Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 491, № 1, стр. 90-92

Геотермальная циркуляционная система (ГЦС) представляет собой наиболее применяемый в мире и экологически чистый способ теплоотбора из подземного резервуара теплоэнергетических вод. Традиционно такая система (рис. 1) состоит из вскрывающих резервуар водозаборной и нагнетательной скважин, оснащенных насосами и теплообменником, который обеспечивает теплоотбор во вторичный (потребительский) контур. Устья скважин на поверхности располагаются на минимально допустимом расстоянии друг от друга (обычно 10–20 м), а забои в резервуаре разносятся на 400–1500 м, что исключает влияние холодного закачиваемого флюида на водозабор. В общем случае количество водозаборных и нагнетательных скважин может быть разным, но в данной работе рассматривается традиционная “дублетная” система с одной водозаборной и одной нагнетательной скважинами.

В Российской Федерации единственная циркуляционная система, построенная по этому принципу, была создана в 2013–2015 гг. на Ханкальском месторождении теплоэнергетических вод [1] в ходе выполнения работ в рамках “Комплексного проекта по созданию опытно-промышленной геотермальной станции на основе реализации циркуляционной схемы использования глубинного тепла Земли”. Для реализации циркуляционной схемы было пробурено две скважины: водозаборная вертикальная глубиной 904.5 м и наклонная нагнетательная глубиной 975 м. Расстояние между забоями скважин в резервуаре составляет 442 м.

Пробуренные скважины являются артезианскими с самоизливом в объеме 60–70 м³/ч. Насосное оборудование обеспечивает максимальный дебит ГЦС 200 м³/ч при 100%-й обратной закачке охлажденного флюида в резервуар. Водозабор обеспечивается скважинным насосом мощностью 34 кВт, а обратная закачка – насосом мощностью 250 кВт. Флюид представлен практически пресной до солоноватой (минерализация в резервуаре – от 0.7 до 1.9 г/л) водой с температурой 96°С. После теплообменника температура флюида снижается до 60°С, при этом его плотность возрастает с 961.9 до 983.2 кг/м³.

Эффект остаточного дебита геотермальной циркуляционной системы заключается в продолжении циркуляции флюида после выключения насосного оборудования. Этот феномен упоминается в литературе [2–4], но сам эффект не анализируется. В данной работе предлагается объяснение эффекта остаточного дебита геотермальной циркуляционной системы и рассматривается возможность его использования для повышения эффективности работы геотермальной станции.

В ходе испытаний циркуляционной системы после отключения насосов наблюдался дебит на уровне 25 м³/ч. Программа испытаний предусматривала перерыв в работе насосного оборудования продолжительностью 2 ч, в течение которых дебит не понижался.

При работе ГЦС в штатном режиме циркуляция флюида обеспечивается двумя насосами, один из которых расположен в водозаборной скважине, а второй, нагнетательный, – на поверхности. В единичной скважине при неработающих насосах на флюид на забое скважины действуют две основные силы: сила

где P_пл – пластовое давление, а S – площадь горизонтального сечения (диаметр) скважины, и сила где ρ – плотность флюида, g – ускорение свободного падения и h – высота столба флюида в скважине, ρgh – давление на забое. При этом первая сила направлена вверх, а вторая – вниз по скважине. При F₁ > F₂ и при условии, что h в (2) равно расстоянию от устья до забоя скважины, происходит самоизлив флюида на поверхность, и скважина является артезианской.

В системе из двух скважин насосы “запускают” циркуляционную систему и поддерживают требуемый режим работы. При этом флюид в теплообменнике охлаждается и в нагнетательной скважине температура флюида становится ниже, чем в водозаборной. При выключении насосов, постоянном пластовом давлении в резервуаре, и при одинаковой глубине скважин система из двух скважин, герметично соединенных первичным контуром теплообменника, находилась бы в гидростатическом равновесии, если бы не разница в температуре, создающая разницу в плотности флюида. Температура флюида в водозаборной скважине соответствует температуре на забое $t_{{\text{в}}}^{^\circ }$, а плотность флюида составляет ρ_в. После теплообменника, где флюид охлаждается до температуры $t_{{\text{н}}}^{^\circ }$, в нагнетательной скважине плотность флюида составляет ρ_н. Разница гидростатических давлений на забоях водозаборной (ρ_вgh) и нагнетательной (ρ_нgh) скважин является причиной перетока флюида из резервуара через водозаборную скважину, теплообменник, и нагнетательную скважину обратно в резервуар, продолжающегося с некоторой скоростью потока v и при остановке насосов. Назовем этот феномен эффектом остаточного дебита циркуляционной системы. Следует подчеркнуть, что эффект остаточного дебита, строго говоря, не представляет собой циркуляцию в полном смысле этого слова, поскольку в самом резервуаре мы имеем точку водозабора и точку нагнетания флюида, которые не обязательно гидродинамически связаны. Фактически резервуар при рассмотрении эффекта остаточного дебита играет роль источника горячего флюида, перетекающего от забоя водозаборной к забою нагнетательной скважины за счет разницы гидростатических давлений на забоях скважин. При этом чем больше тепла снимается с теплоносителя в теплообменнике, т.е. чем больше разница температур в водозаборной и нагнетательной скважинах, тем больше разница давлений, и, соответственно, дебит системы при неработающих насосах.

Теоретически из формулы (2) видно, что разница давлений может зависеть не только от плотности (температуры) флюида, но и от высоты столба флюида (глубины скважины). То есть если форма резервуара разрешает конфигурацию циркуляционной системы, в которой забой нагнетательной скважины расположен глубже, чем забой водозаборной, в системе со скважинами разной глубины также возможен самопроизвольный переток флюида.

Наблюдаемый эффект может использоваться для повышения эффективности геотермальных тепловых и электростанций, на которых производится обратная закачка флюида. Режим работы циркуляционной системы может быть комбинированным, с включением и выключением насосного оборудования по графику, соответствующему потребительской нагрузке на геотермальную станцию.

Для использования эффекта в геотермальной энергетике необходимы детальные исследования эффекта остаточного дебита, которые могут быть проведены на Ханкальской опытно-промышленной геотермальной станции [5]. В рамках детальных исследований необходимо, в первую очередь, обратить внимание на факторы, влияющие на эффект остаточного дебита циркуляционной системы, в том числе сопротивление элементов циркуляционной системы движению флюида, режимы работы насосного оборудования до выключения, степень понижения температуры флюида в теплообменнике, возможные изменения приемистости нагнетательной скважины в зависимости от режима работы системы.