Геотермальные источники: что это такое, механизм образования, виды

что это такое, механизм образования, виды

Горячая вода, поступающая из недр земли – это захватывающее природное явление и богатый сырьевой ресурс, приносящий в том числе и пользу для оздоровления людей. Геотермальные источники отличаются от подземных ключей и родников более высокой температурой выходящих вод, в которых, к тому же, может содержаться более половины всех элементов таблицы Менделеева.

Что такое термальные источники и как они выглядят

Под землей на глубине 1 км температура горных пород достигает 30°С и она повышается в среднем на 3°С через каждые 100 м. Более мощный тепловой поток из недр создается в зонах разломов земной коры, активного вулканизма, высокой сейсмичности. Нагретые горные породы повышают температуру подземных вод.

Естественный теплоноситель после длительного путешествия изливается естественным путем. Так рождаются термальные источники — горячие подземные воды в жидком или парообразном состоянии, выходящие на поверхность Земли.

Как правило, показатели температуры таких источников выше по сравнению с температурой окружающей среды. Это основное отличие от неглубоко залегающих грунтовых вод, выходящих на поверхность земли в виде родников, ключей, ручьев, температурные показатели которых обычно находятся в диапазоне от 5 до 15°С.

Виды термальных источников

Термальные воды подразделяются на группы в зависимости от температуры:

• от 20 до 37°C – теплые или субтермальные;
• от 37 до 50°С – горячие;
• от 50 до 100° – очень горячие или гипертермальные.

Кроме того, вода может быть перегретой (150°С). Специалисты американского Центра геофизических данных предлагают считать теплым источник с температурой от 20 до 50°C.

В регионах активного вулканизма наблюдаются необычные природные явления. Например, гейзер — особый термальный источник, периодически возникающий и пропадающий. Вода глубоко просачивается, контактирует с магматической камерой и, сильно нагреваясь, вырывается наружу.

Гейзер

Обычно в природных источниках вода спокойно выходит из земли. Если большой резервуар над магмой соединен с поверхностью узким каналом, то давление в нем периодически возрастает. Легкий паро-водяной пузырь выталкивается в виде струи через определенные промежутки времени, составляющие несколько минут, часов, месяцев или лет. Вода нагревается до температуры 100–104°С, а высота столба может достигать 100 м.

Две трети всех существующих в мире гейзеров фонтанируют в Йеллоустоунском национальном парке США. Извержения столбов воды и пара можно наблюдать в Исландии, Новой Зеландии, Японии, Чили, Перу. На Камчатском полуострове находится знаменитая Долина гейзеров (частично разрушена оползнем).

Помимо гейзера существуют и другие геотермальные явления:

• фумарола — струя водяного пара и дыма из трещины в горных породах. Явление обычно наблюдается в районах активного вулканизма;
• сольфатара — испарение с очень высокой температурой (100–300°С) в кратере и на склонах вулкана, содержащее водяной пар, диоксиды серы и углерода, сероводород;
• термальное озеро (ванна) — горячий источник с температурой до 100°С;
• грязевой бассейн — небольшое природное углубление с пузырьками воды, вспенивающими осадочные породы на поверхности;
• мофет — природный колодец (отверстие), трещина, из которой выделяется струя водяного пара, насыщенная углекислым газом, азотом, взрывоопасными метаном и водородом (температура смеси 100°С и ниже).

Термальное озеро

Горячие источники отличаются по минерализации, химическому составу. Они могут быть гипотоническими, изотоническими и гипертоническими в зависимости от концентрации минеральных веществ. Термальные воды в районах активного вулканизма, содержащие много кремнезема, обычно прозрачные. Источник горячей воды с высоким содержанием серы чаще всего выглядит как лужа кипящей грязи. Часто она имеет желтоватый цвет.

Минеральные источники природной горячей воды нередко содержат повышенные количества токсичных веществ. Это создает проблемы для оздоровительного использования, получения тепла и электроэнергии.

Механизм нагрева термальных вод

Геотермальная энергия — естественное тепло недр, которое передается от мантии горным породам в составе земной коры. В районах активного вулканизма расплавленная магма сильнее нагревает горные породы, проникает через пустоты и трещины близко к поверхности. Магматический расплав подогревает подземные воды. Рождаются гейзеры, фумаролы и сольфатары.

Есть объяснение того, откуда берутся горячие источники в невулканических регионах. Подземные воды проникают на глубину 1 км и более, нагреваются и выносятся на поверхность в результате естественной циркуляции.

Если пробурить геотермальную скважину, то горячие подземные воды выходят на поверхность. Такой искусственный канал иногда похож на гейзер.

Использование вод термальных источников

История применения человеком геотермальной энергии насчитывает почти 20 веков. Подземные воды с температурой 50–80°С, которые естественным образом выходили на поверхность, наши предки использовали для обогрева, приготовления пищи, купания. Есть свидетельства о гигиеническом и целебном эффекте бассейнов с горячей водой в Китае с эпохи палеолита, наличии общественных бань (термальных ванн) в Липари (Италия) в 2000 г. до н.э.

Лечебное действие термальных вод не утратило своей актуальности и сегодня. В бальнеологии используется горячая природная вода с температурой до 50°С. Она оказывает противовоспалительное, успокаивающее, регенерирующее влияние на кожу, а через нее — на органы, системы и организм в целом.

Термальные воды применяются не в острой фазе заболеваний, а на стадии компенсации, а также для профилактики. Их применение рекомендовано при болезнях респираторного тракта, легких, опорно-двигательного аппарата, кожи, патологиях сердца и сосудов, нервной и эндокринной систем.

Огромная польза для организма человека заключена в горячих источниках с благоприятным минеральным составом. Сероводородные и углекислые ванны помогают при хроническом бронхите и недостаточности кровообращения, бронхиальной астме.

Французские, итальянские и другие европейские курортные города с термальными источниками пользуются популярностью у туристов и отдыхающих со всего мира. Выпускается косметика на основе термальной воды: спреи, целые линии для ухода за кожей.

Первый опыт использования горячих источников для производства электроэнергии пришелся на конец XIX и начало XX веков. Геотермальная энергия и сейчас применяется для обогрева зданий и выработки электроэнергии в Италии, Франции, Исландии, США, на востоке России. Крупнейшие ГеоЭС по своей мощности сопоставимы с небольшими гидроэлектростанциям, ТЭЦ и АЭС.

Интересные факты

Недалеко от города Сатурния (Тоскана, Италия) вода с температурой выше 80°С стекает с небольших скальных уступов в естественное углубление. Термальный источник выглядит как невысокий водопад, над которым клубится пар.

На вулканическом острове Сан-Мигел в составе Азорского архипелага земная кора очень тонкая. Родниковая вода выходит на поверхность и бурлит, потому что ее температура близка к точке кипения (98°). В разных регионах есть природные термальные источники и озера в пещерах, подземные резервуары теплой воды и пара на доступной глубине.

На Камчатке (Россия), в Исландии, Новой Зеландии и Калифорнии (США) горячие источники выходят на поверхность в виде газо-водяного столба. Фонтан пара можно наблюдать в Ладерелло (Италия).

Геотермальные источники — это не то же самое, что родники минеральной воды. «Термальный» означает теплый, а «гео» – земной. Вода нагревается в недрах Земли, поступает вверх. В зависимости от характера выхода на поверхность различают гейзеры, бассейны, озера. Направления использования таких источников самые разные. Это оздоровление и отдых людей, получение тепла для отопления зданий, выработка электроэнергии, а также получение различных химических веществ.

что это такое, источники, плюсы и минусы

Кто не мечтает хотя бы раз в жизни найти клад. И мало кто подозревает, что драгоценные ресурсы находятся прямо у нас под ногами. Мы владеем величайшим богатством – геотермальной энергией.

Вы видели когда-нибудь гейзер?

ДаНет

Геотермальная энергия – тепло, исходящее из земли, это естественный, возобновляемый ресурс для производства электричества. Тепло Земли по объемам неисчерпаемо, оно в миллионы раз превышает все энергетические ресурсы вместе взятые.

Даже 1% энергии Земли заменяет не одну сотню электрических станций. Осталось только научиться использовать ее.

Геотермальная энергия – одна из самых перспективных в мире.

Геотермальные источники энергии

Геотермальная энергетика не изобретена человеком. Тепловой энергией наделен сам земной шар с момента возникновения планеты.

Нередко нагретые от природы подземные водоемы располагаются очень близко к поверхности. В таком случае геотермальное тепло визуально определяется невооруженным глазом. Это извергающаяся лава вулканов, геотермальные источники – гейзеры.

Преимущества геотермальной энергии в том, что запасы такого тепла в 10 раз превышают запасы органических ископаемых, основного топлива планеты.

Особенности использования геотермальной энергии

В теории неисчерпаемых ресурсов энергии планеты хватит на нужды человеческой цивилизации. Но на практике мы встречаем проблемы с добычей и переработкой геотермальной энергии. Так первоначальные вложения составляют от 200 до 5000 долларов на 1КВт мощности.

Плюсом считается бесплатный теплоноситель. Для сравнения на ТЭС и АЭС затраты на энергопотребление составляют от 50 до 80%.

Геотермальная энергетика: откуда берется энергия?

Применение геотермальной энергии отталкивается от исходной температуры. Теплоноситель, нагретый естественным образом до +30 – +1000С пригоден для отопления без дополнительной трансформации. Вода, пар высокой температуры применяются для выработки электричества.

Принцип работы термальной электростанции похож на устройство ТЭС. Рабочим элементом в обоих случаях служит нагретый пар. А вот методы нагрева различаются. На теплоэлектростанциях воду в пар превращают, используя для нагрева уголь, мазут или природный газ. Термальные установки и теплоноситель берут уже готовым.

Петротермальная энергетика

Верхние слои почвы прогреваются или промерзают естественным образом под воздействием солнечного тепла или при его отсутствии. Играют роль и другие внешние факторы.

Чуть глубже температура держится на одном уровне независимо от солнечной активности. Это ощущали многие, кто спускался в пещеры или подземелья.

Основную роль начинает играть раскаленное земное ядро. Геотермальная энергетика основана на увеличении температуры Земли по мере погружения внутрь. Температура в среднем увеличивается на 2,5 0С каждые 100 метров. В горнодобывающих шахтах жарко, температура держится в пределах 300С.

В цифрах это выглядит следующим образом:

• на глубине 5 км t=1250C;
• 10 км t=2500C;
• 100 км t=15000C;
• 400 км t=16000C;
• 600 км (ядро земли) t=50000C.

Суть петротермальной энергетики:

Чтобы получить тепло из недр земли бурят две скважины. В одну закачивают воду. Под воздействием температуры она испаряется, пар перетекает во вторую скважину, из которой извлекается уже в виде электроэнергии.

При кажущейся простоте геотермальная энергетика остро ставит проблему рентабельности. Сложность заключается в подъеме глубинного тепла на поверхность и использовании отработанной воды.

Гидротермальная энергетика

Иногда проблему добычи геотермальной энергии решает сама природа. Нагретые вода или пар – естественный теплоноситель – выходят на поверхность или залегают на небольшой глубине. При этом их температура хоть не на много, но выше окружающего воздуха.

Это и есть геотермальная энергия. Она пригодна для отопления, но встречается в природе реже чем петротермальная, которая присутствует везде, но добывать ее гораздо труднее.

Ресурсы гидротермальной энергии в 100 раз ниже. Соответственно, 35 и 3500 триллионов тонн топлива.

Сферы применения

Эксплуатация геотермальной энергии началась еще в XIX веке. Первым был опыт итальянцев, живущих в провинции Тоскана, которые использовали теплую воду источников для отопления. С ее же помощью работали установки бурения новых скважин.

Тосканская вода богата бором и при выпаривании превращалась в борную кислоту, бойлеры работали на тепле собственных вод. В начале XX века (1904 год) тосканцы пошли дальше и запустили электростанцию, работающую на водяном паре. Пример итальянцев стал важным опытом для США, Японии, Исландии.

Сельское хозяйство и садоводство

Геотермальная энергия используется в сельском хозяйстве, в здравоохранении и быту в 80 странах мира.

Первое, для чего применяли и применяют термальную воду, это обогрев теплиц и оранжерей, что дает возможность получать урожай овощей, фруктов и цветов даже зимой. Теплая вода пригодилась и при поливе.

Перспективным направлением у сельхозпроизводителей считается выращивание сельскохозяйственных культур на гидропонике. Некоторые рыбхозяйства используют подогретую воду в искусственных водоемах, для разведения мальков и рыбы.

Эти технологии распространены в Израиле, Кении, Греции, Мексике.

Промышленность и ЖКХ

Больше века назад горячий термальный пар уже был основой для выработки электричества. С тех пор он служит промышленности и коммунальному хозяйству.

В Исландии 80% жилья отапливаются термальной водой.

Разработано три схемы производства электричества:

1. Прямая, использующая водяной пар.
   Самая простая: применяется там, где есть прямой доступ к геотермальным парам.
2. Непрямая, использует не пар, а воду.
   Она подается в испаритель, преобразуется в пар техническим методом и направляется в турбогенератор.

