CC BY
23
УДК 551
Ч ИО ЕННОК МО} |К.'1 И РОВА НИ К I ЕОТКРМАЛЬН МX 11РОЦЕССОВ В СВИЧИ С ОЦЕНКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕН И Й
Л. В. К и/чох ип (Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН)
На конкретных приче/ки геотермальных иесто/юждений Камчатки (!1 арату некого, Паужетского и Мутновсмого) рассматривается логическая последовательность и методы создании чисн'чиых терм/ьщ^родиначических моделей Указанные модели испалычуются >Хчя оценки параметров продуктивных резервуаров и обоснования повышении фиктивности mennyammtuu геотермальных месторождении
Computer modeling of geothermal systems technology applied to Kamchatka geothermal fields: Paratunsky. Pcmzhetsky and Mutnovsky. Those models are used for the estimation of'productive reservoirs' parameters and also have been quickly adopted in geothermal industry as an instrument to increase efficiency of geothermal energy use
Полученные за последние 40 лег опытные данные по эксплуатации геотермальных месторождений мира (установленная в 2000 мощность ГеоЭС 8 ООО МВт), я также объектов размещения и дологической среде промышленных и мдерных отходов Якка Маунтэйн, Хэнфорд (США) и др. - послужили не юлько импульсом для развития геотермальной энергетики и повышения экологической безопасности атомной mepi етнки, но и привели к разработке теории, с помощью которой осуществляется описание н проверка концептуальных моделей nupoieojioi и-
чсскнх н геотермальных процессов. Наиболее эффективным вычислительным инструментом тгой теории в последнее время становится семейство вычислительных программ, порожденных кодом TOUGH2, TOUGHREACT (К. Prucss. 199і, 1999). В дальнейшем изложении используется терминшим ни и логики построения моделей, соответствующая этому коду.
Парагунскос геотермальное месторождение эксплуатируется на Камчатке с 1963 г. Начиння с 1975 г. продукция месторождения составляет 200 кг/с (летом) - 250 кг/с (зимой) горячей воды с температурой 80 90^С. Спецификой режима эксплуатации является увеличение расхода водоотбора- ЗИМОЙ И уменьшение — JierOM. В ПРОТИВОПОЛОЖНОСТЬ этому приток глубинного теплоносителя в геотермальный резервуар увеличивается летом и уменьшается зимой.
Концептуальная модель продуктивного геотермального резервуара вытекает из анализа данных по распределению температуры, юн притоков горячей воды в скважины и т солит о-структуриых особенности месторождения (рис. 1). Оценка пластовых давлении по данным измерения уровня для дшшою месторождения имеет весьма условный характер из-за отсутствия синхронизированных с замерами уровня термограмм. По результатам расчетов трехмерного температурного поля отчетливо выделяются зоны восходящих потоков теплоносителя в пределах Среднего, Нижнє Иарагунского и Северного участков І Іарятунского геотермального месторождения. что также фиксируется горячими источниками с суммарным расходом около 15 кг/с на поверхности земли. Анализ распределения зон водопритока (проницаемости) в пределах геотермального месторождения показывает, что верхняя чаегь разреза в интервале от 0 до 100-150 м не имеет водопритоков (верхний водоупор, четвертичные отложения). Глубже, в интервале глубин от 100-150 до 1 200 м, расход скважин возрастает до 17-25 кг/с (проницаемый ретервуар «зеленых туфов» миоценового возраста грещинно-пластового типа). Еще глубже, в интервале глубин до 2 500 м. прирост расхода составляет всего I 4 кг/с (фундамент с проницаемостью по локальным субвертикальным зонам). Границы контактов интрузивного комплекса диоритов, выходящих на поверхность в приподнятых бортах грабена р. Паратунка, формируют область водного питания геотермальною резервуара, которая находится, по гидроизотопным данным. на абсолютной отметке (айе. отм.) около 700 м. Последнее подтверждается также особенностями сезонных вариаций .чавлення в геотермальном резервуаре, достигающих 1.5 бара. Они намного превышают вариаиин давления в русле реки, определяемые подъемом уровня воды во время паводка (до 0.18 бара» и повышением давления в резервуаре в начале апреля, за 15 20 суток до начала наводка. Отсюда следует, чю область водного питания геотермального резервуара находится там, где вариации уровня подземных вод могуч достигать десятков метров и поступление волы начинается за счет снеготаяния Іакие условия моїут осуществляться в грещинно жильных системах хребта Тополовый и горы Микижа (представляющих собой выступы интрузий и субвулкан ических і ел доереднеплейс гоценового возраста), сообщающихся с геотермальным резервуаром и находящихся на относительно высоких отметках (+500 .. +8ІН1 м абс. отм.). Учитывая значительную сульфатую составляющую в химическом составе термальных вод, можно предполагать, что восходящие потоки теплоносителя используют центральные каналы палсовулканов миоценового возраста. Разгрузка теплоносителя осуществляется в водоносные горизонты четвертичных отложений русла р. Паратунка. Такая ситуация соответствует условиям 1-го рода на границе разгрузки ( задано постоянное давление).
