А.Б.Алхасов-Возобновляемые-источники-энергии-Москва-2016

эффективных способов ее использования в данных территори- ально-климатических условиях.

Теплоэнергетический потенциал геотермальной скважины, т.е. производительность скважины по теплу, ГДж/год, определяется по формуле:

где Q — производительность скважины по воде, м3/год; cв — удельная теплоемкость воды, ГДж/тæ°С; ρв — плотность воды, т/м3.

1.2.4. Категории эксплуатационных запасов

Оценка эксплуатационных запасов термальных вод осуществляется на всех стадиях изысканий. Достоверность запасов отражается в их категоризации. Согласно «Классификации эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод» эксплуатационные запасы подразделяют на освоенные (категория А), разведанные (категория В), предварительно оцененные (категория С1), выявленные

(категория С2) и прогнозные ресурсы (категория Р) [39].

Запасы категории А определяют в результате анализа данных эксплуатации на разрабатываемых месторождениях и учитывают при проектировании расширения водозабора.

Запасы категории В оценивают на разведанных месторождениях. Они являются основанием для проектирования водозабора и эксплуатации подземных вод.

Запасы категории С1 подсчитывают на предварительно оценен-

ных месторождениях по результатам поисково-оценочных работ для обоснования целесообразности разведки месторождения и использования подземных вод, а также составления проекта разведочных работ.

Запасы категории С2 определяют на выявленных месторожде-

ниях по результатам специальных поисковых работ для оценки и учета потенциальных возможностей месторождений, а также для обоснования целесообразности проведения на них поисково-оценоч- ных работ.

Прогнозные ресурсы категории Р оценивают по результатам региональных гидрогеологических исследований. Эти данные являются основой для проведения поисковых или поисково-оценочных работ на площадях, перспективных для выявления новых месторождений подземных вод.

Запасы категории В подсчитывают применительно к согласованным проектным схемам и конструкциям водозабора, заданной потреб-

31

ности и графику отбора теплоносителя с учетом заданного допустимого влияния на окружающую природную среду, запасы категории С1 — применительно к условно принятой схеме водозабора и заяв-

ленной потребности теплопотребителей, запасы категории С2 —

применительно к условным обобщенным схемам эксплуатации. При оценке прогнозируемых ресурсов геолого-экономические аспекты обоснования системы размещения и схемы водозаборных сооружений специально не рассматривают и устанавливают на основании оценок возможностей практического использования теплоносителей.

Аналогичные требования предъявляют к оценке теплоэнергетического потенциала запасов. Так, оценка потенциала запасов категории В выполняется применительно к проектным вариантам видов и технологий использования теплоносителей. Оценка потенциала запасов категорий С1 и С2 проводится применительно к проработанным

или намеченным видам и технологиям их теплоэнергетического использования. Оценка прогнозируемых ресурсов сопровождается, как правило, определением общего теплоэнергетического потенциала термальных вод.

1.2.5. Факторы, влияющие на дебит геотермальной скважины

Для глубоких скважин, вскрывающих водоносные горизонты с относительно высокими температурами в пласте, понижение уровня подземных вод в пласте S (1.16) не равно понижению уровня на устье скважины Sу. Это обусловлено проявлением эффектов термолифта и

газлифта, а также гидравлических потерь напора в водоподъемных трубах эксплуатационной скважины. Зависимость между S и Sу

имеет следующий вид

где hтр — гидравлические потери напора на трение, м; Sт, Sг — поправки к уровню, учитывающие термолифт и газлифт, м.

Потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в водоподъемных трубах при движении воды от пласта до устья скважин делят на группы:

•потери напора по длине потока, затрачиваемые на преодоление сопротивления трения;

•местные потери напора, вызываемые резким изменением конфигурации границ потока.

Из-за этого, понижение уровня на устье будет больше, чем понижение уровня в пласте на значение общих потерь. Из общих потерь линейные потери напора на трение составляют около 70 %, а остальные 30 % приходятся на местные сопротивления.

32

Потери напора, а также и распределение скоростей по сечению потока существенно различны для ламинарного и турбулентного режимов течения жидкости. Критерием, определяющим режим движения потока, служит число Рейнольдса (Re):

где v — средняя скорость потока, м/с; d — диаметр подъемной (лиф-

товой) трубы, м; ν — кинематическая вязкость термальной воды, м2/с. Критическое значение числа Рейнольдса можно считать равным

2300.

Потери напора по длине, hл, м, как при ламинарном, так и при

турбулентном течении в трубах круглого сечения определяются по формуле Дарси—Вейсбаха:

где λ — коэффициент сопротивления по длине; l — длина участка трубы, м; v — скорость течения в трубе, м/с; d — диаметр трубы, м;

g — ускорение свободного падения, м/с2.

