Петроэнергетика. Глубинное тепло земли и возможности его использования

Процесс извлечения и использования невозобновляемых природных энергетических ресурсов в мире происходит очень быстрыми темпами. Мощная мировая промышленность с каждым годом потребляет все больше и больше энергетического сырья. Если говорить о потребностях в органических ресурсах, то они очень велики в индустриально развитых и развивающихся странах (США, Япония, государства объединенной Европы, Китай, Индия и др.). США, например, в 1950 г. обеспечивали себя на 91% полезными ископаемыми, добываемыми на собственной территории, а спустя 60 лет около двух третей потребностей в ресурсах эта страна удовлетворяет за счет других государств.

Слово "нефть" стало самым упоминаемым в политических сообщениях. И не случайно, запасы нефти и природного газа на суше значительно сократились. Теперь основные их запасы сосредоточены на континентальном шельфе.

В России, являющейся одной из богатейших стран в мире по энергетическим ресурсам, фактор несовпадения хозяйственных потребностей и природных возможностей пока не существует. Однако извлечение невозобновляемого органического сырья из недр происходит очень быстро. Если в 1940–1960-е годы основными нефтедобывающими районами были "Второе Баку" в Поволжье и Предуралье, то начиная с 1970-х годов и по настоящее время таким районом является Западная Сибирь. Но и здесь сегодня происходит падение добычи углеводородного сырья. Уходит в прошлое эпоха "сухого" сеноманского газа. Прежний этап экстенсивного развития добычи природного газа подошел к завершению. Извлечение газа из таких месторождений-гигантов как Медвежье, Уренгойское и Ямбургское составило соответственно 84, 65 и 50%. Удельный вес запасов нефти, благоприятных для разработки, во времени также снижается. Однако сырьевая база нефтяной и газовой промышленности сохранила количественные параметры, необходимые для добычи нефти и газа в России. В связи с освоением месторождений с более сложными горно-геологическими условиями себестоимость добычи углеводородного сырья будет расти.

Большая часть добываемых из недр невозобновляемых ресурсов используется как топливо для энергетических установок. В первую очередь это природный газ, доля которого в структуре топлива составляет 64%. В России 70% электроэнергии вырабатывается на ТЭС, на получение тепла расходуется углеводородного топлива в 3–4 раза больше, чем на производство электроэнергии. Энергетические предприятия страны ежегодно сжигают около 500 млн. т у. т. (тонн условного топлива) в целях получения электроэнергии и тепла.

Топливопотребление с каждым годом будет увеличиваться. Это тот случай, когда вспоминаются слова великого Д.И.Менделеева "о сжигании ассигнаций". Для получения электроэнергии и тепла в мире ежесуточно сжигаются более одного миллиона тонн угля и нефти, миллиарды кубометров природного газа. Но далеко не вся тепловая энергия, полученная от сгорания углеводородов, эффективно используется. Почти половина ее "вылетает в трубу" и рассеивается в пространстве. А такой вид топлива, как уголь, при сгорании поглощает из воздуха большое количество кислорода и загрязняет окружающую среду.

Количеству теплоты, получаемое от сгорания названных объемов углеводородного сырья, эквивалентно использованию сотен тонн ядерного топлива – разница огромна. Однако ядерная энергетика требует обеспечения экологической безопасности (исключения повторения Чернобыля) и защиты ее от возможных террористических актов, а также осуществления безопасного и дорогостоящего вывода из эксплуатации устаревших и отработавших свой срок энергоблоков АЭС. Доказанные извлекаемые запасы урана в мире составляют порядка 3 млн. 400 тыс. т. За весь предшествующий период (до 2007 г.) его добыто около 2 млн. т.

Все известные невозобновляемые энергетические запасы Земли это ограниченные ресурсы недр. Их современный лимит исчисляется десятилетиями. А что потом?
Объективные факторы и тенденции развития энергетики позволяют предположить, что в первой половине двадцать первого века произойдет полный или почти полный переход на нетрадиционные источники энергии. Нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, а тем более древесина и продукты ее переработки практически будут исключены из энергетических ресурсов.