Проектирование модели Для генерации вычислительной сетки использован генератор сеток A MESH. Резервуар представлен на модели в виде одного слоя мощностью I 000 м. перекрытого водоупором мощностью 100 м. В модели выделяются домены (области с различными петрофи-зическими свойствами), соответствующие Северному, Ннжне-Паратунекому. Среднему. Мики* жинскому, Промежуточному участкам, домены вмещающих пород. Зоны поступления в резервуар глубинного теплоносителя (источники) заданы в элементах, расположенных в области наиболее высоких температур Среднего (энтальпия 360 кДж/кг), Северного 080 кДж’кг) и Пиж-не-1 Іарятунского (400 кДж/кг) участков. Для учета сезонного изменения водного питания массовые источники программируются на модели кусочно-постоянной функцией с коэффициентом (зима) и а, (лето). Тепловые потери через кровлю задаются в виде квазистаиионарного теплового потока, определяемого коэффициентом теплообмена величиной 4,2 10 ' Вт/(м • Ч’) Гепло-
иой нагрев за счет кондуктивного теплового потока через подошву задается с помощью тепловт.іх источников мощностью 0.063 Вт/м . На внешних границах модели используются инактивные В-элементы (в которых основные переменные: температура, давление и наронасышение сохраняют постоянные значения в процессе моделирования) и задакттся условия, соответствующие
так называемой I ранние «.высачивання»: Р = сопы. если давление на Iранние меньше дав; 1еним в примыкающем элементе модели, либо граница становтся непроницаемой, если давление ни границе больше давления в примыкающем элементе модели. «Включение» таких граничных условий на Среднем участке фактически доказано н процессе эксплуатации 1979-1984 гг., когда при чрезмерном воолоогборс расход и устъевос давление снижались синхронизирование, чего не может быть при граничных условиях 1-го рода (Р - <хиЫ).
7&ЭС0-
750С0-
740С0-
73000
тгооо-
71000
7СОПО-
«вооо-
«8000
в?скю
66030-
«5000
смоио-
Сапм
■
Гъх
I Уш 7
»! . ..I
л «
/ /ж*
/V ,*• »' ' «
г»
т-
й
—г-й
я
Рис. /. Паратучское гт/отеруиминое месторам-дгим; д кочцептуачымя модель (пунктирам покажно движу ни? теплоносителя от области питамых к области гмигружи в сх'бк^астовую систему продучтипных л'отер.иочьны* рс лервущюк; /зстст^гйслские тяиператуум на подоиюе продуктивного геотермалмого резервуара но обе. оти I (УМ м), о ■хмглкнты 'шелемнт тцшо.'ш)/ня)аниыич1!ско& лоЛыв (и&числытелымя сетки; домены • эксмт.ттлцмакмбН' скважины;
0 зоиы допмнитгямого отбора тспчоноситехя}
Моде.чироаиние естесоюенного состояния. Установившееся состояние определяется Г( ЛЮН2 «антомашчески», когда 01 постельные изменения в массовых и энергетических балансах отдельных тле ментов модели становятся менее 10 ' при временных шагах до 10 с. Для согласования модельною и фактическою распределения температуры на 1 ООО м абс. отм на модели подбирались массовые расходы восходящего потока теплоносителя. Полученные значения составляют 80. 75 и 40 кг/с по Среднему, Нижнему и Севертзму участкам соответственно. Использование режимных наблюдений за сезонными вариациями давления позволяет оценить коэффициент сжимаемости {с = 5 * 10 м Па '} и козффнииеш сезонного изменения расхода глубинного теплоносителя, поступающею в геотермальный резервуар (сц. - 0,75; сс\ 1,25). Всс указанные выше оценки существенно уточнились впоследствии в процессе моделирования жеплуатаиии
Моделирование эксчгчуатащш 1966-1999 гг. Для калибровки модели но данным эксплуатации использованы срслнсмссячныс значения расхода водоотбора (кг/с) и устьевого давления (переведенные в метры водяного столба на 0 м абс. отм.), усредненные но группам скважин, находящимся в элементах модели Поскольку переменной численной модели является давление. то для калибровки модели оно прщраммно пересчитываюсь в метры водяного сзхтлба на
0 м абс. еггм. Калибровка модели при заданном расходе эксплуатационных скважин позволила существенно уточнить амплитуды сезонною колебания (а,. 0.95 - зимой, а! = 1,05 летом) и
г. Мишджа
1;
Источник ТвПЛЭ
массовые расходы восходящсго потока глубинного теплоносителя: 138 кг/с (Средний). 95 кп‘с (Нижний), 60 кг/с (Северный), всего 293 кг/с. Значения проницаемости но Среднему участку 90 мД но Нижнему и Северному 60 мД. по водоносной системе, вмещающей Нижний и Се-перный участки - 15 мД, но водоносной системе, вмещающей Средний участок - 50 мД.
