Электромагнитный геотермометр - эффективный инструмент разведки геотермальных ресурсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Центр геоэлектромагнитных исследований ИФЗ РАН

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ГЕОТЕРМОМЕТР - ЭФФЕКТИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ РАЗВЕДКИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

Спичак В.В., Захарова О.К.

Аннотация

Представлен краткий обзор принципов работы электромагнитного геотермометра и результатов его применения для решения задач разведки геотермальных ресурсов.

Ключевые слова: электромагнитный геотермометр, геотермальные ресурсы

Введение

Электропроводность и температура, являясь взаимосвязанными прокси-параметрами, могут обеспечить взаимно-дополнительную информацию, которая особенно полезна при изучении геотермальных зон [1, 2]. В работе [3] был предложен принципиально новый подход к оценке пространственного распределения температуры по данным электромагнитных (ЭМ) зондирований (так называемый “косвенный ЭМ геотермометр”), который особенно эффективен на промежуточных глубинах от забоя скважин до 10км. В серии работ, обобщенных в монографиях [4, 5], была разработана методология его применения, а также решены важные задачи разведки геотермальных ресурсов. Ниже будут приведены примеры его применения в разных геологических условиях.

Принцип работы электромагнитного геотермометра

Общая схема применения электромагнитного геотермометра состоит из следующих шагов:

- измерение данных электромагнитных зондирований (с естественными или контролируемыми источниками поля);

- построение модели удельного сопротивления / электропроводности того участка, где требуется построить модель температуры;

- калибровка ЭМ геотермометра на геотермах из имеющихся скважин (с помощью обучения нейросети “с учителем” на соответствии значений удельного сопротивления и температуры в одних и тех же точках);

- прогноз температуры с помощью ЭМ геотермометра (обученной нейросети).

Электромагнитная экстраполяция температуры на глубину

На рис. 1 показан график, иллюстрирующий зависимость средней относительной ошибки нейросетевого прогноза (экстраполяции) температуры на глубину (основанного на электромагнитных данных, измеренных на ближайшей к скважине точке МТЗ) от части () профилей температуры / электропроводности, использованных для калибровки.

Рис. 1 Зависимость относительной ошибки ЭМ экстраполяции температуры на глубину в зависимости от используемой для калибровки частипрофиля электропроводности и температуры

Из графика видно, что, например, при экстраполяции температуры на глубину, превышающую глубину скважины вдвое, относительная ошибка составляет 5-6%, а при ее превышении втрое - примерно 20%. Этот результат позволяет существенно повысить глубинность геотермальных исследований по имеющимся измерениям температуры в скважинах и наземных ЭМ зондирований в их окрестностях.

Электромагнитная интерполяция температуры на межскважинное пространство

При ЭМ интерполяции термограмм на межскважинное пространство точность контролируется четырьмя факторами: наличием разломов или других глубинных геологических неоднородностей между скважиной и ближайшим пунктом, в котором измерены ЭМ данные; критической величиной расстояния между ними; наличием или отсутствием внедрения метеорных или других потоков вод с аномальными температурными параметрами; локальными 2D/3D - неоднородностями геологической среды (хотя последний фактор может быть менее значимым, если применять адекватный аппарат инверсии ЭМ данных, учитывающий размерность среды). Наличие априорной информации о геологических и гидрогеологических условиях может помочь расположить пункты измерений ЭМ поля в более предпочтительных местах относительно участка, где требуется сделать температурный прогноз, и существенно снизить его ошибки.

Построение глубинного разреза температуры в геотермальной области Травале (Италия)

В геотермальном регионе Лардерелло-Травале (Италия) с помощью технологии ЭМ геотермометра построен двумерный разрез температуры до глубины 10км (рис. 2б). Его совместный анализ с построенной ранее моделью удельного сопротивления (рис. 2а) позволил предположить, что в геотермальной системе Травале тепло переносится перегретыми паро-газообразными, а не жидкими, флюидами, как это считалось ранее на основании интерпретации модели удельного сопротивления.

Рис. 2 Разрезы удельного сопротивления (а) и температуры (б) в геотермальной зоне Травале [4,5]. Треугольники обозначают пункты МТЗ

Другой важный вывод состоит в том, что вместо двух геотермальных резервуаров, о которых предположительно говорили ранее на основании интерпретации электромагнитных и сейсмических данных, по-видимому, следует говорить об одном глубинном резервуаре, имеющем приповерхностное ответвление. Из построенной модели температуры видно, что температуры в этом резервуаре превышают 500?С, что говорит о целесообразности бурения на такие глубины с целью последующей эксплуатации этого геотермального резервуара.

Оценка глубинных температур в геотермальной области Сульц-су-Форе (Франция)

В геотермальной зоне Сульц-су-Форе (Эльзас, Франция) с помощью бесконтактного ЭМ геотермометра выполнены оценки температуры на глубинах, превышающих глубину пробуренных скважин. Достоверность прогнозов проверена на данных геотермы из глубокой геотермальной скважины глубиной 8175м.

