RU2823425C1 - Method of extracting low-temperature petrothermal heat - Google Patents
Method of extracting low-temperature petrothermal heat Download PDFInfo
- Publication number
- RU2823425C1 RU2823425C1 RU2023112243A RU2023112243A RU2823425C1 RU 2823425 C1 RU2823425 C1 RU 2823425C1 RU 2023112243 A RU2023112243 A RU 2023112243A RU 2023112243 A RU2023112243 A RU 2023112243A RU 2823425 C1 RU2823425 C1 RU 2823425C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- casing
- pipe
- well
- petrothermal
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 25
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 9
- 239000002699 waste material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 13
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000003129 oil well Substances 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 241000169624 Casearia sylvestris Species 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910001570 bauxite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к способам извлечения петротермального тепла глубинных пород для использования в системах снабжения тепловой энергией.The invention relates to methods for extracting petrothermal heat from deep rocks for use in thermal energy supply systems.
Известен способ извлечения геотермального тепла с помощью парового котла на подземном тепле (патент РФ № 2099649, 20.12.1997. Паровой котел на подземном тепле), с водяным пространством и пространством парообразования с пароотводящей трубой, двумя трубами разного диаметра, из которых большего диаметра установлена в земной скважине, а вторая труба размещена внутри первой с примыканием к ее внутренней стороне и дополнительно снабжена обратным клапаном.There is a known method for extracting geothermal heat using a steam boiler using underground heat (RF patent No. 2099649, 12/20/1997. Steam boiler using underground heat), with a water space and a steam generation space with a steam exhaust pipe, two pipes of different diameters, of which the larger diameter is installed in underground well, and the second pipe is placed inside the first one adjacent to its inner side and is additionally equipped with a check valve.
В трубу меньшего диаметра поступает самотеком или накачивается вода, обратный клапан под давлением воды открывается, и вода поступает в трубу большего диаметра (котел) до определенного уровня в водном пространстве. Под действием подземного тепла образовавшийся пар отводится трубой большего диаметра потребителю, например к паровой машине с электрогенератором или для обогрева теплиц, зданий и т.д.Water flows into a smaller diameter pipe by gravity or is pumped, the check valve opens under water pressure, and water flows into a larger diameter pipe (boiler) to a certain level in the water space. Under the influence of underground heat, the resulting steam is discharged through a larger diameter pipe to the consumer, for example, to a steam engine with an electric generator or for heating greenhouses, buildings, etc.
Недостатком известного способа является то, что водяной пар при подъеме отдает тепло грунтам, температура которых уменьшается по мере приближения к поверхности, что приводит к «экологическому тепловому загрязнению» поверхностных слоев грунта.The disadvantage of this known method is that water vapor, when rising, gives off heat to the soil, the temperature of which decreases as it approaches the surface, which leads to “ecological thermal pollution” of the surface layers of the soil.
Известен способ извлечения тепла земных недр (заявка РФ № 2003113562, 27.10.2004. Установка для выработки геотермальной энергии) с помощью установки для выработки геотермальной энергии, включающей вертикальный нагнетательный ствол скважины, идущий от поверхности в толщу земли и вертикальный выходной ствол скважины, идущий также от поверхности в толщу земли, находящиеся на расстоянии друг от друга, горизонтальный ствол скважины, который соединяет указанные два вертикальные ствола скважины вместе, причем горизонтальный ствол скважины расположен в горячей горной породе, при этом все указанные вертикальные и горизонтальные скважины имеют обсадные трубы, предотвращающие протекание жидкости через стенки скважины и контакт ее с почвой или с грунтовыми водами. Нагнетательный ствол скважины выполнен с возможностью приема воды, а выходной ствол скважины выполнен с возможностью отвода из него пара, причем предусмотрены средства для пропускания воды из нагнетательного ствола скважины через горизонтальный ствол скважины для того, чтобы превратить воду в пар; вода из выходного ствола скважины или вода, полученная после конденсации пара из выходного ствола скважины, возвращается в нагнетательный ствол скважины и используется повторно. There is a known method for extracting heat from the earth's interior (RF application No. 2003113562, 10/27/2004. Installation for the generation of geothermal energy) using an installation for generating geothermal energy, including a vertical injection wellbore extending from the surface into the earth's thickness and a vertical outlet wellbore extending also from the surface into the earth, spaced apart, a horizontal wellbore that connects said two vertical wellbores together, wherein the horizontal wellbore is located in hot rock, all of which are lined with casing to prevent leakage liquid through the walls of the well and its contact with soil or groundwater. The injection wellbore is configured to receive water, and the outlet wellbore is configured to discharge steam therefrom, and means are provided for passing water from the injection wellbore through the horizontal wellbore in order to convert the water into steam; water from the outlet wellbore or water obtained after condensation of steam from the outlet wellbore is returned to the injection wellbore and reused.
