Современный подход к разработке «усовершенствованных геотермальных систем» (Enhanced Geothermal Systems, EGS), предназначенных для извлечения тепловой энергии «горячих сухих пород» Hot Dry Rock (HDR, см. врезку №1), по сути, является всё тем же, который впервые был представлен в 1977 году для проекта Fenton Hill (см. врезку №2). В течение более 40 лет геотермальное сообщество разрабатывало всё более сложные модели связанных с «сухой геотермией» процессов и развернуло многочисленные пилотные проекты для количественной оценки и поиска решения многих проблем систем EGS. Однако эти усилия показали, что подход, принятый на сегодняшний день, не является экономически обоснованным и вряд ли станет таковым без появления технологических прорывов. Что наиболее важно, скорости потока геотермальной жидкости, достижимые на данный момент для предотвращения техногенной сейсмичности, слишком низки для рентабельного производства электроэнергии. Проблема усугубляется тем, что процессы течения относительно холодной напорной жидкости через закрытые неоднородные трещины, как правило, способствуют раннему «тепловому прорыву» и снижению производительности.

В этом исследовании используется программный комплекс Geothermal Design Tool (GeoDT), созданный коллективом авторов для физической и экономической оценки альтернативных подходов к разработке современных технологий EGS и производства геотермальной энергии из петротермальных ресурсов.

Данная работа раскрывает перспективные многоскважинные подходы, которые могут использовать: а) «ограниченный вход» для зонального контроля потока в нагнетательной скважине; б) «запирание трещин» для контроля сейсмичности; в) высокоскоростное нагнетание под давлением для «гидрорасклинивания» трещин; г) проектирование систем, которые учитывают снижение энтальпии добывающей скважины со временем.

  

Авторские численные модели, основанные на данных проекта Utah FORGE (см. врезку №3), показывают, что этот новый взгляд на HDR-EGS обещает надёжное и экономически выгодное производство геотермальной энергии, однако требуется продемонстрировать его эффективность в полевых условиях.

Как заставить «усовершенствованные геотермальные системы» работать стабильно, устойчиво, надёжно и экономически выгодно? Выше уже было отмечено, что существующие тенденции в разработке EGS не изменились со времён проекта прошлого века Fenton Hill [1]. Имеющийся традиционный метод включает в себя:

а) идентификацию и характеристику имеющегося геотермального ресурса;

б) бурение нагнетательной скважины и воздействие на породу;

в) охват стимулированного объёма породы одной или несколькими эксплуатационными скважинами;

г) циркуляцию воды из нагнетательной скважины в добывающие для получения тепла и производства электроэнергии;

д) мониторинг сейсмичности и снижение дебита, когда сейсмичность превышает заданные пороговые значения.

Несмотря на концептуально и интуитивно верный подход, этот способ предпочитает характеристику геологической среды недостижимо высокому уровню детализации и является «жертвой» неустранимых неопределённостей в отношении прогнозирования сейсмических рисков [2, 3]. При создании искусственного геотермального коллектора непредсказуемость в ориентации внутрипластовых напряжений, влияние естественных трещин и разломов неизвестного расположения, а также неопределённость между микросейсмическими гипоцентрами и трещинами гидроразрыва приведут к плохой гидравлической связности и низким дебитам пробуренных скважин [4].

Также ожидается, что при циркуляции напорной жидкости разрушение пропанта* под действием тепла и химическое осаждение со временем снизят проницаемость трещины [5], в то время как химическое травление и термическое сжатие приведут к усилению образования каналов за счёт локального повышения проницаемости, и всё это со временем будет снижать эффективность коллектора [6].

* Пропант («расклинивающий агент») — гранулообразный материал (размеры гранул 0,5–1,2 мм), который используется в нефтедобывающей промышленности для повышения эффективности отдачи скважин с применением технологии гидроразрыва пласта (ГРП). Служит для закрепления (предупреждения смыкания под действием горного давления) трещин, создаваемых в ходе ГРП.

При этом обычные системы вида Traffic Light Protocol (TLP, см. врезку №4), предназначенные для управления сейсмическими рисками, бесполезны без метода точного и надёжного прогнозирования рисков. Содержащаяся в них информация в первую очередь помогает идентифицировать искусственные и естественные сейсмические события, но не предсказывать их. Кроме того, вводимые TLP снижения дебита приведут к потере экономической конкурентоспособности геотермальной системы [7, 8].

В целом усилия по улучшению характеристик EGS представляли собой поиск новых технологий для снижения затрат, более точное моделирование сложных связанных процессов, совершенствование инструментов для исследования недр для более полного контроля стимуляции коллектора и потока [9, 10]. Тем не менее, бóльшая часть неопределённости в недрах остаётся неустранимой даже при использовании самых лучших технологий, например, непредсказуемое критическое давление закачанной жидкости может вызвать сдвиг сейсмического разлома.

