Патент на изобретение №2341736

(54) СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ “FILL WELL”

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам извлечения геотермальной энергии массива горных пород и может найти применение при обогреве зданий, сооружений, в частности индивидуальных жилых домов, за счет преобразования геотермального тепла земной коры в тепловых насосах, а также в гидрометаллургии для снижения энергоемкости систем подземного выщелачивания минералов, включающих массивы добывающих и поглотительных (инфильтрационных) буровых скважин. Сущность изобретения: ствол скважины разделяют герметичной перемычкой на зону всасывания, расположенную ниже герметичной перемычки, и зону нагнетания, расположенную выше герметичной перемычки, причем зону нагнетания полностью заполняют теплопроводной жидкостью и в ней размещают коллектор системы забора тепла теплового насоса, причем в качестве герметичной перемычки, разделяющей зоны всасывания-нагнетания скважины, используется пакер устройства для беструбного подъема жидкости из скважин. Дополнительно в зоне нагнетания создают проточность пластовой жидкости, а в зоне всасывания создают разрежение в пластовой жидкости, например с помощью погружного насоса, соединенного с устройством для беструбного подъема жидкости из скважин. При этом передача тепла хладагенту теплового насоса теплоносителем коллектора системы забора тепла, расположенного в зоне нагнетания скважины, и откачиваемой из скважины пластовой жидкостью, производится в раздельных контурах циркуляции хладагента. Дополнительно, для систем подземного выщелачивания, жидкость, закачиваемую в пласт через поглощающую скважину, нагревают путем помещения в поглощающую скважину одного или нескольких теплообменников с замкнутым контуром циркуляции теплоносителя системы распределения тепла одного или нескольких тепловых насосов. При этом передача тепла от хладагента теплового насоса теплоносителю системы распределения тепла производится в раздельных контурах циркуляции теплоносителя системы распределения тепла: в замкнутом и в разомкнутом, причем в качестве теплоносителя разомкнутого контура системы распределения тепла теплового насоса используют растворяющий агент, закачиваемый в пласт через поглощающие скважины. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к способам извлечения геотермальной энергии массива горных пород и может найти применение при обогреве зданий, сооружений, в частности индивидуальных жилых домов, за счет преобразования геотермального тепла земной коры в тепловых насосах, а также в гидрометаллургии для снижения энергоемкости систем подземного выщелачивания минералов, включающих массивы добывающих и поглотительных (инфильтрационных) буровых скважин.

Известен способ использования геотермальной энергии массива горных пород путем создания циркуляции теплоносителя из системы забора тепла (буровой скважины с установленньм “U”-образным герметичным коллекторным трубопроводом, заполненным незамерзающим раствором – теплоносителем), к тепловому насосу, передачи тепла, собранного теплоносителем, хладагенту теплового насоса, изменения агрегатного состояния хладагента и нагрева хладагентом теплового насоса теплоносителя системы распределения тепла, передающей тепло к нагревательньм и отопительным приборам. (Stiebel Eltron, “Wärmepumpen-systeme. Technik zum Wohlfühlen”, http: www.stiebel-eitron.com).

Известный способ обеспечивает следующий процесс:

Коллекторная жидкость (теплоноситель системы забора тепла) нагревается, проходя по “U”-образному трубопроводу, помещенному в скважину, и подается из скважины на поверхность, в тепловой насос. Затем, внутри теплового насоса, теплоноситель, проходя через теплообменник (испаритель), отдает собранное в скважине тепло во внутренний контур теплового насоса, заполненный хладагентом. Охлажденный теплоноситель возвращается в скважину, в которой он опять забирает тепло, и опять подается из скважины на поверхность, в тепловой насос, т.е. теплоноситель постоянно циркулирует в “U”-образном трубопроводе.

Хладагент теплового насоса имеет очень низкую температуру кипения. Проходя через испаритель, хладагент переходит из жидкого в газообразное состояние. Это происходит при низком давлении и температуре -5°С. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается до состояния высокого давления, вследствие чего температура хладагента повышается. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор.

В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы распределения тепла. Хладагент отдает свое тепло в систему распределения тепла, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние. При прохождении хладагента через специально предусмотренный редукционный клапан давление хладагента понижается, и хладагент снова попадает в испаритель, где цикл повторяется снова, а нагретый до 55…65°С теплоноситель системы распределения тепла поступает к отопительным или нагревательным приборам.

Недостатком известного способа является низкая эффективность отбора геотермальной энергии.

В случае использования в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод с теплоносителем, имеющий форму буквы «U», опускается в скважину. Для предварительных расчетов используют следующее соотношение – на 1 метр скважины приходится 50…60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 метров, либо несколько неглубоких, более дешевых скважин той же расчетной глубины. Скважина может быть как сухая, так и вскрывающая горизонт грунтовых вод, т.е. частично заполнена водой.

