Геотермальная энергетика

Ресурсы термальных вод по перспективным районам России

По характеру распространения и условиям залегания термальных вод выделяются три типа водонапорных систем: пластовые в платформенных областях, пластовые в краевых прогибах и межгорных впадинах и трещинно-жильные.

Системы пластового типа формируются в платформенных областях, межгорных впадинах и краевых прогибах с относительно спокойным тепловым полем и постепенным нарастанием температуры и минерализации воды с глубиной.

Водоносные системы трещинно-жильного типа приурочены к складчатым областям, и в отличие от пластовых систем термальные воды циркулируют по сложной системе тектонических трещин.

Основные ресурсы теплоэнергетических вод сосредоточены в трех крупных регионах России — Западно-Сибирском, Предкавказском, в области развития современного вулканизма (Камчатка и Курильские острова).

Предкавказский артезианский бассейн

В гидрогеологическом отношении территория Предкавказья представляет собой сложно построенную пластовую водонапорную систему, включающую ряд взаимосвязанных артезианских бассейнов: Азово-Кубанский, ТерскоКумский, Терско-Сунженский и Восточно-Дагестанский. В административном отношении на данной территории представлены Краснодарский и Ставропольский края, Адыгейская, Дагестанская, Чеченская, Ингушская, Кабардино-Балкарская, Северо-Осетинская и Карачаево-Черкесская республики.

В результате проведения гидрогеолого-геотермических исследований ВСЕГИНГЕО, Институтом проблем геотермии ДНЦ РАН, СевероКавказским территориальным геологическим управлением и другими организациями, данный регион наиболее детально изучен по сравнению с другими регионами.

На большей части территории бассейна выделяются три гидрогеотермических этажа, изолированных друг от друга мощными водонепроницаемыми толщами сарматских и майкопских глин: плиоценовый, миоценовый и мезозойский.

В плиоценовом этаже наиболее водообильными и подробно изученными являются водоносные горизонты бакинского и апшеронского ярусов. Температура вод в зависимости от глубины залегания (300–700 м) водоносных горизонтов колеблется от 25 до 60 C, минерализация на подавляющей территории варьирует в пределах 0,5–1,5 г/л. Скважины, вскрывающие водоносные горизонты, дают самоизливающиеся воды с высотой пьезометрического уровня от 10 до 35 м и более над поверхностью земли. Воды плиоценового гидрогеотермического этажа формируются за счет инфильтрации атмосферных осадков, поверхностных вод и конденсации атмосферной влаги в областях питания артезианского бассейна. Прогнозные эксплуатационные ресурсы подземных вод этой части разреза бассейна составляют 16,7 млн м3/сут, из которых более 1,5 млн м3/сут являются водами со средней температурой 40C .

Средний, миоценовый гидрогеотермический этаж, перекрытый сарматской глинистой толщей, представлен слабосцементированными высокопористыми водоносными отложениями караганских и чокракских горизонтов. Суммарная мощность этажа уменьшается от 2300–2400 в предгорной полосе до 600–1000 м в северной части прогиба. Глубина залегания кровли в этом же направлении растет от 600 в предгорьях до 3500–4000 м в осевой части Терско-Каспийского прогиба. Коллекторы суммарной мощностью 200–700 м содержат мощную водонапорную систему термальных вод с минерализацией от 3–5 до 10–35 г/л, температурой от 60–70 до 120–130 C и дебитами скважин от 500 до 5000 м3/сут при избыточных давлениях от 0,3 до 1,5 МПа. Суммарные  потенциальные эксплуатационные ресурсы миоценового этажа составляют 1 млн м3/сут.

В формировании ресурсов миоценового этажа принимают участие инфильтрационные поверхностные воды и воды мезозойских отложений при их миграции вдоль тектонических нарушений.

