НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
АЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ
РАЗАКОВ АХМЕД ТАГІРОВИЧ
УДК 620.9:662.92; 658.264
ТЕПЛОФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ ПРИ ФОРМУВАННІ ТА ВИКОРИСТАННІ ГЕОТЕРМАЛЬНИХ РЕСУРСІВ
Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті технічної теплофізики,
Національна академія наук України.
Науковий консультант
д.т.н., провідний науковий співробітник Шурчков Анатолій Васильович,
Інститут нетрадиційної та відновлюваної енергетики НАН України
Офіційні опоненти:
член.-кор. НАН України, д.т.н. Рєзцов Віктор Федорович, Інститут нетрадиційної та відновлюваної енергетики НАН України, заступник директора;
д.т.н., професор Накорчевський Альфред Іванович, Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник;
д.т.н., професор Рабінович Михайло Давидович, Проблемний інститут нетрадиційних енерготехнологій та інжинірингу.
Провідна установа:
Національний технічний університет України “КПІ”, теплоенергетичний факультет, Міністерство освіти і науки України, м. Київ
Захист відбудеться 26.06.2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики, 03057, м. Київ, вул.. Желябова, 2-а.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту технічної теплофізики, 03057, м. Київ, вул.. Желябова, 2-а.
Автореферат розісланий 44.05.2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради О.І.Чайка
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Енергетика України базується на використанні органічного палива й атомної енергії. Частка органічного палива в сумарному споживанні первинних енергоресурсів становить більше ніж 70%. Дефіцит паливно-енергетичних ресурсів приводить до необхідності імпортувати значну кількість вугілля, нафти й газу.
Але саме паливно-енергетичний комплекс є основним джерелом шкідливого впливу на навколишнє середовище. Більша половина всіх викидів, що забруднюють повітряний басейн, земельні угіддя й водний басейн, це викиди від підприємств паливно-енергетичного комплексу. У багатьох регіонах рівень негативного антропогенного впливу на навколишнє середовище вже перевищив критичний поріг, за яким в природному середовищі відбуваються неприпустимі зміни, що загрожують життю людини.
У зв'язку з цим зміна структури паливно-енергетичного балансу України має важливе політичне та народногосподарське значення.
Сонячне випромінювання й геотермальна енергія є нетрадиційними джерелами енергії, які в великих масштабах можна використовувати для надійного, екологічно чистого постачання теплотою й електроенергією в умовах України
Комітетом з геології та використання надр України розвідані й визначені потенційні експлуатаційні запаси термальних вод, що залягають на глибині до 3000 метрів у кількості 27303 тис. м3/добу. Використання їх може забезпечити роботу систем геотермального теплопостачання сумарною потужністю 50 тис. МВт. Геотермальна енергія на сьогодні є найбільш перспективною й підготовленою для практичного освоєння.
Використання геотермальної енергії для опалення, водопостачання й кондиціювання повітря різних споруд у містах, сільській місцевості, а також у різних галузях промисловості й сільському господарстві дозволить уже в найближчі роки заощаджувати в країні до 30% традиційного палива, що становить 1,52,0 млн. т у. палива. При цьому спрощується вирішення екологічних проблем, а також забезпечуються найбільш сприятливі санітарні й побутові умови праці й життя населення. Вилучення трудомістких процесів, пов'язаних з видобутком палива й перетворенням його хімічної енергії в тепло, приведе до зниження чисельності обслуговуючого персоналу систем теплопостачання.
Зіставлення наявних даних по ресурсах термальних вод на території України з обсягом їх видобутку показує, що рівень використання геотермальної енергії поки незначний. Тому розробка наукових основ інтенсивного та ефективного використання геотермальних ресурсів, практична реалізація таких розробок в Україні є актуальною проблемою.
Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота та дослідження за її тематикою виконані у відповідності до наступних тем науково-дослідних робіт Інституту технічної теплофізики й Інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України: державна науково-технічна програма “Екологічно чиста геотермальна енергетика України”. Затверджена постановою Кабінету Міністрів України №100 від 04.05. 1996 р.; “Концепція енергозбереження та реформування енергетичного комплексу Автономної Республіки Крим”. (№ держ. реєстр. 0198U008152); “Розробка принципово нових комбінованих схем використання геотермальної енергії та попутного природного газу в паливно-геотермальних установках”. (0100U002223); “Дослідження можливості видобування геотермальної енергії шарів сухих гірських порід в Україні із застосуванням технології гідророзриву”. (0199U004510); “Розробка методів моделювання та моделюючих пристроїв для дослідження процесів тепломасопереносу при видобуванні геотермальної енергії, тепловому впливі на нафтонасичений пласт і вирішенні задач екології”. (0193U017083); “Дослідження циркуляційних систем для видобутку тепла Землі та акумулювання теплової енергії. Розробка методів моделювання термодинамічних режимів”. (0196U009481); “Дослідження методами математичного моделювання геотермальних родовищ в Криму. Розробка методів розрахунку геотермальних циркуляційних систем”. (0199U000154).
Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка наукових основ та дослідження процесу формування геотермальної аномалії степового Криму та інтенсивної технології видобування й використання геотермальних ресурсів.