Энергетический апокалипсис не за горами – в Европе его ждут к 2030 г.
Возросший в последние десятилетия в мире интерес к альтернативным источникам энергии вызван не только истощением запасов углеводородного топлива, но и необходимостью решения экологических проблем. Объективные факторы (резервы ископаемого топлива и урана, а также изменение окружающей среды, вызванные традиционной огневой и атомной энергетикой) позволяют утверждать, что переход к новым способам и формам получения энергии является неизбежным. Чем раньше будет сделан прорыв в этом направлении – тем менее болезненным он будет для всего общества и более выгодным для страны, где это произойдет.

Мировая экономика в настоящее время взяла курс на переход к рациональному сочетанию традиционных и новых источников энергии. Энергопотребление в мире к 2000 г. составило более 18 млрд. т у. т., а энергопотребление к 2025 г. может возрасти до 30 -38 млрд. т у. т., по прогнозным данным, к 2050 г. возможно потребление на уровне 60 млрд. т у. т. Характерной тенденций развития мировой экономики в рассматриваемый период являются систематическое снижение потребления органического топлива и соответствующий рост использования нетрадиционных энергетических ресурсов. Неисчерпаемая тепловая энергия Земли занимает среди них одно из первых мест.

Весьма богатые, по сравнению с другими странами, топливные ресурсы России пока обеспечивают развитие отечественной энергетики и необходимый стране экспорт энергоресурсов. Освоение новых источников энергии еще не стало у нас действительно острой необходимостью. Это не должно влиять на развитие работ по освоению нетрадиционных, неисчерпаемых геотермальных ресурсов.

Ресурсы геотермальной энергии разделяются на гидротермальные и петротермальные. Первые из них представлены теплоносителями, как подземные воды, пар и пароводяные смеси. Вторые представляют собой геотермальную энергию, содержащуюся в раскаленных горных породах. Гидрогеологические ресурсы составляют всего 1 % общих ресурсов геотермальной энергии. Принятая в нашей стране и за рубежом фонтанная технология (самоизлив) добычи природного пара и геотермальных вод проста, но неэффективна.

Гидротермальные источники энергии могут быть задействованы лишь в районах молодого и современного вулканизма, крупных разломов земной коры с высокими геотермальными параметрами (температура, дебит), где геотермальные воды находятся сравнительно не глубоко от поверхности и доступны буровой современной технике. Срок службы скважин во многих странах не достигает 10 лет. Использование гидротермальных, как правило, минерализованных источников в качестве теплоносителя приводит к зарастанию скважинных зон оксидом железа, карбонатом кальция и силикатными образованиями. Проблемы эрозии, коррозии и солеотложений отрицательно сказываются на работе другого технологического оборудования. Кроме того, все источники гидротермальной энергии в подавляющем большинстве отдалены от потребителя. Поэтому фонтанная технология не может служить основой широкого освоения геотермальных ресурсов. Месторождения пара – редкость, его известные и прогнозные запасы невелики.

В то же время опыт подтверждает, что при наличии неглубоких коллекторов природного пара строительство геотермальных теплоэлектростанций (ГеоТЭС) представляет собой наиболее выгодный вариант использования гидротермальной энергии. Так как при малом дебите самоизливающихся скважин их теплопродукция может окупить затраты на бурение лишь при небольшой глубине геотермальных коллекторов с высокой температурой в районах термоаномалий. Эксплуатация таких станций показала их конкурентноспособность по сравнению с другими типами энергоустановок. Поэтому использование запасов геотермальных вод и парогидротерм в нашей стране на Камчатке, на островах Курильской гряды, в регионах Северного Кавказа, возможно и в других районах, целесообразно и своевременно.
По предварительным оценкам, на территории Российской Федерации прогнозные запасы термальных вод с температурой 40–250°С, минерализацией 35–200 г/л и глубиной залегания до 3 км составляют 21–22 млн. мУсут, что эквивалентно 45–280 млн. т у. т. в год.
Прогнозные запасы паровоздушной смеси с температурой 150–250°С на Камчатке и Курильских островов составляет 500 тыс. мУсут, а запасы термальных вод с температурой 40–100°С – 150 тыс. мУсут.

Первоочередными для освоения считаются запасы термальных вод с дебитом около 8 млн. мУсут, с минерализацией до 10 г/л и температурой выше 50°С.
Огромное значение для энергетики будущего имеет извлечение тепловой энергии, практически неисчерпаемых, петротермальных ресурсов. Эта геотермальная энергия, заключенная в твердых "сухих" горячих породах и составляет около 99% от общих ресурсов подземной тепловой энергии. На глубине до 4–6 км горячие породы с температурой 100–150°С распространены почти повсеместно, а с температурой 180–200°С на довольно значительной части Российской Федерации. Этого вполне достаточно для целей теплоснабжения.

