Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с Hot dry rock )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Горячая сухая порода (HDR) - богатый источник геотермальной энергии, доступный для использования. Огромный запас тепловой энергии содержится в горячих, но по существу сухих, непроницаемых кристаллических породах фундамента, обнаруживаемых почти повсюду глубоко под поверхностью Земли. [1] Концепция извлечения полезного количества геотермальной энергии из HDR возникла в Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1970 году, и исследователи лаборатории получили патент США на нее. [2]

Часть серии по
Возобновляемая энергия
Логотип «Возобновляемая энергия» Мелани Меккер-Турсун V1 bgGreen.svg

Обзор [ править ]

Геотермальная энергия HDR, которую часто путают с относительно ограниченными гидротермальными ресурсами, которые уже коммерциализированы в значительной степени, сильно отличается. [3]В то время как для производства гидротермальной энергии можно использовать только горячие флюиды, уже имеющиеся в земной коре, система HDR (состоящая из резервуара HDR под давлением, скважин, пробуренных с поверхности, а также нагнетательных насосов на поверхности и связанных с ними водопроводов) восстанавливает тепло Земли из горячих источников. но в засушливых регионах из-за замкнутой циркуляции жидкости под давлением. Эта жидкость, закачиваемая с поверхности под высоким давлением, открывает ранее существовавшие трещины в породе фундамента, создавая искусственный резервуар размером до кубического километра. Жидкость, закачиваемая в пласт, поглощает тепловую энергию от высокотемпературных поверхностей породы и затем служит конвейером для передачи тепла к поверхности для практического использования.

История [ править ]

Идея горячей добычи глубоких сухих горных пород была описана Константином Циолковским (1898 г.), Чарльзом Парсонсом (1904 г.), Владимиром Обручевым (1920 г.). [4]

В 1963 году в Париже была построена геотермальная система отопления, которая использовала тепло природных трещиноватых горных пород. [4]

Проект Fenton Hill - первая система извлечения геотермальной энергии HDR из искусственно созданного резервуара; он был создан в 1977 г. [4]

Технология [ править ]

Планирование и контроль [ править ]

Поскольку резервуар образуется за счет расширения давления в стыках, упругая реакция окружающего массива горных пород приводит к образованию области плотно сжатой, герметичной породы на периферии, что делает резервуар HDR полностью замкнутым и ограниченным. Таким образом, такой резервуар полностью спроектирован, так что его физические характеристики (размер, глубина, на которой он создается), а также рабочие параметры (давление нагнетания и добычи, температура добычи и т. Д.) Могут быть заранее спланированы и тщательно контролироваться.

Бурение и герметизация [ править ]

По описанию Брауна [5]Система геотермальной энергии HDR разработана, во-первых, с использованием обычного бурения для доступа к области глубоких горячих пород фундамента. После того, как определено, что выбранный регион не содержит открытых разломов или стыков (что является наиболее распространенной ситуацией), в изолированном участке первой скважины создается давление на уровне, достаточно высоком, чтобы открыть несколько наборов ранее герметизированных стыков в массиве горных пород. Путем непрерывной откачки (гидравлической стимуляции) создается очень большая область стимулированной породы (резервуар HDR), которая состоит из взаимосвязанного множества совместных путей потока в горном массиве. Открытие этих путей потока вызывает движение вдоль соединений, активируемых давлением, генерируя сейсмические сигналы (микроземлетрясения). Анализ этих сигналов дает информацию о местоположении и размерах разрабатываемого пласта.

Добывающие скважины [ править ]

Обычно резервуар HDR имеет форму эллипсоида , самая длинная ось которого ортогональна наименьшему главному напряжению Земли. Затем к этой области с повышенным давлением получают доступ две добывающие скважины, пробуренные для пересечения пласта HDR рядом с удлиненными концами области воздействия. В большинстве случаев первоначальная скважина становится нагнетательной скважиной для трехскважинной системы циркуляции воды под давлением.

Операция [ править ]

Во время работы жидкость закачивается при давлении, достаточно высоком, чтобы удерживать взаимосвязанную сеть соединений в открытом состоянии от напряжений земли и эффективно циркулировать жидкость через резервуар HDR с высокой скоростью. Во время обычного производства энергии давление закачки поддерживается на уровне чуть ниже уровня, который может вызвать дальнейшее повышение давления в окружающем массиве горных пород, чтобы максимизировать производство энергии, ограничивая дальнейший рост коллектора.

