, склонные к осыпанию в скважину или содержащие глину, склонную к разбуханию, что нежелательно, при контакте с водой, вводимой в составе бурового раствора. В качестве такого бурового раствора могут использоваться, в частности, такие водные буровые растворы, как WBM, такие неводные буровые растворы, как ОВМ или SBM, или их комбинации, а именно, эмульсии. В количестве, обеспечивающем взвешенное состояние наночастиц в буровом растворе, может быть использовано поверхностно-активное вещество. Предполагается, что в составе таких стабилизирующих глинистый сланец буровых растворов полезны такие наночастицы, которые имеют свойство связываться с глинистым сланцем и способствуют сохранению им исходного состояния или состояния, как можно более близкого к исходному, то есть, укрепляют стенку скважины. Способствовать такой стабилизации глинистого сланца могут наночастицы с поверхностным зарядом, такие как углеродные нанотрубки. Кроме того, малый размер наночастиц обеспечивает для них прекрасную возможность доступа к матрице микроструктуры глинистого сланца, чтобы удерживать как внешние, так и внутренние поверхности глины и минимизировать повреждение ее структуры.According to one non-limiting exemplary embodiment of the present invention, a drilling fluid containing nanoparticles is believed to be useful in terms of stabilizing a well during drilling, in particular when driving shale areas that may contain areas that are prone to shedding into the well or contain clay prone to swelling, which is undesirable, in contact with water introduced in the composition of the drilling fluid. As such a drilling fluid, in particular, aqueous drilling fluids such as WBM, non-aqueous drilling fluids such as OBM or SBM, or combinations thereof, namely emulsions, can be used. A surfactant may be used in an amount that ensures the suspended state of the nanoparticles in the drilling fluid. It is assumed that nanoparticles are useful in the composition of such shale stabilizing drilling fluids, which have the property to bind to shale and help to maintain its original state or state as close as possible to the original state, that is, strengthen the wellbore wall. Surface-charged nanoparticles, such as carbon nanotubes, can contribute to this stabilization of the shale. In addition, the small size of the nanoparticles provides them with excellent access to the shale microstructure matrix to hold both the outer and inner surfaces of the clay and minimize damage to its structure.
Использование в качестве буровых растворов высококремнистых водосодержащих силикатов щелочных металлов раскрывается в патенте США № 9,212,304, выданном 15 декабря 2015 года на имя Макдональд (McDonald). Этот документ является дополнительным свидетельством в пользу применимости таких композиций в нефтегазовой отрасли. Текст этого патента гласит:The use of high-silica hydrous alkali metal silicates as drilling fluids is disclosed in US Pat. No. 9,212,304, issued December 15, 2015 to McDonald. This document is additional evidence in favor of the applicability of such compositions in the oil and gas industry. The text of this patent reads:
Предлагаемым изобретением предусмотрен способ стабилизации ствола скважины при бурении скважин для традиционных и нетрадиционных источников энергии, в том числе (но не только) традиционных нефтяных и газовых скважин, сланцевого газа и нефтеносных песков. Способ предусматривает использование бурового раствора, который помимо прочего может реагировать с глинистым сланцем для предотвращения гидратации и дисперсности, закупоривать микротрещины, предотвращать расслоение глинистого сланца, предотвращать увеличение доли битуминозной нефти, обеспечивать возможность бурения обедненных зон.The present invention provides a method for stabilizing a wellbore when drilling wells for conventional and unconventional energy sources, including (but not limited to) conventional oil and gas wells, shale gas and oil sands. The method involves the use of a drilling fluid that, among other things, can react with shale to prevent hydration and dispersion, plug microcracks, prevent shale separation, prevent an increase in the proportion of bituminous oil, and enable drilling of depleted zones.
Предлагаемым изобретением предусмотрено использование более крупных, более сложных полисиликатных анионов, находящихся в высококремнистых водосодержащих силикатах. Эти высококремнистые водосодержащие силикаты не являются традиционными доступными для приобретения силикатами. Эти полисиликатные анионы ускоряют реакции осаждения и полимеризации в большей степени, чем водосодержащие силикаты стандартной кремнистости. Более высокая кремнистость дает силикат с более низкой минерализацией, что делает буровой раствор менее загрязняющим окружающую среду. Для достижения необходимой стабилизации ствола скважины высококремнистый водосодержащий силикат можно добавлять к буровому раствору в широком диапазоне концентраций. Концентрация растворимого кремневого ангидрида в буровом растворе может составлять от 0,25 мас.% до приблизительноThe present invention contemplates the use of larger, more complex polysilicate anions found in high silica hydrous silicates. These high silica hydrous silicates are not conventional commercially available silicates. These polysilicate anions accelerate the precipitation and polymerization reactions to a greater extent than hydrous silicates of standard silica. Higher silicity yields a silicate with lower salinity, which makes the drilling fluid less polluting. To achieve the necessary stabilization of the wellbore, high-silica water-containing silicate can be added to the drilling fluid in a wide range of concentrations. The concentration of soluble silicic anhydride in the drilling fluid can be from 0.25 wt.% to about
- 3 043119 мас.%. Что касается рН, то представляется предпочтительным такое решение, когда этот показатель поддерживается на уровне выше 10.- 3 043119 wt.%. As far as pH is concerned, it seems preferable to keep this value above 10.
В докладе Высокотемпературное формирование пробки с силикатами, представленном на 13-м симпозиуме по разработке теплоносных геологических сред, проходившем в Стэнфордском университете, Стэнфорд, Калифорния, с 31 января по 2 февраля 2005 года, Стивен Бауэр и др. (Stephen Bauer et al.) раскрывают способ временного закупоривания определенных зон утечки бурового раствора, которые обычно встречаются при бурении скважин в нефтегазовой и геотермальной отраслях. В этой работе описывается химический раствор, обеспечивающий использование уникальных гелеобразующих свойств силикатов экономически эффективным и дружественным к окружающей среде образом для формирования пробок для ограничения водопритока в скважину, путем нагнетания пара в пласт и заливки жидкого цементного раствора при уходе бурового раствора. В этом докладе не рассматривается создание и использование бурового раствора на силикатной основе для уплотнения ствола скважины и обеспечение наличия множественных поперечных соединительных каналов для создания геотермальной системы с замкнутым контуром.In the paper High-Temperature Plug Formation with Silicates, presented at the 13th Thermal Fluid Engineering Symposium, held at Stanford University, Stanford, California, Jan. 31-Feb. 2, 2005, Stephen Bauer et al. disclose a method for temporarily plugging certain areas of drilling fluid leakage that are commonly encountered in drilling wells in the oil and gas and geothermal industries. This paper describes a chemistry that utilizes the unique gelling properties of silicates in a cost effective and environmentally friendly manner to form plugs to restrict water inflow into a well by injecting steam into the formation and pouring slurry as the drilling fluid exits. This report does not cover the creation and use of silicate-based drilling fluid for wellbore sealing and the provision of multiple transverse connection channels to create a closed loop geothermal system.
В заявке РСТ WO 03/106585 на имя Хеллибертон Энерджи Сервисиз (Halliburton Energy Services) описан способ создания химического защитного кожуха: Бурение ствола скважины выполняют с буровым раствором с рН в диапазоне от 6 до 10 и имеющий в своем составе воду, полимерный катионный катализатор, способный принимать и отдавать протоны, который адсорбируется на неконсолидированной глине, глинистых сланцах, песчанике и т. п., водорастворимый или вододиспергируемый полимер, сшиваемый термореактивной смолой и становящийся под действием последней твердым и вязким при выдерживании, и водорастворимую или вододиспергируемую термореактивную смолу, способную сшивать упомянутый полимер. Буровой раствор подвергают катализу и выдерживают, затем с его помощью консолидируют слабые зоны геологической среды, предотвращая таким образом обрушение стенок скважины.In the application PCT WO 03/106585 in the name of Halliburton Energy Services (Halliburton Energy Services), a method for creating a chemical protective casing is described: Drilling a wellbore is performed with a drilling fluid with a pH in the range of 6 to 10 and containing water, a polymer cationic catalyst, capable of accepting and donating protons, which is adsorbed on unconsolidated clay, shale, sandstone, etc., a water-soluble or water-dispersible polymer that is crosslinkable by a thermosetting resin and becomes hard and viscous upon exposure to the latter, and a water-soluble or water-dispersible thermosetting resin capable of crosslinking said polymer. The drilling fluid is subjected to catalysis and aged, then it is used to consolidate weak zones of the geological environment, thus preventing the collapse of the walls of the well.
В этом документе не рассматривается ни создание и использование бурового раствора для уплотнения ствола скважины, ни обеспечение наличия множественных поперечных соединительных каналов для создания геотермальной системы с замкнутым контуром, ни поддержание уплотнения на протяжении срока эксплуатации геотермальной системы (50 лет или более).This document does not address the creation and use of drilling fluid to seal a wellbore, nor the provision of multiple transverse connection channels to create a closed loop geothermal system, nor the maintenance of a seal over the lifetime of a geothermal system (50 years or more).
Что касается технологии множественных поперечных соединительных каналов, то в качестве примера можно привести патент США № 9,512,705 на имя Хеллибертон Энерджи Сервисиз (Halliburton Energy Services), в котором описывается механическое многоканальное поперечное соединение для изолирования нескольких горизонтальных скважин от окружающей геологической среды. Для существующего уровня техники типичны сложные и дорогостоящие механические или цементированные соединения, создание которых требует много этапов по их установке. Из-за этих многих этапов приходится прерывать буровые операции, в частности извлекать на поверхность буровую коронку и забойный блок или ожидать застывания цемента.With respect to multiple lateral connection technology, an example is US Patent No. 9,512,705 to Halliburton Energy Services, which describes a mechanical multi-channel lateral connection for isolating multiple horizontal wells from the surrounding subsurface. The prior art is characterized by complex and expensive mechanical or cemented joints, the creation of which requires many installation steps. Because of these many steps, it is necessary to interrupt drilling operations, in particular, to retrieve the drill bit and bottomhole block to the surface, or to wait for the cement to set.
Еще один недостаток известных технологий множественных поперечных соединительных каналов состоит в уменьшении внутреннего диаметра ствола скважины, что существенно осложняет бурение последующих поперечных каналов и может потребовать бурения вертикальных скважин и центральных стволов большего диаметра.Another disadvantage of known multiple lateral communication channel technologies is the reduction in the borehole inner diameter, which makes drilling subsequent lateral channels much more difficult and may require drilling of vertical wells and larger central boreholes.
Что касается геометрических параметров скважин и аспектов, касающихся выработки электрической энергии, то в патенте США № 6,301,894, выданном 16 октября 2001 года на имя Хальфф (Halff), раскрыта геотермальная электростанция, в основе которой подземный теплообменник с замкнутым контуром. Этот патент фокусируется на преимуществах, касающихся расположения генератора, рационального водопользования, чистоты воды и эффективности при использовании множественных замкнутых контуров. В этом патенте ничего не говорится о технологиях создания эффективных скважин с замкнутым контуром без использования обсадных труб.With regard to well geometries and aspects related to power generation, U.S. Patent No. 6,301,894, issued October 16, 2001 to Halff, discloses a geothermal power plant based on a closed loop underground heat exchanger. This patent focuses on the benefits of generator location, water conservation, water purity and efficiency when using multiple closed loops. This patent does not say anything about technologies for creating efficient wells with a closed loop without the use of casing.
Геотермальная система с замкнутым контуром описана в патентной публикации США № 20110048005, опубликованной 3 марта 2001 года от имени Макгарг (McHargue). Новый подход состоит в том, чтобы осуществлять циркуляцию буровой текучей среды (жидкости или газа) через теплоносную геологическую среду по непрерывным подземным трубопроводам, образованным непрерывными цементированными каналами вдоль пути, образованного пересечением двух или более скважин.A geothermal system with a closed loop is described in US patent publication No. 20110048005, published on March 3, 2001 on behalf of McHargue. The novel approach is to circulate a drilling fluid (liquid or gas) through a thermally charged subsurface through continuous underground pipelines formed by continuous cemented channels along a path formed by the intersection of two or more wells.
В этом патенте ничего не говорится о технологиях создания эффективных скважин с замкнутым контуром без использования обсадных труб.This patent does not say anything about technologies for creating efficient wells with a closed loop without the use of casing.
В публикации PCT/US/2016/019612 на имя Гринфайр энерджи (GreenFire Energy) говорится о том, как из высокотемпературных геологических сред с низкой проницаемостью с использованием систем с замкнутым контуром геотермальной тепловой извлекать тепловую энергию для выработки электрической энергии. Текст публикации гласит:GreenFire Energy Publication PCT/US/2016/019612 talks about how to extract thermal energy from high-temperature, low-permeability geothermal environments using closed-loop geothermal thermal systems to generate electricity. The text of the post reads:
Способ или устройство, предусматривающие использование в скважинной системе с замкнутым контуром текучей среды для извлечения из теплонесущих геологических сред тепловой энергии для выработки электрической энергии, осуществляют/располагают внутри или вблизи высокотемпературных геологических сред с низкой проницаемостью. В некоторых вариантах осуществления предлагаемогоA method or apparatus for using a fluid in a closed loop downhole system to extract thermal energy from heat-carrying subsurfaces to generate electrical power is/is located within or near high-temperature, low-permeability subsurfaces. In some embodiments of the proposed
- 4 043119 изобретения система с замкнутым контуром может иметь одну или более теплообменных зон, из которых хотя бы некоторые могут быть расположены в подземной области, температура которой составляет по меньшей мере 350°С. Эта подземная область может быть в зоне пластичности или в пределах 1000 м от зоны пластичности, температурный градиент которой составляет по меньшей мере 80°С на километр глубины.- 4 043119 of the invention, a closed loop system may have one or more heat exchange zones, of which at least some may be located in an underground region, the temperature of which is at least 350°C. This subterranean region may be within a plastic zone or within 1000 meters of a plastic zone that has a temperature gradient of at least 80° C. per kilometer of depth.
Некоторые варианты осуществления предлагаемых способов производства геотермической энергии предполагают возможность наличия интервалов скважин, не обсаженных металлическими трубами, а вместо этого на таких интервалах в качестве стенок скважины служит пластовая порода, уплотненная затвердевшим веществом-уплотнителем, и стенка скважины на таких интервалах образована таким затвердевшим веществом-уплотнителем, который в некоторых вариантах осуществления изобретения делает диаметр скважины на таких интервалах больше, а в некоторых случаях намного больше, чем на интервалах, где скважина обсажена металлическими трубами.Some embodiments of the proposed methods for the production of geothermal energy suggest the possibility of having intervals of wells that are not cased with metal pipes, but instead, at such intervals, reservoir rock is used as the walls of the well, compacted with a hardened sealant, and the wall of the well at such intervals is formed by such a hardened substance - a compactor, which in some embodiments of the invention makes the borehole diameter at such intervals larger, and in some cases much larger, than at intervals where the wellbore is cased with metal pipes.
После установки теплообменной системы с замкнутым контуром по ней может осуществляться циркуляция текучей среды с целью нагревания последней и выработки энергии с помощью нагретой текучей среды. В частности, извлеченная из теплоносной подземной геологической среды энергия может быть использована непосредственно для теплоснабжения, или же превращена в электрическую энергию или другие полезные формы энергии, как это известно специалистам.Once the closed loop heat exchange system is installed, a fluid can be circulated through it to heat the latter and generate power with the heated fluid. In particular, the energy extracted from the heat-bearing subsurface environment can be used directly for heat supply, or converted into electrical energy or other useful forms of energy, as is known to those skilled in the art.
В дополнение к определению температурного профиля и профиля восполнения потерь тепла предлагаемые способы позволяют оценить долгосрочную перспективность геологической среды для производства геотермической энергии на основе температурного профиля и профиля восполнения потерь тепла. Такой анализ может быть выполнен путем моделирования эксплуатационных характеристик скважины как функции времени с учетом изменения во времени температуры, интенсивности теплового потока, пластичности геологической среды в окрестности скважины и других параметров с целью оценки изменения количества извлекаемой энергии и обеспечиваемой системой эффективности преобразования с течением времени. Такой анализ может быть выполнен также для сравнения разных областей данной геологической среды с целью определения одного или большего количества подходящих мест для размещения теплообменных контуров.In addition to determining the temperature profile and the heat loss recovery profile, the proposed methods make it possible to assess the long-term prospects of the geological environment for the production of geothermal energy based on the temperature profile and the heat loss recovery profile. Such an analysis can be performed by modeling well performance as a function of time, taking into account changes in temperature, heat flow intensity, plasticity of the geological environment in the vicinity of the well, and other parameters over time, in order to assess the change in the amount of energy extracted and the conversion efficiency provided by the system over time. Such an analysis may also be performed to compare different regions of a given subsurface in order to determine one or more suitable locations for the placement of heat exchange circuits.
Раскрываемые здесь варианты осуществления предлагаемого изобретения относятся к устройству и способам извлечения энергии из высокотемпературных непроницаемых геологических сред, не имеющих трещин или пор, естественных или стимулированных. В противоположность тому сложившемуся общему мнению, что для эффективной теплопередачи и производства энергии требуется некоторая степень проницаемости и, следовательно, конвекции, авторы предлагаемого изобретения обнаружили, что непроницаемая теплоносная геологическая среда может быть эффективным и устойчивым ресурсом для извлечения геотермической энергии, в частности, для выработки электрической энергии.Embodiments of the present invention disclosed herein relate to apparatus and methods for extracting energy from high temperature impermeable geological media without fractures or pores, natural or stimulated. Contrary to the prevailing consensus that some degree of permeability and hence convection is required for efficient heat transfer and power generation, the inventors of the present invention have found that an impermeable thermal environment can be an efficient and sustainable resource for extracting geothermal energy, in particular for generating electrical energy.
Геотермальная теплообменная система с замкнутым контуром может быть размещена в подземной геологической среде на основе определенного температурного профиля и определенного профиля восполнения потерь тепла этой подземной геологической среды. Размещение геотермальной теплообменной системы с замкнутым контуром может быть сопряжено с бурением, обсаживанием труб, прострелочновзрывными работами, цементированием, расширением стенок необсаженных скважин с трещинами, уплотнением стенок необсаженных скважин и другими операциями, связанными с бурением и обустройством скважинного контура, как это известно специалистам . Это обустройство может включать размещение теплообменной зоны системы с замкнутым контуром в геологической среде в пределах зоны пластичности или зоны перехода от хрупкости к пластичности. В некоторых вариантах осуществления предлагаемого изобретения это обустройство может включать или дополнительно включать размещение теплообменной зоны системы с замкнутым контуром в геологической среде в пределах зоны хрупкости, а также стимулирование зоны хрупкости в окрестностях зоны теплообмена.A closed loop geothermal heat exchange system can be placed in a subterranean subterranean environment based on a particular temperature profile and a particular heat loss recovery profile of that subterranean environment. Deployment of a closed loop geothermal heat exchange system may involve drilling, casing, perforating and blasting, cementing, reaming fractured open hole walls, sealing open hole walls, and other drilling and well contouring operations as known to those skilled in the art. This arrangement may include locating the heat exchange zone of the closed loop subsurface system within a plastic zone or a brittle-to-ductile transition zone. In some embodiments of the invention, this arrangement may include or further include placing the heat exchange zone of the closed loop system in the subsurface within the brittle zone, as well as stimulating the brittle zone in the vicinity of the heat exchange zone.
Выше было сказано: Размещение геотермальной теплообменной системы с замкнутым контуром может быть сопряжено с бурением, обсаживанием труб, прострелочно-взрывными работами, цементированием, расширением стенок необсаженных скважин с трещинами, уплотнением стенок необсаженных скважин и другими операциями, связанными с бурением и обустройством скважинного контура, как это известно специалистам.It has been said above: The deployment of a closed loop geothermal heat exchange system may involve drilling, pipe casing, perforating and blasting, cementing, reaming open hole walls with cracks, sealing open hole walls, and other operations related to drilling and completion of the well contour, as is known to the experts.