При отсутствии потребления вода из скважины, ее уровень не меняется – часть скважины от поверхности земли до отметки статического уровня заполнена воздухом (теплопроводность 26 200 Вт/(м·К)), а другая часть ниже отметки статического уровня до дна заполнена водой (теплопроводность 548 000 Вт/(м·К)), т.е. теплообмен трубопровода с теплоносителем через воду происходит в 20 раз интенсивнее, чем через воздух.

Таким образом, наиболее интенсивно теплообмен между трубопроводом с теплоносителем и скалистой породой происходит через воду, в подводной части «U»-образного трубопровода, следовательно, скважина используется эффективно не на всю глубину, а так называемая «активная глубина скважины» при использовании известного способа располагается ниже отметки статического уровня, до дна скважины, т.е. известному способу присуща низкая эффективность отбора геотермальной энергии за счет неполного использования глубины скважины.

К числу дополнительных недостатков известного способа следует отнести: излишнюю материалоемкость и необходимость дополнительных инвестиционных расходов за счет использования дополнительной нерабочей длины «U»-образного трубопровода и дополнительного количества теплоносителя для его заполнения, а также необходимы дополнительные затраты на бурение скважины и установку обсадных труб на глубину от поверхности земли до отметки статического уровня воды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ использования геотермической энергии массива горных пород, при котором пластовая жидкость (грунтовая вода) транспортируется из заборной скважины к тепловому насосу, передает тепло хладагенту теплового насоса, хладагент, изменяя свое агрегатное состояние, нагревает теплоноситель системы распределения тепла, передающей тепло к отопительным приборам, а охлажденная пластовая жидкость(грунтовая вода) сбрасывается в дополнительную инфильтрационную скважину (Заявка РФ №94033853, МПК F25В 13/00, 1994 г.; а.с. СССР №458691, МПК F25B 29/00,1975 г).

К недостаткам известного способа относится низкая эффективность отбора геотермальной энергии, т.к. передача тепла от грунтовой воды за счет непрерывного обмывания теплообменника с хладагентом теплового насоса происходит на поверхности, а внутреннее пространство заборной скважины не используется.

Цель изобретения – повышение эффективности отбора геотермальной энергии системой забора тепла теплового насоса и повышение эффективности системы распределения тепла теплового насоса.

Поставленная цель достигается тем, что при способе извлечения геотермальной энергии массива горных пород путем создания циркуляции теплоносителя в коллекторе системы забора тепла, расположенного в буровой скважине, к тепловому насосу, передачи тепла собранного теплоносителем системы забора тепла, хладагенту теплового насоса, изменения агрегатного состояния хладагента и нагрева хладагентом теплоносителя системы распределения тепла, разделяют герметичной перемычкой ствол скважины на зону всасывания, расположенную ниже герметичной перемычки и зону нагнетания, расположенную выше герметичной перемычки, причем зону нагнетания полностью заполняют теплопроводной жидкостью и в ней размещают коллектор системы забора тепла теплового насоса.

В качестве теплопроводной жидкости, заполняющей зону нагнетания, используют пластовую жидкость.

Теплообмен между жидкостью в зонах всасывания-нагнетания и горной породой производят через обсадную колонну скважины и герметичную теплопроницаемую перемычку, разделяющую зоны всасывания-нагнетания скважины.

В качестве герметичной перемычки разделяющей зоны всасывания-нагнетания скважины используют пакер устройства для беструбного подъема жидкости из скважин.

В зоне нагнетания создают проточность пластовой жидкости, а в зоне всасывания создают разрежение в пластовой жидкости.

Разрежение в пластовой жидкости, в зоне всасывания, создают в области фильтровой колонны скважины.

Проточность пластовой жидкости в зоне нагнетания и разрежение в пластовой жидкости в зоне всасывания создают погружным насосом, соединенным с устройством для беструбного подъема жидкости из скважин.

Передача тепла хладагенту теплового насоса теплоносителем коллектора системы забора тепла, расположенного в зоне нагнетания скважины, и откачиваемой из скважины пластовой жидкостью производится в раздельных контурах циркуляции хладагента.

Жидкость, закачиваемую в пласт через поглощающую скважину, нагревают путем помещения в поглощающую скважину теплообменника с замкнутым контуром циркуляции теплоносителя системы распределения тепла теплового насоса.

Жидкость, закачиваемую в пласт через поглощающую скважину, нагревают путем помещения в поглощающую скважину нескольких теплообменников с замкнутыми контурами циркуляции теплоносителя систем распределения тепла от нескольких тепловых насосов, подключенных к нескольким заборным скважинам.

Передача тепла от хладагента теплового насоса теплоносителю системы распределения тепла производится в раздельных контурах циркуляции теплоносителя системы распределения тепла: в замкнутом и в разомкнутом.

В качестве теплоносителя разомкнутого контура системы распределения тепла теплового насоса используют растворяющий агент, закачиваемый в пласт через поглощающие скважины.

Сущность изобретения заключается в том, что:

Разделение ствола скважины герметичной перемычкой на зоны всасывания-нагнетания позволяет осуществить удержание столба жидкости в зоне нагнетания, т.е. обеспечивает полное заполнение ствола скважины жидкостью, и, создать теплопроводящий контакт между зоной нагнетания и зоной всасывания.