Этот потенциальный источник энергии имеет следующие преимущества:

• повсеместное распространение; неисчерпаемость;
• приближенность и приспособляемость к потребителю;
• сравнительно низкая капиталоемкость;
• относительно низкая трудоемкость разработки; безотходность;
• безопасность в эксплуатации; экологическая чистота.

К недостаткам можно отнести нетранспортабельность, невозможность складирования, отсутствие опыта промышленного использования в России.

На протяжении миллиардов лет ядерные, гравитационные и другие процессы внутри Земли генерировали и генерируют тепловую энергию. Непрерывная генерация внутриземного тепла компенсирует ее внешние потери, служит источником накопления геотермальной энергии и определяет возобновляемую часть ее ресурсов. Общий потенциал геотермальной энергии является практически неисчерпаемым, поскольку определяется как общее количество теплоты которой располагает Земля.

Разумеется, значительный интерес вызывает та его часть, которая отвечает современным техническим возможностям проникновения в глубинные недра планеты.
Ориентируясь на достигнутые успехи традиционной технологии бурения и перспективные технологии глубокого и сверхглубокого бурения, резонно ограничить технически доступные ресурсы петротермальной энергии общим теплосодержанием верхних 10–12 км земной коры в пределах суши.

Общий ресурс тепловой энергии Земли, размещенных на глубинах до 10 км, эквивалентен тепловому потенциалу сжигания 34,1x10 в девятой степени млрд. т у. т. Это в несколько тысяч раз больше тепловой способности всех известных запасов топлива на Земле.
Неслучайно в последние десятилетия в мире рассматривается направление более эффективного использования энергии глубинного тепла Земли с целью частичной замены природного газа, нефти, угля. Это станет возможным не только в районах с высокими геотермальными параметрами (температура, дебит), но и в любых районах земного шара при бурении нагнетательных и эксплуатационных скважин и создании между ними циркуляционных систем.

Разумеется, для эффективной работы таких систем необходимо иметь или создать в зоне отбора теплоты достаточно развитую теплообменную поверхность. Такой поверхностью обладает нередко встречающиеся на указанных выше глубинах пористые пласты и зоны естественной трещиноватости, проницаемость которых позволяет организовать
принудительную фильтрацию теплоносителя с эффективным извлечением энергии горных пород, а также искусственно создать обширные теплообменные поверхности в слабопроницаемых массивах методом гидравлического разрыва (гидроразрыв).

Извлечение энергии горячих слабопроницаемых горных пород методом гидроразрыва основано на технологии широко применяемой в нефтегазовой промышленности как способа повышения проницаемости пластов для увеличения дебита добычных скважин и повышения нефтеотдачи при разработке и эксплуатации нефтегазовых месторождений.
Отечественная идея извлечения основных петротермальных ресурсов, заключенных в твердых породах, была высказана еще в 1914 г. Э.К.Циолковским, а в 1920 г. петротермальная циркуляционная система (ПЦС) в горячем гранитном массиве описана В.А.Обручевым.

Первая ПЦС извлечения тепла пористых пластов для отопления была создана в 1963 г., в Париже. Сейчас более 60-ти таких систем функционируют во Франции и больше десятка городов обогреваются теплом петротермальной энергии. А в 1977 г. первая ПЦС с гидроразрывом практически непроницаемого массива раскаленных гранитов по проекту Лос-Аламосской национальной лаборатории начала создаваться в США. В настоящее время в этой стране на основе ПЦС осуществлено более 224 проектов петротермального теплоснабжения. При этом допускается, что геотермальные ресурсы могут обеспечить основную часть перспективных потребностей США в тепловой энергии для неэлектрических нужд. В 1983 г. английские ученые повторили американский опыт, создав экспериментальную ПЦС с гидроразрывом гранитов в Корнуэлле. Аналогичные работы проводятся в Германии, Швеции, Бельгии, Швейцарии, Финляндии и других странах.

