Способ создания гидроэнергетического потока в скважине

Способ создания гидроэнергетического потока в скважине

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано для обеспечения работы скважинных гидроэнергетических установок, в частности, тепловодоснабжающих скважин, скважинных гидроэлектростанций, при производстве энергоресурсов в условиях, в которых имеются условия для их работы. Особый интерес использования скважинных гидроэнергоустановок представляют районы и местности, не охваченные централизованным энергообеспечением.

Известен способ создания гидроэнергетического потока (Карелин В.Я. и др. Гидроэлектрические станции. Под ред. проф. В.Я.Карелина и Г.И.Кривченко. М. Энергоатомиздат, 1987 г., стр.15-21) [1], используемый на ГЭС. Он предусматривает сооружение плотины, устройство в плотине водовода (водоводов), верхняя часть которого сообщается с источником воды - водохранилищем, формируемым за счет плотины, перегораживающей русловой поток реки. Нижняя часть водовода сообщена с нижним бьефом ГЭС, уровень которого не превышает уровня природного положения реки и является зоной стока. Перепад высот уровня воды в водохранилище (верхнем бьефе) и положения гидроагрегата, установленного в водоводе ГЭС представляет давление гидроэнергетического потока в месте установки гидроагрегата. Расход воды в водоводе ГЭС является второй характеристикой гидроэнергетического потока, а его мощность определяется произведением расхода потока воды в водоводе на ее давление в месте установки гидроагрегата.

Гидроэнергетический поток в водоводе ГЭС имеет стабильное значение, т.к. уровень в водохранилище, практически, не изменяется, либо меняется на незначительную величину. Расход потока воды в водоводе имеет постоянную величину на всей протяженности водовода. Для его определения достаточно измерение расхода в одном сечении водовода. Таким образом, определение и, как следствие, создание гидроэнергетического потока, воздействующего на гидроагрегат ГЭС не сложно.

Такой подход к формированию гидроэнергетического потока, для организации на его основе работы скважинного энергоагрегата, не достаточен.

Наиболее близким к предлагаемому и принятым за прототип является способ создания энергетического потока в буровой скважине, который использован в «Тепловодоснабжающей скважине» (Заявка №2005100306/03 (000326) «Тепловодоснабжающая скважина», поданная 11.01.2005 г. Бюл. №17 от 20.06.2006 г. Решение о выдаче патента на изобретение РФ от 23.05.2006 г.) [2].

Способ создания гидроэнергетического потока в буровой скважине в тепловодоснабжающей скважине, принятый за прототип, предусматривает бурение скважины до зоны поглощения, например, до штольни или до дневной поверхности - склона горы, сообщение скважины с поверхностным водоемом с возможностью регулирования, либо (и) с перебуренными скважиной водоносными интервалами в верхней ее части и с зоной поглощения, в т.ч. с тепловодопотребителем в нижней ее части, установку гидроагрегата, либо имитатора его гидросопротивления при работе скважины и соответствующему номинальному режиму работы гидроэнергоагрегата, в нижней части скважины.

При формировании гидродинамического потока в скважине, воздействующего на установленный в скважине гидроагрегат, вода поступает в скважину из источников питания, которым могут быть либо поверхностный водоем, либо (и) подземные водоносные интервалы. А создаваемая гидроэнергетическим потоком его гидравлическая мощность, определяемая произведением давления потока в месте установки гидроэнергоагрегата, далее ГЭА, на расход воды, проходящий через ГЭА. Расход воды в месте установки ГЭА складывается из расходов отдельных источников воды, участвующих в создание гидродинамического потока в буровой скважине, далее ГДПБС. Следует отметить, что водоносные интервалы перебуренные скважиной и участвующие в создании ГДПБС, имеют индивидуальные характеристики (Гордеев П.В., Шемелина В.А., Шулякова O.K. Гидрогеология. М. Высшая школа, 1990 г., 447 с.) [3], в частности статические давления и дебиты, которые заранее предсказать трудно, а при определенных соотношениях с динамическим уровнем воды в работающей скважине, могут стать поглощающими. При этом они будут уменьшать значения расхода участвующего в формировании ГДПБС и, как следствие, в уменьшении гидравлической мощности потока в точке установки ГЭА.

