Условия формирования и прогноз эксплуатации Мутновского геотермального месторождения (Камчатка) по данным численного термогидродинамического моделирования

Вереина, Ольга Борисовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Условия формирования и прогноз эксплуатации Мутновского геотермального месторождения (Камчатка) по данным численного термогидродинамического моделирования
ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Условия формирования и прогноз эксплуатации Мутновского геотермального месторождения (Камчатка) по данным численного термогидродинамического моделирования"

на правах рукописи

ВЕРЕИНА Ольга Борисовна

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ МУТНОВСКОГО ГЕОТЕРМАЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ (КАМЧАТКА) ПО ДАННЫМ ЧИСЛЕННОГО ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.07 - Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 8 ШР 2010

Москва - 2010

003493892

Работа выполнена в лаборатории тепломассопереноса Геологического института Российской Академии наук

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Алексей Владимирович Кирюхин

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Валерий Аркадьевич Грабовников

доктор геолого-минералогических наук Сергей Витальевич Остапенко

Ведущая организация:

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской Академии наук, Москва

Защита диссертации состоится 18 марта 2010 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета ДМ 212.121.01 при Российском государственном геологоразведочном университете по адресу: 117997, Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГГРУ.

Отзывы на реферат просим направлять по адресу: 117997, Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, д. 23, Российский государственный геологоразведочный университет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.121.01.

Автореферат разослан «_16_» февраля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук, доцент

О.Е. Вязкова

Внутреннее тепло Земли, так ярко проявляющееся в вулканической и гидротермальной деятельности, является не только движущей силой геологических процессов, но и неисчерпаемым источником экологически чистой энергии, которая находит разнообразное практическое применение. Одно из важнейших направлений освоения глубинного тепла - его использование для создания геотермальных электростанций (ГеоЭС), что особенно актуально в областях современного вулканизма. Для строительства ГеоЭС необходимо всестороннее углубленное изучение гидрогеотермальных резервуаров и создание их корректных математических моделей, которые позволяют оптимально организовать бурение для добычи природного теплоносителя и распределение нагрузки эксплуатационных скважин. Это предопределило актуальность исследований, составивших предмет данной диссертации и крайне важных для Курило-Камчатского региона России, обладающего значительными геотермальными ресурсами и в то же время находящегося в зависимости от импорта энергоносителей.

Цель работы - исследование высокотемпературной гидрогеотермальной системы (ГТС) как области циркуляции глубинного теплоносителя и источника энергии для многоцелевого практического использования, оценка источников и условий теплового и водного питания системы для оптимизации ее эксплуатации (на примере Мутновского месторождения).

Основные задачи исследования:

1. Исследование структуры теплового питания высокотемпературных гидротермальных систем.

2. Сравнительный анализ концептуальных гидрогеологических моделей Мутновского геотермального месторождения.

3. Изучение условий формирования и оценка гидрогеологических характеристик Мутновского геотермального месторождения на численной термогидродинамической модели (включающей Дачный, Верхне-Мутновский и Вулканный участки).

4. Анализ условий эксплуатации Дачного участка Мутновского геотермального месторождения на детализированной численной термогидродинамической модели, включающей продуктивную зону и массив вмещающих горных пород.

Методы исследований - численное моделирование геотермального резервуара осуществлялось с помощью программы TOUGH2 (National Lawrence Berkeley Laboratory, США) и препроцессора PetraSim, разработанных для моделирования тепломассопереноса в высокотемпературных гидротермальных резервуарах и прогноза их эксплуатации.

Фактическая основа исследований - в основу моделирования положены материалы предварительной разведки на участке Дачный Мутновского месторождения парогидротерм для обоснования проекта строитель-

ства первой очереди ГеоЭС, а также опубликованные данные по эксплуатации Мутновского геотермального месторождения в период 1999-2005 гг. и результаты личных наблюдений автора во время полевых работ на Мут-новском месторождении в 2004 г.

Научная новизна

1. Впервые рассмотрено не только геотермальное месторождение, но и прилегающая область (Мутновский геотермальный район) в рамках единой численной модели. Построена трехмерная численная термогидродинамическая модель Мутновского геотермального района, включающая участки Дачный, Верхне-Мутновский и Вулканный. На модели обосновано положение зон восходящих потоков глубинного теплоносителя, выполнены оценки их расходов и теплосодержания в южной части месторождения.

2. Детализирована численная термогидродинамическая модель гидротермального резервуара участка Дачный Мутновского геотермального месторождения. Модель учитывает тепломассобмен между продуктивной зоной и вмещающим массивом горных пород.

3. Выполнено прогнозное численное моделирование эксплуатации продуктивной зоны «Основная» на участке Дачный для обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт эл. в течение 15 лет, с оценкой различных схем реинжекции и анализом условий формирования эксплуатационных запасов.

Защищаемые положения:

1. Численное моделирование естественного состояния высокотемпературных гидротермальных резервуаров позволяет оценить параметры их теплового и водного питания - энтальпию и расход восходящего потока глубинного теплоносителя. В связи с решением этой задачи нет необходимости в выяснении геометрии и состояния питающих магматических систем.

2. Обоснована региональная численная термогидродинамическая модель Мутновского геотермального района. С помощью ТОиОН2-моделирования уточнено пространственное положение и параметры зон притока глубинного теплоносителя в южной части субмеридиональной Северо-Мутновской вулканотектонической зоны.

3. Обоснована численная термогидродинамическая модель высокотемпературного гидротермального резервуара Дачный Мутновского месторождения, учитывающая теплообмен продуктивной зоны с вмещающим массивом горных пород. С помощью Т01ЮН2-моделирования установлен существенный приток инфильтрационных вод (60 кг/с) в резервуар в процессе его эксплуатации; обоснован возможный режим подключения дополнительных скважин для обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт в течение 15-летней эксплуатации. Определено влияние реинжекции на параметры добычных скважин.

Практическая ценность работы

Результаты прогнозного численного моделирования показывают возможность обеспечения в течение 15-ти лет Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт теплоносителем с центрального блока участка Дачный путем бурения дополнительных эксплуатационных скважин в юго-восточном секторе зоны «Основная» и повышения эффективности эксплуатации при различных схемах реинжекции и условии ликвидации притоков инфильт-рационных вод.

Реализация и внедрение результатов работы

Тестирование численной термогидродинамической Т01ЮН2-модели участка Дачный Мутновского геотермального месторождения, включающей продуктивную зону «Основная» и массив вмещающих горных пород, осуществлялось в связи с реализацией хоз. договора ИВиС ДВО РАН с ОАО «Геотерм» №30.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Международном геотермальном семинаре «Тепло и свет из недр Земли», (г. Петропавловск-Камчатский, 9-15 августа 2004 г.); VII международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, апрель 2005 г.); Международном Геотермическом Конгрессе WGC-2005 (г. Анталия, Турция, 24-29 апреля 2005 г.); 30-м и 32-м Международных геотермальных семинарах (г. Стэнфорд, США, 2005,2007).

Публикации - по теме диссертации автор имеет 9 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц и 49 рисунков. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы, включающего 99 наименований.

Благодарности. Автор очень обязан В.И.Кононову и М.Д. Хуторскому за поддержку этого исследования и ценные советы и своему научному руководителю A.B. Кирюхину (ИВиС ДВО РАН) за постоянную помощь и консультации при его выполнении. Автор глубоко благодарен АО «Геотерм» и АО «Наука» за предоставление необходимых материалов. Он очень признателен Г. Бьорнссону и А. Хьартарсону (UNU GTP, Исландия) за ценные рекомендации в процессе исследования, а также В.М. Сугробову (ИВиС ДВО РАН) за конструктивную критику рукописи.

Глава 1.

ТЕПЛОВОЕ ПИТАНИЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ И ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ОБЛАСТЯХ СОВРЕМЕННОГО ВУЛКАНИЗМА

Внутреннее тепло Земли, аккумулированное в горных породах и циркулирующих в них подземных флюидах, не только движущая сила глубинных геологических процессов, но и источник энергии, которая сегодня находит разнообразное практическое применение. Материалы последнего Международного геотермического конгресса (Турция, 2005) показали, что суммарная установленная мощность ГеоЭС мира достигла 8900 МВтэ. В 1999-2002 гг. введены в эксплуатацию две ГеоЭС на Мутновском геотермальном месторождении на Камчатке, с установленной мощностью 62 МВтэ- Прямое использование глубинного тепла для теплофикации жилых и промышленных зданий, в индустриальных процессах, сельском хозяйстве и пр. осуществляется в 71 стране.

Строго говоря, гидротермальными системами (ГТС) являются все циркуляционные системы подземных вод, т.е. гидрогеологические бассейны и водонапорные системы любого масштаба, теплового режима и типа циркуляции вод, нагретых глубинным теплом до температур, превышающих климатическую среднегодовую для данной местности. Но в данной работе этот термин рассматривается в более узком смысле: под ГТС, вслед за В.В. Аверьевым, понимаются специфические гидродинамические системы, которые возникают в земной коре областей современного вулканизма при внедрении глубинного теплоносителя. По мнению В.В. Аверьева, такие системы на глубине объединяются единым фронтом теплового питания, образуя в вулканических областях «геотермальные районы», а участки систем, удобные для извлечения и эксплуатации глубинного тепла, представляют собой «геотермальные месторождения».

Источниками тепла в гидротермальных системах могут быть:

1) региональный (фоновый) кондуктивный тепловой поток,

2) локальные источники тепла, возникающие при внедрении магматического расплава в верхнюю часть земной коры.

Доля указанных выше источников в тепловом питании конкретной гидротермальной системы определяется соотношением плотности д фонового кондуктивного теплопотока на площади 5 ее водного питания и общего конвективного выноса тепла С? в очагах ее естественной разгрузки.

Анализ гидрогеологических условий и теплового баланса высокотемпературных ГТС областей современного вулканизма показывает, что в их пределах С? намного превышает ц х Б, т.е. их прогрев не может быть обеспечен только кондуктивным фоновым тепловым потоком. Следовательно, для обеспечения тепловой мощности этих систем, которые, по геологическим данным, существуют десятки и сотни тысяч лет, нужны дополнительные (магматогенные) источники тепла.

Высокотемпературные гидротермальные системы формируются преимущественно в областях современного вулканизма. Такие системы отмечают участки локальных термоаномалий, где вынос тепла через поверхность Земли и его приток из недр осуществляется, в основном, посредством конвективного тепломассопереноса. Процесс формирования высокотемпературных гидротермальных систем, по современным представлениям, описывается следующим образом. Холодная метеорная вода из областей питания опускается по субвертикальным проницаемым зонам и в пределах магматогенных термоаномалий преобразуется в высокотемпературный «геотермальный флюид», который нагревается за счёт теплообмена с магматическими газами и вмещающими породами. Затем потоки теплоносителя поднимаются по проницаемым зонам, образуя высокотемпературные гидротермальные резервуары и достигая земной поверхности в виде горячих источников и фумарол. Циркуляция флюида в резервуаре определяется перепадом давления между областями его водного питания и разгрузки, вариациями плотности флюида (т.е., вынужденной и свободной конвекцией) и проницаемостью вмещающих пород.

Концептуальные модели ГТС качественно описывают гидротермальную систему, характеризуя размеры и форму резервуара, источники его теплового питания, зоны питания, транзита и разгрузки флюида и его фазовое состояние. При этом отдельные геотермальные месторождения отвечают разным зонам апвеллинга (восходящих потоков) в пределах конвективной системы. Концептуальная модель гидротермальной системы создается на основе всей совокупной информации, известной на данный момент. Поэтому она может эволюционировать с течением времени. Наиболее эффективным инструментом, с помощью которого можно проверить концептуальные представления о гидротермальной системе, является численное термогидродинамическое моделирование.

