Возобновляемые источники энергии

2
1
5
8
4
3
7
6
Рис. 1.20. Схема нагрева пресной воды теплообменниками типа «труба в трубе»:
1
— добычная скважина; 
2
— нагнетательная скважина; 
3
— нагнетательный насос; 
4
, 
5
—
внутрискважинные теплообменники; 
6
— теплоизолированный бак-аккумулятор нагретой
воды; 
7
— сетевой насос; 
8
— водоносный пласт

---

108
мичных способов извлечения тепла непосредственно из горных
пород, и в том числе на стимулировании малопродуктивных бассей-
нов геотермальных вод.
Согласно прогнозу, выполненному Лос-Аламосской лабораторией
США, в топливно-энергетическом балансе произойдут принципиаль-
ные изменения. Уголь вытеснит нефть и газ, а затем, по мере истоще-
ния его запасов, на первое место выйдут гидротермальные ресурсы,
которые в будущем уступят место петрогеотермальным.
Первые опыты извлечения тепла из массива горячих скальных
пород (Нью-Мексико, США) были выполнены с помощью гидравли-
ческого разрыва, повлекшего за собой образования системы трещин.
Циркуляционная система включала в себя нагнетательную скважину,
по которой закачивалась холодная вода, и эксплуатационную, кото-
рая выводила нагревшийся в трещинах теплоноситель. Такой экспе-
римент проводился и в нашей стране — в г. Тырнауз (Кабардино-Бал-
кария). Гидроразрыв гранитного массива при давлении нагнетания
60 МПа был осуществлен на глубине 3,7 км, где температура достигает
200 °С. Вскоре из-за аварии в скважине эксперимент прекратили.
Основной проблемой искусственных геотермальных систем с
сухими породами является достаточно интенсивное извлечение тепла.
Чтобы извлечение энергии из сухих горячих пород было экономически
выгодным и происходило достаточно интенсивно, необходимо в
породе создать большую площадь теплоотдачи, а также обеспечивать
закачку, циркуляцию и извлечение теплоносителя. Для эффективного
функционирования искусственной циркуляционной системы необхо-
димо создать внутри горной породы трещины в которых в течение
длительного периода времени нагревалась закачиваемая вода.
Одним из возможных способов образования каналов с низким
сопротивлением движению флюида и большой площадью новых
поверхностей является гидравлический разрыв массива. Его достоин-
ства заключаются в сравнительно низкой стоимости и хорошо осво-
енной технологии.
На рис. 1.21 приведена принципиальная технологическая схема
системы извлечения геотермальной энергии из сухих горных пород.
Гидравлическая связь в такой системе обеспечивается за счет
сближения боковых ветвей скважин методом наклонно-направлен-
ного бурения и последующим гидроразрывом на забоях скважин для
образования соединительных зон дробления. Метод гидравлического
разрыва хорошо известен из практики нефте- и газодобычи и исполь-
зуется для стимулирования добычи флюидов путем создания мно-
жества трещин в продуктивном горизонте, примыкающем к стволу
скважины. Суть его состоит в том, что при закачивании в скважину
воды под достаточно высоким давлением, превышающем горное дав-

---

109
ление, вдоль нее образуются протяженные трещины. Гидравлическое
давление будет действовать на породу, создавая в ней растягивающие
напряжения, достаточные для образования трещин. Напряжение, тре-
буемое для увеличения трещины, намного меньше напряжения, необ-
ходимого для ее образования. Поэтому, если вокруг скважины уже
произошел разрыв, то нагнетание жидкости следует продолжать при
пониженном давлении до тех пор, пока трещины не распространятся
до требуемого радиуса. В зависимости от прочности пород для ее
растрескивания давление на забое скважины должно 1,8—2,5 раза
превышать гидростатическое давление. Например, для гидроразрыва
пласта на глубине 2000 м необходимое забойное давление составит
360—500 кг/см
2
, для чего насосный агрегат на поверхности должен
развивать давление в 160—300 кг/см
2
.
Для предотвращения смыкания трещин гидроразрыва при пони-
жении давления во время эксплуатации применяется их крепление
отсортированным кварцевым песком фракций 0,5—0,8 мм, который
задавливается в трещины вязкой жидкостью. В карбонатных породах
трещины обрабатывают соляной кислотой.
Циркуляция теплоносителя при извлечении тепла горных пород
происходит по контуру «нагнетательная скважина — трещины гидро-
разрыва — добычная скважина — потребитель тепла — нагнетатель-
ный насос». Нагнетание холодной воды в горячий пласт и последую-
щее ее нагревание в трещинах гидроразрыва будет сопровождаться