Тяга к центру Земли
Недавно мы рассказывали о проекте Utah FORGE по построению искусственного геотермального резервуара. Между тем в геотермальной энергетике есть и другие интересные направления. Одно из них - освоение сверхкритических флюидов.
При высокой температуре и огромном давлении вода одновременно демонстрирует свойства жидкости и пара. Плотность энергии резко повышается, так что мощность, которую можно получить с одной скважины, возрастает десятикратно - с нескольких единиц до десятков мегаватт. Недаром учёные считают сверхкритические области в недрах одним из наиболее эффективных источников возобновляемой геотермальной энергии. Однако из-за обилия растворённых солей и технических трудностей при бурении сверхгорячих пород задача извлечения энергии из них оказывается весьма сложной. Более того, находящаяся в сверхкритическом состоянии вода является очень сильным растворителем, поэтому её добыча из недр сопряжена с серьёзными техническими трудностями.
Исландия
Геотермальные флюиды в сверхкритическом состоянии были получены несколько раз - намеренно и случайно. На геотермальном месторождении Крафла в Исландии в рамках проекта Iceland Deep Drilling Project первая исследовательская скважина, IDDP-1, по плану должна была достигнуть глубины в 4,5 км. Её строительство собирались завершить в конце лета 2009 года, чтобы перейти к тестам по получению сверхкритической жидкости для оценки возможностей извлечения из флюида энергии и ценных химических веществ. К сожалению, в июне буровые работы неожиданно были остановлены из-за того, что на глубине 2104 метра бур попал в область расплавленной магмы (с температурой предположительно выше 900 °C), которая пошла по скважине вверх и застыла там, создав двадцатиметровую пробку из обсидианового стекла.
К счастью, благодаря проблемам, случившимся на раннем этапе бурения, скважина была обсажена до глубины 1958 метров, а далее, до глубины 2080 метров, имела окончание с прорезями, то есть уже была готова к эксплуатации. Не дотянув до сверхкритических флюидов, тем не менее IDDP-1 продемонстрировала очень неплохую мощность в 36 МВт при температуре пароводяной смеси 452 °C и давлении 140 бар.
Проработала скважина недолго. В июле 2012 года её пришлось заглушить из-за коррозии трубопроводной арматуры и разрушения стенок химически агрессивными веществами.
Следующий исландский проект, IDDP-2, проводился на геотермальном месторождении Рейкьянес, но в итоге тоже провалился. При бурении в 2016 - 2017 годах глубина составила 4650 метров, где датчики в сборке за буровым инструментом зафиксировали температуру 426 °C и давление 340 бар. Зона размещения природных флюидов в сверхкритическом состоянии была определённо достигнута, то есть первую фазу проекта выполнить удалось. Стоит отметить, что закачиваемый в скважину буровой раствор охлаждал её, а после очистки ствола от керна приборы зафиксировали на дне скважины стабильную температуру в 535 °C.
параметрами флюида
Впоследствии в скважине IDDP-2 на глубинной отметке около 2300 метров разрушилась обсадная колонна (видимо, из-за отсутствия или слабости цементной оболочки). Проект был остановлен.
Европа
В рамках европейского проекта GeoWell в 2016 - 2019 годах шёл поиск надёжных, экономичных и экологически безопасных технологий для бурения, заканчивания и волоконно-оптического мониторинга геотермальных скважин. Исследовались цементные составы, методы герметизации, материалы и замки для обсадных труб. Самое примечательное достижение проекта - гибкие соединения обсадных труб, помогающие снизить риск аварий скважин из-за деформации горячих пород. Гибкие соединения также допускают температурные расширения и сжатия обсадных труб при разогреве и открытии скважины после бурения.
В 2020-м при выполнении проекта DESCRAMBLE (Drilling in dEep, Super-Critical AMBient of continentaL Europe) в одном из горных районов Тосканы группа итальянских и швейцарских исследователей достигла глубины 3 км. Добуривая геотермальную скважину Venelle-2 на семьсот метров вглубь (с 2,2 до 2,9 км), они должны были получить геотермальнный флюид в сверхкритическом состоянии для оценки его энергетических и химических свойств.
Исследователи успешно добрались до пластов с температурой 507-517 °C и давлением свыше 300 бар, но горные породы там, увы, оказались сухими.
Мексика
В Мексике с помощью Европейского союза реализован научно-исследовательский проект CEMex. Стороны ставили перед собой задачи по оценке геотермальных ресурсов, описанию резервуара и созданию концептуального проекта геотермальной электростанции неподалёку от города Акапулько. В план работ входили создание и проверка идей и технологий для освоения энергии сверхкритических флюидов. Особое внимание - материалам, которые должны выдерживать высокие механические напряжения и температуры, быть устойчивыми к коррозии и пригодными к промышленному производству.
Япония
Геологические условия островов Японии, которые стоят на хрупких горных пластах, заставляют страну идти своим путём. Проект JBBP (Japan Beyond Brittle Project) нацелен на исследование возможностей создать искусственные геотермальные резервуары в переходной зоне между хрупкими и пластичными пластами. Проект запустили после того, как в районе Какконды были обнаружены участки недр с температурой около 500 °C. Учёные ищут подходящую площадку и направление бурения, чтобы окончания скважин попали в зону со сверхкритическими параметрами флюидов.
Будущие исследования
На уже упомянутом месторождении Крафла в Исландии учёные предлагают построить первую в мире магматическую обсерваторию Krafla Magma Testbed (KMT). Это международное предприятие должно пробурить ряд скважин и организовать научные исследования и инженерные тесты, направленные на предупреждение вулканических извержений и освоение геотермальной магматической энергии.
Уже началась подготовка к строительству первой скважины, KMT-1. Скважину планируется пробурить на глубину 2100 метров, причём до 2040 метров у неё будут цементированные стенки, а ниже расположится открытый забой диаметром 8,5 дюйма для различных исследований. Геология участка хорошо изучена, причём скважина KMT-1 расположится неподалёку от IDDP-1, где в 2009 году случился прорыв магмы.
Читайте другие наши материалы