Вода требует дополнительной очистки, потому что содержит агрессивные соединения, способные разрушить рабочие механизмы. Отработанный, но еще не остывший пар пригоден для нужд отопления.

3. Смешанная (бинарная).
   Вода заменяет топливо, которое подогревает другую жидкость с более высокой теплоотдачей. Она приводит в действие турбину.

В бинарной системе задействована турбина, которая активируется энергией нагретой воды.

Используют гидротепловую энергетику США, Россия, Япония, Новая Зеландия, Турция и другие страны.

Геотермальные системы отопления для дома

Для отопления жилья пригоден носитель тепла, нагретый до +50 – 600С, таким требованием соответствует геотермальная энергия. Города с населением в несколько десятков тысяч человек могут отапливаться теплом земных недр. В качестве примера: отопление города Лабинск Краснодарского края работает на естественном земном топливе.

Схема геотермальной системы для отопления дома

Не нужно тратить силы и время на подогрев воды и строить котельную. Теплоноситель берут напрямую из гейзерного источника. Эта же вода подходит и для горячего водоснабжения. В первом и во втором случае она проходит необходимую предварительную техническую и химическую очистку.

Полученная энергия обходится вдвое-втрое дешевле. Появились установки для частных домов. Стоят они дороже, чем традиционные топливные котлы, но в процессе эксплуатации оправдывают затраты.

Преимущества и недостатки использования геотермальной энергии для отопления дома.

Крупнейшие производители геотермальной энергии

В использовании геотермальная энергия по объемам уступает другим разрабатываемым восполняемым энергетическим ресурсам. Но там, где иные полезные ископаемые отсутствуют или нет возможности их использовать, при поддержке государственных программ она получила основное развитие.

Геотермальная энергетика распространена в странах Юго-Восточной Азии, Восточной Африки и Центральной Америки.

Однако страны, использующие геотермальную энергию, есть в разных частях света.

• В Европе – Исландия, Италия, Франция, Литва.
• В Америке – США, Мексика, Никарагуа, Коста-Рика.
• В Азии – Япония, Китай, Филиппины, Индонезия, Таджикистан.
• В Африке – Кения.
• В Австралии – Новая Зеландия.

Энергию горячих источников дают вулканизированные территории Земли. Это Камчатка и Курилы, Японские и Филиппинские острова, горные системы Кордильер и Анд.

Крупнейший на сегодня страна-производитель, которая обладает запасами геотермальной энергии, это Соединенные Штаты Америки. В Штатах построено 77 ГеоТЭС. За короткое время с момента разработок и начала эксплуатации страна стала экспортером энергии и самих технологий.

Знаменитая и самая мощная группа термальных электростанций (22 штуки) называется «Гейзерс», находится она в 100 километрах севернее Сан-Франциско. Другие промышленные энергетические зоны построены в Неваде и Калифорнии.

В Филиппинах треть электроэнергетики подземная. 3 позиция в мире принадлежит Мексике.

Освоение перспективных технологий в этом разделе энергетичекой отрасли связывают с Исландией. На ее территории почти 3 десятка действующих и потухших вулканов, что и обуславливает специализацию энергопроизводства.

Геотермальная энергия в Исландии составляет 25-30% от производимой. Энергетика страны пользуется горячими гейзерными источниками, которые здесь представлены в изобилии. Так главный город государства Рейкьявик обслуживается электростанцией такого принципа действия, а всего их в государстве пять.

Исландия – эталон экологического устройства жизни на планете, так как основную часть энергии берет из Земли, а в остальном использует возобновляемую энергию воды.

Кроме этого прирученное тепло земли помогло Исландии за короткое время из экономически отсталой страны превратиться в стабильное процветающее государство.

Перспективы освоения геотермальных ресурсов в России

Геотермальную энергетику в России использовали с середины прошлого века. Первая паровая геотермальная электростанция заработала еще в 1967 году на Камчатке (Паратунская ГеоТЭС). Камчатка для России – передовой край подобных разработок. 40% электроэнергии, производимой на Камчатке, это результат преобразования подземного тепла. Ее потенциал оценен в 5000 МВт.

Использование геотермальной энергии в России промышленным способом практикуют на 20 месторождениях. Всего их разведано 56.

Самые известные территории месторождений:

• Камчатка;
• Ставропольский край;
• Краснодарский край;
• Дагестанская республика;
• Карачаево-Черкесская республика.

Большие запасы открыты на Кавказе: Ингушетия, Чечня, Осетия, Кабардино-Балкария, Закавказье. В Кавказском регионе используется тепловая энергия подземных вод. На Камчатке строятся геоэлектростанции.

В России тепло земных недр имеет серьезную конкуренцию – месторождения нефти, газа, каменного угля, а также лесные угодья.

Геотермальные электростанции прекрасная альтернатива традиционным методам получения энергии.

Геотермальная энергетика и дальше будет развиваться в регионах, относящихся к «огненному поясу Земли». А в будущем передовые страны направят энергопотребление в сторону освоения петротермального ресурса, который теоретически можно использовать в любой точке планеты.

Геотермальная энергия имеет прямую географическую зависимость и концентрируется в зонах с тектоническими трещинами горных массивов и сейсмической активностью. Поэтому в общей массе энергетики ее доля составляет всего лишь 1%, а в некоторых регионах повышается до 25-30%.

Технологически производство геотермальной энергии намного проще, чем выработка ветряной и солнечной электроэнергии. Дальше она будет распространяться и расти, так как имеет высокие показатели доступности и экологичности. Это при том, что альтернативные источники традиционной энергии неуклонно дорожают, рано или поздно будут исчерпаны и просто не останется иного выхода.

как тепло Земли превратили в эффективный энергоресурс / Блог компании Toshiba / Хабр

Дано: внутри Земли имеется горячее ядро, с его помощью нужно выработать электричество.
Вопрос: как это сделать?
Ответ: построить геотермальную электростанцию.

Разбираемся, как именно, откуда под землёй пар и много ли пользы от такой электростанции.

Самый старый и самый популярный на сегодняшний день метод получения электричества в промышленных масштабах — это вращение турбины генератора мощным потоком горячего пара от вскипевшей из-за принудительного разогрева воды. Если вдуматься, то и в угольной ТЭС, и в современной АЭС суть работы сводится к кипячению воды с той лишь разницей, что в ТЭС для этого сжигается уголь, а в реакторе АЭС её кипятят нагревающиеся в результате управляемой цепной реакции ТВЭЛы.

Но зачем греть воду, если в некоторых местах она поступает из-под земли уже горячей? Нельзя ли использовать её напрямую? Можно: в 1904 году итальянец Пьеро Джинори Конти запустил первый генератор, работавший от пара естественных геотермальных источников, в изобилии присутствующих в Италии. Так появилась первая в мире геотермальная электростанция, которая работает до сих пор.

Впрочем, чтобы обеспечить геотермальной электростанции приемлемые КПД и стоимость, нужна вода определённой температуры, находящаяся не глубже определённого уровня. Если вы захотите построить геотермальную электростанцию (скажем, на своём дачном участке), вам для начала придётся заняться бурением скважин до водоносных слоёв, где вода под огромным давлением разогревается до 150-200 °C и готова выйти на поверхность в виде перегретого кипятка или пара. Ну а далее, подобно электростанциям на ископаемом топливе, поступающий пар будет вращать турбину, которая приведёт в действие генератор, вырабатывающий электричество. Использовать естественное тепло планеты для получения пара — это и есть геотермальная энергетика. А теперь перейдём к деталям.

Немного о тепле Земли

Температура поверхности твёрдого ядра Земли на глубине около 5100 км равна примерно 6000 °C. При приближении к земной коре температура постепенно снижается.

Понятный график изменений температуры породы по мере продвижения к центру Земли. Источник: Wikimedia / Bkilli1

Так называемый геотермический градиент — изменение температуры на определенном участке земной толщи, — в среднем составляет 3 °C на каждые 100 метров. То есть в шахте на глубине 1 км будет стоять тридцатиградусная жара —кто бывал в такой шахте, это подтвердит. Но в зависимости от региона температурный градиент меняется — например, в Кольской сверхглубокой скважине на горизонте 12 км была зафиксирована температура 220 °C, а в некоторых местах планеты, у тектонических разломов и зонах вулканической активности, для достижения аналогичных температур достаточно пробурить от нескольких сотен метров до нескольких километров, обычно от 0,5 до 3 км. В американском штате Орегон геотермический градиент 150 °C на 1 км, а в Южной Африке всего 6 °C на 1 км. Отсюда вывод: где угодно хорошую геотермальную станцию не построишь (перед началом работ убедитесь, что ваш дачный участок находится в подходящем месте). Как правило, подходящие места те, где сильная геологическая активность — часто происходят землетрясения и имеются действующие вулканы.

Виды геотермальных электростанций

В зависимости от того, какой источник геотермальной энергии имеется в наличии (скажем, в вашем ДСК), вы будете выбирать тип электростанции. Разберёмся, какие они бывают.

Гидротермальная станция

Упрощенная схема гидротермальной электростанции прямого цикла будет понятна даже ребенку: из земли по трубе поднимается горячий пар, который раскручивает турбину генератора, а после устремляется в атмосферу. Всё действительно так просто, если нам повезло найти подходящий источник пара.

ГеоТЭС прямого цикла. Источник: Save On Energy

Если из имеющейся у вас в наличии скважины бьёт не пар, а пароводяные смеси с температурой выше 150 °C, то потребуется станция комбинированного цикла. Перед турбиной сепаратор будет отделять пар от воды — пар отправится в турбину, а горячая вода либо будет сброшена в скважину, либо перейдет в расширитель, где в условиях низкого давления отдаст дополнительный пар для турбины.

Если вашему дачному посёлку не повезло с горячими источниками — например, если температура воды из-под земли составляет меньше 100 °C на экономически приемлемой глубине, — а ГеоТЭС иметь очень хочется, то потребуется строить сложную бинарную геотермальную станцию, цикл которой был изобретен в СССР. В ней жидкость из скважины вообще не подается на турбину ни в каком виде. Вместо этого в теплообменнике она разогревает другую рабочую жидкость с меньшей температурой кипения, которая, превращаясь в пар, раскручивает турбину, конденсируется и вновь возвращается в теплообменную камеру. В роли таких рабочих жидкостей может выступать, например, фреон, один из видов которого (фтордихлорбромметан) кипит уже при 51,9 °C. Бинарный цикл можно сочетать с комбинированным, когда на одну турбину будет подаваться пар, а отделенная вода направится в другой контур для разогрева теплоносителя с низкой температурой кипения.

ГеоТЭС бинарного цикла. Источник: Save On Energy

Петротермальная станция

Разогретые подземные источники — весьма редкое явление в масштабах планеты, как вы, наверное, могли заметить, что резко ограничивает потенциальную область внедрения геотермальной энергетики, поэтому был разработан альтернативный подход: если в горячей глубине земной коры нет воды, значит, ее нужно туда закачать. Петротермальный принцип подразумевает закачку воды в глубокую скважину с разогретой породой, где жидкость превращается в пар и возвращается обратно на турбину электростанции.

Упрощенная схема петротермальной электростанции

Необходимо пробурить как минимум две скважины: в одну с поверхности будет подаваться вода, чтобы от тепла пород превратиться в пар и выйти через другую скважину. А далее процесс получения электроэнергии будет полностью аналогичен гидротермальной станции.

Естественно, соединить под землей на глубине нескольких километров две скважины нереально — вода между ними сообщается за счет разломов, образующихся в результате закачивания жидкости под огромным давлением (гидроразрыв). Чтобы расщелины и пустоты не закрылись со временем, к воде добавляют гранулы, например, песок.

В среднем одна скважина для петротермального процесса дает поток пароводяной смеси, достаточный для генерации 3-5 МВт энергии. Пока такие системы на промышленном уровне нигде не реализованы, но работы ведутся, в частности, в Японии и Австралии.

Преимущества геотермальной энергетики

Из сказанного выше следует, что использование тепла Земли для получения электричества в промышленных масштабах, предприятие недешёвое. Но весьма выгодное по ряду причин.

Неисчерпаемость. Электростанции на ископаемом топливе — природном газе, угле, мазуте — сильно зависят от поставок этого самого топлива. Причем опасность заключается не только в прекращении поставок из-за бедствий или изменения политической ситуации, но и в незапланированном скачкообразном росте цен на сырье. В начале 1970-х годов из-за политической турбулентности на Ближнем Востоке разразился топливный кризис, который привел к росту цен на нефть в четыре раза. Кризис дал новый толчок развитию электротранспорта и альтернативных видов энергетики. Одним из плюсов использования земного тепла является его практическая неисчерпаемость (в результате действий человека, по крайней мере). Ежегодный тепловой поток Земли к поверхности составляет порядка 400 000 ТВт·ч в год, что в 17 раз больше, чем за тот же период вырабатывают все электростанции планеты. Температура ядра Земли составляет 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300-500 °C за 1 млрд лет. Не стоит беспокоиться о том, что человечество способно ускорить этот процесс бурением скважин и закачкой туда воды — падение температуры ядра на 1 градус высвобождает 2·1020 кВт·ч энергии, что в миллионы раз больше ежегодного потребления электроэнергии всем человечеством.

