Экологически непротиворечивые способы реализации программ по геотермальной энергетике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экологически непротиворечивые способы реализации программ по геотермальной энергетике

1. Обзор экологически вредных способов решения проблемы энергетики и охрана окружающей среды

экологический вредный геотермальный электростанция

До недавнего времени общее отношение к воздействию на экологию окружающей среды геотермальной энергетики, можно сказать, было попустительским. Причиной этого было почти полное незнание процессов, сопровождающих геотермальную деятельность в областях современного вулканизма. Предполагалось, что извлечение геотермального пара и горячей воды не может серьёзно изменить процесс естественной разгрузки гидротерм. Дилетантский подход при сравнивании геотермальной энергетики с традиционными видами энергии был глубоко научно не обоснованным. Поскольку считалось, что источник геотермальной энергии находится в глубоких недрах Земли, то отбор части этой энергии воспринимался как процесс утилизации расходной части теплового баланса современных геотермальных систем. Полезность такого способа получения энергии земных недр не подвергалась сомнению и активно пропагандировалась инициаторами и апологетами этого вида энергии. Наблюдения за извержениями вулканов доказывали, казалось бы, неисчерпаемость его на протяжении многих лет развития цивилизации.

Первые шаги в развитии геотермальной энергетики в Италии, США, Новой Зеландии и СССР (Паужетка, Камчатка), со всей очевидностью показали, что эйфория энтузиастов беспочвенна. В местах разведки и извлечения парогидротерм и низкотемпературных терм производились работы, которые разрушали локальные экосистемы не только механическим способом природных ландшафтов, но и исследовательские работы, связанные с активными выпусками парогидротерм из скважин, наносили ущерб окружающему растительному покрову. Поскольку термальные воды имеют в своём составе растворённые соединения, химические элементы и газы, то отложения геля кремнекислоты из фонтанов парогидротерм рассеиваются на большой площади, которую занимает буровое и опытное оборудование и транспортные пути. Деревья, которые обволакиваются отложениями коллоидной кремнекислоты, погибают. Растворённые газы, в составе которых содержатся СО₂, H₂S, а в некоторых гидротермальных системах и SO₂, загрязняют атмосферу в долинах рек. Как правило, гидротермальные системы в областях современного вулканизма локализуются в местах с контрастным рельефом, то аккумуляция тяжёлых газов в отрицательных формах рельефа способствует усилению этого эффекта на атмосферу глубоких долин рек, ручьёв и впадин.

Сброс больших объёмов жидких гидротерм в реки и ручьи, прежде всего, приводит к тепловому загрязнению. Повышение температуры водотоков, в которых находятся нерестилища и места кормовой базы промысловых рыб (в основном особо ценного лосося, как это имеет место на Камчатке) и других обитателей этих водоёмов, резко изменяло экосистему этих мест. Дно последних зарастало термофильными водорослями, резко снижающими содержание кислорода в этих водах, которое становилось недостаточным для развития пищевых организмов, икры и мальков рыб.

Однако отмечалось, что в условиях повышенных температур, молодь промысловых рыб становилась крупнее и более жизнестойкой. Однако подращивание её в термальных водах, содержащих мышьяк, приводило к его накоплению в теле рыбы.

Таким образом, некоторые микроэлементы, находящиеся в гидротермах, также таят опасность для экосистем, в которые вторгаются гидротермы.

Как известно, поверхностные термальные проявления являются привлекательным местом отдыха не только местного населения, а и любителей путешествовать. Уникальные формы выходов на дневную поверхность термальных вод представляют собой объекты созерцания и морального отдыха, являясь своеобразной формой проявления общения человека с дикой природой. Уникальность этих объектов заключается в их редкости и они служат особыми местами поклонения духам, управляющим данной природой. С незапамятных времён местное население поклонялось источникам, термальным озёрам и другим видам термальной активности. Возможно, это было связано и с особыми их бальнеологическими свойствами. Такие места служили не только прагматическим целям, но являлись региональными реликвиями и особо тщательно охранялись. Со временем некоторые из термальных проявлений приватизировались и обустраивались. В таких странах как Япония, которые характеризуются плотной заселённостью, вырабатывались не писанные природоохранные законы, касающиеся не только источников, но и вулканов, имеющих парогазовые выходы и прогретые парящие площадки. К ним прокладывались хорошо оборудованные дороги и маршруты обсаживались деревьями, а на обочинах этих транспортных путей устанавливались статуи Будды.

Естественно добыча гидротерм из подземных водоносных горизонтов, питающих такие термальные проявления, приводили к перестройке очага разгрузки. Гейзеры или кипящие источники из-за понижения гидростатического уровня некоторых гидротерм, прекращали изливать воду и превращались в ямы и впадины, из которых выделялись струи пара. Гейзерит и травертин, которые окружали ранее существующие гейзеры и кипящие источники, разрушались. На их месте происходило образование красных глин (Гейзеры Вайракей). То есть, отмечалось снижение поверхностной активности гидротерм. Наоборот, вверх по течению подземных потоков гидротерм, там, где до их эксплуатации были небольшие прогретые площадки и слабая парогазовая (фумарольная) деятельность, образовывались значительные по площади (Вайракей ~ 4 га) глубокие грязевые котлы и обвалившиеся ямы со стенками, в которых обнажались отложения гидротермальных взрывов ранних этапов деятельности современной гидротермальной системы. В этих глинистых ямах и котлах происходят бурные процессы химического и термического взаимодействия парогидротерм с породами, представляющие яркое, волнующее и запоминающееся зрелище. Такие изменения порой не вызывают возмущения многочисленных посетителей этих мест. Например, гейзеры Вайракейской гидротермальной системы в Новой Зеландии, когда они действовали, посещало 2-3 тысячи человек в год. В настоящее время после строительства ГеоТЭС эти гейзеры исчезли, а появилась обширная площадка с грязевыми котлами и другие индустриальные пейзажи. Посещаемость увеличилась в десятки и сотни раз. Здесь, по-видимому, сказалось влияние индустриальной инфраструктуры, которая способствовала массовому туризму, невозможному в условиях отсутствия хороших дорог и отелей.