Моделировали*' эксплуатации 2000-2024 гг. Предварительно по данным эксплуатации 1966-1999 гг. были определены коэффициенты продуктивности PI групп скважин (SRI, SR2, NP1. NP2, 20. 69, GK9, GK7) в соответствующих элементах модели но данным эксплуатации 1963 1999 гг.. соответствующие значениям PI (40, 9, 12, 8, 30, 10, 3 кг/с бар). Расход иодоотбо-ра рассчитывался при моделировании на каждом временном шаге следу ющим образом:
Q, - П(Р, (I ООО I 2,/р^ И HPJ,
где i - индекс, соответствующий эксплуатационному кусту скважин; /’/, - коэффициент продуктивности. кг/с • бар: Q, - расход водоотбора, кг/с; Р, - давление в элементе модели, соответствующем участку эксплу атации «/»; р, - плотность теплоносителя; g - ускорение свободного падения; Z, абсолютная отметка; WHP, среднее устьевос давление. Для осуществления такой процедуры задания расхода к TOCGI12 были включена специальная подпрограмма WIILLSIM.
11рн моделировании эксплуатации геотермального месторождения сроком на 2S дез (до 2024 г.) на шггервале 2000-2024 гг. были заданы устьевые давления на г руппах эксплуатационных скважин такими, какими chi и были фактически в 1947 г. При заданном режиме расход водоотбора стабилизируется (в периодическом смысле) через 2 3 года: максимум водоотбора - 2363 кг/с (январь), минимум - L80.6 кг/с (июль), среднегодовой расход 206 кг/с. При рассмотрении на модели сценария эксплуатации с дополнительным отбором теплоносителя с участков Промежуточный, \1икижа. ЭРЛЗ и «Светлячок» со среднегодовым расходом 62,5 кг/с установлено, что производительность основных участков Паратунского |еозерм&1ьного месторождения (Среднего, Северного и Нижнего) упадет на 6-9%. Тем не менее суммарный среднегодовой отбор теплоносителя может составлять не менсс 250 кг/с.
11аужстская ГеоЭС с установленной мощностью 5 11 МВт работает на Камчатке с I966i. Эксплуатация ее в течение 38 лет сопровождается изменением термогидродинамических и гидрохимических условий, 410 приводит к выводу из строя скважин и постепенному смешению водозабора в юго-восточном направлении. В данном случае численная модель необходима для понимания причин деградации месторождения и обоснования оптимального режима эксплуатации.
Концептуальную модель проду ктивного резервуара Паужетското геотермального месторождения, находящеюся на моноклинальном склоне Камбального хребта н пределах ПаужетскоЙ вулканотсктонической депрессии, можно представить следующим образом (рис. 2). Паужетская свига (N? - О paiii.a), включающая гуфокощ ломерагы. и псефнтовые туфы, и нулкатмейно-осадочиые породы I олыгннского горизонта (N-^ol) общей мощностью около 700 м прорштны жструзивным комплексом дацитов (Q ,), который контролирует изотерму I9CFC и зри сообщающихся субгоризотальных резервуара, вскрытых продуктивными скважинами соответственно на Северном, Центральном и Юго-Восточном участках месторождения. Проницаемость резервуаров имеет зрсщинно-пластовый харакзер со средним вертикальным расстоянием между 1решннами 334 м. В проду ктивных зонах горные породы полностью переработаны гидротермально (до цеолитов и хлоритов) и характеризуются пористостью 0.20 и плотностью I 5ГИМ 800 кт'м' (Ijuiygin el al., 2000). Резервуары перекрываются относительным водоупором мощностью ПК) м. сложенным алевропелиювыми туфами. Восходящие потоки глубинного теп.юносителя, характсри-зующиеся температурой до 220X1. а также Cl-Na и COj-N; составом, поступаю! в пределах I Антрального и Юго-Восточного участков. Основная конвективная разгрузка i идротерм в виде го рнчих источников (31 кг/с) и пара (0.7 МВт) происходит на Северном участке.
