ТЕПЛО ЗЕМЛИ
И. ДВОРОВ
В новой пятилетке будет уделено большое внимание разработке научных основ охраны, и преобразования природы в целях улучшения естественной среды, окружающей человека. Здесь мы рассказываем о раскрывающихся возможностях использования природных ресурсов.
И. ДВОРОВ, ученый секретарь Научного совета по геотермическим исследованиям АН СССР.
Ученые утверждают, что глубинное тепло Земли - это основные энергетические ресурсы будущего. Тепловые запасы нашей планеты так велики, что почти не поддаются учету. Если человек сможет использовать тысячную, хотя бы даже миллионную долю глубинного тепла, энергетические ресурсы увеличатся во много раз.
Вопрос о происхождении глубинного тепла Земли, и сложен, и еще недостаточно изучен. «Заглянуть» в недра Земли человеку пока удалось меньше чем на восемь километров. Самая глубокая скважина в мире пробурена в США, в штате Техас - «Юниверсити Е-Е-1», ее глубина - 7 724 метра. Другая скважина, «Руберте-5», - на 7 316 метров. В СССР, в Белоруссии, пробурена скважина, которая имеет глубину 7 410 метров.
Земля непрерывно отдает тепло в мировое пространство. Эти потери выражаются примерно так 1,2x10^6 кал/см2 сек., то есть в среднем немного более одной миллионной калории на квадратный сантиметр в секунду. Для всей планеты в год это составляет очень большую цифру - около 2 - 1020 калорий. Отдача глубинного тепла восполняется в основном за счет распада радиоактивных элементов, неравномерно распределенных в толще Земли. Таким образом, тепловое состояние Земли есть результат непрерывно действующих процессов - накопления, потери, и нового пополнения тепловой энергии земной коры.
Чтобы вывести подземное тепло на поверхность, необходим теплоноситель. Таким теплоносителем является вода.
Вода - составная часть всего окружающего нас мира. Нет земного вещества, которое не включало бы в себя воду. Она вездесуща на планете. Она обладает исключительной подвижностью.
Воды всех сфер Земли - атмосферы, гидросферы, биосферы, литосферы, и криосферы - тесно связаны между собой. Они при соответствующих условиях могут переходить из одной сферы в другую, изменяя при этом свое физическое состояние на твердое, жидкое или газообразное.
Вода очень многообразна по температуре, минерализации, химическому составу, и т. д., но так или иначе она едина.
Если считать, что на каждые 33 метра в глубь Земли температура увеличивается на один градус по Цельсию, то температура ядра Земли должна бы равняться примерно 180 тысячам градусов. Но это не так. Ученые считают, что максимальная температура ядра Земли равна 3 - 6 тысячам градусов. Следовательно, равномерное возрастание температуры характерно лишь для относительно небольших глубин.
Сейчас мы мечтаем проникнуть в глубь Земли хотя бы на 15 - 20 километров. На первый взгляд это немного. Однако уже на такой глубине температура равна 400 - 600° С, а давление - около 4 тысяч атмосфер.
До сих пор о глубинном строении Земли мы узнавали только при помощи сейсмозондирования, которое основано на регистрации искусственных сейсмических волн, вызванных взрывами. Этот, пока, что единственный, метод дает возможность выделить внутри земной коры слои, характеризующиеся различной скоростью распространения волновых колебаний и, следовательно, различной плотностью. Получить данные, скажем, о химическом составе пород глубинных зон этим методом невозможно.
Глубокое внедрение в толщу земной коры поможет решить многие загадки природы, получить новые сведения о строении нашей планеты, ее происхождении, смене геологических эпох, о скоплениях полезных ископаемых, и даст ответ на уйму других вопросов по самым разным отраслям знаний.
В глубинных зонах земной коры под влиянием высоких температур, огромного давления, и химических воздействий происходит изменение структуры, минералогического, а иногда, и химического состава горных пород. Воды глубинных недр растворяют минералы, и образуют разнообразные горячие источники. Если мы сможем добраться до горячих глубинных вод, и использовать этот вид тепла, на земле будут решены многие не только теоретические, но, и практические вопросы.
