RU2260751C2

RU2260751C2 - Geothermal energy generating plant

Info

Publication number: RU2260751C2
Application number: RU2003113562/06A
Authority: RU
Inventors: Элберт Х. ХЭЛЛФ (US); Элберт Х. ХЭЛЛФ
Original assignee: Элберт Х. ХЭЛЛФ
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2005-09-20

Abstract

FIELD: power engineering; use of geothermal heat in units using water from external sources.

SUBSTANCE: proposed plant includes vertical delivery well-bore running to earth's crust and vertical outlet well-bore located at some distance from delivery well-bore; provision is made for evacuation of vapor from this well-bore; plant is also provided with horizontal well-bore for connection of two vertical well-bores and at least one section of horizontal well-bore located in hot rock; all said well-bores are provided with casing pipes to exclude contact of liquid flowing through well-bores with soil or underground water; water obtained after condensation of vapor from outlet well-bore is pumped to delivery well-bore and is used repeatedly. Besides that, horizontal well-bore may be entirely located in rock; delivery and outlet well-bores enter hot rock; plant is provided with devices for delivery of water from delivery well-bore to horizontal well-bore. Water admitting to rock is not contaminated in such plant and may be used repeatedly.

EFFECT: enhanced efficiency.

4 cl, 2 dwg

Description

Предпосылки к созданию изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к установке для выработки геотермальной энергии, а более конкретно к усовершенствованной установке для выработки геотермальной энергии, в которой не используют воду в горячей горной породе и используют воду из внешнего источника, причем эта вода может быть использована повторно. Известно, что установки для выработки геотермальной энергии используют в течение многих лет. Обычная установка предусматривает бурение скважины в горячую горную породу, которая содержит горячую воду. Если пласт является сухим и горячим, то вода может быть закачена в скважину и в горячую горную породу. Горячая горная порода либо содержит горячую воду, либо будет нагревать воду, закаченную в нее, пока вода не достигнет температуры и давления, которые превосходят условия, необходимые для образования пара. Горячая вода вытекает из скважины или откачивается из нее, причем после снятия давления происходит разделение горячей воды и пара, и отделенный пар используют для вращения турбины, которая вращает электрический генератор или некоторый другой механизм. Генератор может быть подключен к электрической сети для передачи электроэнергии в точку ее использования, или же энергия может быть использована на месте ее получения. Отметим, что может потребоваться обработка грунтовой воды перед ее возвратом в горячую горную породу. Было обнаружено, что в применяемых в настоящее время установках для выработки геотермальной энергии природная вода или вода, которую закачивают в горячую горную породу, является сильно загрязненной. Такая вода обычно имеет высокое содержание твердых веществ и может содержать образующие накипь или корродирующее химикаты, или то и другое, что требует проведения обработки перед тем, как вода может быть возвращена в горячую горную породу. После использования пара для вращения турбины, пар конденсируется в водную фазу, причем полученная вода также является загрязненной и требует обработки ранее ее пропускания через трубопроводы и бассейны для обработки и ранее ее возврата в горячую горную породу.The present invention relates to an installation for generating geothermal energy, and more particularly to an improved installation for generating geothermal energy, which does not use water in hot rock and uses water from an external source, and this water can be reused. It is known that installations for generating geothermal energy have been used for many years. A typical installation involves drilling a well in hot rock that contains hot water. If the formation is dry and hot, then water can be pumped into the well and into the hot rock. Hot rock either contains hot water or will heat the water pumped into it until the water reaches a temperature and pressure that exceed the conditions necessary for the formation of steam. Hot water flows out of the well or is pumped out of it, and after the pressure is removed, hot water and steam are separated, and the separated steam is used to rotate the turbine, which rotates the electric generator or some other mechanism. The generator can be connected to the electric network to transfer electricity to the point of its use, or energy can be used at the place of its receipt. Note that it may be necessary to treat the groundwater before returning it to the hot rock. It was found that in the currently used installations for generating geothermal energy, natural water or water that is pumped into a hot rock is highly polluted. Such water usually has a high solids content and may contain scale-forming or corrosive chemicals, or both, that require processing before the water can be returned to the hot rock. After using steam to rotate the turbine, the steam condenses into the water phase, and the resulting water is also contaminated and requires processing before it passes through pipelines and pools for processing and before it is returned to the hot rock.

