Рукотворный котёл в недрах

Геотермальные ресурсы делятся на гидротермальные и петротермальные. Гидротермальная энергетика нацелена на добычу тепла подземных вод естественного происхождения. Петротермальная - на отбор тепла от глубинных горных пород.

Гидротермальная технология проста в реализации и потому более распространена. Однако она применяется только там, где имеются подходящие геотермальные воды, например в зонах вулканической активности. Не удивительно, что из всех пригодных для использования геотермальных ресурсов Земли гидротермальные составляют лишь около 1%, тогда как остальные 99% приходятся на петротермальные. Их можно задействовать практически в любом месте. Кроме того, петротермальная технология обладает такими преимуществами, как безотходность, экологическая безопасность и сравнительно низкая стоимость строительства и эксплуатации электростанций.

Копайте глубже

Возможности петротермальных систем ограничиваются низким энергетическим потенциалом пород на глубинах до трёх километров, хорошо освоенных буровиками. Для целей теплоснабжения достаточно температуры теплоносителя в пределах 150 °C, однако в большинстве регионов такая температура доступна лишь на глубине 6 км и только в немногих местах - на трёхкилометровой глубине. Между тем для работы ТЭС необходима температура 250-280 °C, что соответствует глубине в 10 км. Бурение таких скважин обходится очень дорого, так что петротермальные станции нередко оказываются неконкурентоспособными.

Сланцевая нефтедобыча, которая произвела революцию в отрасли за океаном, стала возможной благодаря развитию технологий наклонно-направленного бурения и гидроразрыва пласта. Возникает закономерный вопрос: можно ли с их помощью произвести революцию и в геотермальной энергетике?

Поясним, что в нефтедобыче наклонно-направленное бурение используется в первую очередь для сокращения затрат. Конечно, наклонная скважина и тем более скважина с горизонтальным окончанием получается благодаря точной подземной навигации и потому обходится намного дороже традиционной вертикальной. Зато наклонно-направленное бурение позволяет пройти через тонкие нефтеносные пласты от края до края, получив максимальный дебит с каждой скважины. Кроме того, используя эту технологию, можно при обустройстве месторождения обойтись минимальным числом кустовых площадок, то есть сэкономить на строительстве дорог, шламонакопителей, линий электропередачи, промысловых трубопроводов. Подобные технологии неплохо отработаны в нефтегазе, но ещё не приспособлены к нуждам геотермальной энергетики.

Проверить на практике

Семнадцатого июня «подземная обсерватория» Utah FORGE (Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy), исследующая возможность «геотермальной революции», сообщила об успешной стимуляции наклонно-направленной скважины внутри гранитной породы. Эксперименты по строительству искусственного петротермального резервуара проводятся в Минеральных горах в юго-западной части штата Юта.

«Земля - это огромная горячая батарея, разогреваемая благодаря распаду радиоактивных элементов, - объясняет профессор Университета штата Юта Стюарт Симмонс. - Высокопотенциальные геотермальные ресурсы с температурой до 330 °C обычно используются для выработки электроэнергии с применением промежуточного теплоносителя, а более холодные ресурсы с температурой ниже 150 °C задействуются напрямую во многих сферах, в том числе в местных системах отопления и охлаждения».

Стимуляция скважины в «подземной обсерватории» достигнута путём трёхстадийного гидроразрыва пласта, который проводили десять дней. В результате создана сеть трещин в горячей гранитной породе. Через них вода будет просачиваться от нагнетательной скважины к добывающей, разогреваясь по пути. «Это ключевой шаг к созданию петротермальных резервуаров, которые позволят повсеместно использовать энергию недр», - протрубил офис геотермальных технологий при Минэнерго США.

Проект Utah FORGE стоимостью 220 миллионов долларов был запущен в 2015 году. Создаваемая в его рамках «подземная обсерватория» призвана обеспечить тестирование методов строительства искусственных геотермальных систем и ускорить внедрение сопутствующих технологий.

Искусственная геотермальная система

Петротермальный резервуар может быть создан там, где температура недр составляет 175-300 °C, а залегающие породы обладают низкой проницаемостью и/или слабо насыщены флюидами. При создании системы проницаемость пород повышается с помощью хорошо проработанных в нефтедобыче методов стимуляции притока, которые открывают изначально имеющиеся в породе трещины и создают новые. Причём не только между добывающими и нагнетающими скважинами, но и между слоями разной глубины. В результате пластовые флюиды могут лучше циркулировать, помогая переносу тепла из недр к поверхности.

В процессе эксперимента в наклонно-направленную скважину длиной 3350 метров было закачано под давлением около пятисот кубометров воды. Закачка производилась в три приёма. После четырёхчасового интервала устье скважины было открыто и из него в управляемом режиме выпустили горячую воду. В ходе эксперимента при высоких температурах и давлениях в скважине были испытаны мостовые пробки. Эксперимент признан успешным.

Шаг за шагом

На начальном этапе проекта с 2015 года несколько команд учёных анализировали геологическую модель недр в предгорье Минеральных гор на площади порядка сорока квадратных километров. В 2018-м выбрали две площадки и оформили разрешение на работы. Текущий этап проекта предусматривает строительство скважин. Проходка первой скважины заняла 84 дня и завершилась в марте 2021-го. Несмотря на технически сложную задачу (прорезать твёрдый абразивный гранит), скорость бурения была на 40% выше плановой. Бурильная колонна сначала опустилась вертикально до глубины 1800 метров, затем плавно изогнулась, отклонившись от вертикали на 65°, а далее двигалась по прямой, пока длина колонны не составила 3350 метров. «В итоге скважина достигла глубины 2610 метров, где температура превышает 226 °C», - сообщили исследователи.

На конец текущего года и начало следующего запланировано строительство второй скважины, которая пройдёт параллельно первой. По плану их объединят общей системой трещин, полученных в результате гидроразрыва пласта, так что потребуется необыкновенная точность. После этого начнётся проверка циркуляции и других свойств искусственного геотермального резервуара.

Завершение проекта намечено на 2025 год, когда основные усилия исследователей «будут нацелены на оптимизацию бурения, тестирование режимов прокачки воды, визуализацию процессов для обеспечения постоянной циркуляции теплоносителя», - отметили в Национальной лаборатории энергетических технологий.