Дослідження факторів геотермальної енергії в глибоких свердловинах

Abstract

Метою роботи є розроблення і дослідження енергетичного методу видобування геотермальної енергії з глибоких свердловин, яку генерують гірські породи до внутрішнього простору свердловин під час циркуляції в ній промивальної рідини у різних геологічних умовах світу, зокрема в Україні. Методика досягнення мети передбачає результати експериментальних і теоретичних досліджень стаціонарного процесу притоку тепла від геологічного середовища до простору глибокої свердловини на різних продуктивностях бурових помп, у різних геологічних умовах, за різних властивостей промивальної рідини. Дослідження враховували моделі “холодної” і “гарячої” Землі. Як результат, досліджено теплообмін у глибоких свердловинах у різних геологічних умовах світу, вивчено питання про фізику зареєстрованого теплового потоку, про максимальну можливу щільність теплового потоку і від яких фізичних і технологічних параметрів вона залежить. Вивчено дію фактора геотермальної енергії з боку гірських порід на простір свердловини під час циркуляції в ньому промивальної рідини за різних продуктивностей помп. Встановлено, що значення щільності теплового потоку від гірських порід у свердловину значно перевищують відомі значення, які визначаються геофізичним законом теплопровідності Фур’є на основі використання даних геотермального градієнта. Запропоновано енергетичний метод визначення реальних енергетичних характеристик фактора геотермальної енергії, який показав здатність глибоких свердловин генерувати теплову енергію з промисловими значеннями. Підтверджена правомірність моделей “холодної” Землі зі зменшенням і “гарячої” Землі з стабільними значеннями температур на вибої свердловини. Наукова новизна полягає в розв’язанні задачі ідентифікації параметрів експериментальної функції теплообміну системи геологічне середовище- свердловина-повітря з геофізичними параметрами процесу, на основі розробленого енергетичного методу теплообміну в просторі свердловини, надано наукове пояснення збільшеному і зменшеному значенням щільності теплових потоків у процесах теплообміну в глибоких свердловинах на основі “холодної” і “гарячої” моделей Землі. Практична значущість отриманих результатів полягає в обґрунтуванні доцільності і можливості побудови геотермальних станцій з промисловою потужністю видобування геотермальної енергії на основі використання окремих ізольованих від пластових флюїдів глибоких свердловин.

The aim of the work is to develop and study an energy method for extracting geothermal energy from deep wells, which is generated by rocks to the internal space of wells during the circulation of the washing fluid in it in different geological conditions of the world, and in particular in Ukraine. The method of achieving the goal includes the results of experimental and theoretical studies of the stationary process of heat flow from the geological environment to the space of the deep well in the various productions of drill pumps, in different geological conditions, with different properties of the washing liquid. The research took into account the models of “cold” and “hot” Earth. The investigation included the heat transfer in deep wells in different geological conditions of the world, and studied the questions about the physics of the measured heat flux, the maximum possible density of the heat flux, and their dependent physical and technological parameters. The influence of the geothermal energy factor on the part of rocks in the space of the well during the circulation of the washing liquid in it at various pump outputs was studied. It is established that the value of the density of the heat flux from the rocks in the well significantly exceeds the known values that are determined by the geophysical law of the Fourier thermal conductivity on the basis of the use of geothermal gradient data. The energy method for the determining of the real energy characteristics of the geothermal energy factor, which show the ability of deep wells to generate thermal energy for commercial use is proposed. The legitimacy of “cold” Earth models with a decrease and “hot” Earth with stable values of temperatures for the well hole is confirmed. The scientific novelty consists in solving the problem of identifying the experimental parameters of the heat transfer system in the borehole with the geophysical parameters of the process, on the basis of the developed energy method of heat transfer in the space of the well This provided a scientific explanation of the increased and reduced value of the density of heat fluxes in the processes of heat transfer in deep wells based on the “cold” and “hot” models of the Earth. The practical significance of the results obtained substantiated the feasibility of building geothermal plants with an industrial capacity for the extraction of geothermal energy based on the use of separate insulating layers in deep wells.

Целью работы является разработка и исследование энергетического метода добычи геотермальной энергии из глубоких скважин, которую генерируют горные породы к внутреннему пространству скважин при циркуляции в них промывочной жидкости в различных мировых геологических условиях, включая Украину. Методика достижения цели включает результаты экспериментальных и теоретических исследований стационарного процесса притока тепла от геологической среды в пространство глубокой скважины при различной производительности буровых насосов, в различных геологических условиях, при различных свойствах промывочной жидкости. Исследования учитывали модели “холодной” и “горячей” Земли. Как результат, исследован теплообмен в глубоких скважинах в различных геологических условиях мира, изучены вопросы о физике зарегистрированного теплового потока, о максимально возможной плотности теплового потока и от каких физических и технологических параметров она зависит. Изучено действие фактора геотермальной энергии, влияющего со стороны горных пород на пространство скважины при циркуляции в ней промывочной жидкости при различной производительности насосов. Установлено, что значение плотности теплового потока от горных пород в скважину значительно превышают известные значения, которые определяются геофизическим законом теплопроводности Фурье на основе использования данных геотермального градиента. Предложено энергетический метод определения реальных энергетических характеристик фактора геотермальной энергии, который показал способность глубоких скважин генерировать тепловую энергию с промышленными значениями. Подтверждена правомерность моделей “холодной” Земли с уменьшением и “горячей” Земли со стабильными значениями температур на забое скважины. Научная новизна заключается в решении задачи идентификации параметров экспериментальной функции теплообмена системы геологическая среда-скважина-воздух с геофизическими параметрами процесса. На основе разработанного энергетического метода теплообмена в пространстве скважины, предоставлено научное объяснение увеличенному и уменьшенному значениям плотности тепловых потоков в процессах теплообмена в глубоких скважинах на основе “холодной” и “горячей” моделей Земли. Практическая значимость полученных результатов заключается в обосновании целесообразности и возможности построения геотермальных станций с промышленной мощностью добычи геотермальной энергии, которые используют отдельные изолированные от пластовых флюидов глубокие скважины.