В этом документе ничего не сказано о способах, последовательностях, химических составах или технологиях, которые касались бы уплотнения необсаженных скважин, поддержания уплотнения в течение времени и поддержания целостности ствола скважины.Nothing is said in this document about methods, sequences, chemistries, or technologies that relate to sealing openholes, maintaining seal over time, and maintaining wellbore integrity.
В резюме статьи Сухие горячие горные породы - новый источник геотермической энергии, Energy, том 3, выпуск 5, октябрь 1978 года, страницы 639-644, Мортенсен (Mortensen) пишет следующее:In the summary of Dry Hot Rocks - A New Source of Geothermal Energy, Energy, Volume 3, Issue 5, October 1978, pages 639-644, Mortensen writes the following:
Проект, который ведет Лос-Аламосская научно-исследовательская лаборатория, призван продемонстрировать техническую и экономическую осуществимость извлечения энергии из сухих горячих горных пород как из геотермического источника. Система, проходящая испытания, имеет в своем составе две глубоких буровых скважины, которые пробурены в горячей непроницаемой горной породе и соединены трещиной, полученной с помощью гидроразрыва пласта. В сентябре 1977 года контур циркуля- 5 043119 ции был замкнут в первый раз и вода циркулировала в забойном резервуаре и в паре 10-мегаваттных термальных теплообменниках. Для оценки термических, химических и механических свойств этой системы извлечения энергии на 1978 год планируется серия долговременных экспериментов.The project, led by the Los Alamos Research Laboratory, is designed to demonstrate the technical and economic feasibility of extracting energy from dry hot rocks as a geothermal source. The system being tested has two deep boreholes drilled in hot impermeable rock and connected by a hydraulic fracture. In September 1977, the circulation loop was closed for the first time and water circulated in the bottomhole tank and in a pair of 10-megawatt thermal heat exchangers. To evaluate the thermal, chemical and mechanical properties of this energy extraction system, a series of long-term experiments is planned for 1978.
Основываясь на технологиях сбора геотермической энергии, Сенью и др. (S0nju et al.) в патенте США № 10,260,778, выданном 16 апреля 2019 года, заявляют [с]пособ создания геотермической энергетической установки для извлечения тепловой энергии из горячей сухой геологической среды с низкой пористостью, в котором бурят объединенную питающую и возвратную скважину (22) на первую заданную глубину, после чего бурят скважину на вторую заданную глубину, образующую нижнюю часть (22') упомянутой объединенной питающей и возвратной скважины, при этом на упомянутой второй заданной глубине создают первую коллекторную зону (8), нижнюю часть (22') упомянутой объединенной питающей и возвратной скважины (1') продлевают бурением скважины с тем же или меньшим диаметром до максимальной глубины, где создают вторую коллекторную зону (9), при этом бурят одну или большее число добычных скважин (Р) для создания замкнутого контура между упомянутыми первой коллекторной зоной (8) и второй коллекторной зоной (9), выполненный с возможностью циркуляции в нем рабочей текучей среды, при этом в упомянутой объединенной питающей и возвратной скважине (22, 22') установлена труба (5), а между упомянутыми первой и второй коллекторными зонами (8, 9) установлен флюидоупор (66), герметизирующий кольцевое пространство (20) между нижней частью (22') упомянутой объединенной питающей и возвратной скважины и упомянутой трубой (5) с целью разделения питающего и возвратного потоков.Based on geothermal energy harvesting technologies, Senju et al., in U.S. Patent No. 10,260,778, issued April 16, 2019, claim [c]a way to create a geothermal power plant to extract thermal energy from a hot dry subsurface with low porosity , in which the combined supply and return well (22) is drilled to the first predetermined depth, after which the well is drilled to the second predetermined depth, forming the lower part (22') of the said combined supply and return well, while at the said second predetermined depth, the first reservoir is created zone (8), the lower part (22') of said combined supply and return wells (1') is extended by drilling a well with the same or smaller diameter to a maximum depth, where a second reservoir zone (9) is created, while drilling one or more production wells (P) to create a closed loop between the mentioned first reservoir zone (8) and the second reservoir zone (9), made with the possibility of circulation of the working fluid in it, while in the said combined supply and return well (22, 22') a pipe (5) is installed, and between said first and second collector zones (8, 9) a fluid seal (66) is installed, sealing the annular space (20) between the lower part (22') of said combined supply and return well and said pipe (5) in order to separate the supply and return flows.
Таким образом, известный до даты приоритета предлагаемого изобретения уровень техники нуждается в способе извлечения тепловой энергии из геологической среды, который был бы применим при создании и поддержании уплотнения ствола скважины в условиях геометрических параметров замкнутого контура и был бы эффективен для использования в области геотермальной энергетики без ограничения типом геологической среды, в частностью, ее проницаемостью.Thus, prior to the priority date of the present invention, the prior art is in need of a method for extracting thermal energy from the subsurface that is applicable in creating and maintaining wellbore seals under closed-loop geometries and is efficient for geothermal applications without limitation. type of geological environment, in particular, its permeability.
Предлагаемое изобретение решает ряд проблем в разных областях техники и уникальным образом объединяет принципы для создания нового направления в области геотермальной энергетики.The present invention solves a number of problems in various fields of technology and uniquely combines the principles to create a new direction in the field of geothermal energy.
Краткое описание предлагаемого изобретенияBrief description of the invention
Одной из целей предлагаемого изобретения является обеспечение значительных усовершенствований в технологии создания скважинных структур в целом, а также в области извлечения геотермической энергии.One of the objectives of the invention is to provide significant improvements in the technology of creating borehole structures in general, as well as in the field of geothermal energy extraction.
Еще одной целью предлагаемого изобретения является создание способа создания скважинной структуры в геологической среде, пригодной для извлечения геотермической энергии, содержащего следующие стадии:Another objective of the present invention is to provide a method for creating a well structure in a geological environment suitable for extracting geothermal energy, comprising the following steps:
в процессе бурения вызывают в скважинной структуре необратимое нарушение проницаемости, используя по меньшей мере одно из следующих воздействий: термическое, механическое, химическое, биологическое, и создают практически непроницаемую для текучих сред прослойку между скважинной структурой и геологической средой.during the drilling process, an irreversible permeability disturbance is caused in the well structure using at least one of the following actions: thermal, mechanical, chemical, biological, and a layer practically impermeable to fluids is created between the well structure and the geological environment.
Использование технологий нарушения проницаемости является парадоксальным решением в области бурения стволов скважин и, в частности, в области геотермальной энергетики, зависящей от миграции текучей среды через поры, трещины и т. п. Предлагаемая технология в качестве первого шага предусматривает уплотнение трещин и других областей геологической среды, облегчающих миграцию текучей среды.The use of permeability disruption technologies is a paradoxical solution in the field of drilling wellbores and, in particular, in the field of geothermal energy, depending on the migration of fluid through pores, fractures, etc. The proposed technology, as a first step, involves sealing cracks and other areas of the geological environment facilitating fluid migration.
В предлагаемом изобретении предусмотрено использование разрушающих технических приемов для уменьшения проницаемости стенок скважины до такой степени, чтобы в геологической среде нагревание рабочей текучей среды, предназначенной для извлечения тепла, осуществлялось только за счет кондуктивной передачи тепла от окружающей горной породы.The present invention provides for the use of destructive techniques to reduce the permeability of the borehole walls to such an extent that in the subsurface the heating of the working fluid intended for heat extraction is carried out only due to the conductive heat transfer from the surrounding rock.
Эта технология порождает немедленную выгоду, состоящую в том, что уменьшается или полностью отпадает потребность в обсадных трубах и соединителях. Одно это дает большую экономию в бурении, а этот процесс обусловливает большую часть расходов, связанных с освоением геотермальных ресурсов.This technology generates the immediate benefit of reducing or eliminating the need for casing and connectors. This alone provides great savings in drilling, and this process accounts for most of the costs associated with the development of geothermal resources.
Что касается еще одной цели одного из аспектов осуществления предлагаемого изобретения, то ею является создание способа создания скважинной структуры с впускной скважиной и выпускной скважиной, пробуренных в геологической среде, пригодной для извлечения геотермической энергии, содержащего следующие стадии:With regard to another objective of one of the aspects of the implementation of the present invention, it is to provide a method for creating a well structure with an inlet well and an outlet well drilled in a geological environment suitable for extracting geothermal energy, comprising the following steps:
вызывают необратимое нарушение проницаемости для ствола скважины, простирающегося между упомянутыми впускной и выпускной скважинами при бурении этого ствола скважины, используя для создания практически непроницаемой для текучих сред прослойки между упомянутым стволом скважины и упомянутой геологической средой химическое воздействие, осуществляют циркуляцию в упомянутой скважинной структуре химического состава, способного вызывать выделение осадка на геологической среде с упомянутой прослойкой для повышения уплотнительной способности и механической целостности этой прослойки, иcause an irreversible permeability disturbance for the wellbore extending between said inlet and outlet wells during drilling of this wellbore, using chemical action to create a practically impermeable layer between said wellbore and said geological medium, circulating in said wellbore structure of the chemical composition, capable of causing precipitation on the subsurface with said interlayer to increase the sealing ability and mechanical integrity of this interlayer, and
- 6 043119 осуществляют циркуляцию в уплотненном стволе скважины рабочей текучей среды, содержащей добавку, способствующую поддержанию прослойки для поддержания непроницаемости в процессе циркуляции рабочей текучей среды в скважинной структуре.- 6 043119 carry out the circulation in the compacted wellbore of the working fluid containing an additive that helps maintain the layer to maintain impermeability in the process of circulation of the working fluid in the well structure.
Непроницаемая прослойка между стволом скважины и окружающей геологической средой формируется благодаря специальному выбору химических соединений и последовательности операций. В результате получается снабженный непроницаемой прослойкой самовосстанавливающийся ствол скважины, который, будучи встроенным в реальный выходящий на поверхность замкнутый контур, представляет великолепную альтернативу геотермальным технологиям, основывающимся на гидроразрыве пласта и на использовании обсадных труб во всем контуре.The impermeable layer between the wellbore and the surrounding geological environment is formed due to a special choice of chemical compounds and sequence of operations. The result is an impermeable, self-healing wellbore that, when built into a real surface loop, provides an excellent alternative to geothermal fracturing and casing-in-the-loop geothermal technologies.
Специалистам должно быть понятно, что для формирования упомянутой прослойки может быть использовано огромное множество химических составов. Для этого в составе бурильного раствора могут быть использованы те соединения, которые образуют осадок с геологической средой, окружающей ствол скважины. Для второй обработки может быть использовано любое подходящее соединение, которое реагирует с любым неосажденным составом, оставшимся после первой обработки. Наконец, для циркуляции в контуре может быть выбрана рабочая текучая среда, обеспечивающая дальнейшее реагирование с различного рода щелями, трещинами, аномалиями и т. п., которые со временем развиваются в прослойке.Those skilled in the art will appreciate that a wide variety of chemical compositions can be used to form said interlayer. To do this, the composition of the drilling fluid can be used those compounds that form a sediment with the geological environment surrounding the wellbore. For the second treatment, any suitable compound may be used which reacts with any non-precipitated composition remaining after the first treatment. Finally, a working fluid can be selected to circulate in the loop to further respond to the various crevices, cracks, anomalies, etc. that develop over time in the interlayer.
Рабочую текучую среду выбирают с целью оптимизировать термодинамические характеристики геотермальной системы и повысить механическую целостность ствола скважины. Чтобы это обеспечить, по завершении бурения могут производиться дополнительный операции по обработке ствола скважины.The working fluid is selected to optimize the thermodynamic performance of the geothermal system and improve the mechanical integrity of the wellbore. To ensure this, after completion of drilling, additional operations may be performed to treat the wellbore.
Образованные с использованием описываемой здесь технологии скважинные структуры могут быть сделаны подходящими для создания геотермальных систем с замкнутым контуром за одну операцию в противоположность многоэтапным действиям, требующимся в случае применения существующих технологий. Кроме явного сокращения количества отдельных операций обеспечивается также положительный экономический эффект. Это главная особенность предлагаемой технологии, ставящая ее значительно выше способов, используемых в настоящее время.Well structures formed using the technology described here can be made suitable for creating closed loop geothermal systems in a single operation, as opposed to the multi-stage operations required with existing technologies. In addition to a clear reduction in the number of individual operations, a positive economic effect is also provided. This is the main feature of the proposed technology, which puts it much higher than the methods currently used.
С точки зрения работы меры по решению проблем, возникающих по ходу бурения в связи с нерегулярными или меняющимися условиями, должны приниматься оперативно по мере возникновения этих проблем. Еще одной существенной чертой предлагаемой технологии является ее адаптивность и гибкость. Поскольку эта методология основывается на технологиях создания в геологической среде скважины путем разрушения пласта, в чем данные технологии находятся в коллизии с известными технологиями, то предлагаемая технология в самом неблагоприятном случае предлагает делать геологическую среду подходящей для создания геотермальной системы с замкнутым контуром, не принимая во внимание проницаемость или геологическое строение.From a performance standpoint, measures to address problems that arise during drilling due to irregular or changing conditions must be taken promptly as problems arise. Another essential feature of the proposed technology is its adaptability and flexibility. Since this methodology is based on technologies for creating a well in the geological environment by destroying a reservoir, in which these technologies are in conflict with known technologies, the proposed technology, in the worst case, proposes to make the geological environment suitable for creating a geothermal system with a closed loop, without taking into account permeability or geological structure.
В альтернативном варианте целью еще одного аспекта предлагаемого изобретения является создание способа образования скважины в теплоносной геологической среде для извлечения энергии, содержащего следующие стадии:Alternatively, another aspect of the present invention is to provide a method for producing a well in a heat-bearing subsurface for energy recovery, comprising the following steps:
бурят в теплоносной геологической среде скважину с необсаженным стволом, вводят в ствол скважины активные химические вещества для химических реакций с целью образования непроницаемой для текучих сред прослойки между стволом скважины и геологической средой, так чтобы упомянутая прослойка содержала также непрореагировавшие активные химические вещества, и вводят в ствол скважины рабочую текучую среду, способную вступать в реакции с упомянутыми непрореагировавшими активными химическими веществами для дальнейшего формирования прослойки.an open hole is drilled in a heat-bearing geological environment, injected into the wellbore active chemicals for chemical reactions to form a fluid-tight interlayer between the wellbore and the geological environment, so that said interlayer also contains unreacted active chemicals, and injected into the wellbore well working fluid capable of reacting with said unreacted active chemicals to further form the interlayer.
Пока имеется эффективный запас непрореагировавших активных химических веществ, ствол скважины способен к самовосстановлению в случае каких-либо проблем с прослойкой. Таким образом, рабочая текучая среда не только отбирает тепловую энергию геологической среды с максимальной эксплуатационной эффективностью, но и обеспечивает поддержание целостности прослойки, не требуя для этого много сил и средств.As long as there is an effective supply of unreacted active chemicals, the wellbore is capable of self-healing in the event of any interlayer problems. Thus, the working fluid not only removes the thermal energy of the geological environment with maximum operational efficiency, but also ensures the integrity of the interlayer is maintained without requiring a lot of effort and money.
В целях осуществления экологически ответственных способов, которые здесь излагаются, еще одной целью одного из вариантов осуществления предлагаемого изобретения является создание способа восстановления ствола скважины, в том числе участков, подвергшихся гидроразрыву, созданных в геологической среде по технологиям гидроразрыва пласта, содержащего следующие стадии:In order to implement the environmentally responsible methods that are set forth here, another goal of one of the embodiments of the present invention is to provide a method for restoring a wellbore, including sections that have undergone hydraulic fracturing, created in the geological environment using hydraulic fracturing technologies, containing the following stages:
обрабатывают ствол скважины и пористое пространство участков, подвергшихся гидроразрыву, первым химическим составом, который способен образовывать на этих участках осажденную непроницаемую прослойку, и с целью осаждения возможных непрореагировавших остатков упомянутого первого химического состава обрабатывают эту прослойку вторым химическим составом для дальнейшего ее уплотнения.the wellbore and the porous space of the areas subjected to hydraulic fracturing are treated with the first chemical composition, which is capable of forming a deposited impermeable layer in these areas, and in order to precipitate possible unreacted residues of the mentioned first chemical composition, this layer is treated with the second chemical composition for its further compaction.
Описываемые здесь технологии уплотнения делают возможным как восстановление, так и преобразование геотермических процессов, основывающихся на гидроразрыве пласта.The sealing technologies described here make it possible to both restore and transform geothermal processes based on hydraulic fracturing.
В связи с этим еще одной целью одного из вариантов осуществления предлагаемого изобретения является создание способа преобразования открытой геотермальной системы, геологическая среда которой имеет по меньшей мере одно из следующего: разрывное нарушение, неконсолидированную горную породу, песок, имеющей сообщенные с возможностью переноса текучей среды впускную скважину иIn this regard, another object of one of the embodiments of the present invention is to provide a method for converting an open geothermal system, the geological environment of which has at least one of the following: a fracture, unconsolidated rock, sand, having an inlet well in communication with the possibility of transferring fluid And
- 7 043119 выпускную скважину, в геотермальную скважинную структуру с замкнутым контуром, содержащего следующие стадии:- 7 043119 outlet well, into a geothermal well structure with a closed loop, comprising the following stages:
вводят первый химический состав, который способен образовывать осажденную непроницаемую прослойку в области между упомянутыми впускной скважиной и выпускной скважиной и в упомянутой геологической среде, имеющей по меньшей мере одно из следующего: разрывное нарушение, неконсолидированную горную породу, песок, обеспечивая этим создание замкнутого контура, включающего упомянутую геологическую среду, имеющую по меньшей мере одно из следующего: разрывное нарушение, неконсолидированную горную породу, песок, а также упомянутые впускную скважину, выпускную скважину и область между ними, и для осаждения возможных непрореагировавших остатков упомянутого первого химического состава обрабатывают упомянутую прослойку вторым химическим составом с целью дальнейшего ее уплотнения.a first chemical composition is introduced that is capable of forming a deposited impermeable layer in the area between said inlet well and outlet well and in said geological environment having at least one of the following: a fracture, unconsolidated rock, sand, thereby providing the creation of a closed loop, including said subsurface having at least one of the following: a discontinuity, unconsolidated rock, sand, and said inlet well, outlet well, and the area therebetween, and to deposit possible unreacted residues of said first chemical composition, treat said interlayer with a second chemical composition for further compaction.
Краткое описание прилагаемых графических материаловBrief Description of Attached Graphics
На фиг. 1 представлены графики зависимости объема фильтрата от времени для текучих сред разного состава.In FIG. 1 shows plots of filtrate volume versus time for fluids of various compositions.
На фиг. 2 представлены графики зависимости перепада давления и проницаемости от времени при испытаниях керна на заводнение при химическом закреплении пласта, описанных в примере 1.In FIG. Figure 2 shows graphs of pressure drop and permeability versus time during core tests for waterflooding with chemically anchored formation, described in example 1.
На фиг. 3 схематично изображено сечение скважинной структуры со стенками, непроницаемость которых на поперечном участке между впускной и выпускной скважинами обеспечена без обсадных труб.In FIG. 3 schematically shows a section of a borehole structure with walls that are impermeable in the transverse section between the inlet and outlet wells without casing.
На фиг. 4 скважинная структура, аналогичная изображенной на фиг. 3, изображена с обсадными трубами на части упомянутого поперечного участка, проиллюстрированы также связи с уплотнителем.In FIG. 4, a well structure similar to that shown in FIG. 3 is shown with casings on a portion of said transverse section, and the connections to the seal are also illustrated.
На фиг. 5 уплотненная скважинная структура, аналогичная изображенной на фиг. 4, изображена в имеющей разрывные нарушения геологической среде с пренебрежимо малой проницаемостью.In FIG. 5 is a compacted well structure similar to that shown in FIG. 4 is depicted in a discontinuous subsurface with negligible permeability.
