М М Табаченко, Є В Тимошенко, В Г Лозинський - Геотермальні системи виробництва енергоносіїв - страница 1

Страницы:
1 

УДК 622.837

М.М. Табаченко, канд. техн. наук, Є.В. Тимошенко, В.Г. Лозинський

(Україна, Дніпропетровськ, Державний ВНЗ "Національний гірничий університет") ГЕОТЕРМАЛЬНІ СИСТЕМИ ВИРОБНИЦТВА ЕНЕРГОНОСІЇВ

Тепло Землі - єдиний енергоресурс, раціональне освоєння якого дозволяє здешевити корисну енергію порівняно із сучасною паливною енергетикою [1].

Геотермальні ресурси, пов'язані як з природними динамічними носіями теплової енергії надр - геотермальними водами (пароводяні суміші, пара, вода), так із практично безводними (водонепроникними) нагрітими гірськими поро­дами. Ресурси першого виду називають гідротермальними, другого - петротер-мальними.

За прогнозними оцінками, термальні води, що мають в основному темпе­ратуру 40 - 80 °С, розповсюджені в Україні (Крим, Карпати та ін. райони), на Північному Кавказі, в Казахстані, Середній Азії, Грузії, Азербайджані. Запаси пароводяної суміші з температурою 150 - 250°С знаходяться на Камчатці, Ку-рильських островах, в Узбекистані, Киргизії.

Існує декілька способів виведення глибинного тепла на поверхню: бурін­ня свердловин у розрахунку на самовилив пароводяної суміші; закачування хо­лодної води в одну із свердловин і одержання гарячої води через другу сверд­ловину або через групу свердловин; з природних джерел; за допомогою теплоо­бмінних пристроїв, які встановлюють на усті свердловини.

Способи відбору тепла з порід Землі за допомогою свердловин визнача­ються геологічними умовами залягання енергоносія. Відомо два основних типи родовищ теплоносія: родовища, що пов' язані з існуючою або недавньою вулка­нічною діяльністю; родовища, що не пов' язані з вулканічною діяльністю.

Багато країн світу основні кошти вкладають у створення геотермальних електростанцій (ГеоТЕС). Досвід підтверджує, що за наявності неглибоких ко­лекторів природної пари будівництво ГеоТЕС є найбільш доцільним варіантом використання геотермальної енергії. Але родовища пари зустрічаються рідко, її відомі і прогнозні ресурси невеликі. Найбільш розповсюджені родовища геоте­рмальних (теплоенергетичних) вод не завжди розташовані досить близько до споживачів - об'єкта теплопостачання. Це викликає труднощі щодо їх ефектив­ної експлуатації. Нерідко питання, пов' язані з боротьбою із солевідкладеннями, захистом обладнання від корозії та скиданнями мінералізованих і вмісних ток­сичних сумішей відпрацьованих вод, переростають у складну проблему.

Освоєння геотермальної енергії можливе тільки на основі різних принци­пів, за якими всі різноманітні геотермальні системи поділяються на три групи:

1. Видобування із надр теплоносіїв.

2. Перетворення теплоти в інші види енергії у надрах.

3. Комплексне освоєння геотермальних і мінеральних ресурсів. Очевидно, що нині і в найближчому майбутньому в освоєнні геотермаль­ної енергії буде залишатися основною технологія видобування із надр теплоно­сіїв (перша група). У цих геотермальних системах виділено п' ять класів приро­дних колекторів, які відрізняються один від одного умовами формування і ло­калізації проникності порід, а також природою і рівнем тиску рідини, яка запо­внює тріщини і пори колекторної зони. Ці ж умови й особливості в значній мірі визначають і можливість підняття теплоносія у видобувних свердловинах.

Геотермальна фонтанна система (ГФС), тобто самовилив природного те­плоносія за рахунок збільшеного (відносно до гідростатичного) тиску, можлива для тріщинуватих (рис.1, а) або пластових (рис.2,а) колекторів з глибинним джерелом, що визначає високий тиск і температуру теплоносіїв, які фільтру­ються у тектонічних порушеннях чи колекторних пластах з глибоких горизон­тів. Фонтанна технологія можлива також при розкритті свердловинами глибин­них артезіанських басейнів з температурою теплоносія, однаковою з навколиш­нім породним масивом, якщо збільшений тиск може забезпечити необхідний дебіт свердловин (рис.2, б).

Рис. 1. Фонтанна (а) і двоконтурна (б) геотермальні системи видобування природних рухомих теплоносіїв із тріщинуватих колекторів з глибинним підживленням і збільшеним тиском

Якщо геотермальний теплоносій має високу мінералізацію, містить агре­сивні або токсичні суміші, то може бути застосована більш складна (у порів­нянні з фонтанною) двоконтурна технологія (див. рис. 1,б) з передачею геотер­мальної енергії чистому робочому теплоносію у занурених свердловинних теп­лообмінниках. В принципі таке рішення можливе не тільки для вищенаведених схем, але також й у випадку великої потужності і високої вертикальної проник­

і І

ості пластів і зон без збільшеного тиску (заглиблення охолоджених мас розсо­лу і вливання до теплообмінника більш легких гарячих потоків).