Однако научные исследования, сопровождающие освоение геотермальной энергии, привели к познанию процессов, связанных с деятельность гидротерм. В настоящее время хорошо изучен механизм формирования и деятельности фонтанирующих высокотемпературных источников-гейзеров. Из некоторых скважин на Паужетке происходило пульсирующее истечение пароводяной смеси, аналогичной гейзерным источникам с красивыми струями-факелами. В настоящее время реально подобрать любой режим извержения пароводяной смеси и создать разнообразные типы гейзеров: с большим периодом покоя между импульсами извержений, с коротким периодом покоя, пульсирующим в ритмичном режиме, фонтанирующим в почти постоянном (струйном) режиме. При тщательном регулировании истечения пароводяной смеси из устья скважины имеется возможность получить разную форму струи от узкой-столбообразной с развевающимся шлейфом выбрасываемой пароводяной смеси, до струй в форме пламени.

Не составит труда сконструировать оформление грифона и его окрестностей с образованием многослойного гейзерита с жемчужной поверхностью, так как частое омывание гидротермами, содержащими золи кремнекислоты, образует тонкую плёнку свежего коллоидного кремнезёма, обладающего специфическим жемчужным блеском.

Высокотемпературные гидротермы, имеющие в своём составе растворённый углекислый газ, дают возможность создать озёра, выделяющие пузырьки растворённого газа и отлагающие как гейзериты, так и травертины, которые слагают пористые русла термальных ручьёв с ваннами, заполненными углекислыми термами. Последние не только приятны для купания, но и обладают эффективными бальнеологическими свойствами.

Освоение геотермальных ресурсов обычно сопровождается шумом. Шум от геотермальных установок похож на шумы, генерируемые другими промышленными объектами. Если полевые испытания продолжаются длительное время, то уровень шума колеблется в соответствии с процессами производства опытных выпусков из скважин. Разработка геотермальных месторождений с низкотемпературными гидротермами (на дневной поверхности их температура не превышает 100⁰С) менее шумная, чем получение сухого геотермального пара с аналогичным общим расходом теплоносителя. Уровень шумов уменьшается по мере удаления от геотермального объекта и зависит от характера рельефа и состояния атмосферы и часто не отличается от нормального шумового фона урбанизированной местности. Эксперименты на животных показали, что безопасный максимум уровня шумов оказался индивидуален для различных животных и имеется необходимость по составлению карт шумовых зон для каждого вида живых организмов.

Наиболее мощная генерация шумов связана с опытными выпусками пара после сепарации пароводяной смеси на геотермальных полях с жидкими высокотемпературными термами и на пародоминирующих геотермальных системах типа Лардерелло. Уменьшение уровня шумов этого типа источников производится с помощью глушителей, в которых создаются условия больших перепадов давления за счёт увеличения объёма выпускаемого пара. Как правило, в условиях эксплуатации геотермальных электростанций этот эффект достигается за счёт конденсирования отработанного пара в специальных конденсаторах. Большею частью генерация шумов во время эксплуатации ГеоТЭС связана с несовершенной схемой утилизации отработанного пара.

Одним из наиболее экологически вредных продуктов геотермальных месторождений с жидкими высокотемпературными термами является кремнезём. Подробная информация о нём приводится в главе I. Здесь следует отметить, что при сбросе отработанных гидротерм в поверхностные воды, кремнезём отлагается в русле ручьёв, как это, например, происходит на Вайракейской геотермальной электростанции в Новой Зеландии, и образует постоянно увеличивающиеся наросты гейзерита. Предприимчивость деловых новозеландских людей почти решает проблему очистки этого искусственного термального ручья, так как эти отложения аморфного кремнезёма продаются в качестве сувениров многочисленным туристам.

Однако оценивая проблему возможного воздействия кремнезёма гидротерм на окружающую среду и, в особенности на оборудование геотермальных промыслов и геотермальных электростанций, следует отметить её трудно разрешимость. По нашему мнению, это связано в большинстве случаев с тем, что ещё имеются теоретически нерешённые задачи, связанные с химизмом кремнекислоты в гидротермах. Как мы считаем, это, в основном, обусловлено сложностью поведения кремнекислоты, которая может находиться в водном растворе как в ионной, так и в коллоидной форме. Поскольку в химическом составе термальных вод присутствуют катионы и другие сложные соединения, находящиеся также в ионной и коллоидной формах, то они могут воздействовать на процессы флоккуляции, каогуляции, сорбции и десорбции коллоидной кремнекислоты. Эти взаимодействия, несомненно, усложняют процессы, происходящие с кремнистой кислотой и прогноз её режима в гидротермальном процессе в настоящее время задача, нерешённая.

Однако опыт работы по этой проблеме уже накапливается и реализуется в практической деятельности. Так, например, прежде чем закачивать отработанные гидротермы в водоносные горизонты (о чём будет сказано в следующем разделе настоящей главы) их пропускают (если позволяют условия) через кварцевый песок, в котором большая часть кремнекислоты осаждается, используя кварцевые зёрна в качестве ядер кристаллизации. В другом случае, в Новой Зеландии, была построена опытно-промышленная станция, в которой отработанные гидротермы, представляющие собой пересыщенный раствор кремнезёма, пропускался через гашёную известь, в результате чего образовывались кальциевые силикаты, и происходила очистка терм от избыточной кремнекислоты. Кальциевые силикаты после сушки теми же термальными водами использовались в качестве строительного материала.

