Диссертация по альтернативным скважинам. ДИССЕРТАЦИЯ_СТРАУПНИК. Обоснование и разработка технологии опробования и эксплуатационной разведки ресурсов тепловой энергии приповерхностных толщ горных пород теплообменными скважинами
 Скачать 3.09 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСТИТЕТ ГОРНЫЙ На правах рукописи СТРАУПНИК Игорь Альбертович ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОПРОБОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ РАЗВЕДКИ РЕСУРСОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ТОЛЩ ГОРНЫХ ПОРОД ТЕПЛООБМЕННЫМИ СКВАЖИНАМИ Специальность 25.00.14 – Технология и техника геологоразведочных работ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель д.т.н., проф. Чистяков Валерий Константинович САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................................... 4 ГЛАВА АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКО ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ГОРНЫХ ПОРОД .................................................................................. 9 1.1 Принцип использования низко потенциальной тепловой энергии с помощью теплообменных скважин ........................................................................................................................ 10 1.2 Варианты оборудования теплообменных скважин ..................................................................... 15 1.3 Теплообменные скважины в Санкт-Петербурге и Ленинградской области ........................... 22 1.4 Проектирование теплообменных скважин ................................................................................... 24 1.5 Анализ современного состояния технической базы для бурения теплообменных скважин ..................................................................................................................................................... 26 1.6 Распределение геотермического градиента на территории ленинградской области ............ 32 1.7 Полигон по изучению работы теплообменных скважин и тепловых насосов ....................... 33 1.8 Постановка задач исследований ..................................................................................................... 38 Выводы по главе 1 .................................................................................................................................. 40 ГЛАВА РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ БУРЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ СКВАЖИН ........................................................................................ 41 2.1 Технология вибрационно-вращательного бурения теплообменных скважин ........................ 42 2.2 Технология бурения теплообменных скважин вращательным способом с использованием забойных машин и обратной циркуляцией промывочной жидкости ............................................. 45 2.3 Технологии тампонирования теплообменных скважин и установки в них теплообменных коллекторов .............................................................................................................................................. 53 Выводы по главе 2 .................................................................................................................................. 58 ГЛАВА МЕТОДИКА АНАЛИТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ СООРУЖЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОЙ СКВАЖИНЫ ....................... 59 3.1 Обоснование критерия эффективности работы теплообменной скважины ........................... 59 3.2 Основные факторы, влияющие на работу теплообменной скважины ..................................... 62 3.3 Постановка задачи моделирования процесса теплообмена между массивом горных породи скважиной. 66 3.4 Стенд моделирования активного участка теплообменной скважины ..................................... 69 3.5 Методика статистической обработки экспериментальных данных ......................................... 72 Выводы по главе 3 .................................................................................................................................. 73 ГЛАВА АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ СКВАЖИН ....................... 74 4.1 Определение удельной мощности, затрачиваемой на циркуляцию, и удельной тепловой мощности .................................................................................................................................................. 74 4.2 Нестационарность теплообмена и учет фактора времени ......................................................... 77 4.3 Решение уравнения теплообмена ................................................................................................... 78 4.4 Уравнения для определения радиуса теплового влияния теплообменной скважины. 82 Выводы по главе 4 .................................................................................................................................. 87 ГЛАВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И СПОСОБА СООРУЖЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ СКВАЖИН ............................................................................................................ 89 5.1 Подготовка к проведению эксперимента. 89 5.2 Ход проведения экспериментов и их результаты. 92 5.3 Обработка и анализ результатов эксперимента ........................................................................... 99 5.3.1 Анализ эффективности работы теплообменной скважины ................................................ 99 5.3.2 Расчет полученной удельной тепловой мощности ............................................................ 101 5.4 Сравнение экспериментальных и расчетных значений удельной тепловой мощности ..... 104 5.5 Расчет радиуса зоны теплового влияния экспериментальной скважины. 106 5.6 Статистическая обработка значений эффективной разницы температур ............................. 109 5.7 Анализ натурных наблюдений на Исследовательском полигоне. 