Недостатком известного способа является необходимость бурения трех скважин, что существенно увеличивает капитальные затраты.The disadvantage of this method is the need to drill three wells, which significantly increases capital costs.
Также известны технологии извлечения тепла из горячих сухих подземных коллекторов (НВК) [Петрогеотермальные ресурсы как новый вид энергии XXI века. Маркшейдерия и недропользование №3(41), май - июнь 2009 г.]. Сущность НВК технологии заключается в следующем.Technologies for extracting heat from hot dry underground collectors (HDU) are also known [Petrogeothermal resources as a new type of energy of the 21st century. Mine Surveying and Subsoil Use No. 3(41), May - June 2009]. The essence of NVC technology is as follows.
Пробуривается 2-3 скважины до глубин с температурами, отвечающими требованиям теплоснабжения или производства электроэнергии. Одна из них является нагнетательной, подающей под давлением воду в зону нагрева, другие 1-2 скважины – эксплуатационные, по ним образующийся пар с необходимой температурой поступает на поверхность. Если естественная проницаемость раскаленного массива пород недостаточна, то осуществляется его гидроразрыв для образования подземного «котла».2-3 wells are drilled to depths with temperatures that meet the requirements of heat supply or electricity production. One of them is an injection well, supplying water under pressure to the heating zone, the other 1-2 wells are production wells, through which the generated steam with the required temperature reaches the surface. If the natural permeability of the hot rock mass is insufficient, then it is hydraulically fractured to form an underground “boiler”.
Методы гидроразрыва пластов и наклонного бурения скважин хорошо освоены нефтегазовой промышленностью и применяются для интенсификации притоков флюидов, однако применение гидроразрыва возможно для создания петротермальных циркуляционных систем (ПЦС). Трещины, образовавшиеся в результате гидроразрыва, поддерживаются в раскрытом состоянии гидростатическим давлением жидкости. При этом потери теплоносителя в окружающий массив составят около 1 % его общего объема теплоносителя.The methods of hydraulic fracturing and inclined drilling of wells are well mastered by the oil and gas industry and are used to intensify fluid inflows, however, the use of hydraulic fracturing is possible to create petrothermal circulation systems (PCS). Fractures formed as a result of hydraulic fracturing are maintained open by the hydrostatic pressure of the fluid. In this case, the loss of coolant into the surrounding mass will amount to about 1% of its total coolant volume.
Недостатком известного способа является необходимость бурения не менее двух скважин, что существенно увеличивает капитальные затраты.The disadvantage of this method is the need to drill at least two wells, which significantly increases capital costs.
Так же известен способ, (Патент РФ № 2288413, 27.11.2006), при котором из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре, и используемого для нужд теплоснабжения, охлажденный теплоноситель подается в обсадную трубу, а нагретый – поднимается по трубе, концентрично опущенной в обсадную трубу, и передает тепло потребителю при помощи теплового насоса.There is also a known method (RF Patent No. 2288413, November 27, 2006), in which from a well with a temperature gradient along the casing pipe, using a coolant circulating in the circuit and used for heat supply needs, the cooled coolant is supplied to the casing pipe, and the heated coolant is supplied to the casing pipe. rises through a pipe lowered concentrically into the casing and transfers heat to the consumer using a heat pump.