Как до них добраться? Как пробурить земную кору на 15 - 20 километров? Над этим вопросом уже многие годы работают ученые разных стран мира. Решение этой проблемы имеет важное значение для человечества.
Существуют в основном два проекта сверхглубокого бурения - американский, и советский.
Американский проект заключается в том, чтобы пробурить наиболее тонкий слой земной коры в районе Тихого океана, и достичь зоны верхней мантии, установить ее состав, и свойства.
Известно, что земная кора под океанами наиболее тонкая, примерно 5 - 10 километров.
Совсем недавно американцы у берегов Южной Калифорнии сделали первую попытку бурения глубокой скважины в океане. Была установлена плавучая буровая вышка, которая на четырехкилометровой глубине удерживала неподвижно буровые трубы. Буровой инструмент спустили на дно океана, и начали бурение, на глубине 200 метров обнаружили базальтовый слой. Однако дальнейшие работы были прекращены по не совсем ясной причине то ли порода оказалась слишком твердой для алмазного бура, то ли сложность работ, и затраты на них намного выше предполагаемых. И все же был сделан первый шаг в наступлении на верхнюю мантию.
В районе Гавайских островов американцы тоже начали работы по бурению сверхглубокой скважины. Предполагают дойти до слоя Мохоровичича, который в этом районе, по расчетам ученых, расположен на глубине 10 - 12 километров от поверхности моря.
Бурение океанского дна представляет большие технические трудности. Прежде всего буровой инструмент должен пройти сквозь слой воды толщиной в 3 - 5 километров. Осадочные породы под океаном оказались значительно тверже, чем предполагали ученые. Буровые коронки быстро тупятся. Казалось бы, можно сменить коронку, но возникла новая трудность - через большую толщу воды почти невозможно снова попасть в то же отверстие скважины, оно теряется.
Советский проект предусматривает сверхглубокое бурение не в море, а на суше. Наши ученые поставили перед собой цель выяснить строение гранитного, а может быть, и базальтового слоев земной коры, узнать, какие вещества, и в, каком состоянии залегают на разных глубинах.
Бурение сверхглубоких скважин в пашей стране намечено провести в самых разных районах СССР. Бурение будет вестись поэтапно. Сначала на 7 - 10 километров, затем 15 - 20 километров.
Ведутся работы по сверхглубокому бурению в Прикаспийской впадине, и Азербайджане. Цель этого бурения - выяснить возможность нефте газоносности глубоких слоев, и тепловое состояние верхней части земной коры. Предполагают, что здесь на глубинах 6 - 7 километров могут быть крупные нефтяные, и газовые месторождения.
Ведутся подготовительные работы по сверхглубокому бурению на Урале, в Средней Азии. Забайкалье, и на Курильских островах. Скважина на Курильских островах, например, даст возможность разобраться в сложных вулканических горообразовательных процессах, которые происходят на стыке континента, и океана.
Чем, и, как бурить твердые породы в условиях высокой температуры, и давления?
Существующие способы бурения, видимо, не годятся. Стальные трубы, опущенные при бурении на глубину 15 - 20 километров, будут рваться от собственного веса. Частая смена долот, и отбор образцов пород из скважины - все это займет массу времени. Подсчеты показывают, что если бурить скважины глубиной 15 - 20 километров старым методом, на это уйдет 10 - 15 лет.
Рассматриваются самые разные способы бурения глубоких скважин с использованием шлангокабеля - гибкой трубы, проект со свинчивающимися трубами длиной до 300 - 400 метров, есть вариант наматывания труб на огромный барабан, и т. д.
Конструкторы Уралмашзавода разработали проект буровой установки, способной пробурить скважину на глубину до 15 километров. Проходка может осуществляться двумя способами - турбинным или роторным. Комплекс буровой установки представляет собой сложное хозяйство с электроподстанцией, машинным залом, насосной, и т. д.
Ученые ищут, и принципиально новые пути проходки сверхглубоких скважин. Такими методами могут оказаться взрывной и кавитационный.
