Геотермальная энергетика

Характеристика подземной гидросферы

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 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, строго говоря, 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 замещены 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, содержащие 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 температурах 80–90 C, которые наблюдаются на глубинах 2–3 км. При полном превращении гипса CaSO4·2H2O в ангидрит CaSO4 из каждой тонны гипса высвобождается 210 кг воды. Наибольшее количество возрожденных вод образуется при превращении монтмориллонита, содержащего до 24% воды, в гидрослюды, в которых содержание воды обычно до 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 породах-коллекторах. 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, изначально в ней содержавшейся, которая собственно и есть магматическая вода подкорового происхождения. Наиболее сложным и дискуссионным является вопрос
о происхождении таких вод.

Еще в XVI в. Агрикола высказал мнение о том, что в земной коре могут сгущаться пары воды, идущие с больших глубин. В начале XX века 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 Земли. Было доказано, что образование легкоплавкой фазы при зонном плавлении вещества мантии (базальтовых пород) 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.

Условия залегания термальных подземных вод

По условиям залегания термальные воды подразделяются 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. В случае, когда пористые коллекторы пересекаются сетью трещин, содержащиеся в них воды называют трещинно-поровыми.

Трещинные воды располагаются 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 воды называют трещиннокаверновыми.

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 гравитационной водой толщу горных пород с близкими гидродинамическими и гидрохимическими условиями, ограниченную в подошве и кровле водоупорными породами.

Водоносный комплекс включает обычно несколько водоносных горизонтов, гидродинамически связанных друг с другом и имеющих близкий химический состав и минерализацию.

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 понимается скопление вод, приуроченное 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 подразделяются на инфильтрационные и эксфильтрационные.

В инфильтрационных 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 подразделяются на элизионные литостатические, геодинамические и термогидродинамические.

В элизионных 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.

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

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

Зональность подземных вод

В пластовых водонапорных системах выделяются 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.

Зона свободного водообмена занимает верхние части разреза до глубины 500 м. В пределах зоны происходит интенсивное движение вод со скоростью от десятков сантиметров до метров в год и более, температура не превышает 20 ◦C. Природа энергетического потенциала гидростатическая. Воды обычно пресные или слабой минерализации, инфильтрационного происхождения. В подземных водах этой зоны развиты преимущественно атмосферные газы (азот, кислород, диоксид углерода). Геохимическая обстановка в зоне окислительная. На формирование геохимической характеристики вод большое влияние оказывают климатические и другие физико-географические условия.

Зона затрудненного водообмена является промежуточной между зоной свободного водообмена и застойного режима и залегает на глубинах 500–1500 м. Воды пластовые, напорные. В пределах зоны воды движутся от областей инфильтрации к погруженным частям бассейна со скоростью от единицд о десятков сантиметров в год. Природа энергетического потенциала гидростатическая. В пополнении ресурсов подземных вод зоны наряду с водами инфильтрационного генезиса определенную роль играют и седиментационные воды. Температура вод меняется в диапазоне 20–40C. Воды хлоридно-кальциевые, иногда хлоридно-магниевые и гидрокарбонатно-натриевые с минерализацией 5–10 г/л. В водах растворены обычно газы смешанного (азотно-углеводородного и углеводородно-азотного) состава. В этой зоне окислительная обстановка сменяется переходной (окислительно-восстановительной). В формировании геохимической обстановки подземных вод этой зоны поверхностные факторы заметной роли не играют.

Зона застойного режима занимает нижние части осадочного чехла и залегает на глубинах 1500–4000 м. Напоры подземных вод в пределах зоны в значительной степени определяются геостатическим давлением. Движение подземных вод очень замедленное, скорость составляет от единицы о нескольких десятков миллиметров в год. Температуры вод 40–100 C и более. Воды обычно высокоминерализованные, хлоридно-кальциевого типа, главным образом седиментационного генезиса.

С глубиной возрастает роль вод отжатия, возрожденных и литогенных вод. Газы, растворенные в водах, преимущественно углеводородного состава, в них, наряду с метаном, отмечается повышенное содержание его гомологов. Геохимическая обстановка в пределах зоны повсеместно восстановительная.

Теплоэнергетические воды

Под термином «теплоэнергетические воды» понимаются природные подземные воды, пригодные для использования в качестве источника получения тепла и (или) электроэнергии. Они подразделяются на термальные воды и парогидротермы.

