Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тепловое питание гидротермальных систем и особенности тепломассопереноса в областях современного вулканизма 9
1.1. Освоение геотермальных ресурсов (состояние проблемы) 9
1.2. Источники тепла в гидротермальных системах 15
1.3. Модели высокотемпературных гидротермальных систем 22
1.3.1. Общие положения 22
1.3.2. Вододоминирующие системы 25
1.3.3. Пародоминирующие системы 29
Глава 2. Мутновское геотермальное месторождение (общая характеристика и концептуальная модель). 34
2.1. Гидротермальные ресурсы Камчатки 34
2.2. Общая характеристика Мутновского месторождения 42
2.2.1. Тектоническая позиция и геологическое строение 42
2.2.2. Естественные теплопотери 54
2.2.3. Гидрогеологические условия 61
2.3. Концептуальная модель Мутновского гидротермального резервуара 70
Глава 3. Моделирование тепломассопереноса в мутновском геотермальном резервуаре 77
3.1. Численное моделирование тепломассопереноса с помощью программы TOUGH2 77
3.2. Мутновское геотермальное месторождение: моделирование естественного состояния 80
3.2.1. Новая численная термогидродинамическая модель (Вереина, 2003, 2004,2005,2007) 84
3.2.2. Численная термогидродинамическая модель (Кирюхин - Вереина, 2005-2009) 91
3.3. Мутновское геотермальное месторождение: моделирование эксплуатации (Кирюхин — Вереина, 2005 - 2009) 100
3.3.1. Задание на модели динамики взаимодействия «резервуар -скважина» 102
3.3.2. Моделирование условий обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт 102
Заключение 113
Литература 116
Перечень рисунков 126
- Источники тепла в гидротермальных системах
- Общая характеристика Мутновского месторождения
- Мутновское геотермальное месторождение: моделирование естественного состояния
- Мутновское геотермальное месторождение: моделирование эксплуатации (Кирюхин — Вереина, 2005 - 2009)
Введение к работе
Внутреннее тепло Земли, так ярко проявляющееся в вулканической и гидротермальной деятельности, является не только движущей силой геологических процессов, но и источником экологически чистой энергии, которая находит разнообразное практическое применение. Одно из важнейших направлений освоения глубинного тепла — его использование для создания геотермальных электростанций (ГеоЭС), что особенно актуально в областях современного вулканизма. Для строительства ГеоЭС необходимо всестороннее углубленное изучение гидрогеотермальных резервуаров и создание их корректных математических моделей, которые позволяют оптимально организовать бурение для добычи природного теплоносителя и распределение нагрузки эксплуатационных скважин. Это предопределило актуальность исследований, составивших предмет данной диссертации и крайне важных для Курило-Камчатского региона России, обладающего значительными геотермальными ресурсами и в то же время находящегося в зависимости от импорта энергоносителей.
Цель работы:
Исследование высокотемпературной гидрогеотермальной системы (ГТС) как области циркуляции глубинного теплоносителя и источника энергии для многоцелевого практического использования, оценка источников и условий теплового и водного питания системы для оптимизации ее эксплуатации (на примере Мутновского месторождения).
Основные задачи исследования:
Исследование структуры теплового питания высокотемпературных гидротермальных систем.
Сравнительный анализ концептуальных гидрогеологических моделей Мутновского геотермального месторождения.
Изучение условий формирования и оценка гидрогеологических характеристик Мутновского геотермального месторождения на численной термогидродинамической модели (включающей Дачный, Верхне-Мутновский и Вулканный участки).
Анализ условий эксплуатации Дачного участка Мутновского геотермального месторождения на детализированной численной термогидродинамической модели, включающей продуктивную зону и массив вмещающих горных пород.
Методы исследований - численное моделирование геотермального резервуара осуществлялось с помощью программы TOUGH2 (National Lawrence Berkeley Laboratory, США) и препроцессора PetraSim, разработанных для моделирования тепломассопереноса в высокотемпературных гидротермальных резервуарах и прогноза их эксплуатации.
Фактическая основа исследований:
В основу моделирования положены материалы предварительной разведки на участке Дачный Мутновского месторождения парогидротерм для обоснования проекта строительства первой очереди ГеоЭС, а также опубликованные данные по эксплуатации Мутновского геотермального месторождения в период 1999-2005 гг. и результаты личных наблюдений автора во время полевых работ на Мутновском месторождении в 2004 г.
