ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

РЕЗУЛЬТАТЫ ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА

Ядерный взрыв в породе происходит следующим образом: при вы­свобождении энергии в процессе ядерной реакции образуется плазма с температурой в миллионы градусов и давлением выше 100 ГПа. Теп­ловая энергия генерирует ударную волну, которая испаряет, плавит и разрушает окружающую породу, и только на сравнительно большом расстоянии от места взрыва превращается в сейсмическую волну. Об­разовавшийся под действием ударной волны сферический объем испа­рившейся породы будет расширяться до тех пор, пока давление внут­ри сферы не будет сбалансировано весом лежащей выше породы и на­пряжением в окружающей породе. В результате получается большая сферическая полость, окруженная расплавленной и растрескавшейся породой.

Порода, разрушенная над полостью, как правило, оседает в те­чение периода времени от нескольких секунд, до нескольких часов пос­ле взрыва (за исключением некоторых материалов, таких, как соль, в которых полость сохраняется). Во время обвала полость, как тако­вая исчезает, а ее объем распределяется в трещиноватой породе, рас­положенной выше точки взрыва. В легко разрушаемой породе типа аллювия процесс осадки может продолжаться до тех пор, пока не дос­тигнет поверхности с образованием кратера. В твердой породе осадка продолжается до образования устойчивого свода. Вся структура в целом называется трубообразной полостью, или трубой.

Ниже приводятся оценки результатов ядерных взрывов в УСЛОВИЯХ, представляющих интерес для геотермальных разработок.

Размер полости. Радиус полости гс определяется по следующей формуле:

1

Т --------------- T (3.1)

Pa F

Где W - мощность заряда; Р - конечное давление в полости в кон­це роста полости; С и а — константы. Это давление связано с давле - • нием перекрывающих пород соотношением

Pf = КР0 , (3.2)

Где К — константа, a PQ — начальное давление в полости. Константы С и а определяются теоретическими расчетами для адиабатического расширения системы кремнезем - вода, а К определяется с помощью

Данных, полученных в ходе ядерных испытаний. Для тс в метрах, W в килотоннах и PQ в барах (105 Па) эти константы примерно сле­дующие: С = 46,6, A = 0,277 и К = 2,0,но до некоторой степени они зависят от изменения давления PQ .

В реальных экспериментах при измерении гс и W возникает не­которая ошибка. В табл. 3.2 результаты экспериментов в гранитной породе сравниваются с результатами расчетов по формуле (3.1). Не­точность в 0,5 м, полученная при определении радиусов полости в слу чаях взрыва устройств "Пайлдрайвер" и "Хардхэт", правдоподобна, но та же самая неточность в случае взрыва устройства "Шоул", по всей вероятности, занижена, хотя неизвестно насколько.

Приведенные данные следует дополнить результатами 13 подзем­ных ядерных экспериментов, проведенных Францией на полигоне Хог - гар в пустыне Сахара. Эти эксперименты были проведены в однород­ной гранитной породе, которая, очевидно, тверже, суше и имеет мень шую естественную трещиноватость, нежели гранитная порода в США. Измеренные в опытах французов радиусы полости существенно мень­ше, чем в американских экспериментах, причем их отношение равно

Г

Самер

---------- = 1,73

Г

Сфранц

Таким образом, объем полостей в американских испытаниях в 5 раз больше объемов, полученных в опытах французов. Это различие под­тверждается численными расчетами, в которых радиусы полостей для 5-килотонного заряда (устройство "Хардхэт") были вычислены для гранитов с различным содержанием воды и различной естественной трещиноватостью.

Порода І Радиус полости, м Сухой монолитный гранит 12,7 Сухой трещиноватый гранит 15,0 Насыщенный водой, трещинова­тый гранит 20,4

Оценки радиусов полостей и их объемов для двух глубин, пред­ставляющих интерес для геотермики, и для различных мощностей за­рядов представлены в табл. 3.3 и 3.4. Эти оценки основаны на расче­тах упомянутого выше адиабатического расширения и характерны для гранитных пород с некоторым содержанием воды и естественной тре-

Таблице 3.4

Объемы полостей [1]

Щиноватостью. Как было показано выше, в случае более сухой и менее тре­щиноватой породы объемы полостей возможно будут меньшими.