ПроектufHMiuuue модели. Для генерации вы*нтслизсльиой сетки использован генератор сеток A-MHSH (рис. 2). Резервуар представлен на модели в виде одного слоя мощностью 700 м, перекрытого водоупором мощностью 100 м. Центры элементов установлены на абсолютных отметках, соответствующих подошве паужезскнх туфов. Общее число элементов в модели 131, включая 66 элементов, соответствующих скважинам, 32 В элемента для определения граничных условий. Теплообмен с поверхностью земли (температура 5°С) через верхний водоупор определялся с помощью коэффициента теплообмена, равною 0,013 Вт/(м • С”) (при этом были внесены соответствующие изменения в подпрограмму О LOSS). Условия естественной разгрузки гилро-терм задавались и дополнительных ннактнвных элементах, соответствующих положению горя-
чих источников и паровых струй (в них задано атмосферное давление и температура 1004.'). Эти элементы размещены на абсолютных опметках, соответствующих поверхности земли, и соединены вертикально с элементами К1, 135, 5 и 142 модели. Поступление глубинною теплоносителя задано н соответствующих моментах модели с помощью массовых источников с энтальпией 830-921 к/Ьк/кг. Региональный кондуктивный тепловой поток -задан во всех элементах модели (0,063 XV,-т ). Давление и температура на внешних границах модели заданы в В-хзементах.
?мо •
Н4сстоя»ме. и
а
Рис. 2. Пауметское лоте}ммяьчое месторождение: а концтнуаяьтгя модель (изатчнями показано начальное распределение температуры;
• - смкманш, «Скрывшие чкет/узыяный комплекс дацитов {()•. осущестклнпнцин ст{)уктурпый контроль температурного паля и продуктивного резервуара: Ф продуктивные к эксплуатационные скважины: {/еинжппритные скважины с кысокой приемистостью): 0 тякмяты числена ой пхермаеидрадимо.и и ческой модели (зычисяитсчьная сетка: гаек I домен продуктивного резервуара; гаек 2. 3 домены кмещакщих пород;
© - эксплуатационные склажгшы, - реин.*сем(ионпые скважины)
Моделирование естественного состояния 'Задачей данного этапа моделирования являлось согласование фактического распределения температуры и давления в геотермальном резервуаре путем подбора на модели параметров восходящего потока теплоносителя (массового расхода и энтальпии) и распределения проницаемости. В результате проницаемость продуктивного резервуара оценивается в IСЮ мД проницаемость окружаюших пород 3 ... 10 мД; расход восходя щего потока теплоносителя 36 кг/с, 830 кДж/ю (Северный участок); 188 кг/с, 875 920 кДж'кг (I Центральный участок); 100 кг/с, 900 кДж/кг (Юго-Восточный участок).
Моделирование эксплуатации 1966-2000 гг. Данные, которые можно использовать для калибровки модели за период эксплуатации с 1966 г., включают ежемесячные измерения расходов и энтальпии эксплуатационных скважин, а также измерения уровней в наблюдательных скв&жи нах. которые необходимо пересчитывать на давления, соответствующие положению середины продуктивною резервуара:
Р - Р,т * | р(Т. г)& (к,
»»
где Р - расчетное давление на отметке г,; Рят атмосферное давление; г0 - уровень термальных вод: р(Т. г) - плотность воды в зависимости от температуры 7' и глубины с; р - гравитационная постоянная. Кроме того, для косвенной оценки температуры (и энтальпии) по данным изменения химическою состава от сепарированной жидкой фазы в продуктивных зонах использован Ыа—К-1еотермометр Трусделла: Т;,}у = 855,6/(^^н/К) + 0,8573) 273). Калибровка модели, выполненная но десяти наб. по дательным и .девяти эксплуатационным скважинам, привела к необходимости:
госк2
госМ
госкЗ
1) корректировки абсолютных значений давления и іраничньїх В-хтеметлах;
2) введения коэффициента сжимаемости дня продуктивного резервуара 5,0 • 10 ' Па и 2.0 • 10 * Па для вмещающих горных пород;
3) введения коэффициента термического расширения, равного I. 75 • 10 °С для продуктового резервуара (этот параметр оказался необходимым дія объяснения слабою возмущения давления при реинжекции охлажденных вод на Северном и Цен тральном учас тках мес торождении);
4) введения на модели параметра «двойной пористости» в продуктивном резервуаре (доля трещин от 0,2 - на Центральном до 0,1 - на Северном участках, среднее расстояние между трещинами - 162 м), Результаты моделирования показали очень большую разницу (20 ЗОО в іем-пах охлаждения трещинного и блоковім о пространст ва продуктивного резервуара в процессе эксплуатации, что свидетельствует о недостаточной эффективности выбранного режима эксплуатации, так как тепловая тнері ня остается в блоках.