Заполнение зоны нагнетания теплопроводной жидкостью и размещение в зоне нагнетания коллектора системы забора тепла теплового насоса обеспечивает максимальный теплообмен между коллектором и жидкостью в зоне нагнетания за счет полного использования глубины скважины.

Использование пластовой жидкости в качестве теплопроводной жидкости, заполняющей зону нагнетания, повышает экономичность системы забора тепла теплового насоса за счет снижения строительных издержек.

Осуществление теплообмена между жидкостью в зонах всасывания-нагнетания и горной породой через обсадную колонну скважины и герметичную теплопроницаемую перемычку, разделяющую зоны всасывания-нагнетания скважины, обеспечивает максимально возможную площадь теплопередачи, т.е. повышает эффективность отбора геотермальной энергии.

Использование пакера устройства для беструбного подъема жидкости из скважин в качестве герметичной перемычки, разделяющей зоны всасывания-нагнетания скважины, позволяет обеспечить разделение ствола скважины на зоны всасывания-нагнетания на любой глубине, определяемой в зависимости от заданной мощности теплового насоса, что влияет на длину коллектора системы забора тепла теплового насоса, и, следовательно, на глубину его погружения в скважину. Таким образом, обеспечивается: удобство при монтаже, возможность регенерации и технического обслуживания скважины в процессе эксплуатации, использование серийного оборудования, что обеспечивает поддержание эффективного отбора геотермальной энергии в течение всего срока службы теплового насоса.

Создание проточности пластовой жидкости в зоне нагнетания увеличивает интенсивность теплообмена между коллектором системы забора тепла теплового насоса и жидкостью в зоне нагнетания за счет обтекания жидкостью коллектора, т.е. повышается эффективность отбора геотермальной энергии. Создание в зоне всасывания разрежения в пластовой жидкости обеспечивает приток в ствол скважины из пласта новых порций жидкости с более высокой температурой, чем в зоне нагнетания, что также поддерживает интенсивный теплообмен между коллектором системы забора тепла теплового насоса и жидкостью в зоне нагнетания.

Создание разрежения, в зоне всасывания, в области фильтровой колонны скважины, передаваемого в пласт, позволяет усилить приток пластовой жидкости в скважину за счет увеличения градиента давления на границе радиуса влияния скважины и в стволе скважины, что делает возможным создание притока пластовой жидкости в слабопроницаемых пластах (с малыми коэффициентами фильтрации) путем извлечения капиллярно-связанной жидкости в горной породе [3]. Таким образом, создается возможность откачки жидкости из ряда скважин, ранее попадавших в категорию “сухих”, что также повышает эффективность отбора геотермальной энергии.

Создание проточности пластовой жидкости в зоне нагнетания и разрежения в пластовой жидкости в зоне всасывания погружным насосом, соединенным с устройством для беструбного подъема жидкости из скважин, позволяет направленно воздействовать на интенсивность как притока жидкости в скважину, так и теплообмена между коллектором системы забора тепла теплового насоса и жидкостью в зоне нагнетания, либо увеличивая, либо уменьшая ее, в зависимости от потребности, т.е. повысить экономичность отбора геотермальной энергии.

Передача тепла хладагенту теплового насоса теплоносителем коллектора системы забора тепла, расположенного в зоне нагнетания скважины, и передача тепла хладагенту теплового насоса откачиваемой из скважины пластовой жидкостью, в раздельных контурах циркуляции хладагента, повышает эффективность отбора геотермальной энергии как за счет отбора тепла, полученного от полного использования глубины скважины, так и за счет отбора тепла, полученного от обтекания жидкостью коллектора, а утилизация тепловой энергии в раздельных контурах циркуляции хладагента обеспечивает независимую, суммарно наиболее полную утилизацию геотермального тепла.

Нагрев жидкости, закачиваемой в пласт через поглощающую скважину в системах подземного выщелачивания минералов, обеспечивает повышения скорости протекания физико-химических реакций растворения (перевода в растворимые соли) добываемых минералов, что сокращает сроки отработки месторождений, а следовательно, повышает эффективность работы систем подземного выщелачивания.

Нагрев жидкости помещением в поглощающую скважину теплообменника с замкнутым контуром циркуляции теплоносителя системы распределения тепла теплового насоса обеспечивает повышение коэффициента полезного действия теплового насоса за счет охлаждения теплообменника движущейся жидкостью, которую закачивают в пласт.

Помещение в поглощающую скважину нескольких теплообменников с замкнутыми контурами циркуляции теплоносителя систем распределения тепла от нескольких тепловых насосов, подключенных к нескольким заборным скважинам, усиливает эффект нагрева жидкости, закачиваемой в пласт через поглощающую скважину.

