Отчет 1 этап по ГК № 14.740.11.1296 от 17.06.11
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации УДК 550.3 ГРНТИ 37.00.00 Инв. № 1115842 УТВЕРЖДЕНО: Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» (КБГУ) Ректор КБГУ ______________/Карамурзов Б.С./ М.П. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ о выполнении 1 этапа Государственного контракта № 14.740.11.1296 от 17 июня 2011 г. Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» (КБГУ) Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами. Проект: Исследование теплового поля в областях современного вулканизма на Северном Кавказе для создания систем геотермального тепло-энергоснабжения Руководитель проекта: ______________/Долов Спартак Муазинович/ (подпись) Нальчик 2011 г. СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ по Государственному контракту 14.740.11.1296 от 17 июня 2011 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд Организация-Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» (КБГУ) Руководитель темы: Аспирант кафедры чрезвычайных ситуаций КБГУ ___________________ 19.07.2011 г. Долов С. М. Нормоконтролер, начальник ОСМО ___________________ 19.07.2011 г. Кольченко Е.А. 2 Реферат Отчет 56 с., 6.рис., 41 источник. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ, МАГМАТИЧЕСКАЯ КАМЕРА, МАГМАТИЧЕСКИЙ ОЧАГ, ТЕРМАЛЬНЫЕ ВОДЫ, ГИДРОГЕОТЕРМИЯ, НЕТРАДИЦИОННЫЕ (НВИЭ), ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ, ИСТОЧНИКИ ГРАДИЕНТ ЭНЕРГИИ ТЕМПЕРАТУРЫ, ГЕОТЕРМАЛЬНЯ ЭНЕРГЕТИКА, ГЕОТЕРМОСЪЕМКА. Объектом исследования являются температурные поля и термальные источники в районе Эльбрусского вулканического центра на территории Кабардино-Балкарии и в прилегающих регионах. Цели первого этапа работ: анализ научно-технической литературы по проблеме выявления локальных тепловых аномалий; анализ методов измерения теплового поля Земли. Сравнительный анализ контактных методов измерения температуры. На первом этапе достаточно внимания было уделено обзору литературы по методам измерения теплового поля Земли. Проведен геолого-геофизический анализ тепловых полей в исследуемом регионе. Продолжение работ по проекту предусматривает решение следующих задач: 1. Проведение полевых работ по изучению термальных источников и тепловых аномалий в районе Эльбрусского вулканического центра и прилегающих территорий. 2. Забор воды с термальных источников и проведения химических анализов для определения ее пригодности в теплоснабжении. 3 3. Исследование температурных вариаций в Эльбрусской вулканической области на базе НОЦ «Геодинамическая обсерватория» КБГУ. 4. Составление цифровой модели карты тепловых полей на территории Северного Кавказа. 5. Оценка объема запасов термальных вод. Обобщение данных тепловых наблюдений, выполненных на исследуемой территории. 4 Содержание Введение ....................................................................................................................... 6 Основная часть Обобщение геолого-геофизических данных районов современнго вулканизма на Северном Кавказе ..................................................... 10 Глава 1 Обзор научно-технической литературы.................................................... 10 1.1 Тепловой режим земной коры ........................................................................... 10 1.2 Подземные термальные воды (гидротермы) .................................................... 11 1.3 Запасы и распространение термальных вод ..................................................... 14 1.4 Источники тепла в недрах земли ....................................................................... 16 Глава 2 Анализ методов измерения теплового поля ............................................. 18 2.1 Геотермальные ресурсы Земли .......................................................................... 18 2.2 Достоинства и недостатки геотермальной энергетики ................................... 19 2.3 Петротермальная энергия ................................................................................... 22 2.4 Геотермическая съемка....................................................................................... 23 2.5 Методика геотермической съемки .................................................................... 28 2.6 Организация полевых геотермо - съемочных работ и подготовка к полевым работам ....................................................................................................................... 33 2.7 Составление плана полевых работ .................................................................... 35 2.8 Измерительные приборы и техника проведения температурных замеров ... 36 Глава 3 Сравнительный анализ контактных методов измерения температуры . 39 3.1 Использование геотермальной энергии для выработки тепловой и электрической энергии. ............................................................................................ 39 3.2 Геотермальные электростанции с бинарным циклом ..................................... 41 3.3 Схема Паужетской ГеоТЭС ............................................................................... 42 3.4Теплоснабжение высокотемпературной сильно минерализованной термальной водой ...................................................................................................... 45 3.5 Теплоснабжение низкотемпературной маломинерализованной .................... 47 термальной водой ...................................................................................................... 47 Заключение ................................................................................................................ 55 Список используемых источников .......................................................................... 56 5 Введение О подземных термальных водах и их использовании в народном хозяйстве в последние годы написано очень много. А вот о том, что проблема термальных вод является лишь частью новой ветви науки, знают в основном только специалисты. Эта отрасль называется гидрогеотермией и за последние годы она стала совершенно необходимой не только при изучении термальных вод, но и при решении ряда специальных вопросов из области гидрогеологии, геохимии, минералогии, геотектоники. Занимается гидрогеотермия изучением термического режима верхних слоев земной коры и роли подземных вод в передаче тепла, а также разработкой гидрогеотермических методов исследований. В последние годы все большее внимание привлекают проблемы использования чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для нужд энергоснабжения различных сельскохозяйственных и промышленных направления объектов. энергетики Актуальность обусловлена и перспективность двумя основными данного факторами: катастрофически тяжелым положением экологии и необходимостью поиска новых видов энергии. Традиционные топливно-энергетические ресурсы (уголь, нефть, газ и т.д.) при существующих темпах развития научно-технического прогресса по оценкам ученых, иссякнут в ближайшие 100-150 лет [1]. Использование НВИЭ на Северном Кавказе имеет свои особенности, связанные с ее природно-климатическими условиями, географическим расположением территории и промышленно-хозяйственной инфраструктурой, определяющей распределение и потребление энергии [2]. Актуальность настоящей работы обусловлена, с одной стороны, большим научным интересом темы теплового поля Земли, с другой стороны, ее практическое использование как нетрадиционный и возобновляемый вид энергии. Теоретическое значение изучения теплового поля заключается в том, что 6 избранная для рассмотрения проблематика находится на стыке сразу нескольких научных дисциплин. Это теплофизика, геохимия, геофизика, геоэкология и др. Рост цен на электроэнергию показывает необходимость поиска возобновляемых источников энергии. На территории Северного Кавказа приоритетной является построения систем геотермального тепло-энергоснабжения которое объясняется наличием здесь огромных запасов термальной энергии. Эльбрусский вулканический центр является типичным представителем развивающейся области современного вулканизма [3]. Оценка тепловых запасов в районе Эльбрусского вулканического центра имеет, важное хозяйственное значение для Республик Северного Кавказа, так как выявленные здесь магматические очаги и гидротермальные системы, обладая громадным энергетическим потенциалом, могут обеспечить широкое развитие электростанций и систем геотермального теплоснабжения. Говоря о поисках возобновляемых источников энергии на Северном Кавказе следует, прежде всего, остановиться на запасах гидротермальной энергии. Последнее легко объяснить, если учесть что здесь запасы термальной энергии связываются с вулканическими центрами и в первую очередь с кальдерой Эльбруса и ближайшими прилегающими территориями. Достаточно отметить, что в Приэльбрусье имеется целый ряд термальных источников, периодически возобновляется в районах восточной вершины Эльбруса и перевала Ирикчат фумарольная деятельность, а в штольне Баксанской нейтринной обсерватории, которая уходит под гору Андырчи более чем на 4 км, температура превышает 50 °С. Под горой Андырчи отмечены горячие источники и выбросы пара, а в скважине в районе Тырныаузского вольфрам-молибденового месторождения (в забое) на глубине 4000 м температура пород составляет величину 223,6 °С, что существенно превышает стандартный геотемпературный градиент. Об этом же свидетельствуют и данные других термальных наблюдений в 7 этом активном регионе[5]. На Северном Кавказе имеются термальные воды, температура которых достигает 100-1200С, что позволяет напрямую использовать их для теплоснабжения и позволяют получить здесь 10-12 МВт тепла и около 400 МВт электроэнергии. Известно 49 месторождений геотермальных вод с температурой до 120125 °С (Казьминское месторождение, Ставропольский край), температура вод большинства месторождений – в пределах 40–90 °С. В одном лишь Дагестане в год добывается более 6,0 миллионов м3 геотермальной воды. Геотермальные воды обнаружены почти во всех проницаемых породах. В ряде районов подземные воды фонтанируют с избыточным давлением (до 20–80 атмосфер) на устьях скважин. Большинство месторождений, где есть только горячая вода, энергию можно вырабатывать, пользуясь этой водой для перевода изобутана в парообразное состояние, с тем, чтобы этот изобутановый «пар» вращал турбины. Такой процесс называют системой с бинарным циклом [5]. Практика эксплуатации термальных систем показывает, что использование в схеме извлечения тепловой энергии современных технологий, с применением бинарных установок, позволяет, регулируя электрические и тепловые нагрузки, добиваться максимального значения коэффициента использования геотермальных ресурсов в регионе. Горячей водой можно непосредственно обогревать жилища, общественные здания и предприятия (централизованное теплоснабжение). Эльбрусский вулканический центр является предметом активных геолого-геофизических исследований с прошлого века. Здесь в первую очередь М.