Відповідно до зазначеної мети в роботі ставляться наступні задачі досліджень:
- розробка фізичної моделі процесу формування геотермальної аномалії на території Кримського півострова;
- створення теплофiзичних моделей для дослідження процесів теплопереносу при утворенні та функціонуванні геотермальної аномалії степового Криму;
- створення теплофiзичних моделей для дослідження процесів теплопровідності та розрахунку профільних температурних полів теплової аномалії степового Криму;
- створення теплофiзичних моделей та розрахунок планових температурних полів теплової аномалії Степового Криму;
- розробка теплофiзичних моделей гідродинамічних і теплових процесів при русі рідини в підземних проникних пластах з метою розрахунку полів тиску й температур при експлуатації геотермальних циркуляційних систем;
- проведення експериментів на діючих геотермальних циркуляційних системах і перевірка розрахункових значень гідродинамічних параметрів для конкретних систем;
- оцінка техніко-економічної ефективності використання геотермальної енергії в Криму.
Об'єкт дослідження. Об'єкт дослідження - геотермальна аномалія Степового Криму та системи видобування геотермальних ресурсів.
Предмет дослідження - процеси теплопереносу при утворенні та функціонуванні геотермальної аномалії Степового Криму, процеси фільтрації та тепломасопереносу при видобуванні геотермальних ресурсів.
Методи дослідження. Для розв’язку поставлених у роботі задач використані методи фізичного та математичного моделювання. Моделі теплопереносу та фільтрації при утворенні й функціонуванні геотермальної аномалії, що розроблені на основі детального аналізу геологічних, геофізичних, геотермічних даних по Кримському півострову. Теплофізичі моделі для дослідження: розподілу температур по глибині свердловин; процесів утворення та функціонування геотермальної аномалії Степового Криму; процесів теплопереносу та фільтрації при експлуатації геотермальних циркуляційних систем. Математичне моделювання процесів тепломасопереносу на ПЕОМ. Дослідження гідродинамічних процесів на натурних об'єктах степового Криму.
Наукова новизна отриманих результатів. Виконано детальний аналіз процесів утворення та функціонування геотермальної аномалії на території Криму, запропоновані різні варіанти фізичних моделей зазначених процесів.
Розроблені теплофізичні моделі та виконані дослідження процесів теплопереносу в геотермальній аномалії, одержано прогноз динаміки розвитку температурних полів.
Розроблена модель і виконані розрахунки розподілу температури по глибині свердловин за виміряними значеннями температури на певній глибині свердловини та даними про теплопровідність і потужність пластів гірських порід, що отримані у результаті буріння.
Вперше для геотермальної аномалії степового Криму запропонований метод розрахунку температур на основі наведених глибин, що дає можливість по одному виміру температури в свердловині розрахувати її значення в даному місці на будь-якій глибині.
На підставі розроблених методів вперше: реалізовані профільні моделі температурних полів геотермальної аномалії, що дозволяють одержати значення температур на заданій глибині для довільного геотермічного розрізу степового Криму; розроблені та реалізовані планові моделі температурних полів геотермальної аномалії, що дозволяють одержати значення температур у довільній точці степового Криму на заданій глибині без буріння свердловин.
Реалізація даних моделей дозволяє побудувати схематичні планові та профільні карти розподілу температурних полів геотермальної аномалії степового Криму.
Вперше запропоновані: теплофізичні моделі процесів теплопереносу при неізотермічній фільтрації в колекторах циркуляційних систем видобутку тепла Землі з урахуванням фізичних параметрів породних блоків, теплопритоків від навколишнього масиву й сил гравітації; теплофiзична модель планової безнапірної неізотермічної фільтрації при реалізації акумуляторів теплоти в підземних проникних пластах.
Практична цінність роботи. Значимість дисертаційної роботи полягає в створенні нових фізичних і математичних моделей процесів формування й функціонування геотермальної аномалії та інтенсивної технології видобування геотермальних ресурсів.
Розроблені наукові основи для промислового освоєння інтенсивної екологічно чистої технології використання геотермальних ресурсів шляхом створення циркуляційних систем, що дозволяє у великих масштабах залучити нове первинне джерело енергії в паливно-енергетичний комплекс України. Виконані розробки та проведені промислові випробування основного й допоміжного устаткування геотермальних теплових пунктів для систем теплопостачання, розроблені рекомендації та регламенти по режимах їхньої експлуатації.
Впровадження результатів досліджень. Дослідно-промисловий зразок типового геотермального пункту потужністю 4,2 МВт у с. Янтарне Автономної Республіки Крим в 1994 р. випробуваний і зданий Міжвідомчій комісії.
В Криму розроблені та створені геотермальні циркуляційні системи для теплопостачання сумарною потужністю 19 МВт.
Особистий внесок здобувача. Автором особисто сформульовані задачі досліджень, обґрунтовані положення, які обумовили наукову новизну і практичне значення роботи; розроблені нові математичні моделі та алгоритми розрахунку процесів теплопереносу й фільтрації в геотермальній аномалії і системах видобування геотермальних ресурсів.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень та основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародних симпозіумах, наукових конференціях, семінарах.