В настоящее время исследования и разведка геотермальных ресурсов ведутся в 65 странах мира. В мире на основе геотермальной энергетики создано станций общей мощностью около 10 000 МВт. Актуальную поддержку в освоении геотермальной энергии оказывает ООН и ЮНЕСКО. Расчеты показывают, что за год из одной скважины можно получить столько тепловой энергии, заключенной в петротермальных теплоносителях, сколько выделяется при сгорании 158 тыс. т угля.

Накопленный во многих странах мира опыт свидетельствует, что использование петротермальных теплоносителей в благоприятных условиях оказывается в 2–5 раз выгоднее применения тепловых и атомных энергоустановок.

Таким образом, теплота Земли представляет, пожалуй, единственный и огромный, неисчерпаемый энергоресурс, рациональное освоение которого обещает удешевление энергии по сравнению с современной топливной энергетикой. При столь же неисчерпаемом энергетическом потенциале солнечные и термоядерные установки, к сожалению, будут дороже топливных. С учетом ущерба, нанесения земельным, водным и биологическим ресурсам, более дорогим оказываются освоение гидроэнергии рек, а также морского прилива, течение волн, ветра и температурного перепада в океане. К тому же, потенциальные ресурсы всех перечисленных источников энергии, за исключением последнего, несравненно меньше петротермальных ресурсов.

Однако доли петротермальной энергии в мировом и отечественном топливно-энергетических балансах пока весьма мал. Известно, что на работу по управлению реакцией термоядерного синтеза в мире ежегодно расходуется не менее миллиарда долларов, на развитие солнечной энергии – согни миллионов, а на овладение геотермальной энергией лишь десятки миллионов.

Технические средства и процессы добычи, обработки и доставки петротермальных теплоносителей к их потребителю следует рассматривать как важную часть высокоэффективной технологии, которая располагает современной техникой, опытом и квалифицированными кадрами, необходимыми для освоения всей совокупности неисчерпаемых топливно-энергетических ресурсов Земли.

Основную трудность при освоении тепловой энергии Земли представляет строительство глубоких и сверхглубоких скважин, являющихся каналом для вывода теплоносителя на поверхность. В связи с высокой температурой на забое (при 200–250°С традиционные породоразрушающие инструменты малопригодны для работы) предъявляются особые требования буровым и обсадным трубам, цементным растворам, технологии бурения, крепления и заканчивания скважин. Отечественная измерительная техника, серийные эксплуатационная арматура и оборудование выпускаются в исполнении, допускающем температуры не выше 150–200°С. Традиционное глубокое бурение скважин подчас затягивается на годы и очень дорого. Строительство скважин из-за высокой плотности пород, рельефа местности, других параметров не всегда доступно.

Таким образом, пока еще малую роль петротермальных ресурсов в экономике можно объяснить незначительным вниманием, уделяемым им, и небольшими средствами на их освоение. Этого хватает для использования малой доли ресурсов энергии недр в виде общепринятой сегодня низкоэффективной фонтанной технологии.
Следовательно, решить эту проблему можно и нужно лишь путем создания прогрессивной технологии разработки основной части петротермальных ресурсов, т.е. извлечения энергии горячих пород.

Технически доступной глубинная тепловая энергия Земли может стать только при создании высокоэффективной технологии строительства глубоких и сверхглубоких геотермальных скважин. В основных производственных фондах стоимость скважин составляет 70–90%.
Проблемой извлечения и использования неисчерпаемой глубинной тепловой энергии горячих пород Земли на территории России наша группа российских ученых и специалистов занимается не один год. Целью работы группы – создание на основе отечественных передовых технологий высокоэффективных технических средств для глубокого и сверхглубокого проникновения в недра земной коры. В настоящее время разработано несколько вариантов буровых снарядов (БС) "ноу-хау". Такие буровые снаряды создаются впервые. Аналогов в мировой практике нет. Работа первого варианта БС связана с действующей традиционной технологией бурения скважин. Скорость бурения твердых пород (средняя плотность 2500–3300 кг/м3) до 30 м/ч, диаметр скважины 200–500 мм.

