Природа ресурсов
Расширение знаний об основных силах, действующих внутри Земли, способствует более глубокому пониманию природы источников геотермальной энергии. С давних пор люди отмечали в различных местах на поверхности земли проявления тепловой активности ее недр. К этим проявлениям относятся гейзеры, термальные источники или струи пара, выходящие из трещин в земле. В таких местах иногда бурили скважины, чтобы попытаться использовать энергию подобных источников в полезных целях. Во многих случаях, которых сейчас становится все больше, эти усилия увенчались успехом в том смысле, что из скважин получали значительные количества горячего пара и горячей воды.
Что же является источником геотермального тепла? Известно, что температура пород, слагающих земную кору, растет с увеличением глубины. Предполагается, что эти температуры достигают весьма высоких значений в центральной части земных недр. В настоящее время считается, что источником этого тепла является распад радиоактивных элементов с большим периодом полураспада, а также фрикционные (приливные) силы.
Были проведены исследования, чтобы выяснить, можно ли обеспечить нагревание такой рабочей среды, как вода, путем пропускания
Ее по скважине, пробуренной в теплых зонах земной коры, где она нагревается и затем возвращается на поверхность земли. Тепло этой воды можно использовать, например, для получения электроэнергии. Земная кора образована гигантскими континентальными плитами, которые перемещаются относительно друг друга с образованием разломов между ними. Более горячие вещества из недр поднимаются за счет циркуляции вдоль стыков между этими плитами. В областях подъема земная кора оказывается тоньше и пронизана трещинами. В этих областях тепловой поток из глубины к поверхности земли существенно превышает средние его значения. Это означает, что породы фундамента в таких областях могут оказаться более горячими, чем этого можно ожидать для таких материалов на данной глубине в других местах Земли.
Одна из таких больших областей разломов расположена в восточной части Тихого океана и доходит до Калифорнийского залива. Фактически отделение полуострова Нижняя Калифорния от материковой Мексики является результатом образования рифтовой зоны между континентальными плитами. Продолжением этого океанского разлома является зона разлома Сан-Андреас. Известно, что вдоль этой зоны существует ряд тепловых аномалий.
Если подземные воды будут протекать через подобную нагретую зону, то они в свою очередь тоже нагреются. В некоторых областях отмечаются поверхностные проявления тепловой активности в виде гейзеров или горячих источников. Именно в этих областях проводится разведка геотермальных ресурсов. До недавнего времени считалось, что подобные термопроявления связаны только с зонами разломов и что массы воды под поверхностью земли имеют локализованный характер.
Однако лучшее понимание геологических условий и выяснение того факта, что некоторые из геотермальных полей охватывают площади, значительно превышающие площадь локализованных зон разломов, заставило геологов пересмотреть свои теории относительно природы геотермальных районов. Не вдаваясь в детали научных фактов или аргументов, достаточно сказать, что теперь считают, что во многих случаях геотермальные районы могут занимать значительные площади и характеризоваться значительными объемами нагретых пород.
В начальные периоды разведки нефтяных месторождений скважины обычно бурили в местах выхода нефти на поверхность, но дальнейшее развитие теории и практики нефтяного дела позволило находить нефть даже под морским дном. Аналогично разведка геотермальных ресурсов находится на ранних стадиях своего развития; поэтому внимание исследователей сосредоточено на областях с поверхностными проявлениями тепловой активности. Однако с учетом опыта современной геологии можно надеяться на быстрый прогресс в разработке методов обнаружения геотермальных ресурсов и в отсутствие выходов тепла на поверхность земли.
При бурении скважин с целью использования геотермальных ресурсов обнаружены определенные условия функционирования скважин. В одних случаях получают сухой пар, не сопровождаемый водой. Такие условия характерны для одного из самых старых геотермальных паровых полей в Лардерелло в Италии, а также для месторождения природного пара в Долине Больших Гейзеров в северной Калифорнии, которое в настоящее время используется для производства электроэнергии фирмой "Пэсифик гэз энд электрик". В этом случае подземные воды, нагреваясь при прохождении через горячие породы под поверхностью земли, вскипают с образованием пара и под землей формируется большой паровой бассейн, содержащий пар под повышенным давлением. Этот пар на выходе из пробуренной скважины может быть использован для полезных целей.
В других случаях геотермальные скважины вскрывают в недрах исключительно горячую воду, которая вследствие размещения на глубине и особенностей конфигурации таких бассейнов находится обычно под высоким давлением. Скважина, вскрывшая нагретую воду, может быть использована для понижения давления воды в части бассейна. При понижении давления очень горячей воды часть ее вскипает, превращаясь в пар. Пар в процессе образования и расширения будет стремиться выйти из ствола скважины, увлекая с собой при этом значительное количество воды. В этом случае из скважины будет поступать смесь пара и воды при еще очень высокой температуре, хотя и несколько охлажденная за счет процессов вскипания и расширения, имеющих место при прохождении потока через скважину.
