Освоение геотермальной энергии

УДК 620.92
ББК 31я73; A541
О 72

А в т о р с к и й к о л л е к т и в:
А л х а с о в А. Б., А л х а с о в а Д. А., А л и ш а е в М. Г.,
Ра м а з а н о в А. Ш., Ра м а з а н о в М. М.

Освоение
геотермальной
энергии
/
Под
ред.
В.Е.
Фортова.
—
М.: ФИЗМАТЛИТ, 2022. — 320 с. — ISBN 978-5-9221-1950-4.

В монографии рассмотрены современное состояние и перспективы освоения
геотермальных ресурсов Восточного Предкавказья. Приведены энергоэффективные технологии освоения гидрогеотермальных ресурсов разного энергетического потенциала, комбинированные технологии, сочетающие различные
возобновляемые источники энергии. Исследованы процессы тепломассопереноса в системах по отбору геотермального тепла, дана оценка экологического
состояния освоения ресурсов. Предложены технологии водоподготовки низкопотенциальных вод и технологии комплексного освоения высокотемпературных
рассолов с утилизацией тепловой энергии и последующим извлечением химических компонентов из охлажденного рассола.
Монография предназначена научным работникам, инженерам и студентам
энергетических специальностей.

ISBN 978-5-9221-1950-4

c⃝ ФИЗМАТЛИТ, 2022

c⃝ Коллектив авторов, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие редактора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9

Г л а в а 1.
Гидрогеотермальные ресурсы Восточно-Предкавказского
артезианского бассейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .
12
1.1. Современное состояние низкопотенциальных вод ВПАБ. .. . . . . . .
14
1.2. Ресурсы плиоценового гидрогеотермического яруса . .. . . . . . . . . .
16
1.3. Ресурсы миоценового гидрогеотермического яруса. .. . . . . . . . . . .
18
1.4. Ресурсы мезозойского гидрогеотермического яруса . .. . . . . . . . . .
20
1.5. Тепловой режим осадочной толщи . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
1.6. Прогнозная оценка эксплуатационных ресурсов низкопотенциальных вод . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .
23
1.7. Оценка эксплуатационных запасов геотермального месторождения
27
1.8. Факторы, влияющие на дебит геотермальной скважины . .. . . . . . .
30

Г л а в а 2.
Месторождения термальных вод Дагестана . . . . . . . . . .
36
2.1. Махачкала-Тернаирское месторождение. .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
2.2. Кизлярское месторождение . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
2.3. Избербашское месторождение . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
2.4. Каякентское месторождение. .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .
43

Г л а в а 3.
Технологии освоения геотермальных ресурсов . . . . . . . .
45
3.1. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения . .. . . . . . .
45
3.2. Теплонасосные системы теплоснабжения с низкопотенциальными
термальными водами . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
3.3. Системы теплонасосного теплоснабжения с грунтовыми теплообменниками в вертикальных скважинах . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
3.4. Эколого-экономические аспекты использования тепловых насосов
61
3.5. Комплексное освоение
низкопотенциальных
геотермальных ресурсов . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
3.6. Комбинированные технологии освоения ВИЭ . .. . . . . . . . . . . . . .
70
3.6.1. Солнечно-геотермальная система . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
3.6.2. Экспериментальная солнечно-геотермальная система . .. . . . .
72
3.6.3. Геотермально-биогазовая технология
. .. . . . . . . . . . . . . . .
77
3.6.4. Технология по выработке электроэнергии и утилизации остаточного тепла . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .
80
3.7. Совместная добыча пресных низкопотенциальных и термальных
минерализованных вод . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
3.8. Тепломассоперенос в скважинах по совместно-раздельной добыче
89
3.9. ГЦС с внутрискважинными теплообменниками. .. . . . . . . . . . . . .
93
Список литературы к гл. 1–3 . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97

Оглавление

Г л а в а 4.
Интенсификация теплообмена оребрением теплопередающей поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
4.1. Теплопередача через ребристую стенку . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
4.2. Расчет гидравлических сопротивлений оребренных поверхностей. .
110
4.3. Решение контактной задачи установившегося распределения температур с учетом числа ребер и толщины теплопередающей трубы . .
114
Список литературы к гл. 4 . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
123

Г л а в а 5.
Извлечение низкопотенциальной тепловой энергии горных пород . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
5.1. Извлечение и аккумуляция тепла грунта скважинным теплообменником в сезонном режиме работы. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
5.2. О возможности аккумуляции и извлечения теплоты в горной породе
136
5.3. Использование скважинных теплообменников для подогрева низкопотенциальной артезианской воды . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
145
Список литературы к гл. 5 . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158