Научная новизна:
1. Впервые рассмотрено не только геотермальное месторождение, но и прилегающая область (Мутновский геотермальный район) в рамках единой численной модели. Построена трехмерная численная термогидродинамическая модель Мутновского геотермального района, включающая участки Дачный, Верхне-Мутновский и Вулканный. На модели обосновано положение зон восходящих потоков глубинного теплоносителя, выполнены оценки их расходов и теплосодержания в южной части месторождения.
Детализирована численная термогидродинамическая модель гидротермального резервуара участка Дачный Мутновского геотермального месторождения. Модель учитывает тепломассобмен между продуктивной зоной и вмещающим массивом горных пород.
Выполнено прогнозное численное моделирование эксплуатации продуктивной зоны «Основная» на участке Дачный для обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт эл. в течение 15 лет, с оценкой различных схем реинжекции и анализом условий формирования эксплуатационных запасов.
Защищаемые положения:
Численное моделирование естественного состояния высокотемпературных гидротермальных резервуаров позволяет оценить параметры,их теплового и водного питания — энтальпию и расход восходящего потока глубинного теплоносителя. В связи с решением этой задачи нет необходимости в выяснении геометрии и состояния питающих магматических систем.
Обоснована региональная численная термогидродинамическая модель Мутновского геотермального района. С помощью TOUGH2-моделирования уточнено пространственное положение и параметры зон притока глубинного теплоносителя в южной части субмеридиональной Северо-Мутновской вулканотектонической зоны.
3. Обоснована численная термогидродинамическая модель высоко температурного гидротермального резервуара Дачный Мутновского ме сторождения, учитывающая теплообмен продуктивной зоны с вмещающим массивом горных пород. С помощью ТОиОН2-моделирования установлен существенный приток инфильтрационных вод (60 кг/с) в резервуар в про цессе его эксплуатации; обоснован возможный режим подключения до полнительных скважин для обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт в течение 15-летней эксплуатации. Определено влияние реинжекции на параметры добычных скважин.
Практическая ценность работы:
Результаты прогнозного численного моделирования показывают возможность обеспечения в течение 15-ти лет Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт теплоносителем с центрального блока участка Дачный путем бурения дополнительных эксплуатационных скважин в юго-восточном секторе зоны «Основная» и повышения эффективности эксплуатации при различных схемах реинжекции и условии ликвидации притоков инфильт-рационных вод.
Реализация и внедрение результатов работы:
Тестирование численной термогидродинамической ТОиОН2-модели участка Дачный Мутновского геотермального месторождения, включающей продуктивную зону «Основная» и массив вмещающих горных пород, осуществлялось в связи с реализацией хоз. договора ИВиС ДВО РАН с ОАО «Геотерм» №30.
Апробация работы:
Результаты исследований докладывались на Международном геотермальном семинаре «Тепло и свет из недр Земли», (г. Петропавловск-Камчатский, 9-15 августа 2004 г.); VII международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, апрель 2005 г.); Международном Геотермическом Конгрессе WGC-2005 (г. Анталия, Турция, 24-29 апреля 2005 г.); 30-м и 32-м Международных геотермальных семинарах (г. Стэн-форд, США, 2005, 2007).
Публикации — по теме диссертации автор имеет 9 публикаций.
Работа выполнена в 2004-2009 гг. в лаборатории тепломассопереноса Геологического института Российской Академии наук. Автор очень обязан В.И.Кононову и М.Д. Хуторскому за поддержку этого исследования и ценные советы и своему научному руководителю А.В. Кирюхину (ИВиС ДВО РАН) за постоянную помощь и консультации при его выполнении. Автор глубоко благодарен АО «Геотерм» и АО «Наука» за предоставление необходимых материалов. Он очень признателен Г. Бьорнссону и А. Хьартар-сону (UNU GTP, Исландия) за ценные рекомендации в процессе исследования, а также В.М. Сугробову (ИВиС ДВО РАН) за конструктивную критику рукописи.
Источники тепла в гидротермальных системах
Обсуждая проблему теплового питания гидротермальных систем, представляется полезным предварительно уточнить содержание терминов «термальные воды» и «гидротермальные системы».
