Геотермалдық ұңғымалар қалай жұмыс істейді және орнатылады
Геотермалдық энергия - жердің ішіндегі жылуды пайдаланатын жаңартылатын энергия көзі. От сақинасы бойында орналасқан Индонезияны қоса алғанда, көптеген елдерде геотермалдық энергия электр энергиясын өндіру және жылуды тікелей пайдалану үшін үлкен әлеуетке ие. Геотермалдық энергияны пайдаланудағы ең маңызды компоненттердің бірі - жер асты резервуарынан ыстық сұйықтықтарға (бу және/немесе ыстық су) қол жеткізу үшін бұрғыланған ұңғыма, яғни геотермалдық ұңғыма. Бұл мақалада геотермалдық ұңғыманың қалай жұмыс істейтіні және оны орнатудың жалпы қадамдары талқыланады.
1. Геотермалдық ұңғыма дегеніміз не?
Геотермалдық ұңғыма – геотермалдық резервуар аймағына жету үшін белгілі бір тереңдікке бұрғыланған ұңғыма. Бұл резервуарда қысымды ыстық сұйықтық, бу, ыстық су және конденсацияланбайтын газдар (мысалы, белгілі бір концентрациядағы CO₂ және H₂S) қоспасы бар. Геотермалдық ұңғыманың бірнеше түрі бар; геотермалдық өріс әдетте мыналарды қамтиды:
1. Өндірістік ұңғыма: пайдалану үшін ыстық сұйықтықты жер бетіне ағызады.
2. Айдау ұңғымасы: қысым тұрақты болып қалуы және қоршаған орта жақсы қорғалуы үшін конденсацияланған суды немесе тұзды ерітіндіні (минералды құрамы жоғары ыстық су) резервуарға қайтарады.
3. Ұңғымаларды бақылау: қысымды, температураны және коллектордың жұмыс істеуін бақылау.
Ұңғымалардың осы үйлесімімен геотермалдық жүйе тұрақты жұмыс істей алады, коллекторлық балансты сақтайды және кен орнының пайдалану мерзімін ұзартады.
2. Геотермалдық ұңғымалар қалай жұмыс істейді
Геотермалдық ұңғыманың қалай жұмыс істейтіні су қоймасының сипаттамаларына және қолданылатын генерациялау технологиясына байланысты. Дегенмен, жалпы қағида мынаған негізделеді:
а) Геотермалдық жылу су қоймаларында түзіліп, сақталады
Жылу Жердің тереңінен, магма белсенділігінен немесе табиғи жылу градиенттерінен пайда болады. Төмен қарай сіңіп жатқан жер асты сулары қызып, кеуекті немесе жарықшақты жыныстарда ұсталып, резервуарларды құрайды. Тереңдіктегі жоғары қысым сұйықтықтардың айтарлықтай мөлшерде энергия жинауына мүмкіндік береді.
b) Ыстық сұйықтық өндіріс ұңғымасы арқылы көтеріледі
Өндіріс ұңғымасы ашылған кезде, қысым айырмашылығы сұйықтықтың жоғары қарай жылжуына әкеледі. Кейбір жағдайларда сұйықтық сорғысыз өздігінен (артезиан) ағып кетуі мүмкін. Кейбір түрлерінде, әсіресе орташа температуралы геотермалдық жүйелер үшін, ұңғыма сорғысы қажет болуы мүмкін.
c) Бу мен суды бөлу (қажет болса)
Егер шығатын сұйықтық бу мен судың қоспасы болса, беттік сепаратор қолданылады. Бу турбинаға бағытталады, ал ыстық суды (тұзды ерітінді) айдау ұңғымасына қайтаруға немесе басқа мақсаттарда (мысалы, жылыту, кептіру немесе өнеркәсіптік процестер) пайдалануға болады.
d) Электр энергиясына немесе тікелей жылуға түрлендіру
Геотермалдық электр станцияларының үш негізгі схемасы:
– Құрғақ бу: құрғақ бу турбинаны тікелей айналдырады.
– Жарқылдаған бу: қысымдағы ыстық су төмен қысымда буға «жарқылдайды»; бу турбинаны айналдырады.
– Екілік цикл: Геотермалдық сұйықтықтан шыққан жылу жылу алмастырғыштағы екінші реттік жұмыс сұйықтығын (мысалы, изобутан) қыздырады; жұмыс сұйықтығы буланып, турбинаны айналдырады. Бұл схема төменгі қабат температурасына жарамды және тұйықталған циклге бейім, бұл шығарындылардың төмендеуіне әкеледі.
e) Сұйықтықты резервуарға қайта айдау
Энергия алынғаннан кейін, қалған сұйықтық әдетте инъекциялық ұңғыма арқылы қайта айдалады. Инъекция көмектеседі:
- резервуардағы қысымды ұстап тұру;
- өндірістің төмендеу қаупін азайту;
– қоршаған ортаға минералды сулардың шығарындыларын азайту;
– ұзақ мерзімді тұрақтылықты қолдайды.
