способ реализации геотермальной системы энергоснабжения в береговой зоне акватории

Формула изобретения

СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ АКВАТОРИИ, заключающийся в отборе геотермального флюида из подземного коллектора по водоподъемной скважине и подачу флюида в коллектор, отличающийся тем, что, с целью снижения капитальных затрат, проводят геотермическую съемку в акватории, находят водопроницаемый пласт с очагами субаквальной разгрузки подземных термальных вод, определяют оптимальное месторасположение геотермальной системы энергоснабжения, бурят или используют готовую водоподъемную скважину с забоем или водозабором на глубине этого пласта с образованием упомянутого коллектора, отбором геотермального флюида создают в коллекторе давление, обеспечивающее подачу в него флюида из акватории, поддерживают созданное давление в режиме эксплуатации геотермальной системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам извлечения и использования глубинного тепла Земли и может быть применено в системе геотермального энергоснабжения.

Существуют способы, позволяющие отбирать геотермальный теплоноситель из земных недр и использовать его в системах энергоснабжения.

Известен способ [1] заключающийся в добыче геотермального флюида по системе скважины из подземного коллектора, подаче его в систему теплоносителя и возврате в подземный коллектор отработанного флюида в экономичном режиме эксплуатации скважин.

Основным недостатком способа является необходимость значительных капитальных затрат на бурение и обустройство системы водоподъемных и нагнетательных скважин для отбора, а затем обратной закачки теплоносителя флюида в подземный коллектор. В случае же реализации геотермальной системы энергоснабжения на объектах, расположенных в пределах акватории водного бассейна, объем капитальных затрат возрастает с необходимостью установки специальных буровых платформ.

Указанный недостаток можно отнести ко всем известным способам геотермального энергоснабжения, в том числе и способу реализации и эксплуатации геотермальной электростанции (Н. Ram, J. Jahalom. Сommerciallу suecerful large scale binary application. Geother. Rеs. Сoun. Bull. Maу, 1988).

Целью изобретения является снижение капитальных затрат, что достигается использованием вместо нагнетательных скважин сообщающегося с акваторией водопроницаемого пласта (разрывного нарушения) и заполнением водой из акватории подземного коллектора самотеком без обратной закачки.

На фиг.1,2 представлены схема и график, реализующие предлагаемый способ.

Месторождение геотермальной системы энергоснабжения выбирают вблизи береговой линии, где подземный коллектор в виде субгоризонтального водопроницаемого пласта или разрывного нарушения выходит в пределы дна акваторий. Отбором геотермального флюида из подземного коллектора (фиг.1) через водоподъемную скважину 1 запускают процесс инфильтрации воды из акваторий 2 по водопроницаемому пласту 3 до уровня глубин расположения забоя (водоотборника) водоподъемной скважины 4 в сообщающейся системе: акватория водопроницаемый пласт водоподъемная скважина. Фильтрующаяся самотеком из пределов акватории вода за время миграции по пласту в режиме инфильтрации нагревается до температуры окружающих горных пород и к моменту прихода к водоподъемной скважине становится теплоносителем глубинного тепла для энергоблока системы 5.

Способ реализации геотермальной системы энергоснабжения осуществляют следующим образом.

В пределах акватории водного бассейна (шельфа, озера и др.) проводят геотермическую съемку по дну методом термического зондирования или непрерывного инфракрасного термопрофилирования (Бойков А.М. Нестационарные методы морской терморазведки. М. Наука, 1986, с. 135; Корниенко С.Г. Инфракрасная информационно-измерительная система непрерывного термопрофилирования и области ее применения. Сб. Научн.тр. /Ин-т проблем геометрии Даг. ФАН СССР, 1987, вып.7, с. 64-68) и выявляют и картируют температурные аномалии, связанные с очагами субаквальной разгрузки подземных термальных вод. Подобные очаги обычно приурочены к сводам гидрогеологически раскрытых антиклинальных структур (фиг.1) и литологическим "окнам" водопроницаемых пластов, выходящих к поверхности дна акваторий из глубоких горизонтов суши, а также к разрывным нарушениям и др. Определив таким образом место выхода в пределы поверхности дна акватории водопроницаемого пласта (разрывного нарушения) с фильтрующимся в нем геотермальным флюидом 6 (фиг.1), вблизи береговой линии выбирают оптимальные месторасположение и глубину водоподъемной скважины и энергоблока геотермальной системы энергоснабжения (геотермальной электростанции). При этом само наличие очага субаквальной разгрузки термальных вод показатель благоприятных для создания системы энергоснабжения геолого-геотермических условий (повышенных температур) залегания подземного коллектора в пределах суши. Водоподъемную скважину бурят с забоем или перфоратором (водозабором) на глубине выходящего в пределы акватории пласта.

Режим эксплуатации геотермальной системы энергоснабжения выбирают, исходя из градиента напора в водопроницаемом пласте. В пределах всего пласта, разгружающегося через дно акватории, гидродинамический напор определяется выражением

Н Z + P/ (1) а градиент напора, соответственно:

I dH/dZ, (2) где Z ординаты точки, где определяется напор;

Р давление в этой точке;

плотность жидкости. При этом водный поток в пласте направлен от суши к водному бассейну.