Стабильность. Ветряные и солнечные электростанции крайне чувствительны к погоде и времени дня. Нет солнечного света — нет выработки, станция отдает запас из аккумуляторов. Ослаб ветер — вновь нет выработки, опять в дело вступают батареи с отнюдь не бесконечной емкостью. При соблюдении техпроцессов по обратной отдаче воды в скважину гидротермальная электростанция будет беспрерывно функционировать в режиме 24/7.

Компактность и удобство для сложных районов. Электроснабжение отдаленных областей с изолированной инфраструктурой — задача непростая. Она осложняется еще больше, если район имеет плохую транспортную доступность, а рельеф не походит для строительства традиционных электростанций. Одним из важных плюсов геотермальных электростанций стала их компактность: так как теплоноситель берётся в буквальном смысле из земли, на поверхности строится машинный зал с турбиной и генератором и градирня, которые вместе занимают очень мало места.

Геотермальная станция с выработкой 1 ГВт·ч/год займет площадь 400 м2 — даже в гористой местности геотермальной электростанции потребуется очень небольшой участок и автомобильная дорога. Для солнечной станции с такой же выработкой потребуется 3240 м2, для ветряной — 1340 м2.

Экологичность. Само по себе функционирование геотермальной станции практически безвредно: её выброс углекислого газа в атмосферу оценивается в 45 кг CO2 на 1 кВт·ч выработанной энергии. Для сравнения: у угольных станций на тот же киловатт-час приходится 1000 кг CO2, у нефтяных — 840 кг, газовых — 469 кг. Впрочем, на атомные станции приходится всего 16 кг — уж чего-чего, а углекислого газа они производят минимум.

Возможность параллельной добычи полезных ископаемых. Удивительно, но факт: на некоторых энергоблоках ГеоТЭС, помимо электроэнергии, добывают газы и металлы, растворенные в поступающей из-под земли пароводяной смеси. Их можно было бы просто пустить вместе с отработанным конденсированным паром обратно в скважину, но, учитывая, какие объемы полезных элементов проходят через геотермальную электростанцию, разумнее наладить их добычу. В некоторых районах Италии пар из скважин содержит 150-700 мг борной кислоты на каждый килограмм пара. Одна из местных гидротермических электростанций на 4 МВт расходует 20 кг пара в секунду, поэтому добыча борной кислоты там поставлена на промышленную основу.

Недостатки геотермальной энергетики

Рабочая жидкость опасна. Как было отмечено выше, ГеоТЭС не вырабатывают дополнительных токсичных выбросов, лишь только небольшой объем углекислого газа, на порядок меньший, чем у газовых ТЭС. Что, впрочем, не значит, что подземные воды и пар — это всегда чистые субстанции, сродни минеральной питьевой воде. Пароводяная смесь из земных глубин насыщена газами и тяжелыми металлами, которые свойственны конкретному участку земной коры: свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и так далее. В некоторых случаях по трубам к ГеоТЭС течёт такой впечатляющий коктейль, что его сброс в атмосферу или водоемы немедленно вызовет локальную экологическую катастрофу.

Результат воздействия геотермальной воды на металлы.

При соблюдении всех требований безопасности пар, отправляемый в атмосферу, тщательно фильтруется от металлов и газов, а конденсат закачивается обратно в скважину. Но в случае нештатных ситуаций или намеренного нарушения технического регламента геотермальная станция может нанести окружающей среде некоторый урон.

Высокая стоимость за киловатт. Несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения в их строительство немалые. Много средств уходит на геологоразведку и анализ, в результате чего себестоимость геотермальных станций колеблется на уровне $2800/кВт установленной мощности. Для сравнения: ТЭС — $1000/кВт, ветряки — $1600/кВт, солнечная электростанция — $1800-2000/кВт, АЭС — около $6000/кВт. Причём для ГеоТЭС приведена усреднённая стоимость, которая может сильно варьироваться в зависимости от страны, рельефа, химического состава пара и глубины бурения.

Относительно низкая мощность. ГеоТЭС в принципе пока не могут сравниться по выработке электроэнергии с ГЭС, АЭС и ТЭС. Даже при бурении большого количества скважин поток пара все равно будет невелик, а произведённого электричества хватит лишь для небольших населённых пунктов.

Самый мощный на 2019 год геотермальный энергокомплекс The Geysers раскинулся на площади 78 км2 в Калифорнии, США. Он состоит из 22 гидротермальных станций и 350 скважин с общей установленной мощность 1517 МВт (реальная выработка 955 МВт), которые покрывают до 60% энергопотребностей северного побережья штата. Мощность всего The Geysers сопоставима с советским реактором РБМК-1500, когда-то работавшем на Игналинской АЭС, где их было два, а сама АЭС располагалась на площади 0,75 км2. ГеоТЭС с выработкой 200-300 МВт считаются очень мощными, большинство же станций по миру оперируют двузначными числами.

Гидротермальная комбинированная станция комплекса The Geysers в Калифорнии. И таких там 22. Источник: Wikimedia / Stepheng3

Где всё это работает и насколько это перспективно

По состоянию на 2018 год во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии, тогда как в 2007 году производили всего 9,7 ГВт. Да, не геотермальная революция, но рост налицо.

Лидером по геотермальной выработке является США со своими 3591 МВт. Впечатляющее значение, которое, однако, составляет всего 0,3% от общей выработки страны. Далее идет Индонезия с 1948 МВт и 3,7%. А вот на третьем месте начинается интересное: на Филиппинах геотермальные электростанции имеют установленную мощность 1868 МВт, при этом на них приходится 27% электричества страны. А в Кении — и вовсе 51%! Япония также входит в десятку лидеров по количеству киловатт, выработанных ГеоТЭС.

Первая геотермальная электростанция, «Мацукава», открылась в Японии в 1966 году. Она вырабатывала 23,5 МВт, а турбину и генератор для неё произвела Toshiba. В 2010-х годах геотермальная энергия стала наиболее востребованной в странах Африки, где началось активное заключение контрактов и строительство ГеоТЭС. В 2015 году в Кении была открыта станция Olkaria IV, одна из четырёх, находящаяся в зоне Олкария в 120 км от Найроби, с мощностью 140 МВт. С ее помощью правительство снижает зависимость от гидроэлектростанций, сброс воды из которых часто приводит к разрушительным наводнениям.

ГеоТЭС Olkaria IV в Кении. Olkaria V и Olkaria VI планируют ввести в строй в 2021 году. Источник: Toshiba

ГеоТЭС активно строят также в Уганде, Танзании, Эфиопии и Джибути.

В России развитие геотермальной энергетики идет очень неторопливыми темпами, так как в строительстве дополнительных электростанций нет особой необходимости. В 2015 году на долю таких станций приходилось всего 82 МВт.

Паужетская геотермальная станция, построенная на Камчатке в 1966 году, была первой в СССР. Ее изначальная установленная мощность составляла всего 5 МВт, сейчас она доведена до 12 МВт. Вслед за ней появилась Паратунская станция с мощностью всего 600 кВт — первая бинарная ГеоТЭС в мире.

Сейчас в России действуют только четыре станции, три из них питают Камчатку, ещё одна, Менделеевская ГеоТЭС на 3,6 МВт, снабжает остров Кунашир Курильской гряды.

На нашей планете есть немало способов добычи электроэнергии без помощи ископаемого топлива. Какие-то из них, например, солнечная и ветряная энергия, успешно используются уже сейчас. Какие-то, вроде водородных топливных ячеек, пока пребывают на начальной стадии адаптации. Геотермальная энергетика — это наш задел на будущее, раскрыть потенциал которого в полной мере нам еще только предстоит.

описание, виды и их значение

Геотермальный источник — это место выхода на земную поверхность подземных вод, имеющих высокую температуру (выше +20 °C). Но могут считаться таковыми и места, в которых температура выше среднегодовой температуры данного региона.

Хоть это и не совсем правильно, но чаще используется другое название таких мест — Горячие источники. А иногда их ещё называют термальными. Впрочем, разницы между всеми этими названиями никакой нет, так что не принципиально.
Автор фото — big-ashb, ссылка на оригинал (фото было изменено).

Виды термальных источников

Большинство геотермальных источников образуется в местах повышенной тектонической активности. В таком случае, нагреваются воды магматическими горными породами, находящимися в земной коре.
Однако, могут нагреваться воды и благодаря её циркуляции в земной коре. Происходит это в том случае, если вода опускается под землю на достаточную глубину (порою, на десятки километров). Нагреваясь там, она вновь может подниматься к поверхности.

Все термальные источники делятся на 3 группы: тёплые (до +37 °C), горячие (от +37 до +50 °C), очень горячие (выше +50 °C). И практически все они находятся в горной местности, особенно если речь идёт о самых горячих из них.

Интересно, что температура некоторых геотермальных источников может достигать и +200 °C. В таком случае, вода с водяным паром из них вырываются мощными струями. И называют такие объекты гейзерами. Располагаются они в местах активного вулканизма.

Польза термальных источников

Многие термальные источники обладают повышенным содержанием минеральных веществ. Поэтому нет ничего удивительного в том, что они используются в лечебных целях. Обычное купание в таких местах может принести значительную пользу организму. Однако, зависит это от состава вод источника, а он в разных местах может очень сильно разниться. Поэтому, если вы желаете получить наибольшую пользу для здоровья, лучше сначала посоветоваться со специалистом, и выбрать тот источник, который будет наиболее полезен для вас.

Помимо этого, используются горячие источники и для получения энергии. Особенно ценными в этом плане являются те из них, температура которых близка к 100 °C, хотя могут использоваться и не столь горячие. Геотермальная электроэнергия имеет большое значение для многих стран.

Геотермальный источник — Википедия

Геотерма́льный исто́чник (греч. γαία — земля и θερμ — тепло, жар) — выход на поверхность подземных вод, нагретых выше +20 °C.^[1] Также существует определение, в соответствии с которым источник называется горячим, если имеет температуру выше среднегодовой температуры данной местности.^[2]

Большинство горячих источников питаются водой, которая подогревается магматическими интрузиями в районах активного вулканизма. Однако не все термальные источники привязаны к таким областям, вода также может подогреваться конвективной циркуляцией — просачивающиеся вниз подземные воды достигают глубины около километра и более, где порода имеет более высокую температуру из-за геотермического градиента земной коры, составляющего около 30 °C на километр первые 10 км.^[3]

Термальные минеральные источники подразделяются на тёплые (+20…+37 °C), горячие (+37…+50 °C) и очень горячие (+50…+100 °C).^[4]

Распространение

Изотерма +20 °C в земной коре проходит на глубинах от 1500—2000 м (районы многолетнемёрзлых пород) до 100 м и менее (субтропики), а в тропиках выходит на поверхность. В горных районах, таких как Альпы, Кавказ, Тянь-Шань и Памир, термальные источники имеют температуру до +50…+90 °C, а в артезианских бассейнах на глубинах 2000—3000 м скважинами вскрываются воды с температурой +70…+100 °C и более. В районах активного вулканизма источники проявляются в виде гейзеров и струй пара, выносящих на поверхность пароводяные смеси и пары с глубин 500—1000 м, где вода находится в перегретом состоянии (+150…+200 °C). Подобные объекты можно встретить на Камчатке (Паужетка), в США (Большие Гейзеры), в Новой Зеландии (Уаиракеи), в Италии (Лардерелло), в Исландии и других местах.^[1]

На Курильских островах питающие фумаролы газы могут частично перехватываться подземными водами, которые приобретая характер кислот, растворяют горные породы и выносят растворённые вещества в море.

Учитывая факт того, что наличие геотермальных источников типично для горной местности, абсолютным феноменом является наличие геотермальных источников в равнинной местности. В качестве примеров можно привести районы Западной Сибири, где наибольшее скопление геотермальных источников сосредоточено в западной части Тюменской области.^[2]

Состав

Минерализация термальных вод, их химический, газовый состав сильно варьируется: от пресных и солоноватых гидрокарбонатных и гидрокарбонатно-сульфатных, кальциевых, натриевых, азотных, углекислых и сероводородных до солёных и рассольных хлоридных, натриевых и кальциево-натриевых, азотно-метановых и метановых, местами сероводородных.^[1]

Биота

Термофилы — тип организмов из экстремофилов, которые живут при относительно высоких температурах (от +45 до +80 °C). Многие термофилы являются археями. Некоторые из обитателей термальных источников заразны для человека:

• Naegleria fowleri — амёба, обитает в тёплой воде и почве, распространена во всём мире. Может быть причиной заболевания менингитом.^[5][6] Эта амёба попадает в мозг через носовые пути, с ней связывают несколько смертельных случаев.^[7][8]
• Acanthamoeba, по информации американских Центров по контролю и профилактике заболеваний, также может распространяться через горячие источники.^[9]
• Бактерия Legionella распространилась через термальные источники.^[10][11]
• В Японии был случай возможного заражения вирусом герпеса через горячий источник.^[12]
• Вирусы были найдены в очень экстремальных условиях, например в источнике с температурой +87…+93 °C и высокой кислотностью (pH=1,5) (Поццуоли, Италия). Эти вирусы в лабораторных условиях инфицировали клетки.^[13]

Хозяйственное использование

Горячие источники издревле применялись для лечения больных (римские, тбилисские термы), соответствующий раздел медицины называется бальнеология. На территории России располагаются известные курорты Белокуриха, Кульдур (азотные термы, богатые кремнекислотой), Кавказские Минеральные Воды (углекислые воды), Мацестинский курорт (сероводород).^[1] В Японии на геотермальных источниках располагаются онсэны.