Взрывной метод состоит в том, что на забой скважины через колонну буровых труб спускают заряды взрыв - углубление, взрыв - углубление.
Кавитационный метод тоже связан со взрывом. В скважину опускают стеклянные или пластмассовые шарики, содержащие воздух при атмосферном давлении. На большой глубине при высокой температуре, и огромном давлении оболочка шариков разрушается, происходит взрыв.
Старый механический способ проходит буровых скважин скорее всего вообще отойдет в прошлое. Может быть, на вооружение будут взяты ультразвук, и пучок электромагнитных волн или электрогидравлический удар, и взрывная волна, искусственная шаровая молния или струя плазмы. Тогда самые твердые породы не устоят перед новым оружием. Сократятся затраты труда, и времени.
Вероятно, для освоения глубин нашей планеты, которые представляют пока еще для нас большую загадку, чем бездонные глубины космоса, потребуются специальные корабли - подземоходы. Создать подземоход, может быть сложнее чем межпланетный корабль. Ведь подземоходу придется пробиваться через толщи гранитов, и базальтов при огромном давлении, и очень высоких температурах. Пока еще никто не путешествовал в глубинных слоях Земли, кроме сейсмических волн да фантастов. Но, так или иначе, человек, видимо, отправится в глубинные недра Земли раньше, чем к далеким звездам.
Современная техника открывает широкий простор инженерному воображению. Появляется множество самых разнообразных проектов освоения глубин земных недр, самых удивительных, и самых неожиданных.
Коротко рассмотрим некоторые предложения.
Около тридцати лет назад советский изобретатель А. И. Требелев пытался сконструировать машину для бурения - механического «крота». Идея заключалась в том, чтобы создать машину, которая в работе напоминала бы живого крота.
На специальном полигоне велись наблюдения с помощью рентгеновского аппарата за работой кротов. Следили за тем, как животное зубами разрыхляет землю, потом, вращая головой, утрамбовывает ее, и быстро продвигается под землей.
Механический «крот» получился довольно удачным, он продвигался в грунте (не в скальных породах) со скоростью 10 метров в час.
После войны изобретатель М. И. Циферов предложил новый способ бурения скважин, при помощи скрытого взрыва - порохового бура. Он усовершенствовал механического «крота», дал ему крепкую вращающуюся шею, твердые металлические зубы, врезающиеся в любые горные породы, стальные лапы, которые уплотняют стенку скважины, и выбрасывают назад разрыхленную породу, мощный электромотор. Конструкция этой машины примерно такова головка бура внешне напоминает сверло, вместо режущих кромок - две радиальные щели. Из порохового отсека в камеру сгорания подается шашка пороха. Происходит взрыв, пороховые газы с огромной силой вырываются из узких щелей головки, и отверстий боковых дюз. Газы создают турбинный эффект, и вращают бур, который врезается в грунт. Когда сработает последняя шашка, бур поднимают на поверхность. В это время вступит в строй сменный бур, наполненный взрывчаткой, он проделает такую же работу, как первый, и т. д.
Казалось бы, все хорошо. Однако уже на глубине 7 - 8 километров температура так высока, что порох начнет самопроизвольно взрываться, шланг, и трос, на котором висит бур, при глубине больше 10 километров не выдерживает собственного веса. Значит, глубже 7 - 8 километров не уйдешь.
Остановимся на некоторых методах использования глубинного тепла Земли для получения электрической энергии, отопления, и горячего водоснабжения жилых, и производственных зданий, водолечебниц, для отопления больших теплиц, для снабжения горячей водой полигонов с драгой, и для многих других целей.
- Дайте нам теплую воду хотя бы с температурой 25 - 40 С, - требуют работки, и и горнодобывающей промышленности Якутии, Колымы, Чукотки, и других районов Крайнего Севера, и Северо-Востока страны.
Напомним, что почти половина территории нашей страны расположена в зоне вечной мерзлоты. В этих районах идет интенсивная добыча золота, олова, вольфрама, и целого ряда других полезных ископаемых. Во многих из этих районов почти нет местных топливных ресурсов. Подвоз топлива обходится очень дорого.