Для развития EGS, то есть для следующего шага к получению достаточного количества экологически безопасной энергии, следует задать вопрос: возможно ли сделать HDR-EGS надёжной и экономически выгодной, используя современные технологии? Необходимо подвергнуть сомнению действующие определения EGS и связанные с ними предположения о том, как EGS «должна» работать, многие из которых восходят к проекту Fenton Hill. Если опираться на имеющийся опыт, то для того, чтобы геотермальный проект был успешным, то есть прибыль превзошла инвестиции и сопутствующие риски, двумя наиболее очевидными требованиями к EGS являются: а) заданные скорости потока для производства энергии должны быть более безопасны и достижимы, чем применявшиеся до сих пор; б) конструкции EGS должны быть терпимы к неопределённости событий в недрах и способны адаптироваться к ним.

Эти два требования подразумевают, что решения рассматриваемого вопроса должны охватывать неопределённость, учитывая множество возможных осложнений, которые могут произойти, и решение должно предлагать средства для оценки их вероятности.

Основываясь на выводах из экспериментов и моделей, текущая гипотеза авторов о том, как рентабельно производить электроэнергию из горячей сухой породы, состоит из четырёх элементов (рис. 1):

1. Управление потоком в нагнетательных скважинах для равномерного распределения жидкости между несколькими зонами стимуляции.

2. Надёжный и прямой контроль сейсмического риска, вызванного закачкой, путём ограничения объёма стимулируемой породы.

3. Равномерное расклинивание трещины, не зависящее от пропантов или стимуляции сдвига.

4. Энергосистемы, способные обеспечить компенсацию уменьшения энтальпии добываемой жидкости со временем, которая может меняться от скважины к скважине.


Рис. 1. Две концепции EGS: традиционная, исторически сложившаяся со времён проекта Fenton Hill система EGS (а) с двумя последовательно пробуренными скважинами и предлагаемая авторами система многоскважинной EGS нового поколения (б), в которой используются закачка с «ограниченным входом» для управления потоком, «запирание трещин» для ограничения сейсмических рисков, «гидрорасклинивание» для равномерного расширения трещин и модульная мощность для адаптации к переменной энтальпии и дебиту пласта

Авторское видение формы этих ключевых элементов следующее:

1. Непрерывная закачка напорной жидкости с «ограниченным входом».

2. «Запирание трещин», подтверждённое трассерными испытаниями.

3. «Гидрорасклинивание», при котором раскрытие трещин поддерживается высоким давлением жидкости.

4. Применение электростанций модульной конструкции, которые смогут адаптироваться к уменьшению энтальпии скважины и переменному дебиту с минимальными потерями эффективности, либо использование последовательно разрабатываемого коллектора с продуктивной зоной, которая меняет расположение с течением времени для поддержания более стабильной общей энтальпии (возможно, за счёт бурения новых скважин).

В этом исследовании авторы используют собственный программное обеспечение Geothermal Design Tool (GeoDT) для изучения экономического потенциала систем EGS, использующих эти комбинированные концепции. Параметры исследования заимствованы из проекта Utah FORGE, но включают варианты большего количества скважин и большей глубины.

Чтобы оценить экономический потенциал каждой вариации системы RGS, требуется сначала определить чистую приведённую стоимость каждой смоделированной реализации, приняв во внимание капитальные затраты на обустройство скважин и электростанции, техническое обслуживание, выработку электроэнергии, насосы, а также создав грубую модель затрат на возникновение событий индуцированной сейсмичности. Целью настоящей работы является изучение потенциала EGS при принятии новых подходов к использованию энергии горячей сухой породы для выработки стабильной и экологичной электроэнергии.

Как показывает авторская модель, альтернативные тенденции в разработке EGS имеют значительный потенциал, однако требуются дополнительные исследования, чтобы уверенно подтвердить или опровергнуть сделанные прогнозы.

Инструмент GeoDT

Для разработки экономически эффективной EGS авторский коллектив создал упрощённую (нетребовательную к вычислительным ресурсам) программную модель, объединяющую различные физические механизмы для оценки вариантов конструкции систем EGS в различных геологических формациях [11–13], назвав её Geothermal Design Tool (GeoDT).

Архитектура GeoDT достаточно эффективна в численном отношении для моделирования тысяч реализаций за несколько часов с использованием обычного ПК. Основные предположения, положенные в модель GeoDT, эмпирически основаны на лабораторных и полевых данных, так что сложные связанные процессы хотя бы частично учитываются без необходимости их прямого моделирования [14]. Цель модели состоит в том, чтобы запустить её в условиях полной неопределённости, основанной на широком массиве лабораторных и полевых измерений, и уменьшить эту неопределённость, выявив перспективные конструкции EGS.