Передача тепла от хладагента теплового насоса теплоносителю системы распределения тепла в раздельных контурах циркуляции теплоносителя системы распределения тепла обеспечивает наиболее полную утилизацию тепла хладагента, что повышает коэффициент полезного действия теплового насоса.

Осуществление передачи тепла от хладагента в замкнутом и в разомкнутом контурах циркуляции теплоносителя системы распределения тепла, усиливает эффект утилизации тепла хладагента теплового насоса.

Использование растворяющего агента, закачиваемого в пласт через поглощающие скважины, в качестве теплоносителя разомкнутого контура системы распределения тепла теплового насоса усиливает эффект нагрева жидкости, закачиваемой в пласт через поглощающую скважину в системах подземного выщелачивания минералов, что обеспечивает повышения скорости протекания физико-химических реакций растворения (перевода в растворимые соли) добываемых минералов и сокращает сроки отработки месторождений, снижает энергозатраты на добычу единицы жидкости, т.к. из каждых 5 затраченных кВт тепловой энергии на нагрев растворяющего агента 4 кВт приходится на утилизированное геотермальное тепло, а 1 кВт – собственно затраты электроэнергии на функционирование теплового насоса. Таким образом, повышается эффективность работы систем подземного выщелачивания.

В совокупности указанные операции обеспечивают:

– снижение строительных издержек;

– максимальный теплообмен между коллектором и жидкостью в зоне нагнетания за счет более полного использования глубины скважины, за счет увеличения возможной площади теплопередачи и интенсивности теплопередачи, т.е. повышается эффективность отбора геотермальной энергии системой забора тепла теплового насоса;

– экономичность, удобство в эксплуатации и возможность поддержания эффективного отбора геотермальной энергии в течение всего срока службы теплового насоса;

– повышение коэффициента полезного действия теплового насоса и усиление эффекта утилизации тепла хладагента теплового насоса, т.е. повышается эффективность системы распределения тепла теплового насоса;

– повышение скорости протекания физико-химических реакций растворения (перевода в растворимые соли) добываемых минералов и сокращение сроков отработки месторождений, снижение энергозатрат на добычу единицы жидкости в системах подземного выщелачивания минералов.

Таким образом, заявляемое решение является новым, обладает существенными отличиями, обеспечивающими получение технического эффекта, заключающегося в повышении эффективности отбора геотермальной энергии системой забора тепла теплового насоса и повышении эффективности системы распределения тепла теплового насоса.

На Фиг.1 изображена общая компоновка оборудования при осуществлении способа использования геотермальной энергии массива горных пород, на Фиг.2 и Фиг.3 изображены варианты размещения оборудования в заборной скважине, на Фиг.4 изображена схема соединения испарителей теплового насоса с трубопроводами системы забора тепла, расположенной в скважине, на Фиг.5 изображена схема размещения оборудования в поглощающей скважине, на Фиг.6 изображена компоновка основных узлов типового теплового насоса.

Способ использования геотермальной энергии включает в себя (Фиг.1): здание (жилой дом, промышленный объект и т.п.) 1, в цокольной части которого установлен тепловой насос 2, вход которого соединен трубопроводами 3, с заборной 4 и поглощающей (инфильтрационной) 5 скважинами, выход теплового насоса 2 подключен трубопроводами 6 к системе 7 распределения тепла (например «теплые полы»).

Способ использования геотермальной энергии может включать в себя (Фиг.2) заборную скважину следующей конструкции (при вскрытии маловодных, слабопроницаемых горных пород): обсадная колонна 8 скважины в верхней части снабжена герметичным оголовком 9, через который пропущены подающий 10 и приемный 11 трубопроводы теплового насоса (не показан), размещенные в обсадной колонне и соединенные в нижней части «U»-образным коленом 12, противоположной частью трубопроводы подсоединяются к входу теплового насоса (не показан), ниже «U»-образного колена 12, обсадная колонна 8 скважины перекрыта герметичной теплопроницаемой перемычкой 13 (например, пакером [1]), выше которой вся обсадная колонна скважины заполнена жидкостью, уровень 14 которой, расположен выше отметки 15 поверхности земли, а отметка 16 статического уровня жидкости может быть расположена между отметкой 15 поверхности земли и герметичной теплопроницаемой перемычкой 13.

Способ использования геотермальной энергии может включать в себя (Фиг.3) заборную скважину следующей конструкции (при вскрытии обводненных, хорошо проницаемых горных пород): обсадная колонна 8 скважины в верхней части снабжена герметичным оголовком 9, через который пропущены подающий 10 и приемный 11 трубопроводы теплового насоса (не показан), размещенные в обсадной колонне и соединенные в нижней части «U»-образным коленом 12, противоположной частью трубопроводы подсоединяются к входу теплового насоса (не показан), а в нижней части обсадной колонны 8 установлена фильтровая колонна 17, вскрывающая напорный (безнапорный) пласт 18 жидкости, ниже «U»-образного колена 12 в обсадной колонне 8 установлен погружной электронасос 19, снабженный механизмом 20 закрепления в обсадной колонне 8 и пакером 21 (например [2]), разделяющим ствол скважины на зоны всасывания 22 и нагнетания 23, в верхней части скважины имеется патрубок 24 для отвода пластовой жидкости из зоны нагнетания 23 на поверхность, причем отметка 16 статического уровня жидкости может быть расположена между отметкой 15 поверхности земли и фильтровой колонной 17, а отметка 25 динамического уровня жидкости как выше, так и ниже пакера 21.