Г л а в а 6.
Исследование закономерностей тепломассопереноса при
двух- и однофазном течении теплоносителя в системе геотермальный пласт–скважина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
162
6.1. Тепломассоперенос при фильтрации пароводяной смеси в пласте . .
168
6.2. Тепломассоперенос при фильтрации пароводяной смеси в системе
скважина–геотермальный пласт . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
180
6.3. Конвективный теплообмен между вертикальной скважиной и водоносным горизонтом . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
190
6.4. Исследование влияния естественной конвекции на теплообмен в системе горизонтальная скважина–проницаемая горная порода. .. . . .
198
Список литературы к гл. 6 . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
207

Г л а в а 7.
Освоение геотермальных ресурсов для выработки электроэнергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
210
7.1. Выбор рабочего тела для ГеоЭС . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
213
7.2. Оптимизация цикла, реализуемого во вторичном контуре ГеоЭС . .
217
7.3. Оптимизация
технологических
параметров
первичного
контура ГеоЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
221
7.4. Бинарная ГеоЭС с использованием простаивающих скважин на выработанных нефтяных и газовых месторождениях . .. . . . . . . . . . .
228
7.5. Бинарная ГеоЭС с использованием среднепотенциальных гидротермальных ресурсов . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
233
7.6. Геотермально-парогазовая энергетическая система. .. . . . . . . . . . .
235
7.7. Перспективы освоения Тернаирского геотермального месторождения. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
237
7.8. Теплообменники для утилизации тепла высокотемпературных геотермальных рассолов . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
239
Список литературы к гл. 7 . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
244

Оглавление
5

Г л а в а 8.
Комплексное освоение высокопараметрических гидрогеотермальных ресурсов ВПАБ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
248
8.1. Технологии освоения высокопараметрических гидрогеотермальных
ресурсов. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
252
8.2. Освоение рассолов Берикейского геотермального месторождения . .
258
8.3. Освоение высокотемпературных рассолов Тарумовского геотермального месторождения . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
261
8.4. Освоение рассолов Южносухокумского газонефтяного месторождения. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
266
Список литературы к гл. 8 . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
272

Г л а в а 9.
Химико-технологические и экологические аспекты освоения гидрогеотермальных ресурсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
9.1. Низкопотенциальные воды как вероятный фактор вторичного засоления почв . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
9.2. Идентификация токсичных компонентов в почвах в местах разгрузки подземных вод . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
277
9.3. Изучение минерального состава низкопотенциальных вод и степени
их загрязненности . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
278
9.4. Перспективы освоения низкопотенциальных геотермальных ресурсов Кизлярского района . .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
280
9.5. Перспективы освоения низкопотенциальных геотермальных ресурсов Тарумовского района. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
283
9.6. Оценка качества низкопотенциальных вод Бабаюртовского района
287
9.7. Оценка качества низкопотенциальных вод Ногайского района . .. . .
288
9.8. Районирование территорий с аномально высоким содержанием мышьяка . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
289
9.9. Проблемы утилизации попутных газов . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . .
292
9.10. Органические вещества — загрязнители низкопотенциальных вод
296
9.11. Масс-спектрометрическая идентификация растворенных органических веществ . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
302
9.12. Технологии очистки низкопотенциальных вод. .. . . . . . . . . . . . . .
303
Список литературы к гл. 9 . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
307

Заключение . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
313

Предисловие редактора

Энергетика на современном этапе характеризуется увеличением доли ресурсосберегающих экологически эффективных технологий, к которым относятся и технологии на основе возобновляемых источников
энергии. Со временем роль возобновляемой энергии будет еще больше
возрастать, что позволит решить многие проблемы будущего.
Изучению и освоению геотермальных ресурсов Восточного Предкавказья, как перспективного региона для дальнейшего развития геотермальной энергетики, посвящена данная монография. Рассматриваются проблемы эффективного освоения геотермальной энергии, огромные ресурсы которой в настоящее время практически не используются
на теплоэнергетические цели. В развитых странах мира в этом направлении достигнуты значительные успехи.
Анализ состояния освоения ресурсов свидетельствует о низком
уровне эксплуатации как скважин, так и артезианского бассейна в целом. В монографии предложен ряд мер по улучшению гидрогеологоэкологической ситуации, проведена оценка ресурсов, показаны перспективы освоения низкопотенциальных термальных вод на различные
народнохозяйственные цели.
В монографии приведены разведанные запасы теплоэнергетических
вод и рассмотрен ряд месторождений, находящихся в эксплуатации.
Разработаны технологии освоения геотермальных ресурсов, показана
высокая эффективность теплонасосных технологий для освоения низкотемпературных артезианских вод, приведены перспективные технологии комплексного освоения теплового и водоресурсного потенциалов,
позволяющих эксплуатировать скважины в непрерывном режиме в течение всего года.
Предложены комбинированные технологические системы, использующие геотермальные ресурсы в сочетании с другими возобновляемыми
ресурсами. Такие системы являются наиболее передовыми и обеспечивают бесперебойное энергоснабжение потребителей при одновременном
решении эколого-экономических и социальных проблем. Одна из таких
систем, использующая геотермальное тепло и солнечную энергию, реализована для теплоснабжения и горячего водоснабжения на территории
филиала ОИВТ РАН в г. Махачкала.

