1. Введение

Технологии «усовершенствованных геотермальных систем» (Enhanced Geothermal System, EGS) относятся к петротермальной энергетике и представляют собой метод получения тепловой энергии из земной коры посредством пропускания закачиваемой жидкости через зону повышенной проницаемости в горячих скальных породах на большой глубине.

Технологические усовершенствования в данном случае достигаются за счёт следующих факторов:

1. Бурение на значительную глубину для достижения высоких температур.

2. Создание достаточной проницаемости в плотном скальном массиве для того, чтобы закачиваемая жидкость могла со значительными скоростями проходить через горячую породу глубоко в земной коре (цель состоит в передаче тепловой энергии от породы к жидкости без её чрезмерных потерь и рассеивания).

3. Извлечение тепловой энергии из полученного геотермального ресурса (жидкости и/или пара) для совершения полезной работы с высоким коэффициентом полезного действия, как с точки зрения выработки электрической энергии, так и с точки зрения отопления помещений зданий.

В этой статье перечислены методы визуализации и определения характеристик технологии усовершенствованных геотермальных систем, создания и производства таких систем, а также рассматриваются технологии, потенциально применимые для EGS. Кроме того, предпринят объективный подход к плюсам и минусам «традиционных» систем EGS.

Геотермальная энергетика может предоставить потребителю экологически безопасный, возобновляемый источник энергии, обладающий средним коэффициентом мощности примерно 74,5%. Благодаря применению технологий последнего поколения коэффициент мощности идеальной геотермальной установки может достигать 90% [1], и, таким образом, она может служить базовым источником энергоснабжения для нужд потребителей в конкретной местности. Согласно теоретическим расчётам, запасы энергии в верхнем десятикилометровом слое земной коры составляют приблизительно 1,3×1027 Дж, что эквивалентно тепловой энергии, выделяющейся при сжигании 3,0×1017 баррелей (158,9 л или 0,159 тонн) нефти [2].


Рис. 1. Базовая схема геотермальной электростанции типа EGS [3]

Как показано на рис. 1 (источник — [3]), установка EGS состоит из комплекса наземных и подземных сооружений. Наземная силовая установка составляет значительную долю от общей стоимости коммерческой установки EGS и является важным фактором, определяющим экономическую целесообразность всего EGS-проекта.

В настоящее время в США «традиционная» геотермальная энергетика обеспечивает 2,5 ГВт (электрической мощности), а потенциал производства электроэнергии из дополнительно выявленных ресурсов оценивается примерно в 9 ГВт(э) [4].

Там, где это возможно, традиционные геотермальные источники обеспечивают привлекательный по цене энергоресурс, который может быть базовым для энергоснабжения потребителей в данной местности, причём экономически конкурентоспособным без субсидий. EGS относятся к целому ряду перспективных направлений, расширяющих «традиционную» геотермальную энергетику. «Традиционная» геотермия зависит от наличия природных геотермальных вод, которые могут «перенести» тепло из недр на поверхность, однако необходимые гидротермальные ресурсы встречаются относительно редко, преимущественно в вулканических регионах с обилием подземных вод.

Мероприятия EGS варьируются от улучшения «традиционных» геотермальных систем, когда в существующую гидротермальную систему подкачивается жидкость (в дополнение к естественным водам), до радикальных мер, прежде всего «стимуляции» скальных массивов для создания в них проницаемости и отбора теплоты у глубинных «горячих сухих горных пород» (Hot Dry Rock, HDR), в которых не было бы естественного геотермального потенциала без искусственной закачки воды на большую глубину [5, 6].

Этот спектр мероприятий значительно увеличивает количество доступной тепловой энергии, при этом потенциальная генерирующая мощность всех подходов к EGS, по различным оценкам [4], только в США превышает 500 ГВт, что составляет почти половину текущей мощности всех источников энергии внутри страны [7].

Накопленный в настоящий момент практический опыт использования EGS выявил различные аспекты использования этих систем и помог определить технические проблемы, которые необходимо решить для того, чтобы подходы к созданию EGS повысили ценность традиционных геотермальных ресурсов в США.

Ключевыми проблемами являются:

1. Возможность разрабатывать и внедрять методы воздействия, которые оптимизируют проницаемость и воздействие воды на горячую породу.

2. Возможность определять участки скважин, где особенности недр позволят обеспечить циркуляцию воды через горячую породу, достаточную для получения экономически выгодных объёмов добычи геотермального ресурса (воды или пара).