Производительность [ править ]

Объем вновь созданного массива открытых трещин внутри коллектора HDR намного меньше 1% от объема горной массы, стимулированной давлением. Поскольку эти соединения продолжают расширяться под давлением, полное сопротивление потоку через пласт становится очень низким, что приводит к высокой тепловой производительности.

Технико-экономические обоснования [ править ]

Возможность добычи тепла из глубин Земли была доказана в двух отдельных демонстрациях потока коллектора HDR, каждая из которых включает около одного года циркуляции, проведенных Лос-Аламосской национальной лабораторией в период с 1978 по 1995 год. Эти новаторские испытания проводились в лаборатории Fenton Hill HDR. испытательный полигон в горах Джемез на севере центральной части штата Нью-Мексико , на глубине более 8000 футов и температуре горных пород выше 180 ° C. [6] Результаты этих испытаний убедительно продемонстрировали жизнеспособность революционно новой концепции геотермальной энергии HDR. Два отдельных резервуара, созданных на Фентон-Хилл, по-прежнему являются единственными по-настоящему замкнутыми резервуарами геотермальной энергии HDR, испытанными потоком в любой точке мира.

Тесты Фентона Хилла [ править ]

Фаза I [ править ]

Первый резервуар HDR, испытанный в Фентон-Хилле, резервуар фазы I, был создан в июне 1977 года, а затем испытан на поток в течение 75 дней, с января по апрель 1978 года, на уровне тепловой мощности 4 МВт. [7] Конечная скорость потери воды при поверхностном давлении закачки 900 фунтов на квадратный дюйм составляла 2 галлона в минуту (2% от скорости закачки). Было показано, что этот первоначальный резервуар по существу состоит из одного расширенного давлением, почти вертикального стыка с исчезающе малым импедансом потока 0,5 фунтов на квадратный дюйм / галлон в минуту.

Первоначальный резервуар Фазы I был расширен в 1979 году, а дальнейшие испытания на поток в течение почти года в 1980 году. [8] Наибольшее значение, это испытание потока подтвердило, что увеличенный резервуар также был замкнутым и показал низкий расход воды 6 галлонов в минуту. . Этот резервуар состоял из единственного почти вертикального стыка первоначального резервуара (который, как отмечалось выше, проходил гидродинамические испытания в течение 75 дней в начале 1978 г.), дополненного набором недавно стимулированных давлением почти вертикальных стыков, которые были несколько наклонными. к удару оригинального сочленения.

Фаза II [ править ]

Более глубокий и горячий резервуар HDR (Фаза II) был создан во время операции по массивному гидроразрыву пласта (MHF) в конце 1983 года. [8] Впервые он был испытан весной 1985 года в ходе первоначального испытания потока с замкнутым контуром (ICFT). ), который длился чуть больше месяца. [9] Информация, полученная от ICFT, послужила основой для последующего долгосрочного тестирования потока (LTFT), проведенного с 1992 по 1995 год.

LTFT включал несколько отдельных прогонов стационарного потока, перемежаемых многочисленными дополнительными экспериментами. [10] В 1992–1993 годах было введено два периода установившейся циркуляции: первый на 112 дней, а второй на 55 дней. Во время обоих испытаний вода обычно производилась при температуре более 180 ° C и расходе 90–100 галлонов в минуту, в результате чего непрерывное производство тепловой энергии составляло примерно 4 МВт. В течение этого периода пластовое давление поддерживалось (даже в периоды остановки) на уровне около 15 МПа.

Начиная с середины 1993 года пласт был закрыт на период почти два года, и приложенному давлению позволили упасть практически до нуля. Весной 1995 года в системе снова повысили давление, и был проведен третий цикл непрерывной циркуляции продолжительностью 66 дней. [11] Примечательно, что производственные параметры, наблюдавшиеся в двух предыдущих испытаниях, были быстро восстановлены, и выработка энергии в установившемся режиме возобновилась на том же уровне, что и раньше. Наблюдения во время как фазы закрытия, так и фазы эксплуатации всех этих периодов гидродинамических испытаний дали четкое свидетельство того, что порода на границе этого искусственного коллектора была сжата из-за повышения давления и, как следствие, расширения области коллектора.