При ламинарном течении коэффициент λ в (1.23) определяется по формуле Ж.Л.М. Пуазёйля:

При турбулентном течении коэффициент λ определяется по формуле А.Д. Альтшуля:

где kэ — абсолютная шероховатость, мм. Для новых стальных бесшовных труб среднее значение kэ = 0,03 мм, для труб после нескольких лет их эксплуатации kэ = 0,2 мм [64].

Потери напора резко возрастают с увеличением скорости течения, т.е. с увеличением дебита скважины и уменьшением диаметра водоподъемных труб, и могут достигать больших значений. В табл. 1.5 приведены потери напора h на 1000 м длины водоподъемных труб в зависимости от диаметра скважины и ее дебита [49].

Дебит скважины и скорость течения связаны соотношением:

где Q — дебит скважины, м3/с; ω = πd2/4 — площадь поперечного сечения подъемных труб, м2.

33

В большинстве случаев в термальных водах содержатся растворенные газы, среди которых преобладают азот (N2), углекислый газ

(СО2) и метан (СН4 ). Объем газа (измеренный в стандартных усло-

виях — при атмосферном давлении и температуре 20 °С), растворенного в единице объема воды, называют газосодержанием воды или

газовым фактором.

Растворимость газов в воде зависит от давления, температуры, химического состава воды и газа. Важным параметром растворенных газов является давление насыщения, или упругость. Давлением насыщения называется то минимальное давление, при котором весь газ еще находится в растворенном состоянии. Если давление воды больше давления насыщения, то весь газ находится в растворенном состоянии, если давление упало ниже давления насыщения, то из воды выделяется часть газа.

При движении пластовой воды от забоя к устью скважины на определенной глубине, где давление становится равным давлению насыщения, газ начинает выделяться из воды. По мере дальнейшего подъема воды к устью скважины количество выделившегося из нее газа увеличивается, достигая максимального значения, равного газовому фактору, при атмосферном давлении на поверхности.

Дополнительное приращение напора за счет проявляющегося эффекта газлифта можно определить по формуле:

где p0 — атмосферное давление, Па; pг — упругость растворенного газа, Па; p1 = p0 + pм — избыточное давление на устье, Па; pм — манометрическое давление, Па; С0 — газовый фактор в нормальных

34

условиях; τ — температурный коэффициент, равный 1+ tу / 273; tу — температура воды у устья скважины, °С; ρ — плотность воды с учетом температуры и минерализации, кг/м3; g — ускорение силы тяжести, м/с2.

Эффект газлифта проявляется максимальным образом при p1 = p0. В табл. 1.6 приведены результаты расчетов величины Sг в зависи-

мости от С0, p1 и pг для условий ρ = 1050 кг/м3 и tу = 100 °С.

Из таблицы видно, что при высоких значениях газового фактора значения Sг достигают 100 м и более. Такое дополнительное прира-

щение напора позволит существенно увеличить эксплуатационный дебит самоизливающейся скважины, а также перевести на режим самоизлива скважину, статический уровень в которой ниже поверхности земли, после кратковременной насосной эксплуатации.

В глубоких термальных скважинах при определении их дебитов необходимо также учитывать изменение плотности воды в зависимости от изменения температуры. Поправка к значению, учитывающая термолифт, определяется по следующей формуле:

где Н0 — высота столба воды в скважине, м (при наличии избыточ-

ного напора Н0 = Нскв); Нскв — глубина скважины; ρ(tст ) и ρ(tд) — плотности воды, соответствующие ее средней температуре в статическом состоянии и при работе скважины (динамическом состоянии), кг/м3.

Когда скважина находится в покое, разница в температуре воды в пласте и у устья скважины (или у статического уровня не фонтаниру-

Та бл и ц а 1.6

Расчетные значения Sг по формуле (1.27)

35

ющей скважины) будет максимальной. В длительно простаивающей скважине температура по ее стволу распределяется в соответствии с температурным градиентом для данного района (за исключением зоны выше нейтрального слоя).

Средняя температура в стволе простаивающей скважины определяется по формуле:

где tпл — температура термальной воды в пласте, °С; tн.с — темпера-

тура нейтрального слоя, °С.

В простаивающей скважине, где статический уровень воды находится ниже нейтрального слоя, средняя температура определяется из следующего выражения:

где tс.у — температура термальной воды у статического уровня, °С

Г — геотермический градиент, °С/м; hс.у — глубина статического уровня от устья, м; hн.с — глубина нейтрального слоя.

Средняя температура воды в эксплуатируемой скважине определяется по формуле:

где tу — температура термальной воды в устье эксплуатируемой скважине.

