Понятие и классификация геотермальных ресурсов

Понятие и классификация  геотермальных ресурсов.

Геотермальная энергетика — производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли.

Преимуществом геотермальной энергетики является ее практически полная безопасность для окружающей среды. Количество СО2, выделяемого при производстве 1 кВт электроэнергии из высокотемпературных геотермальных источников, составляет от 13 до 380 г (например, для угля он равен 1042 г на 1 кВт/ч).

  Источники геотермальной энергии  по классификации Международного  энергетического агентства делятся  на 5 типов:

• месторождения геотермального сухого пара - сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;
• источники влажного пара (смеси горячей воды и пара) - встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности);
• месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду) - представляют собой так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;
• сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более) - их запасы энергии наиболее велики;
• магма, представляющая собой нагретые до 1300 °С расплавленные горные породы.

  Опыт, накопленный различными странами относится в основном к использованию природного пара и термальных вод, которые остаются пока наиболее реальной базой геотермальной энергетики. Однако ее крупномасштабное развитие в будущем возможно лишь при освоении петрогеотермальных ресурсов, т.е. тепловой энергии горячих горных пород, температура которых на глубине 3-5 км обычно превышает 100 °С.

  Геотермальные ресурсы - количество  теплоты, содержащееся в литосфере  или ее участках, до глубины,  технически достижимой средствами  бурения на прогнозируемый период.

При сопоставлении с традиционными  источниками энергии очевидны следующие  преимущества геотермальных ресурсов: неисчерпаемость, повсеместность распространения, близость к потребителю, локальность  обеспечения потребителя теплотой и электроэнергией, принадлежность к местным ресурсам, полная автоматизация, безопасность и практическая безлюдность  добычи геотермальной энергии, экономическая  конкурентоспособность, возможность  строительства маломощных установок, экологическая чистота.

Однако  специфика геотермальных ресурсов включает и ряд недостатков: низкий температурный потенциал теплоносителя, нетранспортабельность, трудности складирования, рассредоточенность источников, ограниченность промышленного опыта.

В настоящее время принято выделять ^ 2 основных класса геотермальных ресурсов – гидро- и петрогеотермальные. Первые представляют собой ту часть ресурсов геотермальной энергии, которая приурочена к естественным коллекторам и представлена природными теплоносителями: подземными водами, паром или пароводяными смесями. Они промышленно эксплуатируются циркуляционными системами (Франция, США, Германия, Дания, Украина, Польша, Швейцария, Россия и др.). Петрогеотермальные – ту часть тепловой энергии недр, которая связана непосредственно со скелетом водовмещающих пород или с практически непроницаемыми горными породами. Технология извлечения петрогеотермальных ресурсов (глубина бурения до 10 км) находится на экспериментальном уровне. Созданы только единичные опытные -циркуляционные системы с искусственными коллекторами в США, Англии, Японии, России (Тырныауз), Германии, Франции.

Под эксплуатационными запасами (ресурсами) гидрогеотермальной энергии в целом понимаются количества тепла и воды, которые могут быть получены из оцениваемого водоносного горизонта (комплекса) рациональными в технико-экономическом и экологическом отношениях водозаборными сооружениями при заданном режиме их эксплуатации и соответствующем качестве теплоносителя (температура, химический и газовый состав) в течение всего расчетного срока эксплуатации. Эксплуатационные запасы тепла выражаются либо в единицах мощности, либо в тоннах топлива (условного) в год, эксплуатационные запасы термальных вод имеют размерность объемного расходного расхода для воды (л/с, м3/сут) или весового расхода для пара и пароводяных смесей (кг/с, т/сут).

Наиболее  полная классификация ресурсов и  запасов геотермальной энергии  разработана ^ Э. И. Богуславским.

За  нижний предел температуры термальных вод целесообразно принять 20º С с учетом возможного применения тепловых насосов и наличия во многих отраслях народного хозяйства потребности в субтермальных теплоносителях с температурами 20-40º С.

Далее по видам возможного теплоэнергетического использования могут быть выделены следующие классы термальных вод.