Мезозойский гидрогеотермический этаж, самый мощный и широко распространенный, сложен мощной толщей песчано-глинистых и карбонатных пород мелового, юрского и триасового периодов. К нему приурочены высокоминерализованные термы хлоридно-натриевого и кальциевого состава с минерализацией 60–210 г/л и пластовыми температурами 130–220 ◦C и выше. Газовый фактор в этих водах доходит до 5 м33 и более. Характерной чертой пластовых вод мезозойского этажа является высокое содержания лития, рубидия, цезия, йода, брома, бора, калия, магния, стронция, что делает их промышленным гидроминеральным сырьем.

Мощность мезозойского гидрогеотермического этажа колеблется от 1000–1200 м в Прикумской области до 4000–5000 м и более в Терско-Сулакском прогибе при максимальной глубине погружения до 10–12 км. Потенциальные ресурсы геотермальных вод и рассолов мезозойского комплекса составляют 2,6 млн м3/сут.

Генезис вод мезозойского этажа преимущественно седиментационно-элизионный со значительной долей восходящих глубинных флюидов, которые мигрируют субвертикально из подкоровых горизонтов вдоль глубинных разломов в кристаллическом фундаменте.

В формировании теплового режима бассейна основная роль принадлежит тепловому потоку, идущему с больших глубин, литологическому составу пород, геолого-структурным особенностям и движению подземных вод. Преобладающее влияние на геотермический режим бассейна имеет глубинный тепловой поток. Большое значение в распределении тепла, идущего с глубин, имеет теплопроводность горных пород. Из пород, слагающих геологический разрез бассейна, самым низким коэффициентом теплопроводности характеризуются мощные толщи майкопских глин, способствующие сохранению тепла. Майкопские и сарматские глины выполняют роль теплоизолирующих покрышек. При погружении водоносных комплексов и увеличении мощности теплоизолирующей покрышки абсолютные величины температур возрастают при постоянном сокращении темпа их приращения. В то же время различие в теплопроводности пород с глубиной несколько сглаживается, и как следствие этого роль литологического фактора в распределении температур в глубоких горизонтах должна уменьшаться, а роль глубинного теплового потока увеличиваться, что вытекает из зависимости между величиной теплового потока, коэффициентом теплопроводности и геотермическим градиентом.

Определенное влияние на геотермическую обстановку оказывают геолого-структурные факторы. В тектонически активных поясах установлена резкая дифференциация теплового потока. Низкие его значения наблюдаются в краевых прогибах и в межгорных и неотектонических впадинах, высокие — в антиклинальных сводовых поднятиях. Поэтому глубина геоизотермической поверхности обычно уменьшается в сводовых частях антиклиналей и увеличивается на синклинальных структурах.

На рисунке 1  приведена схематическая карта глубин залегания геоизотермы 100 C.

Схематическая карта глубин залегания геоизотермы 100 ◦C для Восточно-Предкавказского артезианского бассейна
Рисунок 1. — Схематическая карта глубин залегания геоизотермы 100 ◦C для Восточно-Предкавказского артезианского бассейна

Зона наименьших глубин залегания геоизотермической поверхности 100 C (1500–1600 м) занимает нижнюю часть Ставропольского поднятия, включая участки на его восточном и западном склонах. К северу и югу от этой зоны наблюдается увеличение глубин геоизотермической поверхности.

Связь глубинных температур и подземного рельефа имеется и в Терско-Сунженской области, где в передовых хребтах температуры на тех или иных гипсометрических горизонтах выше, чем в соседних прогибах. Наиболее глубокие прогибы находятся на юге бассейна, водоносные комплексы донеогенных отложений поднимаются к северу и в этом же направлении происходит движение потока вод. Движение подземных вод приводит к охлаждению областей питания и прогреванию областей разгрузки.

Предкавказье является наиболее перспективным регионом России для масштабного освоения геотермальной энергии. Высокие температуры недр удачно сочетаются с мощными водоносными комплексами, где имеются огромные запасы низко-, средне- и высокопотенциальных термальных вод.

