ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Проблемы освоения геотермальных ресурсов

Проблемы, связанные с определением местоположения и оценкой запасов месторождений природного пара, аналогичны соответствую­щим проблемам при разведке нефти и природного газа, и решаются с помощью аналогичных геологических и геофизических методов в сочетании с геохимическими и гидрологическими исследованиями, а также изучением переноса тепла Однако о месторождениях природ­ного - пара и горячих вод известно пока меньше, чем о месторождени­ях нефти и газа. В частности, неясно, как соотносить данные о гео­логических структурах и результаты наземных исследований и аэро­фотосъемки с наличием подземных бассейнов пара и горячей воды. Основным и решающим, хотя и дорогим, методом разведки остается бурение.

Первое разведочное бурение обычно проводится на глубины все­го в несколько десятков или сотен метров с целью определения ло­кальных геотермических градиентов, а также гидрогеологических ус­ловий и литологии месторождения. Место бурения обычно определяют исходя из поверхностных проявлений гидротермальной активности, до­полняемых геохимическими исследованиями природных вод и конден­сатов, измерениями электрического сопротивления по глубине, мик­росейсмическими исследованиями и результатами, получаемыми дру­гими геофизическими методами. Хотя методы обнаружения геотер­мальных месторождений интенсивно развиваются, необходимо их дальнейшее совершенствование.

Бурение остается наиболее эффективным методом разведки, оценки запасов, освоения и использования геотермальных месторож­дений. За исключением случаев, когда существует опасность встре­тить высокотемпературные теплоносители, разведочное бурение про­водится традиционными методами, и поэтому в основном развитие соответствующего оборудования и методов будет заключаться в сни­жении затрат на бурение разведочных скважин малого-диаметра и скважин без обсадки.

Бурение продуктивных скважин связано с особыми трудностями, обусловленными главным образом наличием непрочных пород, высо­ких температур, давлений и больших расходов теплоносителей, вызы­вающих коррозию.

Бурение продуктивных скважин в существующих месторождениях пара и горячей воды в настоящее время производится с помощью более или менее традиционных способов, но сам процесс бурения оказывается трудным, дорогим и опасным, и очень часто буровое оборудование выходит из строя раньше, чем достигается запланиро­ванная глубина скважины. Следовательно, для разведки, освоения и использования геотермальных месторождений весьма желательны разработка и создание новых методов бурения и более совершенного оборудования. '

Геологические, геофизические и гидрогеологические исследова­ния в скважинах являются основной частью работ по разведке и ос - ' воению. Большая часть существующего оборудования для каротажа скважин разработана для нефтяных месторождений и не предназна­чена для использования при температурах, имеющих место в геотер­мальных скважинах. Это существенно ограничивает возможность ис­следований с помощью скважин и получение информации о месторож­дении. В настоящее время разрабатываются оборудование для каро­тажа при высоких температурах и Соответствующие методы.

Так как до сих пор нет полной ясности в отношении гидротер­мальных месторождений, то не достигли совершенства ни анализ, ни модели, являющиеся основой диагностики месторождений методом зондирования. Расположение и оборудование для скважин, их дебит, последовательность бурения, а также способы закачки до сих пор выбираются на основе интуиции и имеющегося опыта, а не исходя из действительного понимания физики процессов, и поэтому далеко не оптимальны. Все еще отсутствуют надежные модели месторождений и методы их эксплуатации. Их создание является первостепенной за­дачей.

Основные геохимические проблемы и связанные с ними пробле­мы сброса в окружающую среду загрязняющих веществ уже были рас­смотрены. В последнее время наметилась тенденция закачивать об­разующийся конденсат и излишки воды со всеми растворенными в них газами и минеральными солями в продуктивную формацию через непродуктивные или специально пробуренные скважины. При этом почти все химические загрязнения вновь оказываются под землей, и

Исключается возможность их попадания в поверхностные воды. Мес­торождение вновь заполняется жидкостью, и опасность оседания по­верхности, связанная с извлечением теплоносителя, понижается. Од­нако это требует дополнительных затрат и связано с риском заку­порки породы частицами или осадком, содержащимися в закачивае­мой воде, вблизи скважины для закачки.

Коррозия, образрвание отложений и закупорка бурильного обору­дования, обсадных труб и системы труб на поверхности также явля­ются серьезными проблемами при извлечении из месторождений го­рячих растворов. Пока не будут разработаны химические методы Устранения этих проблем, придется использовать дорогие коррозион - Ностойкие материалы для конструкций наземной части системы и пе­Риодически закрывать скважины для очистки или замены оборудова­ния.