Способ использования геотермальной энергии может включать в себя (Фиг.4): тепловой насос 2, имеющий раздельные контуры (не показаны) циркуляции хладагента теплового насоса 2, через раздельные испарители 26 которых проходят подающая 10 и приемная 11 ветви «U»-образного трубопровода, размещенного в скважине и заполненного циркулирующим теплоносителем (не показано), и нагнетательный 27 и отводящий 28 трубопроводы, соединяющие заборную скважину (не показана), тепловой насос 2 и поглощающую скважину (не показана), причем через нагнетательный 27 и отводящий 28 трубопроводы протекает откачиваемая пластовая жидкость.

Способ использования геотермальной энергии может включать в себя (Фиг.5) поглощающую скважину следующей конструкции: питательным насосом 29 растворяющий агент под давлением подается трубопроводом 31, через конденсатор 30 теплового насоса 2, через входной патрубок 32 в ствол скважины 33, которым он доставляется к добываемой методом растворения горной породе (не показана), ствол скважины 33 снабжен герметичным оголовком 34, через который проходят подающий и отводящий трубопроводы теплообменника 35, размещенного в стволе скважины 33 и соединяемого на поверхности с циркуляционным трубопроводом 36 системы распределения тепла, проходящим через конденсатор 37 теплового насоса 2.

Способ использования геотермальной энергии может включать в себя (Фиг.6) типовой тепловой насос 2, включающий следующие основные узлы: испаритель 26, во внешний контур которого подключены подающий 27 и отводящий 28 трубопроводы системы забора тепла (не показана) теплового насоса 2, во внутренний контур испарителя 26 подключен гидропневмоаккумулятор 38 с компрессором 39, к которому подсоединен второй теплообменник – конденсатор 30, во внешний контур которого подключены подающий и отводящий трубопроводы 31 системы распределения тепла (не показана) теплового насоса 2, внутренний контур конденсатора 30, через выравнивающий фильтр 40, индикатор влажности 41 и редукционный клапан 42 соединен с внутренним контуром испарителя 26, т.е. образуется кольцевая сеть, заполняемая хладагентом с низкой температурой кипения (например, Хладоген R404A или R407C используемый шведской компанией «Thermia»).

Способ использования геотермальной энергии осуществляется следующим образом:

При вскрытии маловодных, слабопроницаемых горных пород, когда экономически неэффективна установка погружного насоса в скважине ввиду малого количества жидкости в пласте, либо скважина сухая ввиду отсутствия жидкости в пласте.

Здание 1 (Фиг.1) обогревается системой 7 распределения тепла («теплые полы»), подключенной трубопроводами 6 к выходу теплового насоса 2, вход которого соединен с заборной 4 скважиной. Обсадная колонна 8 скважины (Фиг.2) в нижней части перекрыта герметичной теплопроницаемой перемычкой 13, выше которой вся обсадная колонна 8 скважины 4 заполнена теплопроводной жидкостью, уровень 14 которой расположен выше отметки 15 поверхности земли.

Выше герметичной теплопроницаемой перемычки 13 в обсадной колонна 8 скважины размещен замкнутый «U»-образный коллектор системы забора тепла, в подающем 10 и приемном 11 трубопроводах которого, проходящих через герметичный оголовок 9 и соединенных в нижней части «U»-образным коленом 12, циркулирует теплоноситель системы забора тепла (например, 30% раствор этиленгликоля, либо этилового спирта, либо иной жидкости с высокой теплоемкостью), отбирающий тепловую энергию от горной породы, передаваемую через обсадную колонну 8, теплопроницаемую перемычку 13, теплопроводную жидкость, заполняющую обсадную колонну 8, стенкам подающего 10 и приемного 11 трубопроводов и отдающий (Фиг.4) тепло хладагенту одного из испарителей 26 теплового насоса 2.

Наличие в горной породе жидкости (Фиг.2), статический уровень 16 которой располагается между отметкой 15 поверхности земли и герметичной теплопроницаемой перемычкой 13, усиливает эффект теплопередачи тепловой энергии от горной породы.

В тепловом насосе 2 с помощью известных средств и приемов (Фиг.6) происходит повышение теплового потенциала теплоносителя (Фиг.1) системы 7 распределения тепла, циркулирующего в трубопроводах 6 и трубопроводах-теплообменниках системы 7 распределения тепла, через которые осуществляется нагрев конструкций и внутреннего объема здания (сооружения) 1.

Соотношение полученной таким образом тепловой энергии к энергии, затраченной на функционирование системы забора тепла, теплового насоса и системы распределения тепла составляет (4,5…5):1, т.е. из затраченного 1 кВт·ч электрической энергии на работу теплового насоса, можно получить до 5 кВт·ч полезной тепловой энергии.