Термальные воды также используются для теплоснабжения и в качестве альтернативного источника электричества. Рейкьявик (столица Исландии) полностью обогревается теплом термальных вод. В Италии, Исландии, Мексике, России, США и Японии работает ряд электростанций на перегретых термальных водах с температурой свыше +100 °C.^[1]

В теплоснабжении существует деление источников на слаботермальные (+20…+50 °C), термальные (+50…+75 °C) и высокотермальные (+75…+100 °C), а в бальнеологии — на тёплые или субтермальные (+20…+37 °C), термальные (+37…+42 °C) и гипертермальные (более +42 °C).^[1]

См. также

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Термальные воды // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
2. ↑ ^{1 2} М.Ф.Иванова. Общая геология. — Москва: Высшая школа, 1974.
3. ↑ Hot spring — Encyclopædia Britannica
4. ↑ Термальные воды (недоступная ссылка) (недоступная ссылка с 14-06-2016 [848 дней]) — Словарь по естественным наукам. Глоссарий.ру
5. ↑ emedicine article on naegleria
6. ↑ Occurrence and Distribution of Naegleria Species in Thermal Waters in Japan, Shinji Izumiyama, Kenji Yagita, Reiko Furushima-Shimogawara, Tokiko Asakura, Tatsuya Karasudani, Takuro Endo, The Journal of Eukaryotic Microbiology Vol. 50 Issue s1 Page 514 July 2003
7. ↑ Primary amebic meningoencephalitis due to Naegleria fowleri: An autopsy case in Japan, Yasuo Sugita, Teruhiko Fujii, Itsurou Hayashi, Takachika Aoki, Toshirou Yokoyama, Minoru Morimatsu, Toshihide Fukuma & Yoshiaki Takamiya, Pathology International, Volume 49 Page 468 — May 1999
8. ↑ Southern New Mexico web site article about some local hot springs, including a warning about Naegleria fowler Архивировано 15 ноября 2006 года.
9. ↑ CDC description of acanthamoeba
10. ↑ Molecular determination of infection source of a sporadic Legionella pneumonia case associated with a hot spring bath, H. Miyamoto, S. Jitsurong, R. Shiota, K. Maruta, S. Yoshida, E. Yabuuchi, Microbiol Immunol., 41(3):197-202, 1997.
11. ↑ An outbreak of legionellosis in a new facility of hot spring Bath in Hiuga City, Eiko Yabauuchi, Kunio Agata, Kansenshogaku zasshi (Kansenshogaku zasshi), ISSN 0387-5911, vol. 78, no2, pp. 90-98, 2004.
12. ↑ Indolent herpetic whitlow of the toe in an elderly patient with diabetic neuropathy, Maki Ozawa, Tomoyuki Ohtani, and Hachiro Tagami, Dermatology Online Journal 10 (1): 16, 2004.
13. ↑ Viral Diversity in Hot Springs of Pozzuoli, Italy, and Characterization of a Unique Archaeal Virus, Acidianus Bottle-Shaped Virus, from a New Family, the Ampullaviridae, Monika Häring, Reinhard Rachel, Xu Peng, Roger A. Garrett, and David Prangishvili1, J. Virol., 79(15): 9904-9911, August 2005.

Литература

Ссылки

• Минеральные воды // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Справочное руководство гидрогеолога / под редакцией В.М.Максимова. — Л.: Недра, 1979. — Т. 1. — С. 163.

Геотермальная энергия как возобновляемый источник энергетики

Термин “геотермальная энергия” происходит от греческого слова земля (гео) и тепловой (термальный). По сути, геотермальная энергия исходит из самой земли. Тепло от ядра земли, температура которого в среднем составляет 3600 градусов Цельсия, излучается  в сторону поверхности планеты.

Обогрев источников и гейзеров под землей на глубине в  несколько километров может осуществляться с помощью специальных скважин, через которые поступает горячая вода (или пар от неё) до поверхности, где она может использоваться непосредственно как тепло или косвенно для выработки электроэнергии путем включения вращающихся турбин.

Так как вода под поверхностью земли постоянно пополняется, а ядро Земли будет продолжать вырабатывать тепло относительно человеческой жизни бесконечно, геотермальная энергия,в конечном счете, чистая и возобновляемая.

Методы сбора энергетических ресурсов Земли

Сегодня есть три основных метода сбора геотермальной энергии: сухой пар, горячая вода и бинарный цикл. Процесс с сухим паром прямо вращает привода турбин генераторов электроэнергии. Горячая вода поступает снизу вверх, затем распыляется в бак, чтобы создать пар для привода турбин. Эти два метода являются наиболее распространенными, генерируя сотни мегаватт электроэнергии в США, Исландии, Европе, России и других странах. Но расположение ограничено, так как эти заводы работают только в тектонических регионах, где легче получить доступ к подогретой воде.

При технологии бинарного цикла извлекается на поверхность теплая (не обязательно горячая) вода и объединяют её с бутаном или пентаном, который имеет низкую температуру кипения. Эта жидкость перекачивается через теплообменник, где  испаряется и направляется через турбину перед рециркуляцией обратно в систему. Технологии бинарного цикла дает  десятки мегаватт электроэнергии в США: Калифорнии, Неваде и на Гавайских островах.

Принцип получения энергии

Недостатки получения геотермальной энергии

На уровне полезности, геотермальные электростанции являются дорогостоящими, чтобы построить и работать. Для поиска подходящего места требуется дорогостоящее обследование скважин без гарантии попадания в продуктивную подземную горячую точку. Тем не менее, аналитики ожидают увеличения этой мощности почти вдвое в течение следующих шести лет.

Кроме того районы с высокой температурой подземного источника находятся в районах с активными геологохимическими вулканами. Эти «горячие точки» образовались на границах тектонических плит в местах, где кора достаточно тонкая. Тихоокеанский регион, часто называют как кольцо огня для многих вулканов, где  есть много горячих точек, в том числе на Аляске, Калифорнии и Орегоне. Невада имеет сотни горячих точек, охватывающих большую часть северной части США.

Есть и другие  сейсмически активные районы. Землетрясения и движение магмы позволяют воде циркулировать. В некоторых местах вода  поднимается к поверхности и  природные горячие источники и гейзеры происходят, такие, как на Камчатке. Вода в гейзерах Камчатки достигает  95° C.

Одна из проблем открытой системы гейзеров является выделение некоторых загрязнителей воздуха. Сульфид водорода — токсичный газ с очень узнаваемым запахом «тухлого яйца» — небольшое количество мышьяка и минералов, выпущенных с паром. Соль также может представлять экологическую проблему.

На геотермальных электростанциях расположенных в море значительное количество мешающей соли накапливается в трубах. В замкнутых системах нет выбросов и возвращается вся жидкость доведенная до поверхности.

Экономический потенциал энергоресурса

Сейсмически активные точки не являются единственными местами, где можно найти геотермальную энергию. Существует постоянный запас полезного тепла для целей прямого нагрева  на глубине везде от 4 метров до нескольких километров ниже поверхности практически в любом месте на земле. Даже земля на собственном заднем дворе или в местной школе имеет экономический потенциал в виде тепла, чтобы выдавать  в дом или другие здания.

Кроме того существует огромное количество тепловой энергии в сухих скальных образованиях очень глубоко под поверхностью (4 – 10 км).

Использование новой технологии может  расширить геотермальные системы, где люди смогут использовать это тепло для производства электроэнергии в гораздо большем масштабе, чем обычные технологии. Первые демонстрационные проекты этого принципа  получения  электричества показаны  в Соединенных Штатах и Австралии еще в 2013 году.

Если полный экономический потенциал геотермальных ресурсов может  быть реализован, то это будет представлять огромный источник электроэнергии для  производственных мощностей. Ученые предполагают, что обычные геотермальные источники имеют потенциал 38 000 МВт, который может производить 380 млн МВт электроэнергии в год.

Горячие сухие породы залегают на глубинах от 5 до 8 км везде под землей и на меньшей глубине в определенных местах. Доступ к этим ресурсам предполагает введение холодной воды, циркулирующей через горячие скальные породы и отвода нагретой воды. В настоящее время нет коммерческого применения этой технологии. Существующие технологии пока не позволяют восстанавливать тепловую энергию непосредственно из магмы, очень глубоко, но это самый мощный ресурс геотермальной энергии.

С комбинацией энергоресурсов и ее последовательности, геотермальная энергия может играть незаменимую роль как более чистая, более устойчивая энергетическая система.

Конструкции геотермальных электростанций

Геотермальная энергия – это чистое и устойчивое тепло от Земли. Большие ресурсы находятся в диапазоне в нескольких километрах под поверхностью земли, и еще глубже, до высокой температуры расплавленной породы, называемой магмой. Но как описано выше люди пока не добрались к магме.

Практически везде, в неглубоких местах ниже 3 метров от поверхности земля имеет практически постоянную температуру от 10° до 16°C. Геотермальные тепловые насосы могут использовать этот ресурс для отопления или охлаждения зданий.

Геотермальная теплонасосная система состоит из теплового насоса, воздушной системы доставки (воздуховодов), а теплообменник – это система труб находящихся в неглубоких местах возле здания. В зимнее время тепловой насос извлекает тепло из теплообменника и подает его в крытую систему подачи воздуха. Летом происходит обратный процесс, и тепловой насос переносит тепло от внутреннего воздуха в теплообменник. Тепло, удаляемое из воздуха в помещениях в течение лета также может быть использовано, чтобы обеспечить бесплатный источник горячей воды.

Некоторые геотермальные электростанции используют пар из резервуара для вращения турбины генератора, в то время как другие используют горячую воду для кипения рабочей жидкости, которая испаряется и затем вращает турбину. Горячая вода у поверхности Земли может быть использована непосредственно для тепла. Прямое использование включает отопление зданий, выращивание растений в теплицах, сушки культур, подогрева воды в рыбоводных хозяйствах, а также ряд промышленных процессов, таких как пастеризация молока.

Структура геотермальных электростанций

Традиционная геотермальная энергия – это зрелая технология, которая может обеспечить базовую мощность или круглогодичного теплоснабжения. Ресурс может быть использован только в благоприятных регионах. Соответствие спроса на тепловую энергию от доступных ресурсов может быть сложен, учитывая стоимость и сложность транспортировки тепла на большие расстояния.

В настоящее время наиболее распространенным способом использования энергии из геотермальных источников является метод естественной «гидротермальной конвекции» где воды просачиваются через земную кору, нагреваются, а затем поднимаются к поверхности. После этого нагретая вода используется для привода электрических генераторов.

Существуют три основные конструкции для геотермальных электростанций:

• В простейшей конструкции сухой пар проходит непосредственно через турбины, а затем конденсатор, где пар конденсируется в воду.
• Во втором подходе очень горячая вода превращается в пар, который затем может использоваться для привода турбины.
• В третьем подходе, называемый бинарная система, горячая вода проходит через теплообменник, где нагревает вторую жидкость — например, изобутан — в замкнутом цикле. Изобутан кипит при низкой температуре, чем вода, поэтому он более легко превращается в пар для запуска турбины.

Три конструкции геотермальных электростанций

Технология применения  определяется ресурсом. Если вода поступает из скважины как пар, она может использоваться непосредственно. Если горячая вода достаточно высокой температуры она должна пройти через теплообменник.

Первая скважина для производства энергии была пробурена до 1924 года. Более глубокие скважины были пробурены в 1950-х, но реальное развитие происходит в 1970-х и 1980-х годов.

Прямое использование геотермального тепла

Геотермальные источники также могут использоваться непосредственно для целей отопления. Горячая вода используется для обогрева зданий, выращивания растений в теплицах, сушки рыбы и сельскохозяйственных культур, улучшение добычи нефти, помощи в промышленных процессах как пастеризаторы молока и обогрев воды на рыбных фермах. В США Кламат-Фолс, штат Орегон и Бойсе, Айдахо геотермальная вода используется для обогрева домов и зданий более века. На восточном побережье, город Уорм-Спрингс, Вирджиния получает тепло непосредственно из родниковой воды, используя источники тепла на  одном из местных курортов.