Результати досліджень й основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на різних, у тому числі, міжнародних симпозіумах, наукових конференціях, семінарах: Міжнародна науково-практична конференція “Нетрадиційна енергетика в ХХ столітті” (2000 - 2001 р.р.); щорічні науково-технічні конференції Інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України (1998 – 2000 р.р., 2004 р.); Міжнародні конференції по геотермальній енергетиці (Сочі, 2003 р., Петропавловськ-Камчатський, 2004 р.); Міжнародна науково-практична конференція “Регіональні проблеми енергозбереження у виробництві та споживанні енергії” (1999 р.); YII конференція країн СНД “Проблеми екології та експлуатації об'єктів енергетики” (1997 р.); Proceedings world Geothermal Congress 2000, Kyushu-Tohoku, Japan, May 28 - June 10, 2000 та ін.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 2 монографії й 35 друкованих наукових праць, у тому числі, 25 статей у провідних фахових виданнях, що затверджені ВАК України.
Структура й обсяг дисертації. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 250 сторінок тексту й складається зі змісту, введення, семи розділів і списку літератури з 164 джерел.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність напрямку досліджень, відображено зв’язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету і задачі досліджень, показано новизну отриманих результатів і практичну цінність роботи, наведено відомості про апробацію результатів.
У першому розділі наведена загальна характеристика ресурсів глибинної теплоти Землі та стану використання геотермальної енергії для теплопостачання споживачів і вироблення електроенергії у світі. Наведені існуючі технологічні схеми геотермальних установок і відзначені їхні особливості. Дається опис моделей функціонування теплових аномалій.
Наведені дані по ресурсах геотермальної енергії в Україні.
Більшість діючих в закордонних країнах геотермальних енергоустановок власне є утилізаційними – в них використовуються природні теплоносії, що виходять на поверхню самовиливом за рахунок пружної енергії пластів.
Природні умови більшості геотермальних родовищ України практично виключають можливість застосування фонтанної технології. Це пояснюється тим, що відомі родовища термальних вод характеризуються обмеженими запасами природного теплоносія та малими водопритоками в області живлення водоносних горизонтів. Крім того, термальні води мають високу мінералізацію й після охолодження їх треба захоронити, щоб захистити земельні угіддя від засолення.
В Інституті технічної теплофізики НАН України академіками А.Н. Щербанем та О.О. Кремньовим в 1962 році для видобування теплоти глибинних пластів Землі вперше було запропоновано створити системи із примусовою циркуляцією теплоносія через підземні проникні пласти, що отримали назву геотермальних циркуляційних систем (ГЦС).
По нагнітальних свердловинах ГЦС у підземний колектор закачується охолоджений теплоносій. При русі через колектор теплоносій нагрівається за рахунок відбору теплоти від твердого скелета й навколишнього гірського масиву.
Нагнітання в колектор холодного теплоносія дозволяє підтримувати постійним пластовий тиск, видобувати теплоту гірських порід, що містять геотермальний теплоносій, вирішувати проблему захоронення відпрацьованих термальних вод. Тому при створенні ГЦС реалізується інтенсивна технологія видобутку геотермальної енергії.
Перші випробування технології геотермальних циркуляційних систем були початі в 1983 р. у Криму на Новоселівській площі в 1983 р. в (с. Іллінка). В ході випробувань з’явився ряд невирішених проблем, що вимагають першочергового розв’язання. У першу чергу, - це проблема ефективного зворотного закачування відпрацьованого теплоносія. Дослідження цих процесів були подовжені при запуску та експлуатації інших теплових пунктів у Криму.
У першому розділі також зроблений огляд геотермічних досліджень, проведених на території Степового Криму, з якого видно, що в процесі цих досліджень були складені схематичні карти розподілу геотермічного градієнта та щільності теплового потоку. Результати, що були отримані при дослідженнях температурних полів, для території всього півострова не узагальнювались.
У цьому ж розділі описані водонапірні системи Степового Криму. Водонапірні пластові системи є складними комплексами напірних горизонтів підземних вод, які розділені слабопроникними пластами, з визначеними умовами створення напору, руху й розвантаження. Потік підземних вод є складним тривимірним рухом, де треба враховувати конфігурації областей живлення й розвантаження, розподіл фільтраційних параметрів.
Нагнітання холодної рідини при експлуатації ГЦС викликає значне локальне збурення, яке впливає на картину фільтраційного потоку й температурне поле родовища і може значно змінювати гідродинамічні і геотермічні умови району.
У зв'язку із цим у роботі ставиться задача дослідження температурних полів у похилих пластах і вертикальних розрізах. Необхідно розробити моделі процесів фільтрації й тепломасопереносу у водонапірних пластових системах, з урахуванням сил гравітації, для дослідження температурних полів у похилих пластах і вертикальних розрізах.
Огляд моделей утворення геотермальних аномалій Криму показує, що відсутність на теперішній час достатніх даних по температурних полях затрудняє створення цілісної моделі розглянутої території. Крім того, при побудові моделі утворення геотермальної аномалії певні труднощі виникають із вибором початкової моделі, що будується на основі апріорної геолого-геофізичної інформації.
