CC BY
23
-\-
УДК 628.162: 621.482
Г.Я. Ахмедов
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОТЫ ПОДЗЕМНЫХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ В ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
Закачка отработанных геотермальных вод обратно в водоносный горизонт требует решения ряда проблем, одной из которых является предотвращение забивания нагнетательной скважины. Исследования показали: если очистку отработанных вод от попутного песка фракции 60 - 200 мкм можно осуществить отстаиванием или использованием напорных гидроциклонов, то очистку от кристаллов карбоната кальция фракции менее 1 мкм необходимо проводить растворением их путем увеличения парциального давления углекислого газа в закачиваемой воде.
Ключевые слова: Геотермальная вода, закачка, очистка, песок, карбонат кальция, взвешенные частицы, растворение
Широкомасштабное использование энергии геотермальных источников представляется перспективным в будущем только с помощью подземных циркуляционных систем (ПЦС), т.е. путем возврата отработавших вод обратно в материнский пласт. Применение инжекции (возврата воды) позволяет увеличить продолжительность эксплуатации скважин, уменьшить тепловое и химическое загрязнение окружающей среды, а также предотвратить, вызванное уменьшением давления в пласте при непрерывном извлечении геотермальной воды, оседание земной поверхности и повышение сейсмичности прилегающего района. Однако применение инжекции требует решения ряда проблем, одной из которых является предотвращение кольматации пласта, то есть сохранение приемистости нагнетательной скважины в процессе функционирования ПЦС.
Одной из причин кольматации пласта может служить наличие твердых включений в растворе геотермальной воды, закачиваемой после отработки обратно в водоносный горизонт. Так, при эксплуатации большинства скважин вместе с водой на поверхность Земли выносится и песок. Установлено, что вынос песка из скважины имеет место после резких изменений давления в устье скважины (гидравлический удар, а также знакопеременные изменения давления...). Исследования показали, что для месторождений южных районов страны характерны слабосцементированные коллекторы, в процессе эксплуатации которых, из-за разрушения призабойной зоны скважин, отбор жидкости из них сопровождается выносом песка на дневную поверхность [1]. Природа, концентрация и размер частиц песка зависят от дебита и характера скважины. Исследования показали, что после резких перепадов давления в устье скважины концентрация попутного песка в воде составляет по скважинам в среднем от 20 до 200 мг/л. Со временем концентрация песка в воде уменьшается до значений 1^3 мг/л и менее [2].
С другой стороны, снижение парциального давления углекислого газа СО2 с выходом геотермальной воды на поверхность Земли нередко приводит к нарушению карбонатно-кальциевого равновесия в воде и кристаллизации карбоната кальция СаСОз как в объеме воды в виде взвеси, так и на поверхности оборудования в виде твердых отложений. В зависимости от состава воды, температуры и перепада давления, при которых осуществляется нарушение карбонатно-кальциевого равновесия, в растворе воды концентрация взвеси достигает 20 - 30 мг/л и более [3]. Основная масса частиц взвеси имеют размеры менее 1 мкм. Наблюдения, проведенные авторами работы [4] на геотермальной скважине 3Т на площади Каясула (Ставропольский край) показали, что в процессе нарушения углекислотного равновесия в рассоле выпадает взвесь из частиц до
10 мкм, причем частицы размером менее 1 мкм составляют 73%. Исследования, проведенные на скважинах г. Кизляра и Махачкалы (Дагестан), показали, что основную массу взвеси (более 60%) составляют частицы размером менее 1 мкм.
При закачке отработанной воды, содержащей песок и взвешенные частицы, обратно в пласт эти факторы со временем могут отрицательно сказаться на приемистости нагнетательной скважины.
В качестве очистных устройств можно использовать как радиальные отстойники, так и напорные гидроциклоны большой производительности. Гидравлическая крупность
частиц песка (скорость оседания V ) с горизонта чокрак на геотермальных скважинах г. Махачкалы и Кизляра, рассчитанная по формуле
2 г 2(рч -р) g » =--——(1)
составляет:
60 - 80 мкм - 0,016 м/с; 80 - 120 мкм - 0,032 м/с; 120 - 200 мкм - 0,083 м/с. В формуле (1) : г- радиус частиц песка, м; рч - плотность частиц, кг/м ; р- плотность воды, кг/м3 ; / - динамическая вязкость воды (при 98 - 100 оС), Па-с; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Расчет радиальных отстойников простой конструкции для отстоя частиц песка можно выполнить исходя из гидравлической крупности этих частиц, то есть исходя из условия, что
»>-4^-. (2)
хф 22 - В,2)
где Q - расход воды в отстойнике; Б1- диаметр трубы, подводящей воду в зону отстоя (труба расположена в центре зоны отстоя); П2 - диаметр зоны отстоя частицы. Так, при Б1 = 0,3 м и Q = 3410 -3 м3/с диаметр Б2 для частиц размером 60 мкм составляет около 2 м.