Моделирование эксплуатации Оо 2030 г. При моделировании дальнейшей эксплуатации Паужетскою геотермального месторождения до 2030 г базовый сценарий эксплуатации включал восемь существующих эксплуатационных скважин (103, 106, 108, 121. 120, 122. 123 и СКЗ) при постоянном устьевом давлении и реинжекцию 30 кг/с С температурой воды 12СУС н скважины 142, 143 и 144. Этотсценарий показывает снижение паро производительности с 28 до 24,4 кт'с (при 2,7 бара) и снижение общего расхода водоотбора с 253 до 232,9 кт'с за 30 лет эксплуатации. Одним ит ключевых вопросов при прогнозе эксплуатации является вопрос о том, как изменятся граничные условия при превышении расходом водоотбора при і ока глубинного теплоносителя. ’:)тот случай уже рассмаїривался на примере Ларатунскою геотермального месторождения. Иаужетский іеоіермальньїй резервуар может вести себя аналогично, т. е. поддерживать граничные условия первого рода в В-элементах до тех нор, пока расход водоотбора не превысит притока глубинного теплоносителя, и «(переключаться» на непроницаемые границы при падении давления в резервуаре ниже давления в граничном шеменіе (граничное условие типа «высачиваиия»). Наблюдения за основными гидрохимическими характеристиками эксплуатационных скважин показывают синхронизированное понижение энтальпии и содержания СЇ при превышении водоотбором величины 220 кг/с (критическое значение дія Центрального и Северного участков) Это свидетельствует о разбавлении теплоносителя метеорными водами (степень разбавления оценивается в 17%), т, с. в реальных условиях реализуются смешанные граничные условия. Полому при моделировании рассматривалась возможность реализации двух предельных вариантов іраничньїх условий.
В дополнение к базовому сценарию эксплуатации на модели были раосмоіреньї четыре дополнительных сценария, для того чтобы оценить влияние реинжекции отработанною теплоносителя на паропроизводителыюстъ эксплуатационных скважин
1) реинжекции нет с января 2001 г.;
2) реинжекция 60 кг/с с температурой воды |20°С вскв. 142. 143 и 144;
3) реинжекцня 120 кг/с с температурой воды 120'Свскв. 142, 143 и 144:
4) реинжекция 180 кг/с с температурой воды 120‘Свскв. 142, 143 и 144.
В результате моделирования выяснилось, что в диапазоне И)-60 кт'с реинжекция имеет ть дожитсльный эффект на паропроизводительиость эксплуатационных скважин, в то время как уоеличение или уменьшение реинжекции за пределы диапазона 30 60 кт/с ведет, в свою очередь, к снижению наропроизводительноети добычных скважин (в первом случае за счет охлаждения большой массой реинжекционных иод. во втором случае из-за нрипжа холодных вод с границы резервуара).
Другим важным вопросом при эксплуатации является возможная величина водоотбора. Результаты моделирования (120-200%-ное увеличение водоотбора достигалось размещением на модели соответствующего числа дополнительных скважин) показывают, что увеличение нагрузки за счет бурения дополнительных эксплуатационных скважин ие будет иметь ощутимого эффекта на суммарную пароироизводнтсльность Центрального участка при длительной эксплуатации.
На Мутновском геотермальном месторождении к 21102 г. построены две і еотермальные станции с суммарной установленной электрической мощностью 62 МВт, что обеспечивает на Камчатке 35% потребности в электроэнергии. Проблема обеспечения теплоносителем Мутнов-ской ГеоЭС 1 мощностью 50 МВт (и 2003 і обеспеченность паром составляла 60%) привела к необходимости использования моделирования как инструмента в обосновании целей бурения и объемов бурения дополнительных скважин.
Концептуальную модель продуктивною резервуара в цетральном блоке участка Дачный можно представить следующим образом (рис. 3). Продуктивный резервуар (продуктивная зона «Основная») приурочен к разлом пой зоне северо-северо-восточного пространна палением 60" на висток-восток-юг и средней вертикальной мощностью около 240 м (истинная мощность 120 м). Зона «Основная» вскрыта продуктивными скважинами 045, 01, 014, 016, 1, 029W, 26, 24, 4К с высоким устьевым рабочим давлением. Протирание зоны согласуется с простиранием системы наиболее молодых субпараллельных разломов, выделенных В.Л. Леоновым и работе |51. Горные породы вмещаю! продуктивную зону диориты, миоцен-плиопеновые песчаники, рно-лнтовыс и андезиювые туфы и лавы, однако зона харагеризуетея отсутствием явного литплош-ческого контроля. Кровля продуктивной зоны фиксируется зонами полного поглощения промывочной жидкости при бурении скважин. Анализ распределения координат ючек полной потери циркуляции и продуктивных зон по 50 скважинам иен трального блока участка Дачный показывает, что 75% зон паз ион потери циркуляции и 100% всех продуктивных скважин связаны с интервалом + 150 м, прилегающим к плоскости данной продуктивной зоны Ориентация зоны подтверждается также трасссрным взаимодействием в суб меридиональном направлении. Плоскость разломной зоны пересекает активное жерло Мутновского вулкана на абс. отм +250 ... ~1 250 м на расстоянии 8 км от участка эксплуатации, где, по данным гидроизогопных исследований, на-хоцится область водною питания геотермального месторождения, осуществляемого за счет инфильтрации вод метеорного происхождения и тающих в кратере вулкана ледников Высокотемпературный теплоноситель поднимается из юго-восточного сектора зоны, где теплоноситель, имеющий температу ру болсс 280МС, находится в жидком состоянии. Кроме того, здесь обнаружена кварц-эпидот-хлоритовая ассоциация вторичных гидротермальных минералов. В средней и верхней части продуктивной зоны «Основная» теплоноситель переходит в двухфазное сосгоя-нис, характеризуемое вайракнт-хлориювой ассоциацией вторичных гидротермальных минералов, соотношением CI/S04 > I, превышением значений Na K-i еотермометра над прямыми замерами температуры. Четыре дополнительных скважины (А 1 А4), пробуренных в 2001—2003 гг. и оборудованных фильтрами, за пределами продуктивной зоны «Основная» показали низкую продуктивность или полное отсутствие продукции. Парогидротермальный взрыв, происшедший в 300 м к востоку от скважины 045 (июнь 2003 г.) в результате вызванного эксплуатацией понижения уровня в зону высоких температур, является дополнительным подтверждением схемы циркуляции теплоносителя (рис. 3).