В горнопромышленной практике «термальными» считают воды, температура которых на выходе достаточно высока для использования в определенных целях - выработки электроэнергии, теплоснабжения зданий и т.п., отчего некоторые (например, А.А. Шпак и др. [1989]) называли эти воды «теплоэнергетическими». В бальнеологии (курортологии) «термальными» принято называть теплые или горячие лечебные воды, вызывающие соответственные физиологические ощущения. Так, A.M. Овчинников [1947] приводит Международную бальнеологическую классификацию, согласно которой воды с температурой ниже 20С считаются холодными, от 20 до 37С - субтермальными, от 37 до 42С - термальными и выше 42С -гипертермальными. Он указывает, что некоторые исследователи называют «термами (абсолютными) источники, температура которых выше максимальной температуры воздуха на земном шаре, т.е. более 34С» (там же, с. 81). В то же время сам он имел на этот счет совершенно иное мнение, называя термальными все восходящие источники, температура воды которых выше местной среднегодовой температуры воздуха (там же). В этом он следовал К. Кейльгаку, который еще в 1912-1917 гг. четко сформулировал: «Понятие теплого источника или теплой подземной воды, обозначающее такой источник или такую воду, температура которой выше средней годовой температуры данной области, не имеет постоянного, абсолютного значения, но колеблется... настолько..., что... в полярных областях со средней годовой температурой в 0С воду, имеющую температуру хотя бы в 1С, следует уже обозначить как "теплую" или "термальную"...» [Кейль-гак, 1935, с.92]. С физической (геофизической) точки зрения такое представление кажется наиболее объективным, так что термальными можно считать все подземные воды, залегающие ниже слоя годовых теплооборо-тов.
В этом свете термин «гидротермальные системы» буквально (в широком смысле слова) должен определять все циркуляционные системы подземных вод, нагретых глубинным теплом до температур, превышающих климатическую среднегодовую для данной местности, т.е. гидрогеологические бассейны и водонапорные системы любого масштаба, теплового режима и типа циркуляции вод.
Однако чаще термин «гидротермальные системы» употребляют в более узком смысле, понимая под ним, вслед за В.В. Аверьевым [1960], специфические гидродинамические системы, которые возникают в земной коре областей современного вулканизма при внедрении глубинного теплоносителя - магматического расплава или субкритического водного флюида -и обособляются в пределах отдельных геологических структур [Вакин и др., 1971]. В данной работе термин «гидротермальные системы» применяется именно в этом смысле. По мнению В.В. Аверьева, такие системы могут на глубине объединяться единым фронтом теплового питания, образуя в вулканических областях «геотермальные районы», а участки систем, удобные для извлечения и эксплуатации глубинного тепла, представляют собой «геотермальные месторождения». Практически такое же содержание вкладывают в это понятие зарубежные ученые, считающие, что гидротермальная система (конвективная геотермальная система) — это гидрогеоло-гическая структура, характеризующаяся конвективным тепломассоперено-сом, которая включает области питания, фильтрации и разгрузки флюидов как внутри конкретного месторождения, так и за его пределами. [Grant et al., 1982].
При разгрузке термальных флюидов на дневную поверхность или дно акваторий происходит конвективный вынос тепла из недр, который дополняет кондуктивные теплопотери Земли.
Кондуктивный тепловой поток из недр определяется его плотностью q, находимой из соотношения qx=gradT X, где gradT - геотермический градиент, а X — теплопроводность горных пород. Как известно [Поляк, Смирнов, 1966, 1968; Hamza, Verma, 1969; Sclater, Francheteau, 1970; и др.], эта плотность зависит от возраста тектоно-магматической активности в земной коре и в континентальной уменьшается по мере удревнения возраста ее складчатости до наблюдаемого в докембрийских щитах планетарного фонового минимума около 40 мВт/м (встречаются и меньшие ее значения, трассирующие аномалии разного масштаба и генезиса). Эта плотность воз-растает до -47 мВт/м в каледонидах, —52 мВт/м в герцинидах, -62 мВт/м в мезозоидах, а в тектонически мобильных поясах и островных дугах с проявлениями вулканической активности - до -80 мВт/м2 и более [Тепловойрежим..., 1970; Смирнов, 1980].
Фоновый кондуктивный теплопоток формирует в недрах соответствующее распределение глубинных температур. В этом геотемпературном поле постоянно циркулируют подземные воды, вовлеченные в конвекционные циклы разной глубины и скорости. Это приводит к перераспределению фонового кондуктивного теплового потока, будучи одной из причин приповерхностных искажений его регионального глубинного значения. На нисходящей ветви конвекционного цикла инфильтрующиеся подземные воды нагреваются, охлаждая геологический разрез, а на восходящей остывают, отдавая в той или иной мере (в зависимости от соотношения скоростей миграции вод и теплообмена в коллекторах) аккумулированное до этого тепло окружающим породам и вынося избыток его за пределы литосферы.
