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.
|
|
1.4 Проектирование теплообменных скважин Представим информацию из таблицы 1.3 в виде графика зависимости отношения суммарной глубины теплообменных скважин к отапливаемой площади от мощности установленной отопительной системы (рисунок 1.5). 0,5 0,8 1,1 1,4 1,7 2 5 10 15 20 25 Мощность теплового насоса, кВт О т н о ш ен и е су м м а р н о й г л у б и н ы Т С ко, м /м 2 Рисунок – 1.5 Характеристика объектов, действующих на территории СПб и ЛО Исходя из графика, приведенного на рисунке выше, не представляется возможным выявить четкую зависимость. Более того, даже при одинаковой мощности рассматриваемое отношение колеблется и может отличаться в два раза. Например, при одной и той же мощности 28 кВт, водном случае (пос. Комарово) было пробурено 4 скважины пом каждая, в другом (пос. Овсяное) пробурено 10 скважин пом. Этот факт, говорит о том, что при проектировании количества и глубин скважин проектировщики не руководствовались едиными подходами и методиками. При проектировании теплообменных скважин в мировой практике пользуются такой величиной как удельный теплосъем с одного метра скважины [115]. Удельным теплосъемом называется отношение полученной скважинным теплообменным коллектором тепловой энергии от горных пород за единицу времени отнесенной к единице длины рассматриваемого участка, с учетом потерь на гидравлические и термические сопротивления, таким образом, единица измерения рассматриваемой величины – Вт/м. Многие западные компании, которые занимаются проектированием и установкой тепловых насосов, а также сооружением теплообменных скважин за несколько десятилетий своей работы накопили богатый практический опыт и, опираясь на него, определили удельный теплосъем для различных типов горных пород на конкретных территориях [80]. Многолетним опытом учтены геологическое строение, гидрогеологические условия и температурный режим массива горных породи на основании этого выбраны критерии для проектирования и сооружения теплообменных скважин. Российские компании переняли зарубежный опыт и также пользуются показателем удельного теплосъема, не учитывая геологических особенностей территории. Значения удельного теплосъема для некоторых типов горных пород приведены в таблице 1.4, этими значениями руководствуются при проектировании числа и глубин теплообменных скважин. Таблица 1.4 – Значение удельного теплосъема для некоторых типов горных пород Горная порода Удельный теплосъем, Вт/м Галька, сухой песок до 20 Галька, влажный песок 55…65 Водонасыщенная глина, суглинок 30…40 Известняк 45…60 Песчаник 55…65 Кислые магматические породы 55…70 Щелочные магматические породы 35…55 Гнейс и метаморфические породы 60…70 Методика использования показателя удельного теплосъема следующая 1. Производится расчет потребной мощности для отопления, кондиционирования, горячего водоснабжения, в зависимости от конкретного проекта. 2. Анализируется геологическое строение и рассчитывается средневзвешенный удельный теплосъем. 3. Производится расчет числа и глубин теплообменных скважин из отношения потребной мощности к средневзвешенному удельному теплосъему. Методика проста в использовании, при условии, что в наличии есть достаточно информации. Однако вышеописанная методика обладает целым рядом недостатков значения удельного теплосъема приняты из опыта работы зарубежных компаний и не учитывают особенностей температурного режима массивов горных пород в методике никак не упоминаются тип, конструкция и способ установки скважинного теплообменного коллектора диаметр теплообменных скважин и расстояние между ними также никак не учитываются при проектировании. 1.5 Анализ современного состояния технической базы для бурения теплообменных скважин Современный рынок буровой техники и бурового инструмента динамично развивается и учитывает конъюнктуру потребителя своих услуг. В странах, где активно развито бурение теплообменных скважин производством выпускаются специальные буровые установки, ориентированные на бурение теплообменных скважин. Создаются различные механизмы и устройства для повышения эффективности и скорости бурения [6,22]. В России техника и технология бурения теплообменных скважин практически идентична бурению водозаборных скважин [60], таким как, например, УРБ-2А-2, УРБ-3А-3, ПБУ-2 и др. Краткие технические характеристики данных установок приведены в таблице 1.5 [26,27,44]. Технология бурения также аналогична технологии бурения водозаборных скважин. Основная технология – вращательное бескерновое