Геотермальні насосні системи (ГНС) використовуються для збільшення дебіту видобувних свердловин або по закінченню періоду фонтанного видобут­ку через утворення депресійних воронок і «спрацьовування» збільшеного тиску (рис. 2, в) [2].

Рис. 2. Фонтанна (а, б) і насосна (в) геотермальні системи видобування природних рухомих теплоносіїв із пластових колекторів з глибинним і високогірним підживленням та зі збільшеним тиском глибинних артезіанських басейнів. (рв - щільність рідини)

Із короткої характеристики розглянутих геотермальних систем бачимо, що основну частину їх теплопродукції складає енергія природних рухомих теп­лоносіїв, видобуток яких і є головною задачею фонтанної, двоконтурної і насо­сної геотермальної технології. Однак наприкінці роботи таких геотермальних систем, коли тиск, дебіт і температура одержуваних теплоносіїв можуть падати, найбільш суттєвою часткою їх теплопродукції стане енергія гарячих порід ко­лекторів. У цьому відношенні стає раціональною циркуляційна технологія ви­користання тепла гарячих гірських порід (рис.3) без засобів відкачування гео­термальних циркуляційних систем (ГЦС) з нагнітанням холодної і витісненням нагрітої гарячими породами рідини, звичайно води.а VI-S б VII-5 ft vill-.'i

Рис. 3. Циркуляційні системи вилучення геотермальної енергії твердих гарячих порід зі штучними колекторами у вигляді свердловин з подовжніми зонами руйнування (а); зонами руйнування від потужного камуфлетного вибуху (б); зони руйнування і тріщиноутворення порід при взаємодії підземних вибухів (в); серії вертикальних тріщин гідророзриву слабопроникних порід; серії вертикальних тріщин гідророзриву проникаючої породної товщі (д) та зони обвалення і розшарування порід над раніше відпрацьованим пластом (е)

Для покращення фільтраційних властивостей породних колекторів вико­ристовують свердловини з попарно зближеними і проторпедованими каналами з утворенням навколо них поздовжніх зон руйнування. Таке рішення відзнача­ється підвищеним обсягом буріння (див. рис. 3, а), навіть без вибухів гірлянд торпед для руйнування порід довкола свердловин.

При створенні ГЦС в породах застосовують потужні камуфлетні вибухи (див. рис. 3,б) для обвалення, подрібнення і руйнування породного масиву. Роз­роблений тип ГЦС з фільтраційним потоком теплоносія в зонах радіальних тріщин між сусідніми вибухами (див. рис. 3, в) забезпечує різне збільшення об'єму зон відбору тепла багатократними вибухами рідких вибухових речовин у пустотах і тріщинах утворених зон руйнування.

Як фільтраційні канали і поверхні теплообміну застосовують вертикальні зони тріщиноутворення або поодиноких тріщин гідророзриву, серія яких утво­рюється у непроникних (слабопроникних) породах між нагнітальною і видобу­вною свердловиною (див. рис. 3, г). Цей тип ГЦС вважається нині найбільш пе­рспективним.

ГЦС такого типу (див. рис 3, д) відрізняються від попереднього тим, що тріщини гідророзриву утворюються за допомогою використання в' язкої рідини або піни в потужній товщі осаджених пористих порід із складним розподілен­ням горизонтальної і вертикальної проникності. Нагрівання теплоносія відбува­ється в основному при його фільтрації у пластах і прошарках гарячих проник­них порід, а тріщини гідророзриву використовуються як почергові плоскі гідра­влічні «джерела» і «стікання», формуючи фільтраційний потік і виключаючи великі втрати рідини.

Із вищенаведених технологічних схем розкриття геотермальних родовищ слід вважати, що вибуховий метод руйнування гірських порід має значні перс­пективи в геотермальній технології, оскільки повинен забезпечувати ефективну циркуляційну систему одержання теплової енергії. Підривання досить зближе­них зарядів звичайних вибухових речовин може сприяти утворенню у масиві систем з'єднувальних тріщин, придатних для створення фільтраційного тепло-масопереноса (рис. 4). Перші пропозиції з використання підземних вибухів у слабопроникних гарячих породах для створення ГЦС із штучним колектором були розглянуті у Стенфордському університеті США проф. П.Кручером у 1966 р. При першому експериментальному вибухові потужність у товщі туфів на гли­бині 240 м дорівнювала 1,7 кілотонн, радіус початкової порожнини склав 19,5 м, висота «труби обвалення» була 117 м, а радіус зони радіальних тріщин - 67 м.