Интересные наблюдения за поведением кремнезёма при выбросах пароводяной смеси из фонтанирующих скважин свидетельствуют, что дисперсный кремнезём, образующийся в шлейфах пароводяных струй, рассеивается ветром на большие расстояния и может попадать в места обитания людей и животных (автомобили и в открытые окна жилищ) и, несомненно, повреждать лёгкие. О том, какой ущерб аэрозоли кремнезёма наносят окружающей растительности, мы уже описывали в начале раздела. Примеров такого воздействия на окружающую среду кремнекислоты, содержащейся в парогидротермах достаточно много (Паужетка, Мутновское месторождение, Вайракей и ряд других). Эта проблема обсуждалась в связи с эксплуатацией высокотемпературной гидротермальной системы Эль Сальвадор, где гидротермальные скважины находились среди кофейных плантаций. Считается, что ущерб этого типа обычно ограничивается небольшими площадками и должен приниматься в качестве неизбежных издержек эксплуатации геотермальных энергоносителей.

Важной проблемой, связанной с развитием геотермальной энергетики, является проседание земной поверхности. Извлечение больших объёмов гидротерм из недр высокотемпературных геотермальных систем с жидким теплоносителем (водой) приводит к образованию в напорном водоносном комплексе (горизонте), так называемой “депрессионной воронки”. Образно говоря, образуется зона пониженного гидростатического давления, в которой часть порового (трещинного) пространства, или не заполнена водой (зона аэрации), или же заполнена низкопараметрическим паром в смеси с некондесируемыми газами (СО₂, Н₂S). В этой части месторождения происходит уплотнение пород (уменьшение свободного пространства), что проявляется в некоторых событиях, таких как наклон земной поверхности (проседание), которое сопровождается формированием зон напряжения в энергетическом оборудовании и возможными механическими его повреждениями. Хотя следует отметить, что большие дифференцированные подвижки в практике эксплуатации геотермальных месторождений редки. Наблюдались вертикальные смещения до 4.5 м в течение 10 лет на Вайракее и на 6 м после 1962 года. Кроме того, там же фиксировались горизонтальные подвижки до 0.225 м в течение 8 лет, в зоне максимального опускания, где производился наибольший отбор гидротерм. Ущерб от этих движений земной поверхности выразился в появлении трещин в дренажном канале, проходящем от Вайракейской ГеоТЭС к ручью Вайракей. Сама станция находится на значительном удалении от района максимального опускания. Геотермальные системы, где извлекается энергоноситель в виде сухого пара, не восприимчивы к такому воздействию отбора паротерм из недр.

На геотермальных системах, где извлекается жидкий теплоноситель, необходимо вести тщательные геофизические наблюдения. Вполне приемлемым методом формирования депрессионной воронки является повторяющаяся гравиметрическая съёмка. Имеется опасность, что иногда продолжительные откачки гидротерм из водоносных комплексов могут спровоцировать землетрясения, в особенности во время закачки отработанных вод в зоны сильных напряжённых сдвигов, где могут быть большие перепады температур. Эта опасность реальна, поскольку все эксплуатируемые гидротермальные системы обычно находятся в районах сейсмотектонически активных. Такие события происходили в Колорадо, где довольно сильные сейсмические толчки наводились в результате закачки промышленных сточных вод. Наоборот, отбор гидротерм из водоносного горизонта (комплекса) может снизить опасный уровень сейсмической активности. В Италии был проведён контролируемый эксперимент. В течение 40 дней, до и во время закачки, отработанных гидротерм (реинжекция) производились тщательные сейсмические и микросейсмические измерения. Никаких событий не наблюдалось.

В другом случае, когда извлекалось тепло нагретых горных пород путём закачки холодной воды в искусственные трещины, происходили сейсмические события.

В связи в вышеприведенным описанием процессов, вызванных массированной откачкой геотермального энергоносителя, высказываются предположения, что в отдалённом будущем, когда этим процессом будут охвачены глубокие недра геотермальных систем и влияние процессов эксплуатации геотермальных ресурсов распространится на большие глубины, не исключено возникновение ситуаций, которые могут спровоцировать и сильные разрушительные землетрясения. Неконтролируемый отбор геотермального тепла, несомненно, приведёт к понижению средней температуры земной коры, что нарушит сложившуюся равновесную тепловую систему. Эти нарушения приведут к перестройке системы напряжений в земной коре, что чревато непредсказуемыми последствиями. Несмотря на то, что это долговременная проблема, необходимо тщательное её изучение.

В практике эксплуатации геотермальных электростанций, которые используют охлаждающие башни (градирни), отмечается образование туманов из этих градирен. Более серьёзное влияние могут оказывать большие объёмы выбросов пара и воды из глушителей и из регуляторов расхода пара, которые издают раздражающий шум, такие как, например, установлены на Камчатке. В результате этих выбросов может образоваться туман.

И всё-таки, несмотря на выше описанное, порой негативное, воздействие развития геотермальной энергетики на окружающую среду, возможна рукотворная взаимосвязь инженерных работ с природными поверхностными термальными проявлениями. Этим разработкам уделяется особое внимание при развитии геотермальной энергетики в Японии (Tokita et al., 2000). Японские разработчики геотермальных программ придают этому аспекту большое значение, так как места освоения геотермальных ресурсов в Японии, как правило, являются местами паломничества многочисленных жителей данной местности и объектами поклонения. Поэтому важнейшим условием использования геотермальных ресурсов в энергетических целях является сохранение первозданных термальных проявлений и прогноз влияния эксплуатации геотермальных электростанций на близко расположенные горячие источники. Для взаимопонимания, сотрудничества и согласия между энергетиками и владельцами горячих источников, а также экологов, проводятся мониторинг (слежение) окружающей среды и мероприятия по сохранению горячих источников, основанные на научных исследованиях, обязательных в Японии. Фонд по Новым энергиям разработал метод прогноза влияния эксплуатации геотермальных ресурсов на горячие источники путём применения и модификации методов, используемых в геологоразведке, геохимических исследованиях и резервуарной инженерии. Процедура состоит из двух стадий. В первую стадию, основанную на крупномасштабной концептуальной модели, исходя из структурных позиций геотермальной системы, качественно оценивается взаимосвязь горячих источников и водоносного геотермального горизонта (комплекса, резервуара). С этой целью проводится геолого-структурный анализ и генезис гидротерм, который определяется по геохимическим данным. Во-вторых, производится числовое моделирование влияния эксплуатации геотермального резервуара на режим горячих источников.

