Использование тепла земных недр

Геотермальные ресурсы разделяют на повсеместно распростра­ненные и локализованные. Повсеместно распространенные гео­термальные ресурсы представлены теплом, которое аккумулирова­но твердыми горными породами. Локализованные геотермальные ресурсы — это участки земной коры с аномально высокими темпера­турами. Они представлены очагами магмы, высокотемпературными газами, парами и водами. Повсеместно распространенные геотер­мальные ресурсы в пределах суши на глубинах до 8км составляют примерно 8∙10²³ кДж. Локализованные геотермальные ресурсы мож­но оценить лишь весьма приближенно по количеству подздемных вод и их температуре на заданной глубине. Полагают, что теплосодержа­ние подземных вод в толще земной коры до 5 км составляет около 16·10¹⁸ кДж, а в толще до 8 км — 26,8·10¹⁸ кДж. Локализованные геотермальные ресурсы имеют более высокую концентрацию, но меньше по абсолютному значению, чем повсеместно распространен­ные.

В настоящее время практическое применение находит тепло парогидротерм и термальных вод в России, Италии, Исландии, Новой Зеландии, Японии, США, Мексике, Венгрии (всего в 80 пунктах земного шара).

В основном это тепло используется для теплофикации и частич­но для выработки электроэнергии. Впервые электроэнергия на базе использования тепла термальных вод была получена в Италии в 1889 г. В России на базе термальных вод функционирует Паратунская электростанция на Камчатке. Суммарная мощность всех электро­станций в мире, работающих на базе термальных вод, невелика и составляет в настоящее время около 1 млн кВт. Самая мощная элек­тростанция такого типа функционирует в Италии. Ее мощность до­стигает 320 мВт. В России прогнозируется создание более мощной электростанции в районе г. Махачкалы на базе термальных вод с температурой до 423К (150°С), которые будут добывать с помощью скважины, пробуренной на глубину до 5 км. Широкие возможности по использованию энергии термальных вод имеются в районах Сиби­ри и юго-восточных районов России, где разведано более 50 бассейнов термальных вод с температурой 353-393 К (80÷120°С), а в вулкани­ческих районах до 573 К (300°С).

С точки зрения энергетики будущего большой интерес представ­ляет использование глубинного тепла горных пород, залегающих на глубинах до 6-8 км, имеющих температуру 423-473К (150÷200⁰С). В настоящее время ведутся исследования по разработке систем извле­чения геотермических ресурсов.

Системой извлечения называется комплекс естественных и ис­кусственных каналов и технических средств вывода тепла из недр земной коры на поверхность. Система извлечения включает в себя породные теплообменники, вскрывающие каналы, подвижный теп­лоноситель, комплекс технических средств.

Породные теплообменники представляют собой объемные обла­сти массива горных пород с повышенной температурой, большой теплообменной поверхностью и проницаемостью, достаточной для фильтрации жидкого теплоносителя. Основной задачей породных теплообменников является интенсификация процесса отбора тепла от массива горных пород и передача его жидкому теплоносителю. Породные теплообменники могут быть естественными или искусст­венными, создаваемыми с помощью специальных взрывов в одной скважине или в серии скважин.

Вскрывающие каналы служат для отвода на земную поверх­ность теплоносителя. Они могут быть также естественными и искус­ственными. В качестве естественных вскрывающих каналов могут служить пористые пласты или трещиноватые породы, залегающие в массиве непроницаемых пород, соединяющие породные теплообмен­ники с земной поверхностью. Искусственные вскрывающие каналы представляют собой скважину или систему скважин, пробуренных до глубины залегания породных теплообменников.

В качестве подвижного теплоносителя могут быть газы, пары парогазовые смеси, вода. Подвижные теплоносители подразделяют на природные (эндогенные) и нагнетаемые с земной поверхности к породному теплообменнику (техногенные).

Движение теплоносителя по вскрывающим каналам может быть естественным и принудительным. Естественное движение имеет ме­сто в том случае, когда давление в породном теплообменнике достаточно для перемещения теплоносителя по вскрывающим каналам на темную поверхность.

В этом случае подпитка породного теплообменника жидким теп­лоносителем осуществляется за счет естественной циркуляции или за счет термодиффузии влаги в массиве.

Принудительное движение теплоносителя по вскрывающим ка­налам возможно обеспечить путем нагнетания его через подающую скважину или систему подающих скважин к породному теплообмен­нику с последующей откачкой теплоносителя через заборную сква­жину. Нагнетаемый в теплообменник теплоноситель (нисходящий поток) отличается от откачиваемого (восходящий поток) не только температурой и теплосодержанием, но и агрегатным и химическим составом.

Задачей комплекса технических средств является улавливание и сбор теплоносителя, поддержание заданного напора и расхода ни­сходящего и восходящего потоков теплоносителя, отбор тепла от выведенного на поверхность теплоносителя и изменение его агрегат­ного и химического состава, передача тепла от получаемого теплоно­сителя рабочему теплоносителю с заданными параметрами.

В настоящее время вполне реальными являются проекты использования геотермальных ресурсов с применением искусственных покрывающих каналов и зон повышенной трещиноватости массива на рабочих горизонтах (породных теплообменников). Теплопроизводительность породного теплообменника (количество тепла, отдавае­мое теплоносителю в единицу времени) зависит от его объема и температуры пород. С целью вовлечения в активную область тепло­обмена с теплоносителем как можно большего объема пород рекомен­дуют создавать одну нагнетательную скважину и несколько отводя­щих. Нагнетательная скважина служит для нагнетания в породный теплообменник теплоносителя (воды), а отводящие скважины — для отвода нагретого теплоносителя от породного теплообменника до земной поверхности. На уровне рабочего горизонта каждую отводя­щую скважину состыковывают с нагнетательной путем искривления ствола скважин при их бурении. Искривленные участки скважин на уровне рабочего горизонта подвергают торпедированию с целью со­здания продольных (вдоль скважин) зон дробления массива с повышенной проницаемостью, которые в совокупности представляют по­родный теплообменник.

Соединение вертикальной нагнетательной скважины с каждой отводящей может быть осуществлено, если последние будут пробуре­ны под некоторым углом к вертикали в направлении нагнетательной скважины так, чтобы их соединение произошло на уровне рабочего горизонта. При этом топедированию подвергаются нижние участки отводящих скважин. В этом случае теплопроизводительность пород­ного теплообменника будет ниже по сравнению с вариантом искрив­ленных на уровне рабочего горизонта отводящих скважин, так как объем породного теплообменника будет меньше. Под объемом пород­ного теплообменника понимают объем зоны дробления массива на уровне рабочего горизонта с повышенной проницаемостью.