Книга содержит обзор новейших достижений в области изучения и использования геотермальной энергии в США и некоторых других странах. Большое внимание уделено вопросам преобразования тепловой энергии нагретых «сухих» пород, методам и технологии создания искусственных циркуляционных систем – «тепловых котлов», в том числе с помощью ядерных взрывов. В книге содержатся данные по бурению самых глубоких скважин в мире и рассматриваются методы совершенствования современного бурения. Рассматриваются также вопросы борьбы с солеотложением и коррозией при использовании термальных вод различного состава и минерализации, включая горячие рассолы. Значительное место уделено экономическим и правовым вопросам и вопросам охраны окружающей среды при использовании геотермальных ресурсов. Книга представляет интерес для геологов, гидрогеологов, горных инженеров, инженеров-нефтяников, инженеров по бурению глубоких скважин, теплотехников, энергетиков и экономистов, специализирующихся по геотермальным исследованиям и разработкам. Она может быть также полезной всем читателям, интересующимся вопросами изучения и использования глубинного тепла Земли.

Предисловие редактора перевода
Предисловие
Введение

Глава 1. Геотермальные ресурсы как один из перспективных источников энергии
История освоения геотермальных ресурсов
Характеристики систем
– Общие вопросы
– Размещение и доступность геотермальных месторождений
– Оценки геотермальной энергии
– Вид извлекаемой энергии
– Значения к.п.д.
– Ограничения по размерам
– Производительность скважин и установок
– Продукты, вызывающие загрязнение окружающей среды
Проблемы освоения геотермальных ресурсов
Оценки стоимости
Воздействие на окружающую среду
Преимущества и недостатки
Новые методы разведки
Исследовательские работы и освоение геотермальных ресурсов в США
– Геологическая служба США
– Управление мелиорации США
– Ведомство опреснения вод
– Горнорудное управление
– Бюро землепользования
– Национальный научный фонд
– Комиссия по атомной энергии
– Министерство обороны США
– Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА)
– Роль учреждений американских штатов
– Роль частных фирм
Оценки предельных запасов геотермальной энергии
Порядок сдачи в аренду земель с геотермальными ресурсами в США
– Федеральные земли с геотермальными ресурсами
– Земли с геотермальными ресурсами, находящиеся в частном пользовании
Сведения об основных геотермальных установках
– Исландия
– Италия
– Новая Зеландия
– Япония
– Долина Больших Гейзеров (шт. Калифорния, США)
– Мексика
– Сальвадор
Литература

Глава 2. Сухие геотермальные месторождения
Обычные методы бурения
– Современное состояние
– Направления дальнейших исследований
Глубокое роторное бурение
– Современное состояние
– Направления дальнейших исследований
Технологические трудности и ограничения
– Современное состояние
– Направления дальнейших исследований
Совершенствование современных методов бурения
– Современное состояние
– Используемые буровые установки
– Направления дальнейших исследований
Новые методы
– Современное состояние
– Направления дальнейших исследований
Развитие геотермальной энергетики
Один из методов получения геотермальной энергии
– Бурение, создание гидравлического разрыва и обеспечение циркуляции воды
– Опытно-промышленная ГеоТЭС
– Эксперимент по определению возможности сооружения ГеоТЭС
– Гидравлический разрыв и рост трещин под действием термических напряжений
– Экономика
– Данные по эксперименту, касающемуся создания искусственного геотермального месторождения и ГеоТЭС
Использование на месторождении неводных жидкостей
Литература

Глава 3. Плоушерская программа использования ядреных взрывов
Плоушерская программа извлечения геотермального тепла
Требования к площадке и геологические условия
Разработка источников тепла
– Результаты ядерного взрыва
– Проблемы бурения
– Вопросы безопасности и воздействия на окружающую среду
– Общественное мнение
Извлечение тепла
– Потери теплоносителя и проницаемость
– Режимы течения
– Теплоотдача от трубообразной полости
– Извлечение тепла из трещиноватой области
Эксплуатация электростанции
– Качество пара
– Термодинамика системы
– Гипотетический случай выброса
– Проблемы, связанные со строительством сейсмостойких станций
Патент Диксона [11]
Плоушерская программа стимулирования естественных геотермальных ресурсов [12]
Литература

Глава 4. Три экспериментальных исследования
1. Образование накипи при моделировании геотермального раствора
– Описание установки
– Особенности эксплуатации установки
– Программа испытаний
– Результаты исследования теплопередачи
– Образцы
– Падение давления
– Результаты и выводы
2. Анализ воды из скважин в районе Уайракей
3. Химический состав геотермального пара, получаемого при реализации Плоушерской программы
– Описание эксперимента
– Обсуждение результатов
– Выводы
Литература