При вскрытии обводненных, хорошо проницаемых горных пород, когда экономически эффективна установка погружного насоса в скважине и продуктивность вскрытого пласта позволяет обеспечить откачку жидкости из скважины.

Система забора тепла (Фиг.1) включает тепловой насос 2, вход которого соединен трубопроводами 3, с заборной 4 и поглощающей (инфильтрационной) 5 скважинами. При этом в заборной скважине 4 размещен (Фиг.3) погружной электронасос 19, фиксируемый механизмом 20 закрепления в обсадной колонне 8 на заданной глубине (определяемой в соответствии с [3]) и с помощью пакера 21 обеспечивающего разделение ствола скважины на зоны всасывания 22 и нагнетания 23. При включении электронасоса 19 пластовая жидкость, статический уровень которой расположен на отметке 16, поступает из пъезопроводящего пласта 18, через фильтровую колонну 17, в зону всасывания 22 и перемещается электронасосом 19 в зону нагнетания 23, при этом динамический уровень 25 жидкости в пласте 18 может понижаться как ниже отметки установки пакера 21, так и ниже отметки установки насоса 19 (см. [3]).

За счет создаваемого электронасосом 19 градиента давления происходит транспортировка откачиваемой пластовой жидкости по обсадной колонне 8 на поверхность 15, где через патрубок 24, подключенный к (Фиг.4) нагнетательному 27 трубопроводу, пластовая жидкость проходит через один из испарителей 26 теплового насоса 2, в котором происходит передача тепловой энергии хладагенту испарителей 26, а через отводящий трубопровод 28 уже охлажденная пластовая жидкость сбрасывается в (Фиг.1) поглощающую скважину 5.

Выше (Фиг.3) пакера 21, в зоне нагнетания 23 размещен замкнутый «U»-образный коллектор, подающая 10 и приемная 11 ветви которого проходят через герметичный оголовок 9 и соединены в нижней части «U»-образным коленом 12, а в верхней части подключены (Фиг.4) к входу в тепловой насос 2 и проходят через один из испарителей 26 теплового насоса 2. В замкнутом «U»-образном коллекторе (Фиг.3) циркулирует теплоноситель системы забора тепла, отбирающий тепловую энергию от горной породы, передаваемую через обсадную колонну 8, пакер 21, движущуюся пластовую жидкость в обсадной колонне 8, стенки подающего 10 и приемного 11 трубопроводов, и отдающий (Фиг.4) тепло хладагенту одного из испарителей 26 теплового насоса 2.

Движение откачиваемой пластовой жидкости в зоне нагнетания 23 усиливает эффект передачи тепловой энергии от горной породы к теплоносителю системы забора тепла, за счет непрерывного обтекания стенок подающего 10 и приемного 11 трубопроводов откачиваемой пластовой жидкостью.

В тепловом насосе 2 с помощью известных средств и приемов (Фиг.6) происходит повышение теплового потенциала (Фиг.1) теплоносителя системы 7 распределения тепла, циркулирующего в трубопроводах 6 и трубопроводах-теплообменниках системы 7 распределения тепла, через которые осуществляется нагрев конструкций и внутреннего объема здания (сооружения) 1.

Тепловой насос (Фиг.6) может содержать два типовых раздельных контура циркуляции хладагента (Фиг.4), к испарителю 26 одного подключен замкнутый «U»-образный коллектор с циркулирующим теплоносителем, а через испаритель 26 другого протекает откачиваемая пластовая жидкость. Таким образом, возрастает эффективность передачи тепловой энергии от горной породы через систему забора тепла к тепловому насосу как за счет полного использования глубины скважины, так и за счет скоростного напора откачиваемой жидкости.

Особенности эксплуатации в системах скважинного подземного выщелачивания минералов, когда системой поглощающих скважин в горную породу под давлением подается растворяющий агент, переводящий твердый минерал в растворимое состояние в виде комплексного соединения и, затем системой заборных скважин полученное комплексное соединение откачивается на поверхность для дальнейшего извлечения минерала из комплексного соединения и обогащения.

Питательным насосом 29 (Фиг.5) растворяющий агент под давлением подается трубопроводом 31 через входной патрубок 32 в ствол поглощающей скважины 33, по которому растворяющий агент транспортируется на глубину нахождения твердого минерала (не показан). При прохождении трубопровода 31 через теплообменник-конденсатор 30 теплового насоса 2 происходит нагрев растворяющего агента, например, за счет тепла, выработанного тепловыми насосами (не показаны), системы забора тепла которых расположены в заборных скважинах (Фиг.3), из которых откачивается на поверхность растворенный минерал в виде комплексного соединения.