В Исландии практически каждое здание в стране нагревается  горячей родниковой водой. В самом деле Исландия получает более 50 процентов первичной энергии из геотермальных источников. В Рейкьявике, например, (население 118 тыс. чел), горячая вода передается по конвейеру на 25 километров, и жители используют её для отопления и естественных нужд.

Новая Зеландия, получает 10% своей электроэнергии дополнительно. Геотермальная энергетика в России находится в недостаточном развитии, несмотря на наличие термальных вод.

Виды источников геотермальной энергии

Ядро Земли состоит из двух взаимодействующих частей. Твёрдая часть окружена жидкой — расплавленной смесью железа и никеля, температура которой достигает 6100 ˚С. В результате создаётся магнитное поле планеты и подогревается земная поверхность у нас под ногами. Научись мы использовать такое количество тепла хотя бы частично, можно было бы забыть о других видах энергии на миллионы лет.

Проблема заключается в том, что поверхность Земли велика, а её кора неоднородна и имеет разную толщину. Поэтому плотность энергетического потока на единицу площади незначительна, а его выход неравномерен. Получать и использовать эту энергию можно от разных несущих в себе тепло сред. В настоящее время геотермальные источники энергии по типу эксплуатируемых теплоносителей можно разделить на три группы:

• Магматические;
• Гидротермальные и паротермальные;
• Петротермальные.

Гидротермальные и паротермальные источники, их виды и особенности

Гидротермальные и паротермальные носители тепловой энергии – это горячие вода и пар, находящиеся близко к земной поверхности в тех местах, где кора имеет наименьшую толщину. Это самый используемый сегодня способ отбора тепловой энергии, происходящей из планетарных недр.

Первый опыт эксплуатации паротермального источника был произведён ещё в 1904 году в Италии. Там вырывающийся из трещин в земной коре горячий пар сначала был использован для вращения турбин. Затем остывший пар превращался в конденсированную воду и снова возвращался в скважину для нового цикла нагрева.

Минус описанной технологии заключается в том, что пар и горячая вода, поднимающиеся на поверхность, небезопасны. Они часто содержат в своём составе агрессивные и токсичные примеси и газы, которые быстро приводят в негодность лопасти турбогенераторов и опасны для персонала станции.

Более современным способом использования подземного тепла от гидротермальных и паротермальных источников является так называемая «бинарная» технология. Её отличие от более ранних разработок в том, что горячие пар и вода не крутят турбины напрямую, а поступают в теплообменники. Там они отдают тепло более удобному и химически нейтральному носителю, который выполняет дальнейшую работу без вреда для людей и энергоустановок.

Петротермальный вид источников геотермальной энергии

Петротермальные источники – это верхние слои земной коры, имеющие местами достаточно высокую температуру. Если к ним подвести воду через глубокие скважины, она будет нагреваться и превращаться во вторичные гидро – и паротермальные носители тепловой энергии.

Есть в истории геотермальной земной энергетики практический опыт использования этого вида источников. В швейцарском городе Базеле был реализован проект направления воды в скважину, пробуренную к разогретым скальным породам. Предполагалось использование полученной в результате этого горячей воды и пара для производства электроэнергии путём вращения лопастей турбогенератора. В 2007 году проект был остановлен из-за опасения, что это может вызвать землетрясения в той горной местности.

Магматические источники геотермальной энергии

Магма – раскалённая порода, в расплавленном виде извергающаяся на поверхность планеты в местах вулканической активности. Особенность магматических источников заключается в высокой температуре теплоносителя, что могло бы значительно увеличить КПД энергоустановки. Трудность – в отсутствии современных технологий безопасного и стабильного извлечения этой огромной тепловой энергии из такого нестабильного и непредсказуемого теплоносителя, как магма.

Геотермальные источники энергии в России

Несмотря на богатство российских недр углеводородами, которых хватает не только нашей стране, но и поставляется в большом количестве за рубеж, вопросам использования геотермальных источников энергии тоже уделено достойное внимание. Обилием на земной поверхности источников горячей воды и пара на Камчатке, Курилах и Сахалине обусловлена экономическая целесообразность строительства там энергоустановок.

В 1967 году подземное тепло было впервые в России использовано на практике в Елизовском районе Камчатского края. Сегодня в этом регионе доля источников получения геотермальной энергии достигает уже 40 % в суммарном объёме энергопроизводства. По информации РАН, в ближайшей перспективе только на Камчатке этот ресурс может использоваться для получения 5000 МВт. В Краснодарском крае уже используется 12 месторождений этого природного ресурса тепла.

В мире геотермальные источники энергии активно используются в США, России, Японии, Исландии, Новой Зеландии, Италии, Мексике, Индонезии, на Филиппинах.

геотермальных источников Википедия

Источник, возникший в результате появления геотермально нагретых подземных вод

Горячий источник , гидротермальный источник или геотермальный источник — это источник, образующийся в результате выхода геотермально нагретых подземных вод, поднимающихся из земной коры. В то время как некоторые из этих источников содержат воду, температура которой является безопасной для купания, другие достаточно горячие, поэтому погружение в воду может быть опасным.

Определения []

Горячий источник «Кровавый пруд» в Беппу, Япония.

Не существует общепринятого определения горячего источника.Например, можно найти фразу горячий источник , определяемую как

• термальный источник с температурой воды выше 36,7 ° C (98 ° F) ^{[6] [7]}
• природный источник воды с температурой выше 21,1 ° C (70 ° F) (синоним термального источника) ^{[8] [9] [10] [11]}
• естественный сброс подземных вод с повышенными температурами ^[12]
• — вид термального источника, в котором горячая вода выводится на поверхность.Температура воды в горячих источниках обычно на 6,5 ° C (12 ° F) или более выше средней температуры воздуха. ^[13] Обратите внимание, что согласно этому определению «термальный источник» не является синонимом термина «горячий источник»
• источник, горячая вода которого выходит на поверхность (синоним термального источника). Температура воды в источнике обычно на 8,3 ° C (15 ° F) или более выше средней температуры воздуха. ^[14]
• родник с водой выше средней температуры окружающей среды. ^[15]
• источник с температурой воды выше 50 ° C (122 ° F) ^[16]

Родственный термин « теплый источник » определяется многими источниками как источник с температурой воды ниже, чем у горячего источника, хотя Пентекост и др. (2003) полагают, что фраза «теплая весна» бесполезна и ее следует избегать. ^[5] Центр геофизических данных NOAA США определяет «теплый источник» как источник с температурой воды от 20 до 50 ° C (от 68 до 122 ° F).

Источники тепла []

Большая часть тепла создается за счет распада естественно радиоактивных элементов. По оценкам, от 45 до 90 процентов тепла, уходящего с Земли, происходит в результате радиоактивного распада элементов, в основном расположенных в мантии. ^{[17] [18] [19]} Основными изотопами, выделяющими тепло на Земле, являются калий-40, уран-238, уран-235 и торий-232. ^[20]

Вода, выходящая из горячего источника, нагревается геотермально, то есть за счет тепла, выделяемого мантией Земли.В общем, температура горных пород в земле увеличивается с глубиной. Скорость повышения температуры с глубиной известна как геотермический градиент. Если вода проникает в корку достаточно глубоко, она нагревается при контакте с горячими камнями. Таким образом нагревается вода из горячих источников в невулканических регионах.

В активных вулканических зонах, таких как Йеллоустонский национальный парк, вода может нагреваться, вступая в контакт с магмой (расплавленной породой). Высокий температурный градиент около магмы может привести к тому, что вода будет нагреваться настолько, что она закипит или станет перегретой.Если вода становится настолько горячей, что создает давление пара и извергается струей над поверхностью Земли, это называется гейзером. Если вода достигает поверхности только в виде пара, это называется фумаролой. Если вода смешана с грязью и глиной, это называется грязевым котлом.

Обратите внимание, что горячие источники в вулканических районах часто имеют температуру кипения или близкую к ней. Люди получили серьезные ожоги и даже погибли, случайно или намеренно войдя в эти источники.

Теплые источники иногда возникают в результате смешения горячих и холодных источников.Они могут возникать в пределах вулканической области или за ее пределами. Одним из примеров невулканического теплого источника является Уорм-Спрингс, штат Джорджия (который из-за своего терапевтического эффекта часто посещал президент США с параличом нижних конечностей Франклин Д. Рузвельт, который построил здесь Маленький Белый дом).

Расход []

Горячие источники имеют диапазон расхода от мельчайших «просачиваний» до настоящих рек с горячей водой. Иногда напора бывает достаточно, чтобы вода устремилась вверх в гейзер или фонтан.

Горячие источники с высокой скоростью потока []

В литературе есть много утверждений о расходе горячих источников.Нетермальных источников с высокой скоростью потока гораздо больше, чем геотермальных источников. Например, существует 33 признанных источника «первой величины» (имеющих расход свыше 2800 л / с (99 куб футов / с) только во Флориде. В Силвер-Спрингс, Флорида, расход более 21000 л / с (740 куб футов / с). Пружины с высокой пропускной способностью включают:

• Кратер Гейзера Эксельсиор в Йеллоустонском национальном парке дает около 4000 галлонов США / мин (0,25 м ³ / с).
• Evans Plunge в Хот-Спрингс, Южная Дакота, имеет расход 5000 Ед.Галлонов / мин (0,32 м ³ / с) родниковой воды с температурой 87 ° F (31 ° C). Плунге, построенный в 1890 году, является крупнейшим в мире крытым бассейном с естественной теплой водой.
• Комбинированный поток 47 горячих источников в Хот-Спрингс, Арканзас, составляет 35 л / с (1,2 куб футов / с).
• Горячий источник Сатурнии, Италия производительностью около 500 литров в секунду ^[21]
• Совокупный расход комплекса горячих источников в Ист или Последствиях, штат Нью-Мексико, оценивается в 99 литров в секунду. ^[22]

Скорость потока

• Lava Hot Springs в Айдахо составляет 130 литров в секунду.

Расход топлива

• Glenwood Springs в Колорадо составляет 143 л / с.
• Элизабет-Спрингс в западном Квинсленде, Австралия, могла иметь поток 158 литров / секунду в конце 19 века, но теперь имеет поток около 5 литров / секунду.
• Deildartunguhver в Исландии имеет расход 180 л / с.
• Горячие источники бразильского города Калдас-Новас («Новые горячие источники» на португальском языке) обслуживаются 86 скважинами, из которых перекачивается 333 литра в секунду в течение 14 часов в день.Это соответствует максимальной средней скорости потока 3,89 л / сек на лунку. ^{[ необходима ссылка ]}
• 2850 горячих источников Беппу в Японии — это комплекс горячих источников с самым высоким потоком в Японии. Вместе горячие источники Беппу производят около 1592 л / с, что соответствует среднему расходу горячего источника 0,56 л / с.
• 303 горячих источника Коконоэ в Японии производят 1028 литров в секунду, что дает средний поток горячих источников 3,39 литра в секунду.
• В префектуре Чита 4 762 горячих источника с общим потоком 4 437 литров в секунду, поэтому средний поток горячих источников составляет 0,93 литра в секунду.
• Горячий источник с самой высокой скоростью потока в Японии — это горячий источник Тамагава в префектуре Акита, скорость потока которого составляет 150 литров в секунду. Горячий источник Тамагава питает поток шириной 3 м (9,8 футов) с температурой 98 ° C (208 ° F).
• В регионе Наге в 8 км к юго-западу от Баджавы в Индонезии есть как минимум три горячих источника, которые в совокупности производят более 453 горячих источников.6 литров / сек.
• Есть еще три больших горячих источника (Менгеруда, Ваэ Бана и Пига) в 18 км к северо-востоку от Баджавы, Индонезия, которые вместе производят более 450 литров горячей воды в секунду.
• Комплекс Далхаузи-Спрингс в Австралии в 1915 году имел максимальный общий поток более 23 000 литров в секунду, давая средней производительности пружины в комплексе более 325 литров в секунду. Теперь это было уменьшено до максимального общего расхода 17 370 литров в секунду, поэтому средняя пружина имеет максимальную производительность около 250 литров в секунду. ^[23]
• В северном лесу Юкона, в 25 минутах к северо-западу от Уайтхорса на севере Канады, горячие источники Тахини вытекают из недр Земли со скоростью 385 л / мин (85 имп галлонов / мин; 102 галлона США / мин) и 47 ° C (118 ° F) круглый год. ^[24]

Терапевтическое применение []

Поскольку нагретая вода может содержать больше растворенных твердых частиц, чем холодная вода, теплые и особенно горячие источники, включая полезную серную воду, ^[25] часто с очень высоким содержанием минералов, содержащие все, от простого кальция до лития и даже радия.Из-за фольклора и заявленной медицинской ценности некоторые из этих источников часто являются популярными туристическими направлениями и местами для реабилитационных клиник для людей с ограниченными возможностями. ^{[26] [27] [28]}

Меры предосторожности []

Термофил — это организм, тип экстремофилов, который процветает при высоких температурах, от 45 до 80 ° C (113 и 176 ° F). ^[29] Термофилы встречаются в горячих источниках, а также в глубоководных гидротермальных источниках и в разлагающихся растительных веществах, таких как торфяные болота и компост.