бурение с прямой промывкой глинистым буровым раствором. Глубина теплообменных скважин в российской практике в среднем не превышает 100…120 м, конечный диаметр колеблется от 112…132 мм до 190,5 мм [48,49,50]. Таблица 1.5 – Характеристики буровых установок, применяемых для бурения теплообменных скважин в России Параметр Значение параметра УРБ-2А-2 ПБУ-2 УРБ-3А-3 Глубина бурениям Диаметр скважины, мм начальный 190,5 ___ 346 конечный 93 190,5 146 Максимальная грузоподъемность установки, кН 40 16 80 Вращатель Подвижный Подвижный Ротор Частота вращения, об/мин 140; 225; 325 25…430 110; 190; 314 Буровой насос НБ-32 НБ4-160/63 11ГрИ Мощность двигателя, кВт 44 44 40 Высота мачты от земли до оси кронблока, м 8,4 5,0 16 Габариты установки, м 8,8×2,5×3,4 5,7×2,7×3,4 10,7×2,8×3,4 Масса установки без насоса, т 4,4 4,1 13,2 Общая масса оборудования, т 10,1 10,2 16,0 Конструкция теплообменных скважин простая, чаще всего скважина бурится без обсадных колонн, либо с временным закреплением неустойчивых пород верхней части разреза. После завершения бурения в скважине устанавливается теплообменный коллектор, в российской практике, чаще всего применяется образный и двойной образный тип коллекторов. Затем скважина на всю глубину тампонируется либо цементным раствором, которые традиционно используются для цементирования затрубного пространства эксплуатационных колонн водозаборных скважин, либо глиноцементными растворами. Скорости проходки вышеуказанными технологией и техникой в среднем составляет от 2…3 дом в смену, таким образом, бурение скважины глубиной 100 м составляет от х недель до го месяца в зависимости от качества организации работ. За рубежом основными технологиями бурения теплообменных скважин являются следующие технологии вращательное бескерновое бурение с обратной промывкой технической водой, глинистым буровым раствором или продувкой воздухом. Такая технология по сравнению с бурением с прямой промывкой позволяет увеличить механическую скорость бурения вращательное бурение с обратной промывкой/продувкой с применением колонны двойных бурильных труби ударных забойных машин, как с пневматическим приводом, таки с гидравлическим приводом вибрационно-вращательное бурение. На забой скважины оказывается комбинированное воздействие высокочастотной вибрации и вращения, что позволяет разрушать горные породы эффективнее и гораздо быстрее по сравнению с традиционной технологией бурения. Применение вышеописанных технологий бурения позволяют значительно увеличить скорость проходки скважин. При эффективной организации работ скорость проходки скважин даже в скальных прочных породах достигает значений 29 1…2 м/мин. Для примера рассмотрены характеристики некоторых буровых установок, предназначенных для бурения и оборудования теплообменных скважин таблица 1.6) [80,89,90]. Большинство зарубежных буровых установок, предназначенных для бурения теплообменных скважин, смонтировано на базе гусеничных шасси. Применение нашли как легкие установки, таки относительно тяжелые. Применение нашли полностью гидрофицированные установки с подвижным вращателем и безлебедочной системой спускоподъемных операций. Технология бурения предусматривает также бурение двойными колоннами труб, наружная труба которых выполняет функцию временной обсадной колонны. Такая технология реализована в установках TKB 205 GT и KB 30/150. Бурение осуществляется следующим образом бурение скважины производится на всю глубину одним рейсом внутренняя колонна труб вместе с породоразрушающим инструментом извлекается из скважины, а наружная колонна остается в ней, выполняя функцию временной обсадной колонны в скважину опускается теплообменный коллектор наружная колонна труб извлекается. Достоинством данного способа является возможность бурения одним диаметром на всю глубину скважины, без потерь времени на спускоподъемные операции. Технология позволяет применять комбинированный тип воздействия породоразрушающим инструментом на забой горных пород, используя ударили вибрацию [65]. Таблица 1.6 – Характеристики буровых установок для бурения теплообменных скважин за рубежом Параметр Значение параметра К 40 TKB 205 GT KB 30/150 Страна производства США Германия Германия Производитель RigKits ThyssenKrupp Kurth-Bohrtechnik Глубина бурениям Диаметр скважины, мм минимальный ___ 68 ___ максимальный 229 254 219 Вращатель Подвижный Подвижный Подвижный Максимальное вытягивающее усилие, т 9 20 15 Крутящий момент, Нм 13000 28200/9700 6000/4000 Расход/давление развиваемое буровым насосом, л/мин / МПа 