При низких отрицательных температурах окружающего воздуха и больших глубинах залегания горной породы, содержащей полезный минерал, дополнительно, через герметичный оголовок 34 поглощающей скважины 33, пропускают подающий и отводящий трубопроводы теплообменника 35, размещенного в стволе скважины 33 и соединяемого на поверхности с циркуляционньм трубопроводом 36 системы распределения тепла, заполненньм теплоносителем с высокой теплоемкостью, нагреваемым при прохождении через конденсатор 37 теплового насоса 2.

Ввиду того, что количество заборных скважин в системах подземного выщелачивания превышает количество поглощающих, то в ствол поглощающей скважины могут быть помещены теплообменники систем распределения тепла тепловых насосов от нескольких заборных скважин, что усиливает эффект нагрева растворяющего агента, и, вследствие, повышения температуры растворяющего агента, повышается скорость протекания химических реакций растворения полезного минерала, т.е. возрастает скорость разработки месторождений полезных ископаемых и создается возможность разработки обедненных месторождений полезных ископаемых в суровых климатических условиях (Сибирь, Дальний Восток, Канада).

Особенности эксплуатации в системах скважинного понижения уровня грунтовых вод (вертикального дренажа) и технического водоснабжения.

Переоборудование действующих систем скважинного понижения уровня грунтовых вод на схему с беструбной установкой погружных электронасосов и размещением в стволе скважины коллекторов систем забора тепла тепловых насосов (Фиг.3, 4) позволяет: при сохранении расчетных режимов работы насосного оборудования, по расходу и объему откачиваемой жидкости, дополнительно вырабатывать тепловую энергию, которую можно использовать для обогрева (кондиционирования) жилых домов, зданий и сооружений (наиболее характерна подобная ситуация для таких городов, как Зеленоград Московской области).

Для скважин орошения, хозяйственно-питьевого технического водоснабжения сельскохозяйственных, промышленных предприятий также возможно применение (Фиг.3, 4) схемы с беструбной установкой погружных электронасосов и размещением в стволе скважины коллекторов систем забора тепла тепловых насосов, что позволит: при сохранении расчетных режимов работы насосного оборудования, по расходу и объему откачиваемой жидкости, дополнительно вырабатывать тепловую энергию, которую можно использовать для обогрева (кондиционирования) жилых домов, зданий и сооружений, что позволит снизить текущие издержки и повысить автономность и теплоэнергонезависимость таких предприятий от служб жилищно-коммунального и теплового хозяйства.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа использования геотермальной энергии заключается в следующем:

Для собственника квартиры (индивидуального дома)

– Помимо возможности создания комфортабельного искусственного климата (отопления, кондиционирования, горячего водоснабжения), существенное сокращение расходов на коммунальные услуги и экономию строительных издержек, возможность строительства комфортабельного жилья в местах отсутствия коммуникаций ЖКХ (газ, вода, теплосети). Для застройщика

– Возможность существенно повысить класс здания

– Возможность строительства в ранее непригодных местах (вдали от теплотрассы, в конце теплотрассы, где вода не имеет достаточного потенциала).

– Сокращение расходов на строительство ЦТП, теплотрасс, насосных станций. Для теплоэлектроцентрали

– Повышение коэффициента использования тепла

– Возможность существенного снижения потенциала воды (до 70 град, необходимых для обеспечения горячего водоснабжения) в течение всего года.

– Повышение КПД централи за счет снижения температуры обратной воды.

Для города

– Экономия средств на прокладку и ремонт теплосетей.

– Улучшение экологии, за счет:

– Меньшего использования больших градирен,

– Перераспределения источников тепла для города (значительная часть тепла приходится на электроэнергию, вырабатываемую за пределами города).

– Использования геотермального тепла (Средняя полоса России очень богата

этим видом энергии).

Для страны

– Снижение тепловых выбросов в атмосферу, влияющих на разрушение озонового слоя от котельных жилищно-коммунального хозяйства и иных объектов, сжигающих газ и мазут для выработки тепла, и, как следствие, возможность перераспределения собственных квот на тепловые выбросы в атмосферу и экономии средств от необходимости приобретения дополнительных квот на тепловые выбросы неиспользуемых другими государствами (согласно Киотскому протоколу, подписанному Россией).

– Возможность теплофикации районов страны, в которых прежде это было невозможно, например в местах расположения закрытых автономно-административных образований (ЗАТО), автономных объектов военно-технического назначения.

– Использовать возможность создания комфортабельного искусственного климата для персонала, ведущего разработку полезных ископаемых методом скважинного подземного выщелачивания в условиях высоких температур, засушливого климата и пустынь (например, Гоби, Калахари, Кызылкум).

– Возможность сделать экономически эффективной добычу полезных ископаемых методом скважинного подземного выщелачивания в северных широтах (Сибирь и Дальний Восток), снизить издержки и энергоемкость систем подземного выщелачивания полезных ископаемых.

