Новости

Новости

Пар или горячая вода - модель


В большинстве геотермальных систем глубокие скважины (свыше 500 м) достигают горячих вод в жидком состоянии, однако в трех случаях — в Лардерелло, Италия, в Гейзерах, Калифорния, и в Мацукава, Япония, — скважины, пробуренные на большой площади, постоянно дают пар при температурах приблизительно 230—250° С. В этих полях пар был изначально насыщенным, и в некоторых случаях из скважин выходила в незначительном количестве вода, однако вследствие быстрой смены условий скважины начинали затем давать сухой пар. Эти области были описаны Уайтом с соавторами как системы, в которых доминирует пар.
В геотермальных системах горячих вод, расположенных в породах с низкой проницаемостью, значения энтальпии разгрузки отдельных буровых скважин могут постоянно возрастать до тех пор, пока не начинает выходить в некоторых случаях только пар или пар, содержащий крайне незначительное количество воды. Высокие скорости разгрузки, несомненно, способствуют образованию в непосредственной близости от скважины преимущественно паровых или газовых карманов.
Модели, объясняющие поведение таких паровых систем, как Лардерелло или Гейзеры, были предложены Джеймсом и Уайтом с соавторами. На рис. 13.2 показано равновесие, существующее в геотермальных системах между фазами пара и воды.

Метеорные воды, проникающие до глубин в несколько километров, поглощают тепло и по естественным трещинам вновь поднимаются вверх, т. е. следуют по пути ABCD. Они входят в одну или несколько чередующихся зон повышенной проницаемости DE, в которых на соответствующей глубине может доминировать или вода, или пар в зависимости от относительной проницаемости на пути восходящего течения CD и вдоль пути естественного истекания EF. Истекание вдоль пути EF зависит от проницаемости породы и давления верхней части зоны DE. В полностью жидкой системе на участке DE действует «термоартезианское» давление, определяемое различной плотностью воды в колоннах горячих и холодных вод; в любой точке общее давление превышает давление насыщенного пара при данной температуре воды. Количество воды, истекающей через зону EF, не может превысить количество воды, втекающей по пути CD, иначе полностью жидкая система не будет существовать. Если же такое превышение произойдет, в зоне повышенной проницаемости образуется паровая фаза и давление пара будет возрастать до тех пор, пока количество вещества, выходящего через зону EF, не уменьшится, сравнявшись с количеством втекающей воды. В последнем случае возникнет динамическое равновесие, при котором уровень горячих вод в проницаемом горизонте понизится; вода будет находиться в состоянии кипения, и в ней установятся циклы конвекции. Пар конденсируется на более холодной поверхности перекрывающей «шапки» пород, создавая условия насыщенного пара в преимущественно газовой части системы. Температура на верхних уровнях зоны пара не должна намного превышать 236° С независимо от температуры воды, поскольку насыщенный пар характеризуется максимальной энтальпией именно при этой температуре.
Скважина, подобная GH, пробуренная в проницаемую зону, нарушает природное равновесие. Если она вскрывает естественную зону, в которой доминирует газ, то в первую очередь происходит разгрузка насыщенного пара, но давление пара снижается постепенно. Так как наибольшее количество тепла, имеющегося в резервуаре, находится в породах, то температура пара подвергается лишь слабому изменению, что приводит к тому, что поток пара становится «сухим» или перегретым.
Скважина, пересекающая воду в жидком состоянии, может обеспечить дальнейшую разгрузку воды с высокими параметрами выхода при условии, что значения восходящего течения и проницаемостей резервуара окажутся высокими. В общем случае проницаемость может стать низкой или произойдет местное опускание уровня воды в зоне резервуара (как показано), и через скважину начнется разгрузка возрастающего относительного количества пара.
На рис. 15.3 представлен поперечный разрез поля Бродлендс, позволяющий сравнить природные условия с модельными. Залегающие в основании граувакки и перекрывающие их игнимбритовые породы характеризуются в целом низкой проницаемостью, за исключением трещинных зон. Вышележащий комплекс пород представлен пемзовыми пирокластическими породами и древними озерными отложениями, переслаивающимися с непроницаемыми потоками риолитов и игнимбритов. Существует два водоносных горизонта: формация Уайора, состоящая из пемзовых туфобрекчий и осадочных отложений, и пемзовая брекчия Раутавири, а риолиты Охаки и вышележащие озерные отложения Хука образуют структуру «шапки». Активный секущий разлом приводит к созданию зон трещиноватости с высокой проницаемостью, и буровые скважины, пересекающие зоны разлома, характеризуются высокими скоростями разгрузки (приблизительно 250 т/ч). Несколько скважин с открытыми отверстиями обсадных труб, пройденных в горячих породах с низкой проницаемостью, характеризуется относительно меньшей разгрузкой: происходит разгрузка то преимущественно водой, то преимущественно паром с периодичностью их смены в несколько недель или месяцев.