Оскільки, з одного боку, такої інформації завжди не вистачає, а з іншого боку, вона має неоднозначне тлумачення, то виникає необхідність у вивченні різних варіантів декількох моделей, тобто створення адекватної моделі цього складного природного явища неможливе. Підтвердженням цього є наведені раніше в огляді моделі. Можна зробити висновок, що для вирішення проблеми побудови адекватної моделі утворення геотермальної аномалії необхідно знаходити інші шляхи.
На основі результатів виконаного аналізу сформульовані основна мета та задачі дисертаційної роботи.
У другому розділі показано, що математичне моделювання процесів фільтрації в земній корі є ефективним, а іноді, єдиним методом дослідження зазначених процесів. Наведені обґрунтування прийнятих допущень та математичні моделі теплопереносу в земній корі й процесів у водонапірних пластових системах, отримані алгоритми для чисельного рішення поставлених задач, а також розрахунковий модуль для дослідження теплового режиму земної кори.
У третьому розділі розглянутий запропонований автором метод розрахунку значень температури в будь-якій (по висоті) точці свердловини та у фундаменті водоносного горизонту за значенням температури в довільній точці свердловини.
Аналіз зміни температури та коефіцієнтів теплопровідності гірських порід по глибині у 311 свердловинах, що пробурені в Криму, став основою розробки методу прогнозного розрахунку температурних полів у геотермальній аномалії Степового Криму.
Для розрахунку температури породи на будь-якому рівні за значенням температури, що одержане в результаті замірювання в свердловині на іншому рівні, пропонується по геолого-гідрологічному розрізу свердловини або по геологічних профілях розрахувати приведені потужності mП шарів пласта по відношенню до коефіцієнта теплопровідності фундаменту ф (для геотермального родовища Криму нами прийнято ф=3 Вт/м.град).
Треба відзначити, що при такій постановці задачі можна користуватися середніми значеннями коефіцієнта теплопровідності гірських порід, які й визначають приведену потужність усього пласта в такий спосіб:
, , (1)
де mПР - приведена потужність усього пласта або приведена глибина свердловини, (м); mСЛ - потужність шару пласта, (м); СЛ - коефіцієнт теплопровідності шару пласта, Вт/м.град.
На цій основі отримані наступні вирази для шуканої температури TИСК.
У випадку, якщо позначка, на якій необхідно знайти шукану температуру ТИСК, знаходиться нижче точки заміру температури в свердловині (рис. 1 а), то її значення розраховується по формулі:
, (2)
де ТИЗМ - значення температури, яке одержане заміром у свердловині, град; Т0 - температура нейтрального шару, град; mП1...mПn - приведені потужності шарів пласта, м; 1... n - коефіцієнти теплопровідності пласта, Вт/м.град; hИЗМ - глибина, на якій був зроблений замір температури, м;
h1...hn - глибини залягання підошов пластів, м; hИСК - глибина, на якій потрібно визначити значення температури, м.
У правій частині формули (2): перший множник відповідає перепаду температури на одиницю приведеної потужності пластів гірських порід до позначки заміру температури; другий множник показує приведену потужність пластів гірських порід від позначки заміру температури до позначки, для якої розраховується температура.
а) б) в)
Рис. 1. До розрахунку температури ТИСК у свердловинах.
Температуру в точці, що знаходиться вище позначки заміру температури в свердловині (рис. 1 б, 1 в), можна розрахувати по формулі:
, (3)
. (4)
У випадку, коли температура в свердловині заміряна нижче покрівлі фундаменту, шукана (вище позначки заміру температури в свердловині) температура ТИСК (рис. 2 а) буде дорівнювати:
(5)
Температура у фундаменті під свердловиною (рис. 2 б, 2 в) розраховується по формулах:
; (6)
. (7)
а) б) в)
Рис. 2. До розрахунку температури ТИСК у свердловинах і фундаменті.
На основі аналізу зміни теплопровідності верхніх шарів земної кори в Степовому Криму зроблений висновок про те, що середнє значення коефіцієнта теплопровідності гірських порід, що залягають нижче горизонту 1000 м і теплопровідність фундаменту водоносного горизонту є величини досить близькі.
Зазначимо, що коефіцієнт теплопровідності гірських порід, що залягають вище 1000 м, значно менше коефіцієнта теплопровідності фундаменту. Тому введемо поняття коефіцієнта ефективної теплопровідності порід першого від поверхні Землі кілометра (ЭФ), який відповідає теплопровідності “однорідного” шару гірських порід, що забезпечує фактичний перепад температур для заданої точки геотермальної аномалії Криму.
Внаслідок низької ефективної теплопровідності порід першого кілометра перепад температур на 1 км глибини в цих породах істотно більше перепаду температур на 1 км порід, що залягають нижче першого кілометра.