3. Возможность проектировать, бурить и эксплуатировать экономически окупаемые скважины во всё более сложных геологических средах, что особенно важно для досягаемости бурением глубинных горячих сухих пород (это самый предел «спектра технологий» EGS).

Министерство энергетики США (U. S. Department of Energy, DoE) заказало проведение данного исследования через Управление геотермальных технологий (Geothermal Technologies Office, GTO) при Управлении по энергоэффективности и ВИЭ (Office of Energy Efficiency and Renewable Energy). В исследовании основное внимание уделялось:

1. Оценке технологий и подходов к визуализации строения недр и определению характеристик, чтобы оценить и подтвердить возможности EGS.

2. Оценке подходов к созданию площадок для EGS, включая научные и инженерные разработки, направленные на повышение проницаемости пород и увеличение коэффициента извлечения геотермального ресурса.

2. Методы визуализации и определения характеристик EGS

Министерство энергетики США проявляет широкий интерес к характеристикам недр, используя различные технологии для визуализации и мониторинга областей в земной коре [8]. Потребности технологии EGS значительно различаются в зависимости от типа недр, поэтому стоит определить их параметры:

1. Глубинные скальные массивы, которые рассматриваются для будущей стимуляции и отбора тепловой энергии.

2. Пространственная протяжённость и характеристики стимулируемого объёма глубинных пород.

3. Пространственно-временная эволюция скального массива, из которого извлекается тепло.

Например, ожидается, что стимуляция путём гидроразрыва пласта приведёт к образованию вертикальных трещин из-за основного нормального напряжения, возникающего вертикально на глубине, что и предполагается для нужд EGS-системы. По этой причине отражательная сейсмология широко используется при разведке нефтегазовых месторождений, поскольку она обеспечивает самое высокое разрешение визуализации на больших расстояниях, а также позволяет проводить визуализацию на глубине в плоскости, практически нормальной по направлению (близкой к 90°) относительно вертикальных трещин.

Существует определённая взаимосвязь между разрешением визуализации объектов, располагающихся в недрах, и расстоянием до них. На рис. 2 показаны типичная зависимость для высокочастотных сейсмических (акустических, кГц-МГц) и электромагнитных (МГц-ГГц) методов. Эти значения зависят от свойств пород, таких как скорость сейсмических волн и диэлектрическая проницаемость, причём последняя особенно чувствительна к присутствию влаги, поскольку является основным фактором при использовании метода подповерхностного радиолокационного зондирования (Ground-Penetrating Radar, GPR).


Рис. 2. Расчётные расстояния (глубина проникновения или дальность действия), на которых высокочастотная сейсмическая (акустическая) и электромагнитная (радиолокационная/электромагнитная) визуализация может обеспечить заданное разрешение для получения отражённых сигналов на три-шесть порядков меньшей магнитуды, чем распространяемых (-30 и −60 дБ)

Тем не менее, разрешение в несколько метров и менее, как правило, требует получения изображений на близких расстояниях (от десятков до сотен метров), что подразумевает размещение генераторов колебаний (излучателей) и приёмных датчиков вблизи интересующей области.

2.1. Визуализация с помощью датчиков фонового сейсмошума

Основным способом обеспечения нормального наклона (около 90°) вертикальных трещин на глубине является контроль с помощью определённого числа излучателей и сейсмодатчиков, размещаемых в недрах. Эта задача решается с помощью обычного бурения, а в будущем может быть значительно упрощена с помощью микробурения, которое подразумевает создание боковых наклонных микроскважин малого диаметра (менее 5 мм) и длиной не менее 50 м, разветвляющихся из основной обсадной глубинной скважины (для повышения проницаемости продуктивного массива), с помощью перспективных технологий, таких как микротурбинное бурение (Micro Turbine Drilling, MTD), идущее на смену обычному водяному радиально-струйному бурению (Radial Jet Drilling, RJD). Следует отметить, что важным достижением в сейсмологии является отказ от генераторов колебаний (излучателей). Например, слабое сейсмическое акустическое поле (фоновый сейсмический шум), присутствующее в земной коре, может использоваться в качестве сейсмического «дневного света», который как бы «освещает» подземные слои [9, 10].