– Возможность продвижения на рынки третьих стран (например, ЮАР, Австралия, Китай, Узбекистан, Казахстан, Таджикистан, Монголия) в качестве составного элемента услуг по строительству систем подземного выщелачивания полезных ископаемых (уран, золото, редкоземельные элементы), систем забора подземных вод, систем осушения, систем отопления (обогрева) и т.п. за счет агрегирования оборудования для беструбной установки насосов в скважинах с погружными скважинными электронасосами иностранных производителей, например Grundfos, Wilo, Subline, CALPEDA, ROVATTI, использующих стандартизованные погружные электродвигатели (компании FRANKLIN, NEWMOTO, PLEUGER и др.), и тепловыми насосами (Stiebel Eltron, VIESSMANN, FIGHTER, OCHSNER и др.), с целью стандартизации на соответствие требованиям международных систем сертификации, в том числе используя механизм создания совместных предприятий в техно-внедренческих зонах и технопарках.

Литература

1. А.с.СССР №1404601, МКИ Е03В 3/06, 1988.

2. А.с.СССР №1633864, МКИ Е03В 3/06,1990.

3. Фисенко В.Н. Гидравлическая оптимизация и оборудование водоподъема из скважин с беструбной установкой погружных электронасосов. – М.: ВНИИВОДГЕО, 1991.

Формула изобретения

1. Способ использования геотермальной энергии путем создания циркуляции теплоносителя в коллекторе системы забора тепла, расположенного в буровой скважине, к тепловому насосу, передачи тепла, собранного теплоносителем системы забора тепла, хладагенту теплового насоса, изменения агрегатного состояния хладагента и нагрева хладагентом теплоносителя системы распределения тепла, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности отбора геотермальной энергии системой забора тепла, ствол скважины разделяют герметичной перемычкой на зону всасывания, расположенную ниже герметичной перемычки и зону нагнетания, расположенную выше герметичной перемычки, причем зону нагнетания полностью заполняют теплопроводной жидкостью и в ней размещают коллектор системы забора тепла теплового насоса.

2. Способ использования геотермальной энергии по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности системы забора тепла теплового насоса, в качестве теплопроводной жидкости, заполняющей зону нагнетания, используют пластовую жидкость.

3. Способ использования геотермальной энергии по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности отбора геотермальной энергии, теплообмен между жидкостью в зонах всасывания-нагнетания и горной породой производят через обсадную колонну скважины и герметичную теплопроницаемую перемычку, разделяющую зоны всасывания-нагнетания скважины.

4. Способ использования геотермальной энергии по п.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения поддержания эффективного отбора геотермальной энергии в течение всего срока службы теплового насоса, в качестве герметичной перемычки, разделяющей зоны всасывания-нагнетания скважины, используется пакер устройства для беструбного подъема жидкости из скважин.

5. Способ использования геотермальной энергии по п.2, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности отбора геотермальной энергии, в зоне нагнетания создают проточность пластовой жидкости, а в зоне всасывания создают разрежение в пластовой жидкости.

6. Способ использования геотермальной энергии по п.5, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности отбора геотермальной энергии в слабопроницаемых грунтах, в зоне всасывания создают разрежение в пластовой жидкости в области фильтровой колонны скважины.

7. Способ использования геотермальной энергии по п.5, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности отбора геотермальной энергии, проточность пластовой жидкости в зоне нагнетания и разрежение в пластовой жидкости в зоне всасывания создают погружным насосом, соединенным с устройством для беструбного подъема жидкости из скважин.

8. Способ использования геотермальной энергии по п.5, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности отбора и утилизации геотермальной энергии, передача тепла хладагенту теплового насоса теплоносителем коллектора системы забора тепла, расположенного в зоне нагнетания скважины, и откачиваемой из скважины пластовой жидкостью, производится в раздельных контурах циркуляции хладагента.

9. Способ использования геотермальной энергии по п.5, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы систем подземного выщелачивания минералов, за счет повышения коэффициента полезного действия теплового насоса, жидкость, закачиваемую в пласт через поглощающую скважину, нагревают путем помещения в поглощающую скважину теплообменника с замкнутым контуром циркуляции теплоносителя системы распределения тепла теплового насоса.

10. Способ использования геотермальной энергии по п.9, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы систем подземного выщелачивания минералов, за счет повышения скорости протекания химических реакций растворения, жидкость, закачиваемую в пласт через поглощающую скважину, нагревают путем помещения в поглощающую скважину нескольких теплообменников с замкнутыми контурами циркуляции теплоносителя систем распределения тепла от нескольких тепловых насосов, подключенных к нескольким заборным скважинам.

11. Способ использования геотермальной энергии по п.5, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия теплового насоса, передача тепла от хладагента теплового насоса теплоносителю системы распределения тепла производится в раздельных контурах циркуляции теплоносителя системы распределения тепла: в замкнутом и в разомкнутом.

12. Способ использования геотермальной энергии по п.11, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы систем подземного выщелачивания минералов, в качестве теплоносителя разомкнутого контура системы распределения тепла теплового насоса используют растворяющий агент, закачиваемый в пласт через поглощающие скважины.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 08.11.2008

Извещение опубликовано: 20.05.2010 БИ: 14/2010