Низкопотенциальные воды перспективны для отопления, горячего водоснабжения и использования на различные технологические нужды.  В этих условиях перед технической термодинамикой стоит сложная задача по эффективной утилизации тепла таких вод.

Освоение среднепотенциальных вод связано с разработкой передовых технологий двухконтурных систем использования тепла и изучением гидродинамических и тепловых процессов, протекающих в различных элементах систем при эксплуатации.

Наиболее перспективными для освоения являются высокопотенциальные рассольные воды с разработкой технологий комплексного извлечения тепловой и потенциальной энергий, сопутствующих газов и минеральных солей, и оптимизацией различных термодинамических циклов, реализуемых в установках по утилизации.

Западно-Сибирский артезианский бассейн

Западно-Сибирский платформенный артезианский мегабассейн, где административно расположены полностью или частично Курганская, Тюменская, Омская, Новосибирская и Кемеровская области, Красноярский и Алтайский края, Ямало-Ненецский национальный округ, в геологоструктурном плане представляет собой обширную впадину площадью 3,5 млн км2, сложенную мощными (до 10 км) осадочными отложениями от юрского до четвертичного возраста. Термальные воды Западно-Сибирского бассейна изучаются и постепенно начинают использоваться главным образом попутно с освоением нефтяных и газовых месторождений.

Регионально распространенной толщей глинистых пород туронскоолигоценового возраста мощностью до 800 м разрез осадочного чехла бассейна подразделяется на два гидрогеологических этажа. Верхний этаж, сложенный олигоцен-четвертичными песчаными породами, на большей части бассейна находится в зоне активного водообмена, содержат пресные воды инфильтрационного генезиса. Нижний гидрогеологический этаж, включающий породы от фундамента до меловых включительно, относится к зоне затрудненного водообмена. Он по всей площади, кроме периферийного пояса шириной 20–200 км, надежно изолирован от влияния поверхностных факторов, имеет мощность 2–6 км и содержит воды с минерализацией обычно 10–30 г/л. В составе этажа выделяют пять гидрогеологических комплексов: палеозой-триасовый, нижнесреднеюрский, берриасваланжинский, неокомский и аптсеноманский.

Основные запасы термальных вод заключены в апт-сеноманском и неокомском водоносных комплексах, которые отличаются высокой водообильностью и самоизливом из скважин.

Неокомский водоносный комплекс объединяет песчано-глинистые отложения мощностью до 800 м. Мощность проницаемых песчаных пластов изменяется от 5 до 40 м, пористость 10–22 %, проницаемость до 1 · 10−12 м2. Дебиты скважин, вскрывших водоносные пласты, изменяются от 100 до 800 м3/сут и более. Избыточные напоры достигают 140–160 м.

Апт-сеноманский водоносный комплекс представлен песчано-глинистыми алевритовыми отложениями мощностью до 1000 м. Пористость песчаных пород в сеноманской части разреза нередко превышает 25–30%, проницаемость достигает 2·10−12 м2. Высокие фильтрационные свойства и большая мощность водоносных пород обеспечивают большие дебиты, достигающие на самоизливе до 2–4 тыс. м3/сут.

Максимальная зарегистрированная температура пород составляет 160 C на глубине 4940 м на Надымской площади. Температура подземных вод в низах осадочного чехла периферии бассейна 10–20 C. В центральной зоне температура кровли доюрских пород составляет в Салымском районе 120–140 C, на Сургутском своде 90–115 C, на Нижневартовском своде 105–125 C. Высокой температурой 135–140 C характеризуется Красноленинский свод.

Температура подземных вод в кровле неокомского водоносного комплекса изменяется от 10–15C по периферии бассейна до 80–90C на Красноленинском своде. На западе температура в кровле комплекса составляет 40–70 C, причем наиболее высокие значения отмечены в Шаимском и южной части Березовского района (50–75 C). Салымский и примыкающие к нему районы характеризуются температурами более 80 ◦C, на Сургутском своде 55–60 ◦C, на Нижневартовском своде 65–73 C.