Общая характеристика Мутновского месторождения
Мутновское месторождение представляет собой один из участков выделенной Е.А. Вакиным [1968] Северо-Мутновской гидротермальной системы (СМГТС). Как и эта система, месторождение названо по имени активного вулкана Мутновского (2323 м), в 9 км к северу от которого оно находится (рис. 2.2). В XIX-XX веках произошло 16 извержений Мутновского вулкана [Мелекесцев и др., 1987], а в XXI уже два - 17 марта 2000 г. [Зеленский и др., 2002] и 17 апреля 2007 г. [Гавриленко и др., 2007]. Активен также и соседний вулкан Горелый (1829 м): за два последних века он извергался не менее 10 раз, последний в 1985 г. [Мелекесцев и др., 1987].
Систему вместе с вулканами включают в Мутновский геотермальный район площадью около 750 км . Его территория - вулканическое нагорье с отметками 700-900 м, рассеченное V-образными каньонами рек Фальшивой, Мутновской и Жировой.
Геологическое строение района и проявления в нем вулканической и гидротермальной деятельности изучали СЕ. Апрелков, Е.А. Вакин, Е.Н. Гриб, И.Т. Кирсанов, Т.П. Кирсанова, А.В. Кирюхин, В.Л. Леонов, К.И. Мальцева, Т.Ю. Маренина, СВ. Остапенко, Б.Г. Поляк, А.Е. Святловский, А.И. Сережников, В.М. Сугробов, Ю.А. Таран, И.И. Чернев и другие исследователи. Ниже они характеризуются, в основном, по данным работ Е.А. Вакина с коллегами [Вакин, Пилипенко, 1979; Вакин, Сугробов, 1986; Вакин и др., 1976, 1986], В.Л. Леонова [1986], а также более поздней сводке данных, полученных при разведке Мутновского месторождения [Федотов, Карпов, Делемень и др., 2001 г.].
Мутновский геотермальный район находится на восточном побережье Камчатки в 70 км к югу от г. Петропавловска-Камчатского и приурочен к одной из плиоценовых грабен-синклиналей Южной Камчатки [Святловский, 1967; Эрлих, 1973; Трухин, Петрова, 1977]. Путем совместной интерпретации сейсмических и гравиметрических данных в пределах этого прогиба определено положение кровли меловых пород (рис. 2.3) и глубина залегания кристаллического фундамента (более 6 км). Последний, судя по его выходам в Срединном массиве Камчатки, сложен сильно метаморфи-зованными домеловыми породами. В его кровле, по данным глубинного сейсмического зондирования выделяется разуплотненный горизонт, предположительно считающийся корой выветривания [Федотов и др., 2001]. Меловые породы, обнажающиеся за пределами района, представлены ту-фогенно-осадочными кремнистыми образованиями, метаморфизованными в зеленосланцевой фации. Часть прогиба, в которой расположены вулканы Горелый и Мутновский имеет субмеридиональное простирание.
Мутновский геотермальный «район маркирует крупный долгоживу-щий магматический центр, возникший на пересечении региональных глубинных разломов камчатского (субмеридионального) и трансформного (широтного) простирания и мощных зон разрывных нарушений северовосточного и северо-западного простираний» [Вакин и др., 1986, с. 9]. В его пределах вулканическая и гидротермальная активность длится с конца олигоцена до настоящего времени. Схема геологического строения района представлена на рис. 2.4. Разрез его сложен вулканогенными и вулкано-генно-осадочными неоген-четвертичными образованиями - лавами, туфами, конгломератами, песчаниками, алевролитами - суммарной мощностью более 2 км. В истории вулканизма преобладали продукты основного состава (базальты и андезито-базальты). На их фоне из сформировавшихся вблизи поверхности гранитоидных (предположительно, анатектических [Вакин, Пилипенко, 1979, с. 39]) очагов в среднем и позднем плейстоцене произошли извержения игнимбритов. Они сопровождались образованием кальдеры вулкана Горелого радиусом -13 км, а вдоль ограничивающих ее кольцевых разломов - экструзиями остатков кислой магмы, сформировавшими, в частности, сопки Двугорбую и Скалистую.