В. Абдулову удалось гравитационными методами выделить структуры, напоминающие магматическую камеру и магматический очаг[6]. В дальнейшем наиболее яркими работами следует считать Н.В. Кароновского и Ю.П. Масуренкова, которые провели комплексные изучения геологических особенностей 8 вулканической постройки и температурных особенностей на основе источников углекислых минеральных вод [7,8]. В последующем под руководством академика Богатикова группой ученых из института Физики земли и ИГГЕМ, были проведены комплексные геолого-геофизической области и установлено, что вулкан Эльбрус относится к действующим вулканам извергавшийся в историческое время. В данном проекте эти исследования будут продолжены с целью получения новых знаний тепловых процессов в областях развития современного вулканизма на Северном Кавказе. 9 Основная часть Обобщение геолого-геофизических данных районов современного вулканизма на Северном Кавказе Глава 1 Обзор научно-технической литературы 1.1 Тепловой режим земной коры Под геотермикой (от греческих слов «гео» - земля и «термо» - тепло) понимается наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и целого ряда других факторов. Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1 °С, называется геотермической ступенью. В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5-40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают[9]. Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углублением от зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышается на 1 °С. Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи, когда увеличение температуры на 1 °С происходит при углублении на 2-3 м. Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма[10]. На глубине 400-600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура доходит до 150-200 °С и более. 10 В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерзании верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зоне вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Так, в районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8 тыс. м температура составляет всего лишь 3,6 °С. Здесь геотермическая ступень составляет 500 м на 1 °С. На отдельных платформенных частях территории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая: 500 м - не выше 20° С, 1 тыс. м - 25-35° С; 2 тыс. м - 40-60° С; 3-4 тыс. м - до 100° С и более. 1.2 Подземные термальные воды (гидротермы) В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель - вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в породах гранитной и осадочной оболочек, а вероятно, и в верхних частях мантии. Жидкая вода существует только до глубин 10-15 км, ниже при температуре около 700 °С вода находится исключительно в газообразном состоянии[11]. На глубине 50-60 км при давлениях около 3-104 атм исчезает граница фазовости, т.е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода. В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы). В связи с этим в земной коре следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с 11 температурой 180-200 °С и выше [12]. Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обусловливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитермальные, мезотермальные и гипотермальные. К эпитермальным источникам обычно относят источники горячей воды с температурой 50-90 °С, расположенные в верхних слоях осадочных пород, куда проникают почвенные воды. К мезотермальным источникам относят источники с температурой воды 100-200 °С. В гипотермальных источниках температура в верхних слоях превышает 200 °С и практически не зависит от почвенных вод [13]. Происхождение термальных вод может быть связано с деятельностью тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепловым потоком или постепенно разогревается, отбирая тепло у пород. Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источника лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический расплав. Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с газами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холодные горизонты [14]. Уже при температурах 425-375 °С пар может конденсироваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов - так появляется гидротермальный раствор «ювенильного» (первозданного) типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом смысле слова являются первичными, новообразованными. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только-только зарождались твердые консолидированные «острова» материковых платформ. 12 Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды инфильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее движение инфильтрационных вод - от поверхности вглубь. Источник вод этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхностные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы, нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород. В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они становятся более или менее нагретыми. При средних геотермических условиях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т.е. с температурой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину 800-1000 м. Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более низких относительно области питания участках. Причем, чтобы вода оставалась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быстро, например, по широким трещинам разломов. При медленном подъеме гидротермы остывают, отдавая аккумулированное тепло вмещающим породам. Однако, если пробурить скважину на глубину 3-4 тыс. м и обеспечить быстрый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до 100 °С. Все это касается областей со средними геотермическими показателями и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горнообразования [15]. Вулканический тип термальных вод следует выделить особо. Как уже говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком считать «ювенильными», т. е. магматическими. 13 Опыт исследований показывает, что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное инфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический тип гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы. Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейший химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ультрапресных категорий (менее 0,1 г/л) до категорий сверхкрепких рассолов (более 600 г/л). Гидротермы содержат в растворенном состоянии различные газы: активные (агрессивные), такие, как углекислота, сероводород, атомарный водород, и малоактивные - азот, метан, водород. В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все виды термальных вод: перегретые воды - при добыче электроэнергии, пресные термальные воды - в коммунальном теплообеспечении, солоноватые воды - в бальнеологических целях, рассолы - как промышленное сырье. 1.3 Запасы и распространение термальных вод По своему происхождению месторождения термальных вод можно подразделить на два типа, различающиеся способом переноса тепловой энергии. Первый тип образуют геотермальные системы конвекционного происхождения, отличающиеся высокой температурой вод, разгружающихся на дневную поверхность. Это районы расположения современных или недавно потухших вулканов, где на поверхность выходят не только горячие воды, но и пароводяная смесь с температурой до 200 °С и более. На сегодняшний день все геотермальные электростанции работают в районах современного вулканизма. К месторождениям гидротермальные конвекционного проявления так 14 типа называемых относятся рифтовых также зон, характеризующихся активным тектоническим режимом и умеренно повышенными геотермическими градиентами - 45-70 °С/км. (Рифтовые зоны и связанные с ними термоаномалии, как правило, простираются на огромные расстояния. Например, Северо-Мексиканский бассейн термальных вод протянулся на 1,5 тыс. км, от северо-восточной части Мексики до Флориды. Одна из скважин здесь с глубины 5859 м дает пароводяную смесь с температурой 273 °С, причем этот флюид выходит при высоком давлении.) Второй тип геотермальных месторождений образуется при преобладающем кондуктивном прогреве подземных вод, сосредоточенных в глубоких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Они располагаются в невулканических районах и характеризуются нормальным геотермическим градиентом - 30-33 °С/км. Бурением на нефть и газ, а частично и на воду обнаружены сотни подземных артезианских бассейнов термальных вод, занимающих площади в несколько миллионов квадратных километров. Как правило, артезианские бассейны, расположенные в равнинных областях и предгорных прогибах, содержат воду с температурой 100-150 °С на глубине 3-4 км[16]. Можно без преувеличения сказать, что любой отмеченный на карте предгорный прогиб, который был сформирован в эпоху альпийского горообразования, содержит бассейн термальных вод. Таковы артезианские бассейны предгорных прогибов Пиренеев, Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Копет- Дага, Тянь-Шаня, Памира, Гималаев. Термальные воды этих бассейнов демонстрируют уникальное многообразие химических типов от пресных (питьевых) до рассольных, употребляющихся как минеральное сырье для извлечения ценных элементов. Больше половины всех известных минеральных (лечебных) вод выходят в виде источников или выводятся скважинами в пределах альпийских предгорных и межгорных прогибов. Опыт показывает, что термальные воды подобных малых бассейнов являются наиболее комплексного использования в практических целях. 15 перспективными для Подсчеты запасов термальных вод основываются на имеющихся данных об объемах гравитационных вод, заключенных в пластах, объемах самих водоносных горизонтов и коллекторских свойствах слагающих их горных пород. Запасы термальных вод представляют собой общее количество выявленных термальных вод, находящихся в порах и трещинах водоносных горизонтов, имеющих температуру 40-200 °С, минерализацию до 35 г/л и глубину залегания до 3,5 тыс. м от дневной поверхности. С развитием глубокого бурения на 10-15 км открываются многообещающие перспективы вскрытия высокотемпературных источников тепла. На таких глубинах в некоторых районах страны (исключая вулканические) температура вод может достигнуть 350 °С и выше. Районы выхода на поверхность кристаллического фундамента (Балтийский, Украинский, Анабарский щиты) и приподнятые горные сооружения (Урал, Кавказ, Карпаты и т. д.) совершенно не имеют запасов термальных вод. На участках погружения фундамента, т. е. при увеличении толщины осадочного чехла, в недрах наблюдается некоторое «потепление» до 35-40 °С на платформах и до 100-120 °С в глубоких предгорных впадинах. К числу районов, имеющих максимально «теплые» земные недра, несомненно, относится Курило-Камчатская вулканическая зона. Здесь нагретость пород и содержащихся в них вод зависит не только от глубины их залегания, но в большей степени от близости к вулканическим центрам и разломам в земной коре. Таким образом, температура пород, а следовательно, и вод находится в зависимости от глубины залегания и от района, который характеризуется большей или. меньшей геотермической активностью. 