Геотермальная энергетика

                [b]ТЭЦ под землёй[/b]

    [i]А. КРЕМЕНЕЦКИЙ, зам. директора ИМГРЭ[/i]

    Так называемая ресурсная пирамида природной энергии, построенная американским учёным П. Мафлером для геологических условий США, наглядно иллюстрирует рост геотермальных ресурсов Земли с глубиной. Самыми минимальными запасами энергии располагает приповерхностная зона (0-3 км), потенциальная энергия, сосредоточенная здесь в парогидротермах, соответствует энергии, выделяемой при сжигании 1,6 триллиона тонн угля; почти в 4-9 раз большее количество энергии заключено в горячих водонапорных системах, локализованных на глубинах 3-7 километров, и горячих "сухих" породах (3-10 км). И наконец, самым могучим природным генератором тепла являются очаги магматических расплавов, фиксируемые в областях современного вулканизма на глубинах от 3 до 10 километров. По расчётам того же П. Мафлера, заключённые здесь потенциальные ресурсы энергии соответствуют энергии, выделяемой при сжигании 18 триллионов тонн угля.
    В процессе бурения Кольской скважины СГ-3 на Балтийском щите выяснилось, что после 3000 метров температура стала постепенно нарастать, и на глубине 12 километров вместо ожидаемых 120 градусов термометр зафиксировал 216 градусов! В чём же причина? Фактически, как уже отмечалось выше, Кольская скважина выявила обратную зависимость между породами, слагающими разрез Балтийского щита: 30-километровый слой – радиогенные граниты и гранулиты и всего 10 километров – базальты. Используя новые данные о температурном режиме в 12-километровом разрезе Кольской скважины, были рассчитаны значения температуры для границ Конрада (глубина – 30 км – 460 С) и Мохо (глубина -42 км – 580 С). При разбуривании таких структур в них на глубине 1-2 километров обычно вскрывается множество мелких гидротермальных систем с температурой 180-240 градусов, а в некоторых скважинах температура достигает 300-400 градусов.
    Температура сухого пара обычно более 240 градусов; расход пара – 250-8000 т/ч. При вскипании парогидротерм 13-25 процентов жидкости переходит в насыщенный пар, температура пароводной смеси 180-370 градусов; средняя производительность скважин до 460 т/ч.
    Что же касается практического использования этих источников энергии, то за последние десятилетия освоенными оказались только самые простые и легкодоступные – гейзеры, фумаролы и подземные горячие воды. В Исландии, Италии, Западной Америке и на Гавайях тепло земли сегодня используется не только для отопления жилищ и теплиц, но и для производства электроэнергии. Для выработки 1 кВт/ч энергии необходимо всего 20 килограммов пара. Для того чтобы переработать в электрическую энергию тепло горячих рассолов или низкотемпературных (ниже 150 градусов) гидротерм, используют двухконтурные установки с теплообменниками, в которых в качестве вторичного теплоносителя используют низкокипящие жидкости типа фреона или изобутана. В западных штатах Америки (Калифорния, Невада) функционирует целая сеть ГеоТЭС подобного типа. Эти станции отличают не только высокая экономичность, но и максимальная экологическая безопасность, так как они имеют полностью замкнутые циклы и для вторичного теплоносителя, и для горячих минерализованных подземных вод. Последние, как правило, поступают наверх по эксплуатационным скважинам с глубин около 500 метров, а после съёма тепла не очищаются и не сбрасываются в поверхностные водоемы, а закачиваются назад на глубину 2000 метров, постоянно пополняя подземный гидротермальный резервуар. Сегодня суммарная мощность действующих в США геотермальных электростанций (более 120 энергоблоков) составляет 2800 мВт, или 50 процентов общей мощности всех станций этого типа в мире. В бывшем СССР, к сожалению, действует только один энергоблок на Камчатке, с мощностью всего 11 мВт. Что же касается тепла, генерируемого с больших глубин, расчёты, выполненные американскими учёными, показали, например, что тепло, законсервированное под Соединенными Штатами на глубине до 4 километров, эквивалентно 3000 триллионам баррелей нефти и, таким образом, в 200 тысяч превышает годовое потребление энергии в США.
    Как же освоить эту энергию? Специалисты из национальной лаборатории в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико, США) ещё 17 лет назад разработали проект, получивший название «Горячие сухие породы». Суть проекта проста: в районе природной термоаномалии бурятся две скважины на расстоянии 50 метров одна от другой, чтобы обеспечить сообщение между ними на требуемой глубине в призабойной части. Затем в одну из скважин (инъекционную) под высоким давлением закачивают холодную воду, которая на большой глубине должна нагреться до 450 градусов, но благодаря высокому давлению не превратиться в пар, после чего по соседней (продуктивной) скважине сама начнёт подниматься вверх. В первые годы осуществить проект мешали два обстоятельства: во-первых, недостаток знаний о физико-механических свойствах горячих глубинных пород, а во-вторых, высокая стоимость бурения скважин специальным термо-и баростойким инструментом. Тем не менее, в 1979 году в кальдоре Валес (район Фентон-Хилл) американские учёные забурили две скважины в гранитном массиве. Через год и четыре месяца обе скважины достигли глубины 1440 метров, где измеренная температура пород на забое составила 465 градусов. Бурение проводилось с помощью долот, армированных вольфрам-карбидным сплавом. Ствол скважин специально отклонялся от вертикали на 35 градусов; при этом забой