В результате LTFT потеря воды была устранена как серьезная проблема в операциях HDR. [12] За период LTFT потребление воды упало до 7% от количества закачанной воды; и данные указывают на то, что в условиях стационарной циркуляции он продолжал бы снижаться. Растворенные твердые вещества и газы в добываемом флюиде быстро достигли равновесных значений при низких концентрациях (примерно одна десятая солености морской воды), и флюид оставался геохимически благоприятным на протяжении всего периода испытаний. [13] Регулярная эксплуатация автоматизированной наземной установки показала, что энергетические системы HDR могут быть запущены с использованием того же экономичного графика укомплектования персоналом, который уже используется рядом беспилотных коммерческих гидротермальных установок.

Результаты тестирования [ править ]

Испытания в Фентон-Хилле ясно продемонстрировали преимущества полностью спроектированного резервуара HDR перед естественными гидротермальными ресурсами, включая EGS. Со всеми основными физическими характеристиками коллектора, включая объем породы, емкость флюида, температуру и т. Д., Установленными во время инженерного создания зоны коллектора, и весь объем коллектора, окруженный гипернапряженной периферией герметичной породы, любые изменения в работе условия полностью определяются преднамеренными изменениями, внесенными на поверхности. Напротив, естественный гидротермальный «резервуар» - который по существу является открытым и, следовательно, неограниченным (с сильно изменяющимися границами) - по своей природе подвержен изменениям в естественных условиях.

Еще одним преимуществом резервуара HDR является то, что его замкнутый характер делает его очень подходящим для операций, связанных с нагрузкой, при этом скорость производства энергии варьируется для удовлетворения меняющегося спроса на электроэнергию - процесс, который может значительно повысить экономическую конкурентоспособность технологии. . [14]Эта концепция была оценена ближе к концу периода испытаний Фазы II, когда добыча энергии увеличивалась на 60% в течение 4 часов каждый день за счет запрограммированного сброса давления в областях коллектора высокого давления, окружающих эксплуатационную скважину. В течение двух дней стало возможным компьютеризовать процесс, так что производство автоматически увеличивалось и уменьшалось в соответствии с желаемым графиком на оставшуюся часть периода испытаний. Переходы между двумя уровнями добычи занимали менее 5 минут, и на каждом уровне стабильное производство постоянно поддерживалось. Такие операции по отслеживанию нагрузки не могли быть реализованы в естественной гидротермальной системе или даже в системе EGS из-за неограниченного объема и граничных условий.

Эксперименты в Fenton Hill ясно продемонстрировали, что технология HDR уникальна не только в отношении того, как создается и затем циркулирует резервуар под давлением, но и благодаря гибкости управления, которую она предлагает. С гидротермальной технологией она связана только тем, что обе являются «геотермальными».

Тесты Сульца [ править ]

В 1986 году был начат проект системы HDR Франции и Германии в Сультс-су-Форе . В 1991 году были пробурены скважины на глубину 2,2 км и проведена стимуляция. Однако попытка создания водохранилища не увенчалась успехом, так как наблюдались большие потери воды. [15] [16]

В 1995 году скважины были углублены до 3,9 км и стимулированы. Резервуар был успешно создан в 1997 году, и были достигнуты четырехмесячные циркуляционные испытания с расходом 25 кг / с без потери воды. [16]

В 2003 году скважины были углублены до 5,1 км. Проведены стимуляции для создания третьего водохранилища, в ходе циркуляционных испытаний в 2005-2008 годах добывалась вода с температурой около 160 ° C с небольшими потерями воды. Начато строительство электростанции. [17] Электростанция начала вырабатывать электроэнергию в 2016 году, она была установлена ​​валовой мощностью 1,7 МВт эл . [18]

Неподтвержденные системы [ править ]

Были многочисленные сообщения об испытаниях неограниченных геотермальных систем, стимулированных давлением в кристаллической породе фундамента: например, в карьере Rosemanowes в Корнуолле, Англия; [19] на Hijiori [20] и Ogachi [21] кальдеры в Японии; и в бассейне Купер , Австралия. [22] Однако все эти «спроектированные» геотермальные системы, хотя и были разработаны в рамках программ, направленных на исследование технологий HDR, оказались открытыми, о чем свидетельствуют высокие потери воды, наблюдаемые во время циркуляции под давлением. [23] По сути, все они являются EGS или гидротермальными системами, а не настоящими резервуарами HDR.