Микробиота некоторых горячих источников заразна для человека:

Примеры []

Горячие источники есть во многих местах и ​​на всех континентах мира. Страны, которые славятся своими горячими источниками, включают Китай, Коста-Рику, Исландию, Иран, Японию, Новую Зеландию, Перу, Турцию и США, но горячие источники есть и во многих других местах:

• Горячие источники Рио-Хондо на севере Аргентины, получившие широкую известность после того, как в отчете профессора химии в 1918 году были классифицированы как одна из самых электролитических минеральных вод в мире, стали одними из самых посещаемых на Земле. ^[36] Спа Качута — еще один известный горячий источник Аргентины.

• Источники в Европе с самыми высокими температурами находятся во Франции, в небольшой деревне под названием Chaudes-Aigues. ^{[ необходима ссылка ]} Расположенные в самом сердце французского вулканического региона Овернь, тридцать природных горячих источников Шод-Эг имеют температуру от 45 ° C (113 ° F) до более 80 ° C (176 ° F). ). Самый горячий, Source du Par, имеет температуру 82 ° C (179.6 ° F). Горячие воды, протекающие под деревней, с XIV века обеспечивали тепло домов и церкви. Шод-Эг (Канталь, Франция) — курортный город, известный со времен Римской империи лечением ревматизма.
• Карбонатные водоносные горизонты в прибрежных тектонических условиях могут содержать важные термальные источники, хотя и расположены в районах, обычно не характеризующихся высокими региональными значениями теплового потока. В этих случаях, когда термальные источники расположены близко или вдоль береговой линии, субаэральные и / или подводные термальные источники представляют собой отток морских подземных вод, протекающих через локализованные трещины и объемы карстовых пород.Это случай источников, возникающих в самой юго-восточной части региона Апулия (Южная Италия), где небольшое количество сернистых и теплых вод (22-33 ° C) вытекает в частично затопленные пещеры, расположенные вдоль Адриатического побережья, таким образом, снабжая исторические курорты. Санта-Чезареа-Терме. Эти источники известны с древних времен (Аристотель в III веке до нашей эры), и физико-химические свойства их термальных вод частично зависят от колебаний уровня моря. ^[37]
• Одним из высокопотенциальных резервуаров геотермальной энергии в Индии являются термальные источники Таттапани в Мадхья-Прадеше. ^{[38] [39]}
• Богатые кремнеземом месторождения, обнаруженные в Нили Патера, вулканической кальдере в Сиртис-Майор, Марс, считаются остатками потухшей системы горячих источников. ^[40]

Этикет []

Обычаи и практика различаются в зависимости от горячего источника. Обычно купальщики должны умыться перед тем, как войти в воду, чтобы не загрязнить воду (с мылом или без него). ^[41] Во многих странах, например в Японии, необходимо входить в горячий источник без одежды, включая купальные костюмы. Фар-Беккер, Габриэле (2001). Рёкан . п. 24. ISBN 978-3-8290-4829-3 .

Дополнительная литература []

Внешние ссылки []

.

Геотермальные источники | Статья о геотермальных источниках в The Free Dictionary

гидротермальный источник,

трещина вдоль рифта или гребня на глубоком дне океана, извергающая воду, нагретую до высоких температур магмой под земной корой. Некоторые жерла находятся в областях распространения морского дна распространения морского дна,
теории эволюции литосферы, согласно которой дно океана расширяется наружу от огромных подводных хребтов. Впервые предложено в начале 1960-х годов американским геологом Гарри Х.
….. Щелкните ссылку для получения дополнительной информации. , а в некоторых местах температура воды выше 350 ° C; (660 ° F;) были зарегистрированы; температуры в жерлах Кайманового желоба в Карибском море были измерены выше 400 ° C; (750 ° F). Самые глубокие из известных жерл — это жерла Beebe Vent Field в Каймановом желобе, примерно на 16 273 футов (4960 м) ниже поверхности моря.

Горячие источники, обнаруженные в гидротермальных источниках, выщелачивают ценные подземные минералы и откладывают их на дне океана.Растворенные минералы выпадают в осадок, когда попадают в холодную воду океана, в некоторых случаях создавая темные вздымающиеся облака сульфидов (отсюда и название «черные курильщики» для некоторых источников) и оседая, образуя большие дымоподобные структуры. «Белые курильщики», как правило, выделяют более светлые флюиды с минералами более светлого цвета. Диффузные потоки возникают, когда горячие источники смешиваются с холодной морской водой перед выходом из-под дна океана; жидкости в этих потоках обычно холоднее, менее токсичны в результате смешивания с морской водой и распределяются по большей площади без образования «дыма» или структур, подобных дымоходу.

Гигантские трубчатые черви, щетинистые черви, желтые мидии, моллюски и розовые морские ежи относятся к числу животных, обитающих в уникальных экологических системах, окружающих вентиляционные отверстия. Все эти животные живут — без солнечного света — в условиях высокого давления, крутых температурных градиентов и уровней минералов, которые были бы токсичными для животных на суше. Основными продуцентами этих экосистем являются бактерии, которые используют хемосинтез , хемосинтез
, процесс, в котором углеводы производятся из углекислого газа и воды с использованием химических питательных веществ в качестве источника энергии, а не солнечного света, используемого для получения энергии при фотосинтезе.Большая часть жизни на Земле прямо или косвенно питается солнечным светом.
….. Щелкните ссылку для получения дополнительной информации. для производства энергии из растворенного сероводорода. Некоторые ученые считают, что такие жерла могли быть источником жизни на Земле.

Гидротермальные жерла были впервые обнаружены недалеко от Галапагосских островов в 1977 году учеными на исследовательском подводном аппарате Alvin. Вентиляционные отверстия с тех пор были обнаружены также в Атлантическом, Индийском и Южном океанах. Хотя ряд видов, обитающих вокруг жерл каждого океана, встречается также и в других океанах, многие из этих видов уникальны для конкретного региона, в котором они обитают.

Колумбийская электронная энциклопедия ™ Copyright © 2013, Columbia University Press. По лицензии Columbia University Press. Все права защищены. www.cc.columbia.edu/cu/cup/

Гидротермальный источник

Горячий источник на дне океана, где нагретые жидкости выходят из трещин в земной коре. Большинство гидротермальных жерл происходит вдоль центральных осей срединно-океанических хребтов, которые представляют собой подводные горные хребты, извивающиеся через все глубокие океаны. Наиболее изученные жерла находятся в центрах тектонического спрединга на Восточно-Тихоокеанском поднятии и на Срединно-Атлантическом хребте.Однако жерла также обнаруживаются над горячими точками, такими как Гавайские острова и Исландия, в задуговых бассейнах, например, в западной части Тихого океана, в неглубоких геотермальных системах, например, на полуострове Камчатка, и на склонах некоторых подводных вулканов. и подводные горы. Участки гидротермальных жерл или тесно сгруппированные группы жерловых отложений и выходных портов могут занимать площади от сотен до тысяч квадратных футов (от десятков до сотен квадратных метров). Отдельные места выхода могут быть разделены вдоль срединно-океанических хребтов на расстояние более 1000 миль (1600 км).

Все участки гидротермальных источников расположены в областях, где магма находится под дном моря. Холодная морская вода втягивается в океаническую кору к источнику тепла. По мере того как морская вода нагревается и вступает в реакцию с окружающими породами, ее состав изменяется. Сульфат и магний являются основными компонентами морской воды, теряемой во время реакций; сульфид, металлы и газы, такие как гелий и метан, являются основными получаемыми компонентами. Эта модифицированная морская вода известна как гидротермальный флюид. Плавучий горячий гидротермальный флюид поднимается к морскому дну в концентрированной зоне восходящего потока, чтобы выйти из морского дна при температурах от 50 ^° F (10 ^° C) до более чем 750 ^° F (400 ^° C), в зависимости от степени охлаждения и смешивания с морской водой во время подъема.Если морское дно достаточно мелкое, а жидкость достаточно горячая, раствор может закипеть; но обычно этого не происходит из-за давления вышележащей морской воды.

Гидротермальный флюид, который широко смешивается с морской водой ниже поверхности морского дна, может достигать морского дна в виде теплых источников с температурами 50–86 ^° F (10–30 ^° C). Этот отток обычно определяется как мутная или молочная вода, но поток медленный и минеральные отложения не накапливаются, за исключением некоторого гидротермального окрашивания или окисления базальтов морского дна.Когда более горячий, относительно неразбавленный гидротермальный флюид достигает морского дна, он все еще сохраняет плавучесть по отношению к морской воде, так что горячий раствор поднимается из трещин в морском дне со скоростью примерно до 6 футов (2 м) в секунду, бурно перемешиваясь. с морской водой, когда она поднимается. Смешивание гидротермального флюида с морской водой приводит к осаждению минералов из раствора, образованию минеральных отложений на выходе из морского дна и так называемого дыма, крошечных минеральных частиц, взвешенных в поднимающемся шлейфе флюида.Отверстия для черных курильщиков отличаются наличием такого большого количества мельчайших минеральных частиц, что шлейфы становятся практически непрозрачными.

Возможно, самой поразительной особенностью гидротермальных источников на морском дне является их плотное биологическое сообщество. В вентиляционных фаунах, как правило, преобладают моллюски, кольчатые червяки и ракообразные, тогда как фауны в местах обитания с твердым дном, не относящиеся к искусственным, состоят преимущественно из книдарий, губок и иглокожих. Биологически жерла — одна из самых продуктивных экосистем на Земле.Сульфид из гидротермальных жидкостей обеспечивает энергией эти продуктивные системы. В то время как большая часть жизни животных зависит от пищи фотосинтетического происхождения (неорганический углерод, преобразованный в полезные сахара растениями, использующими энергию Солнца), животные в гидротермальных источниках получают большую часть или всю свою пищу в процессе хемосинтеза. Хемосинтез осуществляется специализированными бактериями, обитающими в гидротермальных жидкостях, в матах на морском дне или в симбиотических отношениях с другими организмами.Бактерии превращают неорганический углерод в сахара, опосредуя окисление сероводорода, тем самым используя энергию, хранящуюся в химических связях. Известно также, что некоторые вентиляторы используют газообразный метан в качестве источника энергии и углерода. Физические и химические условия в гидротермальных жерлах были бы смертельными для большинства морских животных, но жерловые виды адаптировались к условиям там.

В ходе замечательного открытия было показано, что хемосинтетические микробы, известные как археи, вымываются из полостей глубоко в земной коре в результате гидротермальной и вулканической активности.Эти микробы гипертермофильны (любят горячую воду) и процветают при температурах, превышающих 90 ^° C (194 ^° F). Сейчас есть подозрения, что целое сообщество таких микробов населяет породы глубоко в водонасыщенных частях земной коры.

Краткая энциклопедия биологических наук Макгроу-Хилла. © 2002 McGraw-Hill Companies, Inc.

.

Геотермальный источник (CR Варьируется) — d20PFSRD

Геотермальные источники образуются там, где магма нагревает подземные воды до экстремальных температур. Эта горячая вода периодически извергается на поверхность, собираясь в бассейны с подогретой водой разной температуры. В некоторых случаях образующиеся в результате горячие источники относительно безвредны, и поблизости часто появляются сообщества, поскольку лечебный характер источника привлекает посетителей. Но в некоторых случаях геотермальные источники нагреваются до точки кипения или выше или могут представлять другие опасности для неосторожных.

GM могут свободно изменять количество повреждений и спасброски геотермального источника, принимая во внимание размер источника и температуру воды.

Фумарола (CR 1) : Фумаролы возникают, когда грунтовые воды выкипают до того, как достигают поверхности, поэтому, когда они извергаются из вентиляционных отверстий в земле, они делают это как пар, часто неся с собой токсичные газы. Тип газа, выделяемого фумаролой, зависит от состава окружающей почвы. Некоторые фумаролы, называемые сольфатарами, выделяют опасные уровни сернистого газа.Скорость извержения фумарол варьируется от каждых нескольких минут до каждых нескольких часов.

Существо в пределах 5 футов от прорывающейся фумаролы должно преуспеть в спасброске по Рефлексам со Сл 15, чтобы избежать извержения. При провале существо получает 2d6 пунктов урона огнем от обжигающего пара. Если фумарола испускает сернистые газы, каждое существо в пределах 30 футов от извергающейся фумаролы должно преуспеть в спасброске Стойкости со Сл 20, иначе получит 1 пункт урона Телосложения и почувствует тошноту на 1d4 раунда. При успешном спасброске существо нейтрализует урон Телосложения и его тошнит на 1d4 минуты вместо тошноты.Этот дополнительный эффект является отравляющим.