В искусственных геотермальных системах с сухими породами в процессе их разработки возникают некоторые трудности, присущие гидротермальным месторождениям, к которым добавляется ряд до­полнительных трудностей. Разведка сухих геотермальных месторож­дений достаточно проста, так как требуется обнаружение только вы­сокой температуры и требуемой литологии. Разведка, разработка месторождения и бурение продуктивных скважин в целом также ме­нее сложны, чем в случае гидротермальных месторождений, посколь­ку при их проведении не приходится иметь дело с большими давления­ми и расходами горячей коррозионно-активной воды или пара, а ос­новным препятствием является лишь высокая температура, которую можно регулировать, обеспечив циркуляцию соответствующего охла­дителя.

Основными проблемами использования таких месторождений яв­ляются инженерные проблемы, связанные с достаточно интенсивным извлечением тепла из сухих горных пород, осуществляемым подходя­щим способом при, стоимости, не превышающей ее значений для дру­гих систем. Решающим фактором для этих проблем является низкая теплопроводность таких пород.

При отсутствии отвода тепла поступающей в скважину водой или паром оно должно передаваться через породу теплопроводностью, а это очень медленный процесс. Идея, заключающаяся в опускании через специальную скважину теплообменника для извлечения энер­гии из недр, практически не оправдана, за исключением редких слу­чаев, когда через формацию, содержащую скважину, проходит мощ­ный горизонтальный поток горячей воды. Если же теплота подводит­ся к скважине только под действием теплопроводности, то тепловой поток столь мал, что даже при извлечении тепла из скважины с мак­симальным к. п.д. и с нулевыми затратами его будет недостаточно Для погашения затрат на бурение скважины. Бурение скважины боль­шего размера существенно не меняет ситуации, так как стоимость бурения возрастает с увеличением диаметра скважины в той же про­порции, что и площадь поверхности полученной скважины.

Чтобы извлечение энергии из сухих горячих пород было экономи­чески выгодным и происходило достаточно интенсивно, необходимо

Создать в породе большую площадь теплоотдачи менее дорогими способами, чем бурение множества скважин, а также обеспечить циркуляцию большого объема теплоносителя по всей новой поверхности. Тепло-, носитель извлекается затем на поверхность и отдает тепло в тепло­обменнике, после чего он возвращается в подземную циркуляционную систему и вновь "запасается" теплом. Имеется ряд предложений по развитию энергетических систей такого типа.

В засушливых районах и там, где трещиноватые образования пе­рекрыты водонепроницаемыми пластами, расположены горячие поро­ды, в которых не могут образовываться ни перегретая вода, ни пар просто из-за отсутствия воды. В таких случаях не обязательно созда­вать новую поверхность, а достаточно подать в недра воду, позволить ей просочиться через формацию и затем извлечь ее уже в виде пе­регретой воды или пара. Методы закачки, аналогичные используемым при вторичной добыче нефти, позволят получить большие количества. тепла из такой формации. При этом приходиться бурить множество скважин, через некоторые из них закачивать холодную воду, а через другие - извлекать горячую воду или пар.

Так как вязкость горячей воды меньше, чем холодной, то послед­няя интенсивно вытесняет всю нагретую воду вверх к скважинам и такой способ извлечения тепла оказывается весьма эффективным. Хотя затраты на бурение в подобной системе велики, а время освоения продолжительно, тем не менее при подходящих геологических услови­ях можно получать большие количества тепла в течение продолжитель­ного времени.

Таким образом, в сухих горячих породах необходимо создавать новую поверхность теплообмена, а также обеспечивать закачку, цир­куляцию и извлечение теплоносителя. Один из часто предлагаемых способов создания таких условий Состоит в организации взрыва бри­зантного ВВ в скважине, чтобы раздробить породу вокруг нее, и по­следующей подаче холодной воды по скважине или по изолированной трубе, установленной в ее центре. Под действием конвекции вода бу­дет циркулировать между обломками породы, а из второй скважины или через кольцевую щель вокруг трубы в той же скважине можно будет извлекать горячую воду или пар. К сожалению, для образова­ния достаточно большого объема раздробленной породы требуется неоправданно большое количество ВВ, что невыгодно из экономичес­ких соображений. Поэтому чаще предлагается использовать для этой цели ядерные заряды.

Согласно исследованиям по Плоушерской программе [11], ис­пользование ядерных зарядов экономически выгодно лишь в случае

Последовательного проведения взрывов довольно большого числа Мощных ядерных зарядов, расположенных по схеме плотной заклад­ки. Помимо опасности, связанной с постоянным наличием радиоак­тивных обломков, образовавшихся во время этих взрывов, вызванное ими землетрясение может быть столь сильным, что вряд ли допусти­мо в большинстве районов мира Однако можно найти способы реше­ния указанных проблем, и поэтому от такого предложения, содержа­щегося в Плоушерской программе, пока не отказались.