В свою очередь, положение динамического уровня в скважине, сформированного ГДПБС, зависит от расходных характеристик и статических уровней, пересеченных скважиной водоносных интервалов.

Таким образом, прототипу присущи недостатки, заключающиеся в том, что расходные характеристики перебуренных скважиной водоносных интервалов, участвующих в формировании ГДПБС, а также значения динамических уровней в скважине заранее, практически, не прогнозируемы, и не позволяют точно оценить значение ГДПБС и, как следствие, устанавливать их требуемые значения.

Целью изобретения являются создание технического решения - способа создания гидроэнергетического потока в буровой скважине, позволяющего, в сравнении с прототипом, более точно определять значения гидродинамического потока в буровой скважине в месте установки гидроэнергетического агрегата, а на этой основе устанавливать их требуемые значения.

Для достижения указанного технического результата при осуществлении предлагаемого способа создания гидроэнергетического потока в буровой скважине, предусматривающего бурение скважины до зоны поглощения, сообщение скважины с поверхностным водоемом с возможностью регулирования расхода воды, либо (и) с перебуренными скважиной водоносными интервалами в верхней ее части и с зоной поглощения в нижней ее части, установку гидроагрегата, или имитатора его гидросопротивления, соответствующего номинальному режиму работы гидроэнергоагрегата, в нижней части скважины, дополнительно при динамическом режиме скважины определяют положение динамического уровня в скважине Н_ду(м), вычисляют напорный уровень Н_дн(м) по формуле: Н_дн(м)=L_гэа-Н_дн, где L_гэа - расстояние от скважины до места установки гидроэнергоагрегата в скважине, м; проводят скважинную расходометрию на интервале скважины от динамического уровня до места установки гидроэнергоагрегата, а гидравлическую мощность потока в месте установки гидроэнергоагрегата N_г определяют по следующей формуле:

где N_г - гидравлическая мощность потока воды в скважине в месте установки гидроэнергоагрегата, Вт;

ρ - плотность воды, кг/м³;

q - ускорение свободного падения, м/с²;

Q_гэа - расход воды в месте установки гидроэнергоагрегата (из скважиной расходограммы), м³/с.

При осуществлении способа, по результатам выполненной скважинной расходометрии и построенной на ее основе расходограммы определяют изменения расходов воды и их знаки в пересечениях скважины с водоносными интервалами. Далее, с целью последующего снижения удельного расхода воды (на сформированную единицу гидравлической мощности созданного ГДПБС), пересечения водоносных интервалов со скважинной с отрицательными знаками (уменьшающими суммарный расход воды в месте установки ГЭА) - тампонируют.

Кроме того, при осуществлении способа в случае тампонирования водоносного интервала буровой скважины, уменьшающего суммарный расход воды в месте установки ГЭА в данном геологическом разрезе, бурят дополнительную скважину, которую сообщают с затампонированным водоносным интервалом в буровой скважине. Это позволяет уменьшить удельный расход воды, расходуемой на создание единицы гидравлической мощности, формируемого ГДПБС и увеличить суммарную гидравлическую мощность в данном геологическом разрезе.

На фиг.1.1, 1.2, 2.1, 2.2, и 3 приведены схемы и скважинные расходограммы, позволяющие интерпретировать реализацию предлагаемого способа создания гидроэнергетического потока в буровой скважине. На фиг.1.1 приведена схема питания от перебуренных скважиной трех водоносных интервалов, на фиг.1.2 - скважинная расходограмма, выполненная в динамическом состоянии скважины, для случая питания скважины, соответствующего фиг.2.1. На фиг.1.1 приведена схема организации питания от двух водоносных интервалов при за тампонированном третьем водоносном интервале, на фиг.2.2 - скважинная расходограмма, выполненная в динамическом состоянии скважины, для случая питания скважины, соответствующего фиг.2.1. На фиг.3 приведена схема питания дополнительно пробуренной скважины от третьего водоносного интервала (затампонированного в буровой скважине).