У зв'язку з цим вводиться поняття “додаткової глибини” (hДОП), яка визначається як різниця між приведеною та фактичною глибиною позначки, для якої розраховується ТИСК.
hДоп=mПР-m,
m - фактична потужність усього шару, що утворюється шарами гірських порід, які залягають на глибині до 1000 м. Підсумовуючи сказане, можна записати:
, (8)
де hДОП - перевищення приведеної глибини над дійсною; ЭФ - приведена ефективна теплопровідність породи першого кілометра; k - відношення коефіцієнта теплопровідності фундаменту до ефективного коефіцієнта теплопровідності першого кілометра породи або відношення приведеної глибини до дійсної.
На цій основі розроблена методика розрахунку температурних полів геотермальної аномалії степового Криму по приведених глибинах.
Для розрахунку температур по глибині для кожного конкретного родовища Криму визначаємо приведену глибину першого кілометра породи.
Якщо позначка заміру температури розміщена на глибині менше 1000 м, то значення температури вище позначки заміру розраховується по формулі
. (9)
Якщо глибина, на якій зроблений замір температури, менше 1000 м, то значення температури нижче позначки заміру розраховується по формулі:
. (10)
Якщо глибина, на якій зроблений замір температури, більше 1000 м, то значення температури вище позначки заміру до 1000 м розраховується по формулі:
. (11)
Якщо глибина, на якій зроблений замір температури, більше 1000 м, то значення температури вище позначки заміру після 1000 м розраховується по формулі:
. (12)
Якщо глибина, на якій зроблений замір температури, більше 1000 м, то значення температури нижче позначки заміру розраховується по формулі:
. (13)
Крім того, у третьому розділі наведені розроблені автором спрощені формули для оціночного розрахунку температур по глибині та формули для визначення глибини, для якої є задана температура.
Розрахована по формулі (13) геотермічна характеристика розрізу району м. Євпаторії показана на рис. 3 а. Там же показані результати фактичних замірів температури в свердловинах.
Геотермічна характеристика розрізу Октябрьської площі показана на мал. 3 б. Характерним для цієї площі є відсутність глин у розрізі до 5000 м. Коефіцієнт теплопровідності в цих розрізах постійний, а температура зростає пропорційно глибині; нахил прямих визначається температурою на зрізі 5000 м.
Для розрахунку температурних полів зрізів між свердловинами пропонуються профільні моделі, в яких процес теплопровідності описується рівнянням:
. (14)
Розроблена профільна модель для розрахунку температурного поля розрізу с. Оленівське - с. Янтарне. Модель складається із двох областей. У першій області до глибини 1000 м теплопровідність дорівнює приведеній ПР, а в другій області після 1000 м теплопровідність дорівнює теплопровідності фундаменту - Ф.
а) б)
Рис. 3. Геотермічна характеристика розрізу (до 5000 м) району м. Євпаторія (hДОП=500 м) (а) та Октябрьської площі (hДОП=0) (б): - позначки фактичних замірів температури в свердловинах;
- температура зрізу, що розрахована по формулі; - температурна крива за матеріалами “Кримгеології”.
На рис. 4 показаний розподіл температур на глибинах 0-5000 м з дискретністю 1000 м.
На нижній границі моделі задані граничні умови першого роду (Т=13С). Значення температур у вузлах на рівні 5000 м, де є свердловини, розраховуються по запропонованих раніше формулах, а у вузлах, де свердловин немає, визначаються методом лінійної інтерполяції по температурах на цьому рівні у двох сусідніх свердловинах. Теплопровідність порід на першому кілометрі, де є свердловини, визначається як ЭФ, а між вузлами методом лінійної інтерполяції.
Значення температури для будь-якої точки розрізу також можна одержати методом лінійної інтерполяції.
Рис. 4. Розподіл температур на глибинах 0-5000 м (крок сітки по x дорівнює 4000 м).
У четвертому розділі розглянуті методи розрахунку й побудови планових моделей геотермальних родовищ Степового Криму, які необхідні при оцінці запасів глибинного тепла Землі та його практичного використання.
Побудова планової геотермічної карти за дискретними даними - складна й трудомістка задача. Побудувати планову геотермічну карту для великих глибин взагалі неможливо через відсутність свердловин.
Для побудови схематичних комп'ютерних карт геотермальної аномалії Степового Криму пропонується використати планову модель процесу теплопровідності.
Область, яка моделюється (у нашому випадку територія Степового Криму), зображається у вигляді прямокутника. Вибирається необхідна кількість вузлових точок по сторонах прямокутника й крок сітки по простору x=y. Наявні дискретні значення шуканої функції задаються із прив'язкою до вузлів прямокутної сітки як граничні умови першого роду. На бокових границях задаються граничні умови другого роду , де n - нормаль до границі. Рівняння теплопровідності розв’язується відносно часу доти, поки не відбудеться установлення.
У результаті розв’язання рівняння одержимо значення шуканої функції для всіх вузлових точок. Похибки такої двовимірної інтерполяції залежать від кількості фактичного матеріалу та дискретизації простору. Застосовуючи обрані методи інтерполяції, отримане рішення зобразимо у вигляді еквіпотенціальних ліній з необхідним інтервалом відображення шуканої функції та оконтуримо межами півострова. У результаті побудована планова схематична карта температурних полів. Цю карту можна також подати у вигляді об'ємного зображення шуканої функції в просторових координатах.