110 5.8 Методика проектирования теплообменных скважин ............................................................... 120 5.9 Особенности типизации геолого-технических условий бурения теплообменных скважин на примере Ленинградской области) ................................................................................................ 121 5.10 Проектирование конструктивных параметров теплообменных скважин, их количества и расстояния между ними ....................................................................................................................... 125 Выводы по главе 5 ................................................................................................................................ ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................................................... 131 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................................................ 136 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Нарастающий дефицит производства энергии за счет органического топлива и экологический ущерб, наносимый при его сжигании, требует поиска широко распространенных и экологически чистых источников энергии. К таким источникам относятся энергия Солнца, ветра и теплота недр. Наибольшим ресурсом тепловой энергии при постоянстве ее производства и практически повсеместном распространении обладают недра планеты. Тепло Земли, имеющее генетическую и пространственную связь добываемой полезной энергии с недрами и возможность извлечения лишь с использованием горных выработок, в частности буровыми скважинами, является своеобразным полезным ископаемым, которое требует особого подхода к его опробованию, разведке и разработке. Одним из важных различий между геотермальной тепловой энергией и разнообразными минеральными полезными ископаемыми является то обстоятельство, что тепловую энергию нельзя экономично транспортировать на большие расстояния, поэтому при уточнении понятия о геотермальном месторождении и оценке его запасов необходимо учитывать, что их освоение возможно только там, где уже имеются соответствующие потребители. Бурение скважин является одним из основных видов горных работ при поисках, разведке и эксплуатации геотермальных месторождений. По назначению данные скважины, подобно гидрогеологическим, можно разделить на наблюдательные, разведочные, разведочно-эксплуатационные и эксплуатационные. Скважины позволяют получить информацию, необходимую для оценки запасов извлекаемых тепловых ресурсов, их качественных характеристика также уточнить геолого-геотермические, горно-геологические и технические условия для опробования, разведки и эксплуатации системы извлечения. Основой технологии является сооружение теплообменных скважин (ТС). Однако глубоких теоретических и экспериментальных исследований новой технологии освоения приповерхностных толщ недр недостаточно. За рубежом, особенно в Скандинавских странах, доля теплоснабжения жилых объектов по этой технологии достигает 40…60%, а в нашей стране она не превышает 0,2%. Так, в Санкт-Петербурге и Ленинградской области насчитывается несколько сотен небольших объектов, отапливаемых за счет тепловой энергии приповерхностных толщ горных пород. До сих пор нет достаточно обоснованных технологий сооружения ТС, опробования и оценки подобных энергетических ресурсов, а также рекомендаций по режимам эксплуатационной разведки в конкретных геолого-технических условиях. В связи с этим проблема проведения комплексных исследований, связанных с разведкой и опробованием тепловых ресурсов приповерхностных толщ, является актуальной. Цель диссертационной работы – повышение эффективности эксплуатационной разведки геотермальных ресурсов приповерхностных толщ горных пород. Идея работы заключается в применении коаксиальных теплообменных скважин и разработке их конструкции применительно к конкретным геолого- техническим условиям. Основные задачи исследований 1. Проанализировать существующие технологии сооружения и опробования тепловых ресурсов приповерхностных толщ горных пород, используемых для теплоснабжения и кондиционирования. 2. Типизировать геологические разрезы Санкт-Петербурга и Ленинградской области, сточки зрения возможности их эффективного использования в качестве нетрадиционных источников тепловой энергии горных пород. 3. Разработать аналитические зависимости, позволяющие определить конструктивные параметры коаксиальных скважина также режимы их опробования и эксплуатационной разведки в конкретных геолого-технических условиях. 4. Провести экспериментальные и натурные исследования для определения зависимостей основных параметров теплообменных скважин (диаметр, глубина, параметры их сети) от свойств горных пород, теплоносителя и длительности проведения опробования. 5. Разработать технологию опробования и эксплуатационной разведки ресурсов низко потенциального тепла приповерхностных толщ горных пород с помощью коаксиальных теплообменных скважин. 6. Обосновать выбор эффективной технологии бурения и оборудования ТС для систем отопления и кондиционирования с использованием тепловых насосов гражданских и производственных объектов. Методы решения поставленных задач. Работа выполнена в соответствии с общепринятыми методами теоретических и экспериментальных исследований, при этом был создан стенд по изучению влияния теплообменных процессов в скважине на выбор ее конструктивных параметров. Обработка экспериментальных исследований проводилась с помощью методов математической статистики. Также были проведены натурные исследования на Исследовательском полигоне на базе Технического Университета Остравы – «VŠB–TUO» (Чешская республика) для изучения работы скважинных теплообменных систем. Научная новизна заключается в - установлении зависимости диаметра и глубины коаксиальной теплообменной скважины от теплофизических параметров массива, теплоносителя, продолжительности и условий нестационарного теплообмена, определяющей ее наиболее эффективную конструкцию, режимы опробования и эксплуатационной разведки. 