Прогноз изменения температур при эксплуатации термальных вод Колпашевской площадиТомской области | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 327.

Прогноз изменения температур при эксплуатации термальных вод Колпашевской площадиТомской области

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

Forecast of temperature changes with the use of thermal waters in Kolpashevo area (Tomsk region).pdf В современных условиях, когда традиционные виды топлива обладают высокой ценой, встает вопрос об использовании альтернативных источников энергии, таких как энергия солнца, ветра, тепла Земли, биомас-сы, малых рек, приливов и отливов морей и океанов. Для Томской области наиболее перспективным из аль-тернативных источников являются термальные под-земные воды.В связи с расположением и фильтрационными ха-рактеристиками пород осадочного чехла Колпашевская площадь может рассматриваться как один из перспек-тивных участков для использования термальных под-земных 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, позво-ляющей отнести их к категории среднепотенциальных (60-100°С) вод [3].Исходя из температурных условий, наиболее пер-спективным является использование термальных под-земных вод Колпашевской площади для теплоснабже-ния и горячего водоснабжения. В последнее время поя-вились также технологические возможности примене-ния среднепотенциальных термальных вод для выра-ботки электроэнергии с использованием низкокипящих теплоносителей.Одной из ключевых проблем практического исполь-зования термальных вод является оценка возможного изменения их температуры в процессе эксплуатации.В настоящей работе она решалась на основе ис-пользования методов численного моделирования теп-ломассопереноса с помощью программного комплекса HydroGeo [4].Гидрогеологические условия Колпашевской площади. В верхней части гидрогеологического разре-за рассматриваемой территории залегают олигоцен-четвертичный и эоцен-верхнемеловой водоносные комплексы (в.к.) с холодными водами. Олигоцен-четвертичный в.к. является основным источником пре-сных питьевых вод, а эоцен-верхнемеловой - главным источником минеральных столовых и лечебно-столовых вод. Мощность их составляет соответственно 100 и 500 м.Далее, вниз по разрезу, залегает апт-альб-сеноманский в.к., вмещающий теплые воды. Они пре-имущественно солоноватые, хлоридные натриевые с пластовой температурой от 28 до 35°С. Комплекс сла-гают разнозернистые слабосцементированные песча-ники, алевролиты и глины общей мощностью 600-1000 м. Практически на всей территории юго-западаЗападно-Сибирского артезианского бассейна он харак-теризуется уникально высокой обводненностью. Дебит скважин при самоизливе достигает 300-600 м3/сут, а при насосной добыче увеличивается до 1000-4000 м3/сут [5], что позволяет, в частности, использо-вать его воды в качестве основного источника поддер-жания пластового давления при разработке нефтяных месторождений Томской области.Ниже залегает готерив-барремский в.к. с горячими подземными водами. Комплекс представлен неравно-мерно слоистыми песчано-глинисто-алевролитовыми отложениями мощностью 450-750 м, насыщенными преимущественно солоноватыми и умеренно солены-ми, хлоридными кальциево-натриевыми водами, с пла-стовой 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 10-115 м3/сут при понижении уровня до 350-875 м.Готерив-барремский в.к. глубже сменяется валан-жинским комплексом, вмещающим очень горячие под-земные воды. Он представлен песчано-алевролитовыми отложениями с высокой водообильностью и мощно-стью 45-200 м. Воды повсеместно соленые и крепко соленые, хлоридные натриевые и кальциево-натриевые, с пластовой температурой 60-90°С (на устье фонтани-рующих скважин 50-66°С). Дебит самоизливающих скважин превышает 70-500 м3/сут.Воды валанжинского в.к. сменяются на бóльших глу-бинах очень горячими и перегретыми водами валанжин-верхнеюрского, юрского и палеозойского в.к. соответст-венно. Первый из них представлен глинистой толщей и является водоупором. Мощность комплекса составляет 300-400 м. Юрский в.к. представлен неравномерно слои-стыми 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 температу-рой выше 100°С, преимущественно рассольные, хлорид-ные натриевые метановые. Развиты они в зонах тектони-ческих нарушений и часто приурочены к эрозионно-тектоническим останцам гранитоидных и карбонатных массивов пород складчатого фундамента.Разрез от четвертичных до нижнемеловых отложе-ний включительно характеризуют преимущественно точечные замеры температур при испытании. По ха-рактеру распределения температур и величине геотер-мического градиента в разрезе можно выделить не-сколько характерных участков (рис. 1).233Пластовая температураSO100150-500-1000i -1500-2000-2500-3000- ♦ - ♦\ ♦д♦ Vге о i ер^шч е ский гр а диент. 2,8-3,6 "Со♦VJ ч>--\fi ге от ермич е ский градиент V 4,04,7 "С Л *\-- геотермический градиент \ 3,2-3 fi°C ф Ч^ ♦ \♦ \--♦ \ге от ермич е скин гр 4,04;7°Садиент Л,--ОРис. 1. Геотермическая характеристика Колпашевской площади: 1 - точечные замеры температуры; 2 - усредненные значения по площадиВ верхней части разреза, до глубины 900 м, на гео-термические условия оказывают существенное влияние инфильтрационные воды, тогда как уменьшение гео-термического градиента на глубине 1800-2400 м, веро-ятно, связано с литологической составляющей.Исходя из геотемпературных условий, водообиль-ности и глубины залегания, наиболее доступные по-тенциальные ресурсы теплотехнических и бальнеоло-гических подземных термальных вод в районе иссле-дования сосредоточены в отложениях апт-альб-сеноманского в.к. Для теплоэнергетических целей наи-более перспективно использование подземных тер-мальных вод, сосредоточенных в готерив-барремском и валанжинском водоносных комплексах.Прогноз изменения температур. Моделирование изменения температурного режима по площади и раз-резу осуществлено гидродинамическим методом в со-ответствии с литологическим строением на Колпашев-ской площади, с использованием 3D-сеточной модели в составе программного комплекса HydroGeo.