Следует также иметь в виду, что использование единственной скважины, в которую закачивают воду и из которой отводят пар, ограничивает местоположение как турбогенератора, так и самих скважин, так как они должны быть расположены поблизости друг от друга, если единственную скважину используют для приема воды, отвода пара и возврата воды в пласт. Кроме того, использование единственной скважины ограничивает время нахождения воды в горячей горной породе, в результате чего эффективность установки снижается.It should also be borne in mind that the use of a single well into which water is pumped and from which steam is removed limits the location of both the turbogenerator and the wells themselves, since they must be located close to each other, if the only well is used to receive water, steam removal and return of water to the reservoir. In addition, the use of a single well limits the time spent by water in the hot rock, resulting in reduced installation efficiency.

Краткое изложение изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Настоящее изобретение позволяет преодолеть указанные трудности, причем одной из его задач является создание усовершенствованной установки для выработки геотермальной энергии, в которой вода, получающая теплоту из горячей горной породы, не становится загрязненной, так что она может быть использована повторно, причем не требуется проведение ее химической обработки после ее использования в стандартных водяных бойлерах, при этом указанная установка является экономичной по объему использованной воды. Другой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной установки для выработки геотермальной энергии, в которой турбина, которая вращает генератор или другой механизм и в которую подается пар, не обязательно должна быть расположена в непосредственной близости от нагнетательной скважины, которую используют для введения воды в толщу земли, и может быть расположена на расстоянии от скважины. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной установки для выработки геотермальной энергии, которая является более эффективной. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной установки для выработки геотермальной энергии, которую легко устанавливать, так как скважины могут быть пробурены при помощи техники горизонтальной проходки скважин, которую широко используют в нефтяной промышленности. Усовершенствованная установка для выработки геотермальной энергии является простой в эксплуатации. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание установки, в которой не требуется удаление воды из пласта, так что поддерживается давление в пласте.The present invention overcomes these difficulties, and one of its objectives is to create an improved installation for the generation of geothermal energy, in which water, receiving heat from hot rock, does not become contaminated, so that it can be reused, and it does not require chemical processing after its use in standard water boilers, while this installation is economical in terms of the volume of water used. Another objective of the present invention is to provide an improved installation for generating geothermal energy in which a turbine that rotates a generator or other mechanism and into which steam is supplied does not have to be located in close proximity to an injection well, which is used to introduce water into the earth’s thickness, and can be located at a distance from the well. Another objective of the present invention is to provide an improved installation for generating geothermal energy, which is more efficient. Another objective of the present invention is to provide an improved installation for the generation of geothermal energy, which is easy to install, since the wells can be drilled using the horizontal drilling technique, which is widely used in the oil industry. An advanced geothermal power plant is easy to operate. Another objective of the present invention is to provide an installation in which the removal of water from the formation is not required, so that pressure in the formation is maintained.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи. На фиг.1 схематично показана установка для выработки геотермальной энергии с использованием отдельных нагнетательной (входной) и выходной скважин, выполненная в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.2 схематично показана установка для выработки геотермальной энергии с комбинацией входной и выходной скважин в единственную скважину.The foregoing and other features of the invention will be more apparent from the following detailed description, given by way of example, not of a restrictive nature and given with reference to the accompanying drawings. Figure 1 schematically shows an installation for generating geothermal energy using separate injection (input) and output wells, made in accordance with the present invention. Figure 2 schematically shows an installation for generating geothermal energy with a combination of input and output wells into a single well.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показана установка для выработки геотермальной энергии в соответствии с настоящим изобретением. Эта установка содержит нагнетательную скважину 1, которая идет в толщу земли 2 от поверхности 3, пока она не встречается со слоем или пластом горячей горной породы 4 в толще земли 2. В местоположении, удаленном от нагнетательной скважины 1, пробурена также выходная скважина 5, которая также идет от поверхности 3 в горячую горную породу 4. Когда скважина приближается к горячей горной породе, то она поворачивает от вертикального в горизонтальное направление 6 и проходит через горячую горную породу 4 на расстоянии, необходимом для надлежащего нагревания воды, после чего ствол скважины поворачивает к вертикали и идет до поверхности. Таким образом, нагнетательная скважина 1, горизонтальный ствол скважины 6 и выходная скважина 5 образуют непрерывный путь от поверхности вниз в горячую горную породу через лежащий над ней материал, а затем вверх до поверхности через скважину 5. На фиг.1 ствол скважины 6 показан горизонтальным, однако следует иметь в виду, что при необходимости ствол скважины 6 может иметь и другую ориентацию. Отметим, что из единственной вертикальной скважины могут быть пробурены несколько горизонтальных скважин. Блок турбогенератора 10 или некоторый другой механизм, который работает при помощи пара, расположен в непосредственной близости от выходной скважины 5 и соединен с выходной скважиной 5 таким образом, что пар, выходящий из выходной скважины 5, приводит в действие блок турбогенератора 10 или другой аналогичный механизм, позволяющий вырабатывать энергию или выполнять некоторые другие функции.We now turn to the consideration of figure 1, which shows the installation for generating geothermal energy in accordance with the present invention. This installation contains an injection well 1, which extends into the thickness of the earth 2 from the surface 3, until it meets a layer or layer of hot rock 4 in the thickness of the earth 2. At the location remote from the injection well 1, an outlet well 5 is also drilled, which also goes from surface 3 to the hot rock 4. When the well approaches the hot rock, it turns from vertical to horizontal 6 and passes through the hot rock 4 at a distance necessary for proper heating water, after which the wellbore turns to the vertical and goes to the surface. Thus, the injection well 1, the horizontal wellbore 6 and the output well 5 form a continuous path from the surface down to the hot rock through the material lying above it, and then up to the surface through the well 5. In FIG. 1, the well 6 is shown horizontal, however, it should be borne in mind that, if necessary, the wellbore 6 may have a different orientation. Note that several horizontal wells can be drilled from a single vertical well. The turbogenerator unit 10 or some other mechanism that operates with steam is located in the immediate vicinity of the output well 5 and is connected to the output well 5 so that the steam exiting the output well 5 drives the turbine generator unit 10 or other similar mechanism that allows you to generate energy or perform some other functions.