Предисловие редактора
7

В регионе большие перспективы имеют геотермально-биогазовые
технологические системы, где имеются значительные ресурсы геотермальной энергии и накоплены огромные ресурсы биомассы. Реализация
геотермально-биогазовых технологий позволит эффективно утилизировать ресурсы биомассы с одновременным решением экологических
проблем.
К технологиям, позволяющим эффективно осваивать геотермальные ресурсы, относятся циркуляционные системы, основанные на совместно-раздельной добыче термальных и артезианских низкотемпературных вод из разных горизонтов. В таких системах тепловой потенциал высокотемпературной воды с нижнего горизонта передается
промежуточному теплоносителю с верхнего горизонта непосредственно
в скважине, что избавляет от строительства наземных теплообменников, которые часто выходят из строя из-за проблем коррозии и солеотложения в них. Для освоения геотермальных ресурсов с высокой
минерализацией, составляющих значительную долю всех прогнозных
ресурсов, предложены циркуляционные системы с внутрискважинными теплообменниками. Изучены процессы тепломассопереноса в таких
системах, оптимизированы эксплуатационные параметры, предложен
ряд мер конструктивно-технологического характера по интенсификации теплопереноса в теплообменниках.
Перспективным видом геотермальной энергии является тепло горных пород неглубокого залегания. Рассматриваются принципиальные
вопросы, связанные с извлечением тепловой энергии верхнего слоя земли и созданием теплообменника в вертикальной скважине. Рассмотрена возможность аккумуляции тепла в горной породе вокруг скважины
в летнее время и использования накопленного тепла в зимний период.
Предложены решения в двух вариантах: обогрев породы летом водой
из солнечных коллекторов с отбором тепла в зимний период; решение
в виде бегущих волн при гармоничном изменении температуры воды,
циркулирующей по внутрискважинному теплообменнику. Показана реализуемость технологии для низкотемпературной напольной системы
отопления.
Рассматривается вопрос использования старого фонда консервированных скважин выработанных нефтяных месторождений в целях коммунального теплоснабжения. Предлагается артезианскую воду верхних
горизонтов дополнительно нагревать спуском их до более глубоких
горизонтов, оценивается влияние регулируемых параметров на эффективность извлечения тепла.
Разработаны комбинированные технологии тепло- и водоснабжения,
что важно для решения социально-экономических проблем населения,

Предисловие редактора

проживающего в аридной зоне на Юге России. Предложен комплекс
научно обоснованных мер по решению экологических проблем региона,
связанных с освоением геотермальных ресурсов.
Обоснована возможность эффективного освоения геотермальных
ресурсов Северокавказского региона путем строительства бинарных
геотермальных электростанций с использованием простаивающих нефтяных и газовых скважин. Подсчитаны мощности и определены основные характеристики ГеоЭС на перспективных площадях.
Показана перспективность геотермально-парогазовой технологии,
с помощью которой можно использовать термальные воды низкого
энергетического потенциала для выработки электроэнергии с высокой
эффективностью.
Приведены перспективные технологии комплексной переработки
высокопараметрических геотермальных ресурсов с преобразованием
тепловой энергии в электрическую в бинарной ГеоЭС и последующим
извлечением из термальных вод растворенных в них химических соединений. Реализация таких технологий в регионе позволит решить
проблему импортозамещения по литию и пищевой соли.
В
последние годы
происходит возрождение малой энергетики
на новой технологической основе. На смену старым индивидуальным и маломощным энергоустановкам приходят новые, обладающие
все большей независимостью от централизованного энергоснабжения.
Возобновляемые источники энергии и установки на их основе наиболее
приспособлены для использования в малой энергетике и будут играть
существенную роль в ее дальнейшем опережающем развитии.
Надеюсь, что предлагаемая монография окажется полезной как для
широкого круга ученых-энергетиков, так и для студентов, аспирантов
и молодых специалистов, интересующихся этой перспективной областью современной энергетики.
В.Е. Фортов, академик РАН