1.4 Источники тепла в недрах земли В соответствии с современными представлениями выделение теплоты в недрах Земли связано с совокупностью следующих процессов: 16 1. Радиоактивный полураспада, меньшим распад периода элементов: элементы формирования Земли, с периодом распались при первоначальном разогреве планетного вещества; распад долгоживущих элементов продолжается в настоящее время. Общее количество теплоты, выделившейся за счет радиоактивного распада, оценивается в (0,6-2,0)-1031 Дж. 2. Воздействие притяжения Солнца и Луны, приводящее к земным приливам и торможению Земли. За счет этого фактора за время существования Земли выделилось до 30% теплоты радиогенного происхождения. 3. Гравитационная деформация материала Земли с образованием плотного ядра и менее плотной оболочки вызвала (по оценкам) выделение (1,52,0)-1031 Дж теплоты. 4. Тектонические процессу, вызывающие вертикальные и горизонтальные смещения крупных блоков земной коры и ее упругие деформации, приводят к ежегодному выделению 3-1018 Дж теплоты. 5. Предполагается, что химические превращения в недрах Земли могли привести к выделению 1,2-1031 Дж теплоты [17]. В центре Земли температура находится в пределах 4000-5000 К, в магматических очагах, сравнительно близких к поверхности, достигает 12001500 К. Плотность теплового потока из внутренних областей Земли к ее поверхности в среднем составляет 6-103 Вт/м2. Этому соответствует температурный градиент около 30 К/км. В районах молодых складчатых областей тепловой поток может доходить до 0,3 Вт/м 2 при температурном градиенте 200 К/км и более [18]. 17 Глава 2 Анализ методов измерения теплового поля 2.1 Геотермальные ресурсы Земли Геотермальные ресурсы классифицируются по четырем группам: 1. Месторождения сухого пара - ресурсы сравнительно легко осваиваются, но встречаются редко; 2. Месторождения влажного пара - распространены в большей степени, однако при освоении возникают проблемы, связанные с коррозией и повышенным содержанием солей; 3. Горячая вода - ресурсы большие, используются главным образом для отопления в тепличном хозяйстве; 4. Теплота сухих горных пород - ресурсы большие, однако технология использования находится в ранней стадии освоения. По характеру скопления термальные воды делят на трещиино-жильные и пластовые. Трещинно-жильные термальные воды встречаются в горноскладчатых областях и характеризуются локальными выходами термальных источников и парогидротерм с температурой до 370 К и выше. Пластовые термальные воды залегают в пределах континентальных платформ, краевых прогибов и горных впадин. Такие бассейны могут занимать площади в сотни тысяч и миллионы квадратных километров [19]. По степени минерализации различают: термальные воды с низкой минерализацией (до 10 г/л), которые могут использоваться без предварительной подготовки; термальные воды со средней минерализацией (10-35 г/л), требующие очистки; термальные воды с высокой минерализацией (35-200 г/л и более), которые могут использоваться в двухконтурных схемах. Наиболее ресурсами перспективными являются зоны зонами с тихоокеанского большими и геотермальными среднеземноморского вулканического пояса, где сосредоточено до 80% всех действующих вулканов на Земле. В отмеченных районах на глубине 1 -2 км исследовано более 100 18 геотермальных систем, в большинстве которых температура около 450 К, в 20 районах более 510 К, в 6 более 570 К. В относительно небольшом количестве в парогидротермах преобладает пар с температурой более 500 К, в остальных системах вода. Активное использование геотермальных ресурсов может оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Основными негативными факторами являются: повышенный уровень шума на выходе из скважины; загрязнение водоемов при сбросе в них термальных вод с повышенным содержанием солей; загрязнение окружающего воздуха попутными газами (H2S, СН4, NH4); тепловое загрязнение окружающей среды; повышение влажности воздуха за счет испарения в градирнях. Во многих странах проводятся исследовательские работы, направленные на очищение окружающей среды от последствий эксплуатации геотермальных месторождений. Разрабатываются звукогасители, методы закачки использованной воды в пласт, методы предотвращения выброса вредных газов. 2.2 Достоинства и недостатки геотермальной энергетики Геотермальная энергия всегда привлекала людей возможностями полезного применения. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Геотермальная энергия своим «проектированием» обязана раскаленному центральному ядру Земли, с громадным запасом тепловой энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли запасено количество тепловой энергии, эквивалентное энергии примерно 300 млрд. т угля [18]. Тепло центрального ядра Земли имеет прямой выход на поверхность Земли через жерла вулканов и в виде горячей воды и пара. Кроме того, магма передает свое тепло горным породам, причем с ростом глубины их температура повышается. По имеющимся данным, температура 19 Горных пород повышается в среднем на 1°С на каждые 33 м глубины (геотермическая ступень). Это означает, что на глубине 3-4 км вода закипает а на глубине 10-15 км температура пород может достигать 1000-1200°С. Но иногда геотермическая ступень имеет другое значение, например, в районе расположения вулканов температура пород повышается на 1°С на каждые 2-3 м. В районе Северного Кавказа геотермическая ступень составляет 15-20 м. Из этих примеров можно сделать заключение о том, что имеется значительное разнообразие температурных условий геотермальных источников энергии, которые будут определять технические средства для ее использования, и что температура является основным параметром, характеризующим геотермальное тепло. Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции. Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Например, по имеющимся данным, в Западной Сибири имеется подземное море площадью 3 млн м2 с температурой воды 70- 90°С. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, Казахстане, на Камчатке и в ряде других районов России [20]. В Дагестане уже длительное время термальные воды используются для теплоснабжения. За 15 лет откачано более 97 млн.м3 термальной воды для теплоснабжения, что позволило сэкономить 638 тыс,т. условного топлива. 20 В Махачкале термальной водой отапливаются жилые здания общей площадью 24 тыс.м2, в Кизляре - 185 тыс.м2. Перспективны запасы термальных вод в Грузии, которые допускают расход в сутки 300-350 тыс.м2 с температурой до 80°С. Столица Грузии находится над месторождением термальных вод с метановоазотным и сероводородным составом и температурой до 100 °С. Какие проблемы возникают при использовании подземных термальных вод? Главная из них заключается в необходимости обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Например, термальные воды Большебанного месторождения (на реке Банная, в 60 км от Петропавловска Камчатского) содержат различных солей до 1,5 г/л, фтора - до 9 мг/л, кремниевой кислоты - до 300 мг/л. Термальное воды Паужетского месторождения в том же регионе (температура 144 - 200°С, давление на устье скважины 2-4 атм) содержат от 1,0 до 3,4 г/л различных солей, кремниевой кислоты - 250 мг/л, борной кислоты 15 мг/л, растворенных газов: углекислого - 500 мг/л, сероводорода - 25 мг/л, аммиака - 15 мг/л. Геотермальные воды Тарумовского месторождения в Дагестане (температура 185°С, давление 150-200 атм) содержат до 200 г/л солей и 3,5 -4 м3 метана в нормальных условиях на 1 м3 воды. Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и экспериментальная теплоснабжения. Паужетская У нас геотермальная в стране эксплуатируется электростанция (ГеоТЭС) установленной электрической мощностью 11 МВт, построенная в 1967 году на Камчатке. Однако ее роль в энергообеспечении региона была незначительной. Кроме того, в 1967 году была введена в эксплуатацию экспериментальная 21 ГеоТЭС мощностью 0,75 МВт на низкопотенциальном геотермальном месторождении (температура воды 80°С) [21]. Итак, достоинствами геотермальной энергии можно считать практическую неисчерпаемость ресурсов, независимость от внешних условий, времени суток и года, возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнергетики и медицины. Недостатками ее являются высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает в большинстве случаев сброс термальных вод в природные водоемы. 2.3 Петротермальная энергия Еще не налажено практическое использование залежей «сухого» тепла, аккумулированных в горячих горных породах, так называемых петротермальной энергии. Между тем это наиболее крупные и широко распространенные источники энергии, потому что горячие скальные породы, залегающие, правда, на разных глубинах, есть повсюду. Промышленное использование петротермальной энергии будет налажено прежде всего в местах с повышенным температурным градиентом, т.