Недостатком известного способа является то, что необходима большая глубина скважины, что связано с существенными капитальными затратами, т.к. основная проблема извлечения петротермальной энергии заключается в низкой теплоотдаче грунтов скважины (тепловая мощность скважины достигает 1-1,2 МВт при глубине до 3000 м). Это связано с низкими коэффициентами теплопроводности грунтов (термическая характеристика горных пород в основном определяется физическими свойствами, зависящими от их структурно-текстурных особенностей, свойств породообразующих минералов и среды, заполняющей пространство между минералами), что приводит к низким значениям коэффициента теплопередачи, и низкими температурными градиентами скважин (gradT = (20 ÷ 90)°С/км).The disadvantage of this known method is that a large well depth is required, which is associated with significant capital costs, because The main problem of extracting petrothermal energy is the low heat transfer of the well soil (the thermal power of the well reaches 1-1.2 MW at a depth of up to 3000 m). This is due to the low thermal conductivity coefficients of soils (the thermal characteristics of rocks are mainly determined by physical properties, depending on their structural and textural features, the properties of rock-forming minerals and the medium filling the space between minerals), which leads to low values of the heat transfer coefficient, and low temperature gradients wells ( gradT = (20 ÷ 90)°С/km).
Наиболее близким к предложенному является (Патент РФ № RU 2701029 C1, 24.09.2018) Способ извлечения петротермального тепла. Из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре и используемого для нужд теплоснабжения, при котором охлажденный в тепловом насосе теплоноситель подается в обсадную трубу, контактирует с горной породой, нагревается, поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю при помощи теплового насоса, отличающийся тем, что теплоноситель нагревается от разогретой породы в подземном котле-теплообменнике, образованном методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта.The closest to the proposed one is (RF Patent No. RU 2701029 C1, 09.24.2018) Method for extracting petrothermal heat. From a well with a temperature gradient along the casing pipe with the help of a coolant circulating in the circuit and used for heat supply needs, in which the coolant cooled in a heat pump is supplied to the casing pipe, contacts the rock, heats up, rises along a pipe concentrically lowered into the casing pipe and transmits heat to the consumer using a heat pump, characterized in that the coolant is heated from heated rock in an underground boiler-heat exchanger formed by multi-stage hydraulic fracturing.
Недостатком известного способа является то, что в системе установлен тепловой насос для отбора тепла, значительно увеличивающий стоимость и сложность инженерных решений, а требуемый объём нагретого теплоносителя может быть обеспечен при пиковой нагрузке, создаваемой потребителем тепловой энергии, только на короткий промежуток времени и не способен обеспечить длительную подачу теплоносителя в заданных пределах генерации за счет малого объёма циркуляционной жидкости.The disadvantage of this known method is that a heat pump is installed in the system to extract heat, which significantly increases the cost and complexity of engineering solutions, and the required volume of heated coolant can be provided at the peak load created by the thermal energy consumer, only for a short period of time and is not able to provide long-term supply of coolant within specified generation limits due to the small volume of circulating fluid.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности теплогенерирующей установки по теплоснабжению, снижение общей стоимости технологического оборудования и снижение стоимости вырабатываемой тепловой энергии, снижение глубины бурения без потери тепловой мощности, увеличение теплоотдачи петротермальной скважины, ускорение запуска установки в эксплуатацию при использовании отработанных нефтяных и газовых скважин.The technical result of the claimed invention is to increase the reliability of a heat-generating installation for heat supply, reduce the total cost of process equipment and reduce the cost of generated thermal energy, reduce the drilling depth without loss of thermal power, increase the heat transfer of a petrothermal well, accelerate the commissioning of the installation when using waste oil and gas wells.