3. Геотермалдық ұңғымаларды орнату кезеңдері
Геотермалдық ұңғымаларды орнату - геологиялық зерттеулерді, бұрғылау техникасын, қауіпсіздікті және қоршаған ортаны қорғауға рұқсат беру мен басқаруды қамтитын күрделі процесс. Жалпы қадамдар келесідей:
1) Алдын ала және барлау зерттеулері
Бұрғылау алдында болашақ орындарды анықтау және ұңғымалардың істен шығуына байланысты жоғары шығындар қаупін азайту үшін зерттеу жүргізіледі. Бұл кезеңге мыналар кіреді:
– Геологиялық зерттеулер: тау жыныстарын картаға түсіру, жарықшақтардың құрылымдары, жер бетінің көріністері (ыстық бұлақтар, фумаролдар).
– Геохимия: су қоймасының температурасын және сұйықтықтың шығу тегін бағалау үшін ыстық судың құрамын талдау.
– Геофизика: жер асты құрылымдарын картаға түсіру үшін магнитотеллурлық (МТ), гравитациялық, сейсмикалық немесе кедергілік әдістері.
– Ұңғыма орнын таңдау: қолжетімділікті, топографияны, қауіпсіздікті және ықтимал жылу қорларын ескеру.
Барлау нәтижелері нысаналы тереңдікті, бұрғылау бағытын (тік немесе бағытталған) және техникалық жобалауды анықтайды.
2) Лицензиялау, AMDAL және алаңды дайындау
Геотермалдық жобалар ауқымды және көбінесе сезімтал аймақтарда орналасқандықтан, келесі әрекеттерді орындау қажет:
- ережелерге сәйкес лицензиялау;
– қоршаған ортаны зерттеу (мысалы, AMDAL),
– қоғамдық кеңес беру және әлеуметтік басқару жоспарлары.
Далада шектеулі жерді тазарту, ұңғыма алаңдарын салу, жолға шығу және жаңбыр суы мен бұрғылау ерітіндісін тазартуға арналған дренаж жүйесі жүргізілді.
3) Бұрғылау қондырғылары мен жабдықтарын жұмылдыру
Геотермалдық бұрғылау қондырғылары мұнай және газ қондырғыларынан бірнеше жағынан ерекшеленеді, ең алдымен жоғары температура мен коррозияға ұшырау мүмкіндігіне байланысты. Тасымалданатын жабдыққа мыналар кіреді:
– мұнара және көтергіш жүйе,
– балшық сорғысы,
– бұрғылау құбыры және бұрғы ұшы,
– ұңғыманы басқару жабдығы (өрттің шығуына жол бермеуші/BOP),
– сұйықтықты өңдеу жүйелері, цистерналар және қауіпсіздік құралдары.
4) Бұрғылауды кезең-кезеңімен жүргізу (қималық бұрғылау)
Геотермалдық ұңғымалар әдетте тереңдікке қарай диаметрі төмендейтін кезеңдермен бұрғыланады:
– Өткізгіш корпусы: жердің ең жоғарғы бөлігін тұрақтандыруға және құлаудың алдын алуға арналған бастапқы құбыр.
– Беткі қабық: таяз сулы қабаттарды қорғайды және бастапқы қорғауды қамтамасыз етеді.
– Аралық қаптама (қажет болған жағдайда): белгілі бір тұрақсыз немесе қысымды тау жыныстары аймақтары үшін.
– Өндірістік қаптама/қаптама: сұйықтық ағынын басқару үшін өндіріс аймағын қаптау.
Бұрғылау кезінде бұрғылау ерітіндісі тау жыныстарының шламдарын көтеру, ұңғыма оқпанын тұрақтандыру, қысымды бақылау және бұрғы ұшын салқындату үшін қолданылады. Геотермалдық жағдайда қосымша қиындықтарға тау жыныстарының сынуынан туындаған айналымның жоғалуы және балшықтың қасиеттеріне әсер ететін экстремалды температура жатады.
5) Қаптаманы орнату және цементтеу
Әрбір бөлік бұрғыланғаннан кейін, қаптама және цементтеу жүргізіледі. Цементтеу өте маңызды, себебі ол келесі мақсаттарға бағытталған:
– корпусты тау жыныстарының түзілуіне бекітіңіз,
– қабаттар арасында сұйықтықтың ағуын болдырмау,
– жоғары температурада ұңғыманың тұтастығын жақсарту.