Рис. 4. Схема «стимулювання» геотермального родовища камуфлетним вибухом у колекторі пароводяної суміші з глибинною підпиткою: 1 - проникаючий пласт - колектор із джерела

через глибинний злам; 2 - зона вибухового руйнування порід колектора і вмісних слабопроникних порід; 3 - вибухова свердловина відновлена і застосована як видобувна; 4 - нагнітальна свердловина, яка пробурена до зони руйнування після вибуху

Основним і поки ще неусунуненим недоліком таких вибухів є їх руйнівні сейсмічні ефекти по мірі зростання маси зарядів. Для цього слід додати: трива­лість консервації робіт у карантинний період, значні витрати на буріння і заби­вання (герметизацію) свердловин, а також невигідне розподілення вивільненоїпри вибуху енергії, основна частина якої витрачається у найближчій зоні на не­потрібні ефекти випаровування, плавлення та переподрібнення порід.

Другим найбільш ефективним методом створення ефективної циркуля­ційної системи тріщин у породному масиві є гідравлічний розрив. Встановлено, що після розриву порід, утворені тріщини вже не можуть зімкнутися до одер­жання ефекту монолітності (рис. 5). Розірвані і добре «складені» знову породні блоки продовжують фільтрувати воду у закритих тріщинах.

Рис. 5. Геотермальна циркуляційна система із штучним колектором серії вертикальних тріщин гідророзриву: НС - нагнітальна свердловина; ДС - видобувна свердловина; Тр - тріщини гідророзриву породного масиву, що утворює геотермальний колектор; Н - циркулюючий насос; ТО - проміжний теплообмінник між контурами первинного і робочого теплоносіїв; Мтт - магістральна теплотраса; <3дг - додаткова зовнішня енергія, що одержана теплоносієм при його догріві; П - теплообмінний апарат споживача; Мвп - магістральний водопровід; межа розширеної зони тепловідбору зображена пунктирною лінією, кондуктивний теплопереніс у цій зоні - жирними стрілками, напрям потоків теплоносіїв - звичайними стрілками

Гідророзрив породного масиву базується на механічній дії рідини на по­роду з утворенням тріщин. Суть гідророзриву полягає в тому, що у свердловину під високим тиском, який перевищує гідростатичний у 1,5 - 3,0 рази, нагніта­ють рідину, внаслідок чого у вибійній зоні масиву розкриваються існуючі трі­щини та утворюються нові. Для запобігання змикання цих тріщин іноді в них уводять крупнозернистий пісок. У результаті зростає проникність привибійної зони масиву порід.

Для утворення гідророзриву необхідно подолати напруження у приви-бийній зоні порід, які створюються гірським тиском і міцністю самих порід:

Рр = Рг + с   або   Рр = Нусерд+с ,

де Рр - тиск гідророзриву, МПа; Рг - гірничий тиск, МПа; с - тиск, необхідний для подолання опору самих порід руйнуванню, МПа; Н - глибина залягання пе-тротермальної зони, м; у - середня щільність шарів вищележачих гірських порід, кг/м3; g - прискорення вільного падіння, м/с2.

Тиск розриву залежить від глибини залягання петротермальної зони і гід­ростатичного тиску і коливається в межах 1,3 - 15 МПа при Н до 300 м, при цьому чітко простежується зростання значень величин тиску для горизонталь­ного розриву порівняно з вертикальним для тих самих глибин.

Процес утворення тріщинуватої зони на геотермальному родовищі чітко простежується на графіку гідророзриву (рис. 6).

0,м/хе

0,6

0,5

0,4 0t3 0,2 0,1

2     4     6     8    10 РгмПа

Рис. 6. Залежність протікання води (Q) у гірський масив від тиску (Р) нагнітання Цей графік поділяється на три зони.

Перша зона (I) - тиск рідини підвищується повільно. Вода рухається у природних порах і тріщинах без порушення структури породи.

Друга зона (II) - початок порушення структури гірського масиву, розши­рення пор і тріщин та збільшенння приймання води.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II

 

 

 

 

І

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Третя зона (III) - вбирання води зростає за прямою. Вода рухається у по­родному масиві в нових тріщинах, щілинах, гідравлічний опір яких став значно меншим.

Таким чином, створення автоматизованих геотермальних теплових стан­цій з потужністю, яка відповідає вимогам конкретних споживачів (від 50 до 5000 ГДж/год), значно зменшить витрати живої праці під час їх будівництва і експлуатації. Можливість розміщення таких енергоустановок поблизу спожи­вачів зменшує протяжність магістральних теплових мереж. При цьому народ­ногосподарський річний ефект зміг би досягнути 4 - 5 млрд грн, тобто розмірів десятирічних інвестицій або навіть їх перевищити. Однак у реальних умовах України неможливо в найближчі 5-10 років забезпечити такі темпи розвитку практично нової, ще не створеної гірничодобувної галузі.

Впровадження у паливно-енергетичний баланс держави геотермальних енергоресурсів є основним завданням країни.

Список літератури

1. Фролов Н.М. Температура Земли.- М.: Недра, 1971.- 119 с.

2. Российские энергоэффективные технологии // Материалы Х науч.-практ. конф. «Энерго­эффективные технологии производства электроэнергии». М., 2001.- 42 с.

Рекомендовано до друку: професором Бузило В. І.

Страницы:
1 


Похожие статьи

М М Табаченко, Є В Тимошенко, В Г Лозинський - Геотермальні системи виробництва енергоносіїв