ГеоЭС Hudson Ranch Power 1 (60 МВт, 500 ГВт·ч/год) в штате Калифорния (США)

Поляризация поперечных акустических волн может быть использована для определения ориентации трещин на глубине, и взаимная корреляция фонового акустического поля и электромагнитных полей может обеспечить основу для получения характеристики проницаемости подземных пород и движения жидкости сквозь них за счёт эффектов, связанных с пороупругостью (взаимодействием между потоком жидкости, давлением и деформацией объёмного твёрдого тела в линейной пористой среде) [9].

Как наглядный пример можно привести результаты анализа данных ежедневного мониторинга на сейсморазведочной станции Valhall Life-of-Field Seismic Array, расположенной в Северном море на нефтяном месторождении «Валхалл» (Valhall Field), полученных с глубины в нескольких сотен метров с помощью фонового сейсмического шума [11].


Нефтяное месторождение Valhall расположено на мелководье (70 м) и промышленно эксплуатируется с 1982 года (добыто 500 млн баррелей)

2.2. Нелинейно-упругий отклик

Нелинейные упругие характеристики горных пород изучаются в лабораториях более 25 лет, и было доказано, что данным методом можно получать высокоточную информацию о наличии, природе и пространственном распределении трещин, границ зёрен и других структурных дефектов в недрах [12–15]. Нелинейная упругость потенциально обладает уникальными преимуществами для визуализации структуры подземных пород, имеющих отношение к EGS.

Во-первых, нелинейный отклик горной породы (отклонения наблюдаемой деформации от прямо пропорциональной напряжению, приложенному к объёму горной породы) очень чувствителен к наличию трещин при низком действительном напряжении (малой разнице между горным и поровым давлением), то есть когда давление жидкости внутри трещин близко к нормальному давлению, связанному с давлением покрывающих (расположенных сверху) пластов породы.


Схема получения сигналов на сейсморазведочной станции Valhall Life-of-Field Seismic Array

Условие низкого действительного напряжения представляет интерес для:

1. Выявления подповерхностных областей, восприимчивых к стимуляции для создания EGS.

2. Количественной оценки степени успешности и пространственной протяжённости стимуляции.

3. Мониторинга временной эволюции стимулируемой зоны на глубине.

Во-вторых, изображённые трещины размерами от метров до сотен метров (вместо трещин шириной от миллиметров до нескольких метров), могут представлять собой зону предположительно начинающегося разрушения. То есть потребность в пространственном разрешении оказывается гораздо меньше, чем требуется для обычной линейно-упругой визуализации структур (рис. 3).

Основная идея заключается в том, что трещины могут «открываться» и «закрываться» для визуализации под действием внешних воздействий при условии низкого действительного напряжения. Упругий отклик разрушенного объёма сильно и нелинейно различается в зависимости от того, находятся ли трещины в процессе раскрытия или «зажаты» (например, рассеиваются или нет поперечные волны с поляризацией в плоскости трещин). Таким образом, участки горной породы, «обработанные» смесью низкочастотных волн (которые «открывают» и «закрывают» трещины там, где они имеются) и высокочастотных импульсов (которые рассеиваются от «открывающихся» трещин), в принципе могут быть использованы для выявления зон трещиноватости.

Один из вариантов реализации, который может быть применён к поверхности земли, показывает, что трещина, зондируемая низкочастотной волной, эффективно рассеивает высокочастотный зондирующий пучок лучей, что позволяет получить её изображение (рис. 4); неудивительно, что такую трещину почти невозможно обнаружить стандартными (линейно-упругими) методами. При увеличении масштабов измерений от лабораторных до полевых (в реальных условиях на местности) нелинейная упругость может стать важным достижением в области визуализации подземных структур, применяемой для проектирования EGS.


Рис. 4. Лабораторная демонстрация нелинейно-упругого изображения трещины в стальной пластине, которая уже содержит отверстие [27]

Визуализация нелинейного упругого отклика с обращением во времени используется в качестве средства неразрушающего контроля материалов в лабораторных условиях [16]. Необходимо апробировать этот метод в геотермии в полевых условиях — в масштабах от десятков до сотен метров, чтобы определить полезные диапазоны и чувствительность метода для применения в EGS. В дополнение к проблеме качества получаемого сигнала можно привести практические соображения, касающиеся используемого оборудования и его конфигурации.