е. там, где на глубине не более 2 км температура 80-100°С. Такие зоны обнаружены в Дагестане, Армении, Западной Украине - районах, где потребности в энергии очень велики[22]. Проведенные оценки показали экономическую целесообразность строительства здесь электростанций. Так, по прогнозным оценкам, на термоаномальных площадях только европейской части России с глубинными температурами до 150-170°С можно соорудить геотермальные электростанции общей мощностью до 160 млн. кВт. Утилизация «сухого» глубинного тепла могла бы открыть для энергетики поистине неисчерпаемые возможности. Когда бурение на 8-10 км станет делом технологически освоенным и экономичным, ГеоТЭС можно будет сооружать в любой географической точке, где возникнет надобность в энергетике. Особенно 22 нужной петротермальная энергия может оказаться в районах освоения Сибири и Севера [23]. Суть проблемы здесь примерно та же, что и в солнечной энергетике: чтобы повысить единичную мощность станции, собирать тепло с как можно большей площади. Есть проекты по созданию больших подземных полостей или разветвленных систем трещин в горных породах обычными или ядерными взрывами. Но для этого требуется тщательно изучить массу вопросов, прежде всего выяснить, не вызовет ли наша столь активная деятельность нежелательных изменений в тектонике земной коры. 2.4 Геотермическая съемка Термин «геотермосъемка» был принят на VII Всесоюзной научнотехнической геофизической конференции, состоявшейся в ноябре 1972 г. во Львове, где обсуждалась эффективность подготовки нефтегазоносных структур к разведке различными геолого-геофизическими поисковыми методами, в том числе и методом геотермосъемки. До этого в течение нескольких лет Украинский научно- исследовательский геологоразведочный институт проводил геотермосъемочные полевые работы на территории Крыма и Присивашья, затем Институт геологии и геохимии горючих ископаемых АН УССР проводил аналогичные работы на территории Внешней зоны Предкарпатского прогиба и примыкающей части Волыно-Подольской плиты. В результате этого была разработана аппаратура и усовершенствована методика полевых геотермосъемочных исследований. Материалы, полученные в процессе опытных съемок, оказались полезными для производственных организаций и используются геологоразведочными трестами при выборе рациональных направлений разведки на нефть и газ [24]. Ознакомление специалистов с геологической информативностью геотермических карт, снятых с поверхности Земли, со способами получения 23 этой информации в полевых условиях, с аппаратурой, необходимой для полевых измерений, геотермическим режимом поверхности Земли и тепловым полем Земли вообще будет, на наш взгляд, способствовать рациональному использованию и более широкому внедрению в производство нового полезного геолого-поискового метода [25]. Тепловое поле Земли формируется под влиянием множества факторов. Оно зависит от мощности и распределения внутренних источников тепла, теплофизических свойств горных пород, геоструктурных форм складчатости, тектонических движений, распределения интрузивных тел в недрах Земли и т. д. Кроме того, тепловое поле обладает также свойством «тепловой памяти», сохраняя продолжительное время сведения о термической истории Земли. В нем содержится многосторонняя геологическая информация, расшифровка которой будет, бесспорно, полезной для изучения земных недр. Попытки использования теплового поля в геологии предпринимались уже давно[26]. От первых единичных измерений температуры в глубоких скважинах, произведенных еще в начале XX ст., геотермия развилась в самостоятельную науку с собственной теоретической базой и огромным объемом данных о температурном режиме различных геоструктурных единиц на материках, в морях и океанах. Достаточно полное представление о современном состоянии изученности теплового поля Земли дает вышедшая в 1972 г. монографин Г. А. Череменского «Геотермия» [27]. В связи с этим мы ограничимся здесь в основном лишь освещением особенностей приповерхностного поля Земли, прямо относящихся к геологической интерпретации результатов полевой геотермической съемки. На тепловой режим поверхности Земли, кроме глубинных факторов, существенно влияют внешние, не имеющие ничего общего с глубинным геологическим строением Земли, а именно: солнечная радиация, вращение Земли вокруг собственной оси с суточным периодом, орбитальное движение Земли вокруг Солнца с годовым периодом, прецессия оси вращения Земли с периодом порядка 26000 лет, в результате которых колебания температуры 24 поверхности Земли приводят к периодическим изменениям климата, периодам обледенений и пр [28]. Вместе с тем на температуру поверхности Земли влияют факторы случайной продолжительности и интенсивности - облачность атмосферы, атмосферные осадки, а также постоянно действующие внешние факторы (например, рельеф местности, качество покрова Земли, влажность грунта и пр.). Поэтому среди большинства геологов-геотермистов утвердилось мнение о том, что температурное поле приповерхностного слоя Земли совершенно непригодно для геологических целей. По общепринятому мнению, температурное поле содержит геологическую информацию только на таких глубинах, на которых внешние температурные возмущения становятся незаметными. Это предопределило общее направление развития геотермии. Глубинная геотермия хотя и дает менее искаженную внешними помехами информацию, однако возможности ее получения с больших глубин весьма ограничены числом и местоположением пробуренных скважин. Кроме того, естественное тепловое поле вокруг ствола скважины искажается как в процессе бурения, так и вследствие наличия металлической обсадной колонны в скважине. К тому же сведения о температурах в стволе скважины поступают лишь после ее бурения, что, пожалуй, является главным препятствием для использования глубинной геотермии в качестве поискового метода, опережающего бурение скважин[29]. Такие поисковые методы, как сейсморазведка, гравиметрия, различные виды электроразведки и прочие, отличаются обычно неограниченными возможностями получения геологических данных определенного вида прямо с поверхности Земли при незначительных затратах средств и времени, причем обязательно с опережением разведочного бурения. Полученные таким образом сведения используются для оценки перспективных площадей на определенные виды полезных ископаемых. Эти особенности не присущи глубинной геотермии, по крайней мере, до сих пор. Требования, предъявляемые к геолого-поисковым 25 методам, может удовлетворять в принципе лишь геотермическая съемка прямо с поверхности Земли. Однако влияние атмосферных условий на температурный режим поверхности Земли требует разработки достаточно совершенной методики съемки температурного поля, а также способов исключения внешних температурных помех и методов геологической интерпретации температурных карт. Наиболее серьезной оказалась проблема исключения влияния солнечной радиации, которая по своей мощности в тысячи раз сильнее глубинных тепловых потоков Земли. От удовлетворительного решения этой проблемы зависела дальнейшая судьба метода поверхностной геотермической съемки[30]. Глубокий математический анализ возмущенного температурного поля в приповерхностном слое Земли показал, что не только влияние солнечной радиации, но и влияние всех периодических и сезонных колебаний атмосферной температуры исключается автоматически и полностью в случае одновременного измерения температур во всех точках заданного профиля дистанционными датчиками температуры, погруженными в однотипный грунт на одинаковую глубину при условии одинакового наклона поверхности Земли в пределах снимаемого температурного профиля. Снятый таким образом температурный профиль отображает влияние только глубинного тепла Земли, т. е. он не зависит от времени года, погоды или времени проведения съемки, что было подтверждено полевыми испытаниями на нескольких опытных профилях, снимаемых многократно днем и ночью, летом и зимой. Конфигурация температурного профиля сохранялась при этом неизменной на всех съемках (сдвигается при этом только температурная привязка профиля), что наглядно показывает независимость полученных таким путем данных от колебаний атмосферной температуры и открывает для метода полевой геотермосъемки широкую перспективу. Независимо от наших работ все чаще в зарубежной печати стали появляться сообщения об удачных результатах температурных исследований в 26 приповерхностном слое Земли, на основании которых были обнаружены погребенные соляные купола, тектонические нарушения, глубинные структуры, месторождения сульфидных руд и т. д[31]. Выяснилось, что нефтяные и газовые залежи выделяются на региональном геотермическом поле локальными температурными аномалиями, которые выражаются повышением температур и более высокими геотермическими градиентами в аналогичных литологических комплексах горных пород над продуктивной зоной месторождений. Геотермические измерения на разных глубинах показывают, что превышение температуры над залежами сохраняется вплоть до поверхности Земли и может быть обнаружено без предварительного бурения геотермических скважин. Величина температурной аномалии зависит также от запасов углеводородов в залежах. Кроме этого установлено, что в пределах нефтяных и газовых месторождений на температурной карте четко фиксируется форма залежи, газонефте-водяные контакты, наиболее высокопродуктивные участки и глубинные тектонические нарушения, разбивающие месторождения на отдельные блоки[32]. В результате опытно-поисковых геотермических работ на малоизученной территории юго-западной части Керченского полуострова, проведенных работниками Украинского научно-исследовательского геологоразведочного института в 1968 - 1971 гг. обнаружена система древних разломов и связанные с ней положительные структуры, существование которых впоследствии подтвердилось сейсморазведкой. Эта территория стала перспективной площадью на нефть и газ. Аналогичные работы на территории Внешней зоны Предкарпатского прогиба проводились сотрудниками Института геологии и геохимии горючих ископаемых АН УССР в 1972 г. Было подтверждено наличие положительных температурных аномалий на поверхности Земли над газовыми залежами, оконтурено валообразное поднятие в северной части Волыно-Подольской 27 плиты, что стало основой для корректировки направления разведочного бурения на этом участке. Положительные результаты геотермосъемочных работ, полученные на суше, дают основание предполагать перспективность описываемого метода и для шельфовых зон морей, поскольку морское дно на глубинах свыше 40 - 60 м надежно защищено от влияния солнечной радиации и атмосферных температурных помех. Например, в результате геотермических работ, проведенных в 1973 г. группой УкрНИГРИ в прибрежных районах Черного моря, выделено локальную температурную аномалию на дне моря, которая интерпретируется как глубокопогруженная антиклинальная структура, перспективная для разведочного бурения на газ. 2.5 Методика геотермической съемки В результате опытных исследований температурного поля поверхности Земли, проведенных в различных нефтегазоносных областях УССР в течение 1970-1972 гг., получен большой фактический материал. На основании этих данных можно рекомендовать методику по организации и проведению геотермической съемки, описать аппаратуру и привести конкретные примеры применения приповерхностных исследований температурного режима для решения конкретных геологических задач[32]. В районе проведения геотермической съемки вначале выполняются работы по рекогносцировке местности с целью выбора оптимальных условий для заложения датчиков температуры на запроектированных профилях. При этом исследуемую площадь делят на участки с одинаковым поверхностным покровом, рельефом и литологическим составом приповерхностных слоев. На участках заложения датчиков температуры устанавливают колышки с указанием профиля и номера пикета. Производится привязка пикетов с обязательным промером расстояний между