При помощи этой установки чистую воду закачивают в нагнетательную скважину 1 и выпускают в точке 12, причем вода протекает через ствол скважины 6 в горячей горной породе 4, превращаясь при этом в пар, а затем пар выходит из земли через выходную скважину 5 и приводит в действие блок турбогенератора 10 или некоторый другой механизм. После конденсации пара в конденсаторе 13 пар превращается в водную фазу. Полученная вода, которая хранится в баке 14, проходит очистку в установке 15 и закачивается назад в нагнетательную скважину 1 для повторения описанной выше операции. Однако следует иметь в виду, что в ходе указанной операции смесь пара и воды загрязняется и не может быть использована повторно без соответствующей очистки, так как может вредно воздействовать на работу блока турбогенератора. Поэтому в каждом рабочем цикле вода проходит через процесс очистки 15, чтобы обеспечить ее надлежащую чистоту.Using this installation, clean water is pumped into injection well 1 and discharged at point 12, the water flowing through the borehole 6 in the hot rock 4, turning into steam, and then the steam leaves the earth through the output well 5 and activates turbogenerator unit 10 or some other mechanism. After condensation of the vapor in the condenser 13, the vapor is converted to the aqueous phase. The obtained water, which is stored in the tank 14, is purified in the installation 15 and is pumped back into the injection well 1 to repeat the above operation. However, it should be borne in mind that during this operation, the mixture of steam and water is contaminated and cannot be reused without proper treatment, since it can adversely affect the operation of the turbogenerator unit. Therefore, in each working cycle, water passes through the cleaning process 15 to ensure its proper purity.