30/20 ___ 100/2,4 Мощность двигателя, кВт 63 147 95 Высота мачты от земли до оси кронблока, м 3,6 4,7 6,3 Габариты установки, м 2,4×1,5×1,5 5,8×2,5×2,2 5,5×2,8×1,5 Масса установки, т 1,5 21,0 6,7 Вибрационно-вращательное бурение реализовано в буровых установках, вращатель которых снабжен системой Sonic. Высокая эффективность разрушения и высокая скорость проходки скважин возможна, благодаря высокочастотному воздействию на забой. Характеристика вращателей буровых установок данного типа приведена в таблице 1.7 [9,52,106]. Технология бурения с помощью вращателей типа Sonic позволяет использовать в качестве очистного агента, как воду и буровые растворы, таки воздух, или же осуществлять бурение всухую. Таблица 1.7 – Характеристики вращателей буровых установок, оснащенных вибрационно-вращательной системой Sonic Параметр Значение параметра MidSonic drill Rig SDC650-28 Страна производства Нидерланды США Производитель SonicSampDrill Sonic Drilling Глубина бурениям Усилие на выходе из вибратора, кН 200 250 Частота вибрации, Гц 0…150 0…150 Требуемая гидравлическая мощность, кВт 66 185 Крутящий момент, Нм 4600 12000 Вращатель Подвижный Подвижный Максимальное вытягивающее усилие, т 10 11 Частота вращения, об/мин 80…190 0…1850 Габариты, м 1,0×0,7×2,0 1,0×0,8×2,2 Масса, т 1,3 1,7 Механическая скорость бурения с применением рассматриваемой технологии составляет порядка десятков м/мин по несцементированным четвертичным отложением и 2…4 м/мин по скальным крепкими очень крепким породам. Достоинством технологии является то, что бурение может производиться по перемежающимся по буримости и сильнотрещиноватым породам без потери скорости проходки. Основой буровых систем Sonic являются эксцентрики, приводящиеся в движение высокоскоростными гидродвигателями – скорость достигает до 12000 об/мин. Эксцентрики генерируют высокочастотные колебания (до 150…180 Гц, которые передаются буровой колонне, на забой и стенку скважины. Создающаяся вибрация снижает трение между колонной труби породами, слагающими стенку скважины, что позволяет колонне быстро погружаться в песчанистые, глинистые, гравелистые и скальные породы. Вибрация, создаваемая вращателем, распространяется в породном массиве ив керне на небольшую дистанцию, не превышающую 0,1…5 мм, что позволяет ко всему прочему при необходимости отбирать качественные пробы ненарушенного керна [29]. Современный рынок буровой техники предлагает большой выбор высокоэффективных технико-технологических средств для бурения скважин, назначением которых является извлечение низко потенциальной тепловой энергии горных пород. Зарубежный опыт по бурению теплообменных скважин показывает, что одним из основных путей по снижению капитальных затратна бурение является применение высокопроизводительных технологий, которые позволяют снизить затраты, во-первых, времени, во-вторых, затраты на инструмент и материалы. Стоимость бурениям теплообменной скважины в Санкт-Петербурге и Ленинградской области начинается в среднем от 2 тыс. руб. в зависимости от диаметра и конечной глубины. Производительность бурения традиционной технологией вращательного бурения с прямой промывкой составляет 3…5 м в смену. Стоимость бурения – с применением новых технологий составляет отруба производительность достигает 30…50 м в смену [5,14,40]. 1.6 Распределение геотермического градиента на территории ленинградской области Геологическое строение Ленинградской области изучено достаточно качественно. В е и е годы проводилось опытное бурение геотермальных скважин в районе г. Выборга ив районе Средней Рогатки в Санкт-Петербурге. Была проведена оценка запасов термальных вод. К концу х годов все работы по изучению потенциала геотермальной энергии были прекращены [4,16,34,39]. Начало систематических исследований геологического строения района связано с проведением геологической съемки листа О – 36 – 1 [12]. Составлены кондиционные геологические и гидрогеологические карты масштаба 1:200 000. Тектоника Ленинградской области определяет тепловой потенциал горных пород, слагающих ее разрез. Территорию рассматриваемого региона можно разделить на несколько зон, которые различаются значением геотермического градиента [15]. Низкие значения геотермического градиента от 0,015 до 0,025 Км отмечаются на севере Карельского перешейка и северо-восточной территории области. В центральных и юго-западных районах отмечаются средние значения градиента от 0,025 до 0,03 Км. К югу от Невы, в Гатчинском, Волосовском и Лужском районах, отмечаются повышенные значения – до 0,035 