На фиг. 6 схематично изображена многоканальная структура поперечных соединительных участков скважинной структуры.In FIG. 6 schematically shows a multi-channel structure of transverse connecting sections of a well structure.
На фиг. 7 фрагмент уплотненной непроницаемыми стенками многоканальной структуры поперечных соединительных участков, изображенной на фиг. 6, схематично изображен в увеличенном масштабе.In FIG. 7 is a fragment of the multi-channel structure of the transverse connecting sections sealed with impermeable walls, shown in FIG. 6 is shown schematically on an enlarged scale.
На фиг. 8 схематично изображена геотермическая скважинная структура альтернативной конфигурации.In FIG. 8 is a schematic representation of an alternate configuration geothermal well structure.
На фиг. 9 схематично изображена геотермическая скважинная структура согласно еще одному альтернативному варианту конфигурации.In FIG. 9 is a schematic representation of a geothermal well structure according to yet another alternative configuration.
На фиг. 10 схематично изображена геотермическая скважинная структура согласно альтернативному варианту осуществления.In FIG. 10 schematically depicts a geothermal well structure according to an alternative embodiment.
На фиг. 11 схематично изображена геотермическая скважинная структура согласно еще одному альтернативному варианту осуществления.In FIG. 11 is a schematic representation of a geothermal well structure according to yet another alternative embodiment.
На фиг. 12 схематично изображена геотермическая скважинная структура согласно еще одному альтернативному варианту осуществления.In FIG. 12 is a schematic representation of a geothermal well structure according to yet another alternative embodiment.
На фиг. 13 геотермическая скважинная структура, изображенная на фиг. 12, изображена на виде сверху.In FIG. 13 the geothermal well structure shown in FIG. 12 is shown in plan view.
На фиг. 14 схематично изображена геотермическая скважинная структура согласно еще одному альтернативному варианту осуществления.In FIG. 14 is a schematic representation of a geothermal well structure according to yet another alternative embodiment.
На фиг. 15 схематично изображена геотермическая скважинная структура согласно еще одному альтернативному варианту осуществления.In FIG. 15 is a schematic representation of a geothermal well structure according to yet another alternative embodiment.
На фиг. 16 в поперечном сечении изображен ствол скважины, пробуренный в геологической среде с высокой проницаемостью, при этом показан запас непрореагировавшего вещества-уплотнителя,In FIG. 16 is a cross-sectional view of a wellbore drilled in a high permeability subsurface, showing the unconverted packing material,
На фиг. 17 на том же виде, что и на фиг. 16, проиллюстрирована трансформация прослойки ствола скважины, придающей ему непроницаемость, после циркуляционного контакта с рабочей текучей средой.In FIG. 17 in the same view as in FIG. 16 illustrates the transformation of a wellbore impermeability layer after circulating contact with a working fluid.
На фиг. 18 в поперечном сечении изображен ствол скважины, пробуренный в геологической среде с низкой проницаемостью, и прослойка между стволом скважины и окружающей геологической средой.In FIG. 18 shows a cross-sectional view of a wellbore drilled in a low permeability subsurface and an interlayer between the wellbore and the surrounding subsurface.
На фиг. 19 изображена схема варианта осуществления энергетического цикла геотермической скважинной структуры согласно предлагаемому изобретению.In FIG. 19 is a diagram of an embodiment of a power cycle for a geothermal well structure in accordance with the present invention.
На фиг. 20 изображена схема альтернативного проиллюстрированному на фиг. 19 варианта осуществления энергетического цикла геотермической скважинной структуры.In FIG. 20 is a diagram of an alternative to that illustrated in FIG. 19 embodiments of the energy cycle of the geothermal well structure.
На фиг. 22 изображена схема интегрированного геотермического контура, содержащего турбину и генератор, получающие привод непосредственно от рабочей текучей среды геотермальной системы.In FIG. 22 is a diagram of an integrated geothermal circuit comprising a turbine and generator driven directly by the working fluid of the geothermal system.
На фиг. 23 изображена схема варианта осуществления интегрированного геотермического контура, альтернативного проиллюстрированному на фиг. 22.In FIG. 23 is a diagram of an alternative embodiment of an integrated geothermal circuit to that illustrated in FIG. 22.
На фиг. 24 изображены графики изменения температуры разных рабочих текучих сред в зависимости от расстояния.In FIG. 24 shows graphs of the temperature of various working fluids as a function of distance.
На фиг. 25 схематично изображена система скважин, соединенных в W-образную конфигурацию или в шлейф.In FIG. 25 schematically shows a system of wells connected in a W-shaped configuration or in a loop.
На фиг. 25А совокупность поперечных соединительных скважин системы, изображенной наIn FIG. 25A is a set of transverse connection wells of the system depicted in
- 8 043119 фиг. 25, изображена в увеличенном масштабе.- 8 043119 fig. 25 is shown on an enlarged scale.
На фиг. 26 изображена система скважин согласно варианту осуществления, альтернативному проиллюстрированному на фиг. 25.In FIG. 26 depicts a well system in accordance with an alternative embodiment to that illustrated in FIG. 25.
На фиг. 27 изображена система скважин согласно еще одному варианту осуществления, альтернативному проиллюстрированному на фиг. 25.In FIG. 27 depicts a well system in accordance with yet another alternative embodiment to that illustrated in FIG. 25.
На фиг. 28 изображена система скважин согласно еще одному варианту осуществления, альтернативному проиллюстрированному на фиг. 25.In FIG. 28 depicts a well system in accordance with yet another alternative embodiment to that illustrated in FIG. 25.
На прилагаемых чертежах сходным элементам присвоены сходные ссылочные обозначения.In the accompanying drawings, like elements are given like reference numerals.
Предлагаемое изобретение применимо в отраслях геотермальной энергетики и рекультивации участков земной коры, служащих источником геотермической энергии.The present invention is applicable in the fields of geothermal energy and reclamation of areas of the earth's crust that serve as a source of geothermal energy.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретенияDetailed Description of the Preferred Embodiments of the Invention
Говоря кратко, предлагаемое изобретение относится к проектированию и техническому исполнению скважинных структур, в частности, геотермических скважинных структур с замкнутым контуром. Аспект технического исполнения включает операции:Briefly, the present invention relates to the design and technical implementation of well structures, in particular geothermal well structures with a closed loop. The aspect of technical execution includes operations:
i) создают уплотнение (придают непроницаемость стенкам) ствола скважины в процессе бурения, ii) по завершении процесса бурения усиливают уплотнение химической обработкой, и iii) затем заменяют буровой раствор циркулирующей рабочей текучей средой, усиливающей и поддерживающей уплотнение путем создания уплотнительной прослойки в местах оставшейся проницаемости и его восстановления при возникновении проницаемости с поддержанием целостности ствола скважины.i) sealing (impermeability of the walls) of the wellbore during drilling, ii) upon completion of the drilling process, strengthening the seal with a chemical treatment, and iii) then replacing the drilling fluid with a circulating working fluid that enhances and maintains the seal by creating a sealing layer in places of remaining permeability and its recovery in the event of permeability while maintaining the integrity of the wellbore.
Гибкость такого подхода позволяет применять каждую из этих операций отдельно в зависимости от конкретных свойств геологической среды, однако они наиболее эффективны, когда осуществляются совместно для создания и поддержания геотермальных систем с замкнутым контуром.The flexibility of this approach allows each of these operations to be applied separately depending on the specific properties of the geological environment, but they are most effective when performed together to create and maintain closed-loop geothermal systems.
Скважинная структура может иметь разнообразные конфигурации, например, конфигурацию единой U-образной трубы, в которой впускная и выпускная скважины расположены на одном и том же участке земли, или конфигурацию труба в трубе, которая может быть вертикальной, наклонной или горизонтальной и включать шлейф из нескольких таких скважинных структур, или L-образную конфигурацию и т.д. Это только примеры, которыми разнообразие конфигураций не ограничивается. Специалистам должны быть известны другие подходящие решения.The well structure can have a variety of configurations, such as a single U-tube configuration in which the inlet and outlet wells are located on the same piece of land, or a pipe-in-pipe configuration that can be vertical, inclined or horizontal and include a plume of several such well structures, or an L-shaped configuration, etc. These are just examples and the variety of configurations is not limited. Those skilled in the art will be aware of other suitable solutions.
Варианты, упомянутые выше, особенно эффективны при создании скважинных систем с множественными поперечными соединительными каналами, в которых эти множественные поперечные соединительные каналы соединены с вертикальным стволом скважины, обычно это скважинная структура с конфигурацией U-образной трубы с множественными горизонтальными каналами, соединяющими вертикальную обсаженную впускную скважину и вертикальную обсаженную выпускную скважину. Использование множественных поперечных соединительных каналов дает несколько преимуществ, до сих пор в отрасли неизвестных. А именно следующих.The options mentioned above are particularly effective in creating multiple lateral communication channels downhole systems in which the multiple lateral communication channels are connected to a vertical wellbore, typically a U-tube well structure with multiple horizontal channels connecting a vertical cased inlet well. and a vertical cased outlet well. The use of multiple transverse connecting channels provides several advantages, hitherto unknown in the industry. Namely, the following.
i) Чтобы сэкономить время и избежать материальных затрат, связанных с установкой обсадных труб, поперечные соединительные каналы можно начинать, бурить и завершать с необсаженным стволом.i) To save time and material costs associated with the installation of casing, transverse connection channels can be started, drilled and completed open hole.
ii) При бурении за одну операцию в процессе бурения можно создавать и уплотнять (делать непроницаемыми) места соединений в необсаженных стволах. Это позволяет обойтись без сложных механических соединителей, размещения цемента в кольцевом пространстве, выбуривания цементировочной пробки или металлических секций, многократных доставок на поверхность и других сложностей и расходов, связанных с хитросплетенными подземными операциями и приводящих к задержкам перспективного бурения.ii) When drilling, it is possible to create and seal (tighten) joints in open holes in a single drilling operation. This eliminates complicated mechanical connectors, placing cement in the annulus, drilling out the cement plug or metal sections, multiple deliveries to the surface, and other complexities and costs associated with intricate underground operations that lead to delays in prospective drilling.
iii) He уменьшается внутренний диаметр, что позволяет бурить неограниченное количество поперечных соединительных каналов.iii) Does not reduce the internal diameter, which allows you to drill an unlimited number of transverse connecting channels.
iv) Нет уменьшения теплопередачи, обусловленного наличием изолирующего цементного слоя или неподвижного кольцевого пространства между стальной обсадной трубой и горной породой.iv) There is no reduction in heat transfer due to the presence of an insulating cement layer or a fixed annulus between the steel casing and the rock.
v) И наконец, появилась возможность повторно входить в множественные поперечные соединительные каналы с помощью оборудования магнитной локации для пересечения с другими поперечными стволами и создавать замкнутую скважинную структуру с конфигурацией U-образной трубы.v) Finally, it was possible to re-enter multiple transverse connection channels with magnetic location equipment to intersect with other transverse wellbores and create a closed well structure with a U-tube configuration.
Что касается уплотнения в процессе бурения, то оно может быть осуществлено внесением в сам буровой раствор добавок, которые создают необратимое нарушение проницаемости, уменьшая последнюю до нуля или понижая ее до пренебрежимо малого уровня.With regard to compaction during drilling, it can be carried out by adding additives to the drilling fluid itself, which create an irreversible permeability, reducing the latter to zero or lowering it to a negligible level.
В качестве таких добавок могут использоваться ускорители биологического обрастания, например, используемые в микробиологических методах повышения нефтеотдачи пластов, или же физические частицы, способные создавать непроницаемую глинистую корку, или же химические кольматанты, вступающие в реакцию при контакте с геологической средой и проникновении в нее, например, отверждающиеся со временем смолы или термоотверждающиеся смолы и эпоксиды, гели и полимеры.Such additives can be biofouling accelerators, such as those used in microbiological enhanced oil recovery methods, or physical particles capable of creating an impermeable clay cake, or chemical bridging agents that react upon contact with and penetration into the subsurface, such as , time curing resins or thermoset resins and epoxies, gels and polymers.
Еще один способ осуществлять уплотнение ствола скважины в процессе бурения основывается на уплотнении поверхности горной породы путем плавления стенки ствола скважины под действием чрезвычайно высоких температур, например, с помощью высокотемпературной плазмы или лазерной бурильной головки.Another way to seal a wellbore while drilling relies on compacting the rock surface by melting the borehole wall at extremely high temperatures, such as with high temperature plasma or a laser drill head.
- 9 043119- 9 043119
Предпочтительным решением представляется использование химических кольматантов, например, щелочно-силикатного бурового раствора с рН выше 10,5, который в стволе скважины остается в жидком состоянии, но осаждается с образованием твердого тела после контакта с горной породой и проникновения в нее. Техническая функция бурового раствора различна в проницаемых породах (например, в песчанике или в трещиноватой породе) и в непроницаемых породах, таких как, например, плотные сланцы или алевролиты. В проницаемых геологических средах жидкий щелочно-силикатный буровой раствор попадает во всякие пути проникновения потока прежде, чем вступит в реакцию и перейдет в твердое состояние. Получающийся в результате твердый осадок заполняет пористую структуру и естественные трещины в самой породе и создает непроницаемый для текучей среды барьер между стволом скважины и геологической средой.The preferred solution is to use chemical bridging agents, such as an alkaline silicate drilling fluid with a pH greater than 10.5, which remains liquid in the wellbore but settles to form a solid after contact with and penetration into the rock. The technical function of the drilling fluid is different in permeable rocks (eg sandstone or fractured rock) and in impermeable rocks such as, for example, tight shales or siltstones. In permeable geological environments, liquid alkaline silicate drilling fluid enters all kinds of flow paths before it reacts and becomes a solid. The resulting solid sediment fills the porous structure and natural fissures in the rock itself and creates a fluid-tight barrier between the wellbore and the subsurface.
В противоположность этому в горных породах с проницаемостью, близкой к нулевой, таких как, например, глинистый сланец, функция бурового раствора состоит не в нарушении проницаемости, так как ее и так нет. В этих случаях буровой раствор используют для создания механического и химического барьера между горной породой и стволом скважины и заполнения естественных трещин, щелей или сколов. Конечный результат тот же самый: создание непроницаемого для текучей среды барьера между стволом скважины и геологической средой.In contrast, in rocks with near zero permeability, such as shale, for example, the function of the drilling fluid is not to disturb the permeability, since it does not exist anyway. In these cases, the drilling fluid is used to create a mechanical and chemical barrier between the rock and the wellbore and fill natural cracks, crevices, or chips. The end result is the same: creating a fluid-tight barrier between the wellbore and the subsurface.
Вещество-уплотнитель может быть использовано также для цементации рыхлых песков, для повышения устойчивости пласта к сжимающим нагрузкам и для предотвращения выноса песка из пласта в скважину и обрушения стенок скважины.Sealant can also be used for cementation of loose sands, to increase the resistance of the formation to compressive loads and to prevent sand from the formation into the well and collapse of the well walls.
Как известно, растворимые силикаты содержат три компонента, а именно: кремневый ангидрид, оксид щелочного металла и воду. Кремневый ангидрид (диоксид кремния, SiO2) является главным компонентом растворимых силикатов, и он стабилизируется оксидом щелочного металла. Оксид щелочного металла может быть выбран из следующей группы: оксид натрия (Na2O), оксид калия (K2O), оксид лития (Li2O). Этот компонент отвечает за поддержание растворимости кремневого ангидрида.As is known, soluble silicates contain three components, namely, silicic anhydride, alkali metal oxide and water. Silicic anhydride (silicon dioxide, SiO2) is the main component of soluble silicates and is stabilized by alkali metal oxide. The alkali metal oxide may be selected from the following group: sodium oxide (Na2O), potassium oxide (K2O), lithium oxide (Li2O). This component is responsible for maintaining the solubility of silicic anhydride.
В число подходящих силикатов входят алюмосиликаты калия, натрия. Они доступны как в жидком виде, так и в виде порошка. В предлагаемом изобретении использование силикатов желательно, так как они способны вступать в химические реакции определенного типа, в частности, они образуют гель (с резким снижением рН), что является признаком полимеризации или сгущения структур растворимого силиката с образованием водосодержащей аморфной гелевой структуры силиката. Гелеобразование вызывается резким снижением рН, при этом процесс полимеризации начинает протекать быстро при рН ниже 10,5.Suitable silicates include potassium, sodium aluminosilicates. They are available in both liquid and powder form. In the present invention, the use of silicates is desirable, as they are capable of entering into certain types of chemical reactions, in particular, they form a gel (with a sharp decrease in pH), which is a sign of polymerization or thickening of soluble silicate structures to form a water-containing amorphous silicate gel structure. Gelation is caused by a sharp decrease in pH, while the polymerization process begins to proceed quickly at a pH below 10.5.
Другой тип реакции, в которую могут вступать силикаты, проявляется в образовании осадка в присутствии катионов, в частности, катионов кальция. Осаждение имеет место при образовании поперечных межмолекулярных связей молекул силиката поливалентными катионами (то есть Са+2, Mg+2, Al+3, Fe+3, и т.д.). Эти катионы присутствуют в пластовой жидкости, поэтому результатом взаимодействия бурового раствора с пластовой жидкостью является осаждение твердого вещества в пористой структуре.Another type of reaction that silicates can enter into is the formation of a precipitate in the presence of cations, in particular calcium cations. Precipitation takes place when cross-linking silicate molecules with polyvalent cations (ie Ca + 2, Mg + 2, Al +3 , Fe +3 , etc.). These cations are present in the formation fluid, so the result of the interaction of the drilling fluid with the formation fluid is the deposition of a solid in the porous structure.
Еще один тип реакции, в которую могут вступать силикаты, проявляется в дегидрации. По мере того как из жидкого силиката удаляется вода, силикат становится все более клейким и вязким, пока не превратится, в конце концов, в стекловидную пленку. Такие реакции протекают в околоскважинном пространстве при смешивании фильтрата из бурового раствора с текучими средами, присутствующими в материнской породе.Another type of reaction that silicates can enter into is dehydration. As water is removed from the liquid silicate, the silicate becomes more and more sticky and viscous until it eventually becomes a vitreous film. Such reactions take place in the near-wellbore environment by mixing the filtrate from the drilling fluid with the fluids present in the matrix.
Силикаты можно считать особо пригодными для использования в предлагаемом изобретении потому, что они проявляют устойчивость в качестве веществ-уплотнителей как в условиях местной окружающей среды, так и в условиях сверхвысоких температур. Например, в литейном производстве силикаты щелочных металлов и песок используются при температурах 650°С и выше, и эта основная химическая реакция используется также для герметизации бетонных конструкций при температуре окружающего воздуха.Silicates may be considered particularly suitable for use in the present invention because they exhibit stability as sealants both in local environmental conditions and at ultra-high temperatures. For example, in foundries, alkali metal silicates and sand are used at temperatures of 650°C and above, and this basic chemical reaction is also used to seal concrete structures at ambient temperature.
Чтобы обеспечить максимальное проникновение текучей среды в пласт и ускорить поглощение фильтрата пластом для химического уплотнения ствола скважины, щелочно-силикатный буровой раствор составляют так, чтобы он не содержал твердой фазы и имел низкую вязкость. Для множественных поперечных соединительных каналов серьезную проблему представляет трение, поэтому в буровой раствор вносят смазывающую добавку, совместимую с силикатным раствором и не вредящую уплотняющим свойствам бурового раствора.In order to maximize fluid penetration into the formation and accelerate the absorption of filtrate into the formation for chemical wellbore sealing, the alkali silicate drilling fluid is formulated to be free of solids and have a low viscosity. For multiple transverse connecting channels, friction is a serious problem, so a lubricant additive is added to the drilling fluid that is compatible with the silicate fluid and does not harm the sealing properties of the drilling fluid.