Условные обозначения см. на след. стр. Прямоугольником отмечены границы рис. 2.5. - голоценовьте пирокластические (а) и аллювиально-пролювиальные (б) отложения; 2-4 — верхнеплеистоцен-голоценовые: шлаковые конусы и потоки базальтов (2), экструзии риолитов (3), риолит-дацитовьте пемзы (4а) и пемзовые туфы (46); 5 -современные стратовулканы (верхнеплеистоцен-голоценовые лавы, шлаки, агглютинаты, туфы преимущественно базальтового состава); 6 -верхнеплейстоценовые лавы, агглютинаты, туфы преимущественно базальтового состава; 7 - верхнеплейстоценовые игнимбриты и обсидианы дацитового состава, 8 -средне-верхнеплейстоценовый экструзивно-пирокластический комплекс аппаратов гг. Двугорбой и Скалистой (андезиты, дациты, риолиты и их туфы); 9 — средне-верхнеплейстоценовые лавы, туфы, туфобрекчии андезито-базальтового, андезитового, андезито-дацитового составов древней постройки вулкана Мутновского; 10 - средне-верхнеплейстоценовый экструзивно-пирокластический комплекс древней постройки вулкана Горелого (андезиты, дациты, риолиты, их туфы); 11 - игнимбриты вулкана Горелого андезито-дацитового состава; 12 — нижне-среднеплейстоценовьте лавы, туфы, агглютинаты базальтов и андезито-базальтов вулкана Жировского; 13 — плиоцен-нижнеплейстоценовые лавы, туфы, туфобрекчии, туффиты, туфоконгломераты разнообразног состава (от базальтов до риолитов); 14 - плиоценовые экструзии дацитов, риолито-дацитов, риолитов; 15-17 —миоценовые: интрузии диоритов (15), гранодиоритов и кварцевых диоритов (16), потоки, дайки, штоки андезитов, дацитов, риолитов (17); 18 - оси основных тектонических зон установленные (а) и предполагаемые (б); 19 - вулкано-тектонические уступы, кромки кратеров и кальдер; 20 - активные кратеры вулканов; 21 - парогазовые струи: фумаролы (а), парогидротермы (б); 22 - термальные источники горячие восходящие (а) и теплые нисходящие (б); 23 - вулканические постройки.
Мутновское геотермальное месторождение: моделирование естественного состояния
Цель моделирования естественного состояния геотермального резервуара состоит в том, чтобы получить расчетное распределение давления и температуры, которое бы соответствовало данным, полученным при измерениях в скважинах. Таким образом, мы имеем дело с «обратной» задачей, а именно, необходимо найти исходные параметры (распределение проницаемости, расход и энтальпию притока), которые обеспечивали бы заданное распределение наблюдаемых величин давления и температуры.
Ниже приведен краткий обзор ранее разработанных численных моделей Мутновской системы
Модель Кирюхина-Сугробова [1987]. В этой работе модель теплопе-реноса, описывающая остывание в гидротермальной системе двух горячих магматических тел с начальной температурой 700 С, исследовалась с помощью программы CONVEC. Центр одного из тел по геолого-геофизическим данным предполагался на глубине 7,4 км, другого — на глубине 9 км, в стороне от первого. Общий объем этих тел принимался рав-ным 275 км . Считалось, что эти тела внедрились 35 тыс. лет назад в водо-насыщенный резервуар протяженностью 15 км и шириной 5 км. В левой части модели задавалась инфильтрация вод со средней интенсивностью 5 кг/с км , в правой - их разгрузка. Под воздействием тепловых источников в резервуаре формируется термоаномалия, близкая по форме к фактиче скому распределению температур в пределах Мутновского геотермального месторождения (рис. 3.2). Тепловая мощность разгрузки, полученная для этой модели, оказалась равной 168 МВт.
Модель Кирюхина [1996, 2002]. В работах [Kiryukhin, 1996; Кирю-хин, 2002] исследовалась более детальная модель, включающая Дачный и Верхне-Мутновский участки Мутновского геотермального месторождения. Для создания этой модели использован вычислительный код TOUGH2 и трехмерная прямоугольная вычислительная сетка (контуры модели в плане изображены на рис. 3.3 и 3.4), состоящая из 5-ти слоев в диапазоне глубин от поверхности до -1000 м. Данная модель не включает в качестве внутренних тепловых источников магматические тела, предполагавшиеся первой моделью. Вместо этого во второй модели задаются внешние источники, описывающие кондуктивный тепловой поток через основание резервуара и приток в него глубинного теплоносителя. Моделирование естественного состояния резервуара представляет собой решение обратной задачи по оценке этих внешних источников, причем в качестве критерия схо димости используются фактические значения температур и давлений в исследуемом резервуаре. В результате моделирования получен следующий тепловой и массовый балансы для геотермального резервуара (табл. 3.1).
