Геотермальная разведка
Геотермальная разведка — это исследование недр в поисках жизнеспособных активных геотермальных регионов с целью строительства геотермальной электростанции, где горячие жидкости приводят в движение турбины для выработки электроэнергии. [1] Методы разведки включают широкий спектр дисциплин, включая геологию , геофизику , геохимию и инженерию . [2]
Геотермальные регионы с достаточным тепловым потоком для электростанций находятся в рифтовых зонах , зонах субдукции и мантийных плюмах . Горячие точки характеризуются четырьмя геотермальными элементами. Активный регион будет иметь: [1]
- Источник тепла — неглубокое магматическое тело, распадающиеся радиоактивные элементы или окружающее тепло от высокого давления.
- Резервуар — совокупность горячих камней, из которых можно черпать тепло.
- Геотермальная жидкость — газ, пар и вода, обнаруженные в резервуаре.
- Зона пополнения – территория вокруг резервуара, который восстанавливает гидратацию геотермальной системы.
Разведка включает в себя не только выявление горячих геотермальных тел, но и экономически эффективных регионов с низкой плотностью бурения, а также уже сформированных водопроводных систем, присущих недрам. [3] Эта информация позволяет добиться более высоких показателей успеха в производстве геотермальных установок, а также снизить затраты на бурение.
До 42% всех расходов, связанных с производством геотермальной энергии, можно отнести на разведку. Эти затраты в основном связаны с буровыми работами, необходимыми для подтверждения или отрицания жизнеспособности геотермальных регионов. [4] Некоторые эксперты по геотермальной энергии заявили, что развитие методов и технологий разведки может привести к величайшим достижениям в отрасли. [5]
Методы исследования
[ редактировать ]Бурение
[ редактировать ]Бурение дает наиболее точную информацию в процессе разведки, но также является наиболее дорогостоящим методом разведки.
Скважины с температурным градиентом (TGH), разведочные скважины (тонкие скважины) и полномасштабные добывающие скважины (дикие скважины) предоставляют наиболее достоверную информацию о недрах. [4] Градиенты температуры, тепловые карманы и другие геотермические характеристики можно измерить непосредственно после бурения, что дает ценную информацию.
Геотермальные разведочные скважины редко превышают глубину 4 км. Подземные материалы, связанные с геотермальными полями, варьируются от известняка до сланца , вулканических пород и гранита . [1] Большинство пробуренных геотермальных разведочных скважин, вплоть до добывающей скважины, все еще считаются находящимися на стадии разведки. Большинство консультантов и инженеров считают, что разведка будет продолжаться до тех пор, пока одна добывающая скважина не будет успешно завершена. [4]
Как правило, вероятность успеха первой разведочной скважины составляет 25%. После дополнительного анализа и исследований показатели успеха увеличиваются до диапазона от 60% до 80%. Хотя расходы существенно различаются, стоимость бурения оценивается в 400 долларов США за фут. [4] Поэтому первостепенное значение приобретает изучение других способов разведки до начала буровых работ. Чтобы повысить шансы на успешное бурение, дистанционного зондирования за последние два десятилетия были разработаны инновации в технологиях . Эти менее дорогостоящие средства разведки подразделяются на несколько областей, включая геологию, геохимию и геофизику.
Геофизика
[ редактировать ]Сейсмология
[ редактировать ]Сейсмология сыграла значительную роль в нефтегазовой отрасли и в настоящее время адаптируется к геотермальным исследованиям. [4] Сейсмические волны распространяются, взаимодействуют с подземными компонентами и реагируют соответствующим образом. Существуют две подкатегории, относящиеся к источнику сейсмического сигнала. [6] Активная сейсмология основана на использовании индуцированных/техногенных вибраций на поверхности или вблизи нее. Пассивная сейсмология использует в качестве источников землетрясения, извержения вулканов или другую тектоническую активность. [7]
Пассивные сейсмические исследования используют естественное распространение волн через землю. [7] Геотермальные поля часто характеризуются повышенным уровнем сейсмичности. Землетрясения меньшей магнитуды случаются гораздо чаще, чем землетрясения большей магнитуды. [6] Таким образом, эти микроземлетрясения (MEQ), регистрируемые магнитудой ниже 2,0 по шкале Рихтера , используются для выявления свойств недр, связанных с геотермальными исследованиями. [7] Высокая скорость MEQ в геотермальных регионах позволяет создавать большие наборы данных, которые не требуют длительного развертывания на местах.