Для того, чтобы предотвратить загрязнение смеси пара и воды при ее прохождении через ствол скважины 6 в горячей горной породе 4, ствол скважины 6 облицован и/или изготовлен из материала 7, который является коррозионно-стойким, так что смесь пара и воды не входит в контакт с горячей горной породой 4. Скважины 1 и 5, а также ствол скважины 6, могут быть цементированы на месте в соответствии со стандартами выполнения водяных и нефтяных скважин. Так как смесь пара и воды остается чистой и может быть использована повторно после блока турбогенератора, то вода не удаляется в сточные воды. Для дополнительного предотвращения загрязнения смеси пара и воды желательно также производить облицовку нагнетательной скважины 1 и выходной скважины 5 при помощи не подверженных коррозии обсадных труб 8 и 9 соответственно, с цементированием указанных труб на месте. В этом случае при поступлении воды в нагнетательную скважину 1 она не входит в контакт с грунтом 2 и не загрязняется, причем выходящий из выходной скважины 5 пар остается чистым, так как он тоже не входит в контакт с толщей земли 2. Поэтому смесь пара и воды остается чистой и может быть использована повторно без риска загрязнения. Следовательно, установка в соответствии с настоящим изобретением позволяет экономить воду, так как не требуется ее удалять в сточные воды или подвергать дорогой очистке, которая требуется в том случае, когда загрязненные грунтовые воды циркулируют в установке. Следует также иметь в виду, что настоящее изобретение позволяет размещать выходную скважину 5 в местоположении, удаленном от нагнетательной скважины 1, причем выходная скважина 5 может быть пробурена в непосредственной близости от блока турбогенератора 10. Таким образом, если по каким-либо причинам нагнетательная скважина 1 не может быть расположена вблизи от блока турбогенератора 10, то она может быть пробурена в местоположении, удаленном от него, так как ствол скважины 6 может иметь любую желательную длину, с учетом того, что он главным образом расположен в горячей горной породе, и, как минимум, должен иметь длину, достаточную для превращения воды в пар, что не приводит к вредному воздействию на эффективность и работу установки в соответствии с настоящим изобретением.In order to prevent contamination of the steam and water mixture as it passes through the borehole 6 in the hot rock 4, the borehole 6 is lined and / or made of material 7, which is corrosion resistant, so that the mixture of steam and water is not included contact with hot rock 4. Wells 1 and 5, as well as wellbore 6, can be cemented in place in accordance with the standards for water and oil wells. Since the mixture of steam and water remains clean and can be reused after the turbogenerator unit, the water is not removed into the waste water. To further prevent contamination of the mixture of steam and water, it is also desirable to cover the injection well 1 and the output well 5 using corrosion-resistant casing pipes 8 and 9, respectively, with cementing these pipes in place. In this case, when water enters the injection well 1, it does not come into contact with the soil 2 and is not contaminated, and the steam leaving the output well 5 remains clean, since it also does not come into contact with the thickness of the earth 2. Therefore, the mixture of steam and water Remains clean and reusable without risk of contamination. Therefore, the installation in accordance with the present invention saves water, since it does not need to be removed to wastewater or subjected to expensive treatment, which is required when contaminated groundwater is circulated in the installation. It should also be borne in mind that the present invention allows you to place the output well 5 at a location remote from the injection well 1, and the output well 5 can be drilled in the immediate vicinity of the turbogenerator unit 10. Thus, if for some reason the injection well 1 cannot be located close to the turbogenerator unit 10, then it can be drilled at a location remote from it, since the wellbore 6 can have any desired length, given that it is mainly zom is located in hot rock and, at a minimum, must be long enough to turn water into steam, which does not adversely affect the efficiency and operation of the installation in accordance with the present invention.