Основным показателем для отнесения подземных вод к категории теплоэнергетических является их температура. Однако четких и достаточно обоснованных температурных критериев для выделения рассматриваемой категории вод не имеется. Одни исследователи считают, что термальной можно считать воду температурой выше 20 C (Б.Ф. Маврицкий), другие исследователи к термальным водам относят воды, температура которых превышает температуру человеческого тела (37 C).

В «Инструкции по применению классификации эксплуатационных запасов подземных вод к месторождениям термальных вод» гласит: «К термальным водам теплоэнергетического назначения относятся подземные воды с температурой более 35C независимо от их химического состава. В отдельных случаях для теплоснабжения могут быть использованы субтермальные воды с температурой от 20 до 35 C. По температурному и агрегатному (фазовому) состоянию термальные воды подразделяются на собственно термальные с температурой при выходе на поверхность до 100 ◦C и перегретые (пароводяные смеси, сухой пар) с температурой более 100 C. В группе собственно термальных вод выделяются воды низкопотенциальные с температурой до 70 C и среднепотенциальные с температурой от 70 C до 100C. Перегретые воды относятся к группе высокопотенциальных естественных теплоносителей».

На наш взгляд, термальной является вода подземных источников, использование которой на теплоэнергетические цели в данных территориально-климатических условиях позволяет получить положительный экономический эффект за счет ее температуры.

К примеру, в районах с холодными климатическими условиями подземную воду с температурой 15–20 C можно успешно использовать для оттаивания мерзлых грунтов (рытье котлованов, горнопроходческие работы и т. д.), тогда как прямое использование такой воды на теплоэнергетические цели в южных районах не имеет практического
смысла.

Существует несколько классификаций подземных вод по температурному признаку. В таблице 1 приведена одна из существующих классификаций теплоэнергетических вод.

Классификация подземных теплоэнергетических вод
Таблица 1. — Классификация подземных теплоэнергетических вод

Воды низкопотенциальные (с температурой 35–70 C) можно эффективно использовать для обогрева открытого грунта, оттаивания мерзлых пород, интенсификации рыбоводства, для закачки в нефтеносные пласты, для технологических процессов, требующих низкопотенциальных теплоносителей, в теплонасосных системах теплоснабжения.

Для прямого теплоснабжения объектов различного назначения эти воды имеют ограниченное применение. В основном они используются в районах с мягким климатом или в любых районах с применением тепловых насосов или пикового догрева.

Воды среднепотенциальные (с температурой 70–100 C) могут эффективно использоваться для теплоснабжения промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектов, для технологических нужд, заводнения нефтяных залежей, выработки электроэнергии в бинарных ГеоЭС, системах теплоснабжения в комбинации с тепловыми насосами.

Воды высокопотенциальные (с температурой более 100 C) также могут эффективно использоваться для теплоснабжения и выработки электроэнергии. Слабоперегретые (100–150 C) воды можно использовать в бинарных ГеоЭС, а воды более высокой температуры в одноконтурных ГеоЭС.

Все перегретые воды в пластовых условиях находятся, как правило, в жидком состоянии, поскольку пластовое давление обычно превышает давление насыщенного пара при данной температуре. Вскипание жидкости с образованием двухфазного потока происходит в стволе скважины, и на поверхность выводится пароводяная смесь (ПВС) с различным соотношением воды и пара, в зависимости от тепловых параметров вскрытого теплоносителя. Содержание пара увеличивается с ростом температуры: для слабо перегретых вод содержание пара, получаемого на поверхности, не превышает 10%, а в диапазоне температур 200–300 ◦C составляет в среднем 20–40%.

Основной теплоэнергетической характеристикой ПВС является ее энтальпия, или теплосодержание, величина которой находится в прямой зависимости от содержания пара в ПВС. Энтальпия ПВС с содержанием пара до 10% составляет не более 630–670 кДж/кг, энтальпия ПВС с содержанием пара 20–40% достигает 1260–1470 кДж/кг.

Пластовый флюид в виде пара встречается крайне редко. Резервуары, содержащие пар, характеризуются довольно однообразными температурами и давлениями: температура в пределах 240 C, давление около 3,2 МПа. На поверхности скважинами выводится сухой насыщенный или перегретый пар с энтальпией 2800–3000 кДж/кг, используемый для выработки электроэнергии.