Указанный технический результат достигается за счет исключения из схемы устройства теплового насоса (сложного технологического оборудования), а так же установки перфорированной трубы-вставки для предотвращения вымывания призабойной зоны, что повышает надежность устройства исключая засорение каналов-трещин после многоступенчатого гидроразрыва пласта, отсутствие дополнительного потребителя электроэнергии (теплового насоса) снижает конечную стоимость вырабатываемой тепловой энергии, а именно в способе извлечения низкотемпературного петротермального тепла из скважины с температурным градиентом по вертикальной обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре и используемого для нужд теплоснабжения, при котором нагретый (теплом недр) теплоноситель закачивается из буферных полостей по наклонно-направленным обсадным трубам в вертикальную обсадную трубу, а охлажденный (потребителем) - опускается по трубе, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу и получает тепло вновь, согласно изобретению теплоноситель нагревается от разогретой породы в подземном теплообменнике, образованном методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта, затем собирается в буферных полостях созданных путем разбуривания породы которые за счет своего объёма также создают дополнительную площадь теплообмена. Для образования подземного теплообменника методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта, в нижней части концентрично опущенной трубы в зоне создаваемого подземного теплообменника выполнены отверстия с диаметром, зависящим от расчетной мощности скважины. Жидкость для гидравлического разрыва подается сначала по трубе, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу, для образования трещин, после промывается кислотным раствором для снижения сопротивления движению жидкости в трещинах, а затем проходя через буферные полости и наклонно-направленные обсадные трубы, удаляется промывочной жидкостью согласно схеме устройства. После промывки к участку трубы с отверстиями спускается перфорированная труба-вставка меньшего диаметра для предотвращения вымывания призабойной зоны скважины избыточным напором и засорения подземного теплообменника (каналов-трещин). The specified technical result is achieved by eliminating the heat pump (complex technological equipment) from the design diagram, as well as installing a perforated pipe insert to prevent washout of the bottomhole zone, which increases the reliability of the device by eliminating clogging of crack channels after multi-stage hydraulic fracturing, and the absence of an additional electricity consumer (heat pump) reduces the final cost of generated thermal energy, namely in the method of extracting low-temperature petrothermal heat from a well with a temperature gradient along a vertical casing using a coolant circulating in the circuit and used for heat supply needs, in which the coolant heated (by the heat of the subsurface) is pumped from buffer cavities along inclined casing pipes into a vertical casing pipe, and cooled (by the consumer) is lowered through a pipe concentrically lowered into the vertical casing pipe and receives heat again, according to the invention, the coolant is heated from heated rock in an underground heat exchanger formed by the method of multi-stage hydraulic rupture of the formation, then it is collected in buffer cavities created by drilling out the rock, which, due to their volume, also create an additional heat exchange area. To form an underground heat exchanger using the method of multi-stage hydraulic fracturing, holes with a diameter depending on the design capacity of the well are made in the lower part of the concentrically lowered pipe in the area of the underground heat exchanger being created. The fluid for hydraulic fracturing is first supplied through a pipe concentrically lowered into a vertical casing to form cracks, then washed with an acid solution to reduce the resistance to fluid movement in the cracks, and then passing through buffer cavities and inclined casing pipes, it is removed with a washing liquid according to the diagram devices. After flushing, a perforated insert pipe of smaller diameter is lowered to the section of the pipe with holes to prevent the bottom-hole zone of the well from being washed out by excess pressure and clogging the underground heat exchanger (crack channels).
Согласно изобретению теплоноситель подается через концентрично опущенную трубу, контактирует с разогретой сухой горной породой (подземным теплообменником) и нагретый – переходит в буферные полости, набирая достаточный объем разогретого теплоносителя для непрерывной подачи потребителю, затем по наклонно-направленным обсадным трубам поступает в общий ствол вертикальной обсадной трубы и подается к распределительно-регулирующей системе (РРС), затем поступает к потребителю, охлаждается и возвращается обратно через РРС в концентрично опущенную трубу. Для образования подземного теплообменника методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта выполнены отверстия в трубе, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу. Диаметр отверстий рассчитывается исходя из проектируемой мощности установки. Жидкость для многоступенчатого гидравлического разрыва пласта подается сначала по трубе, концентрично опущенной в верительную обсадную трубу, для образования трещин в породе, после образованные трещины-каналы промываются кислотным раствором для снижения сопротивления движению жидкости, затем раствор собирается в буферных полостях и оттуда по наклонно-направленным обсадным трубам поступает в общий ствол вертикальной обсадной трубы и далее удаляется. После промывки к участку трубы с отверстиями спускается перфорированная труба-вставка меньшего диаметра для предотвращения вымывания призабойной зоны скважины избыточным напором и засорения подземного теплообменника. В связи с повсеместным распространением петротермальных источников указанная технология может быть использована для круглогодичного теплоснабжения обособленных и удаленных объектов с обустройством низкотемпературных отопительных систем, и создания экологически чистых энергоустановок. Снижение капитальных затрат на бурение скважины достигается за счет увеличения площади теплообменной поверхности без увеличения глубины бурения и внедрение технических и технологических решений энергоэффективного использования возобновляемых источников энергии.According to the invention, the coolant is supplied through a concentrically lowered pipe, contacts with heated dry rock (underground heat exchanger) and heated - passes into the buffer cavities, collecting a sufficient volume of heated coolant for continuous supply to the consumer, then through inclined casing pipes it enters the common shaft of the vertical casing pipes and is supplied to the distribution and control system (DRS), then supplied to the consumer, cooled and returned back through the DRS to the concentrically lowered pipe. To form an underground heat exchanger using multi-stage hydraulic fracturing, holes are made in a pipe that is lowered concentrically into a vertical casing. The diameter of the holes is calculated based on the designed power of the installation. The fluid for multi-stage hydraulic fracturing is first supplied through a pipe concentrically lowered into the test casing to form cracks in the rock, after which the formed cracks-channels are washed with an acid solution to reduce the resistance to fluid movement, then the solution is collected in buffer cavities and from there along oblique directions casing pipes enters the common shaft of the vertical casing pipe and is then removed. After flushing, a perforated insert pipe of smaller diameter is lowered to the section of the pipe with holes to prevent the bottom-hole zone of the well from being washed out by excess pressure and clogging the underground heat exchanger. Due to the widespread distribution of petrothermal sources, this technology can be used for year-round heat supply to isolated and remote facilities with the installation of low-temperature heating systems, and the creation of environmentally friendly energy installations. Reducing capital costs for drilling a well is achieved by increasing the area of the heat exchange surface without increasing the drilling depth and introducing technical and technological solutions for the energy-efficient use of renewable energy sources.