ними. Вносятся 28 соответствующие температуры коррективы устанавливают на топографическую вручную или основу. механическим Датчики способом. Одновременно визуально описывается литология, вскрываемых отложений, их плотность и влажность. При необходимости отбирают образцы грунта для определения теплофизических свойств горных пород и т. д. Опытными исследованиями было установлено, что наиболее оптимальной для установки датчиков температуры является глубина 1,0 - 2,5 м, так как здесь почти полностью затухают суточные атмосферные температурные колебания[33]. Датчики температуры устанавливаются на одинаковую глубину по всему профилю и проводится определенная выдержка их в состоянии покоя для восстановления нарушенного в грунте теплового режима. Практическими исследованиями было установлено, что тепловой режим на глубине 1,5 м восстанавливается приблизительно в течение 1,5 ч. Замеры показаний датчиков температуры на заданном профиле надо выполнять одновременно, применяя термисторные термометры или термометры сопротивления, смонтированные на многожильном кабеле. Если последних нет, температуру замеряют раздельно на каждом датчике, и, конечно, условие одновременности строго не соблюдается. Однако, как показали полевые работы, проведение измерений термопарным термометром на геотермическом профиле длиной до 3 км в течение приблизительно 1 ч не отражается на качестве температурных данных. Чтобы продолжить замеры на геотермическом профиле в другое время, оставляют один или два датчика температуры в крайних пикетах, а остальные используют на новом участке. Параллельными геотермическими профилями можно проводить съемку независимо друг от друга. Но для привязки температурных данных необходимо снять один или несколько дополнительных поперечных профилей, включающих по одному датчику в пикет каждого из ранее снятых параллельных профилей. Таким образом, увязка температурных профилей 29 проводится при введении поправок температуры, полученных по привязочным щупам. В связи с тем, что геотермическая съемка на большой территории выполняется уже длительное время, необходимо все температурные значения привести к общему знаменателю. Для этого выбирают несколько контрольнопривязочных щупов, устанавливаемых в благоприятных условиях изучаемого района на весь период полевых работ. По комплексу замеров строят графики усредненного изменения температуры во времени, которые и используют для привязки результатов геотермических исследований. Например, при проведении температурных замеров на территории юго-западной части Керченского полуострова суточный прирост температуры в период апреля - мая составлял в среднем 0,11 °С в сутки. В последующие месяцы эта величина уменьшилась до 0,04 - 0,006 °С, а с сентября начался спад температуры. Построенный по этим данным график годового цикла изменения температуры представляет собой синусоидальную кривую с максимальными значениями температуры в августе и минимальными - в феврале. Используя такой график, можно рассчитать среднесуточное изменение температуры, необходимое для введения соответствующей «грубой» поправки на время года и для окончательной увязки измерений. Более точную привязку температурных кривых производят по фактическим изменениям температуры, замеренным во время выполнения геотермической съемки. С помощью дополнительных датчиков температуры, как отмечалось, производится стыковка участков с различными поверхностными покровами, а также привязка участков с различной плотностью поверхности Земли (пахота, посев, целина и т. д.). По результатам необходимую для замеров датчиков исключения можно температурных 30 высчитать поправку, помех вследствие неоднородности поверхностных покровов. При переходе от саванны в сухой лес температура в тропиках понижается на 3,3 °С, переходная зона имеет непостоянную величину и изменяется от 100 до 200 м. На новых площадях, учитывая описанную методику, при переходе от одного однородного участка площади к другому поправки определяются автоматически - путем перекрытия замеров привязочными точками на профилях. Подобным образом на температурный режим исследуемых площадей влияют озера и болота. Геотермические исследования в озерах показывают, что на глубинах ниже поверхности дна на 1,0 - 1,5 м так же, как и на суше, четко фиксируются локальные температурные аномалии, обусловленные глубинными геологическими причинами. Подобная картина наблюдается и при работах на болотистой местности. На качество замера температуры в приповерхностных слоях влияет уровень грунтовых вод. В зависимости от формы рельефа поверхности глубина залегания зеркала грунтовой воды изменяется от десятков сантиметров до нескольких метров. Над зеркалом грунтовых вод в породах выделяется так называемая зона аэрации мощностью до 0,6 м, в которой почвы постепенно изменяют свою водонасыщенность по схеме водонасыщенный грунт - влажный - воздушносухой. Известно, что теплопроводность горных пород и водонасыщенность тесно связаны. Отсюда следует, что если проводить замеры в точках по профилю, в которых грунты имеют различную водонасыщенность, судить о наличии температурных аномалий невозможно, так как замеры температур в данном случае проводятся не в одинаковых условиях. Следовательно, если на профилях попадаются точки, в которых грунт на забое имеет повышенную водонасыщенность по сравнению с соседними точками, то результаты замеров температуры в них не следует учитывать. Если 31 же профиль пересекает участок, в котором ряд точек находится в сходных условиях водонасыщенности грунтов, тогда для привязки полученных данных используют метод промежуточных переходных точек, аналогично описанному выше случаю при переходе от леса к открытой местности. Поправка на влажность может определяться как с помощью стыковочных датчиков температуры, так и лабораторным путем с учетом литологического фактора. Поправка, вызванная изменением литологического состава близ- поверхностных пород, рассчитывается также по стыковочным щупам, установленным на границе выявленной литологической разнородности отложений. Так, при пересечении геотермическими профилями Парпачского гребня (Керченский п-ов), разделяющего выход на дневную поверхность майкопских глинистых отложений и известняков неогена, наблюдается существенное различие в температуре. Безусловно, характер температурного скачка в данном случае будет зависеть от теплопроводности вскрываемых отложений и сезона выполнения температурных замеров. В связи с этим летом при переходе из глинистых отложений к известнякам отмечается увеличение температуры, а зимой наоборот, уменьшение. Значения поправок можно также вычислять, зная коэффициенты светопоглощающей способности растений (поверхностных покровов) и теплопроводности подстилающих отложений, а также используя график годового цикла изменения температурного режима на поверхности Земли в данном районе. Построенные на основании этих данных палетки дают возможность проследить общие закономерности изменений температуры на границе неоднородных участков. На температурный режим верхних слоев земной коры рельеф влияет только при значительном превышении уклона одного участка по отношению к другому[34]. 32 На основании полевых геотермических исследований, проведенных на одних и тех же геотермосъемочных профилях, но в различное время года, можно установить температурные поправки для увязки разновременных температурных профилей. В практике полевых работ для заложения датчиков температуры целесообразно выбирать участки, наиболее однородные по условиям и дающие возможность исключить ряд поправок. Следует избегать крупных склонов, оврагов, речных пойм, берегов озер, болот и т. д. В связи с тем, что каждый новый район характеризуется своими особенностями поверхностных и приповерхностных условий, возможны самые различные варианты вводных поправок. Однако детальное изучение приповерхностных условий исследуемого района дает возможность произвести учет и расчеты всех поправок и тем самым, исключая влияние внешних факторов, получить температурную карту, соответствующую тепловому полю глубинных горизонтов. На участках изучаемой территории, значительно отличающихся по температурным условиям от среднетемпературного фона района, следует установить дополнительное количество датчиков для выявления природы резких колебаний температуры. 2.6 Организация полевых геотермо - съемочных работ и подготовка к полевым работам До начала полевого сезона уточняются цели и задачи геотермической съемки (рекогносцировочные работы, съемка регионального температурного профиля, детализация оконтуривание температурного локальных поля температурных на отдельных аномалий, участках, прослеживание тектонических нарушений, поиски залежей углеводородов, сульфидных или радиоактивных, руд и др.), изучить детально материалы предшествовавших геологических и геофизических исследований 33 в районе проведения геотермических работ, подобрать топографическую основу района предполагаемых исследований, составить детальный план и смету полевых работ, укомплектовать геотермосъемочную партию и снарядить ее необходимым оборудованием и материалом. При изучении геолого-геофизических материалов района полевых работ необходимо обратить внимание на геоструктурные особенности, стратиграфию и литологию разреза (геофизические и другие виды поисковых работ), гидрогеологическую характеристику приповерхностного слоя, глубину залегания коренных пород, геоморфологические особенности и разновидности поверхностных покровов. Исследуются также выявленные и предполагаемые месторождения полезных ископаемых, их форма, размеры и глубина залегания. Изучение фактического материала должно сопровождаться анализом всех спорных вопросов и неясностей в геологическом строении района, для разрешения которых используется геотермическая съемка. Кроме геолого-геофизических материалов, надо ознакомиться с данными о климате района, гидрографии, растительном покрове, особенностях рельефа. Все это должно составить основу для проведения геотермосъемочных работ и последующей интерпретации данных геотермической съемки. Исходя из геолого-геоморфологических особенностей района, степени его изученности и предполагаемых месторождений полезных ископаемых, перед геотермической партией ставятся конкретные задачи, которые ложатся в основу составления соответствующего проекта[35]. Изучая топографические карты исследуемого района, необходимо еще до выхода в поле выявить характер рельефа и определить оптимальные условия для расположения геотермических профилей. На топографическую основу наносится предварительная сетка размещения пикетов для температурных размеров, а также ориентиры для их привязки в полевых условиях. Масштаб топографической основы выбирается в зависимости от конкретных целей и