При пуске скважины в эксплуатацию по мере прогревания окружающих горных пород в скважине устанавливается новый температурный режим, зависящий главным образом от дебита скважины. Потери тепла в стволе скважины зависят от ее глубины, диаметра и дебита. Из практики эксплуатации геотермальных скважин следует,

что при дебитах более 500 м3/сут эти потери не превышают 10 %. В таких условиях для оценочных расчетов можно принять tу = 0,9tпл.

В табл. 1.7 приведены значения приращения напора Sт за счет

эффекта термолифта, проявляющегося при эксплуатации скважины. Расчеты проведены при tн.с = 15 °С и Г = 0,035 °С/м. Температура

воды в пласте tпл определяется по (1.18), значения плотности воды,

соответствующие средним значениям температуры в стволе скважины при ее простаивании и эксплуатации, берутся из справочных табличных данных физических свойств воды.

Из расчетных значений следует, что при увеличении глубины скважины значения Sт увеличиваются и для глубоких скважин могут

достигать 50 м и более.

36

1.3. Характеристика подземной гидросферы

1.3.1. Происхождение подземных вод

Подземная вода может образовываться непосредственно под землей за счет различных химических реакций или проникать в горные породы из гидросферы и атмосферы. По условиям образования различают следующие основные типы подземных вод: конденсационные, инфильтрационные, седиментационные, возрожденные и магматические.

Конденсационные воды образуются при конденсации водяных паров атмосферы в порах и трещинах самых верхних слоев горных пород в зоне аэрации. Объем таких вод незначителен.

Инфильтрационные воды образуются при просачивании в горные породы атмосферных осадков и поверхностных вод суши. Инфильтрационные воды широко распространены в верхних горизонтах земной коры, где происходит интенсивный водообмен. К этому типу относятся пресные подземные воды, используемые для водоснабжения. Встречаются и древние инфильтрационные воды, которые обычно залегают на значительной глубине (до 1000 м и более). Такие воды могут сохраняться в условиях слабого водообмена.

Седиментационные воды образуются в процессе отложения (седиментации) морских осадков. По мере погружения происходит изменение минералогического состава морских осадков. Одновременно происходит и изменение химического состава вод, насыщающих осадок и взаимодействующих с ним. Нередко к седиментационным относят и воды, проникшие в горную породу во время трансгрессии (наступления) моря на сушу. Такие воды имеют морское происхождение, но, не являются седиментационными, так как не связаны с отложением и эволюцией осадков. Древние седиментационные воды сохраняются в толще горных пород после отступления моря, если в условиях затрудненного водообмена они не были заме-

37

щены водами инфильтрационного происхождения. Седиментационные воды встречаются в континентальных областях на значительном удалении от побережья, где в глубокой древности был морской бассейн. На континентах седиментационные воды возобновляться не могут, вследствие чего происходит постепенное разбавление и вытеснение их инфильтрационными водами.

Возрожденные воды образуются при действии высоких температур на минералы, содержащих воду. При этом химически связанные воды высвобождаются и переходят в свободное состояние. При дегидратации минералов может выделяться значительное количество воды. Образование возрожденных вод происходит в разных термодинамических зонах земной коры. Например, гипс начинает терять воду при температуре 80—90 °С, которая наблюдается на глубине 2—3 км. При полном превращении гипса CaSO4æ2H2O в ангидрит

CaSO4 из каждой тонны гипса высвобождаются 210 кг воды.

Наибольшее количество возрожденных вод образуется при превращении монтмориллонита, содержащего до 24 % воды, в гидрослюды,

вкоторых содержание воды обычно составляет 10 %. Такая перестройка монтмориллонита происходит на глубине 2 км и более, причем выделяется очень большое количество возрожденной воды, нередко превышающее объем воды в смежных с глинами породахколлекторах. Возрожденные воды в момент своего выделения являются пресными.

Магматические воды выделяются из расплавленной магмы. При движении магмы к поверхности она может поглощать воды различного генезиса из пород, с которыми магма контактирует. Магма также несет с собой некоторое количество воды, которая изначально

вней содержалась, которая собственно и есть магматическая вода, имеющая подкоровое происхождение. Наиболее сложным и дискуссионным является вопрос о происхождении таких вод. Еще в XVI в. Г. Агрикола высказал мнение о том, что в земной коре могут сгущаться пары воды, идущие с больших глубин. В начале ХХ в. эта идея была освещена в трудах австрийского ученого Э. Зюсса, который утверждал, что внедрение магмы из больших глубин в верхние горизонты земной коры всегда сопровождается выходом на поверхность летучих соединений, в том числе паров воды. Такие воды, впервые попавшие с больших глубин на поверхность Земли или в верхние ее горизонты, Э. Зюсс назвал ювенильными, т.е. впервые попавшими в условия земного существования.