Модель естественного состояния Мутновского месторождения, предложенная в работах [Vereina, 2003, 2004, 2005, 2007], включала участки Дачный, Верхне-Мутновский и Вулканный.
Основные предположения. В начальный момент времени рассматриваемая система (резервуар и близлежащая область) считается холодной. С какого-то момента начинается постоянный приток горячего флюида, и система начинает нагреваться. Т.о., один из основных параметров модели -«максимальное время прогрева». Поскольку естественное состояние системы предполагается стационарным, то «время прогрева» принимается достаточно большим, в данном случае 1 млн. лет (считается, что за это время в системе установится стационарное распределение термогидродинамических параметров).
Генерация вычислительной сетки. Для создания модели были использованы вычислительный код TOUGH2 и 5-слойная вычислительная сетка (рис. 3.5), построенная с помощью генератора вычислительных сеток A-Mesh [Haukwa, 1998]. Сетка содержит пять слоев (А, В, С, D, Е, табл. 3.2), каждый из которых состоит из 160 элементов, мощность каждого слоя 500м, абс. отметка первого слоя +250 м. Распределение элементов сетки следует из геометрии исследуемой области, которая определяется наличием фактически пробуренных скважин и основными разломными зонами меридионального и северо-восточного простирания (рис. 2.9, 3.5а). При генерации сетки осуществлялось сгущение элементов вдоль проницаемых зон разломов (рис. 3.56).
Граничные условия. В элементах верхнего слоя заданы постоянные давление и температура, что обеспечивает граничные условия разгрузки. В элементах нижнего активного слоя «D» (со средней глубиной -1250 м абс. отм.) заданы массовые и тепловые источники, что обеспечивает условия теплового и водного питания гидротермального резервуара.
Начальные условия для моделирования приводятся в табл. 3.2. Начальная температура задавалась постоянной внутри каждого слоя и линейно возрастающей с глубиной (за исключением последнего слоя, где задана температура 280 С). Начальное распределение давления гидростатическое (рассчитано по распределению температуры с помощью программы PREDYP [Arason et al., 2003]).
Мутновское геотермальное месторождение: моделирование эксплуатации (Кирюхин — Вереина, 2005 - 2009)
Такой подход отличен от позднейшего, реализованного в работе [Пашкевич, 2009; Пашкевич и др., 2009], в которой нет ссылок на наши более ранние публикации.
Моделирование естественного состояния заключалось в ре-калибровке модели [Кирюхин и др., 2005] с учетом расширения вычислительной сетки и включения в нее массива вмещающих горных пород, что и показано в работе [Kiryukhin, Vereina, 2005]. Для моделирования естественного распределения температур, давлений и фазового состояния в резервуаре на модели были подобраны источники, стоки и распределение проницаемости таким образом, чтобы обеспечить наилучшую сходимость фактических данных и модельных результатов. Для ре-калибровки модели использовались данные по давлению, температуре и фазовому состоянию в ключевых элементах [Кирюхин и др., 2005], результаты калибровки показаны в табл. 3.6. В целом получена удовлетворительная сходимость между модельными и фактическими данными по температуре (среднее отклонение 3С) и фазовому состоянию (все модельные элементы кроме элемента «1»), являющимися наиболее достоверными измеряемыми характеристиками гидротермального резервуара. Среднее отклонение по давлению 0,9 бар, но при этом следует учесть, что начальные значения давления в основном рассчитывались по температуре насыщения, что снижает ценность их использования для калибровки модели.
Оценки параметров модели естественного состояния (по сравнению с оценками в работе [Кирюхин и др., 2005]) в целом не изменились существенно: общий расход восходящего потока теплоносителя, полученный на модели, оказался равным 54 кг/с, соответствующее распределение прони цаемости показано на рис. 3.12, оценки проницаемости в доменах (областях) STEAM, ROCKl, ROCK2 и ROCK3 на модели - 100 мД, 100 мД, 1 мД и 0,01 мД, соответственно. Проницаемость массива вмещающих горных пород оценивается равной ОД мД, при более высоких значениях сходимость модели с фактическими данными ухудшается.