Для того чтобы гарантировать надёжность метода прогноза, проводились контрольные исследования на моделях двух хорошо изученных геотермальных полях: Вайракейской в Н. Зеландии и Палинпион на Филиппинах. Оба поля испытали понижение гидростатических уровней и изменения химических составов гидротерм в окружающих горячих источниках после начала эксплуатации. В результате этих контрольных исследований были разработаны концептуальная и числовая модели резервуаров, включающие горячие источники, с использованием ограниченной информации, полученной лишь во время стадии эксперимента. Затем были предсказаны возможные, выше упомянутые, изменения в окружающих горячих источниках после эксплуатации геотермальных ресурсов. Авторы исследовали, как в стадию качественной, так и в стадию количественного прогноза, тенденцию реальных изменений в горячих источниках, которые означали, что метод прогноза эффективен. Базируясь на контрольных исследованиях, было установлено два типа горячих источников: связанных и несвязанных с данным водовмещающим комплексом. Предполагается, что этот метод прогноза будет содействовать охране окружающей среды во время эксплуатации геотермальных ресурсов.

2. Закачка использованных гидротерм (реинжекция)

Закачка использованных гидротерм (в дальнейшем реинжекция) обратно в эксплуатируемый геотермальный горизонт в настоящее время является широко распространённым мероприятием, используемым при эксплуатации подземных гидротерм. Сама по себе реинжекция не представляет технических трудностей, в особенности, если гидростатический уровень напорных гидротерм находится существенно ниже дневной поверхности. Процедура не требует какого-либо специального высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования. Основные финансовые расходы связаны с бурением скважин по контуру геотермального резервуара. Как правило, во время геологоразведочного и поискового бурения часть скважин оказывается непродуктивными и, некоторые из них могут быть использованы в качестве реинжекционных.

Реинжекция отработанных гидротерм в настоящее время имеет практическую значимость и решает ряд проблем, описанных в предыдущем разделе этой главы. Вместе с тем эта процедура порождает ряд новых проблем. Таким образом, сочетание положительного и негативного эффектов этой технологии является важным элементом в освоении геотермальной энергии.

Несомненно, вызывают опасение большие инъекции остывших отработанных гидротерм в эксплуатируемый резервуар, так как несбалансированная закачка слишком охлаждённых гидротерм может снизить параметры извлекаемого теплоносителя и тем самым повлиять на снижение снимаемой тепловой энергии. Важным является баланс давлений, производимого на закачиваемую жидкость и пластового давления, что может привести к полному “задавливанию” эксплуатируемых гидротерм. Несомненно, необходимо исследовать процесс изменения проницаемости продуктивного горизонта в результате отложения минеральных новообразований. Существенной проблемой может быть появление поверхностных выходов реинжектируемых гидротерм, которые будут загрязнять окружающую местность. Одним из важных моментов в процессе закачки отработанных гидротерм является вероятность тридгеринга сейсмических событий. Проблемы реинжекции были поставлены на Геотермальном симпозиуме ООН в Пизе в 1970 году, как заслуживающие внимания. В 1975 г в Сан-Франциско на аналогичном симпозиуме были проведены важные количественные данные. Эти материалы позволили сделать вывод, что реинжекция часто могла быть превосходным решением экологических проблем в освоении геотермальных ресурсов. Однако и здесь имеются ограничения использования этого способа.

Einarsson et al. (Christopher, Armstead, 1975) описали успешные опыты, проведённые на геотермальном поле Ахиачапан в Сальвадоре, где наиболее серьёзная проблема ликвидации бороносных терм была решена реинжекцией. Во время эксперимента 2 млн. м³ гидротерм с температурой 153⁰С было закачано в скважину глубиной 952 м с расходом 164 л/с без насоса (водоносный горизонт обладает высокой проницаемостью), только самотёком за счёт силы гравитации и давления пара, выделявшегося при кипении гидротерм. При этом не отмечалось образование отложений и какого-либо заметного взаимодействия закачиваемых гидротерм с гидротермами в пласте. Эти авторы считают, что наиболее рациональная глубина реижекционных скважин должна быть 1.5 км и более, по крайней мере, в условиях, аналогичным условиям поля Ахиачапан. Общая цена реинжекции в этом месте оценивалась ~ в 1 тысячную долю американского доллара на 1 киловатт час.

Kubota, Aosaki (Сhristopher, Armstead, 1975) описали результаты закачки 8 млн. т гидротерм в водовмещающий комплекс гидротермального месторождения Отаке в Японии в 1972 г через три реинжекционные скважины. Скорость закачки составила примерно 400т/час. Этот расход позволяет избегать теплового и химического загрязнения окружающей местности. Реижекционные скважины находились от продуктивных на удалении 150-800 м. Снижение температуры извлекаемых гидротерм или расходов продуктивных скважин не наблюдалось и не было никаких-либо сейсмических событий. Даже более того, авторы отмечают улучшение эксплуатационных параметров продуктивных скважин. Общая мощность электростанции увеличивалась до 11 МВТ (по сравнению с 8.7 МВТ) после начала реинжекции. Отложение кремнезёма было негативным процессом на стенках реинжекционных скважин (и возможно в близко расположенных трещинах), который повлиял на реинжекционную производительность этих скважин.