При совместном моделировании геофильтрации, теплопереноса и геомиграции на пространственных сетках применён подход, который предусматривает расщепление вычислений на условно независимые гидродинамическую, геотемпературную и геохимиче-скую составляющие. При моделировании использова-лись численные методы. Соответственно, рассматри-ваемая область фильтрации разбивалась на относи-тельно однородные по фильтрационно-ёмкостным свойствам и составу пород и флюидов блоки, обра-зующие 3-мерную пространственную сетку. Между ячейками такой сетки имитировались фильтрация вод-ных растворов, теплоперенос и связанные с ними про-цессы дисперсии вещества вод и смешения растворов с использованием метода конечных разностей.Моделирование кондуктивного теплопереноса ос-новывалось на использовании метода релаксации, пол-ностью аналогично моделированию геофильтрации [6], в ходе независимого цикла. Формула метода релакса-ции при этом принимает вид234(1-oo)Tk( pi;-1Tik -1 + pi +1 Tik +1-1+...+C/ATxTk-1)+ ...+C/Атpi -1+pi'+1 где Т - абсолютная температура (индексы: i - расчетный блок, k - текущий момент времени); p' - межблочная теплопроводимость; С - удельная объемная теплоёмкость блока.Соответственно, в планеpi , i+2ДyiХi miХi+1miAzi+1Xi+AziXi+1в разрезеpi,i+2АxiАyiХiХi +1Azi+1Xi+AziXi+1и удельная объемная теплоёмкость блокаСi = ciAxiAyimi ,где λ - коэффициент теплопроводности; с - объёмная теплоёмкость пород блока.TИзменение 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 растворовATv0T0+vTи при втекании раствора в блок породы, насыщенный водой,AT = cw(cx(1-n) + cwn) xnx(v0T0+vT-T0),где cw, с - объёмные теплоемкости раствора и скелета породы; n, v0, 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 X×Y×Z=31×23×10 расчетных блоков, размерами 20×20×81 м, для готерив-барремского в.к. количество расчетных блоков равно X×Y×Z=31×23×11 с размерами 20×20×70 м, для валанжинского в.к. -X×Y×Z=31×23×9 и размерами 20×20×22 м (рис. 2, 3).Исходные характеристики водоносных комплексовПоказателиАпт-альб-сеноманскийГотерив-барремскийВаланжинскийМощность, м810770198Коэффициент фильтрации, м/сут1,25-31-21,2-4,7Коэффициент пьезопроводности, 103 м2/сут125-300100-200120-470Открытая пористость, %15-2020-3030-40Проточная пористость, %506080Пластовая температура, °С39-4461-6372-80Пластовое давление, атм120,6171205Напор, м122917212085Теплоемкость, 106Дж/м3-Кпесчаник1,751,91,95 алевролит1,61,851,8 аргиллит1,651,61,7-J-.--J--.-J-.-_-р--.-J-.-^p-.-I-.--p-.-r-.-^p-.-,-.- 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Скважины: | нагнетательная | Д | добывающаяРис. 2. Расчетная сетка и источники-стоки модели (здесь и далее цифры на осях координат - расстояние в метрах, точками показаны центры расчетных блоков)235Литология«200 мXУЛУУУУУУууучУУУУУУУУУ$У-уУ"ЧГfЛУЗзилл------ж.------пуЗдS*Ы иУсловные обозначения:■«*песчаникалевролитыаргиллитыСкважины:добывающаяЛVнагнетательнаяЭксплуатационные пласты и их номера:добывающийРис. 3. Схема модели расчета температурного изменения в водоносных комплексахВ качестве внутренних источников-стоков используются добывающая и нагнетательная скважины, расположенные на плановой проекции в блоках X×Y= 21×12 и X×Y = 11×12 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 Z = 9, а закачной (1з) в блоке Z = 2; для готерив-барремского в.к. добывающий пласт (2д) в блоке Z = 10, закачной (2з) - в блоке Z = 2; для ва-ланжинского в.к. добывающий закачной пласты рас-положены (3д) в блоке Z = 7, (3з) в блоке - Z = 2 со-ответственно (рис. 3).Дебиты добывающей и нагнетательной скважин приняты равными 5000 м3/сут. Моделирование прово-дилось на несколько последовательных периодов вре-мени, 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. 4.236апт-альб-сепоманский водоносный комплекс0100 200 300 400 500 600 0100 200 300 400 500 600 0100 200 300 400 500 600-450\ //Ж\\ /на-530 ---610-690 ^^-«к-770^=t-930-1010 г -42 :-1090-J^r-1170-1750 Jготерив-барремский водоносный комплекс*> АiVч11 15ряЕ?"| 16г~ 6F- - 62-1345 15(15 1665\- - - \ 1825 1905 1985 валанжинскии водоносный комплекс-203076 И- | =m^w L-------2076- I- -2122- : :,---"-\\\\i-2168-7» \ . ----- 1Н2 сут365 сут Обозначения:10000 сутСкважины:добывающаянагнетательнаянаправление движения подземных водизотермыРис. 4. Прогноз изменения температуры подземных вод в разрезе (по профилю XZ) по данным моделированияИз них видно, что изменение температурного ре-жима в системе происходит неравномерно как во вре-мени, так и в пространстве. Постепенно возрастая, оно достигает своего максимума на конечный срок экс-плуатации, по истечению 10 000 сут. Такая закономер-ность прослеживается во всех водоносных комплексах. Однако каждый водоносный комплекс характеризуется своими особенностями. Так, для валанжинского в.к., отличающегося минимальной мощностью 200 м и хо-рошими 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 вы-ше. Это способствует существенно более медленному воздействию закачиваемых вод на исходную геотерми-ческую обстановку этого комплекса. Промежуточная картина наблюдается в готерив-барремском в.к., в ко-тором 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 геотермаль-ной системе при равном дебите эксплуатационных скважин являются литологические особенности и строение разреза, обусловливающие мощность (уда-ленность по вертикали источника и стока друг от дру-га) и ФЕС эксплуатируемых пластов, а также длитель-ность 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 част-ности для тепло- и электроснабжения небольших насе-ленных пунктов Томской области.В Колпашевском районе наибольшими геотермаль-ными ресурсами и лучшими условиями эксплуатации обладают апт-альб-сеноманский и готерив-барремский водоносные комплексы, которые можно в течение дли-тельного времени использовать одновременно и в ка-честве источника термальных вод, и как объект их воз-237вратной закачки, что является оптимальным вариантом использования геотермальных ресурсов исходя из при-родоохранных соображений [7].Моделирование показало, что при любом сценарии эксплуатации термальных вод постепенно развивается снижение их температуры во времени. Поэтому в про-цессе поисков, разведки и строительства малых энер-госнабжающих геотермальных систем необходимо добиваться оптимального соотношения ФЕС пород, мощности эксплуатируемых водоносных толщ, вре-мени эксплуатации и расстояния между фильтровыми зонами добывающей и нагнетательной скважин с це-лью минимизации изменений исходного геотемпера-турного поля.ЛИТЕРАТУРА