Связанная терминология [ править ]

Усовершенствованные геотермальные системы [ править ]

Основная статья: Расширенная геотермальная система

Концепция EGS была впервые описана исследователями из Лос-Аламоса в 1990 году на геотермальном симпозиуме, спонсируемом Министерством энергетики США (DOE) [24] - за много лет до того, как Министерство энергетики ввело термин EGS в попытке подчеркнуть геотермальный аспект тепловая добыча, а не уникальные характеристики HDR.

HWR против HDR [ править ]

Гидротермальная технология Hot Wet Rock (HWR) использует горячие флюиды, которые естественным образом содержатся в породах фундамента; но такие условия HWR редки. [25] Безусловно, основная часть мировых геотермальных ресурсов (более 98%) находится в форме подвала, который является горячим, но сухим, без естественной доступной воды. Это означает, что технология HDR применима практически везде на Земле (отсюда и утверждение, что геотермальная энергия HDR повсеместна).

Обычно температура в этих обширных областях доступной кристаллической породы фундамента повышается с глубиной. Этот геотермический градиент, который является основной переменной ресурса HDR, колеблется от менее 20 ° C / км до более 60 ° C / км, в зависимости от местоположения. Сопутствующей экономической переменной HDR является стоимость бурения до глубин, на которых температура породы достаточно высока для разработки подходящего коллектора. [26] Появление новых технологий для бурения твердых кристаллических пород фундамента, таких как новые буровые долота PDC (поликристаллический алмазный компакт), буровые турбины или гидравлические ударные технологии (такие как Mudhammer [27] ), может значительно улучшить экономические показатели HDR в ближайшее будущее.

Возможная путаница [ править ]

Как отмечалось выше, в конце 1990-х годов Министерство энергетики начало называть все попытки извлечения геотермальной энергии из породы фундамента «EGS», что привело к биографической и технической путанице. Биографически существует большое количество публикаций, в которых обсуждается работа по извлечению энергии из HDR без какого-либо упоминания термина EGS. Таким образом, поиск в Интернете с использованием термина EGS не выявит эти публикации.

Но техническое различие между HDR и EGS, как поясняется в этой статье, может быть даже более важным. Некоторые источники описывают проницаемость породы фундамента Земли как континуум, варьирующийся от полностью непроницаемого HDR до слабопроницаемого HWR и высокопроницаемого обычного гидротермального источника. [28] Однако эта концепция континуума технически неверна. Более подходящим представлением было бы рассматривать непроницаемую породу HDR как отдельное состояние от континуума проницаемой породы - точно так же, как можно было бы рассматривать полностью закрытый кран в отличие от того, который открыт в какой-либо степени, независимо от того, является ли поток тонкой струйкой. или наводнение. Точно так же технологию HDR следует рассматривать как нечто совершенно отличное от EGS.

Дальнейшее чтение [ править ]

Полная книга по разработке HDR, включая полный отчет об экспериментах в Фентон-Хилл, была опубликована Springer-Verlag в апреле 2012 года [6].

Глоссарий [ править ]