Например, можно применять низкочастотное акустическое воздействие с поверхности, задействуя Vibroseis («Вибросейсмы») — многотонные сейсмические вибрационные машины, базирующиеся на автомобильном или гусеничном шасси и создающие мощные низкочастотные (20–150 Гц) сейсмические колебания, или аналогичные технологии, причём это может быть гораздо предпочтительнее, чем использование скважинных датчиков (рис. 4). Также необходимо будет определить наилучшие частотные диапазоны.

2.3. Бурение

Вопросы и проблемы проведения буровых работ исключительно важны для технологий EGS, поскольку бурение решает задачи разведки и определения характеристик вероятных участков, а затем разработки и добычи на месторождении [17]. Переходим к обсуждению технологий бурения, поскольку бурение имеет решающее значение для определения характеристик недр, будь то непосредственный отбор проб породы на глубине или возможность использовать сопутствующее оборудование (такое как электромагнитные и сейсмические датчики, упомянутые выше, и эксперименты с трассировкой, описанные ниже). Многочисленные трудности, возникающие при бурении на EGS, также сопутствуют бурению на углеводородных месторождениях. В результате EGS может извлечь выгоду из инноваций, создаваемых для значительно более крупного нефтегазового бизнеса.

2.3.1. Традиционные скважины

Когда долото буровой головки прижимается к породе, во время бурения возникает поперечная сила, дающая усилие на сдвиг, что вызывает разрушение при растяжении и сдвиге позади и вокруг скользящего контакта долота со скальным объёмом. Поскольку прочность на сдвиг существенно ниже, чем прочность при одноосном сжатии (например, 5 МПа против 200 МПа для гранитов), это имеет решающее значение для твёрдых пород. Исторически сложилось так, что бурение геотермальных скважин было одной из самых сложных задач из-за твёрдости породы и размера скважин, которые необходимо проделать в породе.

Буровые головки с поликристаллическими алмазными резцами (Polycrystalline Diamond Compact, PDC) были созданы 30 лет назад именно для геотермального бурения, а затем стали активно использоваться и в нефтегазовой промышленности [18]. С тех пор традиционная технология бурения с использованием PDC была улучшена, и PDC-головки находят всё более широкое применение, чем обычные буровые инструменты шарошечного типа. Например, Schlumberger, одна из ведущих мировых нефтесервисных компаний, сообщает об увеличении на треть средней длины проходки своих новейших буровых головок для высокотемпературного бурения твёрдых пород.

2.3.2. Микроскважины

Нефтегазовая промышленность и отрасль EGS весьма заинтересованы в совершенствовании технологий быстрого бурения скважин относительно малого диаметра (менее 5 см) для разведки и сейсмического зондирования, поскольку уровень фонового сейсмического шума резко падает при увеличении глубины, а технологии Enhanced Geothermal System требуют мониторинга миниатюрных глубинных объектов, указывающих на трещиноватость породы.

Использование наведённой (техногенной) сейсмичности в качестве картографического инструмента и реальных или предполагаемых потенциальных опасностей являются дополнительными причинами для улучшения мониторинга системы EGS. Для проведения томографического мониторинга внутри распределённых отверстий размещается множество сейсмоприёмников [19].

Ещё одним важным фактором, способствующим развитию отрасли бурения скважин малого диаметра, стала необходимость газового контроля для обеспечения безопасности угольных шахт.

По данным исследователя Эрнеста Л. Майера (Ernest L. Majer), сотрудника Национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса (LBNL) в Беркли (штат Калифорния, США), в настоящий момент наиболее перспективны скважины, которые:

а) могут быть пробурены со скоростью 100–200 футов в час (0,847–1,693 см/с) для минимизации затрат;

б) могут достигать глубины не менее 5000 футов (1524 м) при таких высоких скоростях бурения;

в) образуют минимальное количество отходов при бурении, что обеспечивает максимальную скорость и экономичность процесса;

г) обладают небольшой площадью буровой установки для её быстрого развёртывания, а также имеют минимум проблем с получением разрешений;

д) наносят пласту минимальное повреждение стенками скважины и окружающей породой (что улучшает возможности мониторинга пласта);

е) имеют небольшой диаметр, что обеспечивает лучшую сейсмическую связь приборов с горной породой.

2.3.3. Резонансное бурение

При традиционном роторном (вращательном) бурении необходимо нагнетание жидкости для отвода раскрошенной породы с пути буровой головки. Для промывки среды при резонансном (звуковом) бурении можно использовать простые решения, такие как воздух и вода. Турбулентный поток, создаваемый колебаниями соответствующего породоразрушающего инструмента, отбрасывает рассверленную породу в одну сторону. В отличие от вращательного бурения, потребное количество промывочных средств невелико.