задач геотермической съемки, в частности 34 от заданного масштаба температурных карт. Для практики его удобно подобрать в два раза крупнее предполагаемого масштаба температурных карт. 2.7 Составление плана полевых работ Основой для составления плана полевых работ по геотермической съемке является общий проект поисково-разведочных исследований изучаемого района, включающий целенаправленность на поиски и разведку определенных видов полезных ископаемых. Исходный план должен состоять из карты расположения профилей и пикетов, целевого задания и графика его выполнения. Весь объем работ следует разбить на два этапа: рекогносцировочный и детальный. Разница в проведении геотермических исследований на указанных этапах заключается в выборе методики и сетки расположения датчиков температурных замеров. При определении методики рекогносцировочных геотермических исследований необходимо учитывать форму и размеры предполагаемых антиклинальных структур или предполагаемый характер залегания и форму рудных тел. В зависимости от этого, а также геологического строения района, гидрогеологии, геоморфологии и поверхностных условий намечается та или иная схема размещения профилей и пикетов. Проектные точки температурных замеров располагаются параллельными профилями в шахматном порядке. Количество профилей, число точек замеров и расстояния между ними определяются в зависимости от размеров и форм антиклинальных структур или рудных тел данного района. Детальные геотермические исследования следует проводить в районах, где при рекогносцировочных температурных замерах выявлены участки с повышенными значениями температуры. Расстояние между пикетами при этом выбирается в зависимости от конкретных задач исследований (например, трассирование разломов, границы литологического выклинивания пород, размеров структур и т. д.). При 35 плотности точек измерения температуры ~ 50 м можно получить вполне достаточное количество фактического материала, необходимого для расшифровки геологического строения исследуемого района. На двух указанных этапах геотермических исследований глубина установки датчиков температуры определяется в зависимости от рельефа, литологического состава приповерхностных слоев, уровня грунтовых вод и поверхностных покровов (целина, пахота, лес и т. д.). Геотермические профили располагаются, по возможности, вкрест простирания пород либо перпендикулярно к предполагаемой линии выклинивания отложений, а также полосам складчатости. 2.8 Измерительные приборы и техника проведения температурных замеров Геотермические исследования в настоящее время проводятся в основном электрическими термометрами сопротивления и термометрами расширения (максимальными). Реже применяются термометры манометрические, биметаллические, «ленивые» и др. Электротермометры сопротивления (ЭТС-1, ЭТМИ-55) применяются при выполнении комплекса геофизических исследований скважин. Относительная точность у них высокая (порядка 0,01° С), но применять их для замеров на небольших глубинах нецелесообразно из-за громоздкости и сложности аппаратуры. При работе с максимальным термометром необходимо, чтобы температура наружного воздуха была ниже, чем ожидаемая температура в скважине (иначе термометр покажет максимальную температуру наружного воздуха), что ограничивает область его применения. Таким образом, все термометры имеют определенные недостатки и практически малопригодны для проведения массовых температурных измерений вблизи земной поверхности. В новых условиях геотермических 36 исследований повысились требования к тепловой инерции и чувствительности датчиков температуры, а также к точности регистрирующих приборов. Кроме того, измерительная аппаратура по возможности должна обеспечить относительную одновременность значительного количества температурных замеров в полевых условиях. Всем этим требованиям в значительной мере отвечает измерительная аппаратура, созданная на базе термопарного термометра УкрНИГРИ. Принцип действия термопарного термометра основан на свойстве разнородных металлов образовывать в паре (спае) термоэлектро-движущую силу (э. д. е.), зависящую от материала термоэлектродов и разности температур между спаем и свободными концами. Принцип работы термопарного термометра заключается в регистрации термоэлектродвижущей силы, возникающей в хромель-копелевом спае вследствие созданной разности температур между спаем и свободными концами. Для измерения э. д. с. в контур термопары (с помощью соединительных проводов) включают потенциометр (УПИП). Устанавливаются датчики температуры на заданную глубину следующим образом. Ручным или механическим способом на размеченном профиле под датчики температуры в грунте подготавливаются карманы, диаметр которых должен быть на 2 - 3 мм больше диаметра щупа, а длина — на 4 - 5 см меньше его длины. Чтобы щуп был на необходимой глубине, наконечник вдавливают в плотные забойные породы на 4 - 5 см, в результате чего обеспечивается хороший контакт датчика с окружающими породами. При выполнении этих работ отбираются пробы грунта для описания литологической характеристики разреза, а также, при необходимости, для определения теплофизических свойств пород. Для исключения влияния внешних температурных источников на корпус щупа последний устанавливается с таким расчетом, чтобы верхняя часть головки располагалась на 10 - 15 см ниже уровня поверхности. Выемку в грунте 37 засыпают тем же грунтом и в 0,5 м от нее в ориентированном направлении устанавливают колышек с указанием номера пикета и профиля. Применение щупов описанной выше конструкции для проведения геотермических исследований глубже 3 м нецелесообразно. В этом случае отградуированный хромель-копелевый провод необходимой длины наматывают на переносную геофизическую лебедку, а спай термопары снабжают гильзой-грузом. Спускают и подымают рабочий конец термопары на заданную глубину вручную. Термопарный термометр конструкции УкрНИГРИ применим только для геотермических исследований по поверхности Земли и для мелких скважин без давления на устье, так как прямоугольное сечение провода затрудняет использование лубрикатора с сальниковым уплотнителем. Опытная проверка данного термометра в полевых условиях показала, что он характеризуется достаточной точностью и надежностью в работе. Для целей геотермической съемки можно использовать и другие виды термометров, а именно: термисторные или платиновые, смонтированные на многожильном кабеле. Довольно перспективный термометр высокой точности с использованием пьезокварцевых датчиков температуры резонаторы) разрабатывается в настоящее время сотрудниками 38 (кварцевые Глава 3 Сравнительный анализ контактных методов измерения температуры 3.1 Использование геотермальной энергии для выработки тепловой и электрической энергии. Геотермальные станции в вулканических районах базируются на месторождениях пароводяной смеси, добываемой из природных подземных трещинных коллекторов с глубины 0,5-3 км. Пароводяная смесь в среднем имеет степень сухости 0,2-0,5 и энтальпию 1500-2500 кДж/кг [36]. В среднем одна эксплуатационная скважина обеспечивает электрическую мощность 3-5 МВт. Геотермальная электростанция с непосредственным использованием природного пара. Самая простая и доступная геотермальная энергоустановка представляет собой паротурбинную установку с противодавлением. Природный пар из скважины подается прямо в турбину с последующим выходом в атмосферу или в устройство, улавливающее ценные химические вещества. В турбину с противодавлением можно подавать вторичный пар или пар, получаемый из сепаратора. По этой схеме электростанция работает без конденсаторов, и отпадает необходимость в компрессоре для удаления из конденсаторов неконденсирующихся газов. Эта установка наиболее простая, капитальные и эксплуатационные затраты на нее минимальны. Она занимает небольшую площадь, почти не требует вспомогательного оборудования и ее легко приспособить как переносную геотермальную электростанцию. Турбогенераторные установки с противодавлением не препятствуют промышленному использованию химических веществ, содержащихся в природном теплоносителе. Так, например, в природном паре некоторых месторождений Италии 39 содержится 150-700 мг/кг борной кислоты, и при помощи подобных установок можно добывать этот ценный продукт одновременно с выработкой электроэнергии. Рассмотренная схема может стать самой выгодной для тех районов, где имеются достаточные запасы природного пара. Рациональная эксплуатация обеспечивает возможность эффективной работы такой установки даже при переменном дебите скважин. В Италии работает несколько таких станций. Одна из них - мощностью 4 тыс. кВт при удельном расходе пара около 20 кг/сек, или 80 т пара в час; другая - мощностью 16 тыс. кВт, где установлено четыре турбогенератора мощностью по 4 тыс. кВт. Последняя снабжается паром от 7-8 скважин. В подобных схемах требуется значительное количество пара, который с большим успехом может быть использован в турбинах конденсационного типа [37]. Геотермальная электростанция с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара - это наиболее современная схема для получения электрической энергии. Пар из скважины подается в турбину. Отработанный в турбине, он попадает в смешивающий конденсатор. Смесь охлаждающей воды и конденсата уже отработанного в турбине пара выпускается из конденсатора в подземный бак, откуда забирается циркуляционными насосами и направляется для охлаждения в градирню. Из градирни охлаждающая вода опять попадает в конденсатор. По такой схеме работает геотермальная электростанция Лардерелло-3, использующая природный пар, самая крупная в Италии. Она была спроектирована в начале второй мировой войны, но вступила в строй только в послевоенные годы. На электростанции установлено четыре турбогенератора мощностью по 26 тыс. кВт и два турбогенератора по 9 тыс. кВт. Последние предназначены для покрытия собственных нагрузок. 