Грингартен и Саути (Christopher, Armstead, 1975) описали эксплуатацию отопительных систем с обычными температурными градиентами во Франции. Здесь поверхностный излив отработанных гидротерм также приводил к химическому и тепловому загрязнению. Реинжекция решила эти проблемы и в то же время дала возможность поддерживать давление в пласте и ограничить опускание поверхности в месте извлечения гидротерм, а также обеспечить возврат как воды, так и тепла. Однако поскольку тепло непрерывно извлекается из водоносного комплекса, то должно происходить истощение эксплуатационной зоны. В связи с этим необходимо определить оптимальное расстояние между продуктивными и реинжекционными скважинами, чтобы продлить максимальную эксплуатационную жизнь продуктивной зоны. Авторы исследовали эту проблему с помощью математических методов и определили свойства водовмещающего комплекса, вывели серию кривых, показывающих ряд лет, в течение которых реинжектированные гидротермы могу достичь продуктивных скважин, и определили ожидаемую скорость уменьшения температуры с течением времени.

Частин (Christopher, Armstead, 1975) описал опыты по реинжекции на трёх геотермальных полях США. Этот автор считает, что целью реинжекции является частично восстановление теплопотерь, вызванных эксплуатацией и частично, размещение отработанных гидротерм или избыточного конденсата способом, который позволяет избежать загрязнения поверхностных вод. Реинжекция проводилась и проводится на Гейзерах и в Империал Вэлли в Калифорнии, а также на Кальдере Воллес в Нью-Мексико. На пародоминирующем поле Гейзерс с 1969 по 1975 годы было закачено 4.2 х 10⁹ галлонов жидких отходов. При установленной мощности ГеоТЭС 500 МВт, 4.7 млн. американских галлонов закачивалось ежедневно. Жидкость содержала аммонит, бор и некоторые суспензии твёрдых веществ. Поток отработанных гидротерм направляется в бетонные танки для отстоя нерастворённых веществ, а затем они распределяются в шесть реинжекционных скважин. Эти скважины ранее были продуктивными и давали энергетический пар. После исчерпания ресурсов пара в них произошло понижение гидростатического уровня эксплуатируемого водоносного горизонта и температуры глубинных гидротерм. Об этом свидетельствует тот факт, что гидротермы сливаются в реинжекционные скважины без употребления насосов, а только за счёт силы гравитации. Реижекционные скважины по возможности удалены от эксплуатационного участка и имеют глубину, большую, чем продуктивные скважины (до 1600 м) В течение пяти лет взаимодействия между реинжекционными и эксплуатируемыми термами не было взаимодействия. Некоторые трудности в проведении эксперимента были связаны с уменьшением скорости закачки, вызванными зарастанием зоны трещиноватости самородной серой, но они были преодолены путём герметизации скважины, что привело к повышению температуры. Поскольку температура плавления серы оказалась ниже температуры гидротерм, то она расплавлялась и удалялась. Слежение за сейсмичностью и опусканием эксплуатационного участка показали, что ни сейсмичные события, ни деформация на геотермальном поле Гейзерс не происходили. Геотермальные системы Кальдеры Воллес и Империал Вэлли в своих недрах имеют преимущественно жидкие гидротермы. 100 млн. американских галлонов было закачено в течение года в первой системе и 126 млн. американских галлонов в течение 1964-65 г.г. во втором случае. Гидростатическое давление на оголовках скважин в Империал Вэлли было достаточно высоким. В связи с этим закачка производилась насосами, но в дальнейшем в результате охлаждения гидротерм произошло понижение гидростатического уровня гидротерм в реинжекционных скважинах. Закачка производилась сливом за счёт силы тяжести гидротерм. Скорость закачки в Империал Вэлли составила 600 американских галлонов в минуту. Также успешно реинжекция проводилась на Лардерелло в Италии.

Следует отметить, что, как показала практика, использование реинжекции в качестве способа, который обеспечивает непротиворечивость применения геотермальных ресурсов для целей энергетики, требуется его совершенствование и индивидуальные решения при проектировании конкретного объекта на геотермальном месторождении. Ярким примером этого является образование наростов кремнезёма на стенках реинжекционных скважин. В некоторых случаях скорость кальматации зон трещиноватости и зарастание обсадочных труб конструкции скважин может быть достаточно высокой, в результате чего происходит быстрое снижение скорости закачки отработанных гидротерм, пересыщенных по отношению к аморфному кремнезёму. Это приводит к удорожанию процесса ликвидации отработанных гидротерм. В настоящее время, чтобы избежать зарастание конструкций скважин кремнезёмом, рекомендуется закачивать отработанные гидротермы с температурой не ниже 140-150⁰С.

Важным моментом в разработке геотермальных проектов является определение оптимальных расстояний между продуктивными и реинжекционными скважинами. Кроме того, необходимо исследовать проблему оптимально выбора глубины бурения реинжекционных скважин. Предполагается, что при большей глубине этих скважин можно будет достигать уровней, где находятся сухие горные породы. Закачка остывших отработанных гидротерм на эти уровни геотермальных систем может привести к возникновению глубокой их циркуляции и извлечению тепла из остывающих магматических очагов (интрузий). Несомненно, это перспективный путь освоения геотермальных ресурсов глубоких недр геотермально-магматических систем (см. гл. I).

3. Рекультивация

В последние годы развитие геотермальной энергетики с мощным прессом общественности, внимание которых сосредоточено на экологических проблемах. Как уже отмечалось, в первые годы развития геотермальной энергетики, она считалась экологически непротиворечивой, в связи с чем, мероприятия по охране окружающей среды практически не производились. Однако реальная ситуация оказалась сложнее. В настоящее время производятся большие работы по изучению геотермальных технологий, которые не только минимизировали бы ущерб, наносимый этой деятельностью, но и создавали бы дополнительные условия для благоустройства геотермальных полей, включённых в систему социально-экономического развития стран, осваивающих этот вид энергии.