Например, на золотопромышленных приисках Чукотки в течение 8 - 9 месяцев в году драги, гидроэлеваторы, и другие механизмы не работают. Если этим районам дать горячую или хотя бы теплую воду, добыча золота, и других полезных ископаемых будет вестись не 3 - 4 месяца в году, а круглый год. Горячая вода даст возможность вести добычу многих полезных ископаемых открытым способом. Подогревы пульпы на обогатительных фабриках повысят эффективность флотации руд. А главное, все это, конечно, значительно облегчит условия труда горняков.
Как получить термальную воду в этих районах?
Может получиться так, что скважина будет пробурена, но она не даст ни горячей, ни теплой воды.
Известно, что на глубине 3 - 5 километров от дневной поверхности горные породы имеют температуру 100 - 150°С. Как добыть это тепло?
Один из методов - создание «подземного горячего котла» (Схема на стр. 61.)
Бурятся две глубокие скважины, внизу их соединяют продольными ветвями. Через одну скважину закачивают в пласт воду (эта скважина называется нагнетательная), из второй скважины извлекают термальную воду или пар (скважина эксплуатационная).
Вода, которую закачали через нагнетательную скважину, приобретет температуру окружающей среды, то есть нагреется до температуры 100 - 150° С, частично превратится в пар. Нагнетательных, и эксплуатационных скважин может быть несколько, их количество определяется емкостью пласта. Скважины могут быть размещены по квадратной, треугольной или по круговой схеме.
Успех дела зависит от геотермических условий района, литологических свойств водоносной системы, от глубины залегания, размещения, и числа нагнетательных, и эксплуатационных скважин.
Такие искусственные термальные источники могут быть экономически оправданы в том случае, если полученное тепло даст больший экономический эффект, чем энергия, затраченная на закачку воды. Могут возникнуть опасения, что закачиваемая холодная вода быстро охладит глубокие горизонты горных пород. Подсчитано, что при охлаждении 1 км3 горных пород на глубине 3 - 5 километров всего на 1° С выделяется около 10 миллиардов ккал. Чтобы получить столько тепла, потребовалось бы сжечь примерно 1 000 тонн мазута.
На подземном тепле можно заставить работать мощную электростанцию. В районе, где горные породы обладают пористостью, бурят глубокие скважины. В центре этого района можно пробурить несколько скважин. Вокруг этой центральной группы скважин, в которые с поверхности будет подаваться речная вода, на расстоянии в 40 - 100 километров надо пробурить замкнутое кольцо таких же глубоких скважин, которые будут давать пар с высокой температурой (300 - 350сС), под давлением в несколько сот атмосфер. Пар можно направить в турбины для получения электрической энергии. Отработанную горячую воду (из турбин), с еще относительно высокой температурой, пустить в теплицы, на бытовые нужды и, наконец, возвратить в глубинные слои для пополнения, и дальнейшего нагрева теплом Земли. (Схема на стр. 61.)
Подобные геотермальные электростанции должны быть мощными - миллион, и более киловатт.
Долго ли проработает такая станция?
Отобранное у Земли тепло составит лишь ничтожную часть по сравнению с его запасами. Надо принять во внимание, и то, что глубинное тепло всегда пополняется за счет радиоактивного распада, и других процессов. Так, что время работы геотермальных электростанций можно считать практически неограниченным.
Заманчивы перспективы использования тепла Земли в районах современного вулканизма. Здесь не нужно сверхглубокое бурение. Уже на глубине в 2 - 3 километра может быть температура в 400 - 600° С, а в зонах разломов, и внутри корковых очагов лавы - 1 000 - 1 500° С. Встречаются отдельные гидротермальные системы, где горячие воды с температурой до 100° С выходят на поверхность - горячие источники, гейзеры.
Все уже работающие сейчас геотермальные электростанции мира построены в районах современного вулканизма. Это еще не очень мощные электростанции, но все вместе (геотермальные электростанции восьми стран мира) вырабатывают более 6 млрд, киловатт часов электрической энергии.
И это самая дешевая в мире электрическая энергия. Так, например, геотермальная электростанция Мацуккава дает коммерческий ток в энергосеть Японии по цене на 10 - 20% ниже существующей.