  Воды низкопотенциальные (с температурой 20-100º С), в составе которых целесообразно выделение подкласса вод с температурами 20-40º С. Эти воды могут потребляться для теплотехнических нужд в основном с применением тепловых насосов. Также их можно эффективно использовать для оттаивания мерзлых пород и промывки россыпей, интенсификации рыболовства, обогрева открытого грунта, закачки в нефтеносные пласты, технологических процессов, требующих низкопотенциальных теплоносителей. Основное назначение – теплоснабжение, промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектов.

Среднепотенциальные (100-150º С) воды могут эффективно использоваться как для теплоснабжения промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектов, так и для выработки электроэнергии с применением промежуточных рабочих тел.

Высокопотенциальные (более 150º С) воды могут эффективно применяться для выработки электроэнергии по прямому циклу. В составе таких  вод целесообразно выделять перегретые воды (150-250º С), высокоперегретые (250-350º С) и предельно перегретые (более 350º С).

Качество  термальных вод, предназначенных для  лечебного использования (по температуре, минерализации, ионному и газовому составу, газонасыщенности, содержанию в водах фармакологических активных микроэлементов, радиоактивности, рН) должно оцениваться в соответствии со специальными требованиями к изучению и классификациями минеральных лечебных вод.

Принципы и методы изучения и оценки геотермальных ресурсов.

Важным  в цикле задач широко вовлечения гидрогеотермальных ресурсов в топливно-энергетическом балансе страны является повышение эффективности поисково-разведочных работ, что, в свою очередь, возможно при условии постоянного совершенствования принципов и методологических основ их планирования и проведения. Методика планирования поисково-разведочных работ на термальные воды, равно как и на другие виды полезных ископаемых, должна исходить из основополагающего принципа эколого-экономической целесообразности. Эффективная его реализация возможна при соблюдении ведущих общих принципов изучения месторождений: полноты исследования, последовательного приближения, равной достоверности, минимизации общественно необходимых трудовых, материальных и временных затрат.

Одним из важнейших является требование стадийности  поисково-разведочных работ, позволяющее  при минимуме общественно необходимых  затрат производить поэтапную геолого-экономическую  оценку месторождений и участков.

Конечной  задачей всего цикла исследований является обнаружение, геолого-экономическая  и экологическая оценка месторождений  естественных теплоносителей, т.е. установление величины их эксплуатационных запасов  и теплоэнергетического потенциала, а также оценка условий и укрупненных  технико-экономических показателей  разработки продуктивных водоносных горизонтов, комплексов или трещинных зон.

изучении геотермальных ресурсов используется достаточно широкий комплекс методов, который определяется в каждом конкретном случае сложностью и особенностями изучаемого объекта и степенью его изученности в предшествующий период.

В общем случае основными видами полевых  работ являются: геолого-гидрологическая  съемка, специальные съемки (геотермическая, газогидрохимическая и др.), рекогносцировачное обследование участка разведки, бурение и термогидродинамические исследования скважин, геофизические и гидрологические работы, стационарные наблюдения за естественным и нарушенным режимами термальных и холодных вод, обследование ранее пробуренных глубоких скважин и действующих водозаборных сооружений, отбор проб воды и кернового материала, специальные виды исследований (геофизические, гидрогеохимические, геотермические, изотопные, ядерно-физические и др.).

Геолого-гидрогеологическая съемка в зависимости от размеров и сложности изучаемых объектов выполняется в масштабах 1:50 000 – 1:10 000 (в ряде случаев 1:5000), главным  образом, при поисках месторождений  трещинно-жильного типа. Цель съемки –  изучение геологического строения, геотермических и гидрогеологических условий месторождения  и прилегающих к нему участков, оконтурирование наиболее продуктивных участков. Особое внимание следует уделять изучению условий разгрузки термальных и холодных вод, парогазовых струй, прогретых площадок и зон измененных пород, а также выделению зон тектонических нарушений.

Специальные съемки проводятся, как правило, в  комплексе с геолого-гидрогеологической съемкой, либо как самостоятельный  вид работ на стадии поисков (обычно когда геолого-гидрогеологическая съемка проведена ранее). Задачи этих съемок – картирование отдельных (или комплекса) параметров, являющихся прямыми или косвенными поисковыми показателями (критериями): температуры, компонентов химического и изотопного состава газов, подземных и поверхностных вод. эти исследования реализуются путем проведения термометрических (шпуровых или в неглубоких скважинах), аэрокосмических (ИК-съемка) и газогидрохимических съемок (опробирование всех паро-, газо- и водопроявлений, отбор проб подпочвенного газа и др.).