Концентрация активного силиката щелочного металла в воде может составлять от 0,3 до 10 мас.%, предпочтительно от 3 до 6 мас.%. Оптимальная величина концентрации в некоторой степени зависит от свойств геологической среды, в частности, от конкретного состава пластовой жидкости и ее температуры. Более высокие температуры горной породы могут вызвать задержку выделения осадка. Осаждение замедляется также при низком содержании в пластовой жидкости поливалентных катионов, например, ниже 1000 мг/л. Поэтому при повышении температуры и понижении содержания катионов в пластовой жидкости следует повышать концентрацию силиката щелочного металла.The concentration of the active alkali metal silicate in the water may be from 0.3 to 10% by weight, preferably from 3 to 6% by weight. The optimal concentration value to some extent depends on the properties of the geological environment, in particular, on the specific composition of the reservoir fluid and its temperature. Higher rock temperatures can cause sediment release to be delayed. Sedimentation also slows down at a low content of polyvalent cations in the reservoir fluid, for example, below 1000 mg/l. Therefore, with an increase in temperature and a decrease in the content of cations in the reservoir fluid, the concentration of alkali metal silicate should be increased.
Еще одним преимуществом щелочно-силикатного бурового раствора является увеличение скорости проходки и срока службы головки бура.Another benefit of alkaline silicate drilling mud is the increase in ROP and tool life.
- 10 043119- 10 043119
Физические свойства комбинированного материала из горной породы и уплотнителя во многом зависят от горной породы, но могут быть скорректированы умелым подбором свойств уплотнителя. В буровой раствор может быть внесена теплопроводная добавка, например, наночастицы графена, что позволит обеспечить высокую теплопроводность уплотнителя.The physical properties of the combined material of rock and compactor are largely dependent on the rock, but can be adjusted by skillful selection of the properties of the compactor. A heat-conducting additive, for example, graphene nanoparticles, can be added to the drilling fluid, which will ensure high thermal conductivity of the sealant.
Энергетический выход геотермальной системы с замкнутым контуром может быть определен с помощью термодинамической модели скважинной системы, состоящей из дискретизированной скважинной системы с множественными термическими сопротивлениями между температурой текучей среды и температурой дальней зоны геологической среды. Каждый дискретизированный сегмент сбалансирован по энергии и массе, при этом свойства текучей среды и расчеты определяются уравнением состояния. Термические сопротивления включают горную породу, связующее вещество (цемент), стальные обсадные трубы и сопротивление конвективной теплопередаче в самой скважинной системе.The energy output of a closed loop geothermal system can be determined using a thermodynamic well system model consisting of a discretized well system with multiple thermal resistances between the fluid temperature and the far zone temperature of the subsurface. Each discretized segment is energy and mass balanced, with fluid properties and calculations determined by the equation of state. Thermal resistances include rock, binder (cement), steel casing, and resistance to convective heat transfer within the downhole system itself.
В качестве количественного примера рассмотрим семидюймовую обсаженную и цементированную скважину в контакте с геологической средой с удельной теплопроводностью 3 Βτ/(μ·Κ), термические сопротивления через пять лет работы для горной породы, цемента, обсадных труб и конвекции потока в трубе составляют соответственно 2,2Е-02, 2,1Е-03, 2,9Е-05 и 5,0Е-5. В теплопередаче преобладает радиальный перенос тепла через горную породу, по сравнению с которым всеми прочими термическими сопротивлениями можно пренебречь. При использовании описываемого здесь уплотнителя отсутствуют термические сопротивления обсадных труб или цемента, поэтому тепловой КПД приблизительно на 9% выше, чем на существующем уровне техники. Повысить теплопередачу еще больше можно, повысив теплопроводность горной породы и/или уплотнительного материала.As a quantitative example, consider a seven-inch cased and cemented well in contact with a geological environment with a thermal conductivity of 3 Βτ/(μ Κ), thermal resistances after five years of operation for rock, cement, casing, and flow convection in the pipe are respectively 2, 2E-02, 2.1E-03, 2.9E-05 and 5.0E-5. Heat transfer is dominated by radial heat transfer through the rock, compared to which all other thermal resistances can be neglected. With the sealant described here, there are no casing or cement thermal resistances, so the thermal efficiency is about 9% higher than the prior art. Heat transfer can be further improved by increasing the thermal conductivity of the rock and/or sealing material.
Для улучшения эксплуатационных характеристик уплотнения и повышения механической целостности в щелочно-силикатный уплотнитель могут быть введены твердые частицы, способные химически внедряться в щелочно-силикатный осадок и/или связываться с последним. В бурильный раствор могут вводиться упрочнители, такие как эксфолиированная летучая зола, поверхностно-активированный графен и оксид графена, угольные волокна и др. Они могут находиться в нанодисперсном или микродисперсном состоянии и быть химически связанными с осажденным кремневым ангидридом.To improve the performance of the seal and increase the mechanical integrity, solid particles can be introduced into the alkali silicate sealant, capable of chemically incorporating into and/or bonding with the alkali silicate precipitate. Strengtheners such as exfoliated fly ash, surface-activated graphene and graphene oxide, carbon fibers, etc. can be introduced into the drilling fluid. They can be in a nano- or micro-dispersed state and be chemically associated with precipitated silicic anhydride.
После создания в процессе бурения начального уплотнения испытывают целостность уплотнения. Обычно это делается путем создания в скважинной структуре повышенного давления и отслеживания скорости понижения давления, если оно происходит. Другой метод состоит в сквозном долговременном измерении скорости поглощения жидкости пластом в процессе циркуляции. В этом случае буровой раствор удаляют и заменяют его рабочей текучей средой, основное назначение которой состоит в доставке энергии на поверхность, и в процессе выполнения регулярных операций измеряют скорость поглощения жидкости пластом.After the initial seal has been created during the drilling process, the integrity of the seal is tested. This is typically done by pressurizing the well structure and monitoring the rate of pressure drawdown if it occurs. Another method consists in end-to-end long-term measurement of the rate of absorption of fluid by the reservoir during the circulation process. In this case, the drilling fluid is removed and replaced with a working fluid, the main purpose of which is to deliver energy to the surface, and in the course of performing regular operations, the rate of absorption of fluid by the formation is measured.
По завершении бурения уплотнение по существу создано, но все же могут остаться небольшие участки с некоторой проницаемостью, например, трещиноватые зоны или каналы с высокой проницаемостью, которые не были достаточно уплотнены в процессе бурения. Поэтому до начала или возобновления нормальной работы уплотнение можно усилить химической промывкой или обработкой.Upon completion of drilling, the seal is essentially created, but there may still be small areas with some permeability, such as fractured zones or high permeability channels, that were not sufficiently sealed during the drilling process. Therefore, the seal may be strengthened by chemical washing or treatment prior to commencement or resumption of normal operation.
При использовании щелочно-силикатного бурового раствора последний, как описывалось ранее, реагирует с пластовой жидкостью с образованием геля и последующим отверждением с образованием твердой и высокопрочной прослойки. Эти реакции происходят в зоне перемешивания щелочносиликатного бурового раствора с пластовой жидкостью. В канале с высокой проницаемостью или в трещине буровой раствор может проникать через геологическую среду так быстро, что пластовая жидкость вытесняется из ствола скважины и зона перемешивания существенно смещается в геологическую среду, или же пластовая жидкость может оказаться чрезвычайно малосоленой, так что силикат превращается в гель, но осаждается не полностью.When using an alkaline silicate drilling fluid, the latter, as described earlier, reacts with the formation fluid to form a gel and subsequently cures to form a solid and high-strength layer. These reactions occur in the mixing zone of the alkaline silicate drilling fluid with the reservoir fluid. In a high permeability channel or fracture, the drilling fluid may permeate through the subsurface so rapidly that the formation fluid is forced out of the wellbore and the mixing zone is substantially displaced into the subsurface, or the formation fluid may be extremely low in salinity such that the silicate gels, but is not completely deposited.
В таких случаях имеет место частичное или основательное уплотнение глубоко внутри горной породы, в то время как околоскважинное пространство содержит неизрасходованный или непрореагировавший жидкий щелочно-силикатный буровой раствор при отсутствии пластовой жидкости, с которой он мог бы вступить в реакцию. Поэтому целью химической промывки является прокачка через скважинную структуру средства химической обработки под давлением, достаточным, чтобы вызвать просачивание из ствола скважины в околоскважинную зону геологической среды, обеспечить контакт с оставшимся после бурения неизрасходованным жидким щелочно-силикатным буровым раствором и вызвать выделение осадка. Подходящими агентами, известными в отрасли, являются рассол хлорида кальция, кислоты, диоксид углерода (СОг), поверхностно-активные вещества, сложные эфиры.In such cases, there is partial or thorough compaction deep within the rock, while the near-wellbore space contains unspent or unreacted liquid alkali silicate drilling fluid in the absence of formation fluid with which it could react. Therefore, the purpose of chemical flushing is to pump a chemical treatment agent through the wellbore structure at a pressure sufficient to cause seepage from the wellbore into the near-wellbore zone of the geological environment, to contact with the unconsumed liquid alkaline silicate drilling fluid left after drilling and to cause sedimentation. Suitable agents known in the industry are calcium chloride brine, acids, carbon dioxide (CO2), surfactants, esters.
В другом варианте усиления уплотнения средство химической обработки прокачивают через скважинную структуру под давлением, достаточным, чтобы вызвать просачивание из ствола скважины в околоскважинную зону геологической среды, при этом упомянутое средство химической обработки состоит из цементировочных пробок или порций щелочного силиката, после которых следует реагирующее средство химической обработки, такое как известные в отрасли рассол хлорида кальция, кислоты, диоксид углерода (СО2), поверхностно-активные вещества, сложные эфиры. Два средства химической обработки можно попеременно прокачивать несколько раз, результатом чего станет существенное перемешивание в околоскважинной зоне. Чтобы предотвратить перемешивание внутри ствола скважины или их непосред- 11 043119 ственный контакт, порции щелочного силиката и химического реагента могут отделяться друг от друга разделителем.In another form of seal enhancement, a chemical treatment is pumped through the wellbore structure at a pressure sufficient to cause seepage from the wellbore into the near-wellbore subsurface, said chemical treatment consisting of cement plugs or alkaline silicate shots followed by a reactive chemical treatments such as industry known calcium chloride brine, acids, carbon dioxide (CO 2 ), surfactants, esters. The two chemical treatments can be pumped alternately multiple times, resulting in significant near-wellbore mixing. To prevent mixing within the wellbore or direct contact, the alkali silicate and chemical portions may be separated from each other by a separator.
В отношении поддержания уплотнения и целостности ствола скважины во время работы следует заметить, что процесс бурения в нефтегазовой области и геотермальной энергетике требует поддержания целостности ствола скважины и его частичного уплотнения (в виде глинистой корки на стенках скважины) в течение некоторого времени, пока не будет установлена обсадная колонна или потайная колонна. Целостность ствола необсаженной скважины (до установки обсадной колонны или потайной колонны) и его частичное уплотнение создают с помощью надлежащих технических приемов и применением бурового раствора.With regard to maintaining the seal and integrity of the wellbore during operation, it should be noted that the drilling process in the oil and gas field and geothermal energy requires maintaining the integrity of the wellbore and its partial seal (in the form of a mud cake on the walls of the well) for some time until it is established casing string or hidden string. The integrity of an open hole (before casing or liner is installed) and its partial sealing is achieved by proper techniques and the use of drilling fluid.
В отличие от этого, предлагаемое изобретение требует поддержания уплотнения в необсаженной скважине и целостности ствола скважины в течение всего срока службы геотермальной системы, который составляет 50 или больше лет.In contrast, the present invention requires maintaining open hole seal and wellbore integrity throughout the life of the geothermal system, which is 50 years or more.
В дополнение к созданию уплотнения в процессе бурения и, при необходимости, укреплению уплотнения с помощью отдельной химической обработки рабочая текучая среда сама по себе играет крайне важную роль в поддержании уплотнения и целостности ствола скважины. Главная функция рабочей текучей среды состоит в переносе энергии из подземного пласта на поверхность для непосредственного использования, или для превращения в электрическую энергию, или для охлаждения. Поэтому эта рабочая текучая среда должна иметь физические свойства, обеспечивающие перенос энергии и максимальный термодинамический КПД системы. Например, эта текучая среда может иметь по меньшей мере одно свойство, выбранное из следующей группы:In addition to creating a seal during the drilling process and, if necessary, reinforcing the seal with a separate chemical treatment, the working fluid itself plays a critical role in maintaining the seal and integrity of the wellbore. The main function of the working fluid is to transfer energy from the subterranean formation to the surface for direct use, either for conversion into electrical energy or for cooling. Therefore, this working fluid must have physical properties that ensure the transfer of energy and maximum thermodynamic efficiency of the system. For example, this fluid may have at least one property selected from the following group:
a) с целью достижения максимального температурного перепада и максимальной теплопередачи между текучей средой и окружающей теплоносной геологической средой внутри поперечного соединительного канала между впускной скважиной и выпускной скважиной имеет существенно нелинейную зависимость энтальпии от температуры при давлениях выше 10 МПа и температурах ниже 180°С,a) in order to achieve the maximum temperature difference and maximum heat transfer between the fluid and the surrounding heat-bearing geological environment within the transverse connection channel between the inlet well and the outlet well, has a significantly non-linear enthalpy dependence on temperature at pressures above 10 MPa and temperatures below 180 ° C,
b) обладает способностью вступать в обратимую реакцию, чувствительную к изменению давления: эндотермическую при повышенном давлении и экзотермическую при давлении ниже упомянутого повышенного давления,b) has the ability to enter into a reversible pressure-sensitive reaction: endothermic at elevated pressure and exothermic at pressures below said elevated pressure,
c) представляет собой смесь, вступающую в упомянутом поперечном соединительном канале в эндотермическую реакцию химической абсорбции,c) is a mixture entering into the said transverse connecting channel in an endothermic reaction of chemical absorption,
d) представляет собой водный раствор электролита с растворимостью, зависящей от температуры и давления, обладающий внутри упомянутого поперечного соединительного канала теплопоглощающим действием,d) is an aqueous solution of an electrolyte with a solubility depending on temperature and pressure, having a heat-absorbing effect inside said transverse connecting channel,
e) является текучей средой на водной основе, содержащей композицию, уменьшающую сопротивление при турбулентном обтекании,e) is a water-based fluid containing a composition that reduces drag in turbulent flow,
f) является сверхкритической текучей средой, такой как диоксид углерода (СО2),f) is a supercritical fluid such as carbon dioxide (CO2),
g) представляет собой смесь этана и аммиака,g) is a mixture of ethane and ammonia,
h) имеет любую из работоспособных комбинаций свойств, перечисленных в пунктах от а) до g).h) has any of the workable combinations of features listed in a) to g).
В дополнение к достижению максимального термодинамического КПД рабочая текучая среда имеет также много свойств бурового раствора, а именно:In addition to achieving maximum thermodynamic efficiency, the working fluid also has many drilling fluid properties, namely:
i) выносит твердые частицы, которые могут собираться в скважине, на поверхность, где их удаляют, как правило, с помощью резервуара-отстойника, фильтра или гидравлического центробежного очистителя, ii ) поддерживает уплотнение стенок ствола скважины, так что они являются существенно непроницаемыми для текучих сред, и ii i) поддерживает стабильность и целостность ствола скважины.i) brings solids that may have collected in the wellbore to the surface where they are removed, typically by means of a settling tank, filter or hydraulic centrifugal cleaner, environments, and ii i) maintain the stability and integrity of the wellbore.
Согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения уплотнение поддерживают с помощью рабочей текучей среды, в которой присутствуют твердые частицы, и которая образует глинистую корку на стенках скважины или перекрывает и закупоривает естественные трещины. В качестве таких частиц могут быть использованы угольные волокна, минеральные волокна, целлюлозные волокна, частицы диоксида кремния, летучей золы, графита, графена, оксида графена, карбоната кальция, бентонита или других известных в отрасли материалов. Обычно эти частицы добавляют в количестве от 0,5 мас.% до 2,0 мас.% относительно рабочей текучей среды, если последняя имеет водную основу, и в эквивалентной объемной концентрации в случае рабочих текучих сред другого типа.According to one embodiment of the invention, the seal is maintained by a working fluid that contains solids and that forms a filter cake on the wellbore walls or bridges and plugs natural fractures. As such particles, carbon fibers, mineral fibers, cellulose fibers, particles of silicon dioxide, fly ash, graphite, graphene, graphene oxide, calcium carbonate, bentonite or other materials known in the industry can be used. Typically, these particles are added in an amount of from 0.5 wt.% to 2.0 wt.% relative to the working fluid, if the latter has an aqueous basis, and in an equivalent volume concentration in the case of other types of working fluids.
При использовании описанного выше щелочно-силикатного бурового раствора последний реагирует с пластовой жидкостью с образованием геля, который в последующем затвердевает с образованием твердой и высокопрочной прослойки. Эти реакции протекают в зоне смешения щелочно-силикатного бурового раствора и пластовой жидкости. В канале с высокой проницаемостью или в трещине буровой раствор может проникать через геологическую среду так быстро, что пластовая жидкость вытесняется из ствола скважины и зона перемешивания существенно смещается в геологическую среду, или же пластовая жидкость может оказаться чрезвычайно малосоленой, так что силикат превращается в гель, но осаждается не полностью. В таких случаях имеет место частичное или основательное уплотнение глубоко внутри горной породы, в то время как околоскважинное пространство содержит неизрасходованный или непрореагировавший жидкий щелочно-силикатный буровой раствор при отсутствии пластовой жидко- 12 043119 сти, с которой он мог бы вступить в реакцию. Поэтому другой способ поддержания уплотнения предполагает введение реагента, который после проникновения из ствола скважины в околоскважинную зону пласта контактировал бы с неизрасходованным жидким щелочно-силикатным буровым раствором, оставшимся после бурения, и вызывал бы выделение осадка.When using the alkaline silicate drilling fluid described above, the latter reacts with the formation fluid to form a gel, which subsequently hardens to form a solid and high-strength layer. These reactions take place in the mixing zone of the alkaline-silicate drilling fluid and formation fluid. In a high permeability channel or fracture, the drilling fluid may permeate through the subsurface so rapidly that the formation fluid is forced out of the wellbore and the mixing zone is substantially displaced into the subsurface, or the formation fluid may be extremely low in salinity such that the silicate gels, but is not completely deposited. In such cases, there is partial or thorough compaction deep within the rock, while the near-wellbore space contains unused or unreacted liquid alkali silicate drilling fluid in the absence of formation fluid with which it could react. Therefore, another way to maintain the seal involves the introduction of a reagent, which, after penetrating from the wellbore into the near-wellbore zone of the formation, would contact with the unused liquid alkali silicate drilling fluid left after drilling and cause sedimentation.
По сути любые области скважинной структуры, где после бурения осталась проницаемость, имели значительный приток силиката щелочного металла и содержат в околоскважинной зоне пласта неизрасходованный жидкий щелочно-силикатный буровой раствор. Поэтому введенный в рабочую текучую среду реагент естественным образом уплотнит оставшиеся проницаемые области. В качестве такого реагента могут быть использованы рассол хлорида кальция, кислоты, диоксид углерода (СО2), поверхностноактивные вещества, сложные эфиры и другие известные в данной отрасли вещества.In fact, any areas of the well structure where permeability remained after drilling had a significant influx of alkali metal silicate and contain unspent liquid alkali silicate drilling fluid in the near-wellbore zone of the formation. Therefore, the reagent introduced into the working fluid will naturally seal the remaining permeable areas. Calcium chloride brine, acids, carbon dioxide (CO2), surfactants, esters, and other substances known in the art can be used as such a reagent.
