Cyclic operation of the device of thermal energy extraction from the waste oil and gas wells
The development of alternative energy caused by the continuous rise in prices and the depletion of traditional energy resources. Today the increasing popularity is gained by geothermal power engineering due to the possibility of stable use of thermal energy. For each geothermal installation and for...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2017
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/95 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103155950845952 |
|---|---|
| author | Buchko, A. Kostikov, A. |
| author_facet | Buchko, A. Kostikov, A. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "A. Buchko",
"institution": "Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems of NAS of Ukraine, Kharkiv),"
},
{
"author": "A. Kostikov",
"institution": "Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems of NAS of Ukraine, Kharkiv),"
}
] |
| author_sort | Buchko, A. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:09Z |
| description | The development of alternative energy caused by the continuous rise in prices and the depletion of traditional energy resources. Today the increasing popularity is gained by geothermal power engineering due to the possibility of stable use of thermal energy. For each geothermal installation and for each operating mode there is a certain limit of sustainable production, after which the main parameters are reduced to such a level that continueduse of the installation is inexpedient.The goal of this article - research work borehole heat exchanger equipped in the waste oil and gas well, on variable modes to increase the limit of sustainable production for 20 years of operation.The mathematical model of thermal physical processes which occur during the selection of thermal energy, constructed on the basis of nonstationary heat transfer equation for the rock and twoquasi-stationary equations describing the heat exchange between the coolant and adjacent to the well rock site, and also heat exchange between the ascending and descending the coolant flows. The conducted researches have shown that the limit of sustainable production can be increased by applying the cyclic operation of the device. It is also advisable to use the well to provide a hot water supply. It is shown that in this case, it is necessary to use a storage tankin hot water supply system to prevent excess thermal power. |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 1 78
УДК 620.91
А.В.Бучко1 (Институт проблем машиностроения им. А.Н.Подгорного НАН Украины, Харьков),
А.О.Костиков2, докт.техн.наук (Институт проблем машиностроения им. А.Н.Подгорного НАН Украины,
Харьков, Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина, Харьков)
Цикличная работа устройства отбора тепловой энергии из отработавших
нефтяных и газовых скважин
Представлены результаты исследования работы скважинного теплообменника на различных режимах. Приведены графи-
ки зависимости температур теплоносителя на выходе и горной породы в забое, а также тепловой мощности от времени
использования оборудования. Показано, что цикличная работа увеличивает предел устойчивой выработки тепловой энер-
гии. Библ. 10, табл. 3, рис. 4.
Ключевые слова: скважинный теплообменник, геотермальная энергетика, предел устойчивой выработки.
Orcid: 10000-0003-4525-5157; 20000-0001-6076-1942
Введение. Развитие нетрадиционной энерге-
тики связано с непрерывным удорожанием и ис-
тощением запасов традиционных энергоресурсов
– нефти, газа, угля. Геотермальное тепло являет-
ся возобновляемым источником энергии, которое
может стабильно использоваться.
Известно несколько вариантов утилизации
тепловой энергии приповерхностных слоев и
недр земли [1–3], в том числе отбор энергии из
отработавших свой ресурс нефтяных и газовых
скважин [3–6].
Для каждой геотермальной установки и для
каждого режима характерно с течением времени
понижение основных параметров (температура
теплоносителя на выходе и тепловая мощность) в
связи с выхолаживанием грунта и/или горной
породы. При этом существует определенный
предел устойчивой выработки, по достижении
которого указанные параметры понижаются до
такого уровня, что эксплуатация геотермальной
установки становится уже нецелесообразной.
Этот предел можно увеличить за счет использо-
вания переменных режимов работы [7], органи-
зованных таким образом, что в период простоя
установки или существенного снижения нагрузки
на неё температура выхоложенной горной поро-
ды (или грунта) в непосредственной близости от
скважинного (грунтового) теплообменника будет
повышаться за счет теплопередачи от удален-
ных слоев, не подверженных тепловому влия-
нию устройства.
Следует отметить, что в существующих пуб-
ликациях, посвященных добыче тепла, накоплен-
ного в глубинных слоях горной породы, доволь-
но редко затрагивается проблема её выхолажива-
ния вследствие отбора тепловой энергии. Иными
словами, вопросам оценки эффективности и без-
убыточности работы геотермальной установки в
течение длительного периода эксплуатации уде-
ляется недостаточно внимания [8].
Целью настоящей статьи является исследо-
вание работы скважинного теплообменника
(СТО), обустроенного в отработавшей нефтяной
и газовой скважине, на переменных режимах для
увеличения предела устойчивой выработки на
протяжении 20 лет эксплуатации.