Глава 2.

МУТНОВСКОЕ ГЕОТЕРМАЛЬНОЕ МЕСТРОЖДЕНИЕ (ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ)

На Камчатке, находящейся в активной зоне перехода от континента к океану, выявлено около 150 групп термальных источников и 11 высокотемпературных ГТС. Последние приурочены к вулканогенным бассейнам с трещинно-порово-пластовым и трещинно-жильным характером циркуляции термальных флюидов. Ресурсы этих ГТС могут обеспечить выработку 1130 МВтэ и потребление 1345 МВтг в течение не менее 100 лет [Sugrobov, 1995; Сугробов и др., 2004, 2005]. В настоящее время для получения геоэлектрической энергии используются ресурсы двух ГТС - Пау-жетской, где с 1966 г. работает ГеоЭС (установленная мощность 11 МВтэ), и Мутновской в 75 км южнее г. Петропавловска, где разведочное бурение началось в 1979 г., а в настоящее время установленная мощность двух ГеоЭС составляет 62 МВтэ.

2.1. Общая характеристика месторождения

Мутновское геотермальное месторождение входит в состав Мутнов-ского геотермального района (Мутновской ГТС) площадью около 750 км2, маркирующего «крупный долгоживущий магматический центр, возникший на пересечении региональных глубинных разломов камчатского (субмеридионального) и трансформного (широтного) простирания и мощных зон разрывных нарушений северо-восточного и северо-западного простираний» [Вакин и др., 1986]. Вулканическая и гидротермальная активность в пределах Мутновского геотермального района продолжается с конца оли-гоцена до настоящего времени. Геологический разрез сложен вулканогенными и вулканогенно-осадочными неоген-четвертичными образованиями - лавами, туфами, конгломератами, песчаниками, алевролитами суммарной мощностью более 2 км.

Формирование геотермального резервуара связано с Северо-Мутновской вулкано-тектонической зоной (ВТЗ), шириной в 3-10 км и длиной около 20 км, фиксирующейся грабенообразной депрессией, осевая часть которой проходит через кратеры Мутновского вулкана и далее на север. Согласно [Вакин и др., 1979, 1986], эта зона - самая молодая в районе система тектонических нарушений, входящая в структуру регионального глубинного разлома. Сопки Двугорбая и Скалистая трассируют западную границу ВТЗ, а на востоке и северо-востоке ее границы выражены сбросами, секущими нижнеплейстоценовую постройку Жировского вулканического массива. К Северо-Мутновской ВТЗ приурочены самые молодые кислые магматические очаги, являющиеся наиболее вероятным источником теплового питания гидротерм.

Мутновское геотермальное месторождение приурочено к пересечению Северо-Мутновской ВТЗ с другим крупным тектоническим швом северо-восточного простирания (Мутновской зоной) - более древней системой нарушений, активизированной в новейшее время. На пересечении этих зон находятся Дачные термопроявления, открытые в 1960 г. И.Т. и Т.П. Кирсановыми, а затем исследованные Е.А. Вакиным, Г.Ф. Пилипенко и др. В 80-е годы и позднее этот участок был наиболее детально изучен комплексными исследованиями, включавшими маршрутное геокартирование с описанием обнажений, буровые работы, термометрию и другие методы. С 1979 г. на месторождении было пройдено 82 скважины глубиной от 255 до 2266 м.

Мутновский геотермальный район изобилует проявлениями гидротермальной активности, куда входят фумарольные поля в кратерах вулканов Мутновского и Горелого, термальные площадки и выходы пара за их пределами и горячие восходящие источники в глубоких эрозионных врезах (тектонических долинах). В этих проявлениях происходит конвективный вынос глубинного тепла, дополняющий фоновые региональные кондук-тивные теплопотери. В сумме тепловая мощность естественной разгрузки

гидротерм Северо-Мутновской системы составляет 164 МВтт ([Вакин и др., 1986], табл. 1). Такой вынос тепла гидротермами более, чем в четыре раза превышает фоновые кондуктивные теплопотери на всей площади Мутновского геотермального района, при их средней плотности 54 мВт/м2, типичной для Восточной вулканической зоны Камчатки [Смирнов и др., 1974]. При этом, в тепловой мощности разгрузки отражается далеко не весь избыточный тепловой потенциал района, в котором действуют вулканы Горелый и Мутновский. Энергетический эффект активности Мутновского вулкана был неоднократно оценен специальными исследованиями [Поляк, 1965; Муравьев и др., 1983]. Оценка суммарного выноса тепла через Активную воронку и северо-восточный кратер Мутновского вулкана составила —1100 МВт [Поляк и др., 1985].

Таблица 1.

Характеристики естественной разгрузки Северо-Мутновской гидротермальной системы (по [Вакин и др., 1986])

№№ Термопроявления Тпов, °с Вынос тепла, МВтт

1 Дачные 98 73

2 Перевальные (Верхне-Мутновские) 96 9

За Северо-Мутновские. восточная группа 98 19

36 Северо-Мутновские. западная группа 110 9

4 Верхнежировские 96 18

5 Нижнежировские 100 16

6 Воиновские 93 8

7 Вшпочинские 90 12

ВСЕГО 164

Гидрогеологическими особенностями Мутновского геотермального района являются [Вакин и др., 1986]: 1) обилие атмосферных осадков (свыше 3000 мм), 2) высокая степень неоднородности проницаемости в плане и в разрезе, наличие «двойной пористости», связанной с генетическими условиями образования вулканогенных горных пород, 3) сильная расчлененность рельефа, 4) развитая сеть тектонических нарушений. Опытные выпуски теплоносителя [Асаулов Г.М. и др., 1987] и газогидрохимическое опробование разведочно-эксплуатационных скважин [Таран и др., 1986] показывают наличие в резервуаре двух зон с различным фазовым состоянием теплоносителя. В нижней зоне гидротермы находятся преимущественно в жидком состоянии (с температурой флюида более 240-250°С), поэтому месторождение относится к «вододоминирующим». В верхней зоне, в результате снижения давления в зонах повышенной проницаемости, теплоноситель вскипает, образуя пароводяную смесь с температурой около 240°С. Эта «паровая шапка», или верхняя пароконденсатная зона месторождения, маркирует основной очаг его естественной разгрузки (Дачные источники) и протягивается на 1,5-2,0 км в меридиональном направлении [Вакин и др., 1976].

Характер циркуляции парогидротерм - трещинно-жильный на всю исследованную глубину месторождения [Вакин, Сугробов, 1986]. Высокая температура увеличивает скорость фильтрации за счет понижения вязкости, вследствие чего слабопроницаемые породы для термальных вод оказываются коллекторами, а для холодных - относительными водоупорами [Белоусов, Сугробов, 1976]. В очагах разгрузки породы подвергаются гидротермальным изменениям, отчего у поверхности образуются водоупорные глинистые покрышки.

2.2. Концептуальная модель Мутновского геотермального резервуара

Концептуальная гидрогеологическая модель качественно представляет картину циркуляции флюида в резервуаре и характеризует: зоны водного питания и разгрузки, водопроводящие зоны и гидравлических барьеры, источники теплового питания, размеры и форму резервуара, фазовое состояние флюида. Концептуальные гидрогеологические модели Мутновского месторождения предлагались: Е.А. Вакиным и др. (1976); A.B. Ки-рюхиным и В.М. Сугробовым (1987); A.B. Кирюхиным (1991, 1993, 2005); С.Г. Асауловым (1994); С.А. Федотовым и др. (2001).

Модель Е.А. Вакина и др (1976). Согласно этой модели, воды месторождения нагреваются не Мутновским вулканом; область их теплового питания лежит в пределах Северо-Мутновской зоны (СМЗ), а источником тепла является неглубокий магматический очаг. Холодные инфильтраци-онные воды, проникая из области питания (кальдера в. Горелого) к базису разгрузки (океан), смешиваются внутри зоны с восходящими потоками «глубинного теплоносителя», нагреваются и частично разгружаются в виде паровых струй на Северо-Мутновских и Дачных источниках. Расположенное восточнее структурное поднятие отчасти препятствует стоку вод, но поперечные разломы служат каналами для дальнейшего движения термальных вод на восток. Геометрия резервуара, фазовое состояние флюида и характер его циркуляции не обсуждались.

Модель A.B. Кирюхина-В.М. Сугробова (1987). В отличие от предыдущей, в данной модели предполагается, что водное питание месторождения происходит не только в кальдере в. Горелого, но и на возвышенных участках Северо-Мутновской зоны. Источником теплового питания, как и ранее, предполагаются магматические тела в пределах СМЗ. На основании термометрии скважин и расположения термопроявлений предполагается, что гидротермальный резервуар в плане имеет форму эллипса, вытянутого в северо-восточном направлении.

Модель A.B. Кирюхина и др. (1991. 1993). В этой модели детализируются гидрогеологические условия в пределах участка Дачный: по распределениям температур идентифицированы восходящие («Основной» и «Восточный») и нисходящие («Конденсатный» и «Метеорный») флюидные потоки.

Рис. 1. Распределение температуры (°С) в Мутновском резервуаре [Уегеша, 2003, 2004, 2005, 2007]: а) на абс. отм. -250 м; б) вдоль разломной зоны СВ простирания.

-500

_ -4000 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 б

Расстояние, км

ЮЗ СВ

участок участок

Дачный Верхне-Мутновский

1000 -

ввд9»

вви:.

Температура (°С) на абс. отм. -260 м

27 KM

1500

1000

5 500

-500

Расстояние, км

Рис. 2. Распределение давления (бар) в Мутновском резервуаре [Vereina, 2003, 2004, 2005, 2007]: а) на абс. отм. -250 м; б) вдоль разломной зоны СВ простирания.

-4000 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000

43 44 45 46 47 48 49

КМ

i .... i .... i .... | .... | .... i .... i .... i . ЮЗ СВ

участок участок

Дачный Верхне-Мутновский

Модель С.Г. Асаулова (1994). В рассматриваемой модели резервуар предполагается вытянутым вдоль основной разломной зоны; восходящий поток предполагается к югу от резервуара (под Мутновским вулканом) и направление течения флюида - с юга; указывается на существование двухфазной зоны, но условия теплового питания (источники тепла и их позиции) - не уточняются.

Модель С.А. Федотова и др. (2001) конкретизирует положение источников дополнительного тепла, считая таковыми питающий канал вулкана, магматической очаг под его северным подножьем и неглубокие миоцен-плиоценовые экструзивные тела. На модели показано установленное и предполагаемое положение геоизотерм по имеющимся данным, а также кровля зоны надкритического флюида.

В данной диссертации предложена концептуальная модель, основанная на совместном учете фактических значений температуры и давления в геотермальном резервуаре. Используя имевшиеся оценки [Кирюхин и др., 1991, Kiryukhin, 1993, Assaulov, 1994] и данные скважинных измерений [Мальцева и др., 2002], нами были построены карты распределения Т и Р в Мутновском резервуаре на уровне -250 м и в разрезе [Vereina, 2003, 2004, 2005, 2007]. Качественный анализ указанных выше данных показывает следующее (рис. 1,2):

• Основной приток глубинного теплоносителя в гидротермальный резервуар осуществляется с юга, вдоль субмеридиональной разломной зоны, а сток - вдоль зоны СВ простирания. Проявлены три зоны восходящего потока флюида с температурой > 300°С: на участках Дачный (Д), Верхне-Мутновский (ВМ) и на участке Северо-Мутновских горячих источников (Вулканный участок). Это позволяет предполагать на указанных участках наличие дополнительных источников тепла.

