Карта теплового потока западной части Восточно-Европейской платформы.
Аномалии теплового потока, выявленные в западной части Восточно-Европейской платформы показаны на следующем рисунке. Наибольшеие значения плотности теплового потока в пределах всей территории Восточно-Европейской платформы (по отдельным скважинам до 90 – 94 мВт/м2) выявлены в пределах западной Литвы и Калининградской области России. После нее второй по значению потока следует аномалия северной зоны Припятского прогиба. По мере приближения к западной окраине ВЕП наблюдается увеличение плотности теплового потока. Еще одна положительная аномалия отмечена в северной части карты, она названа Ленинградской аномалией повышенного теплового потока.
В пределах части Белорусской антеклизы и в Оршанской впадине – наоборот плотность теплового потока низкая (25 – 35 мВт/м2).
Рисунок - Тепловой поток запада Восточно-Европейской платформы, мВт/м2.Составил В.И. Зуй.
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
По классификации К.Ф. Богородицкого [Богородицкий, К.Ф. Высокотермальные воды СССР / К.Ф. Богородицкий. – Москва: Наука, 1968. – 167 с.] подземные воды подразделяют по температуре на переохлажденные (0 ºС), очень холодные (0 – 10 ºС), холодные (10 – 20 ºС), теплые (20 – 37 ºС), горячие (37 – 50 ºС), очень горячие (50 – 100 ºС) и перегретые (более 100 ºС). Так, рассолы нижних геотермальных горизонтов Припятского прогиба относятся к теплым и горячим, а воды верхних горизонтов – к холодным и теплым.
Вполне закономерным является вопрос использования этого природного источника тепла, которому посвящается всё больше внимания, которое стимулируется непрерывным ростом цен на традиционные источники тепла (нефть, мазут, природный газ). Цена на нефть в наши дни достигла 130 $US за баррель (159 л).
Идея использования подземного тепла недр республики не нова. Она неоднократно высказывалась в отдельных публикациях с конца пятидесятых – начала шестидесятых годов (момента постановки геотермических исследований в Беларуси). Однако кроме высказывания общей идеи, базировавшейся на опыте, уже накопленном другими странами, никакой оценки геотермального потенциала республики не выполнялось. Эти работы в Беларуси начаты только в середине 90-х годов прошлого столетия.
По существу, геотермальные ресурсы – это та часть геотермальной энергии, которая может быть экономически рентабельно извлечена в ближайшем будущем. Геотермальные резервы – это часть ресурсов, которая может эксплуатироваться в настоящее время и подтверждается данными бурения, геологическими, геофизическими и геохимическими исследованиями. Поэтому, прежде всего, надо дать количественную оценку геотермальных ресурсов, заключенных в платформенном чехле.
Существует ряд методик определения плотности распределения геотермальных ресурсов. Для оценки плотности ресурсов геотермальной энергии в геотермальных комплексах платформенного чехла была применена методика, используемая в странах Западной Европы, в частности при составлении Атласа геотермальных ресурсов Еваропы. Среди многих методов количественной оценки геотермальных ресурсов этот метод использует модель объемного содержания тепла и предполагает извлечение геотермальной энергии системой дублетов скважин (эксплуатационная и нагнетательная).
Ресурс Н1 (в Джоулях) оценивается по формуле:
Н1 = Н0 • R0,
где: Н0 - тепло, содержащееся в породах на месте их залегания, и подразумевает объемную модель его извлечения. Сюда включается тепло, запасенное в матрице горной породы (m) и в воде (флюиде порового пространства (w)):
Н0 = [(1-P) • ρm• cm + P• ρw•cw] • [Tt –T0] •A•Δz,)
где [:
ρm, ρw– плотность матрицы горной породы и воды, соответственно, кг/м3,
сm, сw– удельная теплоемкость матрицы горной породы и воды, соответственно, Дж/(кг•К),
P– эффективная пористость, безразмерная величина,
Tt– температура на кровле водоносного горизонта, ºС,
T0– температура на земной поверхности, ºС,
A– рассматриваемая площадь земной поверхности, м2,
Δz– эффективная мощность водоносного горизонта, м.
R0– коэффициент извлечения,представляет собой часть тепла, которое подлежит добыче. Он зависит от применяемой технологии. Если добыча производится с использованием дублета скважин, при котором через эксплуатационную скважину происходит подъем геотермального флюида, а через нагнетательную (в случаях, когда минерализация пластовых теплых вод превышает лимит 1 г/л, установленный для пресных вод) – захоронение отработанного флюида в водоносный горизонт, тогда:
R0= 0.33 (Tt–Tr) / (Tt –T0),
где Tr– температура закачки (реинжекции), ºС.
Возврат отработанных термальных вод в водоносный горизонт предотвращает падение давления в нем во время эксплуатации, равно как и загрязнение поверхностных водотоков минеральными и солеными водами. Группа экспертов Европейского Союза рекомендует значение Tr= 25 ºС, хотя на практике используют и меньшую величину, например на Клайпедской геотермальной станции закачка отработанного рассола производится при температуре всего 11 ºС. Если используется только одна эксплуатационная скважина, например когда теплые воды пресные, то рекомендуется значение коэффициента извлечения:
R0» 0.1
В расчет входят данные по объемной теплоемкости горной породы и воды ρm•cm и ρw•cw, соответственно. Первые определяются лабораторными измерениями на образцах горных пород, поднятых при бурении скважин. Удельная же и объемная теплоемкость воды является параметром, незначительно зависящим от температуры. Максимальные значения этого параметра находятся в диапазоне 30–50 ˚С. Приведенная методика не требует знания других критичных параметров.