Постановка задачи. Исследуем работу СТО,
выполненного в отдельно стоящей скважине, на
переменных режимах. В качестве исследуемой
рассмотрим типовую газовую скважину [5] глу-
биной 5 км с температурой породы в забое 130С
(данный уровень температуры приведен для на-
чального момента эксплуатации геотермальной
установки, когда отбор тепла от горной породы
ещё не начинался). Внешняя труба теплообмен-
ника (эксплуатационная колонна отработавшей
© А.В.Бучко, А.О.Костиков, 2017
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 1 79
скважины) выполнена из насосно-компрессорных
труб 140×10,5 мм. Подъёмная и промежуточная
колонны, которые согласно предложенной ранее
схеме СТО [5, 9] отделяют нисходящий поток теп-
лоносителя от восходящего, – 48×4 и 89×6,5 мм
соответственно. В качестве теплоносителя рас-
сматривается техническая вода, которая должна
быть предварительно очищена для уменьшения
коррозийного влияния на устройство.
Периодичность использования СТО целесо-
образно привязать к сезонным изменениям, свя-
занным с работой системы отопления. В этом
случае интенсивный отбор тепла будет прихо-
диться на отопительный период, а в межотопи-
тельный период, когда идет незначительное по-
требление только на нужды горячего водоснаб-
жения (ГВС), будет происходить восстановление
теплового состояния горной породы. Регулиро-
вать отбор тепла во времени будем путём варьи-
рования расхода теплоносителя в СТО. При этом
примем продолжительность отопительного пе-
риода в полгода (с 15 октября до 15 апреля), в
течение которого геотермальная установка рабо-
тает при полной нагрузке с постоянным расходом
теплоносителя. В межотопительный период рас-
ход теплоносителя существенно снижен и может
быть непостоянным, исходя из потребностей сис-
темы ГВС. Чтобы оценить способность горной
породы к восстановлению температурного со-
стояния после выхолаживания, будем сравнивать
основные показатели (температуру на выходе из
СТО и его тепловую мощность) с аналогичными
параметрами при её работе с постоянной макси-
мальной нагрузкой (неизменный расход теплоно-
сителя) в течение всего года.
Как и в любой системе теплоснабжения, в
рассматриваемом случае на вход в СТО поступа-
ет обратная вода от потребителя. Несмотря на то,
что при различных схемах исполнения и различ-
ной интенсивности потребления тепловой энер-
гии температура обратной воды может сущест-
венно отличаться, в данной работе будем рас-
сматривать вариант, когда вне зависимости от
режима работы на вход в СТО вода поступает
всегда с одной и той же температурой 20С. Дан-
ное допущение на практике ближе всего соответ-
ствует случаю, когда в первом контуре тепло-
снабжения установлен тепловой насос, отби-
рающий от обратной воды остаточное тепло, не
израсходованное потребителем.
Рассмотрим эксплуатацию СТО на протяже-
нии 20 лет. В качестве начала отсчета времени
примем момент начала отопительного периода.
При этом начальный момент времени отождест-
вим с моментом ввода геотермальной установки
в эксплуатацию, то есть до него тепловое воздей-
ствие на горную породу не осуществлялось.
Методика расчета. Для определения ре-
жимных параметров СТО используем методику,
предложенную нами ранее. Подробно математи-
ческая модель и алгоритм расчёта приведены в
[6, 10]. Здесь отметим лишь то, что модель сфор-
мирована в сопряженной постановке и включает
нестационарное уравнение теплопроводности для
горной породы, подверженной тепловому воз-
мущению от СТО, и двух квазистационарных
уравнений, описывающих теплообмен между те-
плоносителем и прилегающим к скважине участ-
ком горной породы, а также теплообмен между
восходящим и нисходящим потоками теплоноси-
теля. Решение системы уравнений осуществляет-
ся методом конечных объёмов с использованием
итерационного процесса для учёта взаимного те-
плового влияния теплоносителя и горной поро-
ды. Несмотря на то, что в предыдущих работах
[5, 6, 10] данный подход использовался для опре-
деления изменения во времени температуры теп-
лоносителя и тепловой мощности, отбираемой от
горной породы, только при постоянном расходе
теплоносителя он без изменений может быть
применен и для моделирования работы СТО в
случае переменного во времени расхода.