Глава 5. Исследование геотермальных ресурсов Калифорнии
Природа ресурсов
Размеры ресурсов
– Долина Больших Гейзеров
– Долина Импириал-Валпи
– Район озера Моно-Лейк
Методы эксплуатации
– Сухой пар
– Выработка электроэнергии на базе геотермальных вод
– Опреснение геотермальной воды
– Схеме электрогенераторной установки с замкнутым циклом
– Охлаждение
Общий анализ системы и стоимость выработки электроэнергии с использованием сухого пара
– Воды для закачки в недра
Влияние на окружающую среду
– Использование земли
– Сбросные воды
– Оседание земли
– Сейсмическая активность
– Загрязнение воздуха
– Отвод тепла
– Выбросы из скважин
Потенциальные ресурсы
Литература

Главе 6. Способы получения энергии из горячих геотермальных растворов
Метод полного потока
Распространенность и характеристика ресурсов геотермальных растворов
– Мощность и размещение месторождений горячих геотермальных вод в Солтонской впадине
– Химический состав геотермальных растворов
– Гидростатическое давление геотермальных растворов
– Оценка Производительности скважин
– Механизм получения геотермальной тепловой энергии в Солтонской впадине
Термодинамический анализ
Системы турбин
Один из возможных проектов
Химические и корроизонные факторы
– Физические и тепловые свойства геотермальных растворов
– Коррозия
– Образование накипи
– Насыщаемость геотермального раствора
– Конструкция крепления скважин
Влияние на окружающую среду
Оценки стоимости
– Предположения
– Капитальные затраты
– Эксплуатационные расходы
– Оборот капитала и рентабельность
Метод фирмы «Спэрри рэнд»
Литература

Глава 7. Изучение возможности освоения трех геотермальных районов США
Техас
– Месторождения с аномально высоким давлением
– Оценка глубинных параметров для выбранных участков
– Описание участка Себастиан
– Описание участка Порт-Мансфилд (район Тэнвриас)
– Расчет дебита скважин месторождений
– Проект опытной ГеоТЭС
Калифорния
– Участок Пойнт-Мугу
– Участок Туэнтинайн-Палмс
– Участок в районе озера Чайна
Айдахо
– Предпосылки
– Состояние проекта
Литература

Глава 8. Предложенная программа исследований
Разведка геотермальных ресурсов
– Цели
– Направления дальнейших исследований
Оценка геотермальных ресурсов
– Цели
– Направления дальнейших исследований
Разработка месторождения и его эксплуатация
– Цели
– Направления дальнейших исследований
Методы эксплуатации и экономическая эффективность
– Цели
– Направления дальнейших исследований
Влияние на окружающую среду
– Цели
– Направления дальнейших исследований
Организационно-правовые вопросы
– Цели
– Направления дальнейших исследований
– Законодательные положения, регулирующие геотермальную промышленность
– Вопросы законодательства
– Разработка программы
– Рекомендации
Литература

Предисловие редактора перевода

При современном бурном развитии энергетики в промышленно развитых странах возрастающая потребность в тепле и электроэнергии может привести в обозримом будущем к исчерпанию или к катастрофическому истощению ресурсов традиционных видов топлива. Поэтому вполне естественно, что научная и инженерная мысль направлена ныне на изыскание новых видов энергии, которые смогут заменить традиционное топливо или сократить его расход. Одним из таких новых видов энергии является глубинное тепло Земли.

В СССР и за рубежом проводятся широкие исследования ресурсов геотермальной энергии, ее видов, способов добычи и использования на различных теплоэнергетических установках. В ряде стран для получения тепла и выработки электроэнергии достаточно широко используются подземные термальные воды, однако запасы этих вод весьма ограниченны и их тепловой потенциал в промышленно развитых странах, таких, как СССР, США, Япония, Италия и др., лишь в малой степени сможет удовлетворить насущные потребности.

Несравненно более крупные ресурсы тепла заключены в блоках нагретых практически сухих пород, но освоение этого вида тепла представляет собой крупномасштабную и весьма сложную научно-техническую проблему. В СССР и США имеются теоретические разработки по технологии извлечения этого вида тепла, но до настоящего времени из-за ряда технических трудностей еще не было создано ни одной промышленной установки для извлечения тепла из сухих пород. Существует лишь одна небольшая опытная циркуляционная установка, созданная Лос-Аламосской лабораторией в США. Поэтому публикация материалов, обобщающих проводимые в США исследования по освоению тепла сухих пород, должна привлечь внимание советских специалистов, занятых геотермальными исследованиями и разработками.