Реализация геотермальных проектов повлекла за собой интенсивное развитие инфраструктуры этих районов. Хорошо развитая сеть дорог, строительство гостиниц, возможность использования гидротерм для отдыха, укрепление здоровья, энергообеспечения, улучшения структуры питания за счёт круглогодичного выращивания овощей - всё это позволяет благоустроить ранее мало посещаемые, из-за труднодоступности геотермальные районы, районы активной вулканической деятельности для массового туризма.

Дороги, проложенные геологоразведчиками и строителями, позволяют сегодня посещать многочисленным любителям путешествий и жителям Петропавловска и Елизово, ранее недоступные вулканы Мутновский, Горелый и, естественно ожидать, что в недалёком будущем этот поток людей будет постоянно нарастать.

На наш взгляд, совершенно очевидно, что уже сейчас требуется проведение соответствующих мероприятий по благоустройству района развития геотермальной энергетики в окрестностях вулканов Мутновского, Горелого и Жировского. Это должно быть заботой местных властей, которым необходимо иметь проекты по благоустройству дорог, мест отдыха, развлечений и многих других действий, которые трудно предусмотреть в нашем коротком обзоре.

Однако нам представляется целесообразным учесть ряд особенностей освоения геотермальных ресурсов и при составлении программ и разработке проектов по благоустройству геотермальных районов Камчатки, а, в особенности, вблизи городов Петропавловска и Елизово и включить в программу ряда мероприятий. Так, например, при бурении геолого-разведочных и эксплуатационных скважин по геолого-гидрогеологическим, или по техническим причинам может выбрасываться пароводяная смесь в гейзерном режиме со всеми признаками, характерными для природных гейзеров (Паужетские горячие воды, 1965). Как правило, такие термы имеют в своём химическом составе растворённый кремнезём. Когда гидротермы из фонтанов охлаждаются и в виде капель, содержащих пересыщенные концентрации кремнекислоты в виде суспензий, падают на окружающие породы, то этот кремнезём отлагается в виде корочек аморфного кремнезёма, который называют гейзеритом. Во время стадии самоизлива гидротерм из устья скважин образуются ручьи, в которых при быстром охлаждении отлагаются гейзериты. Таким образом, специально оформленные фонтанирующие в гейзерном или пульсирующем режиме скважины могут имитировать природные гейзеры, которые являются весьма редким экзотическим феноменом. Создание искусственной “долины Гейзеров” на Мутновском геотермальном поле может привлечь большие группы путешественников. Как правило, такие места массовых посещений, организованные с соответствующим комплексом услуг, являются доходным бизнесом. Привлечение дополнительного финансирования может в значительной степени изменить состояние геотермальных полей Камчатки, которые в настоящее время посещаются неорганизованными (дикими) туристами и результаты таких посещений весьма трагично сказываются на состоянии уникальных памятников природы, связанных с геотермальными полями.

Так, например, в таком беспризорном состоянии находится Больше Банные источники в верховьях реки Банной. Уникальность их очевидна и состоит она в том, что гидротермы этой системы буквально пересыщены углекислым газом. Высокие концентрации углекислоты в этих термах позволяют удерживать в растворённом состоянии, даже при высоких температурах в недрах системы кальций. Но при вскрытии этих глубинных высокотемпературных растворов, при энергичной дегазации СО₂, происходит интенсивное отложение минерала кальцита. Во время бурения скважин и выпуска паро-газовой водяной смеси из них ствол скважины быстро (в течение месяца) зарастает отложениями кальцита. В связи с этим, использование таких гидротерм для энергетических целей значительно удорожает произведённую электрическую и тепловую энергию. Однако в Н.Зеландии, на широко известном геотермальном поле Вайотапу, такие же по составу гидротермы, образуют уникальные по сваей красоте и экзотике поверхностные термопроявления. В результате гидротермального взрыва, который был связан с зарастанием минералами дренирующей трещины, что привело к накоплению тепловой энергии в этом месте и последующему парогазообразованию, образовалась глубокая воронка, расширенная к поверхности. Она заполнена гидротермами с температурой 73⁰С (озеро Шампанское). Поскольку эта температура гидротерм не достигает точки кипения при атмосферном давлении, то этот источник не превратился в гейзер. Однако выделение углекислого газа происходит, что приводит к появлению массы пузырьков, которые поднимаются из глубины воронкообразного грифона и вода, как бы вскипает, аналогично газированным напиткам. При этом происходят процессы отложения кальцита и кремнезёма. Кремнекислота в этих термах находится в значительной части в виде коллоидной суспензии, которая опалецирует в воде и при отложении на гейзеритах, что придаёт специфическую игру цвета воды и отложений кремнезёма. Вытекающий ручей гидротерм из озера Шампанского проходит по руслу, устланному травертинами в виде характерных террас, на которых образуются ванны, заполненные углекислыми термами. Последние широко используются в бальнеологии.

По нашему мнению, на Больше-Банных источниках можно создать аналогичные искусственные поверхностные термопроявления при относительно небольших затратах.

Одним из важнейших способов рекультвации и окультуривания является создание систем бассейнов, ванн на базе отработанных гидротерм, которые имеют бальнеологические свойства.

Важнейшая роль обустройства мест реализации геотермальных проектов на Камчатке заключается в том, что такие мероприятия, несомненно, ослабят прессинг массового туризма на особо охраняемые уникумы природы, каковыми являются Долина Гейзеров и Кальдера Узон.