Второй вариант БС осуществляет бурение скважин в автономном и автоматическом режиме. Запуск БС осуществляется со специальной пускоприемочной установки, с которой и ведется управление его движением. Этот снаряд сможет пройти в твердых породах 1000 м в течение нескольких часов. Диаметр скважины от 500 до 1000 мм.
Варианты БС многоразового использования обладают большой экономической эффективностью и огромным потенциалом. Внедрение их в производство позволить открыть новый этап в строительстве глубоких и сверхглубоких скважин и обеспечить доступ к неисчерпаемым источникам тепловой энергии Земли.

Глубина скважин определяется петротермальными условиями и требованиями потребителя в энергетике. Для нужд теплоснабжения необходимая глубина скважин на всей территории страны лежит в пределах 3–4,5 км и не превышает 5–6 км.
Выработка электроэнергии в широких масштабах потребует создание циркуляционных систем со скважинами на глубине 7–9 км.

Температура теплоносителя для нужд жилищно-коммунального теплоснабжения не выходит за пределы 150°С. Для промышленных объектов температура, как правило, не превышает 180–200°С, а для выработки электроэнергии – 220–250°С.
Новая высокоэффективная технология потребует строительства глубоких и сверхглубоких нагнетательных и эксплуатационных скважин и создания между ними циркуляционных систем на глубине 5–9 км. Для сообщения между скважинами можно использовать естественный проницаемый пласт или создается искусственный коллектор с серией вертикальных трещин гидроразрыва, возможно внедрение других технологий. ГТЦС могут создаваться любой тепловой мощности. Продолжительность эксплуатации таких циркуляционных систем 40 лет и более. На основе постоянных ПЦС планируется строительство в широких масштабах тепловых станций (ПетроТС), электростанций (ПетроЭС) и теплоэлектростанций (ПетроТЭС). Станции строятся максимально приближенными к потребителю и по мощности, в зависимости от потребности тепла и электроэнергии, могут быть различными.

Мощность петротермальных паровых турбогенераторов (выпускаемых промышленностью): 1–5; 10–20; 25; 30; 50; 75; 100 МВт.
Мощность (электрическая) петротермальных теплоэлектростанций: 1–5; 10–20; 25–100; 100–300; 300–500; 500–1000 МВт.
Тепловая мощность ГЦС, кВт – любая.
Теплоноситель – пар, вода.

Районы обеспечения потребителей теплом ограничиваются радиусом – 10–15 км. В особо благоприятных условиях обеспечение потребителей теплом может достигать – 25–50 км.
Себестоимость получаемой электроэнергии и тепла на станциях, использующих тепло "сухих" горных пород может быть в 3–6 раз ниже получаемой электроэнергии и тепла на станциях, построенных по традиционной технологии геотермальных скважин.
Конструктивная простота ПетроТЭС, ПетроЭС и ПетроТС значительно упрощает их строительство и эксплуатацию. Наземная часть станций осуществляется в каркасном или комплектно-блочном (мобильном) исполнении.

Цель создания таких станций – обеспечение постоянными, доступным дешевыми теплом и электроэнергией отдаленных, труднодоступных неосвоенных и нуждающихся в энергетике районов РФ.
Срок окупаемости геотермальных тепло- и электростанций 3 года.
Две трети территории России вполне возможно снабдить таким станциями.

Надо полагать, что это один из главных источников энергии в ближайшем будущем. Поэтому, Российской Федерации как арктическому государству развитие такого потенциала энергии крайне необходимо.
Создание новой отрасли дает возможность экономить около одного миллиарда тонн органического топлива в год. Экономия может составить
3–5 трлн. руб.

В срок до 2030 г. возможно создать энергетические мощности по замене до 30% огневой энергетики, а до 2050 г. почти полностью исключить органическое сырье в качестве топлива из энергетического баланса Российской Федерации.
Развитие промышленной петротермальной энергетики является уникальным в своем роде процессом в мировой энергетике.

Неисчерпаемая тепловая энергия Земли – основа будущей энергетики.
Для страны она может стать постоянным, надежным источником обеспечения дешевыми и доступными электроэнергией и теплом при использовании новых высоких, экологически чистых технологий по ее извлечению и поставки потребителю. Петротермальная энергетика – это фундамент обеспечения безопасности России, её дальнейшего и интенсивного экономического развития различных областей промышленности, сельского хозяйства транспорта и коммунально-бытовой сферы в отдаленных и неосвоенных районах страны, других районах РФ, нуждающихся в дешевой и стабильной энергетике.

Статья опубликована на сайте Национального союза энергосбережения.