Лекция 9

ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ И ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Тепловое поле Земли. Краткое введение

Проблема «тепла и холода» привлекала внимание философов еще в давние времена. Платон (427–347 гг.) связывал тепло и холод с атомами; Аристотель (384–322 гг.) считал, что природа состоит из четырех элементов: воздуха, огня, воды и земли; Плиний (23–79 гг.) писал об извержении вулканов, теплых источниках и фумаролах. В XVI веке, когда еще не был изобретен термометр и не разработаны основные шкалы температуры Фаренгейта (1709 г.), Реамюра (1730 г.) и наиболее распространенной в наши дни шкалы Цельсия (1742 г.), Г. Агриколой (G. Agricola) уже упоминалось, что температура в глубоких шахтах до 1000 м увеличивается с глубиной.

Геотермия является наукой, изучающей тепловое состояние земных недр. Она имеет ряд как теоретических, так и практических приложений. Температура повсеместно увеличивается с глубиной, достигая в ядре Земли по имеющимся оценкам около 6000 °С.

Рисунок – снижение геотермической активности при переходе от молодых к древним платформам.

Геотермическая активность недр снижается от молодых к древним платформам.

Только в самой верхней части геологического разреза до глубины 40 – 100 м температура может, как увеличиваться (регистрация термограммы выполнена в зимнее время), так и уменьшаться г глубиной (измерения выполнены летом). Расссмотрим это на примере термограммы скважины Булавки 41, расположенной в районе Полоцка.

Геотермия относится к сравнительно молодым наукам, так, первые измерения температуры в скважине Pregny вблизи Женевы были выполнены в 1832 г., а первое определение плотности теплового потока на основе измерения распределения температуры в скважине и коэффициента теплопроводности в лаборатории – только в предвоенные годы прошлого столетия. Первое же измерение температуры на забое скважины, пробуренной на территории Беларуси (г. Минск), было выполнено в 1928 г., а первая термограмма опубликована только через четверть века – в 1954 г М.Ф. Беляковым.

В 60-х годах прошлого века зародилась теория тектоники плит, стимулировавшая изучение теплового потока на континентах и в океанах. В этот же период были начаты систематические геотермические исследования в мире, в том числе и в Беларуси. Дальнейшее стимулирование исследований по тепловому состоянию недр Земли произошло в 70-х годах в связи с энергетическим кризисом и значительным развитием работ по практическому использованию тепла земных недр, поддержанное ООН.

Геотермическая изученность территории Беларуси

Тепловое поле геологических структур во многом определяется историей их геологического развития и тесно связано с эволюцией региона. В отличие от других геофизических полей (например, гравитационного и магнитного), детальность изучения геотермического поля ниже. Для регистрации термограммы обязательным условием является наличие скважины, доступной для термометрических измерений. Разбуренность же геологических структур Беларуси весьма неравномерна. Плотная сеть скважин имеется в пределах месторождений полезных ископаемых, и весьма редкая – в пределах территорий, на которых не выявлено залежей полезных ископаемых. Исключение составляют мелкие скважины для питьевого водоснабжения. Накопление кондиционных термограмм и сбор производственного термокаротажа скважин, начатые с 1964 года Л.А. Цыбулей и П.П. Атрощенко в Лаборатории геохимических проблем АН БССР, продолжаются до настоящего времени. По состоянию на 2008 год накоплено около 1000 термограмм разного качества и выполнено более 500 определений плотности теплового потока. Геотермическая изученность территории Беларуси показана на двух следующих рисунках.

Рисунок – Схема расположения основных изученных в геотермическом отношении скважин (показаны кружками) в пределах Беларуси.

Надежность термограмм скважин

Наличие термограмм скважин является обязательным условием при изучении геотермических условий геологических структур. Надежность зарегистрированных в скважинах термограмм определяется рядом факторов, таких как: выстойка скважин перед измерениями, наличие интенсивной циркуляции подземных вод в месте расположения измеряемой скважины, наличие, либо отсутствие самоизлива воды из скважины, инструментальные погрешности скважинного термометра и т.п.

Рисунок – Глубина скважин, изученных в геотермическом отношении.

Обозначения: 1 и 2 – границы главных положительных и отрицательных структур.

