Особенности использования глубоких скважин для теплообеспечения и горячего водоснабжения в России

Законченные бурением глубокие скважины в России могут быть использованы для извлечения геотермального тепла путем различных технологий: фонтанной, циркуляционной и односкважинной (с замкнутым контуром). Последняя технология обусловлена поиском методов теплоотбора, которые могут быть реализованы в условиях отсутствия геотермального флюида и при любом расположении скважин.

За рубежом (Германия, Швейцария и др.) одиночные скважины в последнее время стали использовать для извлечения тепла по методу глубинного (1 — 4 км) скважинного теплообменника (СТО), встраиваемого в различные схемы теплоснабжения. Технико-экономическая значимость таких систем оценивается достаточно высоко, поскольку при извлекаемой мощности 100 — 500 кВт и выше они обеспечивают теплоснабжение крупного объекта или небольшого поселка. При этом капиталовложения в систему теплосбора ограничены реконструкцией скважины путем установки вдоль ее центральной оси колонны для подъема теплоносителя (воды) и оборудования скважины насосом для его циркуляции через межтрубное пространство, колонну и отопительный контур потребителя (или наземный теплообменник). В отдельных случаях реконструкция включает добуривание исходной скважины до рациональной глубины.

В результате почти 100-летнего опыта геологоразведочного бурения в России накоплен огромный фонд скважин, выведенных из эксплуатации и не нашедших постоянного применения (главным образом, на нефтегазопоисковых площадках). Часть из них характеризуется повышенными значениями геотермального градиента (Кавказ, Предуралье, Западная Сибирь и др.). Поэтому, актуальность односкважинной концепции теплоснабжения, которая могла бы быть оценена применительно к различным регионам России, не вызывает сомнений. Однако ее развитие сдерживается отсутствием адекватного методологического обеспечения для научно-обоснованного выбора вариантов эффективного извлечения тепла, отражающего нестационарное тепловое поведение окружающих горных пород при движении теплоносителя через глубокую скважину со ступенчато меняющимся поперечным сечением многослойной конструкции, с учетом распределения пород по глубине и теплового влияния встречающихся водоносных горизонтов.

Существующие методики расчета, например, разработанные для мелких СТО, не применимы для выбора технологии и проектирования глубинных СТО из-за существенной разницы возможных механизмов теплопереноса. Кроме того, для строительства конкурентоспособных односкважинных систем теплоснабжения особое значение приобретают экономические критерии, связанные с оценкой стоимости рациональной глубины добуривания скважин, предельных значений расстояния до потребителя с учетом теплопотерь на участках между скважиной и потребителем, а также целесообразности теплонасосной схемы эксплуатации скважин для конкретных регионов, в условиях сохраняющихся цен на тепловые насосы. скважинный теплоснабжение глубинный В докладе приводятся результаты оценки тепловых характеристик применения технологии теплоотбора с помощью глубинного СТО в России, на примере двух типовых скважин, одна из которых (Тюменская) расположена в условиях повышенного геотермального градиента (Западная Сибирь), где температура на глубине 3,0 — 3,5 км составляет 100 — 120С. Другая (Медягинская) находится в европейской части России, в условиях умеренного градиента температур (температура на глубине 2,0 — 2,5 км около 50 — 55С).

Для оценки тепловых возможностей скважин, основой для которой являются методы расчета выходной температуры теплоносителя и извлекаемой мощности в СТО коаксиального типа, использованы аналитические зависимости, связанные с вычислением коэффициента нестационарного теплообмена, и элементы численного метода, разработанного швейцарскими исследователями и прошедшего успешную экспериментальную проверку на скважинах в Веггисе и Вайсбаде, Швейцария.

Результаты контрольных расчетов, на примере Тюменской скважины (с установкой внутренней колонны до глубины 3,0 — 3,5 км, при общей глубине скважины — 7502 м), показали, что для условий Западной Сибири полезный перепад температур между входом и выходом СТО и величина извлекаемой тепловой мощности, при входной температуре воды 5С и расходе 10 куб. м/ч, могут составить, соответственно, 35 — 45С и 420 — 500 кВт. Для условий Центральной России, на примере Медягинской скважины в Ярославской области, возможности извлечения тепла, при имеющейся глубине скважины 2250 м и тех же входных параметрах жидкости, существенно меньше: по температурному перепаду 12 — 14С, а по извлекаемой мощности 140 — 150 кВт. Однако, при теплонасосной термотрансформации извлеченной при этом тепловой энергии, могут быть получены достаточные мощности теплоснабжения. Последние результаты протестированы с помощью численного метода, в Федеральном техническом институте ETH, Швейцария.

С учетом полного срабатывания полученного теплового потенциала (полезного перепада температур) с помощью тепловых насосов (ТН), при возможных и подтвержденных практикой зарубежных исследований величинах среднесезонных рабочих коэффициентов преобразования 3,5 — 4,0, расчетная тепловая мощность ТН с использованием глубинных СТО, на примере рассмотренных скважин, составит от 200 до 700 кВт. Поскольку эта геотермальная составляющая, как правило, выгодно используется в схемах теплоснабжения для обеспечения базовой тепловой нагрузки, то общая мощность теплогенерирующей установки при геотермальном вкладе 0,2 — 0,7 МВт с пиковым догревом может составить от 0,5 до 2,5 МВт. При этом цена отпускаемой тепловой энергии, по данным немецкого рынка, при сравнении с геотермальными установками другого типа, в указанном диапазоне мощностей, будет ниже (на 30% - по сравнению с технологией, использующей мелкие СТО, и на 20% - по сравнению с технологией на основе геотермальной циркуляционной системы).

Таким образом, законченные бурением скважины в России могут быть достаточно эффективно применены для извлечения тепла. Так использование одной скважины (средняя мощность установки — 1 МВт) обеспечит теплом примерно 1000 жителей или горячей водой — около 3000 человек, и, как вариант промышленного применения, сможет обслужить теплицы площадью 1600 м².

Для дальнейшей технико-экономической оценки целесообразно провести ревизию скважин, которые находятся вблизи потенциальных потребителей, оценить возможности добычи тепла с их использованием и произвести расчеты параметров различных схем теплоснабжения на конкретного потребителя.