Далее такие системы EGS можно исследовать более подробно и с большей точностью, используя более мощное (и дорогое) программное обеспечение для численного моделирования. Данное исследование не рассматривает использование ПО более высокой точности.

К основным функциям программного комплекса GeoDT относятся (рис. 2):

1. Прогноз давления и дебита для 3D-сетей пересекающихся скважин и трещин, которые моделируются как трубы и узлы.

2. Прогнозирование гидравлического воздействия с помощью механизмов сдвига и растяжения, когда раскрытие трещины зависит от эффективного напряжения.

3. Прогнозы нестационарного производства тепла, которые в зависимости от энтальпии флюида, электропроводности породы и накопленной энергии, изменяются с течением времени.

4. Выработка электроэнергии с использованием комбинированного цикла Ренкина с одной вспышкой и бинарного изобутанового цикла.

5. Прогноз чистой приведённой стоимости (NPV) на основе инструментов оценки стоимости геотермальной энергии, продаж электроэнергии и простой модели стоимости землетрясения.


Рис. 2. GeoDT стохастически прогнозирует параметры коллектора, сети потоков, гидравлическое воздействие, производство тепла и электрической энергии, сейсмический потенциал, вызванный закачкой, и, в конечном счёте, оценивает чистую приведённую стоимость

Оценка чистой приведённой стоимости

Рассмотрим экономический модуль, входящий в GeoDT и предназначенный для оценки чистой приведённой стоимости (Net Present Value, NPV) [или чистого дисконтированного дохода (ЧДД)] геотермального проекта HDR-EGS. В данном модуле учитываются капитальные затраты, затраты на техническое обслуживание, затраты на насосную систему, прибыль от продажи выработанной электрической энергии и сейсмические риски, вызванные закачкой напорной жидкости.

Экономический модуль GeoDT также использует упрощённые методы для оценки затрат, и основная цель состоит в том, чтобы дать консервативное представление об экономическом потенциале проекта. Кроме того, экономический модуль даёт чёткую объективную оценку для оптимизации конструкции EGS, которая способствует цели информирования при принятии решений по проектированию системы HDR-EGS.

Для оценки стоимости скважин была использована стоимость за длину бурения [$/м] на основе общедоступных данных [15, 16]. Базовая оценка этой стоимости составляет 2763±536 $/м (рис. 3) с использованием значений для «большой» скважины диаметром 0,31 м с горизонтальной частью из [16]. Чтобы получить это значение в виде цены за длину бурения, были исключены фиксированные затраты [16] в размере $590 тыс. на оборудование площадки, аренду буровой установки и прочие расходы. Данные фиксированные затраты включены в капитальные затраты для экономической модели, используемой авторами. Кроме того, в рамках концепции многоскважинной EGS предполагается значительная экономия средств, поскольку все скважины планируется бурить с одной кустовой площадки в ходе развёртывания одной буровой установки с минимальным временем простоя. Этот метод бурения обеспечивает более высокую среднюю скорость бурения, повышает вероятность успешного контроля процесса образования трещин и позволяет использовать передовой отраслевой опыт для оптимизации затрат на бурение.

Чтобы подтвердить данную оценку, также были рассчитаны затраты на бурение в 2690±651 $/м с использованием модели GETEM [15], предполагая сценарии EGS на глубине 2–5 км и температуры ресурсов в диапазоне 175–350°C.

Что касается сейсмического риска, то любая количественная оценка будет неоднозначной, по своей сути ненадёжной и чувствительной к условиям конкретной площадки. Потенциальный ущерб от землетрясения будет зависеть от геологии региона (мягкий аллювий или твёрдая порода), близости к населённым пунктам (например, городам) и важной инфраструктуре (плотинам, железным дорогам, больницам) и несоответствию между историческим сейсмическим риском и повышенным сейсмориском, вызванным закачкой, в отношении строительных норм и правил (например, в штате Оклахома). Оценка экономического риска, включающая это, выходит за рамки и цели GeoDT.

Вместо этого авторами были изучены исторические данные о страховых выплатах от катастрофических землетрясений вблизи густонаселённых районов, чтобы получить оценку потенциальных затрат с высоким штрафом [17, 18] (рис. 3). Был осуществлён поиск самых дорогостоящих землетрясений в новейшей истории, чтобы получить «пессимистическую» оценку экономической опасности первого порядка, как функции сейсмической силы.