Проектирование модели. Для генерации вычислшельноЙ сетки использован генератор сеток A-MESH (рис. 3). 11ри этом выполнялась дополнительная корректировка связей между цементами модели для учета вертикальной составляющей и исключения «паразитической численной циркуляции». Геотермальный резервуар предс тавлен на модели в виде объединения двух резервуаров: А и В. Геометрия вычислительной сстки А-резервуара соответствует продуктивной зоне «Основная» со средней вертикальной мощностью 240 м, каждый элемент ceiKn расположен на абсолютной отметке, соответствующей кровле продуктивной зоны. В-регервуар включает три элемента, соответствующие продуктивным зонам скважин 2Е, 5t и 012 в приконзактовой зоне диоритовой иигрузии Всего па модели определено 24 существующих скважины, 39 дополнительных внутренних элементов (F элементы и D-элемент) и 12 граничных (инактивных) элементов (В-элемешы). На рис. 3 изображена вычислительная сетка, домены с различной проницаемостью и «источники» (элементы 045, F27, F28. F14, F15, F29, в которых эадаегся поступление в модель глубинного тепл оное изеля). Граничные условия в В-элемснтах определены как Р const и Т = const (в ненарушенном эксплуатацией состоянии). Теплообмен между резервуарами и вмещающими породами с температурой ЮО^С определяется с использованием подпрограммы OI.OSS, где коэффициент теплообмена равен 0,0042 Нт.'(м • °С),
Моделирование естественного состояния Цель моделирования достижение сходимости между модельными и фактическими параметрами по температуре, давлению и иаронасыщепию за счет подбора параметров источников (расхода глубинного теплоносителя), граничных условий на контуре разгрузки (В элементы) и проницаемости резервуаров. В результате калибровки модели естественного состояния расход глубинного теплоносителя оценивается ветчиной, равной 54 k^s при энтальпии 1 390 кДж'кг (вода с температурой 307"С), значение проницаемости резервуара - 100 мД. основное направление потоков теплоносителя из юго-восточного сектора продуктивной зоны в северо-северо-восточном (жидкая фаза) и западном (паровая фаза) направлениях к естественному термонроявлению «Котел» (элемент О модели).