Звуковое (также называемое резонансным, поскольку бурильная труба колеблется на низкой резонансной частоте) бурение разрабатывается для сравнительно неглубоких скважин, которые, как правило, создаются в мягких или неуплотнённых породах. Эта технология может быть полезной для бурения скважин глубиной до 500 футов (1524 м), необходимых в большом количестве для установки сейсмических датчиков.

2.3.4. Гидродинамическое бурение

Технология абразивно-струйной резки впервые была предложена для бурения в работе [20] и относится к гидродинамическому способу разрушения горных пород, включающему эрозионные, абразивные и комбинированные методы. В качестве рабочего тела здесь используется вода или углекислый газ.

В лабораторных условиях было продемонстрировано, что использование высокоабразивной смеси шлама и углекислого газа (суспензии), сопла со специальным профилем и насоса высокого давления обеспечивает высокую скорость проникновения в базальт. Если требуется отверстие большого диаметра, можно предусмотреть вращение сопла (или сопел) с помощью скважинного гидравлического или электрического двигателя. Как было продемонстрировано ещё в 1960-х годах [21], сопло может быть сфокусировано для концентрации потока суспензии на периферии буровой скважины, что сокращает объём выполняемой работы.

Следует отметить, что струйно-абразивное бурение не позволяет бурить глубокие скважины из-за трудностей с обработкой и подачей необходимого количества абразивного материала на глубину, при этом ещё и противодействуя высокому внутреннему давлению в скважине и в окружающей горной породе. Кроме того, управление процессом бурения подобным способом на глубине представляет собой пока что нерешаемую задачу. Что касается износа насадок под воздействием абразива, то он может быть уменьшен за счёт использования современных упрочнённых материалов, например, на основе алмаза [19].

В настоящее время продолжается разработка комбинированных методов, включающих в себя абразивное и ударное бурение, но о полевых испытаниях в системах EGS не сообщалось.

2.3.5. Высокоскоростное двухколонное бурение

При бурении высокоскоростным двухколонным методом образуется измельчённая порода, состоящая из субмиллиметровых частиц, в отличие от крупных дробин, которые обычно получаются при относительно медленном традиционном бурении [22], рис. 5. Малый вес бурового долота приводит к меньшему его износу. При этом используются как мелкоалмазные коронки (со вставными мелкими алмазами), так и коронки с PDC. Следует отметить, что первая высокоскоростная двухколонная система будет испытана в полевых условиях уже в 2024 году.


Рис. 5. Схема высокоскоростного бурения двумя колоннами [22]

3. Создание и производство EGS

3.1. Теплопередача в системе EGS

Двумя основными факторами, определяющими возможный успех геотермальной системы (от обычных гидротермальных источников до сухих горных пород), являются коэффициент извлечения тепловой энергии и возможный срок службы данного геотермального месторождения. Обе эти характеристики связаны с передачей теплоты закачиваемой воде и изменением количества тепловой энергии, содержащейся в горячей породе.

Важным аспектом извлечения тепловой энергии является то, что при контакте с гораздо более холодной водой температура породы на глубине постепенно уменьшается, приближаясь к температуре закачиваемой воды. Единственный способ термического восстановления породы при отсутствии значительной проницаемости — это передача тепла от соседних пластов породы, что является довольно медленным процессом.

Вследствие теплопередачи за пять лет контакта с водой горячая порода локально охладится на расстояние:

где α — коэффициент температуропроводности породы, α = 30 м²/год; τ — время контакта с холодной водой, τ = 5 лет.

3.2. Вода

Для геотермальных установок, работающих в районах с дефицитом воды, потребление пресной воды является важным и деликатным вопросом. Геотермальные системы используют воду, помимо других целей, типичных для строительных проектов, при бурении скважин и применении гидродинамических способов разрушения породы. Однако бóльшая часть водопотребления приходится на обычные операции, когда вода необходима, например, для восполнения потерь из гидротермального резервуара и для охлаждения поверхностных теплообменников.