Оценка работы системы горячего водо-
снабжения. Проведенные предварительные рас-
чёты показали, что оптимальная величина массо-
вого расхода теплоносителя (с точки зрения по-
лучения максимальной его температуры на вы-
ходе из СТО) составляет 1,75 кг/с. Примем это
значение в качестве постоянного расхода в ото-
пительный период и, отталкиваясь от него, про-
ведем оценку нагрузки на систему ГВС.
С учетом того, что при таком расходе темпе-
ратура теплоносителя на выходе из СТО будет
составлять 65-70С довольно продолжительное
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 1 80
(до двух лет) время, получаемую при этом тепло-
вую мощность можно оценить величиной поряд-
ка 350 кВт. Будем основываться на общеприня-
том соотношении: на обогрев 1 м2 жилых поме-
щений необходимо затратить 0,1 кВт тепловой
энергии. Следовательно, одной рассматриваемой
скважины хватит, чтобы обогреть 3500 м2. Исхо-
дя из существующих социальных норм, жилпло-
щадь, приходящуюся на одного человека, можно
оценить величиной порядка 25 м2. Таким обра-
зом, будем считать, что в жилых зданиях, кото-
рые в отопительный период отапливаются за счёт
одной скважины, проживает 140 человек, кото-
рые в месяц (согласно нормативу 3 м3 на одного
человека) потребляют 420 м3 горячей воды.
Для того чтобы нагреть эти 420 м3 в летний
месяц с 15С до 55С необходимо затратить
70,56 ГДж энергии. Такой подогрев воды можно
обеспечить за счет постоянного источника тепла
мощностью 27,2 кВт. Однако реализовать его при
помощи одного лишь СТО не представляется
возможным. Неизменная во времени тепловая
мощность СТО подразумевает постоянный рас-
ход теплоносителя (здесь мы пренебрегаем не-
значительным снижением мощности во времени
вследствие выхолаживания горной породы, так
как рассматриваемый временной промежуток
относительно небольшой). Как известно, тепло-
вой баланс для СТО имеет вид:
Q = GcpT, (1)
где Q – количество тепла, отбираемое в единицу
времени от горной породы, Вт; cp – массовая
удельная теплоемкость, Дж/(кгК); T – измене-
ние температуры теплоносителя в СТО, К.
С учетом того, что в рассматриваемом случае
T = 40С, получим необходимую величину рас-
хода G = 0,16 кг/с. Расчеты, проведенные с ис-
пользованием математической модели [6, 10],
показывают, что при таком небольшом расходе
температура на выходе теплоносителя даже в
первый год эксплуатации, когда выхолаживание
горной породы ещё незначительно, составит все-
го 24С. Данный факт обусловлен тем, что при
таком медленном подъеме теплоносителя всё те-
пло, полученное им при прохождении глубинных
слоев горной породы, успевает передаться нис-
ходящему потоку, а от последнего – в горную
породу неглубокого залегания, температура ко-
торой близка к температуре нейтрального слоя.
Иными словами, СТО при низких расходах не
способен обеспечить требуемый уровень темпе-
ратуры теплоносителя на выходе. Повышение же
расхода теплоносителя до величины 0,6 кг/с, при
которой на выходе обеспечивается температура
теплоносителя на уровне 55С, приводит к суще-
ственному увеличению тепловой мощности
(примерно до 100 кВт), то есть к выработке лиш-
него тепла в значительных объемах.
Решить данную проблему можно за счет
цикличного подвода тепла от СТО в систему
ГВС, на входе в которую установлен бак-
накопитель. Сразу же заметим, что бак-
накопитель потребовался бы и в случае постоян-
ного подвода тепла для компенсации пиковых
нагрузок на систему ГВС. Исходя из месячного
потребления горячей воды, которое мы оценили в
420 м3, получим, что в среднем за сутки система
ГВС должна обеспечивать 14 м3. При двукратном
запасе объем бака-накопителя будет составлять
около 30 м3. Для уменьшения теплопотерь в ок-
ружающую среду его целесообразно подпиты-
вать по два раза в сутки – перед вечерним и ут-
ренним пиковыми потреблениями горячей воды.
При этом каждая подпитка объемом 7 м3 с уче-
том того, что, как отмечалось выше, оптималь-
ный расход составляет 1,75 кг/с, будет происхо-
дить в течение 1 ч 6 мин 40 с.