4. Формирование эталонных, особо охраняемых природных геотермальных ландшафтов и геотермальных систем

По-видимому, нет необходимости доказывать уникальность таких объектов как Долина Гейзеров, Кальдера Узон, вулканический массив Большого Семячика, Карымской геотермально-магматической системы, в которую входит Кальдера Академии Наук. Как известно, эти объекты находятся в Кроноцком заповеднике и строго охраняются. Никаких работ по освоению их геотермальных ресурсов не производится и не планируется в будущем. Многие страны, в которых геотермальные поля включены в национальные парки, такие как, например, Йеллоустонская геотермальная система в США, Лос Азуфрес в Мексике. Многие геотермальные системы Японии также располагаются на территориях национальных парков. Однако прессинг энергетических проблем в настоящее время оказывает сильное влияние и уже на некоторых геотермальных системах проводится извлечение геотермальных ресурсов. На Лос Азуфрес в Мексике, как уже выше описывалось, построена сеть малых геотермальных электростанций (турбо-энергоблоки по 5-7 МВт) общей мощностью 91 МВт. Следует отметить, что как бы эти места аккуратно не эксплуатировались, избежать нарушений в функционировании геотермальных систем, поверхностных термопроявлений, в специфическом ландшафте геотермальных и гидротермально-магматических систем не удаётся.

Конечно, аргументы сторонников промышленного освоения геотермальных ресурсов бьют по самым уязвимым местам в сознании людей. Стремление человечества к прогрессу неистребимая сущность людей. Они обречены на такую деятельность, но наряду с этим у них есть интуитивное чувство самосохранения, которое связано с окружающей средой. Поэтому авторы полагают, что одной из острых экологических проблем в связи с развитием геотермальной энергетики на Камчатке является формирование эталонных, особо охраняемых геотермальных ландшафтов и геотермальных систем. Предполагается, что использование геотермальных ресурсов Камчатки наберёт мощность, в том числе и экспансия их промышленного освоения. Как ясно из настоящей работы, это будет приводить к изменению режимов геотермальных систем. Поскольку на деятельность этих систем оказывают влияние и природные процессы (землетрясения, извержения вулканов, климатические и т. д.), то появится необходимость выделять влияние антропогенного фактора. Проведение мониторинга как на эталонных, так и на эксплуатируемых геотермальных системах, будет наиболее точно определять фактические флуктуации режимов функционирования тех и других геотермальных систем.

Нельзя исключить и особое влияние на человеческую психику дикой природы. Как отметил, всемирно известный учёный - физик, лауреат Нобелевской премии академик Пётр Леонидович Капица, будучи в сентябре 1972 года в Долине Гейзеров на Камчатке, что именно первозданная природа делает человека добрым.

5. Строительство малых геотермальных электростанций

Опыт первых лет освоения геотермальных ресурсов учит, что строительство больших геотермальных электростанций, для которых необходимо создавать сеть протяжённых трубопроводов, занимает значительные площади. Обустройство оголовков продуктивных скважин также связано с большим объёмом земляных работ, которые дополняются строительством дорожной сети на промысловой площадке. Всё это не только удорожает киловатт установленной мощности, но и создаёт экологические проблемы.

В Мексике на геотермальной системе Лос Азуфрес применён способ освоения геотермальных ресурсов строительством малых ГеоТЭС, мощность которых измеряется первыми (~5) мегаваттами. Как правило, на одной или двух, рядом расположенных продуктивных скважинах монтируется турбогенераторный блок комнатной конструкции, который сопряжён непосредственно с сепаратором, который разделяет пароводяную смесь из скважины на пар и воду. Вода по дренажной системе закачивается в ближайшую реинжекционную скважину, а отработанный пар выбрасывается в атмосферу. Производимая электроэнергия подаётся на повышающий трансформатор, после которого по линиям высоковольтной передачи подаётся в общую сеть.

В эксперименте малых ГеоТЭС участвуют 7 турбо-энергоблоков общей мощностью 35 МВт. Кроме того, на этом же геотермальном поле эксплуатируется два блока с бинарным циклом по 1.5МВт каждый и один блок мощностью 50МВт с конденсационной башней.

Малые ГеоТЭС построены в границах национального парка, в котором необходимо было сохранять сосновый лес. Несомненно, в какой-то степени геотермальный проект, в котором использовался способ освоения геотермальных ресурсов малых ГеоТЭС, оправдался. Однако были опасения возможности загрязнения атмосферы неконденсируемыми газами, таких как СО₂ и Н₂S. Комиссия Федерал Электрисидат в 1994 году начала производить мониторинговые исследования на Лос Азуфрес. Было определено, что концентрации в паровой фазе составили СО₂ 340кг/час /МВт, и Н₂S -3 кг/час/МВт. Выделение этих газов турбоэнергетическим блоком в 50 МВт, у которого пар поступал в градирню, было очень незначительным из-за высокой растворимости углекислого газа и сероводорода в конденсате.

В Лос Азуфрес с конца мая 1995 года до конца сентября 1995 года проводилось ежедневное взятие проб дождевой воды. Было отобрано 350 проб в восьми местах. Концентрации SO₄^-2, NO₃^- и Cl^- составили менее 5 ррm, кроме города Морелья в июне. Было установлено по изотопным анализам серы, что сульфаты в дождевую воду г.г. Морелья и Гвадалахара поступают из двух источников, но они не связаны с геотермальной системой ЛосАзуфрес. В результате анализа данных проб и возможных источников загрязнений был сделан вывод, что основные их выбросы связаны с промышленными регионами.

Таким образом, можно считать, что должен быть гибкий подход к реализации проектов развития геотермальной энергетики. Местные условия должны несомненно, учитываться при проработке экологических проблем

6. Формирование системы рекреационных зон

Обычно места расположения геотермальных систем являются превосходными местами массового отдыха и, как правило, хорошо обустроенные с развитым гостиничным комплексом, привлекают массового туриста.

Таким примером может служить город Одовара в Японии, массовый туризм которого базируется на геотермальной системе Хаконе. По существу этот город является местом паломничества мирового массового туризма и довольно доходного. Таким местом у нас на Камчатке могут быть долина реки Паратунки и долина реки Озерной и Паужетки. Конечно, главной задачей развития этих зон отдыха является развитая система дорого. Для этой цели необходимо построить систему дорог, которая имела бы форму замкнутых маршрутов.