На фиг.1.1; 1.2; 2.1; 2.2; 3 введены следующие обозначения, 1 - скважина гидроэнергетического назначения; 2 - первый водоносный интервал буровой скважины (2* дополнительной скважины); 3 - второй водоносный интервал буровой скважины (3* дополнительной скважины); 4 - третий водоносный интервал, буровой скважины (4* дополнительной скважины); 5 - зона поглощения перебуренная скважиной; 6 - имитатор скважинного гидроэнергоагрегата (имитирующий гидросопротевление гидроэнергоагрегата работающего в номинальном режиме); 7 - прибор скважинных измерений расходомер - каверномер - манометр; 8 - датчик расхода комплексного прибора; 9 - центратор - преобразователь диаметра прибора; 10 - соединительная муфта; 11 - каротажный кабель; 12 - блок - баланс; 13 - наземный пульт скважинного прибора; 14 - затампонированное околоскважинное пространство буровой скважины в водоносном интервале 4; 15 - колонна обсадных труб, которой «перекрыты» (изолированы) от скважины водоносные зоны 2* и 3*.

Точки 1", 2", 3", 4", 5", 6", 7", 8" и точки 1', 2', 3', 4', 5' соответствуют точкам измерения расходов в различных глубинах скважины на расходограммах фиг.1.2 и фиг.2.2, соответственно.

H_д, Н_д1 и Н_д3 - положения динамических уровней воды в скважинах на фиг.1.1, фиг.2.1 и фиг.3, соответственно. Н_дн, Н_дн2, Н_дн3 напорные и устьевые Н_ду, Н_ду2, Н_ду3 уровни, соответственно, разделенные положением Н_д, Н_д2 и Н_д3.

Для последующей установки гидроэнергетического оборудования в ней пробурены буровая скважина и дополнительная буровая скважина гидроэнергетического назначения, схемы которых приведены на фиг.1.1, и 2.1, соответственно. При бурении скважиной (фиг.1.1) перебурены три водоносных интервала. С использованием скважинного прибора комплексного контроля параметров водоносных интервалов и зон поглощения (Петров А.И. Глубинные приборы для исследования скважин. М.: Недра, 1980 г., 223 с.) [4] выполнена скважинная расходометрия (Гершанович И.М. Гидрогеологические исследования скважин методом расходометрии. М.: Недра, 1981 г., 294 с.) [5] - определены их дебиты, статические уровни и динамический уровень «работающей» скважины. По результатам измерений дебит воды водоносной зоны 2 составил 120 л/мин, водоносной зоны 3-110 л/мин. Поглощающая зона 5 является зоной полного забойного поглощения. В результате скважинных измерений с использованием прибора установлено, также, что динамический уровень воды в скважине Н_д (фиг.1.1) несколько выше статистического уровня водоносной зоны 4. При этом вода из скважины должна перетекать в эту зону с определенным расходом, заранее неизвестным.

Таким образом, буровой скважиной 1 (фиг.1.1) перебурены и вскрыты три водоносных интервала 2, 3 и 4, а также поглощающая зона 5. После этого в скважине установлен имитатор 6 скважинного гидроэнергоагрегата в забойной ее части. В скважине устанавливается поток воды, образованный ее движением из вышележащих водоносных зон, в зону поглощения. Для определения значения расходов воды потока в интервале от динамического уровня воды Н_ду, составляющего 132 м (при этом скважина глубиной 182 м ими разделена на Н_ду-132 м уровень давления Н_дн=50 м), в скважине до места установки имитатора скважинного гидроэнергоагрегата проведена скважинная расходометрия. Для этого в различных по глубине точках указанного интервала скважины останавливали датчик скважинного прибора. При точечном измерении прибором определяется значение скорости потока воды в скважине, измеряется диаметр скважины и прибором с использованием этой информации вычисляется значение расхода воды в данной точке скважины. На основании выполненных измерений расходов построена скважинная расходограмма, приведенная на фиг.1.2. Из расходограммы видно, что значения расхода потока в точках 1"; 2"; 3" составляют 230 л/мин в точке измерения 4 расход потока воды составляет 200 л/мин. Из фиг.1.1 и 1.2 следует, что точки измерения расходов 3 и 4 соответствуют положениям пересечения кровли и подошвы, соответственно, водоносного интервала 4 с буровой скважиной 1. Таким образом, исходя из расходограммы 1.2 следует, что при установившемся динамическом режиме работы скважины, характеризуемом динамическим давлением Н_ду=132 м и уровнем давления Н_дн=50 м, в буровой скважине ниже динамического уровня устанавливается поток, расход которого от динамического уровня до кровли третьего водоносного интервала 4 составляет 230 л/мин (точки 1, 2, 3 расходограммы, фиг.1.2), а на интервале от подошвы третьего водоносного интервала до места установки гидроэнергоагрегата (имитатора 6) (точки расходограммы фиг.1.2 - 4, 5, 6, 7, 8) расход составляет 200 л/мин. То есть часть движущегося потока формируемого первой и второй водоносными интервалами 2 и 3 поглощается третьей водоносной зоной 4. Интенсивность поглощения этим третьим водоносным интервалом составляет 30 л/мин или 13% от сформированного вышележащими водоносными интервалами буровой скважины потока.