Размеры зоны трещинообразования. Число трещин, образован­ных в породе, окружающей заряд, уменьшается в радиальном направ­лении с увеличением расстояния от гипоцентра взрыва. Расчеты мето­дами горной механики распространения волны напряжений, выполнен­ные по программе SOC, дают следующие значения размеров зон тре­щинообразования для взрыва мощностью 5 кт в гранитной породе при глубине размещения заряда 286 м (устройство "Хардаэт"). -

В этих расчетах размер зоны трещинообразования (df) опреде­ляется как расстояние от гипоцентра взрыва до зоны, где прекращает­ся Tpeu(HH006pa30BaHHej вызванное разрушением породы под действи­ем сжатия. В третьей колонке приведенной выше таблицы размер зо­ны трещинообразования представлен в функции радиуса полости.

Исследование кернов из скважин, пробуренных в окрестности места взрыва, позволяет определить размеры зоны трещиноббразо- вания. Определенный этим методом размер зоны трещинообразования во французских экспериментах составляет 3,7 тс, тогда как в слу­чае взрыва устройства "Хардхэт" получены размеры зоны трещино­образования л/ 2гс . Однако последняя величина определена взятием проб малого размера из крупного керна, что не позволяет установить истинную картину проницаемости. Даже в трубообразной полости, в которой заведомо установлена высокая проницаемость, анализ взятых

I

Образцов обнаруживает низкую проницаемость. Проницаемость, опре­деленная лабораторными исследованиями из кернов, извлеченных в районе взрыва устройства "Хардхэт", представлена на фиг. 3.3.

Проницаемость, измеренная в месте взрыва устройства "Хард­хэт", определялась по серии нагнетательных скважин, пробуренных в стенках штрека, который был проложен через трубообразную полость. Проницаемость, определенная этим методом (фиг. 3.4), существенно выше определенной с помощью кернов. Измерения показали увеличе­ние проницаемости на расстоянии, превышающем Зг.. Эти значения по всей видимости искусственно завышены из-за того, что штрек был проложен в радиальном направлении до расстояния, в Згс перед взры­вом. Следовательно, за этой точкой существовала свободная поверх­ность, и проницаемость вдоль штрека могла увеличиться из-за скалы­вания стенок штрека. Так или иначе, измерения указывают на сущест­вование области повышенной проницаемости на расстоянии по крайней мере Згс от гипоцентра взрыва.

Информация о растрескивании была также прлучена путем кли - перных измерений. Клипер представляет собой приемный кабель, жест­ко зацементированный в вертикальной скважине, пробуренной парал­лельно скважине для размещения заряда. Вызванная взрывом волна деформации сначала достигает нижнего конца кабеля и постепенно как бы "откусывает" нижнюю его часть. Длина кабеля непрерывно измеряется по отражению микроволн. Кабель, оставшийся после взры­ва, характеризует размер области трещинообразования, а расстоя­ния между обрывами кабеля служат мерой плотности трещин. Резуль­таты таких измерений в ряде испытаний показали, что картина рас­трескивания зависит от слоистости и плоскостей ослабления в породе.

Зона повышенной проницаемости в газоносном сланце, в котором был осуществлен взрыв устройства "Гэзбугги", оценивалась на осно­ве опытной эксплуатации трубообразной полости (фиг. 3.5). Размер зоны повышенной проницаемости составляет 3,7 гс .

Суммируя изложенное, можно сказать, что трещинообразование зависит от содержания воды, от системы ранее существовавших тре­щин и от плоскостей ослабления в породе. Проницаемость породы ти­па той, в которой были осуществлены взрывы устройств "Хардхэт" и "Пайлдрайвер", увеличивается в радиальном направлении от гипо­центра взрыва и распространяется на расстояние не более 4 гс, где она достигает исходного значения. Проницаемость вблизи края трубо­образной полости имеет порядок 1 дарси. Протяженность области

I

I-

Результаты измерений 1964 г.: Д вертикальная скважина; О горизонталь­ная скважина. Результаты измерений 1965 г-." А вертикальная скаажина; • горизонтальная скважина. 1 — гипоцентр взрыва; 2 — нагнетательные скважины; 3 — конец штрека, проложенного до взрыва; 4 — граница трубо­образной полости; 5 — шахта для доступа к скважинам.

Трещиноватости снижается для сухого гранита, имеющего небольшое количество первоначальных трещин. Расчеты также показывают, что размеры зоны трещинообразования могут уменьшиться для глубоко размещенных зарядов, подобных рассмотренным здесь. Такая сово-

ФИг, 3.5. Примерная оценка увеличения проницаемости в зоне взрыва ядерного устройства "Гэзбугги" [1J.

Купность факторов может привести к тому, что размер зоны трещино - образования будет меньше 2,5 гс .