• Контуры гидротермального резервуара ограничивает изотерма 240°С. Следовательно, южная граница резервуара проходит вблизи скважин 19, 20 и 45, а северо-восточная - вблизи скважины 30; северная граница совпадает с разломом Широтный. Совместный анализ начального распределения температуры и давления показывает, что флюид в резервуаре почти всюду находится в жидком состоянии (давление выше давления насыщения при измеренной температуре), за исключением паровой зоны в центральной части участка Дачный.

Глава 3.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В МУТНОВСКОМ ГЕОТЕРМАЛЬНОМ РЕЗЕРВУАРЕ

Проверка реалистичности концептуальной гидрогеологической модели и оценка параметров источников теплового питания осуществляются с помощью численного термогидродинамического моделирования. Основным критерием адекватности модели является сходимость между модельными и фактическими параметрами по температуре, давлению и парона-сыщенности, которая достигается за счет подбора параметров тепловых и массовых источников, граничных условий и проницаемости.

Для моделирования тепломассопереноса в высокотемпературных гидротермальных резервуарах (ВГР) и прогноза их эксплуатации применяются программные пакеты, разработанные в Лаборатории Беркли, США (Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL), которые основаны на программе TOUGH2. Проверка программы осуществлена на многочисленных примерах и опытных данных, полученных при эксплуатации геотермальных месторождений, а также на объектах захоронения промышленных и ядерных отходов.

Управляющие уравнения TOUGH2 (уравнения двухкомпонентного многофазного тепломассопереноса в интегральной форме) для элемента V с границей /"записываются в следующем виде [Pruess et al., 1999]:

где 1) - содержание массы/энергии в элементе V, 2) - поток массы/энергии через границы элемента V, 3) - тепловые/массовые источники и стоки. Индекс к принимает значение 1 для уравнения сохранения 1-го компонента, 2 - для 2-го компонента, 3 - для энергии.

Переход к конечно-разностным уравнениям осуществляется на основе интегро-конечно-разностного метода (ИКРМ) - без преобразования интегральных законов сохранения массы и энергии в уравнения в частных производных. Это позволяет избежать привязки к глобальной системе координат и дает возможность как регулярной, так и нерегулярной дискретизации пространства.

Аккумулятивные члены массы и энергии в уравнениях (1) определяются следующим образом:

3.1. Численное моделирование тепломассопереноса с помощью программы TOUGH2

(1)

(2)

М<3> = (1 - Ф)РцСцТ + Ф ^ SpPpU

(3)

Рис. 3. Вычислительная сетка для моделирования естественного состояния:

а) вычислительная сетка по отношению к географии исследуемой области;

б) зонирование слоя В (абс. отм. -250 м) на домены с различной проницаемостью.

Красным прямоугольником отмечены границы рис. 4, 5, 6.

Рис. 4. Результаты ТСШСШ-моделирования: оценка распределения температуры (°С) и давления (бар) в слое В (-250 м абс. отм.). Вариант У-1. Область, закрашенная голубым, соответствует двухфазной зоне.

Давление, ,бар-а (V; _\ \1

Температура, °С (V-2),

,SOU

Рис. 5. Результаты ТСШСШ-моделирования: оценка распределения температуры (°С) и давления (бар) в слое В (-250 м абс. отм.). Вариант У-2.

Температура, °С (V-3)

Давление, ,бар-а (V-3J

Рис. 6. Результаты Т01ЮН2-моделирования: оценка распределения температуры (°С) и давления (бар) в слое В (-250 м абс. отм.). Вариант V-3.

где ф - пористость, Вр - насыщение фазы /?, рр - плотность фазы [1, X % -массовая доля компонента к в фазе /?, рК - минеральная плотность горных пород, Ск - удельная теплоемкость скелета горных пород, Т- температура, 11 р - удельная внутренняя энергия фазы /?. Массовый поток компонента к определяется как сумма массовых потоков этого компонента для каждой фазы:

(4)

"> (5)

где к - абсолютная проницаемость, кгр - относительная проницаемость фазы р, ¡Лр - вязкость фазы Д Рр - давление в фазе Д я - ускорение свободного падения. Полный тепловой поток, содержащий кондуктивную и конвективную составляющие, определяется уравнением:

М.ц

(6)

где X - коэффициент теплопроводности насыщенных пород, 1гк>р — энтальпия компонента к в фазе р.

При однокомпонентном составе флюида (вода) имеем для каждого элемента два уравнения типа (1) для двух неизвестных (в однофазном состоянии - давление и температура, в двухфазном - давление и паронасы-щенность). Система из N элементов описывается системой 2Ы уравнений для 2N неизвестных, которая решается методом итераций Ньютона-Рафсона [РшеБв, 1999].

3.2. Мутновское геотермальное месторождение: моделирование естественного состояния

3.2.1. Новая численная термогидродинамическая модель.

Модель естественного состояния Мутновского месторождения, предложенная в работах [Уегета, 2003, 2004, 2005, 2007], включала участки Дачный, Верхне-Мутновский и Вулканный.

Основные предположения. В начальный момент времени рассматриваемая система (резервуар и близлежащая область) считается холодной. С какого-то момента начинается постоянный приток горячего флюида, и система начинает нагреваться. Поскольку естественное состояние системы предполагается стационарным, то «время прогрева системы» принимается достаточно большим, в данном случае ~1 млн. лет (предполагается, что за это время в системе установится стационарное распределение термогидродинамических параметров).

Генерация вычислительной сетки. Для создания модели были использованы вычислительный код ТОГГОШ и 5-слойная вычислительная сетка (слои А, В, С, Б, Е, мощность каждого слоя 500 м, абс. отметка первого слоя +250 м), построенная с помощью генератора вычислительных сеток А-МеБИ (рис.3). Распределение элементов сетки следует из геометрии исследуемой области, которая определяется наличием фактически пробуренных скважин и основными разломными зонами меридионального и северо-восточного простирания (рис.За). При генерации сетки осуществлялось сгущение элементов вдоль проницаемых зон разломов (рис.3 б).

Рис. 7. Схема размещения дополнительных эксплуатационных скважин (010-F16, 010-F17, 010-F29, 013-F18, 013-F19, 013-F20, 013-F30) для обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС 50 МВт с центрального блока участка Дачный [Kiryukhin, Asaulova, Polyakov, Vereina, in press].

В фоне показаны элементы топографии и распределение температуры на абс. отм. -250 м. Границы карты соответствуют границам численной модели [Kiryukhin, 1996]; внутренняя сетка соответствует детальной модели продуктивной зоны "Основная" [Кирюхин и др., 2005, Kiryukhin, Vereina, 2005].

Граничные условия. В элементах верхнего слоя заданы постоянные давление и температура, что обеспечивает граничные условия разгрузки. В элементах нижнего активного слоя «D» (абс. отм. -1250 м) заданы массовые и тепловые источники, что обеспечивает условия теплового и водного питания гидротермального резервуара.

Начальные условия. Начальная температура задавалась постоянной внутри каждого слоя и линейно возрастающей с глубиной (за исключением последнего слоя, где задана температура 280 °С). Начальное распределение давления гидростатическое (рассчитано с помощью программы PREDYP, [Arason et al., 2003]).

Зонирование модели по проницаемости и петрофизическим свойствам. Распределение проницаемости (кх, k¡t к.) является оцениваемым модельным параметром, остальные свойства горных пород считаются известными и задаются в соответствии с табл. 2. В каждом слое вычислительной модельной сетки, за исключением слоя Е, выделены три домена - области с различной проницаемостью: «проницаемый» (разломная зона), «низкопроницаемый» (близлежащая область) и «непроницаемый» (рис.36).

Моделирование естественного состояния. При моделировании естественного состояния тепловые и массовые источники и стоки размещались в соответствии с различными концептуальными моделями теплового питания резервуара. В рассматриваемой задаче все источники и стоки располагались в самом глубоком «активном» слое D (-1250 м абс. отм.).

Таблица 2.

Параметры Мутиовского геотермального резервуара заданные при моделировании [Kiryukliin, 1996,2002; Vereina, 2003, 2007]

Слой Абс. отметка , M Начальная тем-перату-ра,"С Начальное давление, бар Литология Свойства горных пород

плотность, (кг/м') порис тость теплопроводность, (Вт/м*К)

А' 250 30 1,04 О игнимбриты, плиоценовые лавы, риолитовые туфы 2100 0,2 2,05

В -250 80 49.45 N1 песчаники 2300 0.08 2,1

С -750 130 96,46 Интрузивная контактовая зона 2400 0,03 2,1

D -1250 180 141.53 Диориты 2700 0.02 2.1

Е* -1750 280 166.00 Диориты 2700 0.02 2.1

Рассмотрено три варианта моделирования. В первом варианте (\М) предполагалось наличие одного источника теплового и массового питания (БОШ) в области Северо-Мутновских термопроявлений (Вулканный участок) и одного стока (БШ1), моделирующего разгрузку флюида, в элементе на северо-восточной границе месторождения. В двух других случаях пред-

полагалось существование дополнительных тепловых и массовых источников. В случае V-2 это второй дополнительный источник (SOU2) под участком Дачных термопроявлений, а в случае V-3 - два дополнительных источника (SOU2 и SOU3), под участками Дачный и Верхне-Мутновский.

Таблица 3.

Результаты моделирования: оценка проницаемости.

Слой Домен П роницаемость(Д)

К К к

А' RCK1P 0,1*10"' 0.1*10"' 0,1*10'4

RCK1I 0.1*10"' ■ 0.1*10"' 0,1*10"4

В RCK2P 0,29* Ю-' 0.29*10"' 0.29*10""

RCK2I o.i*io-' 0.1*10"' 0.1*10"'

С RCK3P 0,45*10'' 0.45*10"' 0,45*10"'

RCK3I 0,1*10"' 0,1*10"' 0.1*10"'

D RCK.4P 0.38*10"' 0,38*10'' 0.38*10"

RCK4I 0,1*10"' 0.1*10"' 0.1*10''

Е' RCK5P 0,1*10"'9 0.1*10"" 0.1*10'"

RCK5I 0.1*10"" 0.1*10"" 0.1*10"

Окружающая область (RCK6I) 0,1*10-1 0,1*10"* 0,1*10'"

Таблица 4. Источники и стоки в модели.

Вариант моделирования Источник/Сток Расход (кг/с) Энтальпия (кДж/кг)

V-1 SOU 1 50 1650

SIN 1 21 728

V-2 SOU 1 30 1650

SOU 2 20 1650

SIN 1 22 959

V-3 SOU 1 20 1650

SOU 2 20 1650

SOU 3 15 1650

SIN 1 45 1152

Расчетное распределение температуры и давления и расположение двухфазной зоны в слое В (абс. отм. -250 м) показано на рис. 4, 5 и 6, соответствующие оценки расхода и энтальпии для источников и стоков приведены в табл. 4. В третьем варианте моделирования (У-З) получена наилучшая сходимость расчетного распределения давления в резервуаре и данных измерений в скважинах. Температура на модели во всех трех случаях занижена по сравнению с наблюдаемыми значениями. Возможно, это объясняется тем, что рассматриваемая область месторождения намного больше области, разбуренной скважинами, и необходимо учесть другие вероятные источники тепла вне разбуренной области месторождения.

Таким образом, наилучшую сходимость результатов моделирования с фактическими данными дает вариант У-З. Поэтому соответствующая этому варианту концептуальная модель теплового и массового питания представляется наиболее достоверной.

Рис. 8. Геометрия 3-0 численной модели продуктивной зоны «Основная» участка Дачный Мутновского геотермального месторождения. Цвет соответствует доменам с различной проницаемостью (см. рис. 10 б). [ЮгуикЬт, Уегета, 2005].