Для поддержания стабильности и целостности ствола скважины в дополнение к уплотнению пласта рабочая текучая среда может оказывать на геологическую среду давление, достаточное для предотвращения вывалов на стенках скважины, обрушения породы в скважину и частичного спадания пласта. Величину давления, которое должна оказывать рабочая текучая среда, можно рассчитать с помощью комплексной термодинамической модели скважинной структуры, которая включает уравнение состояния для учета фазовых переходов, изменений свойств текучей среды в зависимости от давления и температуры и гидравлических потерь на трение. Если все рассчитано правильно, то рабочая текучая среда должна придавать всей скважинной системе минимальную устойчивость к сжимающим нагрузкам либо за счет приложения достаточно высокого напряжения в верхней части впускной скважины (рабочая среда под давлением), либо за счет изменения плотности рабочей текучей среды. Наряду с прочими известными в отрасли приемами, плотность рабочей текучей среды можно повысить внесением добавок-утяжелителей, таких как барит, или же с помощью растворимых солей.In order to maintain the stability and integrity of the wellbore, in addition to sealing the formation, the working fluid may exert sufficient pressure on the subsurface to prevent wellbore breakouts, collapse of rock into the wellbore, and partial formation subsidence. The amount of pressure that the working fluid must exert can be calculated using a complex thermodynamic model of the well structure, which includes an equation of state to account for phase transitions, changes in fluid properties with pressure and temperature, and hydraulic friction losses. If calculated correctly, the working fluid should give the entire downhole system a minimum resistance to compressive loads, either by applying a sufficiently high stress at the top of the inlet well (pressurized working fluid) or by changing the density of the working fluid. Along with other techniques known in the industry, the density of the working fluid can be increased by the addition of weighting agents such as barite, or by using soluble salts.
Еще один способ поддержания стабильности ствола скважины состоит в использовании в составе рабочей текучей среды вещества - ингибитора глинистых сланцев. Такие вещества имеет свойство предотвращать набухание и разрушение глин и глинистых сланцев и используются как обычные добавки к буровым растворам. Наряду с прочими известными в отрасли в качестве подходящих добавок такого рода можно назвать аминосодержащие реагенты, латексы, водные растворы солей калия.Another way to maintain wellbore stability is to use a shale inhibitor in the working fluid. Such substances have the property of preventing swelling and rupture of clays and shales and are used as conventional drilling fluid additives. Among others known in the industry, suitable additives of this kind include amine-containing reagents, latexes, aqueous solutions of potassium salts.
Сочетание описанных выше добавок и функций приводит к получению рабочей текучей среды, которая не только эффективно выносит энергию на поверхность, но также укрепляет и поддерживает ствол скважины, устраняет проницаемость в случае ее возникновения и поддерживает стабильность и целостность ствола скважины, обеспечивая предупредительные меры по сохранению геотермальной системы с замкнутым контуром в непроницаемом для текучих сред состоянии.The combination of the additives and functions described above results in a working fluid that not only efficiently brings energy to the surface, but also strengthens and maintains the wellbore, eliminates permeability when it occurs, and maintains the stability and integrity of the wellbore, providing preventative measures to preserve the geothermal environment. closed-loop systems in a fluid-tight state.
Важным является требование, чтобы уплотняющие добавки не ухудшали термодинамических свойств рабочей текучей среды. Согласно одному из вариантов рабочая текучая среда на водной основе содержит доступную для приобретения антикоррозийную добавку в концентрации от 1 л/м3 до 10 л/м3, бромид калия в концентрации от 0,05 л/м3 до 0,3 л/м3, поверхностно-активное вещество цетилтриметиламмоний в количестве от 3 мМ до 7 мМ, салицилат натрия в количестве от 8 мМ до 16 мМ и твердые частицы карбоната кальция в концентрации 0,5 мас.%.It is important that sealing additives do not impair the thermodynamic properties of the working fluid. According to one embodiment, the water-based working fluid contains a commercially available anti-corrosion additive at a concentration of from 1 l/m 3 to 10 l/m 3 , potassium bromide at a concentration of from 0.05 l/m 3 to 0.3 l/m 3 , 3 mM to 7 mM cetyltrimethylammonium surfactant, 8 mM to 16 mM sodium salicylate, and 0.5 wt% calcium carbonate solids.
Описанный выше раствор обеспечивает более чем 60%-ное уменьшение сопротивления при турбулентном обтекании в температурном диапазоне, обеспечивающем возможность прямого геотермального теплоснабжения, что важно для эффективной работы с точки зрения термодинамики. Он обеспечивает также отдачу свыше 40%, как показали испытания согласно Процедурам Американского нефтяного института (АНИ РП) 13i для дисперсности глинистого сланца при горячей прокатке, реагирует с неизрасходованным силикатом щелочного металла с образованием прочной твердой прослойки, а частицы карбоната кальция перекрывают и закупоривают естественные трещины, устраняя проницаемость основной массы породы.The solution described above provides more than 60% drag reduction in turbulent flow over a temperature range that allows direct geothermal heat supply, which is important for efficient operation from a thermodynamic point of view. It also delivers over 40% recovery as tested by American Petroleum Institute (API) Procedure 13i for shale fineness in hot rolling, reacts with unspent alkali metal silicate to form a strong hard layer, and calcium carbonate particles bridge and plug natural cracks. , eliminating the permeability of the bulk of the rock.
Согласно другому варианту осуществления предлагаемого изобретения в качестве рабочей текучей среды используют просто модифицированный щелочно-силикатный рассол.According to another embodiment of the present invention, simply a modified alkaline silicate brine is used as the working fluid.
Согласно еще одному варианту осуществления предлагаемого изобретения в качестве рабочей текучей среды используют сверхкритический диоксид углерода (СО2), что особенно ценно, так как в области геотермальной энергетики во многих случаях термодинамический КПД сверхкритического диоксида углерода (СО2) выше, чем у воды, и к тому же он является превосходным реагентом, способствующим превращению щелочно-силикатной жидкости в прочный твердый материал.According to another embodiment of the invention, supercritical carbon dioxide (CO 2 ) is used as a working fluid, which is especially valuable, since in the field of geothermal energy, in many cases, the thermodynamic efficiency of supercritical carbon dioxide (CO 2 ) is higher than that of water, and in addition, it is an excellent reagent for converting an alkaline silicate liquid into a strong solid material.
Далее различные механизмы образования уплотнения будут описаны на примерах.In the following, various mechanisms for the formation of a seal will be described by way of example.
Пр имер 1. Уплотнение химической обработкой.Example 1 Sealing by chemical treatment.
Первоначальные испытания уплотнительных свойств силикатной системы выполняли с помощью установки для определения проницаемости моделей горных пород при тампонировании скважин.The initial testing of the sealing properties of the silicate system was carried out using a permeability tester for rock models while plugging wells.
Испытания с помощью тестера для определения проницаемости моделей горных пород:Testing with a tester to determine the permeability of rock models:
мкм, диски с проницаемостью 3000 мД (от компании OFITE) вымачивали в 30%-ном растворе хлорида кальция с вечера на утро (на протяжении приблизительно 16 часов) для полного насыщения пор рассолом и создания тяжелого случая пластовой жидкости, с которой должен реагировать силикатный буровой раствор.µm, 3000 mD discs (OFITE) were soaked in a 30% calcium chloride solution from evening to morning (for approximately 16 hours) to completely saturate the pores with brine and create a severe case of formation fluid with which the silicate drilling solution.
- 13 043119- 13 043119
Испытания проницаемости проводили в соответствии с инструкциями компании OFITE и рекомендациями Процедур Американского нефтяного института (АНИ РП) 13i для лабораторных испытаний буровых растворов:Permeability testing was performed in accordance with OFITE guidelines and American Petroleum Institute (API) Procedure 13i for Laboratory Testing of Drilling Fluids:
0 мл тестовых текучих сред, которые будут описаны ниже, переносили в ячейку тестера проницаемости и помещали в устройство предварительно вымоченный диск. Прежде чем создать давление в устройстве и начать испытание, буровой раствор приводили в контакт с диском в течение 45 минут.0 ml of test fluids, to be described below, were transferred to the well of the permeability tester and placed in the pre-soaked disk device. The drilling fluid was brought into contact with the disk for 45 minutes before the device was pressurized and the test started.
Испытания проводили в течение 30 минут при комнатной температуре и давлении 500 фунтов силы на квадратный дюйм (»3,45 МПа).The tests were carried out for 30 minutes at room temperature and a pressure of 500 pounds per square inch (>3.45 MPa).
Объем фильтрата регистрировали через 1, 5, 7,5, 15 и 30 минут.The volume of the filtrate was recorded after 1, 5, 7.5, 15 and 30 minutes.
На фиг. 2 представлены графики изменения во времени некоторых параметров, которые типичны при испытании на фильтрационном диске толщиной четверть дюйма (7^=6,35 мм). Пропускание полимерной контрольной текучей среды показало отсутствие потери материала в объеме фильтрата. При добавлении силикатов разных типов скорость фильтрации резко замедлялась по причине выделения осадка. Следует заметить, что проницаемость почти исчезала даже в диске толщиной четверть дюйма (7^=6,35 мм) с проницаемостью 3000 мД.In FIG. 2 is a plot of some of the parameters over time that are typical of testing on a quarter inch filter disc (7^=6.35 mm). Passage of the polymer control fluid showed no loss of material in the volume of the filtrate. When silicates of various types were added, the filtration rate was sharply slowed down due to sedimentation. It should be noted that the permeability almost disappeared even in a quarter-inch (7^=6.35 mm) thick disk with a permeability of 3000 mD.
Приготовление текучей среды:Fluid preparation:
1000 мл текучей среды с полимером в концентрации 5 кг/м3 приготовили путем перемешивания ксантановой смолы (Kelzan XCD™) с пресной водой в течение приблизительно 30 минут с помощью смешивающего аппарата Silverson с умеренной скоростью сдвига.1000 ml of polymer fluid at a concentration of 5 kg/m 3 was prepared by mixing xanthan gum (Kelzan XCD™) with fresh water for approximately 30 minutes using a Silverson mixer at moderate shear.
В качестве контрольной текучей среды использовали полимерсодержащую текучую среду, описанную выше.The control fluid used was the polymer fluid described above.
Состав А. 30 мл Ecodrill™317, доступного для приобретения продукта компании PQ Corporation, смешивали с 270 мл полимерсодержащей текучей среды, описанной выше, чтобы получить 300 мл 3%ного активного растворимого силиката калия.Formulation A 30 ml of Ecodrill™317, commercially available from PQ Corporation, was mixed with 270 ml of the polymer fluid described above to form 300 ml of 3% active soluble potassium silicate.
Состав В. 30 мл Ecodrill™ K45, доступного для приобретения продукта компании PQ Corporation, смешивали с 270 мл полимерсодержащей текучей среды, описанной выше, чтобы получить 300 мл 3%ного (в объемном соотношении) активного растворимого силиката.Composition B: 30 ml of Ecodrill™ K45, commercially available from PQ Corporation, was mixed with 270 ml of the polymer fluid described above to give 300 ml of 3% (v/v) active soluble silicate.
После теста на проницаемость объем состава А был равен 273,8 мл, согласно расчетам быстрое поглощение фильтрата пластом составило 257 мл, а скорость статической фильтрации составила 3,2 мл/мин; объем состава В был равен 103,8 мл, согласно расчетам быстрое поглощение фильтрата пластом составило 103,8 мл, а скорость статической фильтрации составила 3,7 мл/мин. Расчеты выполнялись по формулам из АНИ РП 13i.After the permeability test, the volume of composition A was 273.8 ml, according to the calculations, the fast absorption of the filtrate by the formation was 257 ml, and the static flow rate was 3.2 ml/min; the volume of composition B was equal to 103.8 ml, according to the calculations, the fast absorption of the filtrate by the formation was 103.8 ml, and the static filtration rate was 3.7 ml/min. Calculations were performed according to formulas from API RP 13i.
Проводились также испытания на гидравлическую эффективность керна, восстановление проницаемости, повреждение керна. Эти испытания часто проводят для изучения действия бурильного раствора или содержащейся в нем добавки на проницаемость керна, полученного из интересующей эксплуатационной зоны. Целью таких исследований обычно является минимизация вреда или доведение восстановленной проницаемости до максимума. Начальную проницаемость устанавливают и измеряют путем насыщения образца керна пластовой жидкостью, нефтью или некоторой смесью пластовой жидкости и нефти и напорным прогоном сквозь этот керн пластовой жидкости (жидкостей) в условиях пластовых давления и температуры. Затем через поверхность керна в течение определенного периода времени впускают тестовую текучую среду, при этом могут быть измерены объем фильтрата, проникновение текучей среды и толщина отфильтровавшегося материала. Затем для определения степени изменения (уменьшения или увеличения) проницаемости после воздействия тестовой текучей среды в противоположном направлении течения впускают пластовую жидкость. Цель этого исследования состояла в том, чтобы причинить кернам повреждения посредством реакций гелеобразования и выделения осадка силикатных тестовых текучих сред с синтетическими насыщенными рассолом кернами.Tests were also carried out for the hydraulic efficiency of the core, restoration of permeability, and damage to the core. These tests are often carried out to study the effect of a drilling fluid or an additive contained therein on the permeability of a core obtained from a production zone of interest. The goal of such studies is usually to minimize harm or maximize restored permeability. Initial permeability is established and measured by saturating a core sample with formation fluid, oil, or some mixture of formation fluid and oil, and forcing formation fluid(s) through the core under conditions of formation pressure and temperature. Then, a test fluid is injected through the surface of the core for a certain period of time, and the volume of the filtrate, the penetration of the fluid and the thickness of the filtered material can be measured. Then, to determine the degree of change (decrease or increase) in the permeability after the impact of the test fluid in the opposite direction of flow, formation fluid is let in. The aim of this study was to inflict damage to cores through gelation and sedimentation reactions of silicate test fluids with synthetic brine-saturated cores.
Испытания на гидравлическую эффективность керна, восстановление проницаемости, повреждение керна проводились следующим образом:Tests for hydraulic efficiency of the core, restoration of permeability, core damage were carried out as follows:
Керновые образцы из песчаника Береа с проницаемостью приблизительно 30 мД насыщали синтетическим рассолом в условиях пониженного давления и тестировали с использованием 3%-ного раствора силиката калия, содержащего в количестве 2% специализированную смазывающую добавку. Процедуры, параметры и результаты испытаний изложены ниже.Core samples from Berea sandstone with a permeability of approximately 30 mD were saturated with synthetic brine under reduced pressure and tested using a 3% potassium silicate solution containing 2% of a specialized lubricant additive. Procedures, parameters and test results are set out below.
Процедура.Procedure.
1) Керны взвешивали и предварительно насыщали рассолом в течение одной недели при пониженном давлении 15 дюймов (381 мм) ртутного столба.1) The cores were weighed and pre-saturated with brine for one week at a reduced pressure of 15 inches (381 mm) of mercury.
2) Измеряли гидравлическую эффективность керна и его проницаемость для рассола.2) The hydraulic efficiency of the core and its permeability to brine were measured.
3) Буровой раствор с силикатом калия перемешивали и нагревали до 95°С.3) Potassium silicate mud was stirred and heated to 95°C.
4) Буровой раствор вводили в керн с постоянной скоростью 3 мл/мин.4) Drilling fluid was injected into the core at a constant rate of 3 ml/min.
5) Осуществляли текущий контроль (мониторинг) давления.5) Current control (monitoring) of pressure was carried out.
6) Перепад давления со временем растет экспоненциально до »2500 фунтов силы на квадратный дюйм (»17,24 МПа). Наблюдался прорыв текучей среды.6) Pressure drop increases exponentially over time to ≈2500 psi (≈17.24 MPa). Fluid breakthrough was observed.
- 14 043119- 14 043119
7) Керн не перекрывал протекание полностью, но имела место потеря «99% проницаемости.7) The core did not completely shut off the flow, but there was a loss of 99% permeability.
8) Эффлюент собирали, чтобы определить замену текучей среды (глубину проникновения).8) Effluent was collected to determine fluid replacement (depth of penetration).
Параметры.Options.
Прибор: тестер отклика пласта Чандлер.Instrument: Chandler formation response tester.
Керновый образец: песчаник, 1,5 дюйма х 3,0 дюйма (3,81см х 7,62 см).Core Sample: Sandstone, 1.5" x 3.0" (3.81cm x 7.62cm).
Температура: 95°С.Temperature: 95°C.
Тестовая текучая среда: 3%-ный раствор силиката калия, содержащий 2% смазывающей добавки.Test fluid: 3% potassium silicate solution containing 2% lubricant.
Объем пор: 16,76.Pore volume: 16.76.
Начальная проницаемость для рассола: 28,32 мД.Initial brine permeability: 28.32 mD.
Проницаемость после обработки буровым раствором: 0,197 мД.Permeability after mud treatment: 0.197 mD.
Уменьшение проницаемости: >99%.Permeability reduction: >99%.
Пропускная способность: 3 мл/мин.Throughput: 3 ml/min.
Состав рассола:Brine composition:
хлорид натрия (NaCl) 230,303 г, хлорид кальция (CaCl2) 79,054 г, хлорид натрия (KCl) 8,346 г, хлорид магния (VgCl2) 13,79 г.sodium chloride (NaCl) 230.303 g, calcium chloride (CaCl 2 ) 79.054 g, sodium chloride (KCl) 8.346 g, magnesium chloride (VgCl 2 ) 13.79 g.
Затем для определения способности щелочно-силикатных растворов со смазывающей добавкой создавать уплотнение и придавать целостность образцам глинистого сланца проводили испытания глинистого сланца на дисперсность. Методика испытаний соответствовала Процедурам Американского нефтяного института (АНИ РП) 13i для дисперсности глинистого сланца при горячей прокатке:Then, to determine the ability of alkaline silicate solutions with a lubricating additive to create a seal and give integrity to the shale samples, the shale was tested for dispersion. The test procedure was in accordance with American Petroleum Institute (API RP) Procedure 13i for hot rolling shale fineness:
Кусок глинистого сланца Пирр массой приблизительно 2 кг раздробили, чтобы получить приблизительно 900 г частиц фракции -5/+10 меш (от 2 мм до 4 мм). Глинистый сланец Пирр намного более химически активен и восприимчив к воде, чем зрелые крепкие сланцы, которые обычно присутствуют на глубинах, с которыми имеет дело геотермальная энергетика. Он был выбран как базовый уровень из осторожности, реальные характеристики зрелых сланцев будут лучше.A piece of Pyrrhus shale weighing approximately 2 kg was crushed to obtain approximately 900 g of -5/+10 mesh particles (2 mm to 4 mm). The Pyrrhus shale is much more reactive and water receptive than the mature hard shale that is typically present at the depths that geothermal energy deals with. It was chosen as a baseline out of caution, actual mature shale performance would be better.
Упомянутые частицы фракции -5/+10 меш (от 2 мм до 4 мм) просеивали через сита Американского общества испытания материалов (АОИМ) с использованием встряхивателя сит Ro-Tap® в течение 2 минут.Said -5/+10 mesh particles (2 mm to 4 mm) were screened through American Society for Testing and Materials (ASTM) sieves using a Ro-Tap® sieve shaker for 2 minutes.
Приблизительно 10 г сланца поместили в тестовую текучую среду объемом 250 мл.Approximately 10 g of shale was placed in a 250 ml test fluid.
Образцы подвергали прокатке в течение 24 часов при температуре 120°С.The samples were subjected to rolling for 24 hours at a temperature of 120°C.
После прокатки образцы высыпали в сито 20 меш (пропускает частицы размером не более 0,84 мм).After rolling, the samples were poured into a 20 mesh sieve (passes particles no larger than 0.84 mm).
Для удаления материала, который мог пристать к внутренним стенкам, ячейки старения промывали ингибированным буровым раствором (7% KCl).To remove material that could stick to the inner walls, the aging cells were flushed with an inhibited drilling fluid (7% KCl).
Весь материал, полученный на сите 20 меш, высушивали в печи до постоянной массы при температуре 100°С.All material obtained on a 20 mesh sieve was dried in an oven to constant weight at a temperature of 100°C.