Оценим вклад влияния системы ГВС на рабо-
ту СТО. Для этого сравним два варианта исполь-
зования геотермальной установки. В первом вари-
анте в отопительный период она работает посто-
янно с полной нагрузкой (расход теплоносителя в
СТО 1,75 кг/с), а в межотопительный период – в
цикличном режиме для нужд ГВС по описанному
выше принципу. Второй вариант заключается в
использовании геотермальной установки лишь в
отопительный период с той же максимальной на-
грузкой (расход 1,75 кг/с). На рис. 1 приведены
графики изменения во времени температуры теп-
лоносителя на выходе из СТО на протяжении од-
ного года и одного месяца после ввода геотер-
мальной установки в эксплуатацию. Рис. 1а соот-
ветствует первому варианту эксплуатации гетер-
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 1 81
мальной установки, рис. 1б – второму.
Заметим, что при оптимальном расходе теп-
лоносителя (1,75 кг/с) даже при постоянном ре-
жиме работы, а тем более при рассматриваемом
цикличном, температура на выходе из СТО полу-
чается выше необходимого уровня (55С). Таким
образом, существует запас энергии, который мо-
жет покрыть теплопотери из бака-накопителя и
трубопроводов в окружающую среду.
Проведенные расчеты показали, что в конце
рассмотренного срока (через месяц после начала
второго отопительного периода) в первом вари-
анте температура теплоносителя на выходе из
СТО составляет 76,5С, а во втором – 76,7С. Та-
кая небольшая разница (0,2С) говорит о том, что
работа геотермальной установки в межотопи-
тельный период только на нужды ГВС приводит
к незначительному тепловому воздействию на
горную породу. Далее будем этим воздействием
пренебрегать.
а)
б)
Рис 1. Изменение температуры теплоносителя: а) – обеспечение нужд ГВС в межотопительный период;
б) – простой геотермальной установки в межотопительный период.
Сезонная цикличность работы скважин-
ного теплообменника. Ниже приведены резуль-
таты, полученные в результате моделирования
работы СТО для 20 лет его эксплуатации с тремя
вариантами расхода в отопительный период: 1,5
кг/с, 1,75 кг/с, 2 кг/с. Так как влиянием работы
системы ГВС в межотопительный период мы пре-
небрегаем, то для этого промежутка времени рас-
ход составляет 0 кг/с. Для сравнения также приво-
дятся результаты расчетов, соответствующие не-
прерывной работе геотермальной установки с не-
изменной нагрузкой в течение всех 20 лет.
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 1 82
На рис. 2 изображены графики зависимости
температуры теплоносителя и горной породы от
времени при непрерывной эксплуатации геотер-
мальной установки в течение продолжительного
периода (20 лет). Вне зависимости от расхода
теплоносителя его температура на выходе и теп-
ловая мощность резко уменьшаются на протяже-
нии первых 10-15 дней. Это связано с выхолажи-
ванием горной породы вблизи скважины. В таб-
лице 1 приведены значения температур, соответ-
ствующие конечному моменту рассматриваемого
20-летнего периода.
Час експлуатації, діб
7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
T, °C
τ, сут
1
2
7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
T, °C
2
1
τ, сут
а) б)
7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
T, °C
τ, сут
2
1
в)
Рис. 2. Изменение температуры теплоносителя при непрерывной работе СТО: а) – расход теплоносителя 1,5 кг/с; б) –
1,75 кг/с; в) – 2 кг/с; 1 – температура теплоносителя в забое скважины; 2 – температура теплоносителя на выходе из
скважины.
Таблица 1. Температурные показатели геотермальной установки спустя 20 лет ее эксплуатации с постоянным расхо-
дом теплоносителя
Температура, С Расход теплоносителя,
кг/с теплоносителя на выходе из СТО горной породы в забое СТО
1,50 68,42 98,66
1,75 68,46 94,04
2,00 67,78 89,62
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 1 83
На рис. 3 изображены графики зависимости
температуры теплоносителя и горной породы от
времени при цикличной эксплуатации геотер-
мальной установки в течение того же 20-летнего
периода. Как было сказано ранее, цикличность
заключается в использовании СТО лишь в отопи-
тельный период времени, а нагрузкой ГВС в ме-
жотопительный период мы пренебрегаем. Начало
работы соответствует включению отопления 15
октября, а 15 апреля геотермальная установка
отключается, после чего полгода температура
горной породы повышается.
Как видно из рис. 3, при каждом ежегодном
включении геотермальной установки происходит
резкое падение значения температуры теплоно-
сителя на протяжении порядка 10 дней. В даль-
нейшем ее снижение происходит более плавно.
Разница между максимальной и минимальной
температурой теплоносителя на выходе из СТО в
течение отопительного периода практически не
изменяется за весь 20-летний срок эксплуатации.