Активная сейсмология, имеющая историю в нефтегазовой отрасли, предполагает изучение искусственного распространения вибрационных волн. В этих исследованиях геофоны (или другие сейсмические датчики) разбросаны по территории исследования. Наиболее распространенные разбросы сейсмоприемников — линейные, смещенные, линейные с центральной съемкой и веерную съемку. [6]
Многие аналитические методы могут быть применены к активным сейсмологическим исследованиям, но, как правило, все они включают принцип Гюйгенса , принцип Ферма и закон Снеллиуса . Эти основные принципы можно использовать для выявления подземных аномалий, отражающих слоев и других объектов с высокими контрастами импеданса . [6]
Гравитация
[ редактировать ]Гравиметрические исследования используют изменения плотности для характеристики свойств недр. [6] Этот метод хорошо применяется при выявлении плотных подповерхностных аномалий, в том числе гранитных тел, обнаружение которых крайне важно в проектах геотермальной разведки. подземных Линии разломов также можно идентифицировать гравитационными методами. Эти разломы часто идентифицируются как основные места бурения, поскольку их плотность намного меньше плотности окружающего материала. Развитие авиационных гравитационных исследований дает большие объемы данных, которые можно использовать для трехмерного моделирования недр с относительно высоким уровнем точности.
Изменения уровня грунтовых вод также можно измерить и выявить с помощью гравитационных методов. Этот элемент подпитки необходим для создания продуктивных геотермальных систем. На плотность пор и последующую общую плотность влияет поток жидкости и, следовательно, изменяется гравитационное поле . При корреляции с текущими погодными условиями это можно измерить и смоделировать для оценки скорости пополнения запасов геотермальных резервуаров. [1]
К сожалению, существует множество других факторов, которые необходимо учитывать, прежде чем можно будет интерпретировать данные гравитационного исследования. Среднее гравитационное поле, создаваемое Землей, составляет 920 см/с^2. Объекты, вызывающие беспокойство, создают значительно меньшее гравитационное поле. Следовательно, приборы должны обнаруживать отклонения всего в 0,00001%. Другие факторы, включая высоту, широту и погодные условия, должны быть тщательно соблюдены и приняты во внимание. [6]
Сопротивление и магнитотеллурика
[ редактировать ]Магнитотеллурические (МТ) измерения позволяют обнаружить аномалии удельного сопротивления , связанные с продуктивными геотермальными структурами, включая разломы и наличие покрышки , а также позволяют оценить температуру геотермальных резервуаров на различных глубинах. MT успешно способствовал успешному картированию и разработке геотермальных ресурсов по всему миру с начала 1980-х годов, в том числе в США и странах, расположенных на Тихоокеанском огненном кольце, таких как Япония, Новая Зеландия, Филиппины, Эквадор и Перу.
Геологические материалы, как правило, являются плохими электрическими проводниками и имеют высокое удельное сопротивление. Однако гидротермальные жидкости в порах и трещинах земли увеличивают проводимость подземного материала. Это изменение проводимости используется для картирования геологии недр и оценки состава подземного материала. Измерения удельного сопротивления проводятся с помощью серии зондов, расположенных на расстоянии от десятков до сотен метров друг от друга, чтобы обнаружить электрический отклик Земли на подачу электрических импульсов и восстановить распределение электрического сопротивления в горных породах. Поскольку текущие геотермальные воды можно обнаружить как зоны низкого сопротивления, с помощью такого метода можно составить карту геотермальных ресурсов. Однако следует проявлять осторожность при интерпретации зон низкого удельного сопротивления, поскольку они также могут быть вызваны изменениями типа породы и температуры.
Магнитное поле Земли меняется по интенсивности и ориентации в течение дня, вызывая заметные электрические токи в земной коре. Диапазон частот этих токов позволяет проводить мультиспектральный анализ изменения локального электромагнитного поля. В результате становится возможной томографическая реконструкция геологии, поскольку токи определяются основной реакцией различных пород на изменяющееся магнитное поле. [8]
Магнетика
[ редактировать ]
Наиболее распространенное применение магнетизма в геотермальных исследованиях включает определение глубины точки Кюри или температуры Кюри . В точке Кюри материалы из ферромагнитных станут парамагнитными. Определение температуры Кюри для известных подземных материалов позволяет оценить будущую производительность предприятий. Например, титаномагнетитит, распространенный материал в геотермальных полях, имеет температуру Кюри от 200 до 570 градусов Цельсия. Простые геометрические аномалии, смоделированные на разных глубинах, используются для наилучшей оценки глубины Кюри. [1]