Рис. 3. Модели затрат (слева) для стоимости бурения на длину скважины на основе данных GeoVision [15] и GETEM [16] и (справа) для сейсмических рисков на основе требований страховых компаний в районах возможных сильных землетрясений [17, 18]

Чтобы оценить вероятность возникновения землетрясения высокой магнитуды, авторы использовали прогноз «максимально возможного землетрясения» из модели гидравлического воздействия GeoDT.

Эта модель объединяет частотно-магнитудные распределения Гутенберга — Рихтера с предполагаемыми радиусами разломов, состоянием напряжения при ориентированном сдвиге, жёсткостью породы и падением напряжения для оценки самых сильных землетрясений, которые могут быть вызваны на смоделированной площадке EGS. Такой подход аналогичен оценке сейсмического риска по размерам известных активных разломов, но основой причинно-следственного механизма в модели авторов является закачка жидкости. Это делает их модель более подходящей для прогнозирования «запирания трещин» для ограничения сейсмической магнитуды [19].

Эта структура привела нас к экспоненциальной модели стоимости с коэффициентом $0,0002 и показателем степени 5,01/ МВт. Здесь же следует отметить, что разрушительная сейсмичность на любой площадке EGS может навредить общественному признанию этой технологии, поэтому нужна модель, которая предполагает, возможно, крайне высокие «штрафы» за события магнитудой около 4,5 или выше, поэтому подобные события считаются недопустимыми.

Остальные термины экономического модуля GeoDT получены от [16] и GETEM [15], использующих аналогичный подход к оценке стоимости скважины на длину. Авторы суммируют эти факторы затрат в табл. 1. Продажи и затраты лучше всего отражают период с 2010 по 2020 годы, поэтому, вероятно, они будут ниже по сравнению с 2023-м из-за продолжающихся сбоев в цепочках поставок, инфляции и роста цен на энергию. В отличие от стохастической модели поведения геотермального коллектора и параметров проектирования в табл. 2, экономический анализ в этом исследовании использует только постоянную «модельную величину» из табл. 1 и игнорирует экономическую неопределённость, поскольку это невыгодно для оптимизации дизайна HDR-EGS.

Соответствующие выходные данные каждой модели GeoDT, которые сочетаются с этими стоимостными факторами, включают в себя чистую выходную мощность Pout для каждого временного шага модели, параметры временного шага TimeSteps и LifeSpan, глубину коллектора ResDepth и длину скважины w_length, количество добывающих скважин w_count, отношение длины, нагнетательной и добывающей скважин w_proportion и силу «максимально возможного землетрясения» Max_Quake [все эти обозначения являются именами переменных в программном коде GeoDT, написанном на Python. — Прим. ред.]. Термин полезной выработки электроэнергии Pout аддитивно сочетает выработку мгновенного цикла Fout, выработку бинарного цикла Bout и потери при закачке нагнетательной скважины Qout. Каждый параметр мощности содержит потери в термодинамическом цикле, потери жидкости и номинальный коэффициент полезного действия турбомашин 85% Gen Efficiency для насосов и турбин. Осложнения, возникающие из-за потери жидкости, неэффективности коллектора, плохой связности скважины, взаимодействия трещин и проницаемости трещин, зависящей от напряжения, — это лишь пример многих сложностей в масштабе месторождения, которые GeoDT будет прогнозировать и учитывать при оценке экономической стоимости.


Схема геотермального месторождения FORGE с указанием скважины №16A(78)-32

Пример на основе проекта FORGE

Авторы решили использовать проект Utah FORGE в качестве основы для оценки предлагаемого ими метода достижения рентабельного производства энергии с помощью HDR-EGS. Эта площадка хорошо охарактеризована общедоступными измерениями и наблюдениями. Геотермальный градиент этого участка составляет около 85°C/км, что намного выше, чем средний глобальный градиент 25°C/км, поэтому участок можно считать перспективным геотермальным объектом высокого качества. Полный список параметров для авторских моделей приведён в табл. 2. Ключевыми переменными для данного исследования являются: расстояние между нагнетательной и добывающей скважинами и скорость закачки в каждый изолированный интервал пласта нагнетательной скважины. Кроме того, авторы использовали пакетные прогоны для номинально 2500 реализаций (рис. 4) на дискретных глубинах и для проектов геотермальных систем с двумя, тремя, четырьмя или пятью скважинами, включая одиночную нагнетательную скважину.