Характеристики трубообразной полости. Трубообразная полость образуется в результате обвала породы в полость, образованную взры­вом, и последующего распределения объема этой полости в окружаю­щую породу. Трубообразные полости представляют интерес из-за вы­сокой проницаемости, относительно малых размеров кусков-раздроб­ленной породы и простоты извлечения из них тепла.

Обвал происходит из-за неустойчивости полости и может прои­зойти в любой момент после взрыва. Например, полость, образовав - шаяся при взрыве устройства "Хардхэт", осела спустя 11ч после взрыва, а полость, образовавшаяся при взрыве устройства "Пайлдрай - вер", осела сразу же, хотя взрывы были проведены на расстоянии 400 м один от другого в одной и той же породе. Все взрывы в гранит­ной породе (включая французские) привели к оседанию и образова­нию трубообразных полостей.

Трубообразные полости не обязательно симметричны. Окончатель­ная форма полости в сильной степени зависит от первоначальной кар­тины трещин в среде, залегания слоев и зон ослабления.

Объем трубообразной полости зависит от ее формы и часто эту полость представляют в виде цилиндра с полусферой или конуса с полу­сферой. Объемы таких моделей могут отличаться в два раза. Для тру­бообразной полости заданных радиуса и высоты минимальный объем соответствует форме цилиндра, накрытого полусферой. Во всех после­дующих расчетах принимается именно эта модель. Можно показать, что количество тепла, извлекаемое из трубообразной полости, относи­тельно невелико (см. подразд. "Извлекаемая энергия"). Таким обра­зом, погрешность, обусловленная принятой моделью, почти не скажет­ся на конечном результате.

Средняя пористость трубообразной полости, определяемая как отношение объема полости, образованной взрывом, к объему трубооб­разной полости, после оседания вычислялась на основе результатов измерений, проведенных при взрыве устройств "Пайлдрайвер", "Хард­хэт" и "Шоул". Полученные значения пористости составляют 18 - 29%. Кроме этих трех взрывов, было проведено несколько опытов на плато Пахут Меса на полигоне в шт. Невада. Эти данные указывают на тен­денцию к увеличению объемов трубообразных полостей с увеличением мощности зарядов, однако окончательного Заключения сделать не уда­ется из-за сложной картины залегания туфов в Пахут Меса и из-за отсутствия знаний об относительной прочности туфов.

Подытоживая сказанное, можно отметить, что существует боль­шая неопределенность относительно объемов трубообразных полостей из-за отсутствия информации о форме и о размерах трубообразных подсетей, образованных в результате оседания больших полостей (по­лученных при взрыве зарядов большой мощности в твердой породе). Для грубой оценки можно воспользоваться моделью цилиндра, на­крытого полусферой, с отношением его высоты к радиусу полости^4,5.

Распределение тепла, выделившеюся при взрыве. Большое ко­личество энергии, выделяющейся при взрыве, накапливается в виде

Тепловой энергии вблизи места взрыва. Ядерные взрывы в соли (ядерные устройства "Гном" и "Салмон") являются примером предель­ного случая распределения тепла после взрыва. За исключением не­большого частичного оседания, такие полости сохраняют первоначаль­ную форму, а расплавленная соль стекает на дно полости. В данном случае энергия взрыва сконцентрирована в тонком слое стенок полос­ти с повышенной температурой и в слое расплавленной соли. Отбор тепла от расплавленного слоя соли или от стенок является медлен­ным процессом, так как области повышенной температуры непрони­цаемы и теплопередача происходит только путем теплопроводности.

Более типичное распределение тепла, выделившегося при взрыве, было выявлено с помощью штреков, проложенных вблизи места взры­ва устройства "Реньер". Когда полость после этого взрыва осела, куски породы были перемешаны с остеклованной расплавленной поро­дой. Вода, проникшая во время оседания в такую расплавленную по­роду, вскипела.

Такая вода, превращаясь в пар, просачивается через трубообраз - ную полость и передает тецло горячей породе. На фиг. 3.6 представ­лен профиль температуры в разведочной скважине, измеренный через 2,5 мес после взрыва устройства "Шоул". Почти вся трубообразная полость имеет повышенную температуру. Резкий температурный мак­симум (*> 600 °С) находится ниже гипоцентра взрыва и захватывает нижнюю полусферическую часть трубообразной полости. Можно допус­тить, что при взрыве заряда мощностью 1 кт примерно 1000 т породы нагревается до температуры плавления или выше. Следовательно, при взрыве ядерного устройства "Шоул" мощностью 13,1 кт, объем расплавленной породы должен составить^ 5000 м3. Если бы этот объем был распределен в сферическом сегменте в нижней части ниж­ней полусферы полости, то толщина расплава достигла бы 8,76 м. Од­нако толщина зоны с очень высокой температурой в действительнос­ти равна 21 м. Расхождение в ^12 м слишком велико, чтобы можно было считать, что теплопередача осуществляется только одной тепло­проводностью.

