Основные понятия и представления. В настоящее время во многих странах накоплен значительный опыт добычи и использования тепла Земли для производства электроэнергии и отопления различных

В настоящее время во многих странах накоплен значительный опыт добычи и использования тепла Земли для производства электроэнергии и отопления различных объектов, а также извлечения полезных компонентов из геотермальных вод. Возрастающее год от года внимание к теплу Земли связано с его практически неисчерпаемыми ресурсами и не столько с парогидротермами, сколько с теплом глубинных горячих горных пород. Его ресурсы в пределах 10-километрового слоя земной коры определены примерно в 137 трлн. т условного топлива, что на порядок больше всех прогнозируемых топливных ресурсов мира и примерно на столько же больше тепла содержится в подземных горячих водах, которые приурочены к областям молодого вулканизма.

Использование поверхностных проявлений геотермальных систем в виде гейзеров, фумарол, горячих источников известно с глубокой древности. В 1905 г. в Италии начала действовать первая ГеоГЭС. В 1920 г. акад. В.А. Обручев в фантастической повести «Тепловая шахта» развил идею использования тепла сухих горных пород в «подземном котле», где вода нагревалась бы за счет тепла горных пород. В 1977 г. Лос-Аламосская лаборатория (США) создала циркуляционную систему с «подземным котлом» в виде крупной трещины гидроразрыва.

Ядерные и гравитационные процессы в недрах Земли постоянно генерируют тепловую энергию. Подсчитано, что общее теплосодержание Земли в топливном эквиваленте составляет примерно 4,5·10⁸ трлн. т условного топлива. Теоретическая разработка технологии добычи и использования этого, по определению проф. Ю.Д. Дядькина, полезного ископаемого — одна из задач геотехнологии. Но это полезное ископаемое непригодно для складирования и транспортирования на значительные расстояния, его необходимо использовать «на месте».

Геотемпературное поле Земли (ее первых километров) характеризуется довольно быстрым ростом температур с глубиной, однако различные физико-геологические условия залегания пород, а, следовательно, и их характеристики определяют различие геотемпературного поля и, более того, в ряде мест наблюдаются его положительные аномалии, которые и являются объектами добычи тепла.

В середине 80-х годов XX века была создана Геотермическая карта СССР, а в ЛГИ схематическая карта изотермы 100 °С, из которых видно, что с глубины 2—4 км на половине территории Советского Союза можно было добывать тепло.

Основными, используемыми в настоящее время, являются гидротермальные ресурсы тепла, локализованные в виде пара или горячих вод в трещинно-жильных (до 300 °С) или артезианских бассейнах (до 150 °С).

Паротермальные ресурсы тепла горных пород приурочены к магматическим очагам (расплавы до 1200 °С), зонам термоаномалий, локальным (до 400 °С) и региональным, связанным с районами повышенного геотермического градиента (до 150 °С).

Геотермальная технология — это способы и средства добычи тепла Земли и его использования.

Геотермальная система — совокупность инженерных сооружений, технических средств и процессов добычи и использования тепла Земли.

Элементы этой системы:

- подземный тепловой котел (естественный или искусственный коллектор зоны теплоотбора);

- добычные и вспомогательные скважины и поверхностный технологический комплекс.

Тепло Земли может использоваться:

- в недрах (например, использование глубинных горячих теплоносителей для добычи серы, нефти, выщелачивания металлов или получение электроэнергии с помощью погруженных в скважины теплообменных, термоэлектрических устройств, тепловых трубок);

- на поверхности для выработки из добытых теплоносителей электроэнергии или теплоснабжения в различных технологических процессах [18].

Способы извлечения теплоносителя:

- фонтанный (самоизлив за счет упругой энергии);

- откачной (с различными насосами);

- гидродинамический (нагнетание по другой скважине в коллектор отработанного теплоносителя).

Система разработки геотермального месторождения может базироваться на обособленной работе отдельных или спаренных скважин, их рядов, групп или комбинаций.

При разработке геотермальных ресурсов в твердых горных породах для создания коллектора, в котором теплоноситель сможет отбирать тепло, необходимо осуществлять различные способы воздействия: гидравлический разрыв пласта, взрывное разрушение горных пород или бурение системы горизонтальных скважин.

Геотермальная скважина — основа всей геотермальной системы. Принципиальная конструкция и оборудование Тарумовской геотермальной скважины это: направление (d_тр = 639 мм), кондуктор (d_тр = 473 мм, L = 500 м); первая промежуточная колонна (d_тр = 324 мм, L = 3840 м); вторая промежуточная колонна (d_тр = 245 мм, L = 5200 м), эксплуатационная колонна (d_тр = 168 мм, L = 5500 м).

Специфика бурения геотермальной скважины — это регулирование температуры и подбор промывочных растворов для предотвращения кольматации приствольной части коллектора и применение противовыбросных превенторов.

Возможные схемы наземных теплотехнических комплексов весьма разнообразны и принципиально их можно подразделить на две группы:

- с использованием непосредственно добываемого теплоносителя;

- с промежуточными теплообменниками для передачи тепла рабочему теплоносителю.

Принципиальная схема наземного энергетического комплекса показана на рисунке 18.1.

1—скважина; 2 – дегазатор метана; 3 — дегазатор СО; и шламоотделитель; 4 — парогенератор (расширитель); 5 — бассейн-отстойник; 6—турбогенератор; 7—нагнетательный насос

Рисунок 18.1 – Принципиальная схема ГеоТЭС