По профільних розрізах і даних про потужності різних стратиграфічних комплексів, що розкриваються розвідницькими свердловинами, були розраховані значення перевищення дійсної глибини першого кілометра для окремих площ і свердловин Степового Криму.
За отриманими значеннями додаткової глибини для площ й окремих свердловин побудована схематична карта значень додаткових глибин Степового Криму.
Область, що моделюється, зображена прямокутником з кількістю вузлових точок по сторонах, рівною 8040 (крок сітки x=y=2500 м).
Отримана схематична карта розподілу додаткових глибин для Степового Криму зображена на рис. 5 (ізолінії проведені через 50 м).
Фактичні дані про температури в земній корі на території Кримського півострова обмежені через глибини свердловин, які досягають в наш час 3000-4500 м. Є ряд робіт (у тому числі, звіти ДГП ''Кримгеологія''), в яких узагальнений фактичний матеріал по свердловинах і побудовані геотермічні карти (для глибин 1000, 2000, 3000 і 4000 м). Слід зазначити, що, наприклад, для Новоселівського підняття взагалі відсутні значення температур, які були б заміряні в свердловинах глибше 2000 м, а для глибин більше 3000 м недостатньо даних для побудови геотермічної карти регіону.
Рис. 5. Схематична карта розподілу додаткових глибин для території Степового Криму.
Як було показано вище, відповідно до розроблених методів значення температур на великих глибинах можна отримати розрахунком на основі даних замірів температур у свердловинах і по теплофізичних параметрах гірських порід.
Зріз 5000 м пролягає у фундаменті, тому середовище під ним можна вважати однорідним, а теплофізичні параметри нижчого шару земної кори постійними. Створення схематичної геотермічної карти для глибини 5000 м необхідне для прогнозних розрахунків температурних полів вище й нижче цього зрізу.
По формулах (9)-(13), із використанням схематичної карти додаткових глибин, були перераховані значення температур для зрізу 5000 м, які приведені на рис. 6.
Схематична геотермічна карта Степового Криму побудована аналогічно карті додаткових глибин.
Область, яка моделювалась, зображена прямокутником. Кількість вузлових точок по сторонах прямокутника дорівнює 8040 (крок сітки x=y=2500 м). Значення температур на зрізі 5000 м, що розраховані нами по фактичних замірах в свердловинах, задані з прив'язкою до вузлів прямокутної сітки у вигляді граничних умов першого роду. На бокових границях теплового потоку немає.
На рис. 6 показаний розподіл температур, що одержаний для глибини 5000 м (ізотерми проведені через 5С). Світлими кругами показані вихідні дані, за якими ізотерми були одержані.
У табл. 1 наведені дані фактичного заміру температур ТИЗМ на різній глибині hИЗМ для деяких площ. За значеннями температур, що характеризують зріз на глибині 5000 м, розраховані значення температур ТР на глибинах hИЗМ, для яких є дані фактичних замірів температур в свердловинах. При розрахунках температура нейтрального шару була прийнята Т0=13С. З результатів аналізу даних таблиці випливає, що відмінність між фактичними значеннями температур в свердловинах і значеннями, що одержані розрахунком, не перевищує 10%.
Розміщення геотермальних площ Степового Криму, що наведені в табл.1, показане на рис. 6 чорними кругами. Видно, що вони розташовані практично на всій території півострова. Із цього можна зробити висновок про те, що похибки при розрахунку температури для будь-яких точок на цих та інших площах не перевищать вказаної в табл.1 величини.
Рис. 6. Розподіл температур на глибині 5000 м.
В Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України для розв’язання задач, які пов’язані з дослідженням процесів тепломасопереносу, розроблений програмний комплекс “Фур’є – 2”, що складається з інтегральної оболонки та набору розрахункових модулів.
Для цього програмного комплексу розроблений (за участю автора) розрахунковий модуль для побудови схематичних електронних карт температурних полів геотермальної аномалії Криму для довільного зрізу по глибині.
Отриманий розв’язок можна представити у вигляді таблиці, кольорової картинки на екрані монітора зі значеннями температур з координатами вибраного вузла та еквіпотенціальних ліній з потрібним інтервалом відображення температури. На рис. 7 показані схематичні карти температур, які отримані для зрізів 1000 й 4000 м.