Рис. 9. Прогнозное моделирование суммарной и индивидуальной паропроизводительности скважин (существующих 016, 26, Е4, 029\¥, Е5 и дополнительных Р-скважин) на участке Дачный Мутновского геотермального месторождения при эксплуатации в режиме полного обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт (вариант ЕХЗА).

*&#*+%%+*)+$'!! ++%$"$)&)*(%*'%$#&%%+(*$'%#$(

Рис. 10. Вычислительная сетка в плане (а) и расчетное распределение проницаемости (б) для продуктивной зоны «Основная» участка Дачный Мутновского месторождения [Кирюхин и др., 2005; Klryukhin, Vereina, 2005].

Суммарный расход пара, кг/с

Рис. 11. Прогнозное моделирование суммарной и индивидуальной паропроизводительности скважин (группы существующих 016, 26, Е4, 029\¥, Е5 и дополнительных Р-скважин) на участке Дачный Мутновского геотермального месторождения (вариант ЕХЗР).

3.2.2. Численная термогидродинамическая модель (Кирюхин-Вереина, 2005 - 2009).

После бурения дополнительных скважин на Мутновском месторождении в 2002-2003 гг. была уточнена геометрия продуктивной зоны «Основная» на участке Дачный и разработана более детальная модель резервуара [Кирюхин и др., 2005], которая в явном виде описывает вскрытую скважинами продуктивную зону. Продуктивная зона «Основная», вскрытая скважинами 045, 01, 014, 016, 1, 029W, 26, 24, 4Е приурочена к разлом-ной зоне ССВ простирания, падением 60° на восток-юго-восток и средней вертикальной мощностью около 240 м (истинная мощность 120 м). Плоскость разломной зоны пересекает активное жерло Мутновского вулкана на абсолютных отметках +250 - +1250 м на расстоянии 8 км от участка эксплуатации. Здесь (по данным гидроизотопных исследований) также находится область водного питания месторождения за счет инфильтрации вод метеорного происхождения и тающего в кратере Мутновского вулкана ледника под действием повышенного теплового потока [Кирюхин и др., 2005]. В этой детальной модели продуктивная зона рассматривалась изолированной от массива вмещающих горных пород, т.е. не учитывался теп-ломассобмен между продуктивной зоной и вмещающим ее массивом. Для усовершенствования представления гидротермального резервуара на численной модели в 2004 г. при участии автора диссертации начались работы по модификации вычислительной сетки (включению в нее элементов, представляющих массив вмещающих пород, определение связей между элементами продуктивной зоны и элементами массива, тестированием модифицированной вычислительной сетки) [Kiryukhin, Vereina, 2005].

Вычислительная сетка. При генерации вычислительной сетки с использованием генератора сеток Amesh максимально учтена геометрия моделируемого объекта. Гидротермальный резервуар был представлен как объединение резервуара продуктивной зоны «Основная» и резервуара вмещающих горных пород (рис. 8). Оба резервуара совпадают в плане с основной сеткой, привязанной к существующим скважинам (рис. 7,10).

«Источники». В соответствии с представлениями концептуальной модели это элементы 045, F27, F28, F14, F15, F29; в них задавался расход, величина которого определилась в результате моделирования естественного состояния (9 кг/с). Заданная в «источниках» энтальпия 1390 кДж/кг соответствует температуре воды 307 °С, находящейся в геотермальном резервуаре в жидком состоянии.

Граничные условия. В элементах модели В 9, В 16, В 14, В 10, В 1, В 8, В 13, В 33, В 32, В 31, В 30 и В 11 задавались постоянное давление и температура (P=const, T=const), или постоянное давление и паронасыще-ние (P=const, S=const). В остальных В-элементах были заданы непроницаемые границы (рис. 10а). Теплообмен между продуктивной зоной и вмещающими горными породами был задан с помощью коэффициента те-

плообмена 0,0042 Вт/м2оС с инактивным элементом С2 1 с базовой температурой 90°С.

Моделирование естественного состояния. Моделирование естественного состояния заключалось в ре-калибровке модели [Кирюхин и др., 2005] с учетом расширения вычислительной сетки и включения в нее массива вмещающих горных пород, что и показано в работе [Kiryukhin, Vereina, 2005]. Для моделирования естественного распределения температур, давлений и фазового состояния в резервуаре на модели были подобраны источники, стоки и распределение проницаемости таким образом, чтобы обеспечить наилучшую сходимость фактических данных и модельных результатов. Для ре-калибровки модели использовались данные по давлению, температуре и фазовому состоянию в ключевых элементах [Кирюхин и др., 2005]. В целом получена удовлетворительная сходимость между модельными и фактическими данными по температуре (среднее отклонение 3°С) и фазовому состоянию, являющимися наиболее достоверными измеряемыми характеристиками гидротермального резервуара.

Оценки параметров модели естественного состояния (по сравнению с оценками в работе [Кирюхин и др., 2005]) существенно не изменились: общий расход восходящего потока теплоносителя, полученный на модели, оказался равным 54 кг/с, соответствующее распределение проницаемости показано на рис. 106, оценки проницаемости в доменах (областях) STEAM, ROCK1, ROCK2 и ROCK3 на модели - 100 мД, 100 мД, 1 мД и 0,01 мД, соответственно. Проницаемость массива вмещающих горных пород оценивается равной 0,1 мД, при более высоких значениях сходимость модели с фактическими данными ухудшается.

3.3. Мутновское геотермальное месторождение: моделирование эксплуатации (Кирюхин - Вереина, 2009)

Калибровка модели эксплуатации основана на данных по начальным термогидродинамическим характеристикам эксплуатационных скважин 016, 26, 029W, 4Е, А2 и 5Е (табл. 5), данных по изменению суммарного расхода пара и сепарата (скв. 016, 26, 029W, 4Е, 5Е, А2, 037 и 24) на сепараторе ГеоЭС в процессе эксплуатации 2002-2004 гг.

3.3.1. Задание па модели динамики взаимодействия «резервуар - скважина»

Коэффициенты продуктивности PI существующих эксплуатационных скважин подбираются на модели из условия сходимости начальных расходов скважин (табл. 5). В развитие подхода, изложенного в статье А.В. Кирюхина и др. [2005], для описания динамики взаимодействия резервуар-скважина вместо подпрограммы DEBIT используется внутренняя подпрограмма TOUGH2 V2.0. Это позволяет учесть зависимость коэффициентов продуктивности скважин от изменения фазового состояния и мобильно-стей фаз в гидротермальном резервуаре, что характерно для Мутновского

месторождения. Таким образом, расходы эксплуатационных скважин определяются в результате численного решения уравнения взаимодействия «резервуар-скважина», реализованного в виде внутренней подпрограммы Т01ЮН2У2.0:

в = PI.fr ^(рг-рь(0,10) (7)

где 0. - расход скважины, кг/с, к - относительная проницаемость, р - плотность теплоносителя, кг/м3, ¡л - вязкость теплоносителя, Па* с, /? - индекс соответствующей фазы, Р,-давление в гидротермальном резервуаре (элементе модели, включающем рассматриваемую скважину), Па, Рь - приведенное забойное давление в добычной скважине, Па.

Таблица 5

Принятые начальные характеристики эксплуатационных скважин (016, 26,029\У, 4Е, и 5Е) для расчетов их коэффициентов продуктивности Р1

Скважина Расход, Устьевое Р1

кг/с давление, бар

016 17 7.5 0,124е-10

26 18 7.5 0,197е-10

4Е 26.7 9 0,]37е-11

029\У 72.5 9 0,120е-10

5Е 39 7 0,922е-11

3.3.2. Моделирование условий обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт.

В данной работе продолжен анализ возможных вариантов эксплуатации участка Дачный Мутновского геотермального месторождения. В качестве первого варианта моделирования (вариант ЕХЗ) рассмотрен вариант эксплуатации группы из пяти основных существующих продуктивных скважин (016, 26, Е4, 029Е5), аналогично варианту из статьи [Кирюхин и др., 2005], но уже с учетом тепломассообмена продуктивной зоны с вмещающими породами и с учетом зависимости коэффициентов продуктивности добычных скважин от изменяющегося в процессе эксплуатации паронасыщения и мобильностей фаз (см. выше формулу (7)).Результаты моделирования показывают, что суммарная паропроизводительность группы рассматриваемых скважин за 10 лет эксплуатации снизится с 64,4 кг/с до 33 кг/с, за 15 лет - до 31 кг/с, давление в центральной наблюдательной скважине снизится за 10 лет с 44,7 бар до 33,2 бар, за 15 лет - до 32 бар. В целом эти результаты близки полученным в работе [Кирюхин и др., 2005].

Далее рассмотрены варианты с подключением на модели дополнительных Р-скважин (рис. 7). Позиции этих скважин задавались так же, как и в работе [Кирюхин и др., 2005]. Коэффициенты продуктивности Р-скважин заданы равными 3,0 10"12 м3.

В варианте моделирования ЕХЗА рассмотрен следующий график подключения дополнительных эксплуатационных скважин: F19 и F20 -подключаются сразу, F18 - через 2 года, F30 - через 5 лет, F29 - через 9 лет, F17 - через 12 лет, F16 - через 14 лет после начала эксплуатации (рис. 9). Результаты моделирования показывают, что такой график подключения скважин может обеспечить среднюю паропроизводительность 105,4 кг/с в течение 15 лет эксплуатации, что соответствует 52,7 МВт электроэнергии (для получения 1 МВт электроэнергии достаточно 2 кг/с пара при давлении 7 бар абс). Таким образом, при учете тепломассообмена продуктивной зоны с вмещающими породами и более точном описании зависимостей коэффициентов продуктивностей добычных скважин от изменяющихся в процессе эксплуатации термогидродинамических параметров гидротермального резервуара модель дает более оптимистические прогнозные результаты по сравнению с результатами в работе [Кирюхин и др., 2005] (средняя паропроизводительность 97,8 кг/с в течение 10 лет эксплуатации).

Моделирование с учетом реинжекции. В варианте моделирования ЕХЗВ рассмотрены те же условия, что и в предыдущем варианте, и дополнительно задана реинжекция в скв. 027 на Северном полигоне (рис. 7). Расход реинжекции задан равным 150 кг/с, энтальпия 700 кДж/кг. Прогнозные результаты мало отличаются от предшествующего варианта: средняя суммарная паропроизводительность составит 105,5 кг/с и средний суммарный расход пароводяной смеси - 273,0 кг/с. Это связано с тем, что модельная область реинжекции пространственно близка к заданным на модели инактивным граничным элементам (описывающим контур разгрузки в смежные гидрогеологические структуры - разгрузку в бассейн р. Жировой) (рис. 1 Оа). Косвенно отсутствие значительного влияния реинжекции на добычные скважины Дачного участка доказывается отсутствием заметного повышения в них содержания хлор-иона [Кирюхин и др., 2006] в процессе эксплуатации.

Вариант моделирования ЕХЗС рассматривает те же условия, что и вариант ЕХЗА, но реинжекция задается на Южном полигоне в скв. 045 (рис. 7). Расход реинжекции задан 150 кг/с, энтальпия 700 кДж/кг. Результаты моделирования показывают, что суммарная средняя паропроизводительность повышается до 115,6 кг/с в течение 12,5 лет эксплуатации, что соответствует 57,8 МВт электроэнергии. Однако эффект реинжекции на Южном полигоне неоднозначен: с одной стороны, реинжекция в зону глубинного питания гидротермального резервуара способствует увеличению производительности глубоких скважин (F-скважины), с другой стороны, она приводит к снижению температуры (и давления) в приповерхностной пароконденсатной зоне и выводу из эксплуатации менее глубоких добычных скважин (26, Е5).

