ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В настоящее время разведка новых геотермальных месторожде­ний сводится к выявлению районов с термальными источниками. Это весьма напоминает положение дел в нефтедобывающей промышленнос­ти в начале 1900-х годов, когда разведка нефти заключалась в отыс­кании на поверхности земли следов нефти. Необходимы широкие ис­следования для того, чтобы разработать, улучшить и усовершенство­вать методы геотермальной разведки. Ниже рассматриваются неко­торые связанные с этим области исследований.

Геологические методы. Геологические методы используются в ходе геотермальной разведки на всех её стадиях — от определения местоположения до оценки площадки и подробного изучения данных, полученных с помощью бурения, и результатов измерений, проведен­ных в ходе бурения. Геологические исследования являются основой для интерпретации данных, полученных с помощью геохимических и геофизических методов разведки, и в качестве таковой представляют собой неотьемлемую часть всех стадий геотермальной разведки.

Геологические исследования, необходимые для создания основы для интерпретации данных, включают: определение возраста, разме­ра и характера магматических и вулканических образований, связан­ных с конвективными гидротермальными системами; исследования природы структурных особенностей, характеризующих местоположение конвективных гидротермальных систем и систем с непроницаемыми породами: связь конвективных гидротермальных систем с обширны­ми областями с повышенным тепловым потоком.

Геохимические методы. Геохимическая разведка геотермальных ресурсов сводится к химическому анализу проб воды и газов из высо­котемпературных и низкотемпературных источников, из мест выхо­да пара на поверхность, неглубоких скважин и поверхностных пото­ков. Данные этого анализа используются для определения состояния теплоносителя на глубине, оценки минимальной температуры на глу­бине, оценки постоянства притока воды, предсказания химического состава воды на глубине и определения источников питания. Геохи мические данные, накопленные в ходе разведки, также представляют

24 Зак. 14650

Интерес на стадии эксплуатации геотермального месторождения, и потому важно сохранить их на будущее.

Хотя некоторые гидрогеохимические показатели представляют ценность и находят применение в ходе геотермальной разведки, дру­гие могут служить в настоящее время лишь качественными показате­лями или вообще не поддаются интерпретации на основе существую­щей теории и эксперимента. Необходимо исследовать химические, фи­зические и термодинамические свойства растворов в интервале тем­ператур 100 —400°С, зависимость химического состава геотермаль­ных растворов в естественных условиях от первоначальной темпера­туры породы (до бурения), изотопный состав воды и различных рас­творенных компонентов, в особенности газов.

Электрические методы. До настоящего времени измерения элек­трического сопротивления являлись одним из основных способов об­наружения геотермальных полей. Геотермальные системы характери­зуются термически индуцированными изменениями удельного электри­ческого сопротивления. Оценки фактической температуры и объема системы во многих случаях затрудняются из-за колебаний сопротив­ления, связанных с изменениями пористости породы, солености воды, структуры породы и частичного вскипания воды.

Очень важно выяснить, как изменяются пористость породы, сте­пень солености воды и давление в реальных геотермальных месторож­дениях, с тем, чтобы интерпретация полученных данных могла произ­водиться с большей уверенностью. Кроме того, необходимо улучшить методы полевых измерений сопротивления и методы определения ис­тинных значений сопротивления по результатам полевых измерений. Возможно, особенно эффективным окажется использование других методов разведки для улучшения интерпретации данных по электри­ческому сопротивлению.

Кроме того, необходимо дальнейшее развитие таких электричес­ких методов, как измерение сопротивления при постоянном токе, из­мерение эквипотенциала, а также электромагнитные, теллурические и магнитотеллурические методы. При разведке крупных месторожде­ний могут представить интерес аэрометоды.

Сейсмические методы. Исследование отражения и преломления волн может быть использовано для определения структуры пород по­тенциальных геотермальных районов. Помимо классических опытов по регистрации времени прибытия сигнала, необходимо провести до­полнительные исследования поглощения и затухания волн И измене­ния частоты волн в известных высокотемпературных системах. Гео­термальные районы характеризуются высоким коэффициентом зату­хания и сдвигом к более низким частотам распространяющихся сейсми­ческих волн. Возможно, эти данные можно использовать в качестве показателя внутренней температуры бассейна.

Подробные исследования, проведенные в Исландии, в Эль-Сальва­доре и США (шт. Калифорния), указывают на тесную связь сейсмичес­кой активности с геотермальными полями. Подземные толчки проис­ходят на небольшой глубине (6 км) и являются довольно слабыми. Точ­ное определение картины землетрясения облегчает выявление границ разломов, по которым горячий раствор может подниматься до уровня, доступного для бурения.

Хотя большинство специалистов сходятся во мнении, что сниже­ние геотермального давления скорее уменьшит опасность землетря­сения^ чем увеличит ее, необходимо понять причину таких толчков и оценить влияние геотермальных теплоносителей и высоких темпера­тур на подверженность пород расколам и смещению. С этой точки зре­ния следует изучить потенциальные и разрабатываемые геотермаль­ные районы.

С геотермальными районами в Новой Зеландии и в долине Импи­риал-Валли на юге Калифорнии соотносятся области с высоким уров­нем фонового движения пород (сейсмический шум). Наблюдения за сейсмическими шумами в потенциальных геотермальных районах ве-" дутся во многих странах. Следует провести исследования, чтобы оце­нить колебания шума во времени и пространстве, характеристики опо­знанных источников шума, спектры шума и его когерентность, на­правление его распространения и кажущуюся скорость, местоположе­ние источников шума и его причину.