Ключевые слова

подземные воды, температура, прогноз, underground water, temperature, forecast

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Мищенко Мария ВалериевнаТомский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАНмладший научный сотрудникmariamishenko@igng.tsc.ru
Букаты Михаил БолеславовичТомский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАНпрофессор, доктор геолого-минералогических наук, зав. лабораторией гидрогеологии нефтегазоносных бассейновbukaty@igng.tsc.ru
Всего: 2

Ссылки

Мищенко М.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.
Кадастр возможностей / А.М. Данченко, Г.О. Задде, А.А. Земцов и др. Томск: Изд-во НТЛ, 2002. 280 с.
Назаров А.Д. Нефтегазовая гидрогеохимия юго-восточной части Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. М.: Идея-Пресс, 2004. 288 с.
Букаты М.Б. Разработка программного обеспечения для решения гидрогеологических задач // Известия Томского политехнического университета. 2002. Т. 305, № 6. С. 348-365.
Бондаренко С.С., Вартанян Г.С., Кулаков Г.В. и др. Методы изучения и оценки ресурсов глубоких подземных вод. М.: Недра, 1986. 478 с.
Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ / Под ред. Р.С. Штенгелова. М.: Изд-во МГУ, 1994. 335 с.
Курчиков А.Р., Ставицкий Б.П. Геотермия нефегазоносных областей Западной Сибири. М.: Недра, 1987. 134 с.
 Прогноз изменения температур при эксплуатации термальных вод Колпашевской площадиТомской области | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 327.

Прогноз изменения температур при эксплуатации термальных вод Колпашевской площадиТомской области | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 327.

Полнотекстовая версия