В первый год эта разница максимальна и состав-
ляет 14,6С, каждый последующий год она не
значительно уменьшается и в 20-й год выходит
на уровень 13,4С. Если же исключить 15-
дневный промежуток резкого выхолаживания
горной породы, то эта разница составляет 2,4 и
1,7С в первый и 20-й годы соответственно.
Иными словами можно считать, что температура
теплоносителя в течение одного отопительного
периода фактически одна и та же.
Изменение температуры горной породы в за-
бое скважины происходит с точностью наоборот.
Сразу после отключения геотермальной установ-
ки происходит резкий рост температуры горной
породы в течение 10 дней, в дальнейшем до
окончания межотопительного периода она несу-
щественно увеличивается. После включения СТО
снижение температуры горной породы происхо-
дит по тому же сценарию – вначале резкое паде-
ние, а потом плавное понижение.
Значения температуры теплоносителя на вы-
ходе из СТО (Tт.н.) и горной породы в забое сква-
жины (Tг.п.) в случае цикличной работы геотер-
мальной установки приведены в таблице 2.
Час експлуатації, діб
7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
T, °C
τ, сут
2 1
7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
T, °C
τ, сут
2
1
а) б)
Час експлуатації, діб
7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
T, °C
τ, сут
2
1
в)
Рис. 3. Изменение температуры теплоносителя при цикличной работе СТО: а) – расход теплоносителя 1,5
кг/с; б) – 1,75 кг/с; в) – 2 кг/с; 1 – температура теплоносителя в забое скважины; 2 – температура теплоносителя на вы-
ходе из скважины.
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 1 84
Таблица 2. Температурные показатели геотермальной установки при её цикличной работе
Среднеинтегральное значение температуры, С
Температура в конце 20-го
отопительного периода, С за первый отопительный
период
за 20-й отопительный пе-
риод
Расход теплоносите-
ля,
кг/с
Tт.н. Tг.п. Tт.н. Tг.п. Tт.н. Tг.п.
1,50 71,72 104,14 75,44 110,34 72,19 101,93
1,75 72,45 100,28 77,09 107,44 73,08 101,18
2,00 72,49 96,5 77,9 104,55 73,15 97,52
Также сравним тепловую мощность, которую
обеспечивает СТО в случае непрерывной и цик-
личной работы. На рис. 4 представлена её зави-
симость от времени для расхода 1,75 кг/с. Перио-
ды резкого снижения мощности вследствие ин-
тенсивного выхолаживания горной породы и
плавного её изменения соответствуют аналогич-
ным периодам изменения температуры (см. рис.
2 и 3). Ежегодный минимум тепловой мощности
наблюдается в конце отопительного периода.
Разница между максимальной и минималь-
ной мощностью в течение отопительного перио-
да аналогична подобной картине для температу-
ры: при цикличной работе она практически не
изменяется за весь 20-летний срок эксплуатации.
В первый год эта разница максимальна и состав-
ляет 118 кВт, каждый последующий год она не-
значительно уменьшается и в 20-й год выходит
на уровень 107 кВт. Если же исключить 15-
дневный промежуток резкого выхолаживания
горной породы, то эта разница составляет 19 и
13 кВт в первый и 20-й годы соответственно.
Иными словами, за исключением первых 15 дней
отопительного периода геотермальная установка
способна обеспечить фактически постоянный
уровень нагрузки в системе теплоснабжения.
Таблица 3 содержит основные энергети-
ческие показатели геотермальной установки.
6 0005 0004 0003 0002 0001 000 0
530
520
510
500
490
480
470
460
450
440
430
420
410
400
390
380
370
360
Q , кВт
, сут.
7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Q, кВт
τ, сут
а) б)
Рис. 4. Изменение мощности с течением времени:
а) – при непрерывной работе СТО; б) – при цикличной работе СТО.
Таблица 3. Тепловая мощность, которую обеспечивает СТО
Тепловая мощность, кВт
средняя за отопительный период при цик-
личной работе в конце 20-летнего срока эксплуатации
Расход теплоно-
сителя,
кг/с первый отопитель-
ный период
20-й отопительный
период
при цикличной
работе СТО
при постоянном расходе
теплоносителя
1,50 352,19 330,47 327,29 305,19
1,75 423,83 392,44 387,85 356,42
2,00 491,67 449,15 442,93 401,23
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 1 85
Выводы. Результаты моделирования работы
геотермальной установки, которая использует
петротермальное тепло глубинных (около 5 км)
слоев горной породы при помощи скважинного
теплообменника, обустроенного в отработавшей
газовой или нефтяной скважине, позволили сде-
лать следующие выводы.