Дальнейшее развитие теория ювенильного происхождения подземных вод получила в трудах академика А.П. Виноградова. В лабораторных условиях, при помощи зонного плавления, был воспроизведен механизм процесса выплавления и дегазации вещества мантии (базальтовых пород) Земли. Было доказано, что образование легко-

38

плавкой фазы при зонном плавлении вещества мантии сопровождается дегазацией прежде всего воды, а затем растворенных в воде газов. Из этих соединений в дальнейшем сформировались океаны и атмосфера Земли.

Некоторые исследователи считают, что дегазация мантии продолжается в настоящее время, и этот процесс влияет на формирование подземных вод, залегающих на больших глубинах. По мнению В.Ф. Дерпгольца, через толщу земной коры к поверхности происходит непрерывное и повсеместное движение воды и других летучих компонентов из мантии.

1.3.2. Условия залегания термальных подземных вод

По условиям залегания термальные воды подразделяют на пластовые безнапорные, пластовые напорные, трещинно-поровые, трещинные, трещинно-каверновые и трещинно-жильные.

Пластовые безнапорные воды встречаются в пористых горизонтах, ограниченных сверху и снизу водоупорами, при условии неполного заполнения водой коллектора.

Пластовые напорные воды заполняют пористые коллекторы, изолированные в кровле и подошве водоупорными толщами. Пористые коллекторы могут пересекать сети трещин; содержащиеся в них воды называют трещинно-поровыми.

Трещинные воды находятся в трещинах плотных пород, таких как плотные песчаники, кварциты, мергели, известняки и доломиты, метаморфические породы и граниты, глинистые сланцы аргиллиты. Вода заполняет в них трещины тектонического происхождения и трещины выветривания. В тех случаях, когда в трещиноватых породах имеются каверны, развитые обычно в известковистых породах, содержащиеся в таких смешанных коллекторах возникают воды, которые называют трещинно-каверновыми.

Изредка встречаются трещинно-жильные воды, заполняющие крупные трещины и карстовые каналы, часто приуроченные к системам тектонических сбросов и других нарушений.

Водоносные породы объединяются в водоносные горизонты, водоносные комплексы и гидрогеологические (или гидрогеотермические) этажи.

Водоносный горизонт представляет собой выдержанную по площади и разрезу насыщенную водой толщу горных пород с близкими гидродинамическими и гидрохимическими условиями, ограниченную в подошве и кровле водоупорными породами.

Водоносный комплекс состоит обычно из нескольких водоносных горизонтов, гидродинамически связанных друг с другом и имеющих близкий химический состав и минерализацию.

39

Гидрогеологические этажи объединяют несколько водоносных комплексов. Гидрогеологические этажи, как правило, разделены между собой мощными регионально выдержанными водоупорами, обычно сложенными толщами глинистых отложений. Гидрохимические и другие характеристики гидрогеологических этажей существенно различаются.

Под бассейном пластовых вод понимают скопление вод, относящиеся преимущественно к осадочным породам, заполняющим отрицательные тектонические элементы земной коры (синеклизы, впадины, прогибы). Бассейн пластовых вод состоит из проницаемых водоносных пластов, объединяемых в горизонты, комплексы и этажи с напорными водами, разделенных водоупорами.

Геогидродинамические системы напорных вод подразделяют на инфильтрационные и эксфильтрационные.

Винфильтрационных водонапорных системах напор создается за счет инфильтрации атмосферных и поверхностных вод. В эксфильтрационных водонапорных системах напор в водоносных пластах создается за счет фильтрационного удаления жидкости из одних пластов (или их частей) в другие пласты (или их части) без пополнения запасов из внешних областей питания. Эксфильтрационные водонапорные системы подразделяют на элизионные литостатические, геодинамические и термогидродинамические.

Вэлизионных литостатических водонапорных системах напор создается вследствие выжимания вод из уплотняющихся осадков и пород в коллекторы и частично за счет уплотнения самих коллекторов с выжиманием вод из одних частей в другие. Наибольшее количество жидкости отжимается из зон максимальной мощности осадков, т.е. из наиболее погруженных частей впадин.

Вэлизионных геодинамических водонапорных системах тектоническое сжатие приводит к возникновению высокой пластовой энергии. Такие системы встречаются преимущественно в областях интенсивной складчатости и повышенной сейсмичности.

Вэлизионных термогидродинамических водонапорных системах напор создается в результате высвобождения жидкости в процессе термической дегидратации минералов.

1.3.3.Зональность подземных вод

Впластовых водонапорных системах выделяют три гидродинамические и газогидрохимические зоны: свободного водообмена, затрудненного водообмена и застойного режима, которые различаются как по генезису подземных вод, так и по природе энергетического потенциала [28].

40