Рис. 7. Розподіл температур на глибині 1000 м та 4000 м
Таблиця 1
Похибки, що отримані при розрахунку значень температур у свердловинах за значеннями температур на зрізі 5000 м
Найменування площі | hИЗМ,
м | ТИЗМ,
С | ТР,
С | ,
%
1. Бакальська | 1485 | 85 | 87 | 2,4
2. Балашовська | 1638 | 78 | 77 | -1,3
3. Джанкойська | 591 | 36 | 35 | -2,8
4. Єлизаветинська | 970 | 47 | 49 | 4,3
5. Карлавська | 3843 | 139 | 143 | 2,9
6. Красноперекопська | 1470 | 70 | 71 | 1,4
7. Красновська | 765 | 55 | 50 | -9,0
8. Криловська | 972 | 46 | 47 | 2,2
9. Мєловая | 2295 | 84 | 87 | 3.,6
10. Найдьонівська | 1045 | 49 | 50 | 3,2
11. Нижнегірська | 2670 | 100 | 99 | -1,0
12. Ново-Олексіївська | 2976 | 107 | 103 | -3,7
13. Новоселівська | 1037 | 63 | 62 | -1,6
14. Октябрьська | 2897 | 105 | 104 | -0,4
15. Родніковська | 3813 | 128 | 129 | 0,8
16. Серебрянська | 1478 | 59 | 62 | 4,3
17. Слов'янська | 1234 | 51 | 54 | 5,9
18. Тетянівська | 3486 | 122 | 123 | 0,8
19. Чорноморська | 1643 | 87 | 90 | 3,4
П'ятий розділ присвячений дослідженню процесів виникнення та функціонування геотермальної аномалії Степового Криму.
На основі фактичних даних, в основному, по області розвантаження гідротермальних систем, та інформації лише про верхні, доступні для буріння (1,54 км) горизонти, що одержана при випробуванні свердловин, доцільно поставити питання про механізм функціонування геотермальної системи в цілому (до 50 км). Це питання має не тільки теоретичне, але і велике практичне значення для прогнозу динаміки розвитку геотермальних систем. Відповіді можна одержати, якщо використовувати методи моделювання, оскільки глибину, яка досягнута бурінням, неможливо зіставити з розмірами даних геотермальних зон. Це обумовлює доцільність дослідження термогідродинамічних процесів в геотермальних системах до вказаних глибин на моделях систем.
У Степовому Кримі потужність земної кори не перевищує 40000-45000 м. Тому доречно ставити питання про механізм функціонування геотермальної системи Криму в цілому до зазначеної глибини.
Найдоцільнішим методом розв’язання зворотної задачі утворення геотермальної аномалії при відсутності точних даних про фізичні процеси є метод підбору. За його допомогою можна будувати досить складні моделі, ураховувати різні гіпотези та вносити відповідні зміни й доповнення в процесі розв’язання задачі. У цьому випадку задача зводиться до підбору основних параметрів середовища (теплових властивостей, генерації й поглинання тепла та ін.) для найкращої збіжності теоретично розрахованих теплових полів із існуючими полями. При цьому необхідно встановити розміри, форму та тепловий режим окремих активних зон аномалії та розв’язанням варіантних задач одержати розподіл температури у верхніх шарах (вище 5000 м) земної кори, що адекватне фактичному розподілу на теперішній час.
Локальні теплові аномалії можуть бути обумовлені неоднорідностями земної кори, іншими геологічними чинниками та ін. Слід зазначити, що накладання цих факторів створює досить мозаїчну картину температурного поля на глибинах 0-5000 м, що не завжди можна витлумачити однозначно. Для виключення неоднозначності будемо вважати, що розподіл температури у фундаменті на зрізі 5000 м, який отриманий по температурах, що заміряні у свердловинах, є достовірним, і з ним будемо порівнювати результати моделювання. Неоднорідності земної кори та конвективний перенос тепла в поверхневих шарах Землі (0-5000 м) будемо враховувати введенням ефективних коефіцієнтів теплопровідності, а середовище, що нижче 5000 м, вважати однорідним.
Були зроблені спроби створення стаціонарної моделі процесу теплопереносу в Кримській геотермальній аномалії, але підбором граничних умов вдалося тільки в деякій мірі наблизити результати моделювання до реальних.
На основі аналізу результатів реалізації стаціонарної моделі зроблений висновок про те, що в Кримській геотермальній аномалії має місце нестаціонарний процес вирівнювання температур від втілення тепловиділяючих об'єктів. Для розрахунку розподілу температур розвязувалось нестаціонарне рівняння теплопровідності з відповідними граничними і початковими умовами.
Збурювання теплового поля, безумовно, впливають на початковий розподіл температур. Початковим розподілом температури в земній корі вважаємо рівномірний розподіл. У нейтральному шарі Землі температура Т0=13С, а на глибині 50 км - 1200С. У цьому випадку початкова температура на глибині 5000 м буде дорівнювати 150С, а ізотерма 1000С буде відповідати глибині 41000 м.
Як зазвичай, тепловиділяючі об'єкти апроксимуються тілами правильної геометричної форми. Для випадку двовимірної задачі теплопереносу вони зображені прямокутниками, ширина яких підібрана дослідами у процесі моделювання, а глибина втілення “підказана” в процесі розв’язання стаціонарних задач та уточнювалась при розв’язанні різних варіантів задачі.
Реалізована двовимірна профільна модель процесів теплопереносу під час утворення Кримської геотермальної аномалії, в якій імітується охолодження двох гарячих тіл шириною 10 км під Бакальською площею і 12 км - під Новоселівською площею з початковою температурою 10000С (початкові умови). Відстань між центрами тіл дорівнює 47 км, що відповідає відстані між Новоселівською та Бакальською площами. Ці тіла втілюються в земну кору, температура в якій до глибини 10 км рівномірно розподілена (рис. 8 а). Геотермальна аномалія Степового Криму формується під впливом теплових джерел (рис. 7 б, 7 в).