В межотопительный сезон целесообразно
организовать цикличную работу геотермальной
установки для нужд горячего водоснабжения,
которая заключается в подпитке бака-
накопителя два раза в сутки на режиме опти-
мального (1,75 кг/с) расхода теплоносителя в
скважинном теплообменнике.
Работа геотермальной установки на нужды
системы горячего водоснабжения в межотопи-
тельный период не оказывает существенного те-
плового влияния на состояние горной породы по
сравнению с работой на полной нагрузке.
Предел устойчивой выработки можно увели-
чить за счет применения цикличной работы уста-
новки. При цикличной работе (максимальная на-
грузка в течение отопительного периода и вос-
становление температурного состояния горной
породы в межотопительный период) через 20 лет
эксплуатации температура теплоносителя на вы-
ходе из скважинного теплообменника примерно
на 4 градуса, а тепловая мощность на 10% боль-
ше, чем аналогичный показатель в случае
непрерывной работы геотермальной установки
весь этот срок.
1. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и со-
оружений с использованием низкопотенциальной тепловой
энергии поверхностных слоев Земли / Г. П. Васильев // Мо-
сква: Издательский дом "Граница", 2006. – 176 с.
2. Алхасов А. Б. Возобновляемая энергетика / А. Б. Ал-
хасов // Москва: Физматлит, 2012. – 256 с.
3. Перспективы использования на выработанных неф-
тяных месторождениях скважинных теплообменников и вод
артезианских горизонтов для тепло- и горячего водоснабже-
ния / А.Б.Алхасов, М.Г.Алишаев, М.И.Исрапилов,
Г.Б.Бадавов // Теплоэнергетика. – 2008. – № 12. – С. 20–26.
4. Rybach L. Shallow and Deep Borehole Heat Exchang-
ers-Achievements and Prospects / L. Rybach, R. Hopkirk // Pro-
ceedings of the World Geothermal Congress. – Florence, Italy,
1995. – P. 2133–2137.
5. Ценципер А.І. Одержання теплової енергії з ліквідо-
ваних нафтогазових свердловин / А.І.Ценципер, А.О.Кості-
ков, В.М.Голощапов // Нафтова і газова промисловість. –
2009. – № 3. – С. 41–43.
6. Выбор режимных и конструктивных параметров
устройства отбора тепловой энергии из отработавших неф-
тяных и газовых скважин / Ю.М.Мацевитый, А.И.Ценципер,
В.Н.Голощапов и др. // Проблемы машиностроения. – 2011.
– Т. 14, № 4. – С. 31–39.
7. Rybach L. Geothermal Sustainability – A Review with
Identified Research Needs / L. Rybach, M. Mongillo // GRC
Transactions. – 2006. – Vol. 30. – P. 1083–1090.
8. Vasiljev G. P. Geothermal Heat Pump Systems of Heat
Supply (GHPS): Operational Experience, Technical and Eco-
logical Aspects in Russia / G. P. Vasiljev // Energy. – 2005. –
№ 4. – P. 24–29.
9. Пат. 41258 Украина, МПК6 F24J 3/08. Геотермаль-
ний пристрій / А. І. Ценципер, В. М. Голощапов,
А. О. Костіков. – Опубл. 12.05.09, Бюл. № 9.
10. Мацевитый Ю. М. Геометрические обратные зада-
чи теплообмена / Ю. М. Мацевитый, А. О. Костиков. – Киев:
Наукова думка, 2014. – 224 с.
REFERENCES
1. Vasilev G.P. Buildings heating and cooling using low-
grade thermal energy of the surface layers of the Earth / G. P.
Vasilev // Moscow: Publ. "Granitsa", 2006. – 176 p (in Russian).
2. Alhasov A. B. Renewable power generation / A. B. Al-
hasov // Moscow: Publ. "Fizmatlit", 2012. – 256 p (in Russian).
3. Prospects for the use in depleted oil deposits of borehole
heat exchangers and water artesian aquifer for heat and hot-water
supply / A. B. Alhasov, M. G. Alishaev, M. I. Israpilov,
G. B. Badavov // Heat engineering. – 2008. – № 12. – pp. 20–26
(in Russian).
4. Rybach L. Shallow and Deep Borehole Heat Exchang-
ers-Achievements and Prospects / L. Rybach, R. Hopkirk // Pro-
ceedings of the World Geothermal Congress. – Florence, Italy,
1995. – P. 2133–2137.