Моделирование с учетом инфильтрации. Вариант моделирования EX3F включает те же условия, что и базовый вариант ЕХЗА, но при этом еще рассматривается возможность инфильтрации с суммарным расходом

60 кг/с и энтальпией 420 кДж/кг в центральной части участка Дачный (рис. 11 ). Вертикальная инфильтрация вод метеорного происхождения на участке Дачный может быть вызвана проникновением воды через затрубное пространство плохо зацементированных скважин (общее число скважин на участке Дачный - 64), чему может также способствовать аномально низкое положение уровня в гидротермальном резервуаре (500-600 м ниже поверхности земли). Результаты моделирования показывают, что суммарная средняя паропроизводительность составит 96,8 кг/с в течение 15 лет эксплуатации, что соответствует 48,4 МВт электроэнергии. Приток инфильт-рационных вод сверху в гидротермальный резервуар косвенно подтверждается данными по газовому составу добычных скважин, в котором после начала эксплуатации возросла составляющая метеорных газов и отмечено разбавление по хлор-иону [Кирюхин, Москалев, Поляков, Чернев, 2006]. Среднее за 15 лет соотношение паровой и водной составляющих, полученных для варианта моделирования EX3F равно 96,8 : 211,8 (или 0,457). На 2-й год эксплуатации Мутновской ГеоЭС (2004 г.) соотношение пара и воды составляло 78 : 168 (или 0,464) с тенденцией уменьшения доли пара. Таким образом, сценарий притока инфильтрационных вод в гидротермальный резервуар наиболее вероятен.

Заметим, что значительный приток инфильтрационных вод в продуктивный резервуар через неиспользуемые геотермальные скважины отмечен на Паужетском геотермальном месторождении [Кирюхин, Сугробов, 1987; Kiryukhin et al, 2008].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предметом данного исследования являлось термогидродинамическое моделирование Мутновского месторождения. Ему предшествовала разработка концептуальной гидрогеологической модели месторождения - его качественное описание, которое характеризует морфологию резервуара, его тепловое питание, зоны питания, транзита и разгрузки флюида и его фазовое состояние. Предложенная концептуальная модель синтезирует результаты разносторонних геологических, геофизических, и гидрогеологических исследований, в которых участвовали Е.А. Вакин, Ю.А. Краевой, Г.Ф. Пилипенко, Г.М., Н.П. и С.Г. Асауловы, В.М. Сугробов, Ю.А. Таран, A.B. Кирюхин, C.B. Остапенко и др. Численное термогидродинамическое моделирование использовано в качестве критерия проверки правильности представлений о процессах, протекающих в гидротермальной системе.

Основные результаты, проведенного автором лично [Vereina, 2003; 2004, 2005, 2007] и в соавторстве [Kiryukhin, Vereina, 2005; Kiryukhin, Asaulova, Polyakov, Vereina (в печати)] термогидродинамического моделирования Мутновской высокотемпературной гидротермальной системы и ее эксплуатируемых участков заключаются в следующем:

1. Численное моделирование естественного состояния высокотемпературной гидротермальной системы позволило оценить параметры ее теплового и водного питания - расход восходящего потока глубинного теплоносителя и его энтальпию. При этом нет необходимости в детальном выяснении геометрии и состояния питающих магматических систем, что в большинстве случаев представляет собой неразрешимую задачу.

2. На участках Мутновского геотермального месторождения Дачный и Верхне-Мутновский выявлены зоны притока глубинного теплоносителя с температурой выше 300 °С. Согласно распределению температуры и давления в Мутновском резервуаре, основной приток флюида идет с юга вдоль субмеридиональной Северо-Мутновской вулкано-тектонической зоны, а сток - вдоль зоны северо-восточного простирания.

3. Детализирована численная термогидродинамическая модель резервуара на участке Дачный. Модель описывает вскрытую скважинами продуктивную зону с учетом тепломассобмена между продуктивной зоной и вмещающим ее массивом. Результаты многовариантного моделирования эксплуатации позволяют уточнить условия ввода дополнительных скважин для обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС 50 МВт эл. на участке Дачный в течение 15 лет эксплуатации. На модели показано:

• реинжекция на Северном полигоне (150 кг/с, 700 кДж/кг) не оказывает существенного влияния на характеристики добычных скважин;

• эффект реинжекции на Южном полигоне (150 кг/с, 700 кДж/кг) неоднозначен - глубокие скважины повышают производительность, неглубокие скважины пароконденсатной зоны выходят из эксплуатации;

• эксплуатация месторождения синхронизирована с притоком в гидротермальный резервуар сверху инфильтрационных вод метеорного происхождения с расходом около 60 кг/с.

В ходе дальнейших исследований предполагается выяснить, возможен ли рост мощности теплового питания месторождения при его эксплуатации, в частности, за счет энергетического потенциала Мутновского вулкана. Опыт термогидродинамического моделирования, суммированный в работе, можно применить к анализу материалов изучения, разведки и эксплуатации высокотемпературных Паужетской и Нижне-Кошелевской гидротермальных систем на Камчатке, что позволит оптимизировать их дальнейшее освоение.

СПИСОК

работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Vereina, О.В. (2003): Natural state modeling of the Mutnovsky geo-thermal field, Kamchatka, Russia. Report 217/ Geothermal training in Iceland 2003. UNU G.T.P., Iceland, Pp. 505-526.

2. Вереина О.Б. (2004): ТОиОН2-моделирование естественного состояния Мутновского геотермального резервуара // Тр. Международного Геотермального Семинара 2004, Петропавловск-Камчатский, Россия, 9-15 августа 2004.

3. Сугробов В.М., Кононов В.И., Вереина О.Б. (2004): Перспективы использования геотермальных ресурсов Камчатки // Тр. Международного Геотермального Семинара 2004, Петропавловск-Камчатский, Россия, 9-15 августа 2004.

4. Сугробов В.М., Кононов В.И., Вереина О.Б. (2005): Перспективы использования геотермальных ресурсов Камчатки // Энергосбережение, 2005. № 2. С. 98-102. № 3. С. 76-78.

5. Kiryukhin, А.V., and Vereina, О.В. (2005): Modelling of the fault type geothermal reservoir (Dachny site, Mutnovsky geothermal field) // Proceed. 30th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, Cal., Jan. 31-Feb. 2,2005. SGP-TR-176.

6. Vereina, O.B. (2005): Numerical modelling of the natural state of the Mutnovsky geothermal reservoir (Kamchatka, Russia) // Proceed. World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 24-29 April 2005.

7. Вереина О.Б., Кирюхин A.B., Кононов В.И. (2005): Тепловое питание Мутновской гидротермальной системы (Камчатка) // Избранные доклады VII междунар. Конф. «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, РГГРУ, апрель 2005 г). М.: ФГУП ГНЦ РФ - ВНИИгеосистем. С. 109-118.

8. Vereina, О.В. (2007): Output of thermal energy from Mutnovsky volcano (Kamchatka) and thermal feeding of Mutnovsky hydrothermal system // Proceed. 32nd Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, Cal., Jan. 22-24,2007. SGP-TR-183.

9. Вереина О.Б. (2007): Термогидродинамическое моделирование естественного состояния Мутновского геотермального резервуара (Камчатка) // Литология и полезные ископаемые, 2007, №6. С. 583-593.

10.Kiryukhin, А.V., Asaulova, N.P., Polyakov, A.Y., and Vereina, O.B. (in press): Estimated effect of the exploitation induced infiltration in the Pauz-hetsky and Mutnovsky geothermal fields, Kamchatka, Russia // Proceed. World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, April.

Подписано в печать 10.02.10. Формат 60x84/16. Тираж 120 экз. Усл. печ. л. 1,75. Заказ 80

Типография Издательства РУДН 117923, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д.З

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Вереина, Ольга Борисовна

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕПЛОВОЕ ПИТАНИЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ И ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ОБЛАСТЯХ СОВРЕМЕННОГО ВУЛКАНИЗМА.

1.1. Освоение геотермальных ресурсов (состояние проблемы).

1.2. Источники тепла в гидротермальных системах.

1.3. Модели высокотемпературных гидротермальных систем.

1.3.1. Общие положения.

1.3.2. Вододоминирующие системы.

1.3.3. Пародоминирующие системы.

ГЛАВА 2. МУТНОВСКОЕ ГЕОТЕРМАЛЬНОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ (ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ)

2.1. Гидротермальные ресурсы Камчатки.

2.2. Общая характеристика Мутновского месторождения.

2.2.1. Тектоническая позиция и геологическое строение.

2.2.2. Естественные теплопотери.

2.2.3. Гидрогеологические условия.

2.3. Концептуальная модель Мутновского гидротермального резервуара.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В МУТНОВСКОМ ГЕОТЕРМАЛЬНОМ РЕЗЕРВУАРЕ.

3.1. Численное моделирование тепломассопереноса с помощью программы TOUGH2.

3.2. Мутновское геотермальное месторождение: моделирование естественного состояния.

3.2.1. Новая численная термогидродинамическая модель (Вереина, 2003, 2004, 2005, 2007).,.

3.2.2. Численная термогидродинамическая модель (Кирюхин - Вереина, 2005 -2009).

3.3. Мутновское геотермальное месторождение: моделирование эксплуатации (Кирюхин — Вереина, 2005 - 2009).

3.3.1. Задание на модели динамики взаимодействия «резервуар -скважина».

3.3.2. Моделирование условий обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Условия формирования и прогноз эксплуатации Мутновского геотермального месторождения (Камчатка) по данным численного термогидродинамического моделирования"

Внутреннее тепло Земли, так ярко проявляющееся в вулканической и гидротермальной деятельности, является не только движущей силой геологических процессов, но и источником экологически чистой энергии, которая находит разнообразное практическое применение. Одно из важнейших направлений освоения глубинного тепла - его использование для создания геотермальных электростанций (ГеоЭС), что особенно актуально в областях современного вулканизма. Для строительства ГеоЭС необходимо всестороннее углубленное изучение гидрогеотермальных резервуаров и создание их корректных математических моделей, которые позволяют оптимально организовать бурение для добычи природного теплоносителя и распределение нагрузки эксплуатационных скважин. Это предопределило актуальность исследований, составивших предмет данной диссертации и крайне важных для Курило-Камчатского региона России, обладающего значительными геотермальными ресурсами и в то же время находящегося в зависимости от импорта энергоносителей.

Цель работы:

Исследование высокотемпературной гидрогеотермальной системы (ГТС) как области циркуляции глубинного теплоносителя и источника энергии для многоцелевого практического использования, оценка источников и условий теплового и водного питания системы для оптимизации ее эксплуатации (на примере Мутновского месторождения).

Основные задачи исследования:

1. Исследование структуры теплового питания высокотемпературных гидротермальных систем.

Фактическая основа исследований:

В основу моделирования положены материалы предварительной разведки на участке Дачный Мутновского месторождения парогидротерм для обоснования проекта строительства первой очереди ГеоЭС, а также опубликованные данные по эксплуатации Мутновского геотермального месторождения в период 1999-2005 гг. и результаты личных наблюдений автора во время полевых работ на Мутновском месторождении в 2004 г.

Научная новизна:

Защищаемые положения:

1. Численное моделирование естественного состояния высокотемпературных гидротермальных резервуаров позволяет оценить параметры, их теплового и водного питания - энтальпию и расход восходящего потока глубинного теплоносителя. В связи с решением этой задачи нет необходимости в выяснении геометрии и состояния питающих магматических систем.