Затем каждый образец повторно просеивали и регистрировали массу частиц фракции -5/+10 меш (от 2 мм до 4 мм).Each sample was then re-sieved and the particle weight of the -5/+10 mesh fraction (2 mm to 4 mm) was recorded.
Результаты испытаний для текучих сред нескольких разных составов сведены в таблицу ниже.Test results for fluids of several different compositions are summarized in the table below.
Достигнут выход свыше 97%, что указывает на превосходную уплотнительную и укрепительную способность этого глинистого сланца. Минеральное масло не реагирует со сланцем, и выход массы составил только 85%. Потеря массы связана с механической деградацией в процессе прокатки. ПоэтомуYields in excess of 97% have been achieved, indicating the excellent sealing and reinforcing capability of this shale. Mineral oil does not react with shale and the mass yield was only 85%. The weight loss is due to mechanical degradation during the rolling process. That's why
- 15 043119 высокий выход 97% указывает на то, что имеет место не только химическое уплотнение, но и повышение механической прочности. Рабочая текучая среда с добавленным ингибитором глинистых сланцев обеспечила выход массы 44%, это существенно более высокий результат, чем при использовании пресной воды, которая дала выход только 1%.- 15 043119 a high yield of 97% indicates that not only chemical compaction takes place, but also an increase in mechanical strength. The shale inhibitor-added working fluid produced a mass recovery of 44%, a significantly higher result than fresh water, which gave only a 1% yield.
Пример 2.Example 2
Испытывали рабочую текучую среду на водной основе, содержащую доступную для приобретения антикоррозионную добавку, бромид калия, поверхностно-активное вещество цетилтриметиламмоний, салицилат натрия и твердые частицы карбоната кальция в концентрации 0,5 мас.%.An aqueous working fluid was tested containing a commercially available anti-corrosion agent, potassium bromide, cetyltrimethylammonium surfactant, sodium salicylate, and calcium carbonate solids at a concentration of 0.5 wt%.
Измерение перепада давления (обусловлен сопротивлением) и получение характеристик турбулентного потока осуществляли с помощью двухдюймового (5,08 см) нагретого потока объемом 200 л. Контур был оснащен центробежным насосом (GIW, LCC-M 50-230) с большой скоростью сдвига и винтовым насосом кавитационного типа (Moyno™, 2F090) с малой скоростью сдвига. Максимальное число Рейнольдса (Re) достигало 500 000, и контур мог работать при объемной концентрации твердых частиц 15%. Перепад давления калибровали с помощью пресной воды и сравнивали с потерями давления на трение при той же мощности потока рабочей текучей среды. В температурном диапазоне, подходящем для прямого теплоснабжения, достигалось уменьшение сопротивления при турбулентном обтекании на 63%.Measurement of pressure drop (due to drag) and characterization of turbulent flow was performed using a 2-inch (5.08 cm) heated flow with a volume of 200 liters. The circuit was equipped with a high shear centrifugal pump (GIW, LCC-M 50-230) and a low shear cavitation type screw pump (Moyno™, 2F090). The maximum Reynolds number (Re) was up to 500,000 and the circuit could operate at a solids volume concentration of 15%. The pressure drop was calibrated with fresh water and compared with the frictional pressure loss at the same working fluid flow rate. In the temperature range suitable for direct heat supply, a 63% reduction in resistance in turbulent flow was achieved.
Для тестирования химической активности по отношению к присутствующему в околоскважинной зоне неизрасходованному силикату щелочного металла к образцам рабочей текучей среды подмешивали Ecodrill™ 317-29,1%-ный активный раствор диоксида кремния (SiO2) и оксида калия (K2O), взятых в соотношении SiO2:K2O, равном 2,5. Для доведения рН до значения 11-12 использовали гидроксид натрия (NaOH), и при легком перемешивании этот щелочно-силикатный раствор вводили в образцы рабочей текучей среды до получения растворов с концентрацией 3 об.% и 1 об.%. Такие низкие концентрации были выбраны, чтобы осторожно представить щелочно-силикатный буровой раствор, оставшийся неизрасходованным в околоскважинной зоне. В каждом случае добавление в рабочую текучую среду силикатного раствора приводило к осаждению, и через 24 часа силикат затвердевал. Эти результаты показывают, что рабочая жидкость укрепляет и увеличивает уплотнение ствола скважины, обеспечивая практическую непроницаемость для текучих сред.To test reactivity with respect to near-wellbore unspent alkali metal silicate, Ecodrill™ 317-29.1% active solution of silica (SiO 2 ) and potassium oxide (K 2 O) taken in the ratio of SiO 2 :K 2 O, equal to 2.5. Sodium hydroxide (NaOH) was used to adjust the pH to 11-12 and this alkaline silicate solution was introduced into the working fluid samples with gentle stirring to obtain solutions with a concentration of 3 vol.% and 1 vol.%. These low concentrations were chosen to carefully represent the alkali silicate drilling fluid left unused in the near-wellbore zone. In each case, the addition of the silicate solution to the working fluid resulted in precipitation and the silicate solidified after 24 hours. These results show that the working fluid strengthens and increases the seal of the wellbore, providing a practical fluid tightness.
Для оценки способности рабочей текучей среды поддерживать целостность и стабильность ствола скважины проводили модифицированный тест отмучивания глинистого сланца. Тестирование включало два прогона отмучивания глинистого сланца подряд с одним и тем же образцом. Сначала образец подвергали горячей прокатке в среде вещества-уплотнителя, как описывалось выше, затем для определения механической прочности и химической изоляции сланца его снова вымачивали в рабочей текучей среде. После начального прогона отмучивания сланца с веществом-уплотнителем бурового раствора образцы высушивали, взвешивали, погружали в химический состав рабочей текучей среды и прокатывали в течение 24 часов.To evaluate the ability of the working fluid to maintain the integrity and stability of the wellbore, a modified shale elutriation test was performed. Testing included two consecutive shale elutriation runs with the same sample. First, the sample was hot rolled in a sealant medium as described above, then it was again soaked in the working fluid to determine the mechanical strength and chemical isolation of the shale. After an initial run of elutriation of the shale with a drilling mud sealant, the samples were dried, weighed, immersed in the working fluid chemistry, and rolled for 24 hours.
После прокатки образцы высыпали в сито 20 меш (пропускает частицы размером не более 0,84 мм) и весь материал, полученный на сите 20 меш, высушивали в печи до постоянной массы при температуре 100°С. Затем каждый образец повторно просеивали и регистрировали массу частиц фракции -5/+10 меш (от 2 мм до 4 мм) и сравнивали с массой образца после его уплотнения и высушивания. Интересно, что результаты множественных прогонов показали выход массы свыше 96%, что указывает на превосходную способность рабочей текучей среды поддерживать целостность ствола скважины.After rolling, the samples were poured into a 20 mesh sieve (passes particles no larger than 0.84 mm) and all material obtained on a 20 mesh sieve was dried in an oven to constant weight at a temperature of 100°C. Each sample was then re-sieved and the particle weight of the -5/+10 mesh fraction (2 mm to 4 mm) was recorded and compared with the weight of the sample after compaction and drying. Interestingly, the results of multiple runs showed a mass recovery in excess of 96%, indicating an excellent ability of the working fluid to maintain the integrity of the wellbore.
Пример 3 -Уплотнение механической обработкой.Example 3 - Sealing by machining.
В одном из вариантов осуществления предлагаемого изобретения этот механизм может быть реализован внесением в буровой раствор твердых частиц, которые естественным образом проникают в поры / трещины для уменьшения проницаемости. Такой материал для борьбы с поглощением бурового раствора называют экранирующим наполнителем.In one embodiment of the present invention, this mechanism can be implemented by introducing solid particles into the drilling fluid that naturally penetrate the pores/fractures to reduce permeability. Such a lost circulation material is referred to as a screening filler.
Упомянутые твердые частицы могут представлять собой гранулированный, волокнистый или хлопьевидный материал, или же комбинацию таких материалов и могут быть диспергированы в среде бурового раствора до размеров, необходимых для уменьшения проницаемости. Порядок подходящих размеров может быть от нанометров до миллиметров.Said solid particles may be granular, fibrous or flaky material, or a combination of such materials, and may be dispersed in the drilling fluid to the size required to reduce the permeability. The order of suitable sizes can be from nanometers to millimeters.
Установить наиболее подходящие материалы помогают закон Абрамса и теория оптимальной упаковки. Закон Абрамса гласит, что размер частиц закупоривающего агента (кольматанта) должен быть равен или быть чуть больше третьей части среднего размера порового канала соответствующего пласта.Abrams' law and optimal packing theory help determine the most suitable materials. Abrams' law states that the particle size of the bridging agent (clotting agent) should be equal to or slightly larger than a third of the average pore size of the corresponding reservoir.
Теория идеальной упаковки предоставляет полное распределение размеров частиц, обеспечивающее эффективное заполнение всех полостей, включая те, которые созданы кольматантами.The theory of ideal packing provides a complete distribution of particle sizes, ensuring efficient filling of all cavities, including those created by bridging agents.
Перед закупоркой пор частицам может также придаваться размер, обеспечивающий проникновение в поры.The particles may also be sized to penetrate the pores before plugging the pores.
Кроме того, обеспечить дополнительное закупоривание пор и послужить материалом для борьбы с поглощением бурового раствора может буровая грязь.In addition, drilling mud can provide additional plugging of pores and serve as a lost circulation material.
Все эти материалы могут быть использованы для устранения скважинных протечек по завершении процесса бурения. Дальнейшее вытеснение бурового раствора загущенной буферной жидкостью, содер- 16 043119 жащей кольматант, может быть осуществлено перекачкой с уменьшенной производительностью через участок скважины с необсаженным стволом, чтобы обеспечить проникновение кольматанта и перекрыть утечки, если таковые имеются.All of these materials can be used to repair borehole leaks after the drilling process is completed. Further displacement of the drilling fluid with a viscosified spacer fluid containing a bridging agent can be accomplished by pumping at a reduced rate through an open hole section to allow the bridging agent to penetrate and plug leaks, if any.
Наконец, могут быть использованы также твердые силикаты, обеспечивающие эффективный комбинированный химико-механический механизм уплотнения пласта.Finally, hard silicates can also be used to provide an effective combined chemo-mechanical mechanism for sealing the formation.
Пример 4 - Биологический механизм уплотненияExample 4 Biological Compaction Mechanism
Микробиологический метод повышения нефтеотдачи пластов - это технология, имеющая дело с подбором, выращиванием и стимуляцией микроорганизмов для повышения нефтеотдачи пластов. В порах большинства глубоких геологических формаций содержатся анаэробные бактерии. По сравнению с приповерхностными микроорганизмами эти бактерии получают очень мало энергии и питательных веществ, поэтому у них очень низкие плотности популяции.Microbiological EOR is a technology dealing with the selection, cultivation and stimulation of microorganisms for enhanced oil recovery. The pores of most deep geological formations contain anaerobic bacteria. Compared to surface microorganisms, these bacteria receive very little energy and nutrients, so they have very low population densities.
Одна из технологий микробиологического повышения нефтеотдачи пластов предусматривает обработку местной микробиоты питательными веществами с целью стимулирования их роста для последующего заполнения пор горной породы биологическим материалом. В качестве питательных веществ можно использовать любые подходящие вещества, но обычно в их числе нитрат калия и мононатрийфосфат. При достаточном питании и в благоприятных условиях рост бактерий происходит по экспоненциальному закону, поэтому для бактерий можно создать условия, чтобы они росли и полностью заполнили собой поры, делая пласт практически непроницаемым для текучих сред.One of the technologies for microbiological enhanced oil recovery involves the treatment of local microbiota with nutrients in order to stimulate their growth for subsequent filling of rock pores with biological material. As nutrients, any suitable substances can be used, but usually include potassium nitrate and monosodium phosphate. With sufficient nutrition and favorable conditions, bacterial growth occurs exponentially, so bacteria can be conditioned to grow and completely fill the pores, making the formation virtually impermeable to fluids.
Другая технология предусматривает введение в геологическую среду новых микроорганизмов с одновременным снабжением их питательными веществами. Могут быть подобраны такие микроорганизмы, которые растут только при определенной температуре, и поэтому могут быть активированы при введении в горячий пласт.Another technology provides for the introduction of new microorganisms into the geological environment while simultaneously supplying them with nutrients. Microorganisms can be selected that only grow at a certain temperature and therefore can be activated when introduced into a hot formation.
Любая из этих технологий может быть использована с обычным буровым раствором и делать пласт практически непроницаемым для текучих сред и пригодным для создания геотермальной системы с замкнутым контуром.Any of these technologies can be used with conventional drilling fluid and render the formation substantially fluid-tight and suitable for a closed loop geothermal system.
Пример 5. Термальный механизм уплотнения.Example 5 Thermal Sealing Mechanism.
Геологические среды различаются химическим составом и, следовательно, у них разные точки размягчения, хотя большинство осадочных формаций плавятся при температуре 1200°С или ниже. На стадии исследований, разработки и испытаний находится несколько технологий проникновения в пласт при помощи его термической дезинтеграции без механического контакта.Geological environments differ in chemical composition and therefore have different softening points, although most sedimentary formations melt at or below 1200°C. At the stage of research, development and testing, there are several technologies for penetrating the formation using its thermal disintegration without mechanical contact.
Одна из технологий этого рода предусматривает создание плазмы с помощью электричества или с помощью ядерной энергии. Эта плазма плавит пласт, обеспечивая возможность непрерывного бурения.One of the technologies of this kind involves the creation of plasma using electricity or using nuclear energy. This plasma melts the formation, enabling continuous drilling.
Еще одна технология предусматривает использование лазера, луч которого направляют на поверхность горной породы, температура которой повышается, и она начинает крошиться, разрушаться и затем плавиться.Another technology involves the use of a laser, the beam of which is directed at the surface of the rock, the temperature of which rises, and it begins to crumble, break down and then melt.
Еще одна технология предусматривает использование высокоскоростных снарядов, которые при ударе выделяют достаточно энергии, чтобы повысить температуру на сотни градусов.Another technology involves the use of high-velocity projectiles that release enough energy on impact to raise temperatures by hundreds of degrees.
Все эти технологии обеспечивают при бурении пористой и проницаемой горной породы ее плавление, после чего она может быть охлаждена и отпущена с образованием твердого долговечного барьера, практически непроницаемого для текучих сред.All these technologies ensure that when drilling porous and permeable rock, it melts, after which it can be cooled and tempered to form a solid, durable barrier that is practically impermeable to fluids.
После приведенного выше рассмотрения технических деталей далее следует описание конкретных вариантов осуществления предлагаемого изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.After the above discussion of the technical details, the following is a description of specific embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.
На фиг. 1 представлены графики зависимости объема фильтрата от времени (по горизонтальной оси квадратный корень из времени) для текучих сред разного состава.In FIG. 1 shows plots of filtrate volume versus time (horizontal axis, square root of time) for fluids of various compositions.
На фиг. 2 представлены графики зависимости перепада давления и проницаемости от времени при испытаниях керна на заводнение при химическом закреплении пласта, описанных в примере 1.In FIG. Figure 2 shows graphs of pressure drop and permeability versus time during core tests for waterflooding with chemically anchored formation, described in example 1.
На фиг. 3 схематично изображено сечение скважинной структуры, имеющей впускную скважину 10, оснащенную устьевой обсадной колонной 12 для защиты от грунтовых вод. Промежуточный укрепленный участок 14 скважины зацементирован на место, как показано на чертеже. Все эти компоненты и технологии известны в отрасли. От промежуточного укрепленного участка 14 простирается поперечный участок 16, который в рассматриваемом варианте не имеет обсадных труб, а представляет собой уплотненную необсаженную скважину. Пористая структура горной породы, окружающей поперечный участок 16, уплотнена с помощью вещества-уплотнителя, как описывалось выше. Эта уплотненная пористая структура обозначена позицией 18. Уплотненный поперечный участок 16 безотрывно переходит в промежуточный обсаженный участок 14, который далее безотрывно переходит в выпускную скважину 20, оснащенную обсадной колонной 12.In FIG. 3 is a schematic sectional view of a well structure having an inlet well 10 fitted with a wellhead casing 12 for groundwater protection. The intermediate reinforced section 14 of the well is cemented into place as shown in the drawing. All these components and technologies are known in the industry. Extending from the intermediate reinforced section 14 is a transverse section 16, which in this embodiment does not have casing pipes, but is a sealed open hole. The porous structure of the rock surrounding the transverse section 16 is compacted with a compacting agent as described above. This compacted porous structure is indicated by the position 18. The compacted transverse section 16 seamlessly passes into the intermediate cased section 14, which then seamlessly passes into the outlet well 20 equipped with the casing string 12.
На фиг. 4 проиллюстрирован альтернативный вариант. В этом варианте уплотнение поперечного участка 16 имеет переменный характер, результатом чего является наличие неуплотненной поверхности 22 горной породы. В этом случае, учитывая отсутствие цементирования, в качестве средства защиты использована обсадная колонна 24. Эта обсадная колонна 24, таким образом, предохраняет от неблагоприятного воздействия неуплотненной поверхности горной породы и поддерживает непрерывность контура от впускной скважины 10 до выпускной скважины 20. Это может быть использовано в сочетании с не- 17 043119 прерывно уплотненными участками. Это зависит от конкретных свойств геологической среды.In FIG. 4 illustrates an alternative. In this embodiment, the compaction of the transverse portion 16 is variable, resulting in an uncompacted rock surface 22. In this case, given the absence of cementing, casing 24 is used as a protection. This casing 24 thus protects against the adverse effects of the unconsolidated rock surface and maintains the continuity of the circuit from the inlet well 10 to the outlet well 20. This can be used in combination with continuously compacted areas. It depends on the specific properties of the geological environment.
Что касается уплотненных областей пористых или трещиноватых пластов, вещество-уплотнитель не сливается в одно целое с поверхностью горной породы, а внедряется в нее, как описывалось выше при рассмотрении примера уплотнения химической обработкой. В целом, примеры, иллюстрируемые фиг. 2 и фиг. 3, относятся к твердым горным породам.With regard to compacted areas of porous or fractured formations, the compacting agent does not merge with the surface of the rock, but is embedded in it, as described above when considering the example of compaction by chemical treatment. In general, the examples illustrated in FIG. 2 and FIG. 3, refer to hard rocks.
На фиг. 5 проиллюстрирован вариант, в котором скважинная система выполнена в геологической среде с меньшей проницаемостью. В качестве примера такой геологической среды можно назвать глинистый сланец осадочного происхождения или аргиллит. В этом случае пласт может иметь редкие щели, трещины, сколы и т. п., в целом обозначенные позицией 26. Чтобы обеспечить сплошность между впускной скважиной 10 и выпускной скважиной 20, может быть использована химическая футеровка 28, которая, как показано на чертеже, заполняет упомянутые щели, трещины и сколы.In FIG. 5 illustrates an embodiment in which the well system is in a lower permeability subsurface. As an example of such a geological environment, shale of sedimentary origin or mudstone can be mentioned. In this case, the formation may have occasional gaps, cracks, chips, etc., generally indicated by 26. To provide continuity between the inlet well 10 and the outlet well 20, a chemical lining 28 may be used, which, as shown in the drawing, fills the mentioned gaps, cracks and chips.