40 Ни один из установленных здесь турбогенераторов в течение многих лет не переводился в резерв. Коэффициент использования установленной мощности составляет 98%. Стабильная работа геотермальной электростанции Лардерелло-3 открыла путь к конструированию новых электростанций с использованием конденсационных турбин. По такой схеме с некоторыми изменениями работают многие геотермальные электростанции: Лардерелло-2 (Италия), Вайракей (Новая Зеландия) и др. Благодаря техническим усовершенствованиям потребление пара на каждый киловатт мощности стало значительно меньше. Сейчас расход пара на новой электростанции Лаго (Италия) составляет уже 8 кг/квт-ч. 3.2 Геотермальные электростанции с бинарным циклом Геотермальная электростанция с паропреобразователем. Конденсационная турбина с паропреобразователем работает на вторичном паре. Эти станции наиболее выгодны там, где природный пар имеет высокую температуру и большое содержание газов. Схема электростанции следующая: природный пар из скважины поступает в паропреобразователь и свое тепло отдает вторичному теплоносителю, после чего чистый вторичный пар направляется в конденсационную турбину. Отработанный пар идет в конденсатор. Неконденсирующиеся газы, содержащиеся в паре, отделяются в паропреобразователе и выбрасываются либо в атмосферу, либо идут на химические заводы. Недостатком этой схемы является снижение параметров пара перед турбиной. По сравнению с электростанциями, непосредственно использующими природный пар, удельный расход пара здесь меньше на 30%[38]. Геотермальная электростанция, работающая по этой схеме, позволяет 41 полностью использовать все химические вещества, содержащиеся в природном паре. Опыт подтверждает, что стоимость строительства геотермальной электростанции с паропреобразователем немного больше стоимости электростанции с прямым использованием пара в конденсационной турбине. По схеме с паропреобразователем были построены электростанции Лардерелло- 2 и Кастельнуово (Италия). На станции Лардерелло-2 установлено 7 турбин мощностью по 11 тыс. квт. Удельный расход пара на этой электростанции - 14 кг/квт. Геотермальные электростанции с конденсационной турбиной, работающие на отсепарированном паре, строятся там, где из скважины получают пар с большим содержанием воды. Пар или пароводяная смесь из скважины направляется в специальное устройство, расположенное на скважине. Под давлением в сепараторе происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Отсепарированный пар по трубопроводу направляется в турбину и т. д. Конденсационные турбины, работающие на отсепарированном паре, нашли применение в строительстве геотермальных электростанций в России (Паужетское месторождение на Камчатке), Исландии (месторождение Хверагерди) и в других странах. Рассмотренная схема имеет свои преимущества. Полученный в сепараторе пар практически не содержит газов, что облегчает работу турбин. 3.3 Схема Паужетской ГеоТЭС В настоящее время проведены геологические, геофизические, гидрогеологические и другие исследования тепло-аномальных районов Камчатки; обнаружены большие ресурсы термальных вод с высокой температурой. Для получения электрической энергии за счет глубинного тепла Земли и строительства опытно-промышленной геотермальной станции гидрогеологи 42 разведчики сочли наилучшим районом долину реки Паужетки, расположенную на юге Камчатки, в 35 км от побережья Охотского моря. В 1957 г. началось бурение разведочных скважин. При бурении на термальные воды, особенно в зоне вулканических проявлений, применяли глинистый раствор и, непрерывно промывая, охлаждали ствол скважины, что предотвратило пароводяные выбросы. Всего была пробурена 21 скважина глубиной от 220 до 480 м. Каждая в среднем давала около 10 кг/сек пароводяной смеси с теплосодержанием 170 ккал/кг. Одна из них с глубины 250 м вскрыла температуру 195 °С, другая с глубины 375 м - 200° С[39]. По химическому составу Паужетские гидротермы принадлежат к типу хлоридных натриевых вод. Общая минерализация их составляет 1,0-3,4 г/л, температура на выходе из скважин - 144-200 °С, давление на устье скважины - 2-4 атм, рН от 8,0 до 8,2. Термальные воды содержат повышенные количества кремнекислоты (250 мг/л) и борной кислоты (150 мг/л). Пар насыщен также газами: углекислым 500 мг/кг, сероводородом - 25 мг/кг, аммиаком - до 15 мг/кг и др. По предварительным данным, Паужетское геотермальное месторождение даст возможность получать 30-50 тыс. кВт электрической мощности. Схема опытно-промышленной станции, предложенная институтом Тепло - электропроект, представлена на рис.1. Пароводяная смесь из скважины поступает в сепаратор (емкостью 103, с нагрузкой парового объема 600-800 м/час), расположенный на скважине. Здесь при давлении 1,5 атм происходит разделение пара и воды. Отсепарированный пар по паропроводу поступает к турбинам. Горячая вода с температурой 100-110 °С сбрасывается в реку, и только небольшая часть ее идет по трубам для отопления и горячего водоснабжения жилых зданий поселка и электростанции. На станции установлены смешивающие конденсаторы. 43 Рисунок 1 - Схема Паужетской опытно-промышленной геотермальной электростанции: 1 - скважина; 2 - сепаратор; 3 - паропровод; 4 - турбина; 5 - генератор; 6 смешивающий конденсатор; 7 - водоструйный эжектор; 8 - эжекторный насос; 9 барометрическая труба; 10 - бак охлаждающей воды; 11 - сливной колодец; 12 - насос горячей воды; 13 - трубопровод холодной воды. Поскольку конденсат отработавшего в турбинах пара здесь бесполезен, такие конденсаторы компактнее и требуют меньше охлаждающей воды. Для удаления газов из конденсаторов установлены водоструйные эжекторы с расходом воды 800-900 м3/час. На ней установлены две турбины типа «МК-2,5» производства Калужского турбинного завода мощностью по 2,5 тыс. кВт каждая. Станция дает ток Озерновскому поселку, рыбокомбинату и близлежащим населенным пунктам. 44 3.4 Теплоснабжение высокотемпературной сильно минерализованной термальной водой Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий необходима температура воды не ниже 50-60 °С[40]. Наиболее рациональное использование термальных вод может быть достигнуто при последовательной их эксплуатации: первоначально в отоплении, а затем в горячем водоснабжении. Но это представляет некоторые трудности, так как потребность в горячей воде по времени года относительно постоянна, тогда как отопление является сезонным, оно зависит от климатических условий района, температуры наружного воздуха, времени года и суток. В настоящее время разработаны различные схемы использования термальных вод для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий. Термальная вода имеет температуру выше 80 °С, но сильно минерализована. В этих условиях возникает необходимость в устройстве промежуточных теплообменников. Принципиальное решение такой схемы показано на рисунке 2 [41]. Здесь термальная вода из скважин разделяется на две параллельные ветви: одна направляется в теплообменник отопления и затем в теплообменник 1 -й ступени подогрева воды для горячего водоснабжения; вторая - в теплообменник 2-й ступени. Чтобы избежать зарастания трубопровода, термальную воду используют с промежуточным теплообменником. Высокоминерализованную воду из скважины подают в резервуар со змеевиками, по которым поступает пресная речная вода. Нагретая пресная вода идет к потребителю, а выпадающие из термальных вод соли осаждаются в резервуаре и на наружных поверхностях змеевика. Недостатком схемы с теплообменником является сокращение срабатываемого 45 потенциала термальной воды (на конечную разность температур в теплообменнике). Рисунок 2 - Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с теплообменниками: 1 - скважина; 2 - теплообменник системы отопления; 3 - теплообменник горячего водоснабжения 1-й ступени; 4 - то же, 2-й ступени; 5 -система отопления. 46 Вышеописанная схема весьма применима для Кабардино-Балкарии. Термальная вода на курорте «Нальчик» использовалась только в бальнеологических целях. Глубокие скважины вскрыли высокотермальную воду, и появилась возможность отоплять ею жилые и производственные здания, теплично-парниковые хозяйства. Для этого вода с температурой 78 °С из скважин поступает в теплообменник типа «труба в трубе», который отдает часть тепла пресной воде. Затем пресная вода направляется по трубам в жилые и производственные здания для горячего водоснабжения, технологических нужд, в теплицы, где выращивают в год два урожая овощей. Охлажденная в теплообменнике до температуры 37-38 °С термальная вода подается в ванны и души бальнеолечебницы. 3.5 Теплоснабжение низкотемпературной маломинерализованной термальной водой Термальная вода маломинерализована, но с низким тепловым потенциалом (температура ниже 80 °С). Здесь требуется повышение потенциала термальной воды. Осуществить это можно разными методами, приведем основные из них: а) подача термальной воды параллельно на отопление и горячее водоснабжение и пиковый догрев отопительной воды; б) бессливная система геотермального теплоснабжения; в) применение тепловых насосов; г) совмещенное применение тепловых насосов и пикового догрева. По схеме (а) термальная вода из скважин поступает в систему горячего водоснабжения и параллельно в пиковую котельную. Здесь она догревается до температуры, соответствующей метеорологическим условиям, и подается в системы отопления (рисунок-3). Данная схема особенно целесообразна для 47 районов с дорогим бурением, так как пиковая котельная позволяет сократить число скважин. Рисунок 3 - Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с параллельной подачей геотермальной воды на отопление и горячее водоснабжение и пиковым догревом воды на отопление: 1 - скважина; 2 - пиковый догреватель; 3 система отопления; 4 - бак-аккумулятор. Схема (б) представляет более сложный вариант предыдущей схемы. Здесь термальная вода, поступающая из скважин, нагревается до температуры 160200 °С, что обусловливается климатическими условиями и позволяет достичь равенства воды в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения. На рисунке 4 приведена принципиальная схема такой установки. Из скважины 0 термальная вода поступает в котельную 8, затем, пройдя через дегазатор 7 и химводоочистку 2, подается в нагреватель 5. 48 Рисунок 4 - Принципиальная схема бессливной системы геотермального теплотеплоснабжения: 0 - скважина; 1 - дегазатор; 2 - химводоочистка; 3 водоподогреватель; 4 - смеситель; 5 - система отопления; 6 - система горячего водоснабжения; 7 - бак-аккумулятор; 8 - котельная. Перегретая вода направляется в жилые дома. Абонентский ввод каждого дома оборудован смесителем 4, в котором сетевая вода смешивается с отработанной водой из системы отопления. Смесь требуемой температуры 49 последовательно проходит систему отопления 5, а затем полностью расходуется в системе горячего водоснабжения 6. Предусмотрена возможность сброса отработанной воды из системы отопления в канализацию, а также установка бака-аккумулятора 7 для одного или группы зданий. С повышением температуры наружного воздуха расход воды на вводе остается постоянным, часть воды поступает в систему горячего водоснабжения, минуя систему отопления по специальной перемычке. При этом с помощью терморегулятора поддерживается одинаковая температура воды в системе горячего водоснабжения в течение всего отопительного сезона. В летний период термальная вода подается на горячее водоснабжение, минуя подогреватель, по обводному трубопроводу в котельной. Осуществление такой схемы позволяет полнее использовать тепло термальной воды, сократив до минимума число скважин, уменьшить диаметр тепловых сетей и их протяженность, снизить металлоемкость систем отопления. Однако в такой системе пиковая котельная превращается по существу в базисный генератор тепла для отопления, который работает весь отопительный сезон. Отсюда большая установленная мощность котельной и большой расход топлива. Существует мнение, что температура догрева не должна превышать 100 °С из-за опасности возникновения коррозии и накипи. В таком случае распределительные сети рекомендуется выполнять двухтрубными. Это дополнительный фактор, снижающий эффективность системы[41]. Все сказанное заставляет критически относиться к данной схеме и выбор ее обосновывать тщательным экономическим расчетом в каждом конкретном случае. Схема (в) предусматривает утилизацию тепла низкотемпературных термальных источников при помощи теплового насоса. На рисунке 5 показана типовая схема теплоснабжения с компрессионным тепловым насосом. 