первой (инъекционной) скважины на несколько сот метров опережал, но всегда находился строго под забоем второй (продуктивной) скважины. Затем, чтобы соединить между собой забои обеих скважин, в инъекционную было закачано под высоким давлением 45 миллионов литров воды. Ожидалось, что под воздействием гидравлической силы воды в массивных и однородных гранитных породах возникнет серия субвертикальных трещин, которые, расширяясь, пересекут наклонные стволы скважин и тем самым соединят их в единую гидродинамическую систему. Однако эффект оказался иным. Под действием гидроразрыва возникли не новые субвертикальные трещины, а приоткрылись и расширились субгоризонтальные микротрещины, ранее существовавшие в этом гранитном массиве. В результате вдоль нижних 930 метров вокруг ствола инъекционной скважины образовалось небольшое по размерам эллипсовидное облако микротрещин, которые никак не могли обеспечить сообщение нагреваемой здесь воды с продуктивной скважиной. В 1986 году после дополнительной коррекции угла наклона продуктивная скважина всё же попала в зону трещиноватости инъекционной скважины. Однако техническое испытание созданной таким образом подземной гидросистемы принесло новый сюрприз – около 20 процентов закачиваемой воды (а это 9-14 миллионов литров) терялось в недрах и не возвращалось наверх; последнее обстоятельство особенно неприятно для района, где проводился эксперимент (запад США относится к засушливым районам). Тем не менее цель эксперимента была достигнута – при закачивании воды с температурой 70 градусов она поднималась наверх через 12 часов, нагретая до 375 С.
    В 1989 году проект опытной геотермальной станции был разработан в России на базе Тырныаузской глубокой скважины, проходку которой на Северном Кавказе осуществило ГНПП «Недра». Тырныаузская глубокая скважина была забурена в 1987 году в центральной части Эльджуртинского гранитного массива в 1,5 километра от эксплуатируемого вольфрам-молибденового месторождения и одноимённого города Тырныауз, а в 1989 году была остановлена на проектной глубине 4001 метр. Исследования, выполненные в этом разрезе и по извлеченному из него керну, показали, что вскрытый массив представлен однородными средне- и крупнозернистыми гранитами с отчётливой субгоризонтальной трещиноватостью, интенсивность которой растёт с глубины. В отдельных интервалах разреза зафиксированы притоки горячих минерализованных подземных вод; температура, измеренная на забое скважины, составила 270 градусов. В соответствии с проектом, разработанным специалистами ГНПП «Недра», пробуренная скважина должна играть роль инъекционной (нагнетательной), для чего до глубины 3457 метров ствол необходимо было бы зацементировать, а ниже изменить угол наклона ствола на 30-40 градусов и продолжить его ещё на 350-400 метров. Затем с помощью искусственного гидроразрыва вокруг наклонной части ствола формируют систему трещин, обеспечивающую свободную циркуляцию нагреваемой воды в искусственно созданном подземном геотермальном котле. Пробуренная рядом вторая (продуктивная) скважина должна иметь аналогичную конфигурацию, чтобы обеспечить с минимальными потерями вывод на поверхность воды, нагретой до 240 градусов. Расчёты показывают, что даже если в подземном геотермальном котле будет всего 5 трещин длиной 500 метров и шириной 1-2 миллиметра, то даже они обеспечат регулярное поступление наверх 50 литров горячей воды в секунду, что достаточно для обогрева 20 тысяч человек, или половины населения города Тырныауз.
    Российские учёные и практики готовы завершить данный проект (тем более что большая часть средств уже освоена), однако политико-экономический кризис в России сегодня, по-видимому, «заморозит» и этот перспективный экологически чистый источник энергии.
    Что же касается экономически развитых стран, то они, и в первую очередь Соединенные Штаты Америки, сегодня уже заняты разработкой принципиально новых проектов использования подземного тепла. В частности, американские учёные Национальной лаборатории «Сандия» предложили извлекать тепло с помощью скважин, пробуренных непосредственно в «живой» магматический расплав. В качестве первоочередных объектов для бурения выбраны современные лавовые озёра, покрытые толстой твёрдой коркой, и так называемые промежуточные магматические камеры действующих вулканов (фиксируются сейсмическими методами на глубинах 5-7 километров). Первые опыты показали следующее. На Гавайских островах через твёрдую двухсотметровую корку лавового озера Килауэа было пробурено несколько скважин. При этом в одни скважины нагнеталась холодная вода, а из других извлекался пар. Полученная суммарная тепловая мощность (980 кВт/м) послужила основанием для строительства здесь ГеоТЭС мощностью 25 МВт.
    В 1990 году первая экспериментальная скважина была забурена в неглубоко залегающие магматические камеры на западе Америки (штат Невада). Проектный разрез скважины: затвердевший поток вулканического стекла, вулканические туфы, на глубине 7000 метров – кровля магматического очага, заполненного расплавом с температурой более 1000 градусов. К настоящему времени бурение остановлено, поскольку до сих пор не решён ряд проблем, связанных с системой охлаждения магматического расплава и поведением бурильного инструмента в затвердевающем расплаве.
    Как бы то ни было, но будем надеяться, что и этот проект будет реализован, и тогда мировая геоэнергетика получит ещё один высокоэффективный и долговременный способ использования природного тепла земных недр.