В кровле апт-сеноманского комплекса температура подземных вод изменяется от 0–5 до 35–45 C. По периферии бассейна развиты наиболее холодные воды, их температура не превышает 20 C. В центральной зоне максимальная температура (более 40 C) установлена на Красноленинском своде и в Салымском районе.

В региональном плане в Западно-Сибирском мегабассейне происходит нарастание температуры подземных вод от периферии к центральным районам, вызванное погружением водоносных комплексов.

Подземные воды Западно-Сибирского мегабассейна характеризуются малой минерализацией (в среднем 20 г/л), значительным содержанием водорастворенных органических веществ (ВРОВ) и газов углеводородного состава. Основная региональная гидрохимическая зональность заключается в последовательной смене вод инфильтрационного генезиса с минерализацией 1–5 г/л, развитых в окраинных частях мегабассейна, хлоридно-кальциевыми водами с минерализацией до 15–20 г/л по мере продвижения к центральным областям. Газонасыщенность подземных вод возрастает от окраин мегабассейна к центральной части, достигая в наиболее погруженных частях до 5 м3 газа (в основном метана) в 1 м3 воды.

Воды мегабассейна седиментогенные, их формирование связано с накоплением осадков в опресненных внутренних морских водоема  и континентальных условиях.

Запасы тепла по неокомскому и апт-альбскому комплексам при насосном способе эксплуатации скважин эквивалентны 27 млн т у. т./год.

Камчатская и Курильская системы современного вулканизма

Среди трещинных водонапорных систем к наиболее перспективным для освоения термальных вод и парогидротерм относятся Камчатская и Курильская системы современного вулканизма (таблица 1).

Прогнозные ресурсы термальных вод и парогидротерм в трещинных водонапорных системах по перспективным регионам России
Таблица 1. — Прогнозные ресурсы термальных вод и парогидротерм в трещинных водонапорных системах по перспективным регионам России

На Камчатке все перспективные районы распространения термальных вод и парогидротерм приурочены к горно-складчатым структурам или к вулканическим зонам. Минерализация термальных вод невысокая и редко превышает 3 г/л, а минерализация парогидротерм достигает 5 г/л. Все месторождения термальных вод и парогидротерм относятся к трещинно-жильному типу. Суммарные запасы высокопотенциального теплоносителя с температурой выше 100 C, представленные паром или пароводяной смесью, соответствуют прогнозной электрической мощности ГеоЭС до 1000 МВт, а прогнозные запасы термальных вод с температурой до 100C по крупным термопроявлениям составляют 814,6 тыс. м3/сут с запасами тепла 16 млн Гкал/год.

По данным Института вулканологии Дальневосточного отделения РАН уже выявленные геотермальные ресурсы позволяют полностью обеспечить Камчатку электроэнергией и теплом более чем на 100 лет.

Наряду с высокотемпературным Мутновским месторождением на юге Камчатки, известны значительные запасы геотермальных ресурсов на Кошелевском, Больше-Банном, а также на севере Камчатки — Киреунском месторождениях. Всего на этих месторождениях можно получить около 2000 МВт(э) электрической мощности, а запасы тепла геотермальных вод Камчатки оцениваются в 5000 МВт(т).

Чукотка также имеет значительные запасы геотермального тепла на границе с Камчатской областью. Уже открытые здесь запасы тепла Земли могут сегодня активно использоваться для энергообеспечения близлежащих городов и поселков.

В районе Курильских островов выявлены десятки выходов естественных термальных источников, а также пробурен ряд скважин на островах Кунашир, Итуруп и Парамушир. Прогнозные запасы геотермальной энергии для сооружения ГеоЭС соответствуют электрической мощности до 80 МВт, а запасы термальных вод с температурой до 100 C по крупным и перспективным для освоения участкам составляют более 65 тыс. м3/сут с запасами заключенного в них тепла в 950 тыс. Гкал/год. Выявленные запасы геотермального тепла достаточны для тепло- и электроснабжения островов на 100–200 лет.