Гейзер (CR 3) : Гейзеры образуются, когда поверхностная вода просачивается в землю и встречается со скалами, нагретыми близостью магмы. Давление, создаваемое кипящей водой, заставляет воду извергаться на поверхность. Скорость, частота и продолжительность извержений варьируются от гейзера к гейзеру. Некоторые выпускают один устойчивый гейзер через равные промежутки времени. Другие переживают серию коротких извержений, продолжающихся всего несколько секунд каждое в течение нескольких часов, а затем переходят в спячку на несколько часов или даже дней.Струи воды от извергающихся гейзеров также различаются по высоте, причем некоторые из них выходят на высоту более 100 футов.

Существо в пределах 5 футов от извергающегося гейзера должно преуспеть в спасброске по Рефлексам со Сл 15, чтобы избежать извержения. При провале существо сбивается с ног и получает 2d6 пунктов урона от огня. Каждое существо, погруженное в струю гейзера, получает 5d6 пунктов урона от огня и должно преуспеть в спасброске по Рефлексам со Сл 15, иначе будет вытеснено из струи гейзера и сбито с ног. Существа в пределах 10 футов от гейзера (но дальше 5 футов) получают 1d6 единиц урона огнем от падающих на них кипящих горячих брызг.

Горячий источник (CR 2) : Обычные горячие источники содержат бассейны с теплой водой, но в некоторых вода нагревается почти до кипения. Воздействие этой воды наносит 1d6 пунктов огненного урона за раунд. Полное погружение наносит 5d6 пунктов огненного урона за раунд; урон продолжается в течение 1 раунда после полного погружения, но этот дополнительный урон составляет 1d6 пунктов урона от огня.

Грязевой горшок (CR 1) : Грязевой горшок — это источник, который в основном содержит горячую пузырящуюся грязь вместо воды.Цвет грязи зависит от количества и типа минералов в грязи. Грязевые горшки различаются по размеру и глубине, многие из них собираются группами. Газы из-под земли могут вызвать кипение горшков с грязью или выбросить грязь на небольшое расстояние в воздух. Воздействие грязевого котла наносит 1d3 пункта кислотного урона и 1d3 пункта урона огнем за раунд воздействия. Полное погружение в горшок с грязью наносит 1d6 пунктов кислотного урона и 1d6 пунктов урона огнем за раунд; урон продолжается в течение 1 раунда после полного погружения, но этот дополнительный урон составляет всего 1d3 пункта кислотного урона и 1d3 пункта урона огнем.Двигаться по грязевому котлу — это все равно что двигаться по болоту.

Раздел 15: Уведомление об авторских правах

Ролевая игра Pathfinder: Ultimate Wilderness © 2017, Paizo Inc .; Авторы: Александр Аугунас, Джон Беннетт, Роберт Брукс, Джон Комптон, Дэн Диллон, Стивен Т. Хелт, Терстон Хиллман, Эрик Хиндли, Микко Каллио, Джейсон Кили, Изабель Ли, Джейсон Нельсон, Стивен Рэдни-МакФарланд, Алекс Риггз, Дэвид Н. Росс, Дэвид Шварц, Марк Сейфтер, Джеффри Суонк и Линда Зайяс-Палмер.

.

Реология и характеристики буровых растворов на основе геотермальных источников на водной основе

В данном исследовании реологические свойства и характеристики бурового раствора, приготовленного с использованием геотермальной родниковой воды для использования операторами геотермального бурения, были изучены при температуре окружающей среды и повышенных температурах. В этом контексте образцы бурового раствора были приготовлены в составах, подробно описанных в спецификации API, с использованием пяти различных типов геотермальной родниковой воды и типа дистиллированной воды. После этого измеряли плотность, кажущуюся вязкость, пластическую вязкость, предел текучести, прочность геля, водоотдачу, pH и толщину фильтрационной корки этих образцов.Буровые растворы были проанализированы с помощью реологических испытаний в соответствии со стандартами Американского института нефти (API). Результаты экспериментов показали, что грязи, приготовленные с использованием геотермальной воды, имеют более низкие вязкость и предел текучести по сравнению с грязями, приготовленными с использованием пресной воды при повышенных температурах. Стабильность бурового раствора снижается, особенно при температурах выше 250 ° F, и они начинают флокулироваться. Был сделан вывод, что буровые растворы на основе геотермальной воды имеют более высокие водоотдачу по API и толщину корки, чем буровые растворы на основе пресной воды.Следовательно, можно интерпретировать, что буровые растворы, приготовленные с использованием геотермальной родниковой воды, будут демонстрировать более низкие характеристики потока и более низкую способность очистки ствола скважины и скорость проникновения по сравнению с пресноводными буровыми растворами. Следовательно, не рекомендуется использовать эту воду для приготовления бурового раствора.

1. Введение

Буровые растворы являются важным компонентом циркуляции в процессе бурения [1]. Буровые растворы в основном делятся на три категории в зависимости от их непрерывной фазы: буровые растворы на водной основе, буровые растворы на нефтяной основе и буровые растворы на основе газа [2].Типичный буровой раствор на водной основе обычно состоит из суспензии частиц глины в воде. Некоторые из основных функций буровых растворов — транспортировка шлама, смазка бурильной колонны, предотвращение притока пластовых флюидов, регулирование гидростатического давления и стабилизация скважины [3, 4]. Буровые растворы должны обладать определенными реологическими и фильтрационными свойствами для выполнения этих функций [5]. Поддерживать эти свойства бурового раствора при геотермальном бурении относительно сложно [6, 7].Как хорошо известно, геотермальное бурение проводится в горячих и естественно трещиноватых и / или кавернозных формациях, где они вызывают большую потерю циркуляции и деградацию [8]. Погибание циркуляции является одной из самых сложных проблем, существовавших в буровой технике, и приводит к необходимости большого объема бурового раствора [9]. Следовательно, для операторов важно обеспечивать водой из ближайшего к буровой площадке источника как с экономической, так и с технической точки зрения.Операторы иногда используют геотермальный источник, расположенный недалеко от буровой площадки, для приготовления бурового раствора. В геотермальных системах геотермальная вода поднимается к поверхности, вступая в реакцию с подземными образованиями, вызывая растворение минералов, поэтому разнообразие и концентрация растворенных компонентов в геотермальных водах выше, чем в пресных водах. Состав геотермальных вод характеризуется макроэлементами породы-коллектора и подземной средой, воздействию которой они подвергаются большую часть времени.Наиболее часто наблюдаемые ионы с высокими концентрациями: Na ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ , Mg ²⁺ , HCO ₃ ^— , CO ₃ ²⁻ , SO ₄ ²⁻ и CO ₂ . Другими микрозагрязнителями являются тяжелые металлы, такие как ртуть, медь, свинец, серебро, железо, цинк, мышьяк, марганец, хром, бериллий, селен, ванадий, кадмий, никель, стронций, уран, кобальт, галлий и сурьма. Некоторые другие элементы бора и кремния также могут присутствовать в геотермальных водах [10].Следовательно, эти воды могут влиять на свойства бурового раствора, такие как реологические свойства, потеря жидкости, ингибирование образования глинистых сланцев и смазывающая способность.

В литературе есть различные исследования, касающиеся изменения реологических и фильтрационных свойств в зависимости от температуры, давления, различных загрязняющих веществ и некоторых добавок или химического состава используемых глин. Некоторые из этих исследований изучали влияние различных добавок на реологические свойства без изменения жидкостей, используемых для приготовления бурового раствора, в то время как другие изучали влияние различных жидкостей на реологические свойства, поддерживая постоянство добавок.Например, Випуланандан и Мохаммед [11] использовали наноглины, Jain et al. [12] использовали нанокомпозиты, Kang et al. [13] использовали наночастицы, Cai et al. [14] использовали наносиликаты, Li et al. [15] использовали нанокристаллы целлюлозы, Navarrete et al. [16] использовали гуаровую камедь, Yan et al. [17] использовали синтетические полимеры, Махто и Шарма [18] использовали тамариндовую камедь, Ahmad et al. [19] использовали сополимер на основе акриламида, а Meng et al. [20] использовали углеродную золу в качестве добавки для изучения воздействия на буровой раствор. В результате они заметили, что эти добавки улучшают реологические свойства эффективного бурового раствора.Луо и др. [4] и Ofei et al. [21] использовали ионные жидкости в качестве добавки к буровым растворам и пришли к выводу, что эти жидкости уменьшают потери жидкости за счет улучшения реологических свойств буровых растворов даже при повышенных температурах. Kelessidis et al. [22] и Abu-Jdayil [23] проанализировали реологические свойства буровых растворов, приготовленных на соленой воде. Они заявили, что вязкость и предел текучести уменьшаются, тогда как объем фильтрата увеличивается по мере увеличения концентрации соли. Кроме того, они отметили, что образцы бурового раствора демонстрируют загущение при сдвиге с увеличением содержания соли.Zhao et al. [24] изучили влияние катионов неорганических солей Na, K, Mg и Ca на реологические свойства раствора полиакриламида / ксантановой камеди для бурового раствора и пришли к выводу, что эти катионы отрицательно влияют на реологические свойства и значительно снижают вязкость и режущую способность высокие концентрации. Willson et al. [25], Choi et al. [26], а также Мао и др. [27] исследовали характеристики бурового раствора, приготовленного на морской воде.

В этом исследовании были изучены реологические и фильтрационные характеристики буровых растворов, приготовленных с использованием геотермальной родниковой воды, и выявлено их влияние на производительность бурения.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

Четыре разных образца геотермальной родниковой воды, полученные из различных геотермальных зон ( GS 1, GS 2, GS 3 и GS 4), дистиллированной воды ( DW 1), Na-бентонита наиболее часто используемый тип глины в буровом растворе, XCD (ксантановая камедь) для изменения вязкости и CMC (карбоксиметилцеллюлоза) для контроля водоотдачи были использованы для приготовления образцов бурового раствора. Химические свойства геотермальной родниковой воды и дистиллированной воды приведены в таблице 1.

Кристаллографические свойства образца, использованного в данном исследовании, были определены с использованием рентгеновского дифрактометра Rigaku Miniflex II, оснащенного излучением Cu α в 2 θ в диапазоне 3–90 ° с шагом 0,01 и 0,5 град / мин, и образцы были оценены с помощью программы PDXL для идентификации минералов. Картина, представленная на Рисунке 1, показывает, что образец бентонита состоит из богатого натрием минерала монтмориллонита (NaM) вместе с кварцем, клипоптилолитом, альбитом и иллитом, которые были идентифицированы как примеси.

Элементный анализ образца бентонита был проведен методом рентгеновской флуоресценции (XRF) с использованием рентгеновского спектрометра Thermo ARL. Из полученных результатов установлено, что образец Na-бентонита состоит в основном из SiO ₂ (61,59 мас.%), Al ₂ O ₃ (15,88 мас.%) И Fe ₂ O ₃ (5,62 мас.%), Помимо Na ₂ O (2,71 мас.%), MgO (2,21 мас.%), CaO (1,53 мас.%), K ₂ O (1,07 мас.%), TiO ₂ (0.92 мас.%) И L.O.I. (7,82 мас.%) Микроэлементы в бентоните: P ₂ O ₅ , MnO, SrO, NiO, CuO, ZnO и ZrO ₂ . Эти результаты показали, что соотношение Al ₂ O ₃ / SiO ₂ было примерно от 1/3 до 1/4, как и ожидалось для монтмориллонита, который является основным компонентом бентонита, использованного в исследовании.

2.2. Приготовление образцов бурового раствора

Образцы бурового раствора были приготовлены по составам, указанным в спецификации Американского института нефти (API) [28].Как показано на Рисунке 2, 500 мл геотермальной родниковой воды перемешивали с 32,14 г бентонита в течение 20 минут для поддержания соотношения глины и воды в соответствии со стандартами API. Затем к раствору добавляли 1,4 г CMC и 0,7 г XCD, соответственно. Наконец, раствор перемешивали в течение 10 минут до образования гомогенной смеси. Для перемешивания использовали многократный смеситель Hamilton-Beach (модель 9В).

Вышеупомянутый процесс был повторен для каждой геотермальной родниковой воды, и в общей сложности было приготовлено четыре различных образца бурового раствора.Эти образцы были обозначены как S 1, S 2, S 3 и S 4. Кроме того, образец был приготовлен с использованием 500 мл дистиллированной воды в качестве базовой жидкости для изучения воздействия воды. по грязи, следуя инструкциям. Этот образец также имел маркировку D 1 . Приготовленные образцы оставались в статическом состоянии при комнатной температуре в течение 16 часов, как указано в стандарте API для бентонитовой глины. Пять образцов бурового раствора с маркировкой S 1, S 2, S 3, S 4 и D 1 были подвергнуты реологическим и фильтрационным испытаниям.Эти испытания включали измерения веса бурового раствора, вязкости, прочности геля, водоотдачи и толщины глинистой корки соответственно.

2.3. Определение реологических свойств

В экспериментальном исследовании использовались стандартные процедуры API для определения реологических свойств [29].