50 Рисунок 5 - Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с применением теплового насоса: 1 - скважина; 2 - испаритель; 3 - компрессор; 4 конденсатор; 5 - регулирующий вентиль. Горячая вода из скважин 1 подается к испарителю теплового насоса 2, где происходит передача ее тепла быстро испаряющемуся рабочему веществу. Образующиеся пары сжимаются компрессором 3 и направляются в конденсатор 4, где конденсируются при более высоком давлении, отдавая тепло воде, циркулирующей в системе отопления. Охлажденная вода сбрасывается в канализацию. Эффективность схемы повышается при работе теплового насоса летом в режиме холодильной машины. В целях более полного срабатывания тепла термальной воды была предложена более сложная модификация этой схемы с тепловыми насосами. Схема (г) - комплексная система теплоснабжения с трансформацией 51 тепла сбросной воды в сочетании с пиковым ее подогревом и качественным регулированием (рисунок -6). Рисунок 6 - Схема комплексного геотермального теплоснабжения с применением пикового догрева и тепловых насосов: 1 - скважина; 2 - водоочистка; 3 насосная станция; 4 - транзитный теплопровод; 5 - пиковый догреватель; 6 - система отопления; 7 и 12 - смесители; 8 - конденсаторы; 9 - испарители; 10 - система горячего водоснабжения; 11 - бак-аккумулятор. Вода из источника 1, пройдя очистку 2, перекачивается насосной станцией 3 в количестве Θа по однотрубному теплопроводу 4 и поступает к потребителям с температурой ta. 52 Один поток воды Θ1 догревается в пиковой котельной 5 до температуры tn и поступает в смеситель 7, где к нему подмешивается отработанная вода, предварительно подогретая в конденсаторах теплового насоса 8 до температуры tg. Отработанная вода с температурой 10 после системы отопления б разветвляется на три потока. Одна часть Θ3 поступает в конденсаторы теплового насоса 8 и смеситель 7. Вторая часть ее направляется в испарители теплового насоса 9, где она охлаждается до температуры tx и сбрасывается. Третья часть направляется в смеситель 12, из которого вода с температурой tr в количестве Θr поступает в бак-аккумулятор 11 и систему горячего водоснабжения 10. Второй поток воды источника Θ2 через вентиль B1 поступает в смеситель 12 и сеть горячего водоснабжения. Если температура геотермальной воды ниже температуры tr, то вода догревается до tr в котельной 5 и через вентиль B2 поступает в систему горячего водоснабжения в количестве Θr. С целью повышения отопительного коэффициента и обеспечения более гибкого регулирования теплонасосные агрегаты включаются в систему теплоснабжения по последовательно-противоточной схеме так, чтобы нагрев воды в конденсаторе 8 и охлаждение сбрасываемой воды в испарителях 9 осуществлялось в несколько ступеней. С изменением регулирование температуры осуществляется наружного пиковой воздуха котельной, качественное тогда как теплопроизводительность теплового насоса и потребление воды из скважин остаются неизменными. После отключения пиковой котельной качественное регулирование осуществляется тепловым насосом. Это обеспечивает равномерный годовой график потребления воды из скважин. В этой системе доля использования тепла геотермальной воды тем больше, чем ниже расчетная температура в системах отопления. Поэтому здесь целесообразно применение конвекторной или панельной систем отопления, где 53 расчетная температура 40 – 45 °С. Сравнение этой системы с бессливной показывает, что удельный расход геотермальной воды в схеме с термотрансформаторами почти в два раза превышает таковой в бессливной системе, между тем коэффициент эффективности оказывается больше. Суммарная доля топливоиспользующих установок в годовом тепловом балансе минимальна. Это обстоятельство создает предпосылки для применения данной схемы в районах, где затраты на перевозку топлива могут превысить затраты на бурение большого числа скважин. 54 Заключение Запланированные по первому этапу НИР работы выполнены в полном объеме, проведен обзор литературы по проблеме исследований с учетом последних достижений в данной области. В процессе выполнения первого этапа исследований по проекту проведен обзор литературы по контактным методам измерения температуры, методам измерения теплового поля Земли и организации полевых работ по геотермосъемке, получены ответы на основные плановые вопросы, включая: вулканическую активность Земли и летучие компоненты в магмах на разных режимах извержений вулканов. Также проведены теоретические исследования по использованию запасов тепловой энергии в районах современного вулканизма, включая Эльбрусский вулканический центр. Проведен обзор литературы по следующим вопросам тематики НИР: - Тепловой режим земной коры. - Подземные термальные воды (гидротермы). - Запасы и распространение термальных вод. - Геотермальные ресурсы Земли. - Достоинства и недостатки геотермальной энергетики. - Петротермальная энергия. - Использование геотермальной энергии для выработки тепловой и электрической энергии. - Геотермальные электростанции с бинарным циклом. В процессе выполнения следующих этапов НИР основные усилия будут направлены на получение основных экспериментальных данных о направлении тепловых потоков, измерении температурных полей в исследуемом регионе и оценки возможности применения глубинного тепла в народном хозяйстве. 55 Список используемых источников 1. Дворов И.И., Освоение внутреннего тепла. Отв. Ред. А.В. Щербаков, Москва. Наука. 1984 2. Рогожин Е.А., Собисевич Л.Е., Нечаев Ю.Н., Собисевич А.Л., Богатиков О.А., Гурбанов А.Г.и др. Геодинамика, сейсмотектоника и современный вулканизм Северного Кавказа. Монография. – М.: JBAP РАН, 2001. –С.340 3. Лаверов Н.П., Добрецов Н.Л., Богатиков О.А., Бондур В.Г., Гурбанов А.Г., Коваленко В.И., Карамурзов Б.С., Коваленко В.И., Мелекесцев и др.//Новейший и современный вулканизм России. М.: Наука. 2005. С.604 4. Богатиков О.А., Заликанов М.Ч., Карамурзов Б.С. и др. Природные процессы на территории Кабардино-Балкарии. Москва-Нальчик, 2004 5. Голицын М.В. Альтернативные энергоносители / М.В. Голицын, A.M. Голицын, Н,В. Пронина; Отв. ред. Г.С. Голицын, - М.; Наука, 2004. – С.159 6. Абдулов М.В. Строение земной коры по данным гравиметрии на Центральном Кавказе // Сов. геология. 1963. № 9 7. Короновский Н.В. Геологическое строение и история развития вулкана Эльбрус. В сб.“Оледенение Эльбруса”. М.: Изд. МГУ. 1968. С.15-74 8. Масуренков Ю.П. Кайнозойский вулканизм Эльбрусской вулканической области. М.: 1961. С.132 9. Дворов И.М. Геотермальная энергетика. – М.: Наука, 1976. – С.192 10. Белоусов В.И., Геология геотермалоьных полей в областях современного вулканизма. Москва, наука, 1987 11. Абас-заде А.К., Теплофизические свойства жидкостей, М., 1970 12. Дворов И.М. Геотермальная энергетика. – М.: Наука, 1976. – С.192 13. Лялько В.И., Митник М.М., Исследование процессов перноса тепла и вещества в земной коре. – Киев; Н. Думка, 1978 14. Меламед В.Г., Тепло – и массобмен в горных породах при фазовых переходах. М.: Наука, 1980 56 15. Беляков М.Ф., Геотермические наблюдения в буровых скважинах и их интепретация. Л. Гостоптехиздат. 1955 16. Фролов Н.М. Гидрогеотермия. М., «Недра», 1968. С.316 17. Боуэн Р., Палеотемпературный анализ. Пер. с англ. В.З. Махлине. Под ред. Проф. М.Ф. Двали. Л., «Недра», 1969 18. Абук Магомедов. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Махачкала: Издательско-полиграфическое объединение "Юпитер", г. Махачкала 1996. – С.245 19. Фролов Н.М., Язвин Л.С. Поиски, разведка и оценка эксплуатационных запасов термальных вод. М., 1969. С.176 (ВСЕГИНГЕО) 20. Макаренко Ф.А. Геотермические условия района Кавказских минеральных вод. — «Тр. Лаб. гидрогеол. проблем АН СССР», 1948, т. 1, С.171-211 21. Череменский Г.А. Геотермия. Л., «Недра», 1972. С.271 22. Дворов И.М. Геотермальная энергетика. – М.: Наука, 1976. – С.192 23. Ингерсолл Л.Р., Зобель О.Дж., Ингерсолл А.К. Теплопроводность, ее применение в технике и геологии. М.—Л. Госуд. Научно-техн. изд-во машиностроит. литерат. 1959. С.259 24. Чекалюк Э.Б., Федорцов И.М., Осадчий В.Г. Полевая геотермическая съемка. Киев «Наукова думка», 1974 25. Гордиенко В.В., Завгородняя О.В., Измерение теплового потока Земли у поверхности: Киев, Н, Думка, 1980 26. Дворов И.М. Глубинное тепло Земли. М., Наука, 1972 27. Череменский Г. А. Геотермия. «Недра», М., 1972 28. Добрецов Н.Л., Кардешкин А.Г., Глубинная геодинамика, Новосибирск, 1994 29. Кононенко Г.Н., Вознюк Л.Ф., Приближенные методы исследования тепло- и массопереноса в системах извлечения тепла Земли. Киев. Наукова думка, 1975 30. Поляк Б.Г., Тепломассопоток из мантии в главных структурных 57 земной коры./ Отв. Ред. В.И. Кононов; М. Н. 1988 31. Сардаров С.С. Структуры в геотермальных системах / Отв. Ред. М.А. Садовский. М. Н. 1989 32. Чекалюк Э.Б., Федорцов И.М., Осадчий В.Г. Полевая геотермическая съемка. Киев «Наукова думка», 1974 33. Фролов Н.М., Основы гидрогеотермии. Москва. Недра. 1991 34. Дахнов В.Н., Дьяконов Д.И. Термические исследования скважин. М., Гостоптехиздат, 1952. С.252 35. Иванов Н.С. Тепло- и массоперенос в мерзлых породах. М., «Наука», 1969. С.240 36. Дворов И.М. Геотермальная энергетика. – М.: Наука, 1976. – С.192 37. Дьяконов Д.И. Геотермия в нефтяной геологии. М., Гостоптехиздат, 1958. С.277 38. Дворов И.М. Геотермальная энергетика. – М.: Наука, 1976. – С.192 39. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок: Учеб. пособие для теплоэнергет. спец. вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1985. – С.319 40. Берман Э. Геотермальная Энергия. Перевод с английского под редакцией д. г-м. н. Б.Ф. Маврицкого. Издательство «Мир», Москва 1978 41. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок: Учеб. пособие для теплоэнергет. спец. вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1985. – С.319 58