Км рисунок 1.6). Температура горных пород на глубине нейтрального слоя на Карельском перешейке и всей восточной части области колеблется в пределах 3…6 С, а в юго- западной части – в диапазоне 6…9 С. 1.7 Полигон по изучению работы теплообменных скважин и тепловых насосов За рубежом для изучения технологии тепловых насосов и теплообменных скважин сооружаются исследовательские полигоны. Самым крупным полигоном по исследованию теплообменных скважин и тепловых насосов в Центральной Европе является Исследовательский полигон на базе Технического университета г. Остравы (Чехия. Установленная система тепловых насосов – самая крупная система, которая когда-либо была оборудована в Чешской республике. Система состоит из 10 шведских тепловых насосов IVT с общим объемом производства тепловой энергии 700 кВт, и системы 110 скважин [68]. 3 Рисунок 1.6 – Схематическая карта дочетвертичных отложений ЛО с нанесенными изолиниями геотермического градиента AR PR 1 R V Є Є Є O 1 O 2 D 2 D 3 C 1 C 2 Изолинии геотермического градиента Условные обозначения Согласно проекту 110 вертикальных буровых скважин с конечной глубиной каждой скважины примерном должны обеспечить нужды в отоплении университетских корпусов. Общая глубина скважин, таким образом, составляет 15 620 м. Скважины пробурены по равномерной сети под зданием Университетского зала и новых зданий библиотеки (рисунок 1.7). Десять буровых скважин, оборудованные температурными датчиками, были выбраны для исследования их теплового воздействия нагорный массив. Кроме этих скважин, пробурено 5 наблюдательных, также оборудованных температурными датчиками, однако эти скважины не работают в системе тепловых насосов. Скважины MV1 и MV2 помещены в область эксплуатируемых скважин, тогда как скважины MV3 – MV5 помещены вне этой области. Их цель состоит в том, чтобы наблюдать, как быстро изменяется температура горного массива. Бурение скважин осуществлялось установками NORDMEYER DSB 2/10 на автомобильном шасси Mercedes Actros. Рисунок 1.7 – Схема расположения теплообменных и наблюдательных скважин Действующие теплообменные скважины оснащены парами полиэтиленовых коллекторов диаметром 32 мм. На входящей (холодной) линии коллектора на глубинах 20, 50, 100 им установлена система температурных датчиков типа РТ. Такие же температурные датчики на глубинах 20 им установлены и на выходящей теплой) линии. Наблюдательные скважины оснащены заглушенными полиэтиленовыми трубками того же диаметра – 32 мм исключение – скважина MV03, где диаметр равен 40 мм. Система из четырех датчиков типа РТ была установлена на глубинах 20, 50, 100 им. Некоторые геологические и технические параметры скважин представлены в таблице 1.8, а схема расположения температурных датчиков представлена на рисунке 1.8. Таблица 1.8 - Геолого-технические параметры скважин Глубинам скважин, м м Описание горных пород Тип коллектора Тип заполнителя затрубного пространства от до 0 8 152 Суглинок 1 4 0 мм м (двойная образная) Смесь цемента и бентонит Перемежение песков 22 90 120 Плотная глина 90 140 120 Перемежение песчаников и аргиллитов Рисунок 1.8 – Схема расположения датчиков температуры в теплообменной скважине Измерительная система состоит из группы датчиков, описанных выше, способной автоматически измерять температуру. Модули X20AT4222 обрабатывают данные, получаемые от датчиков. На компьютере в лаборатории тепловых насосов установлена среда визуализации Promotic. Благодаря этой системе, пользователь может наблюдать за конкретными температурами от всех датчиков и выполнять сними все необходимые операции (архивация, удаление, добавление новых данных и т.д.)[71,72,91]. Обработка информации возможна благодаря специальному программному обеспечению шведской компании – ELCOM AUTOMATION, которая принимала участие в проектировании и строительстве Полигона. На поверхности установлена вторая измерительная система, которая следит за процессами, протекающими в тепловых насосах, в частности температурные датчики, которые измеряют температуры на входе и выходе из теплового насоса электрические датчики, измеряющие мощности потребляемой тепловым насосом, а также мощность тепловой энергии, подаваемую в отопительную систему. Назначением полигона является не только отопление, кондиционирование и горячее водоснабжение, но и изучение функционирования теплообменных скважин для последующего анализа эффективности их работы и разработки критериев, которые могут применяться при проектировании теплообменных скважин в будущем. А-А 140 100 50 20 20 100 А А |