В то же время, использование напорных гидроциклонов уменьшает габаритные размеры очистных устройств. В этом случае расход очищаемой воды можно определить по формуле [5]:
0 = 0,24а ЗтД^АИ^ , (3)
Лп
где йп и - диаметры питательного и сливного патрубков гидроциклона, м; а -коэффициент, учитывающий потери воды с осадком; Б - площадь живого сечения входного отверстия, м ; g - ускорение свободного падения,
м/с2; АН
- потеря напора
воды в гидроциклоне, м.
В результате изучения режима эксплуатации скважин г. Кизляра (3Т, 4Т и 5Т), условий эксплуатации термораспределительных станций (ТРС) на них, а также патентного поиска разработана конструкция гидроциклона для очистки жидкости от твердых включений и растворенного в ней газа [6]. Схема такого гидроциклона представлена на рис.1. Отличительная особенность данного гидроциклона от аналогов заключается в том, что спиральная вставка 2, выполненная в виде радиально суживающегося канала, способствует вытеснению частиц песка в слой воды вблизи внутренней поверхности корпуса 1. Этот слой, в дальнейшем, проходя пространство между корпусом 1 и цилиндрической вставкой 9, выносит песок в нижнюю, разделенную от потока воды, спокойную область корпуса 1. В тоже время, снижение кромки цилиндрической вставки 9 в корпусе 1 в виде спирали в пределах одного витка увеличивает разделительную линию
вхождения очищаемой жидкости внутрь цилиндрической вставки, что способствует более глубокой очистке ее от твердых включений.
Гидроциклон подобной конструкции, изготовленный на Кизлярском электромеханическом заводе (КЭМЗ) в 1990 году, был установлен на скважине 4Т г.Кизляра на ТРС, питающей горячей водой производственные помещения и тепличное хозяйство КЭМЗ. Высота гидроциклона 1,8 м, диаметр корпуса гидроциклона 500 мм, диаметры питательного и сливного патрубков соответствовали диаметрам подводящих трубопроводов 159 мм. При дебите скважины 4Т в 3000 м /сут потеря давления в гидроциклоне составила 0,04 МПа. Концентрация песка в воде на выходе из гидроциклона снизилась на 80 - 90 % по сравнению с концентрацией его на входе гидроциклона. Накопившийся в нижней части гидроциклона песок, периодически выводился по линии 7. В случае заполнения нижней части гидроциклона песком концентрация его на выходе не превышала концентрацию на входе. При этом режим вывода воды из гидроциклона не нарушался. Гидроциклон проработал на скважине в течение 1990 -1992 г.г. и пришел в негодность по причине коррозии корпуса и спиральной вставки, изготовленные из обычной стали 3.
Рис.1. Гидроциклон для очистки геотермальной воды от твердых включений: 1 - корпус; 2 и 4 - спиральная вставка с крышкой; 3 и 8 - патрубок подвода и отвода воды; 5 и 6 - стакан с трубкой для отвода газа; 7 - вывод твердых включений; 9 и 10 - цилиндрическая вставка с конусной частью из нержавеющей стали
Что касается частиц кристаллической взвеси СаСО3 размером до 0,01 мм, то расчеты показывают, что в этом случае необходим радиальный отстойник диаметром более 8 м. А коллоидную взвесь (менее 0,1 мкм) вообще невозможно осаждать в отстойниках и
гидроциклонах. В этом плане исследования показывают на необходимость растворять их при закачивании в нагнетательную скважину. Растворение взвеси из твердой фазы СаСОз можно осуществить путем ввода в закачиваемую воду углекислого газа с таким расчетом, что его давление и температура воды должны быть выше равновесной линии насыщения данной воды СаСО3 [7]. При этом твердая фаза СаСО3 растворяется в воде в присутствии углекислого газа в виде бикарбоната кальция:
СаСОз + СО2 + Н2О = Са (НСОз)2
(4)
Известно, что общее уравнение скорости растворения кристаллов аналогично уравнению кристаллизации солей из пересыщенных растворов, то есть скорость
пропорциональна модулю величины С3 — С, а также гидродинамике потока раствора относительно поверхности раздела фаз (числу Яв).