Рис. 4. Смоделированная матрица из 16 сценариев проектирования EGS на основе FORGE. Каждый сценарий получил более 2000 реализаций для статистической оценки жизнеспособности данного сценария для экономичного производства электроэнергии. Большее количество реализаций было произведено для сценариев, в которых учитывались большие диапазоны скорости закачки, чтобы иметь адекватные размеры выборки для стохастического анализа после оптимизации потока. Каждый сценарий включал в себя все этапы процесса моделирования от размещения естественных трещин до долгосрочной выработки тепла. Эта работа по моделированию была полностью выполнена за 24 ч

Во всех сценариях рассматривалась только одна нагнетательная скважина с геометрией и ориентацией, соответствующей реально пробуренной наклонной скважине FORGE №16A(78)-32.

Современная система TLP для EGS содержит ограничения по давлению нагнетания и дебиту для управления индуцированными сейсмическими рисками путём ограничения пластового давления, однако ни одна из моделей авторов не накладывает эти ограничения, поскольку они основаны на «запирании трещин» для контроля сейсмических рисков. В то время как GeoDT может накладывать современные ограничения на граничные условия по давлению и расходу, связанный поток в сценариях гидроразрыва всегда будет нерентабельным, поскольку в настоящее время в данной модели не реализованы трещины растяжения с расклиниванием.

С будущими обновлениями и улучшениями кода планируется добавить эффекты пропанта в трещинах растяжения, чтобы поддержать более высокие проницаемости, чем те, которые предполагает текущая трещинная модель GeoDT, возможная для закрытых трещин. Без этих изменений модель будет прогнозировать только экономические дебиты EGS в сценариях HDR, которые достаточно удачны для естественных проводящих или способных к стимуляции сдвиговых трещин, чтобы соединить скважины друг с другом через более чем одну трещину и без появления «теплового короткого замыкания» (см. врезку №5).

Добавление расклинённых трещин в качестве функции в GeoDT планируется для будущей работы, чтобы лучше представить предлагаемый авторами подход к разработке EGS по сравнению с существующими методами.

Иными словами, ожидается, что сценарии авторов с двумя скважинами с одним интервалом нагнетания будут наиболее схожи с современным подходом к разработке EGS, где высока вероятность «теплового замыкания», если только не будут успешно разработаны диверторы или внутрискважинные инструменты для смягчения проблемы «замыкания».

Результаты

Авторские модели дали 51683 реализации, которые охватывают трёхмерную геометрию скважин и трещин (например, рис. 4), данные временных рядов для каждой реализации (например, рис. 2), а также сводные входные и ключевые выходные данные модели. В примере результатов, полученных в 3D (рис. 4), имеются стрелки, указывающие направление потока в нагнетательную (красные) и из добывающих скважин (синие).

Трещины гидравлического растяжения, расходящиеся наружу от нагнетательной скважины, были предсказаны почти для 100% реализаций. Гидросдвиговое воздействие с началом сдвиговой стимуляции хотя бы с одного из интервалов нагнетательной скважины прогнозировалось менее чем в 2,5% случаев реализации. Такая низкая вероятность стимуляции сдвига является следствием полученной разреженной сети естественных трещин и низкой вероятности перехвата нагнетательной скважиной естественной трещины с критической величиной сдвига и умеренной проницаемостью [20].

Следует отметить, что на удалении от нагнетательной скважины естественный сдвиг трещины, вызванный трещинами гидроразрыва, был довольно распространённым явлением, происходящим примерно в 20% случаев реализации.

Чтобы пояснить данные, полученные авторами по временным рядам занятости (например, рис. 5), сначала было рассчитано среднее чистое производство электроэнергии, а затем оценена чистая приведённая стоимость (NPV).


Рис. 5. Энтальпия добытой жидкости из 4078 реализаций двухскважинного сценария с интервалами закачки от одного до шести и скоростью закачки от 0,0005 до 0,10 м³/с. Номинальная глубина составила 2350 м, что соответствует скважине FORGE 16A(78)-32. Этот результат показывает временное поведение авторских моделей с предсказанным «тепловым прорывом»

Прежде чем сосредоточиться на NPV, стóит обсудить прогнозируемую чистую выходную мощность (рис. 6) с использованием приведённого выше сценария с двумя скважинами (рис. 5). В частности, необходимо исследовать среднюю чистую (нетто) выработанную мощность за 30-летний срок службы, поскольку временная выходная мощность, основанная на данных об энтальпии, со временем уменьшается в большинстве сценариев с высокой производительностью. Эффективные системы фактической мощности будут стремиться выравнивать дебит скважины в режиме реального времени, чтобы максимально использовать наземное оборудование, и сочетать пиковую производительность с пиковым спросом для максимизации прибыли, но авторы не включили эту деталь в их анализ. Результаты авторов также показывают, что некоторое снижение энтальпии скважины, даже в течение первого года добычи, может быть чрезвычайно полезным для увеличения производства электроэнергии в целом. Во многих случаях пиковая мощность может быть достигнута при охлаждении добываемой жидкости более чем на 10%. Этот результат связан с механизмом большего теплового потока (то есть передачи мощности) рабочей жидкости в недрах, когда температурный градиент между породой и жидкостью (то есть тепловая депрессия) большой. Тем не менее, авторы признают, что заявление о полезной тепловой депрессии противоречит современному подходу EGS, где считается, что даже незначительная «тепловая депрессия» («тепловой прорыв») является проблемой, которую необходимо избегать.