ВдМОфвЭНЫЙ
рва&ряулр
✓
.'r:
0)0 m
* J.._ M
OttVk 014 •
« -• * /К
«
/, :\ . . у V>
/ • •
/
✓
•/
/
Лгс. J. Afym/jortrwar долот (r/Miaeixvrv лксшфшшкмм (yvacmmr/^ацмынЛ' а комцептуавммт могЬгль (нжомны плоскость fif4x)yrcmunri<rit нл/ы «Основная» и n/rstaiuu >цнм)уктивкыл son, искрыгтлх ж'«м1гм.ии jK4-ntkiVHci^i^wjii'w.uk с^одм 'ынами: юна посюупяеним гп^имйао Аисилгигосаю^ля. /мкодт&сл«с ««•.wiet’/.vwi >yjw ii фаюмкVi согшаяммя лмемокосйдайля/. d эдймемпм VMCWHNoii скснг .mckV.vii
«ы'/мешяиглшшг ccrruta A fnriepnyuffa; r)«wгммг (D - иштты .m/hJmm, ««r/wwrywjt ledliiniKW лосяфшсмм Л1у6«*УЯОЛ> Hfc'JMOtftX'k/Me.v.ii, • — j#rlutyanuitfтишые скнажины; • ticivii бурения <)ooimuiimftiъны.i эксплуатационных СКЬОЖЯН. обоснованные С ПОМОЩЬЮ MOtieAUpOHflHUM
Моделирование эксплуатации За период эксплуатации с ноября 2002 г. по октябрь 200? г. суммарная паропроизводительноегь эксплуатационных скважин 016, 26, 029W, 41*., 51*. снизилась с 64,9 до 59,1 кг/с (8,5%), суммарный расход сспарата из данных скважин снизился с 117,5 до 107,5 кг/с (8,5%) при учггьевых давлениях ог 6 до 8 Gap. I la данной сгадии калибровки модели это потребовало введения в модель коэффициента сжимаемости резервуара, равного 5,0 * 10 Па (домен STEAM) и 5,0 * 10 4 11а 1 (остальная область). При моделировании эксплуатационных скважин использована специальная полпрограмма DEBIT, позволяющая на каждом «ременном шаге моделирования решать нелинейное уравнение взаимодействия пароводяной скважины с резервуаром (коэффициенты продуктивности отдельных скважин, определенные по данным опробования скважин до начала эксплуатации, составляют 0.8 9.3 кг/с • бар, таблицы забойного давления рассчитывались отдельно с использованием программы HOLA). Кроме тою, при моделировании эксплуатации модифицированы граничные условия: ipainma рц:н ручки задана непроницаемой, так как отбор теплоносителя намного превышает расход естественных гермопроявле-ннй, Расход рсинжскиии отработанного теплоносителя в элемент 027 составляет #4 кг/с с энтальпией 700 кДж/кг. При моделировании эксплуатации до 2012 г. с целью обоснования целей бурения и графика подключения дополнительных скважин на участке Дачный дтя обеспечения теплоносителем Мутновской ГсоЭС-1 мощностью 50 МВт (в конце 2003 г. станция была обеспечена теплоносителем на 60-7(1%) получены следующие основные результаты: I> бурение дополнительных скважин на участке эксплуатации скважин 016, 26, 029W, 41-, 5Ь нецелесообразно; 2) для обеспечения теплоносителем мощностью 50 МВт в период до 2012 г. необходимо бурение семи наклонных скважин глубиной or 1 527 до 2 213 м и углом отклонения от вертикали до 25“ в юго-восточном секторе продуктивной зоны «Основная» (рис. 3).
В результате моделирования естественного состояния и 34-летней эксплуатации Пара1ун-екого геотермального месторождения массовые расходы восходящего потока глубинного теплоносители оцениваются следующим образом: 138 кг/с - Средний, У5 кг/е - Нижний, 60 кг/с - Северный. всего 293 кг/с (среднегодовые значения). Суммарный приток глубинного теплоносителя в геотермальный резервуар увеличивается до 307 кг/с (летом) и уменьшается до
278 кг-'с (зимой). Проводимость продуктивного резервуара оценивается r Д - м. сжимае-
мость - 5 • 10 ’ м • Па'1. Условие на контуре разгрузки является нелинейным (граница типа «вы-сачивапия»). При сложившейся схеме размещения эксплуатационных скважин производитель иосгь Параіунскоіо геотермального месторождения (суммарный среднегодовой отбор теплоносители) до 2024 г. может составлігть не менее 250 кг/с.
И результате моделирования естественного состояния и 35-летнсй эксплуатации 11 a vactc кого геотермального месторождения величина расхода восходящего потока теплоносителя оценивается следующим обрачом: 36 кг/с, 830 кДж/кг - Северный участок. 188 кг/с, 875 920 кДж'кг Центральный участок; 100 кг/с,К) кДж/кг — Юго-Восточный участок. Продуктивный речервуар характеризуется проводимостью, равной 70 Д • м, сжимаемостью, равной 3,5 - 10 1 м • Пи , термической сжимаемостью и «двойной пористостью» Показано, что в диапазоне расходов закачки 30-60 кг/с реинжекиия имеет положительный эффект на паропроизводительность эксплуатационных скважин Центрольного участка месторождения, в то время как увеличение или уменьшение реинжскцни ча пределы укачанного диапазона имеет результатом снижение паропрон июдн-тельности добычных скважин (в первом случае за счет охлаждения большой массой реинжекционных вод. во втором из-за притока холодных вод с границы резервуара) Результаты моделирования покачывакгг. что увеличение нагрузки на центральном блоке участка Дачный (свыше 220 кг/с) ча счет бурения дополнигольных эксплуатационных скважин не будсі имеїь ощутимого влияния на суммарную паропроизводительность центрального блока при существующей схеме эксплуатации.