Введение

В мире последние годы характеризуются увеличением объемов
и расширением областей использования энергетических технологий
на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Одним из перспективных видов возобновляемой энергии является геотермальная
энергия, доля которой в мировом энергетическом балансе неуклонно
растет. В энергетическом балансе ряда стран геотермальные технологии становятся доминирующими, практическое применение геотермальных ресурсов осуществляется в 72 странах. В настоящее время
геотермальные электростанции (ГеоЭС) работают в 24 странах мира,
а суммарная установленная мощность их составляет более 11 ГВт.
Быстрыми темпами развиваются технологии прямого использования
геотермальных ресурсов в теплоснабжении, суммарная мощность систем геотермального теплоснабжения превысила 70 ГВт.
Потенциал
изученных
геотермальных
ресурсов
мира
составляет 200 ГВт электрической и 4400 ГВт тепловой мощности. Около
5,35 % этого потенциала используется для выработки электроэнергии
и 1,5 % — для получения тепла.
В связи с интенсивным развитием теплонасосных технологий появилась возможность эффективного освоения геотермальных ресурсов
низкого потенциала, и в этом направлении во многих странах достигнуты значительные успехи.
Россия располагает значительными геотермальными ресурсами,
экономический потенциал которых составляет 115 млн т у. т./год. Использование тепла Земли в России может составить до 10 % в общем
балансе теплоснабжения.
Общая установленная электрическая мощность ГеоЭС России составляет 82 МВт, а тепловая мощность энергоустановок прямого использования геотермального тепла — 310 МВт. Геотермальные ресурсы
различных температур используются в электроэнергетике и теплофикации, промышленности, сельском хозяйстве, бальнеологии и других
областях.
Наиболее перспективными для освоения геотермальной энергии
являются Камчатско-Курильский, Западно-Сибирский и Северо-Кавказский регионы. На Северном Кавказе геотермальное электро- и теплоснабжение может составить до 50 % от общего потребления энергии.

Введение

На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения, залегающие на глубинах от 300 до 5000 м. Температура в глубоких
резервуарах достигает до 180 ◦С и выше. Эти месторождения способны
обеспечить получение до 10 000 тепловой и 1000 МВт электрической
мощности. В настоящее время на Северном Кавказе около 500 тыс. человек используют геотермальные ресурсы для теплоснабжения в коммунально-бытовом секторе, сельском хозяйстве и промышленности.
В монографии обобщены результаты научно-исследовательских работ последних лет, выполненных в Институте проблем геотермии
и возобновляемой энергетики — филиале Объединенного института
высоких температур РАН (ИПГВЭ ОИВТ РАН) по двум проектам
в рамках ФЦП.
По ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной
России на 2009–2013 годы» выполнен проект «Разработка эффективных технологий комплексного освоения низкопотенциальных геотермальных ресурсов Восточного Предкавказья» и по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014–2020 годы» — проект
«Разработка эффективной технологии комплексного освоения высокопараметрических минерализованных гидрогеотермальных ресурсов».
Объектом исследований являются низко-, средне- и высокопотенциальные гидрогеотермальные ресурсы Восточно-Предкавказского артезианского бассейна (ВПАБ). Основной целью исследований является
оценка экологического, гидрогеологического и геотермического состояния геотермальных ресурсов Восточного Предкавказья и разработка
рекомендаций, новых форм и передовых технологий их комплексного
использования на различные народнохозяйственные нужды, а также
создание высокоэффективных систем освоения низкопотенциального
тепла сухих горных пород для теплоснабжения децентрализованных
потребителей малой мощности.
Выполнение проектов в 2009–2011 и 2014–2016 гг. сопровождалось экспедиционными исследованиями по оценке состояния добычи
термальных вод разного энергетического потенциала, изучению режимных гидрогеотермодинамических параметров эксплуатируемых скважин, отбору проб воды на полный химический анализ и на определение
газовой составляющей. Изучено экологическое состояние территорий,
прилегающих к скважинам: отобраны пробы грунта и определены их
засоленность и уровни загрязнения токсичными компонентами. В экспедиционных исследованиях принимали участие студенты Дагестанского государственного университета и аспиранты ИПГВЭ ОИВТ РАН.