В данной книге обобщены обширные и не всегда доступные для советского читателя материалы по технологии извлечения и использования геотермальной энергии. Впервые в советской печати подробно рассматривается Плоушерская программа создания крупных искусственных циркуляционных систем путем применения ядерных взрывов в толще горячих пород. Рассмотрены проблемы бурения под ядерные заряды, результаты ядерных взрывов, вопросы безопасности и методы извлечения тепла из искусственно созданной трещиноватой области. Описаны другие методы создания циркуляционных систем в нагретых практически сухих породах, охарактеризованы технологические трудности и ограничения. Значительное место уделено экономике создания искусственных систем и определению стоимости получаемой при этом электроэнергии.

Рассмотрены также способы получения энергии на базе горячих геотермальных растворов, часто имеющих рассольную концентрацию, как, например, в Солтонской впадине в США.

Наконец, приведена программа работ, предложенная конференцией по исследованию геотермальных ресурсов, состоявшейся в 1972 г. Конференция проводилась с целью оценки современного развития геотермальных исследований, составления рекомендаций по дальнейшим исследованиям и разработкам и определения места геотермальных ресурсов в обеспечении страны дополнительной энергией, минеральными солями и водой.

Можно надеяться, что настоящая книга окажется полезной для специалистов, работающих в области изучения и использования геотермальных ресурсов.

По согласованию с фирмой книга на русском языке издается в сокращенном варианте. Фактический материал гл. 1 обновлен по состоянию на 1977 г.

Перевод книги выполнен кандидатами технических наук B.C. Зродниковым (гл. 3 (часть), 4, 6) и В.И. Кабаковым (гл. 1, 2, 7) и кандидатом филологических наук Н.И. Шаховой (гл. 3 (часть), 5, 8).

Б. Маврицкий

Предисловие

Публикуемый обзор технологии производства энергии основан на исследованиях, проведенных промышленными и техническими фирмами и научно-исследовательскими коллективами университетов под опекой различных правительственных и административных организаций.

В нем содержится подробное описание природа геотермальных ресурсов, их размеров и современной технологии, которая позволяет эксплуатировать этот природный источник энергии и использовать его с наибольшей выгодой.

В книге собраны важнейшие данные из труднодоступных источников. Приведено описание важных энергетических систем, работа которых иллюстрируется примерами ныне действующих электростанций. Такая концентрированная информация сможет послужить прочной основой для осуществления мер по использованию энергии из геотермальных источников. В связи с ростом Цен на нефть и интенсивными поисками новых источников энергии геотермальные ресурсы и производимая на их основе электрическая энергия будут представлять несомненный интерес.

Новые методы создания и производства книг, освоенные фирмой «Нойес дейта», позволяют предоставить читателю новую книгу в прочном переплете за максимально короткий срок. Разработана специальная технология, которая сокращает разрыв между стадией работы над рукописью и стадией выпуска готовой книги. Технология современного промышленного производства развивается столь быстро, что прежние проверенные временем операции, такие, как обычный набор, переплет и доставка книг, более неприемлемы. Издатели сумели преодолеть обычные временные задержки, связанные с опубликованием книги, и дали читателю возможность познакомиться с наиболее полной современной информацией по данному вопросу.

Оглавление построено таким образом, чтобы служить одновременно предметным указателем и облегчить поиск информации, содержащейся в данной книге.

Введение

Первая промышленная геотермальная электростанция была построена в 1904 г. в Лардерелло (Италия). В пятидесятые годы начались разработки геотермальных месторождений в Новой Зеландии.

В настоящее время действуют ГеоТЭС в Японии, Мексике и СССР.

В США первая промышленная ГеоТЭС была построена в Долине Больших Гейзеров (шт. Калифорния) в 1960 г.

Геотермальные месторождения подразделяются на три типа: месторождения сухого пара, горячей воды и нагретых сухих пород. Месторождения горячей воды в свою очередь подразделяются на месторождения перегретой воды (влажного пара) и месторождения воды с более низкими температурами. Примерами месторождений сухого пара являются Лардерелло и Долина Больших Гейзеров; месторождения Уайракей и другие в Новой Зеландии относятся к типу месторождений перегретой воды.

Помимо производства электроэнергии, возможными побочными продуктами являются природный газ, минеральное сырье и опресненная вода.

Большинство специалистов сходятся во мнении, что геотермальная энергия оказывается конкурентоспособной с другими источниками энергии в отношении стоимости и воздействия на окружающую среду.