На чертеже (в графической части) представлена схема извлечения низкотемпературного петротермального тепла по предлагаемому способу. Схема включает в себя следующие элементы: скважину с обсадной трубой 1; трубу, концентрично опущенную в вертикальную обсадную трубу 2; устройство корректировки давления и подмеса теплоносителя 3; устьевую платформу 4; затвор - центратор 5; наклонно-направленные обсадные трубы 6; буферные полости для сбора теплоносителя 7; призабойный участок обсадной трубы 8; подземный теплообменник 9; участок трубы со смещенными по глубине отверстиями 10; перфорированную трубу-вставку 11; циркуляционный насос 12; устройство распределительное блока РРС 13; узел коллектор - потребитель 14; устройство регулирующего блока РРС 15. The drawing (in the graphical part) shows a diagram of the extraction of low-temperature petrothermal heat using the proposed method. The diagram includes the following elements: well with casing pipe 1; a pipe lowered concentrically into the vertical casing 2; device for adjusting pressure and mixing coolant 3; wellhead platform 4; shutter - centralizer 5; directional casing pipes 6; buffer cavities for collecting coolant 7; bottomhole section of casing pipe 8; underground heat exchanger 9; a section of pipe with holes 10 offset in depth; perforated pipe insert 11; circulation pump 12; distribution device of block RRS 13; collector-consumer node 14; device of the PRS 15 control unit.
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
Воду, полученную из артезианской скважины или иного резервуара с водой, подготавливают и закачивают в скважину по трубе, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу 2 в подземный теплообменник 9, где происходит контакт воды с разогретой горной породой, процесс теплообмена, затем нагретая до t1 вода по каналам-трещинам поступает в буферные полости 7, а затем через наклонно-направленные обсадные трубы 6, по вертикальной обсадной трубе перемещается в циркуляционный насос 12 и поступает в устройство распределительное блока РРС 13 распределительно-регулировочной системы, регулируется и поступает в коллектор 14, охлаждается потребителем, охлажденный до температуры t2, поступает в устройство регулирующего блока РРС 15, затем через устройство подмеса теплоносителя 3 к циркуляционным насосам 12 и закачивается через трубу 2 скважины в теплообменник 9, таким образом контур замыкается, и цикл повторятся. Глубина скважины до забойной зоны L1 зависит от температурного градиента, расстояния L2 прямо пропорциональны площади подземного теплообменника, длина L3 зависит от типа устанавливаемой перфорированной трубы-вставки, а L4 длина участка трубы со смещенными по глубине отверстиями, рассчитываемая в зависимости от проекторной мощности установки. Water obtained from an artesian well or other water reservoir is prepared and pumped into the well through a pipe concentrically lowered into a vertical casing 2 into an underground heat exchanger 9, where the water comes into contact with heated rock, heat exchange process, then heated to t1 water flows through channels-cracks into buffer cavities 7, and then through inclined casing pipes 6, through a vertical casing pipe moves into the circulation pump 12 and enters the distribution device of the PRS block 13 of the distribution and control system, is regulated and enters the collector 14, cooled by the consumer, cooled to temperature t2, enters the device of the control unit PRS 15, then through the coolant mixing device 3 to the circulation pumps 12 and is pumped through the well pipe 2 into the heat exchanger 9, thus the circuit is closed and the cycle is repeated. The depth of the well to the bottomhole zone L1 depends on the temperature gradient, distances L2 are directly proportional to the area of the underground heat exchanger, length L3 depends on the type of perforated pipe insert installed, and L4 is the length of the pipe section with holes offset in depth, calculated depending on the projector power of the installation.