Рекогносцировочное  обследование участков разведки выполняется, главным образом, в начале разведочных  работ (застроенность, залесенность, проходимсоть, наличие коммуникаций, энергообеспеченность и т.д.).

Буровые работы включают в себя бурение поисковых, разведочных, разведочно-эксплуатационных, наблюдательных и (при необходимости) нагнетательных скважин. Основным видом  исследований с целью получения  информации, необходимой для оценки эксплуатационных запасов теплоносителя, являются специальные опытно-фильтрационные работы. Методика проведения этих работ  определяется их целевым назначением, стадийностью исследований, сложностью гидрогеологической и гидрогеотермической обстановок. Опытно-фильтрационные работы по способу их проведения подразделяются на выпуски, осуществляемые за счет использования упругой энергии пласта (трещинной зоны), термолифта (парлифта), газлифта, откачки, выполняемые с применением специального водоподъемного оборудования, и нагнетания.

В зависимости от целевого назначения выпуски (откачки) подразделяются на пробные, опытные и опытно-эксплуатационные.

Пробные выпуски (откачки) производятся на стадии поисковых работ; в отдельных  случаях – на стадиях предварительной  и детальной разведки. На поисковой  стадии задачей пробных выпусков (откачек) является получение предварительной  информации о фильтрационных и емкостных  свойствах пород, их водообильности, качестве и температуре термальных вод, пароводяных смесей и пара.

  Опытные выпуски (откачки) проводят  на стадиях предварительной и  детальной разведки и подразделяют  на одиночные, кустовые и групповые. Задачами их являются: определение расчетных гидрогеологических параметров продуктивных горизонтов и фильтрационных особенностей трещинных зон, выявление закономерностей их изменения в плане и разрезе; установление зависимости между расходом скважин и понижением уровня воды; определение величин срезок уровней при оценке запасов гидравлическим методом и др.

  Опытно-эксплуатационные выпуски  (откачки) проводятся на месторождениях  трещинно-жильного типа с целью  получения исходной информации  для оценки эксплуатационных  запасов термальных вод гидравлическим  методом. Основная задача сводится  к выявлению зависимости снижения  уровня во времени при заданном  проектном расходе. Они проводятся  до получения устойчивых закономерностей  изменения уровней и (или) качества  воды в наблюдательных скважинах  во времени, позволяющих осуществить  прогноз сработки их на конец расчетного срока эксплуатации месторождения (участка).

Перед проведением пробных, опытных и  опытно-эксплуатационных выпусков (откачек) обязательно замеряют положения  уровней подземных вод в естественной обстановке (или пластовые и избыточные давления), температуру воды в устье  скважины и в пластовых условиях и отбирают пробы воды на общий  анализ.

Гидрологические исследования проводятся при поисках  и разведке месторождений термальных вод трещинно-жильного типа, находящихся  в той или иной степени в  связи с поверхностными водами. В  процессе исследований должны быть получены данные о режиме стока, уровенном, температурном и химическом режиме рек, холодных источников на площади месторождения и на примыкающих участках выше и ниже по течению водной артерии.

Стационарные  наблюдения за естественным режимом  термальных вод ведутся как на скважинах, так и на источниках термальной воды. Они включают наблюдения за режимом  расходов источников, парогазовых струй, химического (в том числе газового) состава и температуры. Задачи:

• уточнение условий взаимосвязи подземных термальных и поверхностных холодных вод;
• определение сезонных и многолетних изменений родникового стока термальных вод;
• изучение характера изменения минерализации, химического и газового состава, температуры термальных вод в годовом и многолетнем разрезах;
• определение параметров взаимосвязи термальных вод отдельных трещинных зон.

Наблюдения  за нарушенным режимом термальных вод  в районах действующих водозаборных сооружений должны включать в себя наблюдения за уровнями воды в эксплуатационных и специально оборудованных наблюдательных скважинах, за химическим и газовым  составом термальных вод, за температурой вод а изливе и по стволу скважин, дебитом водозаборных скважин.