Месторождения теплоэнергетических вод

По геолого-гидрогеологическим и геотермическим условиям месторождения теплоэнергетических вод подразделяются на три основных типа:

  • месторождения пластового типа в артезианских бассейнах платформ и плит;
  • месторождения пластового типа в артезианских бассейнах, приуроченных к предгорным и межгорным впадинам горно-складчатых областей;
  • месторождения трещинно-жильного типа горно-складчатых областей.

Более 90% эксплуатационных запасов теплоэнергетических вод в России приходится на месторождения первых двух типов, приуроченных к гидрогеотермическим системам пластового типа.

Пластовые системы платформенных артезианских бассейнов характеризуются большими размерами, сравнительно спокойным залеганием продуктивных горизонтов (комплексов) в мезозойских и кайнозойских отложениях, относительной однородностью фильтрационных свойств, выдержанностью на больших площадях гидрогеохимических и геотермических показателей, высокими гидростатическими напорами вод, значительными величинами эксплуатационных запасов.

По количеству продуктивных горизонтов месторождения в таких системах могут быть одно- и многопластовыми. По характеру водовмещающих отложений водоносные комплексы месторождений подразделяются на поровые и порово-трещинные, приуроченные в основном к терригенным и терригенно-карбонатным коллекторам (пески, песчаники, мергели, известняки).

Эксплуатационные запасы месторождений в артезианских бассейнах платформенного типа формируются главным образом за счет упругих запасов эксплуатируемых водоносных горизонтов. Перетекание из соседних горизонтов и отжатие из глинистых прослоев отсутствует или имеет подчиненное значение.

К месторождениям такого типа относятся Тобольское и Омское в пределах Западно-Сибирского артезианского бассейна.

Пластовые водонапорные системы предгорных и межгорных артезианских бассейнов и артезианских склонов, как и платформенных бассейнов, приурочены к глубоким частям разреза. Месторождения отличаются более сложным строением и меньшими размерами (десятки–сотни квадратных километров) по сравнению с месторождениями первого типа и также могут быть одно- и многопластовыми. Для месторождений этого типа характерна, как правило, фациальная изменчивость водовмещающих пород, приводящая часто к существенному изменению фильтрационных свойств пород на небольших расстояниях. Гидрохимическая обстановка часто весьма быстро меняется по площади и по разрезу.

Характерная черта рассматриваемых водонапорных систем — весьма высокие избыточные напоры термальных вод, достигающие часто сотен метров. Воды, как правило, сильно газонасыщены и отличаются повышенными температурами.

Для месторождений предгорных и межгорных артезианских бассейнов в большинстве случаев характерны поровые и порово-трещинные коллекторы. Эксплуатационные запасы частично обеспечиваются упругими запасами, естественными ресурсами эксплуатируемого водоносного горизонта, а также запасами вод, привлекаемыми из других водоносных горизонтов. При значительном понижении уровня возможен подток к водозабору вод иного состава из других горизонтов через тектонически ослабленные зоны и фациальные «окна», а также латерально — вследствие перемещения гидрогеохимической границы в эксплуатационном пласте.

К таким месторождениям относятся большинство месторождений термальных вод Восточного Предкавказья (Ханкальское в Чеченской республике и Махачкала-Тернаирское, Избербашское, Каякентское и другие в Дагестане).

Месторождения теплоэнергетических вод трещинно-жильного типа горно-складчатых областей распространены в районах современного и недавнего вулканизма (Камчатка и Курильские острова). Они приурочены к интрузивным, метаморфическим и вулканогенно-осадочным комплексам пород и связаны с системами крупных тектонических нарушений, формирующих зоны дробления и блоковую структуру месторождений. Эти месторождения отличаются очень сложным строением и имеют локальное распространение. Размеры месторождений не превышают нескольких десятков квадратных километров.

Пористость и проницаемость монолитных блоков пород низкая, фильтрация вод происходит главным образом по системам пересекающихся трещин. Для большинства месторождений характерно наличие очагов разгрузки в виде поверхностных термопроявлений (термальных источников, парогазовых струй).

Эксплуатационные запасы теплоэнергетических вод трещинно-жильных месторождений формируются главным образом за счет естественных ресурсов. Минерализация вод редко превышает 10 г/л.

В районах современного вулканизма распространены месторождения с низко- и среднепотенциальным теплоносителем (до 100 C в складчатых районах вне областей молодой вулканической деятельности) и высокопотенциальные (выше 100 C), называемые парогидротермами.