І Іредставляет интерес оценка возможности реанимации выбывшего из эксплуатации Северного участка Паужегского іеоіермального месторождения с использованием бинарных технологий но аналогии с геотермальным месторождением Каеа-Днабло (Лонг Вэллей. США), находящегося в сходных геологических условиях. Например, r Каеа-Диабло в режиме полной рециркуляции работает на бинарном цикле (изобутан) один из модулей ГеоЭС МР-1 мощностью 14 МВ т (температура закачки - 65 ... 93“С, температура извлечения 166“С'. расход 341 кг/с, т. с. на I МВт необходимо 25 кг/с теплоносителя).
Уточнена концептуальная гидрогеологическая модель участка Дачный Му гновского геотермального месторождения, в соответствии с которой продуктивная зона «Основная» ценіршіьно-го блока участка Дачный приурочена к ат ос кости разлома ссвсро-ссверо-восточного простирания с падением 60"’ на юг-восгок-восток. Ратрабогапа детальная численная термогидро динамическая модель продуктивной зоны. По результатам моделирования восходящий поток теплоносителя оценивается величиной 54 кг/с с энтальпией I 390 кДж'кг, проводимость продуктивного резервуара 12 Д • м. сжимаемость - 6 • 10 ' м - Па Прогнозируется снижение паронроизводителыюсги существующих эксплуатационных скважин с 60-70 до 30 кг/с в первые 10 лет эксплуатации. Для обеспечения теплоносителем мощности Мутновской ГеоЭС, равной 50 МВт, с центрального блока участка Дачный необходимо бурение семи дополнительных наклонных эксплуатационных скважин глубиной I 500-2 250 м в юго-восточном сек-юре продуктивной зоны «Основная». Другим вариантом решения проблемы обеспечения (и возможного расширения) мощности МутновскоЙ ГсоЭС может стать использование югозападного сектора продуктивной зоны Верхне-My гновского участка (этот вариант рассматривается на модели в настоящее время).
Литература
1. Геотермические и геохимические исследования высокотемпературных гидротерм / Ред. В.М. Сугробов. - М.: Наука, 1986. -209 с.
2. Моделирование эксплуатации участка Дачный Мутновского геотермального месторождения в связи с обеспечением теплоносителем Мутновской ГсоЭС 50 МВт / А.В. Кирюхии, В.Л. Леонов, И.IS. Слопцов и др. // Вулканология и сейсмология. - 2005. - № S. - С. I 26.
3. Кирктт А.П.. Сугробов В.А/. Модели теплопереиоса в гидротермальных системах Камчатки. - М.: Наука, 1987. -150 с.
4. Кирюхии АН. Моделирование эксплуатации геотермальных месторождений. - Владивосток: Дальнаука, 2002. - 216 с.
5. Леоиое В.Л. Структурные условия локализации высокотемпературных іидрогерм М.:
Паука, 1989. 104 с.
6. Сугробов В.М. Геотермальные ресурсы Камчаглсм и иерспектииы их использонания // Гндро 1ермадьные системы и под я Камчатки. - Владивосток: ДВ11Ц. 1976. С. 267-291.
7. Лип:о Z.P., Bjornson G., Bodvarsson G.SL Wellhore models GWELL, GWNACL and HOI .A.Users Guide H Draft.— 1991,-81 p.
8. Kiryukhin A, V. High temperature fluid flows in the Mulnovsky hydrothermal system, Kamchatka // Geothcrmics. -Vol. 23. .Vs 1. 1993. P. 49 64.
9. Kiryukhin A.V. Modeling Studies: Dachny Geothermal Reservoir, Kamchatka, Russia Ц Gco-thermics. - 1996. - Vol. 25. - № I. - P. 63-90.
10. Kiryukhin A. V. Modeling study ol' the Mutnovsky geothermal field (dachny) in connection with the problem of steam supply for 50 mwe PP. proceedings. Twenty Ninth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford University, California (January 26 28, 2004). SGP TR 175. P* 7.
11. Kiryukhin A. V., Xu Т., Prue.ss K.. Apps J., Slovtsov I. I hermal-Hydradynamic-Chemical (THC) Modeling Based on Geothermal Field Data // Gcothcrmics. - 2IXM. - Vol. 33. - .Yl> 3. - P. 349-381.
12. Kiryukhin A.V.. Yampo/sky V.A. Modeling Study of the Pauzhctsky Geothermal Field, Kamchatka. Russia//Geotherrnics. 2004. Vol. 33. №4. 34 p.
13. Lodygin V.. Frolova.!., Rychagov S. Formation of Composition and Petrophysical Properties of Hydrothermally Altered Rocks in Geothermal Reservoir//Proc. WGC, 2000.-P.2695-2699,
14. Hruess K. TOUGH2 - General Purpose Numerical Simulator for Multiphase f luid and Heat Flow // LBL-29400. - May, 1991.
15. Pruvss JCTwo-Pluise Unsaturated Flow at Yucca Mountain, Nevada: A Report on Current Un de-rslanding // AGU. 2001. P. 113 133.
