CC BY
65
М.В. Мищенко, Б.М. Букаты
ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД КОЛПАШЕВСКОЙ ПЛОЩАДИ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ
Работа выполнена при поддержке РФФИ и Минпромнауки РФ (гранты 06-05-64166, 07-05-00877, НШ-3561.2008.5).
Показана возможность использования термальных подземных вод в теплоэнергетических целях. Проведен прогноз изменения температур при эксплуатации подземных вод из апт-альб-сеноманского, готерив-барремского и валанжинского водоносных комплексов. Ключевые слова: подземные воды; температура; прогноз.
В современных условиях, когда традиционные виды топлива обладают высокой ценой, встает вопрос об использовании альтернативных источников энергии, таких как энергия солнца, ветра, тепла Земли, биомассы, малых рек, приливов и отливов морей и океанов. Для Томской области наиболее перспективным из альтернативных источников являются термальные подземные воды.
В связи с расположением и фильтрационными характеристиками пород осадочного чехла Колпашевская площадь может рассматриваться как один из перспективных участков для использования термальных подземных вод. Она расположена в центральной части Томской области на перекрестке транспортных систем (автодороги, крупные речные артерии и воздушные пути) [1, 2]. В пределах площади сконцентрированы большие запасы подземных вод с температурой, позволяющей отнести их к категории среднепотенциальных (60-100°С) вод [3].
Исходя из температурных условий, наиболее перспективным является использование термальных подземных вод Колпашевской площади для теплоснабжения и горячего водоснабжения. В последнее время появились также технологические возможности применения среднепотенциальных термальных вод для выработки электроэнергии с использованием низкокипящих теплоносителей.
Одной из ключевых проблем практического использования термальных вод является оценка возможного изменения их температуры в процессе эксплуатации.
В настоящей работе она решалась на основе использования методов численного моделирования теп-ломассопереноса с помощью программного комплекса HydroGeo [4].
Гидрогеологические условия Колпашевской площади. В верхней части гидрогеологического разреза рассматриваемой территории залегают олигоцен-четвертичный и эоцен-верхнемеловой водоносные комплексы (в.к.) с холодными водами. Олигоцен-четвертичный в.к. является основным источником пресных питьевых вод, а эоцен-верхнемеловой - главным источником минеральных столовых и лечебностоловых вод. Мощность их составляет соответственно 100 и 500 м.
Далее, вниз по разрезу, залегает апт-альб-сеноманский в.к., вмещающий теплые воды. Они преимущественно солоноватые, хлоридные натриевые с пластовой температурой от 28 до 35°С. Комплекс слагают разнозернистые слабосцементированные песчаники, алевролиты и глины общей мощностью 6001000 м. Практически на всей территории юго-запада
Западно-Сибирского артезианского бассейна он характеризуется уникально высокой обводненностью. Дебит скважин при самоизливе достигает 300-600 м3/сут, а при насосной добыче увеличивается до 10004000 м3/сут [5], что позволяет, в частности, использовать его воды в качестве основного источника поддержания пластового давления при разработке нефтяных месторождений Томской области.
Ниже залегает готерив-барремский в. к. с горячими подземными водами. Комплекс представлен неравномерно слоистыми песчано-глинисто-алевролитовыми отложениями мощностью 450-750 м, насыщенными преимущественно солоноватыми и умеренно солеными, хлоридными кальциево-натриевыми водами, с пластовой температурой 75-85°С (на устье при самоизливе 45-50°С), с пониженной, по сравнению с апт-альб-сеноманским водоносным комплексом, водообильно-стью. Дебиты скважин обычно не превышают 10115 м3/сут при понижении уровня до 350-875 м.
Готерив-барремский в. к. глубже сменяется валан-жинским комплексом, вмещающим очень горячие подземные воды. Он представлен песчано-алевролитовыми отложениями с высокой водообильностью и мощностью 45-200 м. Воды повсеместно соленые и крепко соленые, хлоридные натриевые и кальциево-натриевые, с пластовой температурой 60-90°С (на устье фонтанирующих скважин 50-66°С). Дебит самоизливающих скважин превышает 70-500 м3/сут.
Воды валанжинского в.к. сменяются на больших глубинах очень горячими и перегретыми водами валанжин-верхнеюрского, юрского и палеозойского в.к. соответственно. Первый из них представлен глинистой толщей и является водоупором. Мощность комплекса составляет 300-400 м. Юрский в.к. представлен неравномерно слоистыми песчано-глинистыми отложениями с мощностью от 0 до 600-800 м. На рассматриваемой территории он является основным резервуаром нефти и газа и содержит преимущественно соленые и крепкосоленые, хлоридные натриевые метановые воды с пластовой температурой 75-100°С. Перегретые воды палеозойского в.к. с температурой выше 100°С, преимущественно рассольные, хлорид-ные натриевые метановые. Развиты они в зонах тектонических нарушений и часто приурочены к эрозионнотектоническим останцам гранитоидных и карбонатных массивов пород складчатого фундамента.
Разрез от четвертичных до нижнемеловых отложений включительно характеризуют преимущественно точечные замеры температур при испытании. По характеру распределения температур и величине геотермического градиента в разрезе можно выделить несколько характерных участков (рис. 1).