Примеры оценки плотности геотермальных ресурсов для кембрийского водоносного комплекса в юго-западной части Беларуси приведен на рисунке.
Рисунок – Плотность ресурсов подземного тепла в западной части Брестской области,кг.у.т./м2.
Изменение плотность геотермальных ресурсов происходит в широком диапазоне – от 0 кг.у.т./м2 в местах выклинивания этого геотермального комплекса (как показано на следующем рисунке), в частности – на востоке и севере региона, до 300 – 350 кг.у.т./м2 вблизи белорусско-польской границы.
Еще большая плотность геотермальных ресурсов содержится в геотермальных комплексах Припятского прогиба. Примеры распределения плотности ресурсов для толщи верхней соли и межсолевых отложений приведены на следующих двух рисунках.
Рисунок - Плотность ресурсов геотермальной энергии, заключенной в верхней соли Припятского прогиба, т.у.т./м2.
Низкоэнтальпийные геотермальные ресурсы извлекают используя различные технологические схемы, построенные на базе применения тепловых насосов. Практика показывает, что даже холодные воды с температурой 7 – 10 °С могут успешно использоваться для выработки тепла с помощью таких установок. Всего в Беларуси йствуют 9 геотермальных установок с суммарной тепловой мощностью более 1.5 МВт.
Пример установки для отопления здания канализацилноой станции, расположенной в деревне Новый Двор возле Минска приведен на следующих двух рисунках.
Рисунок – Вид теплонасосной установки станции в д. Новый Двор возле Минска
Рисунок – Здание канализационной станции в д. Новый Двор возле Минска, отапливаемое теплонасосной установкой. Газовая котельная выведена из эксплуатации.
Существует ряд схем испльзования низкоэнтальпийной геотермальной энергии. Основные из них схематично показаны на следующем рисунке.
Крупные геотермальные станции построены в Польше (Баньска-Бялы Дунаец, Новы Тарг, Пыржице, Мщонув, Сломники и др. В Литве действует Клайпедская геотермальная станция тепловой мощностью 35 МВт, показанная на рисунке.
Ресурсы высокоэнтальпийной геотермальной энергии успешно используют для выработки электроэнергии в ряде стран Италия, Япония, США, Новая Зеландия, Мексика, Индонезия, Россия, в Африке (возле Килиманджвро) и других местах.
ВОПРОСЫ ПО ГИДРОГЕОЛОГИИ
1. Предмет и задачи гидрогеологии.
2. Приток воды к напорной (артезианской) совершенной скважине.
3. Подразделение гидрогеологии и основные этапы ее развития.
4. Расход потока (подземных) вод (грунтовых и напорных).
5. Единство природных вод. Роль подземных вод.
6. Установившееся и неустановившееся движение подземных вод.
7. Состав, свойства и виды воды в горных породах.
8. Строение и свойства воды
9. Современная классификация видов воды.
10. Состав подземных вод. Химические элементы и газы в подземных водах.
11. Происхождение и формирование подземных вод как составной части гидросферы
12. Органические вещества и микрофлора в подземных водах.
13. Модель круговорота воды в природе.
14. Анализ воды и способы его выражения (весовая ионная, эквивалентная и процент эквивалентной формы).
15. Взаимосвязь и взаимодействие геологического и гидрологического циклов круговорота воды.
16. Классификация подземных вод по химическому составу. Классификация по общей минерализации.
17. Гидрологический (климатический) круговорот воды.
18. Задачи регионального районирования.
19. Основные элементы баланса гидрологического круговорота.
20. Районирование земной суши. Основные факторы гидрогеологического районирования.
21. Геологический круговорот воды и его основные ветви.
22. Гидрогеологическая структура дна морей и мирового океана.
23. Основные гидрогеологические структуры.
24. Мероприятия по защите подземных вод от истощения и загрязнения.
25. Разновидности подземных вод по характеру залегания.
26. Гидрогеологическое районирование территории Беларуси.
27. Основные особенности грунтовых вод.
28. Основные водоносные горизонты и комплексы территории Беларуси.
29. Основные особенности напорных вод.
30. Гидродинамическая и гидрохимическая зональность Беларуси.
31. Структура потоков подземных вод.
32. Подземные воды Белоруссии. Пресные и минеральные воды.
33. Потоки подземных вод платформенных областей.
34. Подземные воды Белоруссии. Лечебные рассолы и промышленные воды.
35. Физические и водные свойства горных пород.
36. Основные потребители подземных вод (пресных, минеральных, лечебных, промышленных, термоэнергетических).
37. Механический состав горных пород.
38. Источники и виды загрязнения подземных вод.
39. Пористость и влажность горных пород.
40. Истощение ресурсов подземных вод.
41. Основные виды и законы движения воды в зоне насыщения.
42. Состояние подземных вод на территории Белоруссии (отбор подземны
вод, осушительная мелиорация, сельскохозяйственное загрязнение).
43. Линейный закон фильтрации (закон Дарси).
44. Задачи гидрогеологических исследований в связи с охраной подземных вод.
45. Нелинейный закон фильтрации (закон Краснопольского).
46. Охрана подземных вод от загрязнения. Основные виды водоохранных мероприятий.
47. Понятие о коэффициенте фильтрации, водопроводимости и проницаемости.
48. Охрана ресурсов подземных вод от истощения.
49. Приток воды к грунтовой скважине.
50. Законодательство об охране вод.
51. Понятие о геотермическом градиенте и геотермической ступени. Виды термограмм.
52. Понятие о тепловом потоке и плотности теплового потока.
53. Плотность ресурсов геотермальной энергии.
54. Геотермальная энергия и геотермальный потенциал.
55. Методика оценки плотности ресурсов геотермальной энергии.