На фиг. 6 проиллюстрирован первый вариант конфигурации скважинной структуры. В этом варианте и впускная скважина 10, и выпускная скважина 20 имеют обычные обсаженные участки 30, соединяющиеся со входами 32 и выходами 34 системы многоканальной системы 36 поперечных соединительных участков. Эта система 36 содержит совокупность поперечных скважин 16, которые в зависимости от обстоятельств могут быть частично обсажены, как показано на фиг. 3 и фиг. 4. В пласте 38 может быть создано любое количество систем 36. На чертеже этот факт условно отражен с помощью обозначения 6п по вертикали и по горизонтали, где п означает любое число дополнительных скважин в виде системы 36 или в любой другой конфигурации.In FIG. 6 illustrates a first well structure configuration. In this embodiment, both the inlet well 10 and the outlet well 20 have conventional cased sections 30 connected to the inlets 32 and outlets 34 of the system of the multichannel system 36 of the transverse connecting sections. This system 36 comprises a plurality of transverse wells 16 which, depending on the circumstances, may be partially cased, as shown in FIG. 3 and FIG. 4. Any number of systems 36 can be created in the reservoir 38. This fact is conditionally reflected in the drawing using the notation 6p vertically and horizontally, where p means any number of additional wells in the form of a system 36 or in any other configuration.
Вход 32 и выход 34 соединяются с обсаженными участками 30 с помощью многоканальной соединительной структуры, которая будет детализирована на последующих чертежах.The inlet 32 and outlet 34 are connected to the cased portions 30 by a multi-channel connecting structure, which will be detailed in subsequent drawings.
На фиг. 7 проиллюстрирован один из возможных вариантов осуществления многоканальной соединительной структуры. Вход 32 соединяется с уплотненной многоканальной соединительной структурой 40, от которой как ее продолжение простираются поперечные участки 16. С целью повышения теплоотдачи пласта 38 поперечные скважины 16 расположены на расстоянии друг от друга (см. фиг. 6). поперечные скважины 16 могут быть обсажены, как это описывалось выше со ссылками на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5. Выход 34 системы 36 снабжен такой же соединительной структурой (не показана).In FIG. 7 illustrates one possible embodiment of a multi-channel interconnect structure. Inlet 32 is connected to a sealed multi-channel connecting structure 40, from which transverse sections 16 extend as its continuation. In order to increase the heat transfer of formation 38, transverse wells 16 are located at a distance from each other (see Fig. 6). transverse wells 16 may be cased as described above with reference to FIGS. 3, fig. 4 and FIG. 5. Outlet 34 of system 36 is provided with the same connection structure (not shown).
На фиг. 8 изображена скважинная структура L-образной конфигурации, в целом обозначенная позицией 42. В этом варианте скважина имеет продленный участок 44 с донным концом 46, при этом ствол скважины не обсажен и уплотнен, как в случае ранее рассмотренных вариантов. Внутри скважины простирается изолированная труба 48 для доставки текучей среды. Угол, под которым расположен продленный участок 44 может быть выбран любым.In FIG. 8 shows an L-shaped borehole structure, generally designated 42. In this embodiment, the borehole has an extended section 44 with a bottom end 46, with the wellbore uncased and sealed, as in the case of the previously discussed options. An insulated conduit 48 extends within the well for fluid delivery. The angle at which the extended section 44 is located can be chosen at any angle.
На фиг. 9 проиллюстрирован вариант с вертикальной ориентацией продленного участка.In FIG. 9 illustrates a variant with a vertical orientation of the extended portion.
На фиг. 10 проиллюстрирована W-образная скважинная структура 50. Поверхность обозначена позицией 52. В этом варианте выход одной скважины становится входом другой. Направление протекания рабочей текучей среды показано стрелками. Схема может быть повторена для дополнительных контуров. В рассматриваемом варианте необсаженные поперечные скважины 16 уплотнены, как описывалось выше со ссылками на предыдущие чертежи, но в зависимости от характера геологической среды могут иметь обсаженные участки, перемежающиеся с просто уплотненными.In FIG. 10 illustrates a W-shaped well structure 50. The surface is indicated by 52. In this embodiment, the exit of one well becomes the inlet of another. The direction of flow of the working fluid is shown by arrows. The scheme can be repeated for additional circuits. In this embodiment, the open transverse wells 16 are sealed as described above with reference to the previous drawings, but depending on the nature of the subsurface may have cased sections alternating with simply sealed.
На фиг. 11 иллюстрируется еще один вариант многоканальной системы, подобной той, которая была первоначально изображена на фиг. 3. В этом варианте вход и выход находятся в одном устье скважины, а угол, под которым многоканальная система выполнена в пласте, может быть любым. Поперечные скважины 16 сходятся у донного конца 54.In FIG. 11 illustrates yet another embodiment of a multi-channel system similar to that originally shown in FIG. 3. In this option, the inlet and outlet are at the same wellhead, and the angle at which the multichannel system is made in the reservoir can be any. Transverse wells 16 converge at the bottom end 54.
На фиг. 12 на виде сбоку изображена сосредоточенная скважинная структура 56, в которой впускная скважина 10 и выпускная скважина 20 расположены в непосредственной близости. Показан контур протекания текучей среды по поперечным скважинам 16. Как и в ранее рассмотренных вариантах, пористые структуры необсаженных стволов уплотнялись в процессе бурения. Обозначение 12n имеет тот же смысл, что и обозначение 6п при описании варианта, иллюстрируемого на фиг. 6.In FIG. 12 is a side view of a lumped well structure 56 in which an inlet well 10 and an outlet well 20 are located in close proximity. The contour of the flow of fluid through the transverse wells 16 is shown. The designation 12n has the same meaning as the designation 6p in the description of the embodiment illustrated in FIG. 6.
Еще один вариант проиллюстрирован на фиг. 13, где многоканальная система изображена на виде сверху. Отдельные поперечные скважины 16, расходящиеся от общей впускной скважины 10, простираются в геотермальной зоне геологической среды (на данном чертеже не показана) и, возвращаясь, образуют замкнутые контуры, сходясь у общей выпускной скважины 20. Направление течения текучей среды показано стрелками, при этом в каждом отдельном контуре течение может быть изолировано, или же отдельные контуры могут быть организованы в шлейфовое соединение. Такое решение представляет преимущество, состоящее в том, что на малой площади обеспечивается максимальное извлечение тепла из теплоносной геологической среды.Another variant is illustrated in Fig. 13, where the multi-channel system is shown in top view. Separate transverse wells 16, diverging from a common inlet well 10, extend into a geothermal zone of the subsurface (not shown in this drawing) and, returning, form closed contours, converging at a common outlet well 20. The direction of fluid flow is shown by arrows, while in each individual circuit, the flow may be isolated, or the individual circuits may be daisy-chained. Such a solution presents the advantage that, in a small area, the maximum extraction of heat from the heat-bearing geological medium is ensured.
На фиг. 14 проиллюстрировано решение, предусматривающее множественные скважинные системы при сохранении указанного выше преимущества варианта, проиллюстрированного на фиг. 13 (малая площадь, максимальное извлечение).In FIG. 14 illustrates a solution involving multiple well systems while maintaining the above advantage of the option illustrated in FIG. 13 (small area, maximum recovery).
На фиг. 15 решение, проиллюстрированное на фиг. 15, представляет собой многоканальную систему 50, скомбинированную со скважинной структурой, представленной на фиг. 13. В этом варианте две отдельных сосредоточенных скважинных структуры 56 могут занимать большую площадь при мини- 18 043119 мальном вмешательстве в поверхностные структуры с разработкой больших подземных объемов геотермальной зоны. Направление течения текучей среды показано стрелками, в каждом отдельном контуре течение может быть изолировано, или же отдельные контуры могут быть организованы в шлейфовое соединение. Эффективность описываемой здесь технологии уплотнения обеспечивает возможность принимать гибкие решения при реализации подобных гибридных конфигураций. Это, в свою очередь, позволяет добывать геотермическую энергию в широком диапазоне геологических условий, обеспечивая еще одну степень свободы при осуществлении описываемых здесь способов.In FIG. 15 the solution illustrated in FIG. 15 is a multichannel system 50 combined with the well structure shown in FIG. 13. In this embodiment, two separate concentrated well structures 56 can occupy a large area with minimal interference with surface structures while exploiting large underground volumes of the geothermal zone. The direction of flow of the fluid is indicated by arrows, in each individual circuit the flow may be isolated, or the individual circuits may be daisy-chained. The efficiency of the sealing technology described here provides flexibility in implementing these hybrid configurations. This, in turn, allows the production of geothermal energy in a wide range of geological conditions, providing another degree of freedom in the implementation of the methods described here.
На фиг. 16 детально изображено поперечное сечение скважины, а именно, ее поперечного участка 16. В этом варианте теплонесущая геологическая среда 38 является в высокой степени проницаемой. По этой причине вещество-уплотнитель распространяется в пористой структуре породы и в непосредственно примыкающей близости к поперечному участку 16 скважины области 60 остается непрореагировавшим. Далее за пределами этой области пористая структура 18 уплотнена, как и в вариантах, рассмотренных выше.In FIG. 16 shows in detail the cross-section of the well, namely its transverse section 16. In this embodiment, the heat-carrying geological environment 38 is highly permeable. For this reason, the sealant is distributed in the porous structure of the rock and in the immediate vicinity of the transverse section 16 of the well area 60 remains unreacted. Further outside this region, the porous structure 18 is compacted, as in the embodiments discussed above.
На фиг. 17 изображена в поперечном сечении та же скважина, что и на фиг. 16, после того, как ее подвергли действию рабочей текучей среды. Вследствие этого контакта окружающая эту скважину область пласта стала уплотненной, образовав непроницаемую прослойку между внутренним объемом скважины и окружающей горной породой. Этим обеспечивается особое преимущество, так как уплотненный участок 16 скважины окружен областью 60, содержащей запас непрореагировавшего веществауплотнителя. В случае повреждения уплотнения скважины вследствие проявления сейсмической или другой опасной активности скважина может сохранить целостность и непроницаемость стенок благодаря самовосстановлению за счет реакции рабочей текучей среды с упомянутым запасом веществауплотнителя. Это явно значительное преимущество с точки зрения уменьшения на протяжении времени расходов на эксплуатацию и текущий ремонт, что оправдывает первоначальные капиталовложения, связанные с созданием скважинной структуры.In FIG. 17 is a cross-sectional view of the same well as in FIG. 16 after being exposed to the working fluid. As a result of this contact, the region of the reservoir surrounding this well became compacted, forming an impermeable layer between the internal volume of the well and the surrounding rock. This provides a particular advantage, since the compacted section 16 of the well is surrounded by an area 60 containing a supply of unreacted sealant material. In the event of damage to the well seal due to seismic or other hazardous activity, the well can maintain the integrity and impermeability of the walls due to self-healing due to the reaction of the working fluid with the said reserve of the sealant. This is clearly a significant benefit in terms of reduced O&M costs over time, justifying the initial capital investment associated with building the well structure.
Что касается горных пород с низкой или средней проницаемостью, таких как гранит, аргиллит или глинистый сланец, то в них поры, щели, трещины, сколы и т.д. могут быть заполнены веществомуплотнителем по периферии участка 16 скважины с образованием непроницаемой прослойки в один прием без необходимости использования активной рабочей текучей среды и дальнейшей обработки. Таким образом, проницаемость геологической среды не создает никаких проблем в части применимости предлагаемых способов для геотермальной энергетики.As for rocks with low or medium permeability, such as granite, mudstone or shale, then they have pores, cracks, cracks, chips, etc. can be filled with a sealant along the periphery of the section 16 of the well with the formation of an impermeable layer in one step without the need for an active working fluid and further processing. Thus, the permeability of the geological environment does not create any problems regarding the applicability of the proposed methods for geothermal energy.
Дополнительным бонусом является то, что предлагаемую технологию можно распространить также на области рекультивации и амелиорации. Одной из основ предлагаемых способов является экологический подход к извлечению геотермической энергии, когда удается обойтись без гидроразрыва пласта, приводящего к загрязнению среды. Другой основой является использование системы с действительно замкнутым контуром, в отличие от тех систем, которые неверно характеризовались как системы с замкнутым контуром на предшествующем уровне техники.An additional bonus is that the proposed technology can also be extended to areas of reclamation and amelioration. One of the foundations of the proposed methods is an ecological approach to the extraction of geothermal energy, when it is possible to do without hydraulic fracturing, which leads to environmental pollution. Another basis is the use of a truly closed loop system, as opposed to those systems that have been mischaracterized as closed loop systems in the prior art.
Предлагаемая технология обеспечивает высокоэффективную процедуру уплотнения с перечисленными выше преимуществами с точки зрения геотермальной энергетики, поэтому было сделано заключение, что эта технология применима к восстановлению работоспособности неэффективных, неиспользуемых или иных бездействующих геотермических скважин. Эти скважины могут не использоваться или бездействовать из-за разных проблем, таких как низкий текущий объем добычи, неэффективные гидроразрывы, рыхлые пласты и связанные с этим проблемы выноса песка, повышенная коррозия от пластовой жидкости, вымывание. Таким образом, в тех случаях когда дооборудование до новой не требующей гидроразрыва геотермальной системы невозможно, вышедший из строя объект бросают, забрав ненужные тут обсадные трубы и другие компоненты. Или, если считают возможным, проводят работы по восстановлению, дорогие и не безвредные для экологии, такие как гидроразрыв пласта, или же перебуривают целые скважины. В свете того, что проницаемость пласта не представляет проблемы, предлагаемая технология уплотнения является привлекательной с точки зрения восстановления работоспособности скважин.The proposed technology provides a highly efficient compaction procedure with the benefits listed above in terms of geothermal energy, therefore it was concluded that this technology is applicable to the restoration of inefficient, unused or otherwise inactive geothermal wells. These wells may be unused or idle due to various problems such as low current production, ineffective hydraulic fracturing, loose formations and associated sand production problems, increased corrosion from formation fluid, washout. Thus, in those cases when retrofitting to a new geothermal system that does not require hydraulic fracturing is impossible, the failed facility is abandoned, taking away casing pipes and other components that are unnecessary here. Or, if they think it possible, they carry out costly and environmentally damaging remedial work, such as hydraulic fracturing, or re-drill entire wells. In light of the fact that reservoir permeability is not an issue, the proposed sealing technology is attractive from a well recovery point of view.
Что касается доработки существующих геотермических скважин, то само наличие этих скважин при применении предлагаемой технологии дает значительное экономическое преимущество, а предлагаемая технология не требует применения жидкости для гидроразрыва пласта, что позволяет избежать наведенной сейсмичности и экологических рисков, и позволяет объект, ранее считавшийся вредным для экологии, сделать экологически чистым источником энергии, с которым можно работать дальше.As for the improvement of existing geothermal wells, the very presence of these wells in the application of the proposed technology provides a significant economic advantage, and the proposed technology does not require the use of hydraulic fracturing fluid, which avoids induced seismicity and environmental risks, and allows a facility that was previously considered harmful to the environment , to make an environmentally friendly source of energy with which you can work further.
Далее со ссылками на последующие чертежи будут рассмотрены другие варианты осуществления предлагаемой технологии.Further, with reference to the following drawings, other embodiments of the proposed technology will be considered.
На схеме, изображенной на фиг. 19, скважинный контур 64 содержит систему с замкнутым контуром, имеющую впускную скважину 10 и выпускную скважину 20, пробуренные в геологической среде, которая может представлять собой, например, геотермическую среду, пласт пород с низкой проницаемостью, осадочный пласт, вулканогенную формацию или подстилающую породу, которую лучше охарактеризовать как кристаллическую горную породу, расположенную под осадочным бассейном (ничего из этого на чертеже не показано).In the diagram shown in Fig. 19, the well loop 64 comprises a closed loop system having an inlet well 10 and an outlet well 20 drilled in a subsurface environment, which may be, for example, a geothermal environment, a low permeability rock formation, a sedimentary formation, a volcanogenic formation, or an underburden, which is better characterized as a crystalline rock located under the sedimentary basin (none of this is shown in the drawing).
- 19 043119- 19 043119
Скважинный контур 64 и энергетический цикл 66 находятся в термическом контакте через посредство теплообменника 68, который отбирает тепло от рабочей текучей среды, циркулирующей в замкнутом контуре 64, выполненном в геологической среде, для выработки энергии с помощью генератора 70 в энергетическом цикле 66. Температура геологической среды может быть, например, в пределах от 80°С до 150°С.Downhole circuit 64 and power cycle 66 are in thermal contact through a heat exchanger 68 which removes heat from the working fluid circulating in a closed subsurface loop 64 to generate power with a generator 70 in power cycle 66. may be, for example, in the range from 80°C to 150°C.
В рассматриваемом варианте используют две разных рабочих текучих среды. Подробности, касающиеся этих текучих сред, будут рассмотрены ниже. Путем модификации рабочей текучей среды, используемой в скважинном контуре, можно обеспечить работу системы при низких температурах.In this embodiment, two different working fluids are used. Details regarding these fluids will be discussed below. By modifying the working fluid used in the downhole circuit, the system can be operated at low temperatures.
В используемых в настоящее время энергоблоках входную температуру рабочей текучей среды энергетического цикла в первичном теплообменнике обычно ограничивают величиной выше 0°С. При понижении температуры этой рабочей текучей среды до величины ниже 0°С обеспечивается возможность повысить перепад давлений в турбине. Однако в известных геотермальных проектах существуют ограничения, обусловленные возможным замерзанием текучей среды и осаждением в ней солей на другой стороне теплообменника.In currently used power units, the input temperature of the working fluid of the power cycle in the primary heat exchanger is usually limited to a value above 0°C. By lowering the temperature of this working fluid to below 0° C., it is possible to increase the pressure drop across the turbine. However, in known geothermal projects, there are limitations due to the possible freezing of the fluid and the deposition of salts in it on the other side of the heat exchanger.
В предлагаемом изобретении эти ограничения преодолеваются созданием сегрегированной системы энергетического цикла в комбинации со скважинной структурой с замкнутым контуром.The present invention overcomes these limitations by providing a segregated power cycle system in combination with a closed loop well structure.
Текучие среды могут быть модифицированы с помощью добавок, не допускающих замерзания при температурах ниже 0°С. В качестве подходящих добавок могут быть названы антинакипины, антикоррозионные агенты, понизители трения, антифризы, криогены, бактерициды, углеводороды, спирты, органические жидкости и комбинации этих добавок.Fluids can be modified with anti-freeze additives at temperatures below 0°C. Suitable additives which may be mentioned are descalers, anticorrosive agents, friction reducers, antifreezes, cryogens, bactericides, hydrocarbons, alcohols, organic liquids, and combinations of these additives.
Существенное преимущество использования в скважинном контуре специально приготовленной рабочей текучей среды в сочетании с сегрегированным энергетическим циклом состоит в том, что она не поддается действию очень низких наружных температур и благодаря этому облегчает использование любого из типичных циклов энергетической установки (включая цикл Ренкина на органическом теплоносителе, цикл Калины, цикл на углеродном носителе, цикл Стерлинга, транскритический цикл на диоксиде углерода) для повышения полезной мощности при использовании со скважинным контуром, как показано на фиг. 19. При таком решении тепло передается от первой рабочей текучей среды ко второй рабочей текучей среде, когда температура последней равна 0°С или ниже.A significant advantage of using a specially formulated working fluid in the downhole circuit in combination with a segregated power cycle is that it is unaffected by very low ambient temperatures and thereby facilitates the use of any of the typical power plant cycles (including the organic Rankine cycle, the Viburnum, carbon-supported cycle, Sterling cycle, carbon dioxide transcritical cycle) to increase net power when used with a downhole circuit, as shown in FIG. 19. With this solution, heat is transferred from the first working fluid to the second working fluid when the temperature of the latter is 0°C or lower.
Вариации решения с сегрегированным контуром проиллюстрированы на фиг. 20 и фиг. 21.Variations of the segregated loop solution are illustrated in FIG. 20 and FIG. 21.
На фиг. 20 изображена сегрегированная система, включающая скважинный контур 12 в термическом контакте с двумя отдельными теплообменниками 18, каждый со своим отдельным генератором 22, находящимися в параллельном соединении. На фиг. 21 изображена аналогичная система с последовательным соединением генераторов.In FIG. 20 depicts a segregated system including a well loop 12 in thermal contact with two separate heat exchangers 18, each with its own separate generator 22, in parallel. In FIG. 21 shows a similar system with generators connected in series.