Геотермалдық цемент материалдары ұңғыма қыздыру-салқындату циклінен өткен кезде жарылудың алдын алу үшін ыстыққа және термиялық төзімділікке арналған.
6) Ұңғыманы бақылау және қауіпсіздік
Геотермалдық энергия қысымды бу мен H₂S сияқты қауіпті газдарды шығаруы мүмкін. Сондықтан қауіпсіздік стандарттары өте қатаң, соның ішінде:
– BOP орнату,
– ұңғыманы бақылау процедуралары,
- газ мониторингі;
- жеке қорғаныс құралдарын пайдалану,
- төтенше жағдайларға жауап беру жоспары.
7) Ұңғыманы аяқтау және ынталандыру
Мақсатқа жеткеннен кейін аяқтау кезеңі келесідей орындалады:
– ұңғыма сағасын және қауіпсіздік клапанын орнату,
– тесіктерді орнату немесе белгілі бір өндірістік аймақтарды ашу (жобаға байланысты),
– ынталандыру (қажет болған жағдайда), мысалы, сұйықтық ағынының өткізгіштігін арттыру үшін ұңғыманы тазалау немесе өңдеу.
Геотермалдық жүйелерде аяқтау жұмыстарында масштабтау (кремний диоксиді немесе кальцит сияқты минералдардың тұнбаға түсуі) және коррозия ескерілуі керек.
8) Өндірістік сынақтар (ұңғымаларды сынау)
Ұңғыма бұрғыланғаннан кейін, ол бірден тұрақты пайдаланылмайды. Сынақтар жүргізіледі, мысалы:
– бу/су өндірісінің жылдамдығын өлшеуге арналған ағын сынағы,
– температура мен қысымды өлшеу,
– сұйықтықтардың химиялық талдауы,
– ағынның тұрақтылығын және масштабтау әлеуетін бағалау.
Сынақ деректері ұңғыманың өндіруге жарамдылығын, жөндеуді қажет ететінін немесе айдау ұңғымасы ретінде пайдалануға арналғанын анықтайды.
9) Жер үсті нысандарына интеграциялау
Ұңғыма пайдалану кезеңіне өткен кезде, ұңғыма келесіге қосылады:
– екі фазалы құбырлар (бу-су) немесе бу құбырлары,
– сепаратор және скраб,
– генератор (турбина, конденсатор, салқындатқыш мұнара),
– кері инъекциялық желі.
Барлық желі жоғары температураға, қысымға және коррозиялық жағдайларға төтеп беруге арналған.
4. Геотермалдық ұңғымаларды орнатудағы негізгі қиындықтар
Геотермалдық ұңғымаларды орнату өте ерекше қиындықтарға тап болады, мысалы:
– Құралдың тозуын жеделдететін және цемент/қаптамаға әсер ететін экстремалды температуралар.
– Жарылған тау жыныстарындағы айналымның бұзылуы, бұл бұрғылау шығындары мен уақытын арттыруы мүмкін.
– Құбырлар мен беткі жабдықтарға әсер ететін қақ түзілуі және коррозия.
– H₂S тәуекелдері және азайту және бақылау жүйелерін қажет ететін газ шығарындылары.
– Орындарға жету көбінесе таулы жерлерде болады, сондықтан логистика қиын.
Сондықтан, геотермалдық жобалау, материалдар және пайдалану процедуралары ұзақ мерзімді сенімділікке баса назар аударады.
5. Қорытынды
Геотермалдық ұңғымалар геотермалдық энергияны жинаудың негізгі қақпасы болып табылады: су қоймасынан шыққан ыстық сұйықтықтар өндірістік ұңғымалар арқылы көтеріледі, электр энергиясын өндіру немесе тікелей жылу беру үшін жер бетінде өңделеді, содан кейін тұрақты және тұрақты жүйені сақтау үшін айдау ұңғымалары арқылы жер астына қайтарылады. Орнату бірқатар қадамдарды қажет етеді, барлау және рұқсат беруден бастап бұрғылауға, қаптамаларды және цементті орнатуға, өндірістік сынақтан өткізуге және өндіруші қондырғыларды біріктіруге дейін. Мұқият жоспарлау және жоғары қауіпсіздік стандарттары арқылы геотермалдық ұңғымалар таза энергияға көшуді және ұлттық энергетикалық қауіпсіздікті қолдау үшін стратегиялық инфрақұрылымға айнала алады.
Қаласаңыз, мен бұл мақаланы техникалық тұрғыдан (мысалы, құбыр параметрлерін, цемент түрлерін және ұңғыма сағасының схемаларын қосу) немесе жалпы оқырмандар үшін танымал етуге, сондай-ақ сөз санының қажетінше шамамен 1000 сөзден тұруын қамтамасыз етуге бейімдей аламын.