Рис. 1. Геотермическая характеристика Колпашевской площади:
1 - точечные замеры температуры; 2 - усредненные значения по площади
В верхней части разреза, до глубины 900 м, на геотермические условия оказывают существенное влияние инфильтрационные воды, тогда как уменьшение геотермического градиента на глубине 1800-2400 м, вероятно, связано с литологической составляющей.
Исходя из геотемпературных условий, водообиль-ности и глубины залегания, наиболее доступные потенциальные ресурсы теплотехнических и бальнеологических подземных термальных вод в районе исследования сосредоточены в отложениях апт-альб-сеноманского в.к. Для теплоэнергетических целей наиболее перспективно использование подземных термальных вод, сосредоточенных в готерив-барремском и валанжинском водоносных комплексах.
Прогноз изменения температур. Моделирование изменения температурного режима по площади и разрезу осуществлено гидродинамическим методом в соответствии с литологическим строением на Колпашевской площади, с использованием 3Б-сеточной модели в составе программного комплекса Иу^овео.
При совместном моделировании геофильтрации, теплопереноса и геомиграции на пространственных сетках применён подход, который предусматривает расщепление вычислений на условно независимые гидродинамическую, геотемпературную и геохимическую составляющие. При моделировании использовались численные методы. Соответственно, рассматриваемая область фильтрации разбивалась на относительно однородные по фильтрационно-ёмкостным свойствам и составу пород и флюидов блоки, образующие 3-мерную пространственную сетку. Между ячейками такой сетки имитировались фильтрация водных растворов, теплоперенос и связанные с ними процессы дисперсии вещества вод и смешения растворов с использованием метода конечных разностей.
Моделирование кондуктивного теплопереноса основывалось на использовании метода релаксации, полностью аналогично моделированию геофильтрации [6], в ходе независимого цикла. Формула метода релаксации при этом принимает вид
ю( ( + КТ*-1 +... + С/АтхТк-1)
тк = ^ —і+^+-----------------+(1 -ю)тк-1,
р- + р+1 +... + С / Ат 1 7
где Т - абсолютная температура (индексы: і - расчетный блок, к - текущий момент времени); р’ - межблочная теплопроводимость; С - удельная объемная теплоёмкость блока.
Соответственно, в плане
2АУі Хт,Д+т,+1
Рі.і+1 =
^і+Ді+^Дт
в разрезе
Рі,і+1 =
2Ах,АуДД,+1 ^Д,- +А2^і+1
и удельная объемная теплоёмкость блока
Сі = сі АхіАУіті ,
где X - коэффициент теплопроводности; с - объёмная теплоёмкость пород блока.
Изменение температуры (увеличение) за счет конвективного теплопереноса, если принять, что теплоемкость раствора не зависит от его состава и температуры, в этом случае составит для смеси двух растворов
АТ ^0Т0 +^ - Т0 и при втекании раствора в блок породы, насыщенный водой,
АТ = с„ (сх(1 -п) + с„п) 1 X пX (V07 + vT -70),
где с№, с - объёмные теплоемкости раствора и скелета породы; п, у0, V - открытая пористость блока и объёмные доли смешивающихся растворов (находившегося в блоке до втекания новой порции и втекающего в блок, соответственно) в д.е.; Т0, Т - исходная температура в блоке и температура втекающего в него раствора.
Моделирование проводилось для трех водоносных комплексов, выбранных выше, по схеме: добыча термальной воды из нижних водоносных горизонтов комплекса - возврат охлажденных отработанных вод в его верхние горизонты, для каждого из комплексов раздельно. Исходные характеристики модели приведены в таблице. Теплопроводность пород на изучаемом участке принята составляющей 2 Вт/м-К [7].
Расстояние между добывающей и нагнетательной скважинами условно задано равным 200 м. Высота расчетного блока определялась для каждого водоносного комплекса исходя из литологического строения разреза. Так, для апт-альб-сеноманского в.к. расчетная сетка включает ХхУх2=31х23^10 расчетных блоков, размерами 20x20x81 м, для готерив-барремского в.к. количество расчетных блоков равно ХхУх2=31x23x11 с размерами 20x20x70 м, для валанжинского в.к. -ХхУх2=31х23х9 и размерами 20x20x22 м (рис. 2, 3).