Влияние выстойки скважины перед измерениями

Обозначения: 1 – производственная термограмма, измерения выполнены 30 января 1961 г. электротермометром ЭТМИ-55. Скважина находилась в покое 14 суток перед измерениями. Скважина вскрыла кристаллический фундамент, забой находился на глубине 1129.05 м. 2 – термограмма структурно-картировочной скважины Смоленск-2, измерения выполнены 1 февраля 1961 г. электротермометром ЭТМИ-55. Скважина находилась в покое 14 суток, забой - 1129.05 м. 3 – термограмма, зарегистрированная в 1975 г., спустя 14 лет после завершения буровых работ.

Рисунок – Термограммы скважин Смоленск 1 и Смоленск 2

Чаще всего встречаемые при регистрации термограмм погрешности – это погрешности, связанные с малой выстойкой перед началом измерений. Рассмотрим это на примере смоленских скважин (Оршанская впадина). Теплового равновесия между стволами скважин и окружающими массивами горных пород после 14 дней нахождения в покое перед регистрацией термограмм в двух случаях не было достигнуто. Об этом свидетельствует извилистая форма производственных термограмм. Разница же между двумя производственными термограммами невелика. Однако расхождение между ними и термограммой, зарегистрированной 14 лет спустя после достижения теплового равновесия в скважине Смоленск 1, достигает почти повсеместно 1.5 – 2 °С.

Стационарная термограмма представляет собой гладкую кривую. По мере увеличения глубины и приближения к забою расхождение постепенно уменьшается. Это объясняется тем, что время циркуляции раствора при бурении скважин у забоев было значительно меньшим по сравнению с верхними интервалами, и нарушение стационарного поля температуры в массиве горных пород в нижней части вскрытого бурением разреза было также меньшим.

Погрешности, связанные с самоизливом подземных вод показано на термограммах скважин Копаники 2б и Брюзги 29/8 (Белорусская антеклиза), расположенных на небольшом расстоянии в районе Гродно. Скважина Копаники 2б находилась в покое около 3 лет после завершения бурения, в скважине Брюзги имел место самоизлив воды в ходе выполнения измерений.

Рисунок– Термограммы скважин Копаники 2б и Брюзги 29/8 (Белорусская антеклиза).

В верхней части в интервале 0 – 280 м расхождение между двумя термограммами увеличивается с уменьшением глубины. Эта разница превышает 4°С на глубине 20 м. Если продлить термограмму скважины Копаники 2, поскольку в ней измерения были выполнены только до глубины 260 м, то в своей нижней части обе термограммы практически совпадают. Для скважины Брюзги 29/8 из термограммы видно что на глубине 280 м из водоносного пласта происходит самоизлив.

Влияние восходящей и нисходящей фильтрации подземных вод на вид термограмм. Нисходящая фильтрация подземных вод в районе скважины отражается в виде вогнутой кривой на термограмме, тогда как восходящая фильтрация приводит к выпуклой форме кривой, как показано на рисунке.

Рисунок – Вид термограмм при наличии инфильтрации (1), восходящей фильтрации (3) и при отсутствии фильтрации (2) для однородной толщи отложений. Вектор V изображает направление и скорость фильтрации флюида

Направление инфильтрации V показано стрелкой вниз, а восходящей фильтрации – стрелкой вверх. Термограмма в виде прямой линии соответствует однородной толще отложений в случае отсутствия вертикальной компоненты фильтрации (V = 0). На этом рисунке рассмотрен идеальный случай, когда скважина вскрыла однородную толщу пород с неизменным коэффициентом теплопроводности, а ствол скважины находился в тепловом равновесии с массивом горных пород перед началом измерений.

Одним и тем же глубинам D1 и D2 соответствуют температуры Т1 и Т2 на вогнутой термограмме (наличие инфильтрации), а Т3 и Т4 – для выпуклой кривой (случай восходящей фильтрации). Очевидно, что и значения разности температуры и геотермический градиент для интервалов D1 - D2 будут разными. Более низкие значения геотермического градиента в верхней части геологического разреза будут соответствовать вогнутой термограмме, а более высокие – выпуклой кривой. В нижней же части разреза ситуация будет иной. Одним и тем же глубинам D3 и D4 соответствуют температуры Т5 и Т6 на вогнутой термограмме (наличие инфильтрации), а Т7 и Т8 – для выпуклой термограммы (случай восходящей фильтрации). Очевидно, что и значения температуры и геотермический градиент для интервала D3 – D4 будут снова разными. Однако теперь более низкие значения геотермического градиента в нижней части геологического разреза будут соответствовать выпуклой термограмме, а более высокие – вогнутой кривой.