Кроме того, температура в этой зоне существенно ниже точки плавления породы. Следовательно, расплавленная порода должна быть распределена в большем объеме и смешана с кусками породы. Далее, эта область должна быть достаточно проницаемой, чтобы пар мог бо­лее равномерно распределить тепло в полости.

~Ф и г. 3.6. Профиль температуры в разведочной скважине, измеренный че­рез 2,5 месяца после взрыва ядерного устройства "Шоуп" L1J.

1 - пустая полость; 2 — трубообразная полость; 3 — расплавленная порода;

4 — гипоцентр азрыаа; 5 — разаедочная скаажина.

Путем извлечения кернов из трубообразной полости, образован­ной при взрыве устройства "Хардхэт", выяснилось, что большая часть расплавленной породы собирается на дне нижней полусферы полости в слое толщиной а/0,25 гс (~'70% кернов представляют собой рас­плавленную породу). При помощи единственной скважины, пробуренной в трубообразную полость при взрыве устройства "Пайлдрайвер", бы - ' ло установлено, что расплавленная порода проникла в полость и нахо­дится на расстоянии 0,23 т ниже точки взрыва.

Исследования большого числа кернов во французских опытах показали, что расплавленный материал присутствует повсюду в осев­шей полости: от 15 до 50% кернов представляют собой расплавленные породы. Более концентрированное распределение расплава, обнаружен­ное в полости, образованной при взрыве устройства "Хардхэт", воз­можно связано с большим временем, прошедшим до момента обвала

1 — разведочная скаажина; 2 — пустая полость; 3 — расплавленная порода; 4 — гипоцентр азрыаа; 5 — трубообраэная полость.

Породы (11ч для устройства "Хардхэт" и несколько секунд для уст­ройства "Пайлдрайвер").

Проницаемость смеси расцлава кусков породы трудно оценить. Из профиля температуры трубообразной полости, образовавшейся при взрыве устройства "Шоул", видно, что тецло передается конвек­цией вверх из нижней полусферы. По-видимому, вода, содержащаяся в породе, превращается в пар и проходит через всю полость. Такой же профиль температуры для полости, образовавшейся при взрыве устройства "Хардхэт", который был получен спустя 11 мес после взрыва (фиг. 3.7), показывает, что температура увеличивается на протяжении всей полости, а максимум температуры находится ниже области расплавленной на 70% породы, где расплавленная порода,

Таблица 3.5

Объемы трещиноватой породы, образованные с помощью ядерных устройств различной мощности [1]

Возможно внедрилась в трещины. Наибольшая зафиксированная тем­пература составляет ^85 °С, что указывает на значительную конвек­цию тецла.

Таким образом, по-видимому, расплавленная порода распределе­на по всей нижней полусфере полости, Перемешана с обломками поро­ды и эта область является проницаемой (хотя и менее чем трубообраэ - ная полость). Около 90% энергии взрыва концентрируется в этой об­ласти и затрачивается на нагревание породы. Эта энергия может быть использована благодаря распределению нагретого материала и прони­цаемости рассмотренной области.

Извлекаемая энергия. В табл. 3.5 представлены соответствую­щие объемы трещиноватой породы, которые могут быть образованы с помощью ядерных взрывов различной мощности, произведенных на глубине 3 км при соблюдении ограничений, установленных в преды­дущих разделах. На фиг. 3.8 приведены оценки электрической энер­гии, которую можно получить из этих объемов. Предполагается, что

1 — все тепло, извлекаемое из трубообразной полости и из трещиноватой зоны на расстоянии 4гс; 2 — то же на расстоянии Зг ; 3 — то же на рас­стоянии 2г ; 4— только трубообразная полость (90% тепла, полученного с при взрыве).