Вариант 1. Гидравлическая мощность ГДПБС для случая перебуривания трех водоносных интервалов.

Для этого случая гидравлическая мощность потока в месте установки гидроэнергоагрегата согласно выражению (1) составляет следующую величину:

N_г1=ρ·q·H_дн·Q_гэа1

После подстановки конкретных значений для условий рассматриваемого случая

Использование предлагаемого способа на основе скважинных измерений позволяет констатировать, что гидравлическая мощность потока в месте установки гидроэнергоагрегата составляет 1,62 кВт. Несмотря на то, что скважиной перебурены 3 водоносных интервала с общим (на основе раздельно разобщенных их дебитов - 120 л/мин; 110 л/мин; 150 л/мин = 380 л/мин) дебитом, равным 380 л/мин, но с учетом их взаимодействия через скважину, в формировании гидравлической мощности, объективно участвует только поток с расходом, равным 200 л/мин. При этом потенциально существующий дебит третьей водоносной зоны в формировании ГДДПБС вообще не используется, а из-за взаимодействия этого водоносного интервала со скважиной, кроме того, нерационально используется (теряется) еще потенциал потока с расходом 30 л/мин из первой и второй водоносных интервалов.

Ниже приведены варианты совершенствования создания ГДПБС, направленные на увеличение гидравлической мощности ГДПБС и уменьшение расхода воды на выработку единицы гидравлической мощности.

Вариант 2. Гидравлическая мощность ГДПБС для скважины по варианту 1, но при ее конструкции, предусматривающей тампонирование третьего водоносного интервала 4.

Схема организации питания для этого случая приведена на фиг.2.1. «Работающими» при этом является водоносные интервалы 2 и 3. Водоносный интервал 4 затампонирован - затампонированное околоскважинное пространство 14 изолирует скважину 1 от водоносного интервала 4. Вода из первой и второй водоносных зон поступает в скважину 1 и движется вниз к зоне поглощения. В скважине устанавливается динамический уровень Н_д2, его положение относительно устья скважины определяется величиной Н_ду2, а относительно положения имитатора 6 - уровнем напора Н_дн2. Для рассматриваемого случая измерениями установлено, что Н_ду2=134 м, а Н_дн2=48 м. При этом вода потока с суммарным дебитом первого водоносного интервала, равным 120 л/мин, и второго водоносного интервала, равным 110 л/мин, движется к зоне поглощения. Вода потока в рассматриваемом варианте из скважины не «уходит» в третий водоносный интервал, так как он затампонирован. Поэтому поток, формируемый первой и второй водоносными зонами (их суммой) и расходом, равным 230 л/мин, без потерь (утечек) движется через сечение места установки гидроэнергоагрегата. С целью подтверждения этого была проведена скважинная расходометрия для указанного варианта, расходограмма которой приведена фиг.2.2. Из расходограммы видно, что расход потока на всей протяженности интервала от динамического уровня до места установки гидроэнергоагрегата (имитатора 6) - точки измерения 1', 2', 3', 4', 5', 6', имеет постоянное значение равное 230 л/мин.