Методы гравитационных и магнитных измерений. Гравитационные и магнитные особенности геотермальных систем сильно различаются в зависимости бт геологических условий местности. Не существует простого ответа на вопрос о том, какой тип аномалии следует ожидать в том или другом месте. Однако эти методы оказались полезными при разведке известных геотермальных бассейнов для определения общих структурных особенностей и при выявлении потенциальных гео­термальных систем. Их следует считать методом рекогносцировки при описании районов, которые могут оказаться геотермальными.

Требуется дополнительно исследовать вопрос о причине таких аномалий, связанных с известными геотермальными полями, а так­же выяснить, можно ли их считать показателем внутренней темпера­туры системы.

Тепловые методы. Измерения тепловых характеристик дают воз­можность непосредственно оценить размер и потенциал геотермаль­ной системы. С точки зрения стоимости и эффективности их можно расположить в следующем порядке: измерения температуры на поверх­ности, распределения геотермического градиента, определения тепло­вого потока.

Необходимы дополнительные измерения регионального теплового потока, чтобы уточнить предварительные оценки известных геотер­мальных ресурсов. Необходимо всестороннее исследование с целью определения соотношения между градиентами температуры, распре­делением изотерм по глубине и геометрией геотермальных систем. Требуется также провести измерения температур в лабораторных ус­ловиях на моделях геотермальных систем. Необходимы гидрогеоло­гические исследования, чтобы полнее понять влияние движения под­земных вод на локальные геотермические градиенты.

Бурение. В США разработаны надежные методы бурения на глу­бины от сотни метров до 7500 м при температурах до 200°С. Скважи­ны для измерения градиента температуры бурят с помощью методов, используемых при проходке скважин для сейсмических взрывов. Для этих измерений требуются неглубокие скважины малого диаметра. Существующие методы достаточно эффективны и недороги, поэтому дополнительные исследования не требуются. Скважины для измере­ния теплового потока бурят методами, применяемыми при разведке полезных ископаемых. Эти методы надежны, хотя стоимость работ выше, чем при бурении скважин для измерения градиента температу­ры. Число скважин для измерения теплового потока не настолько ве­лико, чтобы оправдать расходы на исследования, направленные на снижение стоимости этих работ. Скорее следует рекомендовать исполь­зовать существующую технологию бурения.

Апробирование пластов в скважинах, не обсаженных трубами, может дать полезную исходную информацию для разведки геотермаль­ных месторождений с жидким теплоносителем. Не решена задача оп­ределения интервала взятия проб в рыхлых песчаниках и в трещино­ватых породах бассейнов. Исследования в этой области были бы по­лезны для проектов по разработке геотермальных ресурсов, добыче нефти и газа и получению воды. Дешевый способ извлечения образ­цов породы вместе с заключенной в них геотермальной жидкостью мог бы облегчить моделирование геотермальной ячейки.

Измерительная аппаратура, имеющаяся в настоящее время, ра­ботает неудовлетворительно при температурах выше 200°С. Необхо­димо немедленное исследование методов передачи информации из за­боя скважины на поверхность. Создание дешевых буровых растворов, обладающих низкой" плотностью и малой вязкостью, не чувствитель - ' ных к колебаниям температуры, с высокой теплопроводностью и вы­соким поверхностным натяжением улучшило бы технологию бурения и тем самым снизило бы его стоимость, одновременно обеспечив мак­симально возможное ненарушенное состояние забоя скважины.

Для будущих программ потребуется документация всех получен­ных данных. Консервация и хранение кернов, образцов породы и запи­сей в рабочих журналах потребует средств, которые нельзя отнести в • рубрику собственно исследования; однако без этих расходов невозмож­но эффективное проведение работ в данной области.

Фундаментальные исследования. Существует настоятельная по­требность в изучении физических свойств пароводяных смесей, типич­ных для геотермальных систем. Эта информация необходима для об­легчения интерпретации результатов геофизической разведки и для определения оптимальных условий эксплуатации.

Необходимы исследования в области геотермии и гидрогеологии, чтобы лучше понять природу источника энергии в геотермальных сис­темах, которые могут быть разработаны, а также основных механиз­мов передачи энергии (теплопроводностью, конвекцией и излучением) в коре и верхней части мантии. Кроме того, представляет большой интерес механизм передачи энергии в конкретных геотермальных сис­темах (теплопроводность, конвекция однофазных и двухфазных тепло­носителей).

Требуется изучение размещения геотермальных систем, пригод­ных для эксплуатации, в свете современных теорий науко земле (мо­дели распространения океанических и платформенных тектонических структур), чтобы установить закономерности распределения геотер­мальных аномалий по всему земному шару.

Следует направить усилия на решение ряда математических задач, встающих в ходе разведки и эксплуатации геотермальных систем. Осо­бый интерес представляют задачи, связанные с геотермией, гидрогео­логией, обработкой данных и общей теорией интерпретации данных. Это по­требует исследований в области прикладного математического анализа, численного анализа и моделирования с помощью вычислительных машин.

Должны быть исследованы и разработаны новые методы геотер­мальной разведки в области сейсмологии, методов измерения потен­циала поля и упругих напряжений. Следует предпринять разработку теории оптимизации методов и техники разведки.