Геохимия
[ редактировать ]Эта наука охотно используется в геотермальных исследованиях. Ученые в этой области связывают свойства поверхностных жидкостей и геологические данные с геотермальными телами. Температура, изотопные соотношения, соотношения элементов, концентрации ртути и CO 2 — все это точки данных, подлежащие тщательному изучению. Геотермометры и другие приборы размещаются вокруг полевых участков, чтобы повысить точность оценок подземной температуры. [4]
Геотермальный потенциал США
[ редактировать ]Геотермальная энергия является слаборазработанным энергетическим ресурсом и требует дальнейшего изучения и разведки. [2] По данным Министерства энергетики США , одни только геотермальные возможности Юты, если они будут полностью развиты, могут обеспечить 1/3 потребностей штата в электроэнергии. В настоящее время Соединенные Штаты планируют организовать национальные базы геотермальных данных, расширить ресурсы Геологической службы США на национальном уровне и разработать геофизические проекты для проверки достижений в технологиях разведки. [5] Ниже перечислены округа и регионы США, которые потенциально могут использовать геотермальную энергию и требуют дальнейших исследований. [9]
| штат США | Округ/Регион |
|---|---|
| Аризона | Кочиз, Грэм, Гринли, Марикопа, Пима, Пиналь, Яуапия, Юма |
| Калифорния | Альпийский, Колуза, Контра Коста, Империал, Иньо, Керн, Озеро, Лассен, Лос-Анджелес, Модок, Моно, Монтерей, Напа, Оранжевый, Удовольствие, Перья, Риверсайд, Сан-Бернардино, Сан-Диего, Сан-Луис-Обиспо, Санта-Барбара, Шаста , Сьерра, Сонома, Вентура |
| Колорадо | Арчулета, Чаффи, Фремонт, Гарфилд, Ганнисон, Минерал, Орей, Парк, Рутт, Сагуаш |
| Айдахо | Ада, Адамс, Медвежье озеро, Блейн, Бойсе, Бонневиль, Камас, Каньон, Карибу, Кассия, Кастер, Элмор, Франклин, Фремонт, Джем, Лемхи, Онейда, Овайхи, Пайетт, Тетон, Твин-Фолс, Долина, Вашингтон |
| Монтана | Биверхед, Дир Лодж, Галлатин, Джефферсон, Льюис и Кларк, Мэдисон, Парк, Рузвельт, Роузбад, Сандерс, Сильвер Боу, Стиллуотер |
| Невада | Карсон-Сити, Черчилль, Дуглас, Элк, Эврика, Гумбольдт, Линкольн, Лион, Най, Першинг, Стори, Уошу, Уайт-Пайн |
| Нью-Мексико | Донна Ана, Грант, Идальго, МакКинли, Рио-Арриба, Сан-Мигель, Сандовал, Валенсия |
| Орегон | Бейкер, Клакамас, Крук, Харни, Кламат, Лейк, Лейн, Линн, Малер, Мэрион, Уматилла, Юнион, Васко |
| Юта | Бокс-Элдер, Каче, Дэвис, Айрон, Джуаб, Миллард, Солт-Лейк, Сан-Пит, Севьер, Юинта, Юта, Вебер, Вашингтон, Бентон, Грант, Кинг, Линкольн, Оканоган, Скамания |
| Аляска (не округа) | Адак, Акутан, Бараноф, Горячие источники Белл-Айленд, Горячие источники Чена, Горячие источники Серкл, Годдард, Макушин, Горячие источники Мэнли, Мелози-Спрингс, Моржовой, Нэнси, Портедж, Пилигрим-Спрингс, Змеиные горячие источники, Ситка, Уналаска |
| Небраска | Шайенн, Кейя Паха, Кимбалл, Скоттсблафф |
| Северная Дакота | Маклин |
| Южная Дакота | Бьютт, Корсон, Дьюи, Фолл-Ривер, Хокон, Хардинг, Джексон, Джонс, Лоуренс, Мид, Меллетт, Пеннингтон, Перкинс, Стэнли, Тодд, Трипп, Зибах |
| Техас | Атакоса, Белл, Бексар, Бразория, Берлесон, Кончо, Даллас, Эль-Пасо, Фолс, Гонсале, Хардин, Хилл, Карнес, Лайв-Оук, МакЛеннан, Милам, Наварро, Пресидио, Уэбб |
| Вайоминг | Хот-Спрингс, Линкольн, Натрона |
См. также
[ редактировать ]Внешние ссылки
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и *Манцелла, Адела, «Геофизические методы геотермальных исследований», Национальный исследовательский совет Италии [1]
- ^ Jump up to: а б *Хулен Дж.Б. и Райт П.М. (2001). «Геотермальная энергия – чистая устойчивая энергия на благо человечества и окружающей среды». Министерство энергетики США.
- ^ *XDT — Геотермальная веб-страница». XDT — Десятимерные технологии. 1 августа 2010 г. Интернет. 4 декабря 2010 г. < http://www.xdtek.com/Geothermal.html >.
- ^ Jump up to: а б с д и ж *Дженнеджон, Дэн (2009). «Исследования и разработки в области геотермальной разведки и бурения». Ассоциация геотермальной энергии. [2]
- ^ Jump up to: а б *(2010). «Федеральная межведомственная геотермальная деятельность». Программа геотермальных технологий, Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США.
- ^ Jump up to: а б с д и ж *Бургер Х., Шихан А., Джонс К. (2006). «Введение в прикладную геофизику». WW Norton & Company, Inc.
- ^ Jump up to: а б с * Фулджер Г. (1982). «Геотермальная разведка и мониторинг резервуаров с использованием землетрясений и пассивного сейсмического метода». Геотермия, Том 11, Выпуск 4.
- ^ * Уильям Э. Гласли. «Геотермальная энергия: возобновляемые источники энергии и окружающая среда».
- ^ * «Веб-страница совмещенных ресурсов». ГЕО-ТЕПЛОВОЙ ЦЕНТР. 1 января 2008 г. Интернет. 7 декабря 2010 г. < http://geoheat.oit.edu/colres.htm >.