Исходя из выражения (1), для этого случая гидравлическая мощность ГДПБС составляет следующую величину:

N_г2=ρ·q·H_дн2·Q_гэа2.

После подстановки соответствующих варианту значений (; q=9.8 м/с²; H_дн2=48 м; Q_гэа2=3,83·10^-3)

N_г2 имеет значение:

Исходя из полученного результата следует, что во втором случае мощность гидравлического потока ГДПБС, примерно на 200 Вт или 12,5% выше, чем в первом варианте, причем при этом расходуется воды меньше на величину равную 30 л/мин. Кроме того, удельный расход воды на формирование единицы гидравлической мощности ГДПБС ζ, являющийся показателем энергоэффективности (ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность состав показателей. Общие положения. Госстандарт России. М., 1999 г; ГОСТ Р 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения. Госстандарт России. М., 1999 г.) [6, 7], для первого варианта равен:

ζ₁=230 (л/мин)/1,62 кВт=142 (л/мин)/кВт,

а для второго варианта он равен:

Из приведенного следует, что удельный расход воды на формирование ГДПБС во втором варианте меньше, чем в первом варианте, а это означает, что второй вариант более энергоэффективен, чем первый вариант.

Следует отметить, что во втором варианте для формирования гидравлической мощности ГДПБС совершенно не используется потенциал перебуренного третьего водоносного интервала.

Для увеличения гидравлической мощности формируемого ГДПБС в данном геологическом разрезе, при перебуривании всех водоносных интервалов в разрезе, предлагается третий вариант.

Вариант 3. Гидравлическая мощность ГДПБС дополнительной гидроэнергетической скважины по варианту 1, конструкцией которой предусмотрено "перекрытие" первого и второго водоносных интервалов и сообщение ее с третьим водоносным интервалом.

Схема питания дополнительной гидроэнергетической скважины согласно варианту 3 приведена на фиг.3.

В ней первый 2* и второй 3* водоносные интервалы изолированы колонной труб 15. Со скважиной 1 сообщен водоносный интервал 4*, дебит которого составляет 150 л/мин. Поток указанного водоносного интервала формирует ГДПБС с указанным расходом. При этом динамический уровень в скважине Н_ду3=142 м, а уровень напора Н_дн3=40 м. С использованием скважинного расходомера подтверждено значение расхода, равного 150 л/мин (расходограмма для этого случая не приводится).

В скважине, в интервале от динамического уровня до места установки гидроэнергоагрегата устанавливается сплошной поток, составляющий ГДПБС. Согласно выражения (1) его гидравлическая мощность определяется:

N_г3=ρ·q·Н_дн3·Q_гэа3.

После подстановки соответствующих варианту значений (ρ=10³ кг/м³; q=9,8 м/с²; Н_дн3=40 м; Q_гэа3=150 л/мин) N_г3 или значение:

Таким образом, при бурении и оборудовании дополнительной скважины за счет использования потенциала третьего водоносного интервала, может быть создан поток с гидравлической его мощностью, равной 0,98 кВт.

С учетом дополнительной скважины в данном геологическом разрезе может быть сформирована суммарная гидравлическая мощность ГДПБС в двух скважинах, определяемая двумя случаями. Первый случай N_г1с предусматривает сумму ГДПБС по первому и третьему вариантам, а второй случай N_г2с - по второму и третьему вариантам.

Они составляют:

N_г1с=N_г1+N_г3=1,62 кВт+0,98 кВт=2,6 кВт,

N_г2с=N_г2+N_г3=1,8 кВт+0,98 кВт=2,78 кВт.

Из вышеприведенного следует, что в данном геологическом разрезе за счет дополнительной скважины может быть сформирован ГДПБС с гидравлической мощностью, превышающей гидравлическую мощность ГДПБС только в буровой скважине.

Сформированные ГДПБС с использованием скважинных гидроэнергопреобразователей (гидроагрегатов) с учетом значений их коэффициентов полезного действия (КПД) могут быть преобразованы в тепловую или электрическую энергию, например, с использованием соответствующих устройств (Заявка №2005100306/03 (000326) «Тепловодоснабжающая скважина», поданная 11.01.2005 г. Бюл. №17 от 20.06.2006 г. Решение о выдаче патента на изобретение РФ от 23.05.2006 г.; Заявка на изобретение «Скважинная гидроэлектростанция» №2004137786/06 (041089) от 23.12.2004 г. Опубликована в бюл. №16, дата публикации 10.06.2006 г.) [2, 8].