а) б) в)
Рис. 8. Протікання процесу утворення Кримської геотермальної аномалії: а) - початковий розподіл температур; б) - розподіл температур через 0.3106 років; в) - на теперішній час (через 1.0106 років після утворення).
Приблизно через 106 років на моделі формується температура, яка наближена за своєю формою до фактичного розподілу температур на зрізі 5000 м в даний час (рис. 8, 9).
Рис. 9. Порівняння результатів моделювання з фактичним розподілом температур на глибині 5000 м: - результати моделювання; - фактичні дані.
Протікання процесу утворення Кримської геотермальної аномалії в часі для глибини 5000 м показане на рис. 10.
Як видно на рисунках, нагрів верхніх шарів відбувається протягом 0.3.106 років до температури приблизно 300С. Після чого починається охолодження і в даний час температура відповідає 220-240С.
Через 2106 років температура знизиться до 200-205С. У середині між джерелами температура поступово підвищується за рахунок теплообміну між породами і в даний час наближується до 166С. Через 2106 років температура підвищиться до 173С.
Рис. 10. Протікання процесу утворення Кримської геотермальної аномалії (зріз 5000 м):
1 - зміна температури в центрі Бакальського підняття; 2 - зміна температури в центрі Новоселівського підняття; 3 - зміна температури у середині між втіленими тілами.
Рис. 11. Розподіл температур по глибині: 1 - під центром Новоселівського підняття; 2 - посередині між Новоселівським й Бакальським підняттями.
Рис. 12. Зміна температури по товщі земної кори (розріз Бакальське - Новоселівське): 1 - розподіл температури для теперішнього часу; 2 - прогноз через 2.0106 років.
При суміщенні карти глибин залягання підошви водоносного комплексу нижньокрейдових відкладень з картою розподілу температур на зрізі 5000 м встановлено, що мінімальні значення температур спостерігаються в областях максимальних глибин залягання підошви.
Так, в районі свердловин Тетянівська, Першотравнева та Крестьянівська, де глибина підошви водоносних горизонтів більше 4500 м, розрахункова температура на зрізі 5000 м дорівнює 143С.
На цьому грунтується припущення, що під час втілення теплових джерел, що вплинули на формування геотермальної аномалії Степового Криму, на вказаній площі відбулося опускання частини земної кори. Для перевірки даної гіпотези була реалізована двовимірна профільна модель процесів теплопереносу під час утворення Кримської геотермальної аномалії для розрізу Першотравнева - Новоселівська. При цьому під Новоселівською площею імітується втілення та охолодження гарячого тіла з початковою температурою 10000С (початкові умови) і шириною 12 км. Гаряче тіло втілюється в земну кору, температура в якій рівномірно розподілена до глибини 10 км від поверхні Землі. Також припускається, що в районі свердловини Першотравнева відбувається заглиблення на 5 км частини земної кори шириною 10 км (рис. 13).
Профільна модель представлена прямокутною областю завдовжки 30 км й глибиною 50 км (дискретність 1 км). На верхній та нижній границях задані граничні умови першого роду - Т0=13С і Т=1200С, відповідно. Додаткова глибина першого кілометра враховувалася перерахунком. На бокових границях моделі задані граничні умови другого роду Т/n = 0.
На цій моделі також приблизно через 1.0106 років (теплофізичні параметри фундаменту c=600 Втч/м3град, =3 Вт/мград) формується температурне поле, що наближене за своєю формою та значенням температур до фактичного розподілу температури на зрізі 5000 м. В даний час продовжується процес нагріву об'єму земної кори, що заглибився.
Результати моделювання показують, що запропонована гіпотеза є коректною.
Динаміка зміни температури в часі по розрізу Новоселівська - Першотравнева приведена на рис. 14.
На основі результатів моделювання температурних полів Степового Криму можна зробити висновок, що наявність інтенсивних аномалій теплового потоку в цьому районі пояснюється підйомом нагрітої глибинної речовини у верхню частину мантії та земну кору. Положення збурюючого об'єкту та запас теплової енергії в ньому є визначальними факторами.
Рис. 13. Розподіл температур на профільній моделі розрізу Першотравнева -Новоселівська: а) - початковий розподіл; б) - через 0.1106 років
Рис. 14. Зміна температури в часі по розрізу Новоселівська - Першотравнева: 1 - через 0.1106 років з часу утворення аномалії; 2 - через 0.4106 років; 3 - через 0.7106 років; 4 - через 1.0106 років (теперішній час).
У загальних рисах механізм формування геотермальної температурної аномалії Степового Криму можна визначити таким чином. У вулканічних поясах створюються геотектонічні умови, які сприяють утворенню розломів різного простягання з супутніми їм проявами магматичної активності.
Геотермальні умови, що склалися, є наслідком теплової взаємодії тіл з аномально високою температурою, з водонасиченими породами земної кори за допомогою кондуктивного теплообміну.
Таким чином, застосування методів математичного та фізичного моделювання дозволяє в кількісній формі зобразити достатньо складну картину теплових процесів в межах геотермальних систем Криму.