2. Обоснована региональная численная термогидродинамическая модель Мутновского геотермального района. С помощью TOUGH2-моделирования уточнено пространственное положение и параметры зон притока глубинного теплоносителя в южной части субмеридиональной Северо-Мутновской вулканотектонической зоны.

3. Обоснована численная термогидродинамическая модель высокотемпературного гидротермального резервуара Дачный Мутновского месторождения, учитывающая теплообмен продуктивной зоны с вмещающим массивом горных пород. С помощью ТОиОН2-моделирования установлен существенный приток инфильтрационных вод (60 кг/с) в резервуар в процессе его эксплуатации; обоснован возможный режим подключения дополнительных скважин для обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт в течение 15-летней эксплуатации. Определено влияние реинжекции на параметры добычных скважин.

Практическая ценность работы:

Реализация и внедрение результатов работы:

Апробация работы:

Результаты исследований докладывались на Международном геотермальном семинаре «Тепло и свет из недр Земли», (г. Петропавловск-Камчатский, 9-15 августа 2004 г.); VII международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, апрель 2005 г.); Международном Геотермическом Конгрессе WGC-2005 (г. Анталия, Турция, 24-29 апреля 2005 г.); 30-м и 32-м Международных геотермальных семинарах (г. Стэн-форд, США, 2005, 2007).

Публикации — по теме диссертации автор имеет 9 публикаций.

Работа выполнена в 2004-2009 гг. в лаборатории тепломассопереноса Геологического института Российской Академии наук. Автор очень обязан В.И.Кононову и М.Д. Хуторскому за поддержку этого исследования и ценные советы и своему научному руководителю А.В. Кирюхину (ИВиС ДВО РАН) за постоянную помощь и консультации при его выполнении. Автор глубоко благодарен АО «Геотерм» и АО «Наука» за предоставление необходимых материалов. Он очень признателен Г. Бьорнссону и А. Хьартар-сону (UNU GTP, Исландия) за ценные рекомендации в процессе исследования, а также В.М. Сугробову (ИВиС ДВО РАН) за конструктивную критику рукописи.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Вереина, Ольга Борисовна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема энергетической безопасности стала сегодня ключевой в экономическом развитии практически всех стран мира. Путь ее решения -оптимизация потребления энергии и максимальное использование всех ее источников. Одним из таких практически неисчерпаемых и экологически чистых источников энергии являются геотермальные ресурсы, которые уже сейчас эффективно используются более чем в 60 странах мира. Геотермальные ресурсы подразделяются на гидротермальные (тепло, аккумулированное в подземных водах) и петротермальные (тепло, заключенное в «сухих» горных породах). Самые мощные, многодебитные и высокотемпературные гидротермальные системы распространены в зонах активного вулканизма.

В России высокотемпературные гидротермальные системы встречаются только в Курило-Камчатском регионе. По оценке В.М. Сугробова [Sugrobov, 1995; Сугробов и др., 2004, 2005], все гидротермы Камчатки выносят в атмосферу около 2314 МВтт тепловой энергии, из которых эффект разгрузки высокотемпературных гидротермальных систем составляет 1782 Мвтт (77%). На базе одной из них - Паужетской, разведка которой началась еще в 1957 г., с 1967 г. функционирует ГеоЭС установленной мощностью 11 МВт. Разведочное бурение проводилось на Больше-Банной и Нижне-Кошелевской системах. Северо-Мутновская гидротермальная система отличается наибольшим естественным выносом тепла - 675 Мвтт [Sugrobov, 1995; Сугробов и др., 2004, 2005]. Вместе с активным Мутновским вулканом она входит в Мутновский геотермальный район и включает Мутновское геотермального месторождение, разведанное бурением и частично уже освоенное двумя ГеоЭС: Мутновской с установленной мощностью 50 МВт и Верхне-Мутновской (12 МВт).

Термогидродинамическое моделирование Мутновского месторождения являлось предметом данного исследования. Ему предшествовала разработка концептуальной гидрогеологической модели месторождения - его качественного описания, которое характеризует морфологию резервуара, его тепловое питание, зоны питания, транзита и разгрузки флюида и его фазовое состояние. Предложенная концептуальная модель синтезирует результаты разносторонних геологических, геофизических, и гидрогеологических исследований, в которых участвовали Е.А. Вакин, Ю.А. Краевой, Г.Ф. Пилипенко, Г.М., Н.П. и С.Г. Асауловы, В.М. Сугробов, Ю.А. Таран, А.В. Кирюхин, С.В. Остапенко и др.

Численное термогидродинамическое моделирование используется в данной работе в качестве критерия проверки правильности представлений о процессах, протекающих в гидротермальной системе. Основные результаты, проведенного автором лично [Vereina, 2003, 2004, 2005, 2007] и в соавторстве [Kiryukhin, Vereina, 2005; Kiryukhin, Asaulova, Polyakov, Vereina (в печати)] термогидродинамического моделирования Мутновской высокотемпературной гидротермальной системы и ее эксплуатируемых участков заключаются в следующем.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Вереина, Ольга Борисовна, Москва

1. Аверьев В.В. (1964): О соотношении между гидротермальной и вулканической деятельностью // Проблемы вулканизма (М-лы ко 2-му Всесоюзн. вулканол. совещанию, 3-17 сентября 1964 г.), Петропавловск-Камч.: Дальневост. книжн. изд-во. С. 251-257.

2. Аверьев В.В. (1966): Гидротермальный процесс в вулканических областях и его связь с вулканической деятельностью // Современный вулканизм (Труды 2-го Всесоюзн. вулканол. совещания, 3-17 сентября 1964 г., т.2), М.: Наука. С. 118-128.

3. Апрелков С.Е., Ольшанская О.Н. (1989): Тектоническое районирование Центральной и Южной Камчатки по геологическим и геофизическим данным // Тихоокеанская геология, 1960, №1. С. 53-66.

4. Белоусов В.И., Сугробов В.М. (1976): Геологическая и гидрогеотермическая обстановка геотермальных районов и гидротермальных систем Камчатки // Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки, Владивосток: ДДВНЦ АН СССР. С. 522.

5. Богуславский Э.И., Вайнблат А.Б., Дядькин Ю.Д., Смыслов А.А., Певзнер JI.A., Самхан И.И., Хахаев Б.Н. (1996): Ресурсы геотермального теплоснабжения // Разведка и охрана недр, 1996, № 7. С. 32-37.

6. Вакин Е.А. (1968): Гидрогеология современных вулканических структур и гидротермальные системы юго-востока Камчатки // Автореф-т канд. дисс., ГИН АН СССР, 28 с.

7. Вакин Е.А., Кирсанов И.Т., Кирсанова Т.П. (1976): Термальные поля и горячие источники Мутновского вулканического района // Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки, Владивосток: ДДВНЦ АН СССР. С. 85-114.

8. Вакин Е.А., Кирсанов И.Т., Пронин А.А. (1966): Активная воронка Мутновского вулкана II Бюлл. вулканол. ст., 1966, №40. С.23-25.

9. Вакин Е.А., Пилипенко Г.Ф. (1979): Мутновский геотермальный район на Камчатке // Изучение и использование геотермальных ресурсов в вулканических областях, М.: Наука. С. 36-46.

10. Вакин Е.А., Пилипенко Г.Ф., Сугробов В.М. (1986): Общая характеристика Мутновского месторождения и прогнозная оценка ресурсов // Геотермические и геохимические исследования высокотемпературных гидротерм (отв. ред. В.М. Сугробов), М.: Наука. С. 6-40.

11. Вакин Е.А., Поляк Б.Г., Сугробов В.М. (1971): Основные проблемы геотермии вулканических областей // Вулканизм и глубины Земли. М.: Наука. С. 197-201.

12. Вереина О.Б. (2007): Термогидродинамическое моделирование естественного состояния Мутновского геотермального резервуара (Камчатка) // Литология и полезные ископаемые, 2007, №6. С.583-593.

13. Волынец О.Н., Ермаков В.А., Кирсанов И.Т., Дубик Ю.М. (1976): Петрохимические типы четвертичных базальтов Камчатки и их геологическое положение // Бюлл вул-канол. ст., 1976,№52.С. 115-126.

14. Выморков Б.М., Путник Н.П. (1960): Геотермические ресурсы и их энергетическое использование. М.: Госэнергноиздат, 168 с.

15. Геология СССР, т. XXXI: Камчатка, Курильские и Командорские острова. Ч. I (геологическое описание). М.: Наука, 1964, 734 с.

16. Дрознин В.А., Дубровская И.К. (1986): Инфрарасная аэрофотосъемка, методика и результаты // Геотермические и геохимические исследования высокотемпературных гидротерм (отв. ред. В.М. Сугробов), М.: Наука. С. 63-77.

17. Дддькин Ю.Д. (1990): Геотермальная энергия И Природа, 1990, № 11. С. 27-28.

18. Дядькин Ю.Д., Парийский Ю.М. (1977): Извлечение и использование тепла Земли. JL: Изд-во ЛГИ, 1977, 175 с.

19. Зеленский М.Е., Овсянников А.А., Гавриленко М.М., Сенюков С.Л. (2002): Извержение вулкана Мутновский (Камчатка) 17 марта 2000 г. // Вулканология и сейсмология, 2002, № 6. С. 25-28.

20. Иванов В.В. (1961): Основные генетические типы термальных вод и их распространение в СССР // Проблемы геотермии и практического использования тепла Земли, т. 2. М.: Изд-во АН СССР. С. 21-32.

21. Иванов В.В. (1977): Генетическая классификация минерализованных вод земной коры // Вопросы гидрогеологии минеральных вод (Труды ЦНИИКиФ, т. 34). М., 1977. С. 3-58.

22. Ильин В.А. (1977): Исследование энергетического баланса современных геотермальных систем. М.: Наука, 1977, 105 с.

23. Кейльгак К. (1935): Подземные воды. М.: ОНТИ, 1935, 499 с.

24. Кирюхин А.В. (1984): Теплогидродинамическая модель: гидротермальная система -неглубоко залегающий магматический очаг // Вулканология и сейсмология, № 3, 1984. С. 25-34.

25. Кирюхин А.В. (1993): Моделирование естественного состояния и эксплуатации высокотемпературного гидротермального резервуара Дачный Мутновского геотермального месторождения // Вулканология и сейсмология, 1993, №3. С.3-23.

26. Кирюхин А.В. (2002): Моделирование эксплуатации геотермальных месторождений. Владивосток: Дальнаука, 216 с.

27. Кирюхин А.В. Блукке П.П. Демченко А.А. Первеев С.Л. Гусев Д.Н. (1991): Реконструкция трехмерных температурных полей в геотермальных резервуарах на основе сплайн-аппроксимации формулы Грина // Вулканология и сейсмология, 1991, №3. С.37-48

28. Кирюхин А.В., Делемень И.Ф., Гусев Д.Н. (1991): Высокотемпературные гидротермальные резервуары. М.: Наука, 160 с.

29. Кирюхин А.В., Москалев Л.К. (2005): Оценка влияния реинжекции на эксплуатацию Мутновского геотермального месторождения (Дачный участок) // Проблемы водных ресурсов, геотермии и геоэкологии, т.1, Минск, 2005. С.309-323.

30. Кирюхин А.В., Сугробов В.М. (1987): Модели тсплопереноса в гидротермальных системах Камчатки. М.: Наука, 152 с.

31. Кононов В.И. (1965): Влияние искусственных и естественных очагов тепла на формирование химического состава подземных вод. М.: Наука, 1965, 147 с.

32. Кононов В.И. (1978): Гидрогеология Исландии // Изв. АН СССР, сер. геол., 1978, №4. С. 128-143. '

33. Кононов В.И. (1983): Геохимия термальных вод областей современного вулканизма // Труды ГИН АН СССР, вып. 379, М.: Наука, 215 с.