Рис.2. Распределение концентрации растворенного вещества вблизи кристалла
Так, скорость перехода вещества из твердой фазы в жидкую определяется градиентом концентрации в растворе у границы раздела фаз (см. рис.2) и выражается уравнением
1 dm
Б*
= —Ь(Са — с)
(5)
в то же время, скорость транспорта вещества через диффузионный слой от границы раздела в жидкость определяется уравнением
1 dm
= —к2(С, — С) ,
(6)
5 dт
где Сз - концентрация вещества насыщенного раствора; С - текущая концентрация вещества в растворе; С^ - концентрация вещества в растворе у границы раздела фаз; к1 -коэффициент скорости межфазового перехода вещества; к2 = П/З - коэффициент скорости перехода вещества от межфазовой поверхности в массу раствора; П - коэффициент диффузии; З - эффективная толщина пограничного слоя жидкости.
Объединяя уравнения (5) и (6) с учетом равенства скоростей обоих процессов, имеем общее уравнение скорости растворения твердой фазы (частиц взвеси)
1 dm
= —к(С — С) .
(7)
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 18, 2010.
-\-
При этом
к " к Т2 • (8)
к к^ к
11 (9)
Откуда
к =
к+к2 кд+б
Представляя массу взвеси в виде произведения концентрации ее на объем емкости, в котором она находится, т = СУ и, учитывая, что скорость уменьшения массы взвеси в единице объема равна скорости увеличения концентрации ее в растворенном виде, найдем решение уравнения (7) относительно С:.
- £кт
С = С, - (С, - Со) еУ (10)
где Со - начальная концентрация растворенного СаСО3 в воде.
Средний дебит скважин (чокрак) г.Кизляра составляет 3000 м3/сут. При закачивании отработавшей воды в нагнетательную скважину с диаметром ствола в 200 мм скорость движения воды составляет примерно 1 м/с. При глубине водоносного горизонта в 2700 м время достижения водой горизонта составляет 2700 с. Чтобы избежать кольматации пласта, взвешенные вещества карбоната кальция в течение этого времени должны раствориться в воде еще в стволе скважины. В данном случае расчет (либо экспериментальное определение) коэффициента к позволит оценить время растворения частиц взвеси в условиях заданного (закачанного) значения давления СО2 , температуры воды, а также их изменения в ходе продвижения по стволу нагнетательной скважины.
С - С
Так изменение величины —в е раз осуществляется при условии, что
£
Откуда,
кт = 1 (11)
У
У
к = — (12)
При концентрации кристаллической взвеси 30 мг/л и среднем размере частиц 0,1 мкм
у
для времени т = 2700 с коэффициент к равен, примерно, 6-10- м/с. Однако, учитывая изменения в растворе в ходе продвижения воды вдоль нагнетательной скважины, время растворения взвеси может быть меньше. Такое изменение обусловлено увеличением, как температуры закачиваемой воды, так и давления в скважине в процессе перемещения данной воды по стволу нагнетательной скважины.
На рис. 3 представлена, разработанная на основе исследований и патентного поиска, схема геотермальной энергетической установки для комплексного использования ресурсов геотермальных вод с закачиванием их обратно в водоносный горизонт [8].
Геотермальная энергетическая установка содержит эксплуатационную скважину 1 геотермальной среды, насос 2 подачи термальной воды в газоотделитель 3, из которого парогазовый теплоноситель поступает в камеру 4 сгорания газотурбинной установки, состоящей из компрессора 5, газовой турбины 6 и электрического генератора 7. Выход газовой турбины 6 подключен к парогенератору 8 и к теплообменникам-утилизаторам тепла отходящих газов газотурбинной установки поверхностного типа 9 и смешивающего типа 10, установленным соответственно на подводящем (между скважиной 1 и газоотделителем 3) и отводящем (между газоотделителем 3 и теплообменником 19, установленным в линии питательной воды паротурбинной установки) трубопроводах термальной воды.
Паросиловая установка содержит парогенератор 8, паровую турбину 11, электрический генератор 12, конденсатор 13, конденсатный насос 14, деаэратор 15, питательный насос 16 и регенеративный подогреватель 17 высокого давления (регенеративный подогреватель низкого давления в контуре паротурбинной установки не показан). Для подачи термальной воды после газоотделителя 3 установлен перекачивающий насос 18, который прокачивает термальную воду вместе с продуктами сгорания органического топлива последовательно через теплообменник 19, установленный в линии питательной воды конденсатно-питательного тракта паротурбинной установки, теплообменник 20, установленный в конденсатной линии конденсатно-питательного тракта, в реинжекционную скважину обратной закачки 21. Насос 22 служит для подачи продуктов сгорания органического топлива под давлением в теплообменник 10 смешивающего типа.