Начальная температура породы 350 °С, конечная температура 150 °С к. п.д. преобразования энергии 21% и константа извлечения энергии 45 кВт «ч/м3. Из этих графиков видно, что извлекаемой только из одной трубообразной полости энергии недостаточно для обеспечения электростанции, мощностью 200 МВт. Таким образом, процесс извле­чения тецла представляет интерес. лишь в том случае, если тепло мо­жет быть извлечено из объема трещиноватой породы, окружающего трубообразную полость (увеличение мощности заряда свыше 1000 кт недопустимо по причине сейсмического характера).

По-видимому, будет нерентабельно извлекать тецло из области трещиноватой породы, образованной одним взрывом. Однако при про­ведении двух или более взрывов с образованием перекрывающихся трещиноватых зон вода или пар свободно могут поступать из одной трещиноватой области в другую. Таким путем можно извлекать теп­ло, содержащееся в трещиноватых породах.

Следовательно, для извлечения тецла в количестве, достаточном для производства электроэнергии, необходимо осуществить серию взрывов определенным образом расположенных зарядов. Эта схема имеет то преимущество, что снижает затраты (в пересчете на один ядерный заряд) на трубопроводы большого диаметра, требуемые, для эффективного выведения пара на поверхность. Заряды в этом случае можно было бы помещать в меньших и, следовательно, менее дорого­стоящих скважинах ( по нескольку зарядов в скважину), а трубопро­вод для вывода пара на поверхность потребуется толь­ко один.

Системы зарядов. Как указано выше, трещиноватая область, об­разованная одиночным зарядом, по характеристикам теплоотдачи и по экономическим характеристикам является неподходящей для раз­работки. С другой стороньґ, системы зарядов имеют то преимущество, что стоимость трубопровода распределяется на большую энергетичес­кую базу. Кроме того, объем, через который проходит пар или вода, в случае взрыва системы зарядов больше, чем при взрыве одиночно­го заряда. Наконец, общий объем образующейся трещиноватой породы при взрыве системы зарядов может оказаться больше, чем при взры­ве нескольких одиночных зарядов.

Увеличение объема трещиноватой породы, получающейся при взры­ве системы зарядов бризантного ВВ, хорошо известно. Коэффициент увеличения определяется как отношение объема трещиноватой поро­ды, полученного при взрыве системы зарядов бризантного ВВ, к объему, полученному при взрывах такого же количества одиночных зарядов того же ВВ.

При взрывании уступов коэффициент увеличения составляет 1,25 — 4, при взрывах на ровной поверхности с образованием воронки 1,1 - 3, а при прокладывании туннелей достигает 4. Однако картина, наблюдаемая при взрывах бризантного ВВ, отличается от подземных ядерных взрывов, которые рассматриваются в данной работе. В пер­вом случае происходит одновременный взрыв нескольких зарядов, которые обычно являются линейными источниками и расположены близко к свободной поверхности. При использовании ядерных устройств большой мощности взрывы следуют одни за другим, заряды являются точечными источниками и расположены вблизи "области с различными свойствами", образованной предыдущим взрывом, которая может быть, а может и не быть подобной свободной поверхности. Следова­тельно, трудно определить, насколько опыт, накопленный при исполь-' зовании бризантного ВВ, применим к системе ядерных зарядов.

Хольцер [5] подсчитал, что объем трещиноватой породы, образо­ванный при взрыве двух '50-килотонных ядерных зарядов, расположен­ных на расстоянии двух радиусов действия, на 25% превышает объем породы, образованный при взрыве 100-килотонного одиночного заря­да. Он предполагает, что оптимальное расстояние между двумя заря­дами составляет более двух радиусов действия. Сэлби [6] рассчитал, что при тетраэдральном расположении, при котором заряды размеща­ют таким образом, что достигается критическое напряжение сдвига для данной породы, может быть достигнут коэффициент увеличения объема трещиноватой породы, равный 2,9.

Для осуществления Плоушерской геотермальной программы необ­ходимо обеспечить большое количество трещиноватой породы. Если одна и та же скважина может быть использована для последователь­ных взрывов двух зарядов при сохранении их максимальной мощности, то можно сэкономить на стоимости работ по бурению одной скважины для размещения заряда. К тому же, возможно, что объем трещинова­той породы возрастет, если оба заряда будут взорваны одновременно. Другими словами, можно ожидать, что объем трещиноватой породы, образованный при взрыве двух 500-килотонных зарядов, превысит объем, полученный при взрыве мегатонного заряда. Однако еще не из­вестно, оправдает ли увеличение объема трещиноватой породы стои­мость дополнительного взрыва. (Стоимость одного заряда слабо за­висит от его мощности, поэтому стоимость двух зарядов, грубо гово­ря, вдвое больше стоимости одного.)