Рис. 6. Прогнозируемая полезная выходная мощность для той же реализации №4078 как функция переменных первого порядка скорости закачки на интервал закачки Qinj и расстояния между скважинами w_spacing. Этот результат показывает тенденцию низкой мощности при низких скоростях потока (< 0,001 м³/с) и спорадической полезной выработанной мощности при высоких скоростях потока (> 0,020 м³/с). Однако более важной является основная тенденция увеличения мощности при увеличении дебита и расстояния между скважинами

Авторские результаты последовательно демонстрируют, что ранний тепловой прорыв и допущение некоторой тепловой депрессии выгодно для увеличения выработки электроэнергии от EGS.

Как показывают результаты (рис. 6), произведённая мощность обычно увеличивается с увеличением расстояния между скважинами и увеличением скорости закачки, но разброс из-за неопределённости геологической среды преобладает в каждой отдельной реализации. Поведение, предсказанное этой моделью, согласуется с авторскими ожиданиями, когда естественные трещины могут сильно влиять на продуктивность коллектора — положительно или отрицательно. Прогнозируемая полезная мощность наиболее изменчива при скорости закачки более 0,020 м³/с на изолированный интервал закачки с соответствующей изменчивостью от менее чем −10 до +10 МВт(э)/год для тех же конструкций EGS.

Проверка соответствующих 3D-реализаций показывает, что этот хаос при высоких скоростях закачки возникает из-за наличия в массиве естественных трещин и разломов, которые могут либо снизить производительность из-за «теплового короткого замыкания» или утечки жидкости, либо повысить производительность за счёт подключения к источникам горячей воды с бóльшим расходом в дальней зоне. Какое из этих обстоятельств имеет место, определяется тем, где эти трещины находятся и являются ли они проницаемыми. Эти детали неизвестны до начала закачки, но влияние эффекта наличия естественных трещин заметно возрастает при высоких скоростях закачки.

Если же теперь исследовать тот же набор данных с точки зрения чистой приведённой стоимости (рис. 7), то станет яснее основная тенденция увеличения экономического потенциала с увеличением расстояния между скважинами и увеличением дебита. Отметим, что показатель NPV рассчитывает относительную выгоду от производства электроэнергии по сравнению с паразитными потерями, капитальными затратами и сейсмическим риском. Используя NPV, возможно определить кластер относительно стабильной и положительной NPV в центре справа на графике. Положительный NPV обычно прогнозируется при скорости закачки на интервал более 0,005 м³/с. Затем значения становятся переменными и рискованными при расходах закачки на интервал более 0,033 м³/с. Кроме того, очевидна оптимальная скорость потока в зависимости от расстояния между скважинами, где увеличение потока выше оптимального приводит к чрезмерному охлаждению и снижению производительности.


Рис. 7. Прогнозируемая чистая приведённая стоимость (NPV) двухскважинного проекта по базовому сценарию на Utah FORGE. Этот результат абстрактно показывает, что оптимальные скорости закачки для получения положительной чистой приведённой стоимости являются функцией расстояния между скважинами и дебита. Чтобы исключить явно плохие проектные решения по скорости потока и интервалу, были отфильтрованы все результаты только для реализации, имеющей скорость закачки за интервал больше 0,005 м³/с, меньше 0,033 м³/с и меньше функции 0,0005×100,003S м³/с, где S — расстояние между скважинами. Скорости закачки ниже нижнего предела не смогут реализовать весь потенциал ресурса. Закачка, осуществляемая быстрее, чем верхний предел, увеличивает вероятность отрицательной чистой приведённой стоимости из-за сейсмичности и/или потерь эффективности

Авторы визуально оценили верхний порог для этого оптимума как степенную функцию по основанию 10 от расстояния между скважинами с коэффициентом 0,0005 м³/с и показателем степени 0,003 м-1. Здесь имеет место стремление свести к минимуму влияние наиболее очевидных неудачных проектных решений на идентификацию наиболее перспективных сценариев HDR-EGS. Кроме того, авторы стремились свести к минимуму систематическую ошибку, которая может быть вызвана переобучением и использованием сложных многопараметрических алгоритмов оптимизации. Таким образом, все предстоящие анализы для сравнения сценариев конструкции скважины будут применять одни и те же пороговые значения в качестве фильтра для выделения более логичных конструкций EGS, которые с большей вероятностью будут иметь коммерческий успех.