Геотермальная среда из эксплуатационной скважины 1 насосом 2 подается в
Рис. 3. Геотермальная энергетическая установка
поверхностного типа теплообменник-утилизатор 9, где она дополнительно подогревается охлаждающими газами газовой турбины 6 и затем поступает в газоотделитель 3. Из газоотделителя 3 парогазовая смесь поступает в камеру сгорания 4, где при дополнительном подводе топлива в атмосфере кислорода воздуха происходит сгорание горючих газов. После камеры 4 продукты сгорания вместе с водяным паром из газоотделителя 3 поступают в газовую турбину 6, вращающий электрический генератор 7. После газовой турбины 6 часть продуктов сгорания направляется в парогенератор 8, а часть параллельным потоком в теплообменники-утилизаторы 9 и 10, установленные на подводящем и отводящем трубопроводах термальной воды соответственно. С помощью нагнетательного насоса 22 продукты сгорания топлива смешиваются в теплообменнике 10 с термальной водой, направляемой к теплообменникам 19 и 20, установленным в
-\-
конденсатно-питательном тракте. Далее эта смесь поступает в реинжекционную скважину
21.
Содержащийся в большом количестве в продуктах сгорания двуокись углерода (СО2) при смешивании с термальной водой способствует ее стабилизации и растворению образовавшихся ранее в газоотделителе взвешенных частиц карбоната кальция. Одновременно повышается энергетический потенциал термальной воды, проходящей через теплообменники, установленные в конденсатно-питательном тракте.
Таким образом, подача продуктов сгорания органического топлива, после газовой турбины непосредственно в теплообменник смешивающего типа повышает эффективность работы геотермальной энергетической установки за счет предотвращения образования карбонатных отложений в геотермальном оборудовании, снятия угрозы забивания скважины обратной закачки, повышения энергетического потенциала термальной воды, проходящей через теплообменники, установленные в конденсатно-питательном тракте паротурбинной установки, а также полного исключения загрязнения окружающей среды продуктами сгорания органического топлива.
Библиографический список:
1. Аскеров С. Я. К вопросу деформации фильтровой части эксплуатационных колонн в устойчивом и слабосцементированном пласте / Геотермия. Геологические и теплофизические задачи: Сб. науч. тр. ИПГ ДНЦ РАН. - Махачкала, 1992.
2. Ахмедов Г. Я. Повышение эффективности использования геотермальной воды для горячего водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. - 2010. - №2. - С. 18-23.
3. Ахмедов Г.Я. Кинетика роста отложений карбоната кальция в геотермальных системах//Теплоэнергетика. 2009. №11. С. 13 - 17
4. Цхвирашвили Д.Г. , Тевзадзе Н.У. , Калабегашвили Н.Г. Образование карбонатных и солевых отложений в контуре геотермальных энергетических установок // Альтернативные источники энергии: Материалы советско - итальянского симпозиума 1982. Ч.3. М.: изд. ЭНИНа. 1983. С. 93 - 101.
5. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод. М.: Стройиздат, 1971.- С. 194 - 196.
6. А.с. СССР SU 1 754 217, МКИ4 B 04 C 5/103. Гидроциклон/Г.Я.Ахмедов// Открытия. Изобретения.1992. № 30.
7. Ахмедов Г.Я. Проблемы солеотложения при использовании геотермальных вод для горячего тепловодоснабжения // Промышленная энергетика. 2009. № 9.
8. Пат. РФ RU 2 343 368, МПК F 24 J 3/08. Геотермальная энергетическая установка / Г.Я.Ахмедов // Изобретения. Полезные модели. 2009. № 1.
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 18, 2010.
-\-
G.Ya. Akhmedov
Measures for extending service life of underground circulating systems used in geothermal energetics
Pumping of used geothermal water back into the water-bearing strata requires solving a number of problems, among them - prevention of injection well clogging. Investigations have shown: decontamination of used water from incidental sand of mesh size 60 - 200 um may be implemented either by gravity sedimentation or by pressure hydraulic cyclones, while decontamination from calcium carbonate crystals of mesh size under 1 um is more expedient by dissolving, increasing carbon dioxide partial pressure in injected water.
Keywords: geothermal water, injection, decontamination, sand, calcium carbonate, suspended particles, dissolution
Ахмедов Ганапи Янгиевич (р. 1952) доцент кафедры физики Дагестанского государственного технического университета, к.т.н.
Область научных интересов: теплоэнергетика, возобновляемые источники энергии Количество публикаций: 70
E-mail: [email protected]