Отбором геотермального флюида из подземного коллектора через водоподъемную скважину в коллекторе создают давление ниже, чем гидростатическое давление в зоне выхода водопроницаемого пласта к дну акватории. Количественно эта величина Р будет зависеть от толщины слоя воды h над зоной выхода пласта к донной поверхности (для h 10 м Р < 2 атм, h 50 м Р < 6 атм, h 100 м Р < 11 атм). Тогда по закону сообщающихся сосудов в системе: акватория водопроницаемый пласт водоподъемная скважина водный поток начнет двигаться в противоположном направлении от акватории в пределы суши в режиме инфильтрационного процесса. Величину перепада давления Р, требуемую для запуска инфильтрационного режима движения воды, при известных фильтрационных свойствах в системе находят, исходя из экономически целесообразных для геотермального энергоснабжения объемов Q отбираемого из скважины теплоносителя флюида (обычно первые десятки литров в секунду), из выражения (Справочное руководство гидрогеолога. 1979, т.1, с.34):

P (3) где K_п K (/) коэффициент проницаемости пласта;

K V/I коэффициент фильтрации пласта;

V Q/F скорость фильтрации в пласте;

F площадь фильтрации;

вязкость жидкости;

L длина пути фильтрации.

Сохраняя указанное давление в подземном коллекторе непрерывным отбором геотермального флюида, в режиме эксплуатации системы энергоснабжения обеспечивают получение теплоносителя для энергоблока с возобновлением отобранных его объемов в коллекторе за счет инфильтрации водного потока из акватории. Подогрев потока до температуры окружающего массива горных пород происходит в процессе миграции воды к забою водоподъемной скважины. При этом необходимый баланс между объемами отбора и поступления теплоносителя флюида в подземный коллектор контролируется по уровню воды в скважине и приближенно рассчитывается на основе известного соотношения для напорных вод (Справочное руководство гидрогеолога. Л. Наука, 1979, т.1, с. 293);

S_m [0,366Qlg (2 d/r)]/K (4) где S_m понижение уровня воды в скважине;

Q дебит скважины;

d расстояние от скважины до уреза воды в водоеме;

r радиус скважины;

мощность подземного коллектора.

Применение предлагаемого способа позволяет снизить капитальные затраты при реализации и эксплуатации геотермальной системы энергоснабжения за счет отсутствия необходимости в бурении и обустройстве специальных нагнетательных скважин и осуществлении обратной закачки отработанного флюида в подземный коллектор.

П р и м е р. Примером объекта для реализации предлагаемого способа может служить разведочная площадь Дузлак на территории Приморского Дагестана (Дагестанская АССР). Геологический разрез площади приводится на фиг.2. Нефтегазоносное антиклинальное поднятие вдоль его большой полуоси параллельно береговой линии, осложнено разрывным нарушением, вскрытым параметрической скважиной N 100 на глубине 2700. Ширина разлома достигает 150 м. Литологический разрез площади выполнен преимущественно водопроницаемыми песчаниками. Температура горных пород, измеренная в скважине на глубине 2700 м в зоне разлома, составляет 100^оС, давление 400 кгс/см². Разлом вкрест простирания выходит из сводовой части структуры на северо-востоке к поверхности дна Каспийского моря, где толщина водного слоя достигает 10 м. Гидростатическое давление на дне составляет, соответственно, 2 атм.

На площади Дузлак могут быть реализованы предлагаемые способы и устройство геотермальной системы энергоснабжения (геотермальной электростанции). Геотермическая съемка в акватории показала присутствие над разломом температурной аномалии индикатора очага субаквальной разгрузки подземных вод. Скважина глубокого бурения N 100 может использоваться в качестве водоподъемной, а разрывное нарушение вместо нагнетательной скважины. После запуска и стабилизации инфильтрационного процесса в разломе в соответствии с описанием предлагаемого способа теплоносителя будет служить морская вода, поступающая в пласт-коллектор до глубины 2700 м из пределов акватории. Затем вода-теплоноситель откачивается насосом на поверхность через водоподъемную скважину N 100 и поступает в энергоблок. Теплоноситель при этом будет иметь температуру водозабора скважины 100^оС. Для поддержания процесса инфильтрации самотеком воды из пределов акватории по разлому до глубины водозабора водоподъемной скважины на этой глубине необходимо создать по отношению к поверхности дна моря перепад давления, который можно приближенно определить по формуле (3). Необходимые для расчета параметры для площади Дузлак известны: вязкость флюида с учетом температурной зависимости составляет 0,6 спз; длина пути фильтрации по разлому L 4,410⁵ см; площадь фильтрации F исходя из ширины разлома 150 м и километрового отрезка по его простиранию в окрестностях скважины N 100 составит 1510⁸ см²; коэффициент проницаемости Кп в пределах площади можно оценить величиной 0,055 дарси. Приняв в качестве экономически целесообразной величину отбора теплоносителя из водоподъемной скважины Q 2010³ cм³/с (примерно 20 л/с) по формуле (3) получают значение необходимого перепада давления Р 60 кгс/см². Такой перепад давления по отношению к гидростатическому давлению на поверхности дна моря (2 атм) и пластовому давлению на глубине 2700 м (400 кгс/см²) может быть создан откачкой флюида из водоподъемной скважины насосом с потреблением электроэнергии около 100 кВт. Поскольку длина пути фильтрации морской воды по разлому составляет 4,4 км, то влияние годовых колебаний температуры на дне моря на уровне глубины водозабора скважины будет незаметным и отбираемый теплоноситель примет температуру горных пород вблизи водозабора, т.е. 100^оС.

Таким образом реализация способа и устройства геотермальной системы энергоснабжения (геотермальной электростанции) на объекте Дузлак позволит снизить капитальные затраты за счет отсутствия необходимости в бурении и обустройстве нагнетательной скважины глубиной 2700 м и осуществлении обратной закачки флюида в пласт-коллектор.