34. Кононов В.И. (2002): Геотермальные ресурсы России и их использование // Литология и полезные ископаемые, 2002, № 2. С.115-125.

35. Кононов В.И., Сугробов В.М. (1997): Геотермальные ресурсы Камчатки, использование и перспективы развития // Тепловое поле Земли и методы его изучения. М.: изд-во РУДН, 1997. С. 11-16.

36. Краевой Ю.А., Охапкин В.Г., Сережников А.И. (1976): Результаты гидрогеологических и гидрохимических исследований Больше-Банной и Карымчинской гидротермальных систем // Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки, Владивосток. С. 179-211.

37. Лебедев М.М., Апрелков С.Е., Ежов Б.В. и др. (1979): Системы островных дуг Коряк-ско-Камчатской складчатости // Вулканология и сейсмология, 1979, № 5. С. 30-36.

38. Леонов В.Л., (1986): Методика и результаты крупномасштабного геокартирования // Геотермические и геохимические исследования высокотемпературных гидротерм (отв. ред. В.М. Сугробов). М.: Наука. С. 41-62.

39. Мальцева К.И., Асаулова Н.П., Козлов А.Е., и др. (2001): Проект опытно- промышленной разработки Дачного участка Мутновского месторождения парогидротерм. АО Геотерм АО Аква, Елизово, Камчатская обл.

40. Манухин Ю.Ф., Ворожейкина J1.A. (1976): Гидрогеология Паратунской системы и условия ее формирования // Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки, Владивосток. С. 179-211.

41. Мелекесцев И.В., Брайцева O.K., Пономарева В.В. (1987): Динамика активности вулканов Мутновский и Горелый в голоцене и вулканическая опасность для прилегающих районов // Вулканология и сейсмология, 1987, № 3. С. 3-18.

42. Муравьев А.В., Поляк Б.Г., Турков В.П., Козловцева С.В. (1983): Повторная оценка тепловой мощности фумарольной деятельности вулкана Мутновского (Камчатка) // Вулканология и сейсмологгы, 1983, № 5. С. 51-63.

43. Овчинников A.M. (1947): Минеральные воды. М.: Госгеолиздат, 242 с.

44. Пашкевич Р.И. (2009): Научно-техническое обоснование рациональных параметров те-плопереноса и фильтрации двухфазного теплоносителя при освоении геотермальных месторождений Камчатки // Автореф-т докт. дисс Хабаровск, Ин-т горного дела ДВО РАН, 39 с.

45. Пашкевич Р.И., Чернев И.И., Шадрин А.В. (2009): Термогидродинамическое моделирование Мутновского геотермального месторождения // Разведка и охрана недр, 2009, №7. С. 37-43.

46. Поляк Б.Г. (1965): Тепловая мощность межпароксизмальной стадии активности Мутновского вулкана II Доклады АН СССР, т. 162, № 3. С.643-646.

47. Поляк Б.Г., Мелекесцев И.В., Кирсанова Т.П. (2004): Энергетический режим вулкана Мутновского (Камчатка) И Тезисы Международного геотермального семинара МГС-2004 (IGW-2004) «Тепло и свет из недр Земли», Петропавловск-Камчатский, 9-15 августа 2004 г.

48. Поляк Б.Г., Безух Б.А., Кафтан В.И. и др. (1985): Опыт наземной ИК-съемки для оценки температуры и теплоизлучения термальных полей вулкана Мутновского (Камчатка) // Вулканология и сейсмология, 1985, № 3. С. 54-63.

49. Поляк Б.Г., Кононов В.И., Гавлина Г.Б. (1984): Взаимосвязь современной геотермальной и тектонической активности территории СССР // Современная тектоническая активность территории СССР, М: Наука, 1984. С. 66-73.

50. Поляк Б.Г., Прасолов Э.М., Буачидзе Г.И. и др. (1979): Изотопный состав Не и Аг в термальных флюидах Альпийско-Апеннинского региона и его связь с вулканизмом II Доклады АН СССР, 1979, т.247. С.1220-1225.

51. Поляк Б.Г., Смирнов Я.Б. (1966): Тепловой поток на континентах II Доклады АН СССР, 168, № 1.С. 170-172.

52. Поляк Б.Г., Смирнов Я.Б. (1968): Связь глубинного теплового потока с тектоническим строением континентов II Геотектоника, № 4. С. 3-19.

53. Святловский А.Е. (1967): Очерк истории четвертичного вулканизма и тектоники Камчатки. М., Наука, 1967.

54. Смирнов Я.Б. (1980): Тепловое поле территории СССР. М., ГУГК СМ СССР, 150 с.

55. Смирнов Я.Б., Сугробов В.М., Яновский Ф.А. (1991): Тепловой поток на Камчатке // Вулканология и сейсмология, 1991, №2. С.41-65.

56. Сугробов В.М. (1970): Современные гидротермальные системы // Тепловой режим недр СССР. Труды, вып. 218. М.: Наука. С. 181-198.

57. Сугробов В.М. (1982): Геотермальные ресурсы Курило-Камчатского региона // Энергетические ресурсы Тихоокеанского региона (ред. А.А. Геодекян и В.В. Иванов), М.: Наука, 1982. С. 93-107.

58. Сугробов В.М., Кононов В.И., Вереина О.Б. (2004): Перспективы использования геотермальных ресурсов Камчатки // Тр. Международного Геотермального Семинара 2004, Петропавловск-Камчатский, Россия, 9-15 августа 2004.

59. Сугробов В.М., Кононов В.И., Вереина О.Б. (2005): Перспективы использования геотермальных ресурсов Камчатки // Энергосбережение, 2005, № 2. С. 98-102. № 3. С. 7678.

60. Сугробов В.М., Яновский. Ф.А. (1986): Измерение теплового потока в субповерхностных условиях // Геотермические и геохимические исследования высокотемпературных гидротерм (отв. ред. В.М. Сугробов), М., Наука. С. 126-139.

61. Тепловой режим недр СССР (1970): Труды Геологического института АН СССР, вып. 218., М: Наука, 224 с.

62. Таран Ю.А., Пилипенко В.П., Рожков A.M. (1986): Геохимия гидротермальных растворов и газов Мутновской гидротермальной системы // Геотермические и геохимические исследования высокотемпературных гидротерм (отв. ред. В.М. Сугробов), М., Наука. С. 140-188.

63. Трухин Ю.П., Петрова В.В. (1977): Некоторые закономерности современного гидротермального процесса. М. Наука, 178 с.

64. Шпак А.А., Боревский Л.В., Остапенко С.В., Отман Н.С. (1989): Парогидротермы: проблемы изучения и промышленного освоения // Советская геология, 1989, № 11. С. 111-116.

65. Эллис А. (1965): Химия некоторых исследованных гидротермальных систем // Геохимия современных поствулканических процессов, М.: Мир, 1965. С. 272-298.

66. Эрлих Э.Н. (1973): Современная структура и четвертичный вулканизм западной части Тихоокеанского кольца. Новосибирск, Наука.

67. Arason, Т., Bjornsson, G., Axelsson, G., Bjarnason, J.O., and Helgason, P. (2003): The Geo-thermal reservoir Engineering software package Icebox, User's manual: Orkustofnun, Draft report prepared for the UNU, G.T.P., Iceland, 2003.

68. Assaulov, S.G. (1994): A conceptual model and reservoir assessment for the Mutnovsky geo-thermal field, Kamchatka, Russia. Report 1 И Geothermal Training in Iceland 1994. UNU G.T.P., Iceland. Pp. 1-30.

69. Assaulov, S.G., and Assaulova, N.P. (2000): Mutnovsky geothermal field DATABASE // Drilling and reservoir development. Mutnovsky Independent Power Project, internal documentation.

70. Axelsson, G. (2003): Basics of Reservoir Physics. UNU-GTP (Reykjavik, Iceland), unpubl. lecture notes.

71. Bertani, R. (2005): World Geothermal Generation 2001-2005: State of the Art // Proceed. World Geothermal Congress 2005 (Antalya, Turkey, 24-29 April 2005).

72. Bjornsson, A., Saemundsson, K., Einarsson, P. et al. (1977): Current rifting episode in North Iceland // Nature, 1977, vol. 266. Pp. 318-323.

73. Bjornsson, G. (2003): Numerical modelling I and II with special emphasis on the TOUGH code. UNU G.T.P., Iceland, unpubl. lecture notes.

74. Bodvarsson, G. (1961): Physical characteristics of natural heat resource in Iceland // UN Conf. on New Sources of Energy, Rome, 1961. Pp. 1-19.

75. Bodvarsson, G.S., and Witherspoon, P. A. (1989): Geothermal Reservoir Engineering Part 1 I I Geotherm. Sci. & Tech., vol.2, no.l. Pp. 1-68.

76. D'Amore, F., and Truesdell, A.H. (1979): Models for steam chemistry at Larderello and the Geysers // Stanford 5. Pp. 283-297.

77. Einarsson, T. (1942): The nature of the springs of Iceland // Rit. Visind Isl. 1942. N 26. P. 192.

78. Fridleifsson, I.B. (2005): Geothermal Energy amongst the World's Energy Sources // Proceed. World Geothermal Congress 2005 (Antalya, Turkey, 24-29 April 2005).

79. Haukwa, C. (1998): AMESH, a mesh creating program for the integral finite difference method: A User's Manual. Lawrence Berkeley National Laboratory, report LBNL-45284, 53 pp.

80. James, R. (1968): Wairakei and Larderello: Geothermal power systems compared // N.Z.J. Sci. Technol., no.ll, 1968. Pp. 706-719.

81. Kiryukhin, A. V. (1992): Progress Report on Modeling Studies of the Mutnovsky Geothermal Field, Kamchatka, Russia//LBL-32729. 1992.21 pp.

82. Kiryukhin, A.V. (1993): High-temperature fluid flows in the Dachny field of the Mutnovsky hydrothermal system, Russia// Geothermics, vol.22, no.l, 1993. Pp.49-64.

83. Kiryukhin, A.V. (1996): Modelling Studies: Dachny Geothermal Reservoir, Kamchatka, Russia // Geothermics, vol.26, no.l, 1996. Pp.63-90.

84. Kiryukhin, A.V. (2003): Modeling of the Exploitation of the Mutnovsky Geothermal Field in Relation to 50 MWe PP steam supply // Int. Geothermal Workshop "Energy without Smoke", Sochi, Russia, 6-10 October 2003. Pp. 91.

85. Kiryukhin, A.V. (2005): Modelling of the Dachny Site Mutnovsky Geothermal Field (Kamchatka, Russia) in Connection with the Problem of Steam Supply for 50 MWe Power Plant // Proceed. World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 24-29 April 2005.

86. Kiryukhin, A.V., Asaulova, N.P., and Finsterle, S. (2008): Inverse Modeling and Forecasting for the Exploitation of the Pauzhetsky Geothermal Field, Kamchatka, Russia // Geo-thermics, 2008, Volume 37, Issue 5. Pp. 540-562.

87. Muffler, L.J.P. (Ed.). (1979): Assessment of Geothermal Reseurces of the United States, 1978 // Geol. Surv. Circ., 1979, v. 790, 163 pp.

88. Muffler, L.J.P. and Cataldi, R. (1978): Methods for regional assessment of geothermal resources // Geothermics, vol.7. Pp.53-89.

89. Pruess, K., Oldenburg, C., and Moridis, G. (1999): TOUGH2, user's guide version 2.0. Lawrence Berkeley National Laboratory, 197 pp.