Усовершенствованные геотермальные системы (EGS) также нуждаются в источнике воды для первоначального заполнения резервуара в случае наличия только горячей сухой породы или в местах, где объёмы природных гидротермальных вод недостаточны или заканчиваются. Кроме того, опытным путём было обнаружено, что со временем из-за утечек постепенно теряют воду как природные гидротермальные системы, так и EGS, которые искусственно создаются в твёрдых сухих горных породах, поскольку везде имеются подземные каналы, отводящие воду из геотермальных резервуаров.


Геотермальный комплекс «Гейзеры» (The Geysers) в Калифорнии

Некоторые геотермальные комплексы, такие как «Гейзеры» (The Geysers) в горах Майакамас на севере штата Калифорния (США), представляющие собой крупнейшее в мире геотермальное поле (376 активных паровых и 72 нагнетательных скважин), на котором функционируют 18 действующих геотермальных электростанций суммарной установленной мощностью около 1,59 ГВт, в качестве ресурса используют горячий сухой пар, извлекаемый из земных недр, который приводит в действие турбины. Хотя в данном случае пар может конденсироваться и возвращаться в подземный геотермальный резервуар, на всех ГеоЭС «Гейзеры» он выбрасывается в атмосферу, тем самым способствуя утечке воды из геотермальной системы.


Рис. 6. Геотермальная система с бинарным охлаждением [28]

Способом сбережения геотермального ресурса является подача горячей воды из скважины в специальную ёмкость под низким давлением. Это приводит к тому, что вода закипает и превращается в пар, который может приводить в действие турбину или теплообменник. Другой вариант использования нагретой скважинной воды — бинарный цикл, который подразумевает подогрев органической жидкости через теплообменник в замкнутом контуре так, что она испаряется при более низкой температуре. Этот пар приводит в действие турбину, затем конденсируется и возвращается обратно (рис. 6). Такие системы дополнительно потребляют воду, идущую на водяное охлаждение конденсатора для его эффективной работы, хотя довольно часто используется сухое охлаждение воздухом.

3.3. Коррозия и образование накипи

«Традиционные» геотермальные системы имеют серьёзные проблемы с коррозией или образованием отложений солей жёсткости в трубопроводах, что также является проблемой для EGS. Газы, содержащиеся в паре, и другие химические вещества, растворённые в геотермальном рассоле, могут вызывать коррозию и образование отложений. Газы, смешивающиеся с паром на месторождениях гейзеров, такие как хлористый водород и сероводород, вносят значительный вклад в коррозионную агрессивность полученного геотермального ресурса. Рассолы представляют собой смесь веществ, включая ортосиликат-ионы, хлорид-ионы, сульфаты или сернокислотные соединения (в зависимости от окислительно-восстановительного состояния рассола), катионы кальция, магния, натрия, железа и многих других металлов. Относительное количество этих растворённых веществ определяется водородным показателем рН рассола.

3.4. Наведённая сейсмичность

Одним из последствий добычи геотермального ресурса и (в значительно большей степени) углеводородов является возникновение искусственных землетрясений [23, 24]. Наведённая (индуцированная технической деятельностью человека) сейсмичность — это хорошо документированное явление, связанное с изменением давления жидкости на глубине, например, из-за забора воды за плотиной или закачки жидкости в недра, которое не раз вызывало серьёзную озабоченность общественности в связи с EGS и другими геотермальными проектами [25]. Небольшие землетрясения могут быть также вызваны нагрузками, возникающими при гидроразрыве геологических пластов для создания геотермальных резервуаров EGS, в то же время микроземлетрясения предоставляют важную информацию о пространственном распределении зон воздействия на глубине, поэтому они могли бы рассматриваться как часть определения характеристик глубинных массивов, при этом можно отслеживать микросейсмичность (количество и местоположение событий) на расстоянии более 1000 м. Автор данной статьи выступает за проведение более детальных измерений, связанных с оценками изменяющейся в пространстве и времени проницаемости и напряжённого состояния, основанных на использовании трассировочных и электромагнитных методов в сочетании с сейсморазведкой.

4. Технологии, способные изменить правила игры

EGS предоставляет значительные возможности для увеличения вклада геотермальной энергии в производство электроэнергии в США в течение следующих нескольких лет, особенно если имеющийся первоначальный успех будет должным образом оценён и использован.