Вес рассматриваемых образцов бурового раствора определялся с использованием обычных весов для бурового раствора OFITE (модель 900) при температуре окружающей среды, а реологические свойства (вязкость, предел текучести и прочность геля) измерялись как при температуре окружающей среды, так и при повышенных температурах с помощью вискозиметра Fann модели 35 и реометра Fann модели 50 SL соответственно.Поскольку температуры геотермальных ресурсов находились в диапазоне 30 ° C (302 ° F) [30], показания шкалы напряжения сдвига вискозиметра были получены при температурах 77, 122, 167, 212, 257 и 302 (° F) и давлении 150 фунтов на кв. пять секунд для каждой стандартной скорости сдвига (3, 6, 100, 200, 300 и 600 об / мин).

Пластиковые модели Бингема, модели с низким энергопотреблением и модели Гершеля-Балкли являются фундаментальными моделями для описания поведения бурового раствора [2]. Более того, в последнее время с той же целью использовались модели Випуланандана [31] и гиперболические [32, 33].Однако в буровой промышленности обычно считается, что буровой раствор классифицируется как пластик Бингема, и реологические свойства бурового раствора определяются на основе этой модели [20, 34].

Согласно пластической модели Бингема кажущаяся вязкость, пластическая вязкость и предел текучести были рассчитаны с использованием следующих уравнений для значений 600 и 300 об / мин:

Прочность геля буровых растворов измеряли с помощью вращающегося вискозиметра. После этого образцы бурового раствора были иммобилизованы на 10 секунд 10 минут.Максимальное значение отклонения, наблюдаемое при 3 об / мин, было обнаружено как 10-секундный гель и 10-минутный гель соответственно.

Измерения потерь жидкости проводились как при температуре окружающей среды, так и при температуре 212 ° F. Измерения при температуре окружающей среды проводились с использованием фильтр-пресса LPLT (низкое давление-низкая температура), а измерения при 212 ° F проводились с использованием фильтр-пресса Fann на 500 мл при давлении 100 фунтов на квадратный дюйм.

После измерений водоотдачи глинистую корку на фильтратной бумаге № 50 оставляли для испарения воды при температуре окружающей среды в течение 24 часов, затем толщину глинистой корки измеряли штангенциркулем типа Вернье.

3. Результаты и обсуждение

Значения напряжения сдвига и их взаимосвязь с образцами бурового раствора, приготовленными с использованием S 1-4 и D 1, представлены на рисунке 3 как при температуре окружающей среды, так и при повышенных температурах (77, 122, 167 , 212, 257 и 302 (° F)).

Рисунки 3 (a) –3 (f) показывают, что зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига не является линейной в диапазоне от 0 до 100 об / мин, а линейно увеличивается до 600 об / мин, поэтому поведение этих образцов можно описать. с помощью двухпараметрической пластической модели Бингема, которая предполагает линейную зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига.Фактически, пластическая модель Бингема не точно предсказывает поведение потока жидкости при низких скоростях сдвига, но полезна для непрерывного мониторинга и обработки буровых растворов. Жидкости, которые демонстрируют пластическое поведение Бингема, не текут, пока напряжение сдвига не превысит критическое значение, известное как предел текучести. После достижения предела текучести изменения напряжения сдвига и скорости сдвига пропорциональны. Эта константа пропорциональности, или наклон кривой, называется пластической вязкостью. Более того, было подчеркнуто, что значения напряжения сдвига уменьшались с увеличением температуры для всех образцов из-за термического разложения компонентов образцов бурового раствора.При сравнении реограмм видно, что значения напряжения сдвига образца D 1 выше, чем у образцов S 1, S 2, S 3 и S 4 во всех отношениях. и условия. Для всех образцов значения напряжения сдвига уменьшались при температурах 257 и 302 (° F) и низкой скорости сдвига (3-6 (об / мин)). Обычно ожидается, что напряжение сдвига увеличивается с увеличением значения скорости сдвига. Тем не менее, бентонитовые буровые растворы могут сохранять свою стабильность до 250 ° F и проявлять способность к загустеванию при сдвиге при температурах выше 250 ° F.Следовательно, проблемы гелеобразования и фильтрации будут возникать при температурах выше 250 ° F в скважинах, где используются эти буровые растворы. Эти проблемы заставят буровой раствор течь в пласт и уменьшат несущую способность.

Таблица 2 показывает AV, PV и YP и отношение YP к PV образцов бурового раствора в зависимости от температуры.

Как видно из таблицы 2, температура отрицательно влияет на AV геотермальных и пресноводных буровых растворов.С другой стороны, AV пресноводного бурового раствора больше, чем AV бурового раствора на геотермальной воде при постоянной температуре. Поскольку AV показывает текучесть бурового раствора и влияет на скорость проникновения, можно отметить, что буровые растворы, приготовленные с геотермальной родниковой водой, будут иметь более низкие характеристики потока.

Из таблицы 2 видно, что PV грязи, приготовленной с использованием геотермальной родниковой воды, ниже, чем PV грязи, приготовленной с пресной водой при всех температурах. Это указывает на то, что родниковая вода снижает набухаемость бентонита по сравнению с дистиллированной водой.Эта разница является результатом разной концентрации растворенного твердого вещества в составе геотермальной воды и дистиллированной воды и приводит к разнице в вязкости воды, которая используется для приготовления образцов бурового раствора, в которых вязкость воды является одним из факторов. влияющие на пластическую вязкость. Предел текучести всех образцов значительно изменяется при повышении температуры. Кроме того, как и вязкость, самые высокие значения предела текучести наблюдаются для образца D 1 при всех температурах.Низкое YP приведет к тому, что буровой раствор не будет соответствовать задаче по приостановке шлама и несущей способности. Кроме того, пластическая вязкость образцов обычно снижается до температуры 167 ° F. Хотя повышение наблюдается в диапазоне температур от 167 ° F до 212 ° F, оно постоянно снижается при температурах выше 212 ° F. Однако пластическая вязкость образца S 2 непрерывно снижается при температурах выше 167 ° F. Хотя наблюдаются колебания пределов текучести образцов до 167 ° F, пределы текучести всех образцов заметно снижаются при температурах выше 167 ° F.Интересно, что предел текучести образца S 2 достиг отрицательного значения при 257 и 302 (° F). Это могло быть связано с явлением проскальзывания стенки. Стеночное скольжение является общей проблемой при реологических измерениях буровых растворов и определяется как разница между скоростью стенок измерительной геометрии и прилегающего слоя жидкости [35]. Низкая скорость сдвига [36] является одним из параметров, с которым традиционно ассоциируется «стенка скольжения».

Разжижение при сдвиге является желаемым свойством, поскольку оно обеспечивает снижение давления нагнетания и улучшение скорости проникновения, когда вязкость в трубах низкая и буровой раствор имеет высокую скорость сдвига.Отношение YP / PV также является показателем утонения при сдвиге [1, 37]. Чем выше соотношение, тем больше утонение при сдвиге [1, 2]. Отмечено, что отношение YP / PV является самым высоким для образца D1 во всех условиях. Более того, это соотношение должно быть не менее 0,375 Па / мПас для достижения достаточной очистки ствола [4, 21]. Отношение YP / PV для образца D1 выше 0,375 Па / мПас при всех температурах. Однако следует отметить, что соотношение образцов бурового раствора на основе геотермальной воды ниже этого значения при температурах выше 212 ° F.Это указывает на то, что пресноводные бентонитовые буровые растворы проявляют большее истончение при сдвиге по сравнению с бентонитовыми буровыми растворами на геотермальной водной основе. Поскольку соотношение уменьшается в зависимости от температуры, буровые растворы, приготовленные с использованием геотермальной воды, будут отрицательно влиять на очистку ствола скважины и скорость проникновения. Следовательно, это напрямую приведет к значительному увеличению стоимости бурения.

Также были проведены испытания на плотность, прочность геля, толщину глинистой корки, pH и водоотдачу. Результаты представлены в таблице 3.

Плотность бурового раствора является одним из ключевых параметров для успешного бурения и бурения. влияет на производительность бурового раствора.Измерения плотности бурового раствора показали, что плотность каждого из образцов составляла 1,031 г / см ³ . Было отмечено, что плотность образцов, взятых из разных мест, не повлияет на производительность бурения суспензий бурового раствора, приготовленных с одинаковой концентрацией бентонита и воды.

Прочность геля — это напряжение сдвига, измеренное при низкой скорости сдвига после того, как раствор был установлен в неподвижном состоянии в течение определенного периода времени (10 секунд и 10 минут в стандартной процедуре API).Минимальная разница между результатами 10 секунд и 10 минут была измерена в образце D1 и составила 3,0 фунта / 100 футов ² . Это указывает на то, что образец D 1 имеет более высокую режущую способность и тиксотропные свойства, чем другие образцы бурового раствора. Фактически, когда циркуляция закончилась, взвешенные частицы не могли оседать на забой скважины. Проблема прихвата трубы также была предотвращена благодаря прочности геля. Начальная прочность геля буровых растворов должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить обрушение взвеси выбуренной породы.Следовательно, возможно, что илы, приготовленные на основе геотермальной родниковой воды, вызывают перепады высокого давления во время маневрирования, что может привести к растрескиванию слабых пластов.

Было замечено, что потеря жидкости во всех образцах увеличивалась с течением времени при температуре окружающей среды и повышенных температурах до 302 ° F. Когда исследуются API и значения потери высокотемпературной жидкости по истечении 30 секунд и 30 минут для каждого образца, видно, что образец бурового раствора сохранил свою стабильность, а наименьшая разница — это образец, обозначенный как D 1.По мере увеличения скорости фильтрации флюида объем фильтрата, поступающий в подземный пласт, может вызвать загрязнение зоны добычи и / или ухудшение стабильности скважины. Во всех этих случаях потребуется больше агентов управления фильтрацией, что напрямую скажется на стоимости жидкости.

После испытания на водоотдачу по API лучшая фильтрационная корка, измеренная штангенциркулем образцов бурового раствора, была получена для образца D 1 со значением 0,11 мм.Это указывает на то, что буровой раствор, приготовленный с использованием геотермальной воды, вызывает более толстую фильтрационную корку на стволе скважины во время операций бурения по сравнению с пресноводным буровым раствором. Когда операторы предпочитают геотермальную воду для приготовления бурового раствора, вероятность возникновения таких проблем, как заклинивание трубы, чрезмерный крутящий момент, лобовое сопротивление, высокий тампон и скачки давления, выше по сравнению с пресноводными буровыми растворами.

4. Выводы

В результате экспериментов, проведенных на пяти различных образцах бурового раствора с целью сравнения характеристик бурения буровых растворов, приготовленных с использованием геотермальной родниковой воды и пресной воды, были сделаны следующие выводы.(i) Грязи, приготовленные с использованием геотермальной воды, имеют меньшую вязкость и предел текучести, чем грязи, приготовленные с использованием пресной воды при повышенных температурах. Стабильность бурового раствора ухудшается, и буровой раствор начинает флокулироваться, особенно при температурах выше 250 ° F. Более того, поскольку вязкость и предел текучести обоих типов буровых растворов недостаточно высоки для того, чтобы буровой раствор выполнял свои функции, это приведет к увеличению количества проникновения фильтрата бурового раствора и снижению несущей способности буровых растворов. (Ii) Значения напряжения сдвига при постоянной скорости сдвига и характеристики истончения при сдвиге геотермальных буровых растворов на водной основе ниже, чем у буровых растворов, приготовленных на пресной воде как при температуре окружающей среды, так и при повышенных температурах.Следовательно, эти буровые растворы будут демонстрировать более низкие характеристики потока, более низкую способность очистки ствола и более низкую скорость проникновения по сравнению с пресноводными буровыми растворами. (Iii) Буровые растворы на геотермальной воде приводят к большему объему фильтрата, чем пресноводные буровые растворы как при температуре окружающей среды, так и при повышенных температурах. Другими словами, можно отметить увеличение объема фильтрата, протекающего через пласт во время бурения, когда используются геотермальные растворы на водной основе. Это также может привести к загрязнению зоны добычи и ухудшению устойчивости скважины.Следовательно, для контроля фильтрации потребуется значительное количество добавки для снижения водоотдачи. В результате это напрямую повлияет на стоимость скважины. (Iv) Грязи, приготовленные с использованием геотермальной воды, имеют большую толщину корки, чем илы, приготовленные с использованием пресной воды. Следовательно, это может привести к прилипанию бурильной колонны к стволу скважины и увеличению вероятности других повреждений внутри скважины из-за более высокого давления тампона и пульсации.

Вкратце, можно отметить, что буровые растворы, приготовленные с геотермальной родниковой водой, будут вызывать меньшее бурение производительность и высокая стоимость по сравнению с растворами, приготовленными на пресной воде.Поэтому не рекомендуется использовать геотермальную родниковую воду для приготовления бурового раствора с точки зрения эффективности и стоимости бурения.

Доступность данных

Никакие данные не использовались для поддержки этого исследования.

Конфликты интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить доктора Гурсата Алтуна (Стамбульский технический университет, факультет нефтяной и газовой инженерии) за его ценные предложения и за предоставленные лабораторные возможности.

.