Применение устройства РРС позволяет увеличить тепловую мощность скважины за счет изменения характеристик скорости и давления в системе, а также изменения температуры t2, закачиваемой в скважину. При этом исключается необходимость тепловой изоляции оголовка скважины. Скважина предназначается для круглогодичного использования потребителем: в холодный период - на производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение); в теплый период - на производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение).The use of the RRS device allows you to increase the thermal power of the well by changing the characteristics of the speed and pressure in the system, as well as changing the temperature t 2 pumped into the well. This eliminates the need for thermal insulation of the well head. The well is intended for year-round use by the consumer: in the cold season - for production and domestic needs (heating, ventilation and hot water supply); during the warm period - for production needs, municipal needs (hot water supply).
ПРИМЕР осуществления способаEXAMPLE of method implementation
Основываясь на основном законе теплопередачиBased on the basic law of heat transfer
, ,
где Q - тепловая мощность, Вт;where Q is thermal power, W;
k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2⋅К); k - heat transfer coefficient, W/(m 2 ⋅K);
- среднелогарифмический температурный напор, °С; - average logarithmic temperature difference, °C;
F - площадь поверхности теплообмена, м2, F - heat exchange surface area, m 2 ,
для повышения теплоотдачи петротермальной скважины при одинаковом температурном напоре и коэффициенте теплопередачи k необходимо увеличение поверхности контакта грунтов с теплоносителем (площади поверхности теплообмена F).to increase the heat transfer of a petrothermal well at the same temperature pressure and heat transfer coefficient k, it is necessary to increase the contact surface of the soil with the coolant (heat exchange surface area F ).
Перспективным видится с точки зрения экологичности и снижения капитальных затрат способ многоступенчатого гидравлического разрыва пласта при бурении одиночной петротермальной скважины, который применяется в настоящее время для увеличения нефтеотдачи нефтеносного пласта. А также промывка полученной сети каналов подземного теплообменника кислотными растворами для увеличения проницаемости трещин. Многоступенчатым гидравлическим разрывом называется процесс, при котором давление жидкости воздействует непосредственно на породу пласта вплоть до ее разрушения и образования трещины, проходящий в несколько этапов (ступеней). Продолжающееся воздействие давления жидкости расширяет трещину вглубь от точки разрыва. В закачиваемую жидкость добавляется расклинивающий материал, например, песок, керамические шарики или агломерированный боксит. Назначение этого материала - держать созданную трещину в раскрытом состоянии после сброса давления жидкости. Таким образом, создается новый, более просторный канал притока. Канал объединяет существующие природные трещины и создает дополнительную площадь теплообмена. Кислотный раствор увеличивает площадь теплообмена и способствует уменьшению сопротивления движения теплоносителя в канале - трещине.From the point of view of environmental friendliness and reduction of capital costs, the method of multi-stage hydraulic fracturing when drilling a single petrothermal well, which is currently used to increase oil recovery from oil-bearing formations, seems promising from the point of view of environmental friendliness and reduction of capital costs. And also washing the resulting network of underground heat exchanger channels with acid solutions to increase the permeability of cracks. Multi-stage hydraulic fracturing is a process in which fluid pressure acts directly on the formation rock until it is destroyed and a crack is formed, taking place in several stages (steps). Continued exposure to fluid pressure expands the crack inward from the rupture point. A proppant material, such as sand, ceramic balls or agglomerated bauxite, is added to the injected fluid. The purpose of this material is to keep the created crack open after the fluid pressure is released. Thus, a new, more spacious inflow channel is created. The channel connects existing natural cracks and creates an additional heat exchange area. The acid solution increases the heat exchange area and helps reduce the resistance to coolant movement in the channel - crack.
Для создания подземного теплообменника методом многоступенчатого гидравлического разрыва пласта выполнены смещенные по глубине отверстия на участке 10; в оконечной части трубы 2, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу 1, длина участка отверстий, а также их диаметр зависят от проектируемой тепловой мощности скважины.To create an underground heat exchanger using the method of multi-stage hydraulic fracturing, holes offset in depth were made in section 10; in the end part of the pipe 2, concentrically lowered into the vertical casing pipe 1, the length of the hole section, as well as their diameter, depend on the designed thermal power of the well.