Другой изучаемый в настоящее время метод извлечения тепла из сухих горячих пород состоит в использовании гидроразрыва для об­разования трещиноватости и поверхности теплообмена (гл. 2). Это стандартный метод подготовки нефтяной или газовой скважины к эксплуатации, применяемый для увеличения проницаемости продук­тивных формаций вокруг скважины. Он предусматривает использо­вание высоконапорного насоса на поверхности для создания в сква­жине давления жидкости, достаточного для растрескивания породы, образования и последующего увеличения разрыва. На фиг. 1.3 схема­тически показан метод, состоящий в бурении скважины на достаточ­ную для достижения горячей породы глубину и в последующем обра­зовании вокруг скважины большой трещины эллипсоидальной формы. Подземная циркуляционная система организуется затем или путем размещения в той же скважине изолированной трубы, или, как пока­зано на фиг. 1.3, путем бурения второй скважины, достигающей тре­щины.

Холодная вода, закачиваемая через более глубокую скважину, нагревается, проходя через трещину, ее плотность понижается и она поднимается на поверхность через вторую скважину или через коль­цевой зазор вокруг изолированной трубы. Таким образом, циркуля­ция поддерживается непрерывно без насоса Охлаждение породы вбли­зи забоя скважины для закачки жидкости может вызвать растягиваю­щие напряжения, достаточные для образования новых трещин, и сле­довательно, расширение циркуляционной системы во все стороны. В этом случае увеличение поверхности теплообмена в породе может Полностью компенсировать охлаждение поверхности первоначальной трещины. Таким образом, система извлечения энергии будет само­возобновляемой.

Однако существует ряд проблем, связанных с созданием и ис­пользованием такой системы. В частности, в горячих кристалличес­ких породах вряд ли можно получить достаточно большой гидравли­ческий разрыв, создание которого возможно лишь при существенном развитии современной техники. Кроме того, очень трудно создать и

Поддержать достаточно низкое гидравлическое сопротивление взаи­Мосвязанных циркуляционных каналов, чтобы обеспечить циркуляцию большого объема жидкости под действием разности плотностей. П®- этому существует возможность непосредственного попадания Голод­ной жидкости из скважины для закачки в продуктивную скважину. Если трещиноватая формация имеет достаточную проницаемость, то утечка жидкости из системы может быть высокой, что не позволит реализовать описанную выше схему с закачкой воды под давлением.

Указанные трудности можно избежать путем организации вски­пания воды с образованием пара на любом заранее выбранном уров­не системы. Однако это может создать опасность закупорки системы трещин растворенными минеральными солями и значительно понизить скорость переноса тепла к поверхности через скважину. Другой спо­соб заключается в размещении внутри скважины на некоторой глуби­не насоса для поддержания в верхней ее части давления, достаточно­го для предотвращения вскипания, в то время как вся остальная часть системы будет находиться при пониженном давлении. К сожалению, пока не существует насосов для работы при таких высоких темпера­турах.

Возможны другие циркуляционные системы и рабочие схемы для закачки холодной жидкости в сухие геотермальные месторождения и извлечения ее после нагревания в недрах породы. Все такие системы будут полностью замкнутыми и, следовательно, не будут вызывать загрязнения окружающей среды. Однако и для этих систем придется решать те же химические проблемы, в том числе проблемы коррозии, что и для описанных выше систем с природным паром и перегретой водой.

Самыми серьезными проблемами при крупномасштабном освое­нии геотермальной энергии в США являются не столько рассмотрен­ные выше научные и инженерные проблемы, сколько традиционные проблемы организационного, финансового и юридического плана, ко­торые очень запутаны и сложны. Например, там, где права на землю, минеральные ресурсы и воду разделены, неясно, кто же является вла­дельцем геотермальной энергии и как этот владелец может ее исполь­зовать или доставлять потребителю. Большая часть известных гео­термальных ресурсов в США расположена на государственных землях, на которых практически невозможно проводить частные изыскания и на которых порядок сдачи земель в аренду только разрабатывается.

Местные законы, законы штатов, а также федеральные законы, налоговые, правовые и уставные системы являются неполными', час­тично перекрывающими, а иногда противоречащими друг другу, боль­шей частью не согласуются между собой и неправильно истолковы­ваются. Юридические требования к коммунальным предприятиям та­ковы, что надежное долгосрочное снабжение топливом должно быть гарантировано до сооружения новой электростанции. Применительно к геотермальной энергии это требование сводится к тому, что тре - буемые для ГеоТЭС продуктивные скважины должны быть пробурены и опробованы путем стравливанйя в атмосферу за месяцы или годы до начала сооружения электростанции. Такая отсрочка в получении прибыли очень затрудняет финансирование геотермальных разработок. В США имеются и другие организационные трудности, задерживаю­щие развитие геотермальной индустрии, и все они в комплексе до­статочно сложны.