5. Tsentsiper A. I., Kostikov A. O., Goloschapov V. M.
Receiving thermal energy from waste oil and gas wells. Oil and
gas industry, 2009, no. 3, pp. 41–43 (in Russian).
6. Selection of regime and constructive parameters of ex-
traction heat energy device from the waste oil and gas wells /
Yu. M. Matsevityiy, A. I. Tsentsiper, V. N. Goloschapov, etc //
Problems of Mechanical Engineering. – 2011. – Т. 14, № 4. –
pp. 31–39 (in Russian).
7. Rybach L. Geothermal Sustainability – A Review with
Identified Research Needs / L. Rybach, M. Mongillo // GRC
Transactions. – 2006. – Vol. 30. – pp. 1083–1090.
8. Vasiljev G. P. Geothermal Heat Pump Systems of Heat
Supply (GHPS): Operational Experience, Technical and Eco-
logical Aspects in Russia / G. P. Vasiljev // Energy. – 2005. –
№ 4. – pp. 24–29.
9. Pat. 41258 Ukraine, МПК6 F24J 3/08. Geo-thermal de-
vice/ А. І. Tsentsyper, V. М. Holoschapov, А. О. Kostikov. –
Data. 12.05.09 (in Russian).
10. Matsevityiy Yu. M. Geometric inverse problems of
heat exchange / Yu. M. Matsevityiy, A. O. Kostikov // Kiev,
Nauk. dumka, 2014. – 224 p (in Russian).
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 1 86
О.В.Бучко (Інститут проблем машинобудування ім.
А.М.Підгорного НАН України, Харків,), А.О.Костіков,
докт.техн.наук (Інститут проблем машинобудування ім.
А.М.Підгорного НАН України, Харків, Харківський
національний університет ім. В.М.Каразіна, Харків)
Циклічна робота пристрою відбору теплової енергії з
відпрацьованих нафтових та газових свердловин
Представлені результати досліджень роботи свердловин-
ного теплообмінника на різних режимах. Наведені графіки
залежності температур теплоносія на виході та гірської
породи в забої, а також теплової потужності від часу
використання устаткування. Показано, що циклічна робота
збільшує межу стійкого вироблення теплової енергії. Бібл.
10, табл. 3, рис. 4.
Ключові слова: свердловинний теплообмінник, геотермаль-
на енергетика, межа стійкого вироблення.
Buchko A., (Podgorny Institute for Mechanical Engineering
Problems of NAS of Ukraine, Kharkiv), Kostikov A. (Podgorny
Institute for Mechanical Engineering Problems of NAS of
Ukraine; V.N. Karazin Kharkiv National University Kharkiv)
Cyclic operation of the device of thermal energy extraction
from the waste oil and gas wells
The results of the investigations borehole heat exchanger operation
under different operating conditions. The graphs of the coolant tem-
perature at the outlet, the rock temperature in the mine, and the
thermal power depending on operation are given. It is shown that
the cyclical operation conditions increases the limit of sustainable
heat production. References 10, tables 3, figures 4.
Keywords: borehole heat exchanger, geothermal power engi-
neering, limit of sustainable production.
SYNOPSES
The development of alternative energy caused by the con-
tinuous rise in prices and the depletion of traditional energy re-
sources. Today the increasing popularity is gained by geothermal
power engineering due to the possibility of stable use of thermal
energy. For each geothermal installation and for each operating
mode there is a certain limit of sustainable production, after
which the main parameters are reduced to such a level that con-
tinued use of the installation is inexpedient.
The goal of this article - research work borehole heat ex-
changer equipped in the waste oil and gas well, on a variable
modes to increase the limit of sustainable production for 20
years of operation.
Mathematical model of thermal physical processes which
occur during the selection of thermal energy, constructed on the
basis of nonstationary heat transfer equation for the rock and two
quasi-stationary equations describing the heat exchange between
the coolant and adjacent to the well rock site, and also heat ex-
change between the ascending and descending the coolant flows.
The conducted researches have shown that the limit of sustain-
able production can be increased by applying of cyclic operation of
device. It is also advisable to use the well to provide hot water sup-
ply. It is shown that in this case it is necessary to use a storage tank
in hot water supply system to prevent excess thermal power.