  • DOE, Министерство энергетики (США)
  • EGS, Расширенная геотермальная система
  • HDR, Сухой горячий рок
  • HWR, Горячий мокрый рок
  • ICFT, Начальный тест потока с обратной связью
  • LTFT, долговременное испытание на текучесть
  • MHF, Массивный гидроразрыв пласта
  • PDC, поликристаллический алмазный компакт (сверло)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Armstead, ГХЦГ, и тестер, JW, 1987. Heat Mining, E. & FN Spon, Лондон и НьюЙорк, стр. 34-58
  2. ↑ Potter, RM, Smith, MC, and Robinson, ES, 1974. «Способ извлечения тепла из сухих геотермальных резервуаров», патент США № 3,786,858.
  3. ↑ Brown, DW, 2009. «Геотермальная энергия горячих сухих пород: важные уроки из Фентон-Хилл», в Proceedings, 34-й семинар по разработке геотермальных резервуаров (9–11 февраля 2009 г .: Стэнфорд, Калифорния). SGP-TR-187, стр. 139–142
  4. ^ a b c Дядькин, Ю. Д. (2001). «Извлечение и использование тепла земли» . Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) .
  5. ^ Brown, DW, 1990. «Разработка резервуаров для горячих сухих пород», Geotherrm. Ресурс. Counc. Бык. 19 (3): 89–93
  6. ^ a b Браун, Д.У., Дюшан, Д.В., Хайкен, Г., и Хриску, В.Т., 2012. Добыча тепла Земли: Геотермальная энергия горячих сухих пород, Springer-Verlag, Берлин и Гейдельберг, 655 стр. ISBN 3540673164 
  7. ↑ Dash, ZV, Murphy, HD, and Cremer, GM (ред.), 1981. «Испытания геотермальных резервуаров с горячими сухими породами: 1978–1980», Отчет Лос-Аламосской национальной лаборатории LA-9080-SR, 62 стр.
  8. ^ a b Браун, Д. В., и Дюшан, Д. В., 1999. «Научный прогресс в проекте Fenton Hill HDR с 1983 г.», специальный выпуск Geothermics 28 (4/5): Hot Dry Rock / Hot Wet Rock Academic Review (Abe, H ., Niitsuma, H., and Baria, R., eds.), Стр. 591–601.
  9. ^ Даш, З.В. и др, 1989. «ICFT: начальный тест потока замкнутого контура водохранилища Фентон Хилл Фаза II ВСД». Национальная лабораторияЛосАламосе доклад LA-11498-HDR, ЛосАламос Н.М., 128 стр
  10. ↑ Brown, DW, 1993. «Недавние испытания потока резервуара HDR в Фентон-Хилл, Нью-Мексико», Обзор геотермальной программы XI, апрель 1993 г. Министерство энергетики, сохранения и возобновляемых источников энергии США, подразделение геотермальной энергии, стр. 149–154
  11. ↑ Brown, DW, 1995. «Проверочные гидродинамические испытания пласта HDR в Фентон-Хилл, Нью-Мексико, 1995 г.», ежегодное собрание Совета по геотермальным ресурсам (8–11 октября 1995 г .: Рино, штат Невада) Пер. Геотерм. Ресурс. Counc. 19: 253–256
  12. ^ Браун, Д., 1995. «Программа США по горячим сухим породам - ​​20-летний опыт испытаний резервуаров», в Трудах Всемирного геотермального конгресса (18–31 мая 1995 г .: Флоренция, Италия), Международная геотермальная ассоциация, Inc. ., Окленд, Новая Зеландия, т. 4. С. 2607–2611.
  13. ^ Браун, DW, Duchane, DV, Heiken, Г. и Hriscu, VT, 2012. Добыча Земли тепла:. Горячий сухой рок геотермальная энергия, Springer-Verlag, Berlin и Heidelberg, глава 9, стр 541-549
  14. ^ Brown, DW, и DuTeau, RJ, 1995. «Использование горячих сухих геотермальных резервуаров для отслеживания нагрузки», в Proceedings, 20-м ежегодном семинаре по разработке геотермальных резервуаров (27–29 января 1995: Стэнфорд, Калифорния). SGP-TR-150, стр. 207–211
  15. ^ Бария, Р., Baumgärtner, J., Жерара, А., Юнг, Р., и гарнир, J., 2002 г. исследовательская программа «Европейский HDR в Soultz-су-Forêts (Франция); 1987–1998 »в специальном выпуске Geologisches Jahrbuch (Baria, R., Baumgärtner, J., Gérard, A., and Jung, R., eds.), Международная конференция - 4-й Форум HDR (28–30 сентября 1998 г .: Страсбург, Франция). Ганновер, Германия, стр. 61–70.