Специальные методы исследований (гидрогеохимические, геотермические, изотопные, ядерно-физические) предназначены для выяснения  условий формирования эксплуатационных запасов термальных вод, выявления  и локализации областей питания  и разгрузки, изучения условий взаимодействия между водоносными горизонтами  через разделяющие слабопроницаемые слои и взаимодействием между  трещинными зонами, а также для  изучения процессов продвижения  закачиваемых вод в пласты, его  охлаждения и др. Сюда же относятся  и геоботанические исследования, которые проводятся на поисковой стадии на месторождениях трещинно-жильного типа. Они заключаются в изучении растительных сообществ, которые используются для выявления и оконтурирования площадей прогрева и скрытых термопроявлений.

Геофизические методы. При изучении месторождений термальных вод применяются практически все виды геофизических методов: скважинные, наземные, аэрографические и др. С их помощью уточняется геологическое строение изучаемой территории (особенно глубинное), осуществляются гидрогеологическая стратификация и корреляция разрезов, изучаются гидрогеодинамические, гидрогеохимические и гидрогеотермические характеристики исследуемых толщ.

Наземные, аквальные (морские) и аэрографические методы обеспечивают практически сплошное изучение территории. Они включают электро-, сейсмо-, грави- магниторазведку, радио- и термометрию, наиболее часто выполняются в наземном варианте, но могут производится на дне водоемов или с водной поверхности: эти же методы, за исключением сейсморазведки, реализуются с помощью летательных аппаратов. Как и геофизические исследования скважин (ГИС), наземные и аэрографические работы осуществляются путем постановки специальных полевых наблюдений, либо на основе повторной интерпретации имеющихся разноцелевых материалов.

Ландшафтно-индикационные  методы по отношению к объекту  исследований подразделяют на наземные и дистанционные.

  Наземные методы используют при  геотермических исследованиях весьма  ограниченно, лишь для геологической  привязки и расшифровки аномалий, выявленных дистанционными методами. При этом решаются задачи общего  геолого-гидрогеологического плана  и специального геотермического  направления.

При поисках термальных вод и других видах геологических работ широко используются дистанционные (аэрокосмические) методы. С их помощью производят съемку земной поверхности, регистрируя  световые, инфракрасные и дециметровые электромагнитные поля, т.е. имеющие  длину от 0,3 мкм до 1,0 м. современные  дистанционные методы представляют собой по существу комплекс методов  электроразведки, термометрии, ландшафтоведения, использующих как перечисленные  методы, так и визуальные наблюдения.

При дистанционном изучении поверхности  Земли используют как воздушные  аппараты (самолеты, вертолеты), так  и космические (пилотируемые космические  корабли, искусственные спутники Земли, орбитальные научные станции). Высота аэронаблюдений варьирует от нескольких десятков метров до нескольких километров, а космических – от 300 до 3000 км.

Особенно  важное значение при прогнозировании, поисках и разведке термальных вод имеют аэрокосмофотосъемка (АФС и КФС) и ИК-съемка.

Аэрокосмофотосъемка является в настоящее время основным видом дистанционных наблюдений. При съемках с космических аппаратов охватывается огромная площадь, -

измеряемая сотнями тысяч квадратных километров, в то время как с самолетов – лишь десятками квадратных километров. В целом АФС и КФС позволяют решить серию геологических и гидрогеологических задач, однако для гидрогеотермических исследований этой информации не всегда достаточно.

  Инфракрасная съемка основана  на способности природных тел  испускать ИК-лучи. Интенсивность их определяется температурой и излучательной способностью этих тел. ИК-съемка является наиболее важным дистанционным методом при геотермических исследованиях, особенно при изучении вулканизма гидротермальной деятельности, проявляющейся в приповерхностной части разреза. В условиях дымки и туманов ИК-съемка имеет существенное преимущество перед АФС и КФС и позволяет получить изображение хорошего качества. С помощью ИК-съемки можно решить серию гидрогеологических задач: оценить влажность грунтов, определить уровень грунтовых вод, выявить зоны разгрузки подземных вод в пределах акваторий, проследить обводнены тектонические нарушения, оконтурить таликовые зоны, обнаружить разогретые участки земной поверхности, выявить выходы термальных вод.