По данным магнитотеллурических зондирований вдоль субширотного профиля и геотерм из пробуренных ранее скважин (в заброшенном нефтяном участке) построен вертикальный разрез температуры до глубины 5000м (рис. 3б). Его анализ показал, что наиболее вероятным доминирующим механизмом передачи тепла на больших глубинах является конвективный механизм с размером конвективных ячеек от одного до трех километров в диаметре.

Рис. 3 Разрезы удельного сопротивления (а) и температуры (б) в геотермальной зоне Сульц-су-Форе [4,5]. Вертикальные линии - геотермальные скважины

Для определения наилучшего местоположения для бурения новой скважины был осуществлен ЭМ прогноз температуры до глубины 2500м. По его результатам даны рекомендации, позволяющие сузить область неопределенности при принятии решения о новом бурении.

геотермометр геотермальный разведка ресурс

Построение трехмерной модели температуры геотермальной области Хенгидль (Исландия)

Применение технологии бесконтактного ЭМ геотермометра, основанной на комбинированном использовании всех имеющихся данных электромагнитных зондирований, позволило построить трехмерную модель температуры геотермальной области Хенгидль (Исландия) до глубины 20км (на рис. 4 приведены ее разрезы вдоль широт).

Рис. 4 Разрезы температуры трехмерной модели температуры геотермальной области Хенгидль [4, 5]. Белые точки - гипоцентры землетрясений

Анализ построенной модели показал, что в распределении фоновой температуры разреза можно выделить 2 слоя: от 0 до 5 км с температурами ниже 200?С и от 5 км до 20 км с температурами от 200 до 400?С. На фоне двухслойного разреза температуры коры, состоящей предположительно из габбро, выделяется система связанных между собой высокотемпературных хорошопроводящих каналов, которые, как “система кровообращения”, покрывают рассматриваемую область на глубинах преимущественно 10-15км и уходят корнями на глубину больше 20км. В соответствии с построенной моделью температуры исландской коры, источниками тепла геотермальной системы могут быть интрузии магмы, поднявшейся с мантийных глубин через разломы и трещины.

Совместный анализ построенных трехмерных моделей удельного сопротивления и температуры, а также гравитационных аномалий, позволил предложить новую концептуальную модель исландской коры, которая, с одной стороны, согласуется с большинством полученных ранее геофизических результатов, а, с другой стороны, позволяет объяснить факты, которые не объясняли предыдущие модели.

Заключение

Результаты работ, проведенных в разных геологических провинциях мира, показали, что ЭМ геотермометр может успешно использоваться не только для оценки температур в реперных точках, как это делается с помощью других косвенных геотермометров, но и для построения моделей температуры на заданных участках и глубинах. На основе их анализа можно делать выводы о доминирующих механизмах теплопроводности на больших глубинах и расположении возможных источников тепла.

ЭМ геотермометр может использоваться при интерполяции скважинных измерений на межскважинное пространство, а также для экстраполяции температуры ниже забоя скважин. При этом точность оценок температуры превышает точность, которую можно достичь, используя другие подходы. Это обстоятельство делает его особенно привлекательным при проведении разведочных работ в геотермальной энергетике (особенно, при поисках “тепла сухих пород”, которое не обязательно сопровождается аномалиями в геофизических полях), а также при поисках углеводородов по аномалиям температуры. Низкая стоимость электроразведочных работ, необходимых для этих целей, несопоставимо мала по сравнению с сейсмической томографией, не говоря уже о колоссальной экономии за счет необязательного бурения геотермальных скважин на большие глубины и переходе к так называемому “колонковому бурению”. Таким образом, применение ЭМ геотермометра в геотермальной энергетике может резко снизить затраты на разведочное бурение скважин и, за счет этого, повысить ее конкурентоспособность по сравнению с альтернативными источниками энергии.

В этой связи стоит также отметить возможность использования ЭМ геотермометра для сужения области неопределенности при выборе места для бурении новых эксплуатационных скважин. Положительный опыт его использования с этой целью в геотермальной области Сульц-су-Форе (Франция) можно перенести и на другие геотермальные районы.

На основании проведенных методических исследований можно надеяться, что применение ЭМ геотермометра на практике позволит проводить оценки температуры в резервуаре геотермальной энергии во время его эксплуатации по режимным наблюдениям ЭМ поля на поверхности (то есть, осуществлять четырехмерный мониторинг температуры), а также осуществлять дистанционную оценку температуры в скважинах на участках, характеризующихся экстремальными для традиционных геотермометров условиями.

Список литературы

1. Спичак В.В. Электромагнитное зондирование геотермальных зон: новые горизонты. // Геофизика. 2008. №1. С. 50-67.

2. Спичак В.В. Геофизические методы разведки геотермальных ресурсов. // Разведка и охрана земных недр. 2010. №2. С. 25-29.

3. Спичак В.В., Захарова O.K. Способ оценки температуры в недрах Земли. // Патент Российской Федерации № 2326413 от 10.06.2008.

4. Спичак В.В., Захарова О.К. Электромагнитный геотермометр. // М.: Научный мир. 2013.

5. Spichak V.V, Zakharova O.K. Electromagnetic geothermometry. // Elsevier, Amsterdam. 2015.

Размещено на Allbest.ru