Интегрированная скважинная энергетическая установка представляет собой систему с замкнутым контуром, в которой выбранная рабочая текучая среда циркулирует в скважинном корпусе, а затем подается на расположенную на поверхности турбину, как это можно видеть на фиг. 22. Эта система в целом обозначена позицией 72. Это система с единой рабочей текучей средой, а не с отдельной рабочей текучей средой для скважинного контура и отдельной рабочей текучей средой для энергетического цикла. Рабочая текучая среда в этом замкнутом контуре может работать в транскритическом цикле, когда текучая среда является сверхкритической при более высоком рабочем давлении, и докритической при более низком рабочем давлении, или же в полностью сверхкритическом цикле, когда текучая среда и при более низком рабочем давлении остается сверхкритической.An integrated downhole power plant is a closed loop system in which a selected working fluid is circulated in the downhole casing and then fed to a surface turbine, as can be seen in FIG. 22. This system is generally designated 72. This is a system with a single working fluid, rather than a separate working fluid for the downhole circuit and a separate working fluid for the power cycle. The working fluid in this closed circuit can operate in a transcritical cycle, when the fluid is supercritical at a higher operating pressure, and subcritical at a lower operating pressure, or in a fully supercritical cycle, when the fluid remains supercritical even at a lower operating pressure. .
Как известно, транскритический цикл - это термодинамический цикл, в котором рабочая текучая среда переходит и через докритическое, и через сверхкритическое состояния. В составе оборудования имеются также охлаждающее устройство, которое в рассматриваемом примере реализовано в виде воздушного теплообменника 74, и турбина 76 с генератором 78. Воздушный теплообменник 74 служит для охлаждения рабочей текучей среды до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину от 1 °С до 15°С. Следует заметить также, что рабочую текучую среду можно охлаждать до отрицательных температур по шкале Цельсия. Характеристики текучих сред представлены на фиг. 24.As is known, the transcritical cycle is a thermodynamic cycle in which the working fluid goes through both subcritical and supercritical states. The equipment also includes a cooling device, which in this example is implemented in the form of an air heat exchanger 74, and a turbine 76 with a generator 78. The air heat exchanger 74 serves to cool the working fluid to a temperature exceeding the ambient air temperature by 1 °C to °C. It should also be noted that the working fluid can be cooled to negative temperatures on the Celsius scale. The characteristics of the fluids are shown in FIG. 24.
Приводным механизмом в этом интегрированном цикле является очень сильный циркуляционный теплообмен (термосифонный эффект), который повышается благодаря разнице в плотности между впускной вертикальной скважиной 10 и выпускной вертикальной скважиной 20. Текучая среда, находящаяся во впускной скважине 10 в состоянии сверхкритической жидкости, при прохождении по поперечным скважинам 80 нагревается и выходит в выпускную скважину 20 в сверхкритическом состоянии, что создает значительное давление.The driving mechanism in this integrated cycle is a very strong circulating heat exchange (thermosiphon effect), which is enhanced by the difference in density between the inlet vertical well 10 and the outlet vertical well 20. wells 80 heats up and enters the outlet well 20 in a supercritical state, which creates a significant pressure.
Термосифонный эффект может полностью исключить необходимость использовать в условиях нормальной работы наземный насос, который нужен только при запуске. Преимущество состоит в том, что экономится энергия, которая потребовалась бы для работы этого насоса.The thermosyphon effect can completely eliminate the need for a ground pump during normal operation, which is needed only at start-up. The advantage is that the energy that would be required to operate this pump is saved.
В скважинном контуре используют текучие среды и смеси, разработанные с учетом особенностей ствола скважины, глубины, длины и наружной температуры. В уровне техники обсуждается только использование таких текучих сред, как диоксид углерода или чистые углеводороды. В случае системы сThe well circuit uses fluids and mixtures designed to suit the wellbore, depth, length, and ambient temperature. The prior art only discusses the use of fluids such as carbon dioxide or pure hydrocarbons. In the case of a system with
- 20 043119 замкнутым циклом, такой как система по предлагаемому изобретению, первоначальные расходы, связанные со сложностью смесей, используемых в качестве текучей среды, составляют только малую часть общих экономических объемов. Таким образом, можно использовать другие текучие среды, такие как текучая среда, обладающая по меньшей мере одним из свойств, выбранных из следующей группы:- 20 043119 closed cycle, such as the system according to the invention, the initial costs associated with the complexity of the mixtures used as a fluid, are only a small part of the total economic volumes. Thus, other fluids may be used, such as a fluid having at least one of the properties selected from the following group:
рабочая текучая среда для использования при извлечении тепловой энергии из геотермической скважинной структуры, имеющей впускную скважину, выпускную скважину и соединительную структуру между ними, при этом упомянутая рабочая текучая среда обладает по меньшей мере одним из свойств, выбранных из следующей группы:a working fluid for use in extracting thermal energy from a geothermal well structure having an inlet well, an outlet well, and a connecting structure therebetween, said working fluid having at least one of the properties selected from the following group:
a) с целью достижения максимального температурного перепада и максимальной теплопередачи между текучей средой и окружающей теплоносной геологической средой внутри поперечного соединительного канала между впускной скважиной и выпускной скважиной имеет существенно нелинейную зависимость энтальпии от температуры при давлениях выше 10 МПа и температурах ниже 180°С,a) in order to achieve the maximum temperature difference and maximum heat transfer between the fluid and the surrounding heat-bearing geological environment within the transverse connection channel between the inlet well and the outlet well, has a significantly non-linear enthalpy dependence on temperature at pressures above 10 MPa and temperatures below 180 ° C,
b) обладает способностью вступать в обратимую реакцию, чувствительную к изменению давления: эндотермическую при повышенном давлении и экзотермическую при давлении ниже упомянутого повышенного давления,b) has the ability to enter into a reversible pressure-sensitive reaction: endothermic at elevated pressure and exothermic at pressures below said elevated pressure,
c) представляет собой смесь, вступающую в упомянутом поперечном соединительном канале в эндотермическую реакцию химической абсорбции,c) is a mixture entering into the said transverse connecting channel in an endothermic reaction of chemical absorption,
d) представляет собой водный раствор электролита с растворимостью, зависящей от температуры и давления, обладающий внутри упомянутого поперечного соединительного канала теплопоглощающим действием,d) is an aqueous solution of an electrolyte with a solubility depending on temperature and pressure, having a heat-absorbing effect inside said transverse connecting channel,
e) является текучей средой на водной основе, содержащей композицию, уменьшающую сопротивление при турбулентном обтекании,e) is a water-based fluid containing a composition that reduces drag in turbulent flow,
f) является сверхкритической текучей средой, g) представляет собой смесь этана и аммиака,f) is a supercritical fluid, g) is a mixture of ethane and ammonia,
h) имеет любую из работоспособных комбинаций свойств, перечисленных в пунктах от а) до д).h) has any of the workable combinations of properties listed in points a) to e).
Было установлено, что текучие среды, имеющие существенно нелинейную зависимость энтальпии от температуры внутри поперечных соединений скважинного контура, и/или обладающие способностью вступать в обратимую реакцию, чувствительную к изменению давления: эндотермическую при повышенном давлении и экзотермическую при давлении ниже упомянутого повышенного давления, могут значительно повышать выработку энергии. Это объясняется тем, что средний перепад между температурой породы в скважине и температурой циркулирующей текучей среды повышается, вызывая повышение передачи тепла от геологической среды.It has been found that fluids having a substantially non-linear temperature dependence of enthalpy within the cross-sections of the well circuit, and/or having the ability to enter into a reversible pressure-sensitive reaction: endothermic at elevated pressure and exothermic at pressures below said elevated pressure, can significantly increase energy production. This is because the average differential between the temperature of the rock in the well and the temperature of the circulating fluid is increased, causing an increase in heat transfer from the subsurface.
В качестве примера текучей среды, которая может быть использована в сегрегированной системе, можно назвать водный осадочно-электролитный раствор, растворимость которого зависит от температуры, при этом в верхней части впускной скважины вода сверхнасыщена. Взвешенное состояние твердых частиц поддерживается с помощью противонакипной (противофлоккулирующей) добавки и турбулентного режима потока (подобно буровому раствору). При протекании по поперечным участкам температура текучей среды повышается, в результате чего повышается также растворимость находящихся во взвешенном состоянии твердых частиц. Этим обеспечивается эндотермический процесс поглощения раствором тепла геологической среды (по сути повышается эффективная теплоемкость текучей среды) при растворении твердых частиц в воде. В теплообменнике с передачей тепла в сегрегированный цикл преобразования тепла в электричество температура падает, в результате чего имеет место экзотермический процесс, при котором твердые частицы выходят из раствора с выделением тепла.An example of a fluid that can be used in a segregated system is an aqueous sediment-electrolyte solution, the solubility of which depends on temperature, while in the upper part of the inlet well, the water is supersaturated. The suspended state of solid particles is maintained with the help of an anti-scale (anti-flocculating) additive and a turbulent flow regime (similar to drilling fluid). When flowing through the transverse sections, the temperature of the fluid medium increases, as a result of which the solubility of the suspended solid particles also increases. This provides an endothermic process for the solution to absorb the heat of the geological environment (essentially increasing the effective heat capacity of the fluid) when the solid particles are dissolved in water. In a segregated heat-to-electricity heat exchanger, the temperature drops, resulting in an exothermic process in which solid particles come out of solution to release heat.
В качестве полезных с точки зрения предлагаемого изобретения текучих сред могут быть названы в качестве примера водные растворы таких веществ, как ацетат аммония, дигидрофосфат аммония, формиат аммония, нитрат аммония, бромид калия, хлорид калия, формиат калия, гидрокарбонат калия, нитрат калия, ацетат натрия, карбонат натрия и мононатрийфосфат.Examples of fluids useful in the context of the invention include aqueous solutions of substances such as ammonium acetate, ammonium dihydrogen phosphate, ammonium formate, ammonium nitrate, potassium bromide, potassium chloride, potassium formate, potassium hydrogen carbonate, potassium nitrate, acetate sodium, sodium carbonate and monosodium phosphate.
Используя только одну турбину, проблематично обеспечить эффективность во всем диапазоне параметров окружающей среды. Было установлено, что проблема может быть решена при использовании двух или большего числа соединенных последовательно или параллельно турбин, оптимизированных для разных параметров окружающей среды. Для поддержания высокой эффективности на протяжении всего года в сезон низких температур логическое устройство управления (не показано) автоматически перемещает текучую среду к надлежащей турбине.Using only one turbine, it is problematic to ensure efficiency over the entire range of environmental parameters. It has been found that the problem can be solved by using two or more turbines connected in series or in parallel, optimized for different environmental parameters. To maintain high efficiency throughout the cold season throughout the year, a control logic (not shown) automatically moves the fluid to the correct turbine.
Фиг. 25 и фиг. 25 А относятся к шлейфовому соединению 82 скважин. В этом варианте осуществления предлагаемого изобретения каждый локализованный объект 84 содержит нагнетательную скважину 86, соединенную с системой поперечных каналов 88 и продуктивной скважиной 90. Построенная таким образом непрерывная скважинная структура может быть названа U-образной скважинной структурой. Упомянутые поперечные каналы 88 могут быть реализованы как показано на фиг. 3, или же иным образом, как описывалось выше.Fig. 25 and FIG. 25 A refer to 82 wells daisy chain. In this embodiment of the invention, each localized object 84 includes an injection well 86 connected to a transverse channel system 88 and a production well 90. The continuous well structure thus constructed may be referred to as a U-shaped well structure. Said transverse channels 88 may be implemented as shown in FIG. 3, or otherwise, as described above.
Как можно видеть на этих чертежах, каждый локализованный объект 84 обособлен и остроумным и выгодным образом соединен с близлежащими наземными локализованными объектами 84. Расстояние между объектами может составлять, например, от 3500 м до 6000 м. Разумеется, оно может быть разным в зависимости от ситуации.As can be seen in these drawings, each localized object 84 is separate and ingeniously and advantageously connected to nearby ground localized objects 84. The distance between the objects can be, for example, from 3500 m to 6000 m. Of course, it can be different depending on the situation. .
- 21 043119- 21 043119
При работе системы рабочая текучая среда протекает в нагнетательной скважине 86 одного локализованного объекта 84, может проходить, например, через энергетическую установку (не показана) для передачи тепловой энергии, а затем выходящий поток направляется в качестве входного потока в нагнетательную скважину 86 соседнего локализованного объекта 84. Пунктирной линией 92 показана эта простая или шлейфовая передача текучей среды. Извлекается не все тепло, поэтому поток для скважины 86 соседнего локализованного объекта перед нагнетанием в поперечный канал 88 предварительно нагревают. Процесс повторяется на соседнем локализованном объекте 84.During operation of the system, the working fluid flows in the injection well 86 of one localized object 84, may pass, for example, through a power plant (not shown) to transfer thermal energy, and then the output stream is directed as an input stream to the injection well 86 of the adjacent localized object 84 The dotted line 92 illustrates this simple or stub transfer of fluid. Not all of the heat is recovered, so the flow to the well 86 of the adjacent localized object is preheated before being injected into the transverse channel 88. The process is repeated on the neighboring localized object 84.
На фиг. 26 проиллюстрирован еще один вариант осуществления предлагаемого изобретения, представляющий собой систему скважин, обеспечивающую мощность от 8000 кВт до 12 000 кВт. В этом варианте отдельные контуры соединены в центральном локализованном объекте 94 для централизации энергетического оборудования (не показано) с целью увеличения выработки энергии и повышения КПД.In FIG. 26 illustrates another embodiment of the present invention, which is a well system providing power from 8,000 kW to 12,000 kW. In this embodiment, the individual circuits are connected in a central localized facility 94 to centralize power equipment (not shown) in order to increase power generation and improve efficiency.
На фиг. 27 и фиг. 28 проиллюстрированы системы скважин, обеспечивающие более низкие значения мощности вырабатываемой энергии: от 4000 кВт до 6000 кВт (фиг. 27) и от 2000 кВт до 3000 кВт (фиг. 28).In FIG. 27 and FIG. 28 illustrates well systems providing lower power outputs of 4000 kW to 6000 kW (FIG. 27) and 2000 kW to 3000 kW (FIG. 28).
Одним из значительных преимуществ эксплуатации шлейфовой системы скважин является отсутствие необходимости в приповерхностном обратном трубопроводе. Когда он требуется, как это случается в известных системах со скважинным контуром, капиталовложения превышают 10% от общих проектных основных средств, может возникнуть необходимость договариваться о полосе отчуждения, и в результате имеют место потери тепла при понижении температуры на 3°С и потери давления, что приводит к снижению КПД.One of the significant advantages of operating a flowline system of wells is the absence of the need for a near-surface return pipeline. When it is required, as is the case in prior art well loop systems, the capital investment exceeds 10% of the total project fixed assets, it may be necessary to negotiate a right-of-way, and as a result there are heat losses with a temperature drop of 3°C and pressure losses, which leads to a decrease in efficiency.
В отличие от этого, при шлейфовом соединении, благодаря передне-заднему соединению скважинных контуров, отпадает потребность в приповерхностном обратном трубопроводе. Кроме того, спаренные контуры работают в качестве обратных трубопроводов друг для друга, так что пара использует рассеиваемое тепло для предварительного нагрева потока, о котором говорилось выше.In contrast, with a stub connection, due to the front-to-back connection of the well circuits, there is no need for a near-surface return pipeline. In addition, the paired circuits act as returns to each other so that the pair uses the dissipated heat to preheat the flow discussed above.
В числе других преимуществ можно назвать увеличение выработки энергии без разрушения поверхности (то есть без воздействия на окружающую среду), так как все находится в геологической среде, под поверхностью, и расстояние между локализованными объектами 84 сокращено. И если благодаря повышенной температуре предварительно нагретого подаваемого потока можно использовать более короткий поперечный канал 88, то в той же мере сокращаются и расходы.Other benefits include increased power generation without destroying the surface (ie without impacting the environment) since everything is in the subsurface and the distance between localized objects 84 is reduced. And if, due to the increased temperature of the preheated feed stream, a shorter transverse channel 88 can be used, the costs are reduced to the same extent.
В рассмотренных выше вариантах осуществления предлагаемого изобретения стволы скважин уплотнены в процессе бурения по описанной выше технологии. Должно быть понятно, что в системе с шлейфовым соединением объектов могут быть использованы комбинации скважин любых конфигураций. Кроме того, для создания стволов скважин в системе с шлейфовым соединением объектов, как и в системах любых других конфигураций, проиллюстрированных на прилагаемых чертежах, могут применяться комбинации любых технологий внедрения в горные породы. На некоторых чертежах использованы обозначения, состоящие из номера чертежа с приставленной к нему буквой n. Например, на фиг. 6 есть зона, несущая обозначение 6n. Это значит, что к изображенной скважине может быть добавлено любое (то есть n-ное) количество дополнительных скважин, расположенных одна над другой, или одна рядом с другой, или обоими этими способами относительно явно изображенной скважины. При этом дополнительные скважины могут быть как того же, так и другого типа.In the embodiments of the present invention discussed above, wellbores are compacted during drilling according to the technology described above. It should be clear that combinations of wells of any configuration can be used in a daisy chain system. In addition, combinations of any rock intrusion technologies may be used to create wellbores in the daisy chain system, as in any of the other configurations illustrated in the accompanying drawings. In some drawings, symbols are used, consisting of a drawing number with the letter n appended to it. For example, in FIG. 6 there is a zone bearing the designation 6n. This means that any (ie, n-th) number of additional wells can be added to the depicted well, one above the other, or one next to the other, or both, relative to the clearly depicted well. In this case, additional wells can be either of the same or of a different type.
Как указано в рассмотренных выше примерах, предлагаемое изобретение основывается на возможности использования теплонесущей геологической среды независимо от ее проницаемости и создания в ней эффективных скважинных структур для обеспечения максимальной теплопередачи. В сочетании с высокоэффективными рабочими текучими средами это дает замечательный результат.As indicated in the examples discussed above, the present invention is based on the possibility of using a heat-carrying geological environment, regardless of its permeability, and creating effective well structures in it to ensure maximum heat transfer. In combination with high performance working fluids, this gives a remarkable result.
Циркуляция текучей среды в скважинных структурах может осуществляться по любым схемам и в любых направлениях, обеспечивающих эффективность. Это частично зависит от природы геологической среды, что должно быть понятно специалистам.The circulation of the fluid in the well structures can be carried out according to any schemes and in any directions that provide efficiency. This depends in part on the nature of the subsurface, as will be appreciated by those skilled in the art.
Claims (18)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US62/693,950 | 2018-07-04 | ||
US62/714,674 | 2018-08-04 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA043119B1 true EA043119B1 (en) | 2023-04-26 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6848006B2 (en) | Methods for Forming High-Efficiency Geothermal Well Holes | |
US10590324B2 (en) | Fiber suspending agent for lost-circulation materials | |
CA3100013C (en) | Method for forming high efficiency geothermal wellbores using phase change materials | |
US9896619B2 (en) | Enhancing conductivity of microfractures | |
JP2022539108A (en) | An operating protocol for acquiring thermoproductive formations | |
US11268366B2 (en) | Methods of strengthening and consolidating subterranean formations with silicate-aluminum geopolymers | |
US20190225875A1 (en) | Use of polyhedral oligomeric silsesquioxane to increase the viscosity of well treatment fluids | |
Wiese et al. | Near well-bore sealing in the Bečej CO2 reservoir: Field tests of a silicate based sealant | |
EA043119B1 (en) | METHOD FOR CREATING HIGHLY EFFICIENT GEOTHERMAL WELL STRUCTURES | |
WO2015020664A1 (en) | Dimer acid grafted polymer for stabilizing particulate in a well | |
Anyaezu | Experimental investigation of polymer-based lost circulation materials for fluid loss treatment under high temperature using additive manufacturing | |
US8978761B2 (en) | Hydrated sheet silicate minerals for reducing permeability in a well |