Стаття надійшла до редакції 20.12.17
Остаточна версія 22.02.17
|
| id | veorgua-article-95 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:03:43Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/7c/e37a69b3165bd24fd57062f79841c87c.pdf |
| spelling | veorgua-article-952026-07-18T06:32:09Z Cyclic operation of the device of thermal energy extraction from the waste oil and gas wells Цикличная работа устройства отбора тепловой энергии из отработавших нефтяных и газовых скважин Циклічна робота пристрою відбору теплової енергії з відпрацьованих нафтових та газових свердловин Buchko, A. Kostikov, A. borehole heat exchanger geothermal power engineering limit of sustainable production свердловинний теплообмінник геотермальна енергетика межа стійкого вироблення скважинный теплообменник геотермальная энергетика предел устойчивой выработки The development of alternative energy caused by the continuous rise in prices and the depletion of traditional energy resources. Today the increasing popularity is gained by geothermal power engineering due to the possibility of stable use of thermal energy. For each geothermal installation and for each operating mode there is a certain limit of sustainable production, after which the main parameters are reduced to such a level that continueduse of the installation is inexpedient.The goal of this article - research work borehole heat exchanger equipped in the waste oil and gas well, on variable modes to increase the limit of sustainable production for 20 years of operation.The mathematical model of thermal physical processes which occur during the selection of thermal energy, constructed on the basis of nonstationary heat transfer equation for the rock and twoquasi-stationary equations describing the heat exchange between the coolant and adjacent to the well rock site, and also heat exchange between the ascending and descending the coolant flows. The conducted researches have shown that the limit of sustainable production can be increased by applying the cyclic operation of the device. It is also advisable to use the well to provide a hot water supply. It is shown that in this case, it is necessary to use a storage tankin hot water supply system to prevent excess thermal power. Представлены результаты исследования работы скважинного теплообменника на различных режимах. Приведены графики зависимости температур теплоносителя на выходе и горной породы в забое, а также тепловой мощности от времени использования оборудования. Показано, что цикличная работа увеличивает предел устойчивой выработки тепловой энергии. Представлені результати досліджень роботи свердловинного теплообмінника на різних режимах. Наведені графіки залежності температур теплоносія на виході та гірськоїпороди в забої, а також теплової потужності від часу використання устаткування. Показано, що циклічна робота збільшує межу стійкого вироблення теплової енергії. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2017-03-16 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/95 Vidnovluvana energetika ; No. 1 (48) (2017): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 78-86 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1 (48) (2017): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 78-86 Відновлювана енергетика; № 1 (48) (2017): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 78-86 2664-8172 1819-8058 ru https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/95/57 Copyright (c) 2017 A. Buchko, A. Kostikov https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | borehole heat exchanger geothermal power engineering limit of sustainable production Buchko, A. Kostikov, A. Cyclic operation of the device of thermal energy extraction from the waste oil and gas wells |
| title | Cyclic operation of the device of thermal energy extraction from the waste oil and gas wells |
| title_alt | Цикличная работа устройства отбора тепловой энергии из отработавших нефтяных и газовых скважин Циклічна робота пристрою відбору теплової енергії з відпрацьованих нафтових та газових свердловин |
| title_full | Cyclic operation of the device of thermal energy extraction from the waste oil and gas wells |
| title_fullStr | Cyclic operation of the device of thermal energy extraction from the waste oil and gas wells |
| title_full_unstemmed | Cyclic operation of the device of thermal energy extraction from the waste oil and gas wells |
| title_short | Cyclic operation of the device of thermal energy extraction from the waste oil and gas wells |
| title_sort | cyclic operation of the device of thermal energy extraction from the waste oil and gas wells |
| topic | borehole heat exchanger geothermal power engineering limit of sustainable production |
| topic_facet | borehole heat exchanger geothermal power engineering limit of sustainable production свердловинний теплообмінник геотермальна енергетика межа стійкого вироблення скважинный теплообменник геотермальная энергетика предел устойчивой выработки |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/95 |
| work_keys_str_mv | AT buchkoa cyclicoperationofthedeviceofthermalenergyextractionfromthewasteoilandgaswells AT kostikova cyclicoperationofthedeviceofthermalenergyextractionfromthewasteoilandgaswells AT buchkoa cikličnaârabotaustrojstvaotborateplovojénergiiizotrabotavšihneftânyhigazovyhskvažin AT kostikova cikličnaârabotaustrojstvaotborateplovojénergiiizotrabotavšihneftânyhigazovyhskvažin AT buchkoa ciklíčnarobotapristroûvídboruteplovoíenergíízvídpracʹovanihnaftovihtagazovihsverdlovin AT kostikova ciklíčnarobotapristroûvídboruteplovoíenergíízvídpracʹovanihnaftovihtagazovihsverdlovin |