Настоящее изобретение позволяет создать усовершенствованную установку для выработки геотермальной энергии, в которой поступающая в горячую горную породу вода не загрязняется, так что она может быть использована повторно, причем турбогенератор или некоторый другой механизм, которые работают при помощи пара, не обязательно должны быть расположены вблизи от нагнетательной скважины, которую используют для закачки воды в почву, а могут быть расположен на удалении от этой скважины, при этом в установке уменьшен расход воды, она является более экономичной, может быть легко установлена и является простой в эксплуатации.The present invention allows to create an improved installation for generating geothermal energy, in which the water entering the hot rock is not contaminated, so that it can be reused, moreover, a turbogenerator or some other mechanism that works with steam does not have to be located close to injection well, which is used to pump water into the soil, and can be located at a distance from this well, while the installation reduces water consumption, it is a big ie economical, it can be easily installed and is easy to operate.

На фиг.2 показан вариант описанной выше установки, в которой присутствуют все элементы установки, показанной на фиг.1. Следует иметь в виду, что все отмеченные выше результаты могут быть получены при использовании единственной вертикальной скважины и одной или нескольких горизонтальных скважин. Вода поступает в горизонтальную область скважины через трубы, идущие вниз в обсадной колонне, и вытекает в конце обсадной колонны. Вода затем превращается в пар, который выходит назад из единственной скважины и поступает к турбине.Figure 2 shows a variant of the installation described above, in which all the elements of the installation shown in figure 1 are present. It should be borne in mind that all of the above results can be obtained using a single vertical well and one or more horizontal wells. Water enters the horizontal region of the well through pipes running down the casing and flows out at the end of the casing. Water then turns into steam, which comes back from a single well and flows to the turbine.

В том и другом варианте обработанная вода может быть на любом конце ветви горячей воды или может распределяться по всем участкам ветви горячей воды.In either case, the treated water can be at either end of the hot water branch or can be distributed over all parts of the hot water branch.

Как видно на чертежах, может быть одна или несколько горячих ветвей. Все горячие ветви могут работать одновременно или же могут быть использованы поочередно, когда одна горячая ветвь работает, а другие ветви нагреваются до тех пор, пока они не будет готовы к работе.As can be seen in the drawings, there may be one or more hot branches. All hot branches can work at the same time or can be used alternately when one hot branch is working and the other branches are heated until they are ready for operation.

На чертежах горячая ветвь показана горизонтальной, однако следует иметь в виду, что она может иметь наклон вверх или вниз для того, чтобы улучшить ее положение в горячей горной породе.In the drawings, the hot branch is shown horizontal, however, it should be borne in mind that it can be tilted up or down in order to improve its position in hot rock.

Отметим, что может потребоваться чистка горячей ветви, обычно с длительными промежутками между операциями чистки. Для этого впускную трубу удаляют и вводят в горячую ветвь чистящий механизм, который проходит по линии, снимая наросты со стенок, которыми обычно является накипь. Отходы удаляют и после завершения чистки указанную впускную трубу возвращают на место.Note that it may be necessary to clean the hot branch, usually with long intervals between cleaning operations. To do this, the inlet pipe is removed and a cleaning mechanism is inserted into the hot branch, which passes along the line, removing growths from the walls, which are usually scale. Waste is removed and after cleaning, the specified inlet pipe is returned to the place.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.Despite the fact that the preferred embodiment of the invention has been described, it is completely clear that it will be modified by experts in the field and additions that do not, however, go beyond the scope of the following claims.

Claims

1. Installation for generating geothermal energy, comprising mainly a vertical injection wellbore extending from the surface into the earth, configured to receive water, mainly a vertical output wellbore located at a distance from the injection well and also extending from the surface into the earth made with the possibility of removal of steam from it, mainly a horizontal wellbore, which connects two vertical wellbores, and at least one horizontal section The full wellbore is located in hot rock, with all of these wells having casing pipes that prevent contact of the fluid passing through the wells with soil or groundwater, and the water obtained after condensation of steam from the output wellbore is pumped into the injection wellbore and reused.

2. The installation according to claim 1, characterized in that the horizontal wellbore is entirely in the rock.

3. Installation according to claim 2, characterized in that the injection and output boreholes are included in the hot rock.

4. The installation according to claim 3, characterized in that it provides means for pumping water from the injection wellbore into the horizontal wellbore.