  16. ^ a b Тестировщик, Джефферсон В. ( Массачусетский технологический институт ); и другие. (2006). Будущее геотермальной энергии - влияние усовершенствованных геотермальных систем (EGS) на Соединенные Штаты в 21 веке (PDF) . Айдахо-Фолс: Национальная лаборатория Айдахо. ISBN  0-615-13438-6. Архивировано из оригинального (14Мб PDF) на 2011-03-10 . Проверено 7 февраля 2007 .
  17. ^ Николас Cuenot, Луи Dorbath, Мишель Frogneux, Nadege Langet (2010). «Микросейсмическая активность, индуцированная в условиях циркуляции на проекте EGS в Сультс-Су-Форе (Франция)» . Труды Всемирной геотермальной конференции .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Жюстин MOUCHOT, Альберт GENTER, Николас CUENOT, Оливье Сейбел, Джулия Scheiber, Clio Bosia, Гийом RAVIER (12-14 февраля 2018). «Первый год эксплуатации геотермальных установок EGS в Эльзасе, Франция: проблемы масштабирования» . 43-й семинар по разработке геотермальных резервуаров . Стэнфордский университет: 1, 3 . Проверено 25 мая 2020 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  19. ↑ Parker, RH, 1989. «Геотермальная энергия горячих сухих пород, Фаза 2B Заключительный отчет проекта Кемборнской горной школы», Vol. 1-2, Pergamon Press, Оксфорд, Великобритания
  20. ^ Матсунага И., Niitsuma, H., и Oikaya, Y., 2005. «Обзор развития HDR на Hijiori сайте, Япония,» Труды, Всемирный геотермальной конгресса (24-29 апреля 2005 года: Antala, Турция) , стр. 3861–3865
  21. ^ Ито, Х., и Кайеда, Х., 2002. «Обзор 15-летнего опыта проекта« Горячие сухие породы Огачи »с акцентом на геологические особенности», в Proceedings, 24-й семинар по геотермальной энергии в Новой Зеландии (13–15 ноября 2002 г .: Оклендский университет, Окленд, Новая Зеландия), стр. 55–60.
  22. ↑ Chopra, P., and Wyborn, D., 2003. «Первый австралийский проект по добыче геотермальной энергии из горячих сухих пород запущен и работает в граните под бассейном Купера, северо-восток Южной Австралии», в Proceedings, The Ishihara Symposium: Granites and Associated Металлогенез (22–24 июля 2003 г.: Университет Маккуори, Сидней, Австралия), стр. 43–45.
  23. ^ Brown, D., DuTeaux, R., Kruger, P., Swenson, D., and Yamaguchi, T., 1999. Таблица 1: «Циркуляция жидкости и извлечение тепла из инженерных геотермальных резервуаров», Geothermics 28 (4/5 ) специальный выпуск: Hot Dry Rock / Hot Wet Rock Academic Review (Abé, H., Niitsuma, H., and Baria, R., eds.), стр. 553–572
  24. ^ Браун Д.У. и Робинсон Б.А., 1990. «Технология горячих сухих пород», в Proceedings, Geothermal Program Review VIII (18–20 апреля 1990 г .: Сан-Франциско, Калифорния). CONF 9004131, стр. 109–112
  25. ^ Armstead, ГХЦГ, и тестер, JW, 1987. Heat Mining, E. & FN Spon, Лондон и НьюЙорк, стр. 55-58
  26. ↑ Tester, JW, Herzog, HJ, Chen, Z., Potter, RM, and Frank, MG, 1994. «Перспективы универсальной геотермальной энергии от добычи тепла», Science and Global Security Vol. 5. С. 99–121.
  27. ^ Souchal, R., 2017, Бурение с применением бурового молотка высокой мощности: многообещающее решение для глубоких геотермальных резервуаров, материалы Конгресса по геотермальной энергии Geotherm Deep Geothermal Energy
  28. ↑ Sass, JH, and Robertson-Tait, A., 2002. «Потенциал для улучшенных геотермальных систем в западной части Соединенных Штатов», в специальном выпуске Geologisches Jahrbuch (Baria, R., Baumgärtner, J., Gérard, A., and Юнг, Р., ред.), Международная конференция - 4-й Форум HDR (28–30 сентября 1998 г .: Страсбург, Франция). Ганновер, Германия, стр. 35–42.