7 - обосновании критериев эффективности (η) и цикличности ц, характеризующих допустимое развитие зоны теплового влияния и времени восстановления температурного поля вокруг скважины. Защищаемые научные положения 1. Проведение опробования и разведки тепловых ресурсов приповерхностных толщ горных пород должно осуществляться коаксиальными теплообменными скважинами, конструкция которых определяется с учетом теплофизических свойств горных породи теплоносителя, условий и продолжительности теплообмена, а также геометрическими параметрами скважины. 2. Экспериментально установленные зависимости уровня развития зоны теплового влияния и времени восстановления температуры массива от температуропроводности породи длительности опробования, а также разработанная типизация горно-геологических условий, позволяют обосновать параметры разведочной сети коаксиальных теплообменных скважин. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований, достаточной сходимостью расчетных величин с фактическими данными (95%), воспроизводимостью результатов, а также результатами натурных наблюдений. Практическая значимость работы 1. Проведена типизация геологических разрезов территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области для проектирования систем разведочно- эксплуатационных скважин для использования низко потенциальной тепловой энергии слагающих их отложений игорных пород. 2. Разработана технология опробования и эксплуатационной разведки коаксиальными теплообменными скважинами, позволяющая учитывать теплофизические и температурные особенности массива горных пород, обеспечивающая достижение высокой эффективности извлечения низко потенциальной тепловой энергии горных пород. 8 3. Результаты анализа работы Исследовательского полигона в Остравском университете будут использованы при проектировании нового полигона с экспериментальной системой теплообменных скважин наследующем этапе проведения исследований. Апробация работы. Основные положения и практические результаты исследований докладывались нами научно-технических конференциях, в том числе на международном ежегодном форуме молодых ученых Проблемы недропользования (СПГГУ, г. Санкт-Петербург, 2008, 2009); на XI Международном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика МА. Усова Проблемы геологии и освоения недр (ТПУ, г. Томск, 2007); на XLVI Международной студенческой конференции Студент и научно- технический прогресс (НГУ, г. Новосибирск, 2008); на Всероссийской научно- технической конференции Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин (ТПУ, г. Томск, 2009); на международной конференции «Wiertnictwo- Nafta-Gas» (AGH, Польша, Краков, 2008), на международной конференции «International conference on renewable energy and power quality» (Испания, Сантьяго де Компостела, 2012), на семинаре «Využití geotermální energie» (VSB – TUO, Чехия, Острава, 2012). Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 из перечня рекомендованных ВАК РФ. Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 119 наименований. Материал диссертации изложен на 147 страницах, включает 20 таблиц, 43 рисунка. ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИКО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКО ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ГОРНЫХ ПОРОД Среди возобновляемых источников энергии низко потенциальная тепловая энергия различного происхождения, благодаря технологии тепловых насосов, в настоящее время играет важную роль в отоплении и кондиционировании объектов гражданского и промышленного назначения. Наиболее универсальным, экологически чистыми повсеместно доступным источником низко потенциальной энергии является тепло горных породи подземных вод верхней части земной коры. Тепловая энергия недр в настоящее время рассматривается как своеобразное полезное ископаемое. В современном понимании термин ископаемое утрачивает прямую связь с непосредственным процессом извлечения твердого, жидкого или газообразного полезного компонента на поверхность. В прогрессивных геотехнологических методах добычи нагнетаемый с поверхности рабочий агент, взаимодействуя с минеральными образованиями в недрах, обогащается полезными компонентами при сохранении или изменении их природного агрегатного состояния или химического состава в получаемом продуктивном флюиде [6]. Термин полезное ископаемое указывает на генетическую и пространственную связь добываемых полезных компонентов с недрами земной коры и возможность их извлечения лишь с использованием той или иной горной технологии. Сданной точки зрения низко потенциальная тепловая энергия может рассматриваться в качестве полезного ископаемого, которое может быть извлечено на поверхность с помощью различных теплоносителей, циркулирующих в специально сооруженных для этих целей геотехнологических скважинах. Как и любое другое ископаемое, месторождения тепловой энергии требуют проведения разведочных работ. Основными этапами разведки тепловых ресурсов приповерхностных толщ горных пород являются разведочно-эксплуатационные работы. По предварительному проекту производится бурения скважин, в которых производятся опытные работы, уточняются необходимые параметры. Затем составляется окончательный проект, производится бурение необходимого числа скважин и все они переходят из разряда разведочно-эксплуатационных в разряд эксплуатационных. Для доставки низко потенциальной энергии горного массива к тепловым насосам сооружаются специальные теплообменные скважины, оборудованные циркуляционными системами теплообменными коллекторами) различной конструкции. В общем объеме тепловой энергии, производимой тепловым насосом, затраты электроэнергии на работу циркуляционных теплообменных систем и тепловых насосов не превышают 25…30%, все остальное – трансформированное низко потенциальное тепло горного массива. За рубежом доля теплоснабжения жилых объектов по этой технологии достигает в настоящее время 40…60%, а в нашей стране она незначительна и не превышает долей процента. |