Опираясь на основу NPV, теперь оценим показатели P95, P90, P50, P10 и P05 для каждого сценария после применения к каждому набору данных фильтра оптимизации дебита и размещения скважин. Эта фильтрация уменьшила каждый набор данных до номинальной совокупности в 1000±500 подходящих реализаций. Термин «P95», заимствованный из бизнеса возобновляемых источников энергии, означает величину из совокупности, при которой 95% остальной совокупности имеют более высокую чистую приведённую стоимость. Точно так же 50% совокупности будет иметь величину больше, чем «P50». Был выполнен поиск схем EGS, которые статистически надёжно обеспечивают NPV больше нуля, но допустимость риска будет зависеть от точки зрения инвестора. На рис. 8 представлено несколько захватывающих тенденций.


Рис. 8. Статистика по чистой приведённой стоимости (NPV) для каждого сценария, выраженная с использованием квантилей (например, P90). Геодезическая модель авторов, с учётом её ограничений и допущений, предсказывает, что участок FORGE может стать надёжно прибыльным на глубинах более 3850 м, где температура может составлять около 325°C, при условии постоянного геотермального градиента 85°C/км. Специалисты по моделированию также прогнозируют, что увеличение количества скважин с двух до трёх, четырёх или пяти увеличит добычу на участке настолько, чтобы эффективно компенсировать капитальные затраты на эти скважины

Во-первых, стоимость скважины часто является самой большой статьёй расходов в проекте EGS, поэтому существует распространённое мнение, что сокращение количества скважин до минимума необходимо, чтобы сделать проект экономически выгодным. Однако авторские результаты показывают, что это распространённое предположение может быть неверным. Вместо этого модели авторов предсказывают, что увеличение количества скважин имеет тенденцию к: 1) увеличению локализации закачиваемого флюида, 2) снижению сейсмориска (рис. 9), 3) увеличению общей выработки электроэнергии и 4) задержке снижения термического потенциала путём пропускания жидкости через больший объём горячей породы.


Рис. 9. Предполагаемые продажи, капитал, сейсмические риски и чистая приведённая стоимость в зависимости от количества скважин и количества интервалов закачки на глубине 3850 м. Увеличение количества интервалов закачки с одной до шести примерно совпадает с увеличением общего расхода закачки в шесть раз. Увеличение количества добывающих скважин по меньшей мере до четырёх увеличивает вероятность того, что сдерживание трещины успешно предотвратит ощутимую и/или разрушительную сейсмичность, вызванную закачкой. Примечание: данная диаграмма основана на очень высоких оценках сейсмического риска по новой непроверенной модели. Это не прогноз для FORGE, который будет иметь меньшие скорости и объёмы закачки и меры по снижению сейсмических воздействий, которые авторы не моделировали

Эта тенденция видна при сравнении сценариев 2w, 3w, 4w и 5w на глубинах 2350 м (то есть +0) и 3850 м (+1500).

Во-вторых, предполагается, что нагнетание закачиваемой жидкости в несколько изолированных интервалов закачки при почти равных скоростях потока будет иметь ключевое значение для увеличения общей выработки электроэнергии и достижения максимальной чистой приведённой стоимости. До этого исследования ожидалось, что такое поведение будет верным, но в исследовании ограничители скорости закачки и давления были убраны из обычных конструкций EGS, вместо этого полагаясь на «запирание трещины» для ограничения сейсморисков, вызванных закачкой. Снятие ограничения по давлению позволяет развернуть систему скважин с «ограниченным входом», в которой поток блокируется при прохождении через обсадную колонну, создавая локальное падение давления.

Сложная динамика гидроразрыва и потока, вызванная этим перепадом давления на штуцере, может привести к гораздо более равномерному распределению закачиваемого флюида между несколькими интервалами закачки. В отличие от методов управления потоком с низким давлением и высокой температурой, эта проверенная технология «ограниченного входа» доступна уже сегодня.

В-третьих, этот график предсказывает, что чистая приведённая стоимость P50 может быть в значительной степени положительной, опережая капиталовложения в два или более раз. Если бы производство достигло пика во время максимального спроса, чистая приведённая стоимость могла бы быть выше, чем предсказывает эта модель. Если бы прямое использование отработанного тепла также применялось в экономических целях (например, в теплицах, спа или для отопления зданий), эта чистая приведённая стоимость, несомненно, возросла бы ещё больше.