90. Pruess, K. (2002): Mathematical modeling of fluid flow and heat transfer in geothermal systems an introduction in five lectures. UNU G.T.P., Iceland, 84 pp.

91. Sclater, J., Francheteau, J. (1970): The implication of terrestrial heat flow observations on current tectonics and geochemical models of the crust and upper mantle of the earth // Geophys. J. Roy. Astr. Soc., 20, no. 5. Pp. 509-542.

92. Stefansson, V. (1981): The Krafla geothermal field, Northeast Iceland // Geothermal Systems: Principles and Case Histories (L. Rybach and L.J.P. Muffler, eds). N.Y.: Pergamon Press. Pp. 271-294.

93. Stefansson, V. (1998): Estimate of the world geothermal potential // Geothermal Training in Iceland 20th Anniversary Workshop, UNU G.T.P, Reykjavik, 1998. Pp. 111-120.

94. Stefansson, V. (2005): World Geothermal Assessment // Proceed. World Geothermal Congress 2005 (Antalya, Turkey, 24-29 April 2005).

95. Steingrimsson, В. (2003): Geothermal Reservoir Engineering. UNU-GTP (Reykjavik, Iceland), unpubl. lecture notes.

96. Sugrobov, V.M. (1995): Utilization of geothermal resources of Kamchatka, prognostic and future development//Proceed. World Geothermal Congress 1995 (Florence, Italy, 18-31 May 1995), vol. 3. Pp. 1549-1554.

97. Survey of Energy Resources. (1980): Proceed. 11th World Energy Conf., Munich, 103 pp.

98. Thomas, R.P., Chapman, R.H., Dykstra, H. (1981): A reservoir assessment of the Geysers geothermal field. Sacramento, 1981, 60 pp.

99. Vereina, O.B. (2003): Natural state modeling of the Mutnovsky geothermal field, Kamchatka, Russia. Report 21 // Geothermal training in Iceland 2003. UNU G.T.P., Iceland. Pp. 505526.

100. Vereina, O.B. (2005): Numerical modelling of the natural state of the Mutnovsky geothermal reservoir (Kamchatka, Russia) // Proceed. World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 24-29 April 2005.

101. White, D. E. (1957): Thermal waters of volcanic origin // Bull. Geol. Soc. ofAmer., 1957, vol. 68, no. 12. Pp.1637-1657.

102. White, D. E. (1967): Some principles of geyser activity, mainly from Steamboat Springs, Nevada IIAmer. J. Sci., 1967, vol. 265, no. 8. Pp. 641-684.

103. White, D.E., Muffler L.J., and Truesdell A.H. (1971): Vapor-dominated hydrothermal systems compared with hot-water systems //Econ. Geol., 1971, no. 66 (1). Pp. 75-97.

104. Wooding, R.A. (1978): Large-scale geothermal field parameters and convection theory // N.Z.J.Sci. 21. Pp. 219-228.1. ПЕРЕЧЕНЬ РИСУНКОВ

105. Рис. 1.1. Распределение высокотемпературных гидротермальных систем на земномшаре (по Muffler, 1975 Кирюхин и др., 1991.19

106. Рис. 1.2. Схема процессов, происходящих в геотермальной системе в процессеэксплуатации (по Bodvarsson, Witherspoon. 1989; Steingrimsson, 2003.). .23

107. Рис. 1.3. Простая модель двухфазной системы (по Steingrimsson, 2003.).26

108. Рис. 1.4. Модель циркуляции флюида в вододоминирующей гидротермальной системе в естественном состоянии (по White, 1967.).26

109. Рис. 1.5. Концептуальные модели ГТС Серро-Прието, Мексика а) по (С. Меркадо, 1968 Lipman, 1980.), б) по (С. Меркадо, 1976 [Lipman, 1982]), по А.В. Кирюхину, В.М. Сугробову [1987].27

110. Рис. 1.6. Концептуальные модели ГТС Крафла, Исландия (по Stefansson, 1981., А.В.

111. Кирюхину, В.М. Сугробову 1987.).28

112. Рис. 1.7. Концептуальные модели гидротермальных систем: а) Паратунской (по

113. Манухин, Ворожейкина, 1976.), б) Болыпе-Банной-Карымчинской (по Краевой и др., 1976]).29

114. Рис. 1.8. Концептуальная модель циркуляции флюида в пародоминирующем резервуаре в естественном состоянии (по White et al., 1971.).30

115. Рис. 1.9. Концептуальная модель естественного состояния пародоминирующегорезервуара (по D'Amore and Truesdell, 1979.).31

116. Рис. 1.10. Концептуальная модель ГТС Гейзеры, США (по Thomas et al., 1981., А.В.

117. Кирюхину, В.М. Сугробову, 1987.).32

118. Рис 2.1. Геотермальные провинции и термопроявления Камчатки (по Сугробов и др., 2004,2005.).38

119. Рис. 2.2. Вулкан Мутновский, вид с СЗ (фото И.Т. Кирсанова, 1960).42

120. Рис. 2.3. Схема поверхности мелового фундамента (по Федотов и др., 2001 .).44

121. Рис. 2.4. Схема геологического строения и термопроявлений Мутновскогогеотермального района (по Вакин и др., 1986.).45

122. Рис. 2.5. Схематическая геологическая карта участка Дачный Мутновскогоместорождения (по Леонов, 1986.).48

123. Рис. 2.6. Стратиграфическая колонка отложений, вскрытых на Дачном участке

124. Мутновского геотермального месторождения (по Леонов, 1986.).50

125. Рис. 2.7. Геологические разрезы участка Дачный Мутновского месторождения (по1. Леонов, 1986.).53

126. Рис. 2.8. Диаграмма трещиниоватости, развитой на Дачном участке Мутновскогоместорождения (по Леонов, 1986.).54

127. Рис. 2.9. Мутновское геотермальное месторождение: положение месторожденияотносительно активных вулканов и основных разломных зон (по Вакин и др., 1986; Федотов и др., 2001.).56

128. Рис. 2.10. Схема распределения субповерхностного теплового потока по даннымбурения зондировочных скважин (по Сугробов, Яновский, 1986.).60

129. Рис. 2.11. Мутновское геотермальное месторождение: расположение скважин иосновных участков в изученной области месторождения (по Мальцева и др., 2001.).66

130. Рис. 2.12. Геолого-гидрогеологическая карта Мутновского месторожденияпарогидротерм (по Мальцева и др., 2001.).67

131. Рис. 2.13. Гидрогеологический разрез по линии скважин №020 №030 (по Мальцева и др., 2001.).68

132. Рис. 2.14. Гидротермальная и магматическая активность и распределение температуры в Мутновской гидротермальной системе в плане и в разрезе (по Кирюхин, Сугробов, 1987.).70

133. Рис. 2.15. Распределение температур в пределах участка Дачный Мутновскогогеотермального месторождения в плане (на абс. отм. -400, -800, -1200), в меридиональном и широтном разрезах (по Кирюхин и др., 1991.).71

134. Рис. 2.16. Концептуальная модель Мутновской геотермальной системы (по С.Г.1. Асаулову 1994.).72

135. Рис. 2.17. Концептуальная модель Мутновской геотермальной системы (по С.А.1. Федотову и др. 2001.).72

136. Рис. 2.18. Распределение температуры (оС) в Мутновском резервуаре показаноизолиниями Vereina, 2003, 2004, 2005, 2007.: а) на абс. отм. -250 м; б) вдоль разломной зоны СВ простирания.74

137. Рис. 2.19. Распределение давления (бар) в Мутновском резервуаре показаноизолиниями Vereina, 2003, 2004, 2005, 2007.: а) на абс. отм. -250 м; б) вдоль разломной зоны СВ простирания.75

138. Рис.3.1. Дискретизация пространства при численном моделировании (по Pruess, 2002.) .79

139. Рис.3.2. Расчетная термогидродинамическая модель Мутновской системы по

140. Кирюхин, Сугробов, 1987.81

141. Рис.3.3. Мутновское геотермальное месторождениев контурах модели Kiryukhin, 1996;1. Кирюхин, 2002.82

142. Рис. 3.4. Геометрия 3-D (трехмерной ) вычислительной сетки . показывающаяразличные слой модели Kiryukhin, 1996; Кирюхин, 2002.83

143. Рис. 3.5. Вычислительная сетка для моделирования естественного состояния: а)вычислительная сетка по отношению к геометрии исследуемой области;б) зонирование слоя В (абс. отм. -250 м) на домены с различной проницаемостью.85

144. Рис. 3.6. Результаты Т01ГСН2-моделирования: оценка распределения температуры (°С) и давления (бар) в слое В (-250 м абс. отм.). Вариант V-1.89

145. Рис. 3.7. Результаты TOUGH2-моделирования: оценка распределения температуры (оС) и давления (бар) в слое В (-250 м абс. отм.). Вариант V-2.90

146. Рис. 3.8. Результаты Т01ЮН2-моделирования: оценка распределения температуры (оС) и давления (бар) в слое В (-250 м абс. отм.). Вариант V-3.90

147. Рис. 3.9. Блок-схема Северо-Мутновской вулкано-тектонической зоны с вырезом вплоскости продуктивной зоны «Основная» (по Кирюхин и др., 2005.).93

148. Рис. 3.10. Геометрия 3-D численной модели продуктивной зоны «Основная» участка Дачный Мутновского геотермального месторождения Kiryukhin, Vereina, 2005.95

149. Рис. 3.13. Данные по суммарному расходу пара, отсепарированной воды и давлениюсепарата на Мутновской ГеоЭС (данные ОАО «Геотерм» 2004).101

150. Рис. 3.14. Прогноз суммарной паропроизводительности группы скважин (016, 26, Е4, 029W, Е5) при заданном устьевом давлении и давления в резервуаре (элемент A3) по результатам моделирования (вариант ЕХЗ).104

151. Рис. 3.16. Прогнозное моделирование суммарной и индивидуальнойпаропроизводительности скважин (группы существующих 016, 26, Е4, 029W, Е5 и дополнительных F-скважин) на участке Дачный Мутновского геотермального месторождения (вариант ЕХЗА).110

152. Рис. 3.17. Прогнозное моделирование суммарной производительности пара и пароводяной смеси (существующих 016. 26, Е4, 029W, Е5 и дополнительных F-скважин) на участке Дачный Мутновского геотермального месторождения (вариант ЕХЗА).110

153. Рис. 3.18. Прогнозное моделирование суммарной и индивидуальнойпаропроизводительности скважин (группы существующих 016, 26, Е4, 029W, Е5 и дополнительных F-скважин) на участке Дачный Мутновского геотермального месторождения (вариант ЕХЗС).111

154. Рис. 3.19. Прогнозное моделирование суммарной производительности пара и пароводяной смеси (существующих 016, 26, Е4, 029W, Е5 и дополнительных F-скважин) на участке Дачный Мутновского геотермального месторождения (вариант ЕХЗС).111

155. Рис. 3.20. Прогнозное моделирование суммарной и индивидуальнойпаропроизводительности скважин (группы существующих 016, 26, Е4, 029W, Е5 и дополнительных F-скважин) на участке Дачный Мутновского геотермального месторождения (вариант EX3F).112

156. Рис. 3.21. Прогнозное моделирование суммарной производительности пара и пароводяной смеси (существующих 016, 26, Е4, 029W, Е5 и дополнительных F-скважин) на участке Дачный Мутновского геотермального месторождения (вариант EX3F).1121. ПЕРЕЧЕНЬ ТАБЛИЦ

Информация о работе

Вереина, Ольга Борисовна
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.07

Диссертация

Условия формирования и прогноз эксплуатации Мутновского геотермального месторождения (Камчатка) по данным численного термогидродинамического моделирования - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы