ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2007, № 6, с. 583-593
УДК 551
ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО СОСТОЯНИЯ МУТНОВСКОГО ГЕОТЕРМАЛЬНОГО РЕЗЕРВУАРА (КАМЧАТКА)
© 2007 г. О. Б. Вереина
Геологический институт РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 7 E-mail: o_vereina@ginras.ru, vega-iris@mail.ru Поступила в редакцию 30.05.2007 г.
В статье представлены результаты моделирования естественного состояния Мутновского геотермального месторождения (Камчатка), осваиваемого для получения электроэнергии. Моделирование проведено с помощью программы TOUGH2 - наиболее совершенного на сегодняшний день инструмента анализа тепломассопереноса в пористо-трещиноватой среде. Оно базировалось на концептуальной модели геотермального резервуара, вытекающей из предыдущих исследований. Результаты подтвердили основные положения концептуальной модели - расположение источников тепла, картину течения флюида в резервуаре, расположение двухфазной зоны, и могут служить основой прогноза поведения Мутновского резервуара в процессе его эксплуатации.
Изучение геотермического поля свидетельствует о наличии в недрах Земли практически неисчерпаемых запасов тепловой энергии. Эти геотермальные ресурсы подразделяются на петро- и гидротермальные, в соответствии с тепловой энергией, аккумулированной соответственно в горных породах и в подземных водных флюидах. 11-ая Международная энергетическая конференция в Мюнхене оценила геотермальные ресурсы разбуренной части земной коры гигантской величиной, эквивалентной 137 трлн. тонн условного топлива, что в 10 раз больше суммарных разведанных ресурсов всех видов горючих ископаемых [Survey..., 1980]. Однако 90% этих ресурсов - пет-ротермальные. Схемы их использования разрабатывались в ряде стран, в том числе и в России, но пока их освоение нигде не вышло из стадии эксперимента [Дядькин, Парийский, 1977; Богуславский и др., 1996]. Использование же гидрогеотермальных ресурсов - парогидротерм и термальных вод - давно уже приняло промышленные масштабы, и к настоящему времени такие проекты реализованы в 71 стране [Lund et al., 2005].
Подземные термальные флюиды существенно различаются по тепловому потенциалу, типу и величине минерализации, содержанию газов и пр. Самые высокотемпературные гидротермальные системы сосредоточены в тектонически мобильных поясах земной коры с проявлениями новейшего вулканизма и магматической деятельности. В этих регионах на глубинах 1-2 км вскрыто более 100 гидротермальных систем с температурой 180-240°С, а в некоторых случаях и более 300°С [Kononov, 1992].
На Камчатке насчитывается около 150 групп источников маломинерализованных (1-5 г/кг), в основном С1-№ термальных вод и 11 крупных па-рогидротермальных систем (рис. 1). По расчетам Института вулканологии ДВО РАН [Sugrobov, 1995], выявленные здесь гидротермальные ресурсы (без учета ресурсов Кроноцкого заповедника) могли бы обеспечить потребление в виде тепла 1345 МВт по крайней мере в течение 100 лет. Однако нынешние темпы и масштабы их освоения никак не соответствуют ни потенциальным возможностям, ни энергопотребностям Камчатки.
Разведка геотермальных ресурсов полуострова началась в 1957 г. бурением первых скважин на Паужетском месторождении, расположенном на юге Камчатки. Через 10 лет там заработала первая ГеоЭС (геотермальная электростанция) мощностью 5 МВтэ, увеличенной позднее до 11 МВтэ [Кононов, 2002].
Следующим объектом развития геотермальной электроэнергетики на Камчатке стало высокотемпературное Мутновское месторождение, поверхностные проявления которого - так называемые Дачные источники - были открыты еще в 1960 г. [Вакин и др., 1976].
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ МУТНОВСКОГО ГЕОТЕРМАЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Месторождение расположено в 75 км к югу от г. Петропавловска-Камчатского в пределах новейшего вулканического плато на высотах 700900 м (рис. 2а). Район месторождения изобилует
Рис. 1. Гидротермальные ресурсы Камчатки. 1 - парогидротермальные системы: Паужетская (1), Нижне-Кошелевская (2), Ходуткинская (3), Мутнов-ская (4), Больше-Банная (5), Карымская (6), Семя-чинская (7), Долина Гейзеров (8), Узонская (9), Апа-пельская (10), Киреунская (11); 2 - группы термальных источников; 3 - гидрогеотермальные провинции: Северная (I), Срединная (II), Восточная (III), Южная (IV).
проявлениями современного вулканизма, многочисленными горячими источниками и выходами пара. Геологическое строение и гидротермальную активность района изучали Е.А. Вакин, И.Т. Кирсанов, Т.П. Кирсанова, А.В. Кирюхин, Г.Ф. Пилипен-ко, В.М. Сугробов и другие исследователи, детально описавшие их во многих публикациях [Вакин и др., 1976, 1986; Кирюхин, Сугробов, 1987; Kiryukhin, 1996; Кирюхин, 2002 и др.]. Ими установлено, что месторождение заключено в субмеридиональной грабенообразной депрессии (Севе-ро-Мутновской вулкано-тектонической зоне), заполненной плиоцен-четвертичными вулканитами андезитового состава и пересеченной разломами северо-восточного и широтного простирания.
Термальные площадки и горячие источники находятся в узлах пересечения этих тектонических нарушений (см. рис. 2а, 26). Дачные источники отвечают центральному участку месторождения.
В 1979 г. на этом участке было начато разведочное бурение. К 2001 г. на месторождении было пробурено 82 скважины глубиной от 255 до 2266 м. Результаты наблюдений в скважинах детально описаны С.В. Асауловым, Н.П. Асауло-вой, A.E. Козловым, К.И. Мальцевой и др. Обобщение этих результатов показало, что в центральной части месторождения на глубинах от 700 до 900 м в трещиноватых вулканогенных породах преобладает пар с энтальпией 21002700 кДж/кг, а ниже находится зона горячих вод с температурой 250-310 °С и энтальпией 10001500 кДж/кг [Кононов, 2002]. Прогнозные тепловые ресурсы всего месторождения ранее были оценены в 6.2 х 108 Вт, что соответствует электрической мощности 300 МВтэ [Кирюхин, Сугробов, 1987].
Энергетический потенциал Мутновского геотермального резервуара и распределение в нем температуры и давления можно уточнить расчетным путем - с помощью трехмерного термогидродинамического моделирования, опираясь на имеющиеся эмпирические данные, синтезированные в виде концептуальной модели (гидрогеологической схемы) резервуара. По мере изучения месторождения предлагались несколько различавшиеся варианты этой модели [Вакин и др., 1976; Кирюхин, Сугробов, 1987; Assaulov, 1994; Федотов и др., 2001]. В связи с началом практического освоения резервуара (Верхне-Мутновская ГеоЭС, 1999 г.; Мутновская ГеоЭС, 2001 г. [Kononov, Povarov, 2005]) такую модель было необходимо уточнить, чтобы обеспечить надежную базу для прогнозирования поведения резервуара в процессе его дальнейшей эксплуатации.
Корректная концептуальная модель геотермального резервуара должна содержать описание его размеров и формы, картины течения флюида в резервуаре, его фазового состояния, а также расположения источников тепла и зон водного питания и разгрузки. В соответствии с результатами упомянутых выше геологических исследований в качестве базы для численного моделирования была принята следующая концептуальная модель Мутновского месторождения [Vereina, 2003].
1. Месторождение расположено в грабенообразной депрессии меридионального простирания, связанной с региональным глубинным разломом -Северо-Мутновской вулкано-тектонической зоной, - в месте его пересечения с другой региональной разломной зоной северо-восточного простирания - Мутновской зоной (см. рис. 2a). Границы основных участков месторождения по-
а И н О а О
ч И
м
И
П О
а м и Н
м И
о
К О
П
А
м
М
м
£ 6
о о
7
40
36
32
28
24
20
16
12
27
С
Участки месторождения: Д-Дачный (Центральный) С-Дачный Северный Ю-Дачный южный В-Верхне-Мутновский
26
Ю
25
24
23
22
32
36
40
44
48
52 км 56
21
Ч Е Ч
М
О ч И Д
ч О
Д И
Н
А
М
И
Л
Е
о
К О
Е
о
Д Е
Л И
ч О
В
А
Н И
Е
43
44
45
46
47
48
км 49
Рис. 2. Мутновское геотермальное месторождение.
а - положение месторождения относительно активных вулканов и основных разломных зон (по [Вакин и др., 1986]). 1 - разломные зоны, 2 - термопроявления, 3 - дорога. Прямоугольниками выделены изученная область месторождения (1) и участок Вулканный (2). б - расположение скважин и основных участков в изученной области месторождения (по [Мальцева и др., 2001]). 1 - разломы; 2 - горячие источники и выходы пара; 3 - термальные площадки; 4, 5 - скважины, в которых установлено распределение температуры и давления путем расчетов (4 - по [Assaulov, 1994]) или прямых измерений (5 - (по [Assaulov, Assaulova, 2000; Мальцева и др., 2001]).
8
(Л 00 (Л
ю <
2000 1000 0
-1000 -2000
вулкан Мутновский (2322 м) 2000 МВтт
А 1
30 МВтт 2
3
1М-0451
т)^ 1 I
..........
--г л
ююз
_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_|_
ССВ _I_
0
6 8 10 12 Расстояние, км
14 16
18
Ч1 Северо-Мутновская вулканическая зона
Мутновский V Участок Участок
Дачный Верхне-Мутновский
км голоценовые ! вулканиты
конвективная
0 " ............
1 2
3
4
5
СВ
плейстоценовые вулканиты
100 °С
200 °С
0 1 2 3 4км
зона магмосбора
зона магмосбора
300 °С
а
Рис. 3. Концептуальные модели Мутновского месторождения.
а - по [Assaulov, 1994]. 1 - фумаролы и горячие источники (цифрами на профиле обозначены термальные поля в кратере вулкана Мутновский (1), Северо-Мутновские (2), Дачные (3) и Верхне-Мутновские (4)); 2 - вынос тепла через поверхность земли; 3 -выявленная бурением область резервуара; 4 - изотермы; 5 - направление потока горячего флюида; 6 - паровая зона; 7 - статический уровень воды; 8 - скважины. б - по [Федотов и др., 2001].
казаны на рис. 26. Наиболее проницаемые и, следовательно, наиболее водонасыщенные зоны связаны с разломами меридионального и северо-восточного простирания. Наиболее перспективным участком месторождения считается участок Дачных горячих источников.
2. Месторождение рассматривается как часть большой гидротермальной системы с магматическими очагами, расположенными под Северо-Мутновской вулкано-тектонической зоной. На рис. 36 показаны аномальные источники тепла (помимо регионального фона): питающий канал под в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.