Текущими ключевыми задачами являются определение характеристик подземного потока с целью прогнозирования и управления коэффициентами извлечения тепла и сроками службы скважин. Как в области определения характеристик недр, так и в области добычи были достигнуты значительные технологические успехи, и следующим важным шагом является разработка и оценка этих возможностей в полевых условиях. Многие технические проблемы, решаемые исследованиями в сфере EGS, представляют широкий интерес для промышленности, научных кругов и правительства. В частности, важное значение имеет визуализация и определение характеристик недр и подземных потоков, в том числе благодаря разработкам в сфере бурения микроскважин и связанным с ними технологиям. Эти технологии таковы: бурение и подземные стоки.

Инновации в области бурения оказывают большое влияние на EGS. С одной стороны, бурение по-прежнему является значительной расходной статьёй при геотермальной разведке, разработке месторождений при помощи EGS и добыче геотермального ресурса. С другой стороны, существуют значительные перспективы для усовершенствования технологий бурения для поддержки EGS, которые уже апробируются в полевых условиях.

Пространственная неоднородность каналов подземных стоков и то, как изменяется поток на глубине с течением времени, являются особенностями подземных стоков, которые необходимо исследовать. Однако этот процесс нуждается в подтверждении имеющихся данных, а также в изучении дополнительных аспектов, которые могут повлиять на коэффициенты извлечения геотермального ресурса из пород методами EGS.

5. Объективный подход к плюсам и минусам обычных EGS

Итак, «традиционные» (обычные) усовершенствованные геотермальные системы (EGS) подразумевают бурение в горячей сухой породе или «стимуляцию» методом гидроразрыва с последующей закачкой воды с поверхности для создания геотермального резервуара. Полученный геотермальный ресурс (вода, пар, рассол) может быть использован для производства электроэнергии с помощью паровой турбины или для непосредственного использования, например, для отопления и охлаждения.

Преимущества «традиционных» EGS заключаются в следующем:

1. Высокий энергетический потенциал (EGS способны производить большое количество электроэнергии, что делает их жизнеспособной альтернативой ископаемому топливу).

2. Возобновляемый источник энергии (EGS является возобновляемым источником энергии, который не производит парниковых газов или других загрязняющих веществ).

3. Гибкость (EGS можно использовать в самых разных условиях, включая городские и сельские районы, что делает их универсальным источником энергии).

4. Долговечность (после установки EGS они могут вырабатывать энергию в течение десятилетий).

К недостаткам «традиционных» «усовершенствованных геотермальных систем» (Enhanced Geothermal System, EGS) относятся следующие:

1. Высокая стоимость (первоначальные затраты на бурение и строительство EGS могут быть высокими, что в некоторых районах делает их менее экономически привлекательными).

2. Возможные экологические проблемы (бурение и строительство EGS могут оказать негативное воздействие на окружающую среду, включая потенциальную техногенную сейсмическую активность).

3. Ограниченная доступность (EGS доступна только в определённых регионах, где есть необходимые ресурсы — прежде всего вода и электричество).

4. Нерешённые технические проблемы (по-прежнему существуют некоторые технические вопросы, которые необходимо решить, чтобы сделать EGS более эффективной и рентабельной).

5. Высокая стоимость бурения и создания геотермального резервуара по сравнению с обычными геотермальными источниками также может быть сдерживающим фактором.

Важно отметить, что «традиционные» системы EGS всё ещё находятся на ранних стадиях разработки, и проводятся постоянные исследования для дальнейшего совершенствования технологии и снижения затрат.

6. Заключение

В многочисленных публикациях приводятся впечатляющие статистические данные о потенциале EGS, но многое ещё предстоит сделать, чтобы использовать эту мощь. На основе анализа инициатив EGS по всему миру сложилось мнение, что EGS всё ещё находится в стадии разработки. Любая инициатива EGS сопряжена с высокими финансовыми рисками, поскольку успех в данной сфере не гарантирован, и в определённых ситуациях возможен даже отказ от проекта [26].

Существует техническая проблема управления каждой конкретной EGS для получения оптимального расхода геотермального ресурса с нужной температурой и в течение достаточного промежутка времени. Например, чтобы двойная система EGS, предполагающая глубину залегания более 3 км и температуру ресурса более 150°C, была экономически выгодна, она должна работать при расходе от 50 до 100 л/с и вырабатывать электроэнергию (от 3 до 10 МВт электрической мощности) в течение всего срока службы, то есть по крайней мере 25 лет.

Для EGS крайне важно обеспечить применение современных технологий, обеспечивающих минимальный риск возникновения искусственной сейсмичности и позволяющих проводить разведку геотермальных ресурсов безопасным и экологически безвредным способом.