В качестве зоны поглощения может быть использована штольня либо, в случае наклонной или направленной скважины, сопряжение скважины с дневной поверхностью на склоне горы в пересеченной местности.

Преимуществом предлагаемого способа создания гидроэнергетического потока в буровой скважине является повышение точности, определения его гидравлической мощности в различных горногидрогеолого-технических условиях, и то, что он предусматривает использование скважинных исследований. Способ позволяет обосновать варианты совершенствования формирования скважинных гидроэнергоисточников. Это дает основание рекомендовать использование его при создании и эксплуатации объектов скважинной гидроэнергетики, т.е. на всех стадиях их существования (изыскания; проектирование; бурение, строительство и сооружение; эксплуатация; ремонт и модернизация).

Источники информации

1. Карелин В.Я. и др. Гидроэлектрические станции. Под ред. проф. В.Я.Карелина и Г.И.Кривченко. М.: Энергоатомиздат, 1987 г., стр.15-21.

2. Заявка №2005100306/03 (000326) «Тепловодоснабжающая скважина», поданная 11.01.2005 г. Бюл. №17 от 20.06.2006 г. Решение о выдаче патента на изобретение РФ от 23.05.2006 г.(прототип).

3. Гордеев П.В., Шемелина В.А., Шулякова O.K. Гидрогеология. М.: Высшая школа, 1990 г., 447 с.

4. Петров А.И. Глубинные приборы для исследования скважин. М.: Недра, 1980 г., 223 с.

5. Гершанович И.М. Гидрогеологические исследования скважин методом расходометрии. М.: Недра, 1981 г., 294 с.

6. ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность состав показателей. Общие положения. Госстандарт России. М., 1999 г.

7. ГОСТ Р 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения. Госстандарт России. М., 1999 г.

8. Заявка на изобретение «Скважинная гидроэлектростанция» №2004137786/06 (041089) от 23.12.2004 г. Опубликована в бюл. №16, дата публикации 10.06.2006 г.

1. Способ создания гидроэнергетического потока в буровой скважине, предусматривающий бурение скважины до зоны поглощения, сообщение скважины с поверхностным водоемом с возможностью регулирования расхода воды, или/и с перебуренными скважиной водоносными интервалами в верхней ее части, и с зоной поглощения в нижней ее части, установку гидроэнергоагрегата либо имитатора его гидросопротивления, соответствующего номинальному режиму работы гидроэнергоагрегата, в нижней части скважины, отличающийся тем, что при динамическом режиме скважины определяют положение динамического уровня в скважине Н_ду, (м), вычисляют напорный уровень Н_дн по формуле Ндн(м)=L_гэа - Н_ду, где L_гэа -расстояние от устья скважины до местоположения гидроэнергоагрегата в скважине, м; проводят скважинную расходометрию на интервале от динамического уровня до места установки гидроэнергоагрегата, а гидравлическую мощность потока в месте установки гидроэнергоагрегата N_r определяют по следующей формуле:

N_г=ρ·q·Н_дн·О_гэа,

где N_г - гидравлическая мощность потока воды в скважине в месте установки гидроэнергоагрегата, Вт;

Q_гэа - расход воды в месте установки гидроэнергоагрегата, м³/с (из скважинной расходограммы);

ρ - плотность воды, кг/м³;

q - ускорение свободного падения, м/с².

2. Способ создания гидроэнергетического потока в буровой скважине по п.1, отличающийся тем, что по результатам скважинной расходометрии определяют изменения расходов и их знаки в пересечениях скважины с водоносными интервалами, а пересечения водоносных интервалов со скважиной с отрицательными знаками изменения расходов по каналу скважины тампонируют.

3. Способ создания гидроэнергетического потока в буровой скважине по п.2, отличающийся тем, что в данном геологическом разрезе бурят дополнительную скважину, которую сообщают с затампонированным водоносным интервалом в буровой скважине.