Важно помнить, что эта модель задумана как «пессимистичная» и целостная, но более чем разумная. Этот результат даёт стимул к дальнейшему исследованию и подтверждению предложенных авторами концепций: 1) «ограниченного входа», 2) «запирания трещин», 3) «гидрорасклинивания» и 4) энергетических систем, разработанных для жидкости с переменной энтальпией или расширяющимся коллектором, как возможный подход к разработке HDR-EGS.

В-четвертых, в отношении сейсмического риска этот результат (рис. 9) показывает потенциальную ценность наличия большего количества скважин для минимизации сейсмического риска. Эти дополнительные скважины помогают исключить вероятность того, что естественные трещины и разломы перехватят поток, протекут, а затем вызовут крупные сейсмические события за пределами предполагаемого коллектора HDR-EGS.

Авторы надеются, что в их модели преувеличен «штраф» за сейсмические риски, используя авторскую модель стоимости (рис. 3), которая снижает вероятность событий с магнитудой 4,0 по по сейсмическому моменту Mw.

Выводы

В этом исследовании для изучения нового подхода к разработке усовершенствованных геотермальных систем (EGS) для горячих сухих пород (HDR) была применена программная модель Geothermal Design Tool (GeoDT). На настройку, запуск, визуализацию и анализ всех 51683 моделей для этого исследования ушло примерно 24 ч. Данная работа включала изучение 16 различных сценариев с целью определения конструкции HDR-EGS, которая могла бы быть коммерчески жизнеспособной. Эти модели основаны на геотермальном месторождении FORGE в штате Юта (США) и его первой сильно наклонной скважине 16A(78)-32. Используемый авторами набор данных аналогичен общедоступному примеру PIVOT 2022 Datathon, но с упором на рассмотрение большего количества скважин, большей глубины и использования чистой приведённой стоимости (NPV) для цели оптимизации.

В наиболее обещающих конструкциях HDR-EGS используются: 1) скважина с «ограниченным входом» для равномерного распределения потока закачиваемой жидкости между несколькими интервалами, 2) «запирание трещин» для ограничения риска повреждения сейсмическими событиями, вызванными закачкой, 3) «гидрорасклинивание» для поддержания проницаемых трещин растяжения без необходимости использования расклинивающего наполнителя и 4) адаптивная конструкция энергосистемы, которая может выдерживать снижение энтальпии флюида с течением времени из каждой добывающей скважины.

Для такого проекта авторами было предсказано, что 30-летняя чистая приведённая стоимость может превысить капиталовложения более чем в два раза, одновременно ограничивая сейсмические риски, вызванные закачкой жидкости в подземные пласты.

Наиболее перспективные проекты требуют как минимум четырёх скважин, при этом большее количество скважин обеспечивает бóльшую устойчивость к неопределённостям геологической среды и снижает общий проектный риск. В основной части этой работы обсуждается больше идей, полученных в результате этих исследований, но которые выходят за рамки заключения.

Приведённые здесь модели и анализ представляют собой гипотетическую альтернативу проекту FORGE, целью которой является рентабельное производство электроэнергии за счёт геотермального месторождения с использованием доступных в настоящее время технологий. Тем не менее, требуется дополнительная работа для проверки концепций «запирания трещин» и «гидрорасклинивания», которые являются ключевыми компонентами надёжных конструкций HDR-EGS, как предсказывает настоящее исследование.

Благодарности

Данная работа поддержана Программой по фундаментальным энергетическим наукам (Basic Energy Sciences, BES) Министерства энергетики США (U. S. Department of Energy, DoE) в рамках FWP LANLE3W1. Дополнительная поддержка была оказана в рамках Программы лабораторных исследований и разработок (Laboratory Directed Research and Development — Exploratory Research program, LDRD-ER) Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory, LANL) №20220175ER.

Код на языке Python для этой работы был разработан с использованием компонентов Fat Crayon Toolkit и вдохновлён проектом EGS Collab Project (DoE-GTO). Авторы благодарят всех участников Fat Crayon Toolkit, особенно его ведущего разработчика Джозефа Морриса (Joseph P. Morris). Авторы также признательны за критические и конструктивные замечания Дж. Уильяму Кэри (J. William Carey), Пэнчэн Фу (Pengcheng Fu), Мэн Мэн (Meng Meng) и Вэньфэн Ли (Wenfeng Li) во время обсуждения разработки программного модуля GeoDT.

Примечание. В данной работе используются низкоточные методы для определения максимальных крупных событий. В проекте FORGE используются низкие скорости и небольшие объёмы закачки, малое расстояние между скважинами, малая глубина и многие другие меры по смягчению последствий и для минимизации сейсмического риска, вызванного гидроразрывом.