    [i]«Свет» («Природа ичеловек»), №11, 1995 г., стр. 10-11[/i]
[color=red]______________________________________[/color]

    P.S. Геотермальные источники тепла – моя любимая тема, поскольку в этом источнике я вижу полную автономность и экологическую безопасность. Смущает несколько факторов: необходимость наличия бурового оборудования и дорогостоящих работ по проделыванию дырок в земле. Не решён, по моему мнению, и вопрос создания на требуемой глубине (путём небольших взрывов?) герметичных резервуаров с целью исключения потерь воды. В статье не приводятся данные о глубинах, на которых температура воды имеет, например, 100 градусов. Почему не надо больше? Вопрос: а зачем кипяток в 200 градусов, если и ста градусов достаточно? Тогда на поверхности земли вода, слегка остыв, будет иметь, допустим, 80 градусов, чего за глаза хватит на любые хозяйственные нужды и, в том числе, для нехилого зимнего сада, а о подогреве теплиц вообще можно не заикаться – мелочь. Или же идея в том, чтобы на поверхность земли вырывался пар? И тогда требуется лишь «закачка» воды, например, путём отвода небольшого количества дебета какого-либо родника? На ум приходит одна идея: опустить в скважину, где с помощью "микро" взрыва уже сделана полость, пустой «резиновый шарик» и затем пустить воду, которая «надует» его по объёму полости. Останется только додуматься, каким образом сделать вторую дырку в резиновой камере, чтобы отбирать нагретую воду. И, наконец, запустится ли механизм самопроизвольной циркуляции воды, или необходимо ставить маломощный насос? В индивидуальных домах, где используется газовый водонагревательный котёл (АГВ – старое название), вода циркулирует самопроизвольно, подчиняясь закону: горячее – вверху, холодное – внизу, причём трубопровОд устраивается таким образом, чтобы обеспечить небольшой наклон.
Что же касается получения электроэнегии из тепла недр земли, то тут можно говорить об экономической целесообразности строительства ГеоТЭЦ только достаточно большой мощности – иначе затраты себя не окупят. А вот обеспечить теплом Поселение – вполне реальная задачка. Были бы денежки…