Жидкость для многоступенчатого гидравлического разрыва пласта подается сначала по трубе 2, концентрично опущенной в вертикальную обсадную трубу 1 для образования трещин, а затем через буферные полости 7 и наклонно-направленные обсадные трубы 6 по вертикальной обсадной трубе 1 с удалением промывочной жидкости, трещины могут быть горизонтальными, вертикальными и наклонными. Пространственная ориентация трещины определяется напряженным состоянием горных пород в зоне скважины и изменениями, обусловленными распределением напряжений. Напряжения формируются главным образом под действием гравитационных сил. Технология многоступенчатого гидравлического разрыва пластов достаточно хорошо отработана на нефтяных скважинах и не требует разработки специализированного оборудования. Также в качестве петротермальных скважин могут использоваться отработанные нефтяные скважины, что существенно ускорит процесс строительства и запуска в эксплуатацию системы, снизит капитальные затраты на обустройство скважины, которые являются основными. Таким образом, поверхность контакта теплоносителя с породой может быть увеличена до 50 %, что, как ожидается, приведет к увеличению теплоотдачи петротермальной скважины также на 25-50 % или снижения глубины бурения на ту же величину.The fluid for multi-stage hydraulic fracturing is supplied first through pipe 2, concentrically lowered into the vertical casing pipe 1 to form cracks, and then through the buffer cavities 7 and inclined casing pipes 6 along the vertical casing pipe 1 with the removal of the flushing fluid, the cracks can be horizontal , vertical and inclined. The spatial orientation of the crack is determined by the stressed state of the rocks in the well zone and changes caused by the stress distribution. Stresses are formed mainly under the influence of gravitational forces. The technology of multi-stage hydraulic fracturing is quite well developed in oil wells and does not require the development of specialized equipment. Also, spent oil wells can be used as petrothermal wells, which will significantly speed up the process of construction and commissioning of the system and reduce capital costs for well development, which are the main ones. Thus, the contact surface of the coolant with the rock can be increased up to 50%, which is expected to lead to an increase in heat transfer from a petrothermal well by 25-50% or a reduction in drilling depth by the same amount.
В свою очередь исходя из закономерности: чем глубже скважина, тем выше температура в ее нижней точке, теплоотдача скважины увеличивается с увеличением глубины бурения в связи с увеличением температуры на забое. Однако, применение гидравлического разрыва пласта, как показано выше, позволяет увеличить теплоотдачу за счет увеличения площади теплообмена и получения глубоких вертикальных трещин, в результате чего возможно снижение глубины бурения скважины без потери тепловой мощности петротермальной скважины, при одновременном снижении капитальных затрат, т. к. технология гидравлического разрыва пласта менее затратная по сравнению с глубинным бурением. In turn, based on the pattern: the deeper the well, the higher the temperature at its bottom point, the heat transfer of the well increases with increasing drilling depth due to the increase in temperature at the bottom. However, the use of hydraulic fracturing, as shown above, makes it possible to increase heat transfer by increasing the heat exchange area and obtaining deep vertical cracks, as a result of which it is possible to reduce the drilling depth of a well without losing the thermal power of a petrothermal well, while simultaneously reducing capital costs, because Hydraulic fracturing technology is less expensive than deep drilling.
Известно, что капитальные затраты на бурение скважины находятся в квадратичной зависимости от глубины буренияIt is known that the capital costs of drilling a well are quadratically dependent on the drilling depth
R=kL 2, тыс. руб., R=kL 2 , thousand rubles,
где L - глубина скважины, км;where L is the well depth, km;
k - стоимостный коэффициент. k - cost coefficient.
Тогда при одинаковых значениях (k) при снижении глубины бурения на 25-50 % капитальные затраты снижаются в 2-4 раза.Then, with the same values ( k ) and reducing the drilling depth by 25-50%, capital costs are reduced by 2-4 times.