Исходные характеристики водоносных комплексов
Показатели Апт-альб-сеноманский Готерив-барремский Валанжинский
Мощность, м 810 770 198
Коэффициент фильтрации, м/сут 1,25-3 1-2 1,2-4,7
Коэффициент пьезопроводности, 103 м2/сут 125-300 100-200 120-470
Открытая пористость, % 15-20 20-30 30-40
Проточная пористость, % 50 60 80
Пластовая температура, °С 39-44 61-63 72-80
Пластовое давление, атм 120,6 171 205
Напор, м 1229 1721 2085
Теплоемкость, 106Дж/м3-К песчаник 1,75 1,9 1,95
алевролит 1,6 1,85 1,8
аргиллит 1,65 1,6 1,7
Рис. 2. Расчетная сетка и источники-стоки модели (здесь и далее цифры на осях координат - расстояние в метрах, точками показаны центры расчетных блоков)
Рис. 3. Схема модели расчета температурного изменения в водоносных комплексах
В качестве внутренних источников-стоков используются добывающая и нагнетательная скважины, расположенные на плановой проекции в блоках ХхУ= 21x12 и ХхУ = 11x12 соответственно. Так как расчеты проводились отдельно для каждого водоносного комплекса, эксплуатационные пласты расположены в разных блоках. Так, для апт-альб-сеноманского в.к. добывающий пласт (1д) расположен в блоке Ъ = 9, а закачной (1з) в блоке Ъ = 2; для готерив-барремского в.к. добывающий пласт (2д) в блоке Ъ = 10, закачной (2з) - в блоке Ъ = 2; для ва-
ланжинского в.к. добывающий закачной пласты расположены (3д) в блоке Ъ = 7, (3з) в блоке - Ъ = 2 соответственно (рис. 3).
Дебиты добывающей и нагнетательной скважин приняты равными 5000 м3/сут. Моделирование проводилось на несколько последовательных периодов времени, на 182 и 365 сут (контрольные точки в период работы) и на 10 000 сут (нормативный расчетный срок эксплуатации водозабора).
Основные результаты моделирования приведены на рис. 4.
Рис. 4. Прогноз изменения температуры подземных вод в разрезе (по профилю ХЪ) по данным моделирования
Из них видно, что изменение температурного режима в системе происходит неравномерно как во времени, так и в пространстве. Постепенно возрастая, оно достигает своего максимума на конечный срок эксплуатации, по истечению 10 000 сут. Такая закономерность прослеживается во всех водоносных комплексах. Однако каждый водоносный комплекс характеризуется своими особенностями. Так, для валанжинского в.к., отличающегося минимальной мощностью 200 м и хорошими фильтрационно-ёмкостными свойствами
(ФЕС), наблюдается наиболее быстрое промывание пород охлажденными возвратными водами. Для апт-альб-сеноманского в. к. также свойственны высокие ФЕС пород, но мощность его почти в четыре раза выше. Это способствует существенно более медленному воздействию закачиваемых вод на исходную геотермическую обстановку этого комплекса. Промежуточная картина наблюдается в готерив-барремском в.к., в котором при почти той же мощности ФЕС проницаемых горизонтов ниже, чем у апт-альб-сеноманского в.к.
Это свидетельствует, что основными причинами изменения теплового поля в действующей геотермальной системе при равном дебите эксплуатационных скважин являются литологические особенности и строение разреза, обусловливающие мощность (удаленность по вертикали источника и стока друг от друга) и ФЕС эксплуатируемых пластов, а также длительность работы системы в режиме эксплуатации.
В ходе работы показано, что подземные воды апт-альб-сеноманского, готерив-барремского и валанжин-ского водоносных комплексов могут использоваться в качестве альтернативных источников энергии, в частности для тепло- и электроснабжения небольших населенных пунктов Томской области.
В Колпашевском районе наибольшими геотермальными ресурсами и лучшими условиями эксплуатации обладают апт-альб-сеноманский и готерив-барремский водоносные комплексы, которые можно в течение длительного времени использовать одновременно и в качестве источника термальных вод, и как объект их воз-
вратной закачки, что является оптимальным вариантом использования геотермальных ресурсов исходя из природоохранных соображений [7].
Моделирование показало, что при любом сценарии эксплуатации термальных вод постепенно развивается снижение их температуры во времени. Поэтому в процессе поисков, разведки и строительства малых энер-
госнабжающих геотермальных систем необходимо добиваться оптимального соотношения ФЕС пород, мощности эксплуатируемых водоносных толщ, времени эксплуатации и расстояния между фильтровыми зонами добывающей и нагнетательной скважин с целью минимизации изменений исходного геотемпера-турного поля.
ЛИТЕРАТУРА
1. МищенкоМ.В. Гидрогеотермальные условия района пос. Чажемто // Проблемы геологии и освоения недр: Тр. VI Междунар. симп. им. акад.
М.А. Усова. Томск, 2002. С. 154-155.
2. Кадастр возможностей / А.М. Данченко, Г.О. Задде, А. А. Земцов и др. Томск: Изд-во НТЛ, 2002. 280 с.
3. Назаров А. Д. Нефтегазовая гидрогеохимия юго-восточной части Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. М.: Идея-Пресс, 2004.
288 с.
4. Букаты М.Б. Разработка программного обеспечения для решения гидрогеологических задач // Известия Томского политехнического универ-
ситета. 2002. Т. 305, № 6. С. 348-365.
5. Бондаренко С.С., Вартанян Г.С., Кулаков Г.В. и др. Методы изучения и оценки ресурсов глубоких подземных вод. М.: Недра, 1986. 478 с.
6. Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ / Под ред. Р.С. Штенгелова. М.: Изд-во МГУ, 1994. 335 с.
7. КурчиковА.Р., СтавицкийБ.П. Геотермия нефегазоносных областей Западной Сибири. М.: Недра, 1987. 134 с.
Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 15 сентября 2006 г.