Так, например, на южной Камчатке могло бы быть два таких маршрутных кольца: Большое маршрутное кольцо (Долина р. Паратунки -вулканы Мутновской группы - вулкан Асача - Ходутка - Ходуткинские источники) - кальдера Ксудач - Курильское озеро (Паужетско-Кошелевский район) - западное побережье Камчатки с выходом на Усть-Большерецк -Петропавловск-Камчатский; Малое маршрутное кольцо (Долина реки Паратунки - Мутновские вулканы - Толмачёв Дол - каскад Толмачёвских ГЭС - Большебанные источники - Петропавловск-Камчатский).

Обустройство необходимо сочетать со строительством спортивных сооружений, связанных с зимними видами отдыха (горные лыжи и т.д.)

Литература

Аверьев В.В. Условия разгрузки Паужетских гидротерм на юге Камчатки // Тр. Лабор. Вулканол. Ан СССР. 1961.Вып. 19. С. 80-98.

Аверьев В.В. Гидротермальный процесс в вулканических областях и его связь с магматической деятельностью. Современный вулканизм. М., Наука, 1966 С. 118-128.

Белоусов В.И. О роли геологических факторов в процессе становления и деятельности гидротермальных систем в областях современного вулканизма. Вулканизм и геохимия его продуктов М.: Наука, 1967а. С. 42-50.

Белоусов В.И. Роль геолого-структурных факторов в формировании и деятельности гидротермальных систем в современных вулканических областях. Автореф. канд. геол. - мин. наук. г. Петропавловск-Камчатский, 1967 б. 22с.

Белоусов В.И. К вопросу об образовании спекшихся туфов, расположенных в пределах гидротермальных систем. Вулканизм и глубины Земли. М.: Наука, 1971. С.270-276.

Белоусов В.И. Геология геотермальных полей в областях современного вулканизма. М.: Наука, 1978. 174 с.

Белоусов В. И., Сугробов В.М., Геологическая и гидротермическая обстановка геотермальных районов и гидротермальных систем Камчатки. Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки. Владивосток. Дальневост. кн. Изд., 1976. С. 5-22

Белоусов В.И., Сугробов В.М. О соотношении вулканизма и гидротермальной деятельности в гидротермальных районах Камчатки. Вулканизм островных дуг. М.: 1977. С.110-115.

Белоусов В.И., Кожемяка Н.Н., Огородов Н.В., Сугробов В.М. Кислый вулканизм и гидротермальная активность в Паужетском геотермальном районе. Тезисы докладов ХY Генеральной ассамблеи МГГС. М.. Наука, 1971. С.31-32

Белоусов В. И. , Сугробов В. М., Сугробова Н. Г. Геологическое строение и гидрогеологические особенности Паужетской гидротермальной системы. Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки. Владивосток, 1976. С.23-57.

Белоусов В.И., Гриб Е.Н., Леонов В. Л. Геологические позиции гидротермальных систем долины Гейзеров и кальдеры Узон // Вулканол. и сйсмол.1983. № 1. С. 65-79.

Белоусов В.И., Рычагов С.Н., Белоусова С.П., Кузьмин Ю.Д. Гидротермально-магматические (вулкано-гидротермальные) конвективные системы, комплексная модель: этапы развития, геолого-гидрогеологическая структура, механизмы функционирования. Минерало-рудообразование в вулканогенно-гидротермальных системах островных дуг: от модели к эксплуатации. Материалы Российско-Японского полевого семинара. Расширенные тезисы. П.-Камчатский, Россия, 25 июня-2 июля 1998 г.С.189-194.

Белоусов В.И., В.И. ,Рычагов С.Н., Кузьмин Ю.Д., Словцов И.Б., Делемень И.Ф., Кирюхин А.В., Пушкарёв В.Г., Фазлуллин С.М., Белоусова С.П., Шульга О.В., Кузьмин Д.Ю. Адсорбционные свойства гидротермальных систем в областях современного вулканизма и перспектива их использования с целью консервации радионуклидов и других промышленных отходов // Экологическая химия. Т. 8, вып.4, 1999. С. 262-277.

Богданов Ю.А. Гидротермальные рудопроявления рифт Срединно-атлантического хребта. “Научный мир” М.1997, 167с.

Вакин Е.А. Гидрогеология современных вулканических структур и гидротермальных систем юго-восточной Камчатки. Автореф. Канд. дисс. Москва. 1968.22 с.

Вакин Е.А., Кирсанов И.Т., Кирсанова Т.П. Термальные поля и горячие источники Мутновского вулканического района. Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки. Владивосток. Дальневост. Кн. Изд-во.1976.С. 85-114.

Василевский М. М. Прогнозная оценка рудоносных вулканогенных формаций. М. Недра. 1977. 296 с.

Гельфанд Б.Е., Медведев С.П., Поленов А.Н., Хомик С.В., Бартенев А.М. Основные режимы самовоспламенения и условия их реализации в горючих газовых смесях // Физика горения и взрыва, 1997, 33(2), С.3-10.

Грейтон А.К. Предположение о вулканическом тепле. М., ИЛ. 1949, 166с.

Гриб Е.Н., Леонов В.Л. Игнимбриты кальдеры Большой Семячик (Камчатка): состав, строение, условия образования // Вулканол. и сейсмол. 1992. № 5-6. С.34-50.

Гриб Е.Н., Леонов В.Л. Игнимбриты Узон-Гейзерной вулканотектонической депрессии, Камчатка: сопоставление разрезов, состав, ус-ловия образования // Вул. сейсмол., 1993, 5, 15-33.

Егоров О.Н. Центры эндогенной активности (вулканические системы). М. Наука. 1984. 166 с.

Ковалев Г.Н. Метод измерения рассредоточенного выноса тепла на термальных полях // Бюл. вулканол. станций. 1966. № 42. С. 17-21.

Леонов В.Л. Структурные условия локализации высокотемпературных гидротерм. М. “Наука”, 1989, 104с.

Размещено на Allbest.ru