Таким образом, задачей оптимизации с целью снижения капитальных затрат является определение требуемой глубины скважины и площади поверхности раскрытия трещин при многоступенчатом гидравлическом разрыве пласта для обеспечения заданной тепловой мощности. Thus, the optimization task in order to reduce capital costs is to determine the required well depth and crack opening surface area during multi-stage hydraulic fracturing to provide a given thermal power.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2823425C1 true RU2823425C1 (en) | 2024-07-23 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU322084A1 (en) * | 1970-03-23 | 1973-10-26 | DEVICE FOR EXTRACTION OF GEOTHERMAL ENERGY | |
| CN106969515A (en) * | 2017-04-17 | 2017-07-21 | 山西泰杰地能干热岩有限公司 | The tree-shaped multiple spot heat exchange utilization system of ground energy hot dry rock and Application way |
| RU2701029C1 (en) * | 2018-07-04 | 2019-09-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Method of petrothermal heat extracting |
| EP4090895A1 (en) * | 2020-01-17 | 2022-11-23 | Eyvind Normann | Exploiting geothermal energy through heat recovery by circulating working fluid in purpose-built system of multilateral wells |
| CN115615022A (en) * | 2022-10-21 | 2023-01-17 | 双良节能系统股份有限公司 | Multi-branch geothermal well system and construction method |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU322084A1 (en) * | 1970-03-23 | 1973-10-26 | DEVICE FOR EXTRACTION OF GEOTHERMAL ENERGY | |
| CN106969515A (en) * | 2017-04-17 | 2017-07-21 | 山西泰杰地能干热岩有限公司 | The tree-shaped multiple spot heat exchange utilization system of ground energy hot dry rock and Application way |
| RU2701029C1 (en) * | 2018-07-04 | 2019-09-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Method of petrothermal heat extracting |
| EP4090895A1 (en) * | 2020-01-17 | 2022-11-23 | Eyvind Normann | Exploiting geothermal energy through heat recovery by circulating working fluid in purpose-built system of multilateral wells |
| CN115615022A (en) * | 2022-10-21 | 2023-01-17 | 双良节能系统股份有限公司 | Multi-branch geothermal well system and construction method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10401056B2 (en) | Hydrothermal geothermal development method of multilateral well closed circulation | |
| US10527026B2 (en) | Geothermal heat recovery from high-temperature, low-permeability geologic formations for power generation using closed loop systems | |
| CN107100605B (en) | Method for developing dry hot rock by using double horizontal wells and circulating supercritical carbon dioxide | |
| US3786858A (en) | Method of extracting heat from dry geothermal reservoirs | |
| CN105863569A (en) | Single-well fracture gravity self-circulation dry-hot-rock geotherm mining method | |
| US8430166B2 (en) | Geothermal energy extraction system and method | |
| CN204252967U (en) | Hot dry rock multi cycle heating system | |
| US20120018120A1 (en) | Geothermal energy extraction system and method | |
| CN211177029U (en) | Heating system with mode of taking heat and not taking water by using geothermal energy in middle and deep layers | |
| CN112856562A (en) | Heating system with mode of taking heat and not taking water by using geothermal energy in middle and deep layers | |
| CN110822748A (en) | Method for heat distribution control and energy recovery in geothermal wells | |
| US6035949A (en) | Methods for installing a well in a subterranean formation | |
| CN106839478A (en) | A kind of method of construction of deep geothermal heat heat transfer root system | |
| EP4090895A1 (en) | Exploiting geothermal energy through heat recovery by circulating working fluid in purpose-built system of multilateral wells | |
| CN108868723B (en) | Double-well closed circulation underground thermoelectric power generation system and method | |
| Ashena | Analysis of some case studies and a recommended idea for geothermal energy production from retrofitted abandoned oil and gas wells | |
| CN118414471A (en) | Optimized CO2 sequestration and enhanced geothermal system | |
| CN110863800A (en) | Single-well closed development method for hot dry rock | |
| WO2012023881A1 (en) | Method and device for producing energy from petrothermal sources | |
| Gao et al. | A novel strategy utilizing local fracture networks to enhance CBHE heat extraction performance: A case study of the Songyuan geothermal field in China | |
| WO2015132404A1 (en) | Geothermal plant using hot dry rock fissured zone | |
| GB2549832A (en) | Geothermal power system | |
| RU2823425C1 (en) | Method of extracting low-temperature petrothermal heat | |
| CN115478832B (en) | Geothermal exploitation method for dry-hot rock | |
| CN108799024B (en) | U-shaped pipe heat exchange closed circulation underground thermoelectric power generation system and method |