Исходные данные для калибровки модели. Калибровка модели эксплуатации основана на имеющихся данных по начальным термогидродинамическим характеристикам эксплуатационных скважин 016, 26, 029W, 4Е, А2 и 5Е (табл. 3.7), данных по изменению их устьевого давления в процессе эксплуатации, данных по изменению суммарного расхода пара и сепарата (скв. 016, 26, 029W, 4Е, 5Е, А2, 037 и 24) на сепараторе ГеоЭС в процессе эксплуатации 2002-2004 гг. (рис. 3.13).
Коэффициенты продуктивности PI существующих эксплуатационных скважин подбираются на модели из условия сходимости начальных расходов скважин (табл. 3.7). В развитие подхода изложенного в статье А.В. Кирюхина и др. [2005] для описания динамики взаимодействия резервуар-скважина вместо подпрограммы DEBIT используется внутренняя подпрограмма TOUGH2 V2.0. Это позволяет учесть зависимость коэффициентов продуктивности скважин от изменения фазового состояния и мо-бильностей фаз в гидротермальном резервуаре, что характерно для Мут-новского месторождения. Таким образом, расходы эксплуатационных скважин определяются в результате численного решения уравнения взаимодействия «резервуар-скважина», реализованного в виде внутренней подпрограммы TOUGH2V2.0: где Q — расход скважины, кг/с, k — относительная проницаемость, р — плотность теплоносителя, кг/м , fi — вязкость теплоносителя, Па с, /? - индекс соответствующей фазы, -давление в гидротермальном резервуаре (элементе модели, включающем рассматриваемую скважину), Па, Ръ - приведенное забойное давление в добычной скважине, Па.
Согласно работе [Кирюхин и др., 2005] для обеспечения теплоносителем Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт необходимо 95 кг/с пара. Прогнозное моделирование показало, что исходная группа добычных скважин 016, 26, 029W, Е4 и Е5 не решает эту задачу, даже при увеличении нагрузки эксплуатации в 2 раза. Согласно результатам моделирования, за 10 лет эксплуатации их суммарная паропроизводительность снизится с до 33 кг/с, а при двукратном увеличении нагрузки (удвоение источников в элементах модели 016, 26, 029W, Е4 и Е5) - с 130 до 40 кг/с. При этом давление в резервуаре (элемент модели A3) упадет на 13 и 18 бар, соответственно. Скважины 26 и 5Е выйдут из эксплуатации к 4-му и 5-му году соответственно. Исследование возможности повышения производительности продуктивной зоны «Основная» за счет использования ее юго-восточного сектора (область, ограниченная в плане многоугольником из скважин 029ДВ, 016, 01, 045 и 013) осуществлялось с помощью задания в элементах модели F18, F19, F20, F30, F29, F17, F16 (соответствующих продолжению продуктивной зоны «Основная» в направлении области поступления глубинного теплоносителя) дополнительные эксплуатационные скважины. Было показано, что включение семи дополнительных эксплуатационных скважин может обеспечить устойчивую суммарную паропроизводитель-ность, достаточную для генерации 50 МВт электроэнергии в течение 10 лет эксплуатации [Кирюхин и др., 2005].
В данной работе продолжен анализ возможных вариантов эксплуатации участка Дачный Мутновского геотермального месторождения. В качестве первого варианта моделирования (вариант ЕХЗ) рассмотрен вариант эксплуатации группы из пяти основных существующих продуктивных скважин (016, 26, Е4, 029W, Е5) аналогично варианту из статьи [Кирюхин и др., 2005], но уже с учетом тепломассообмена продуктивной зоны с вмещающими породами и с учетом зависимости коэффициентов продуктивности добычных скважин от изменяющегося в процессе эксплуатации паро-насыщения и мобильностей фаз (см. выше формулу (7)). На рис. 3.14 показаны результаты моделирования. Суммарная паропроизводительность группы рассматриваемых скважин за 10 лет эксплуатации снизится с 64,4 кг/с до 33 кг/с, за 15 лет - до 31 кг/с, давление в центральной наблюдательной скважине снизится за 10 лет с 44.7 бар до 33,2 бар, за 15 лет - до 32 бар. В целом эти результаты близки полученным ранее (в работе [Кирюхин и др., 2005]).