На выходе скважины пар и вода могут быть разделены простым центробежным устройством, называемым иногда циклонным сепаратором. Смесь проходит через сепаратор, из одной трубы которого получают воду, а из другой — пар. Поскольку пар и вода находятся в термодинамическом равновесии, т. е. при одинаковых температурах и давлениях, то такой пар называется насыщенным. Такой тип геотермальных источников был обнаружен в Новой Зеландии, Мексике, Долине Импириал-Валли и в других местах.
Воды в различных месторождениях различны по составу. В Новой Зеландии такие воды характеризуются очень низкой минерализацией. Там пар используется для получения электроэнергии, а вода просто сбрасывается в море. Для Новой Зеландии характерно обилие осадков, и поэтому геотермальные воды как источник пресной воды обладают малой ценностью. Геотермальные воды, обнаруженные в долине Импириал-Валли, вблизи озера Солтон-Си (в области, называемой Бате), являются совершенно противоположным примером. Содержание растворенных минеральных веществ в этих водах исключительно высоко, достигая 30 вес. %, в то время как в морской воде концентрация растворенных минеральных веществ составляет всего 3,3%. Вследствие высокого содержания минеральных веществ, пар, получаемый из таких скважин, оказывает коррозионное воздействие, и его очень трудно использовать в электрогенераторных установках, что было показано на маломасштабных экспериментах. Однако основной целью разработки геотермальных ресурсов в области Бате является получение химических продуктов из высококонцентрированных рассолов. Эта цель относится к одной из возможных и при разработке геотермальных ресурсов вообще, т. е. получение химических продуктов из геотермальных вод в качестве основного продукта или в качестве побочного продукта других процессов.
Другой тип подземных нод обнаружен в области Серро-Прието в северной части полуострова Нижняя Калифорния. Здесь воды в подземном бассейне не являются ни пресными, ни сильно засоленными. Геотермальная вода в Серро-Прието содержит ^2,5% растворенных минеральных веществ, т. е. она является слишком соленой для использования в качестве питьевой воды или для орошения, но пар, полученный из этих скважин, по своим характеристикам вполне подходит для использования на электростанции. В настоящее время в Мексике сооружается электростанция мощностью 75 МВт, которая будет использовать пар, полученный из геотермального поля Серро-Прието.
В общем случае вода, выходящая из сепаратора, установленного на выходе из скважины, оказывается горячей. В то время как пар может быть использован для выработки электроэнергии или для других целей, вода также может найти применение. Конечно, в некоторых случаях она может быть просто сброшена в океан или закачана снова под землю. Но, как уже отмечалось, она может быть также использована для извлечения минеральных веществ. Серьезного рассмотрения заслуживает вопрос об обработке геотермальной воды
В опреснительной установке, где из нее удаляются растворенные минеральные вещества и получается пресная вода, пригодная для сельскохозяйственного, городского или промышленного использования. Это особенно важно для долины Импириал-Валли и других засушливых районов в западной части США. В Калифорнии еще не признан экономически выгодным процесс получения пресной воды из морской воды. Однако, поскольку геотермальные воды уже нагреты, то вполне возможно, что их опреснение окажется более дешевым, чем опреснение морской воды, и, следовательно, такие воды могут стать ценным ресурсом.
Если отсепарированная вода не используется, то с учетом ее химического состава нужно воспрепятствовать ее попаданию в поверх - ностньн? воды или в неглубоко расположенные водоносные пласты, где она может смешаться с водой из других источников. В этом случае либо должна быть создана система для транспортировки воды в океан (если это допустимо), либо вода должна закачиваться глубоко под землю, возможно, до уровня продуктивной зоны.
В заключение следует отметить, что природа геотермального источника проявляется в двух формах: в виде сухого пара и в виде очень горячей воды в подземном бассейне* В последнем случае воду можно извлечь из скважины с помощью насоса, не допуская падения давления и, таким образом, исключая образование пара. С другой стороны, давление можно уменьшить, что приведет к вскипанию воды с образованием пара; полученную смесь пара и воды на выходе из скважины можно затем отсепарировать. Месторождения с горячей водой можно подразделить на месторождения с пресной, сильно минерализованной водой и водой промежуточного солоноватого типа. Это деление отражает как полезность самого геотермального источника, так и технические проблемы, возникающие при его использовании.