Стоимость электроэнергии, вырабатываемой у нас на Камчатке Паужетской опытно-промышленной геотермальной электростанцией, в 10 - 15 раз ниже, чем стоимость электроэнергии, которую дают дизельные электростанции, разбросанные в различных районах Камчатки.
Геотермальные электростанции не нуждаются в топливе, и связанной с его сжиганием громоздкой аппаратуре. Для них не нужны котельные цеха, не нужны подъездные пути, склады. Работа гидроэлектростанций зависит от сезонных колебаний уровня воды в источниках, и т. д. Тепло
Земли «питает» электростанцию без всяких перебоев.
Несмотря на все положительные стороны, геотермальная энергетика развивается еще очень слабо. Объясняется это тем, что сверхглубокое бурение еще только осваивается, и стоит дорого, а зоны современного вулканизма - это в основном труднодоступные, и малонаселенные районы. Во-вторых, глубинные воды в большей или меньшей мере минерализованы, и газо-насыщены, они дают большой осадок в трубах, разъедают или засоряют их. И, наконец, самое главное, что пока сдерживает развитие геотермальной энергетики, - низкие температуры с малыми давлениями пароводяной смеси по сравнению с традиционными высокими параметрами в существующих тепловых электростанциях. Так, например, Паужетская опытно-промышленная геотермальная электростанция имеет температуру на выходе из скважин от 144 до 200» С, а давление на устье скважин - 2 - 4 атмосферы. Геотермальные станции Италии имеют температуру пара 180 - 200° С, давление 5 - 6 атмосфер. Станция в Новой Зеландии - 200 - 220° С, давление на устье скважин от 14 до 25 атмосфер. Бее эти станции получают тепло Земли с очень малых глубин. Средняя глубина пробуренных скважин на Паужетской гидротермальной системе - 400 метров, максимальная - 800 метров; на Тосканском месторождении (Италия) средняя глубина скважин - 700 метров, максимальная - 1 700 метров; гидротермальная система Вайракей (Новая Зеландия) - 500 - 1 150 метров. Атмосферные воды значительно понижают температуру этих сравнительно неглубоких слоев Земли. Более глубокие части гидротермальных систем этого влияния не испытывают, и для них характерны более высокие температуры, и давления.
В настоящее время на земном шаре известно несколько тысяч потухших, и более 500 действующих вулканов.
О количестве тепла, выделяемом вулканами, приведем только один пример. В 1955 - 1956 годах на Камчатке произошло одно из самых мощных извержений XX века - сопки Безымянной, которая считалась потухшей. Только за один день, во время взрыва 30 марта 1956 года, энергии было высвобождено 4 - 1023 эрг (40 000 млрд, киловатт-часов). Извержением было выброшено огромное количество горных пород. Вес продуктов извержения - 2,4 миллиарда тонн, начальная скорость выброса продуктов извержения - 1 800 - 2 000 км/час, давление - более 3 тысяч атмосфер, высота извержения - 25 - 30 километров. Какая мощь, какая сила!
Возьмем другой действующий вулкан - Авача, расположенный на Камчатке, в 30 километрах от Петропавловска-Камчатского. Магматический очаг находится под вулканом на глубине 3 - 5 километров от дневной поверхности, и имеет радиус в 3 километра. Это большая чаша с расплавленной магмой, имеющей температуру 1 000 - 1 200°С, хорошо защищенная по краям природными теплоизоляторами.
Если использовать тепло этого очага в энергетической установке с коэффициентом полезного действия хотя бы 10%, можно получить около 10 млрд, киловатт часов электроэнергии, то есть столько, сколько может дать крупная электростанция (мощностью в 1 миллион киловатт) за сотни лет.
Если у действующего вулкана отобрать часть тепла, то, вероятно, уменьшится его активная деятельность и, возможно, уменьшится вероятность извержений со всеми неизбежно вытекающими отсюда последствиями.
На Камчатке, и Курильских островах более 60 действующих вулканов. Трудно даже себе представить, какими гигантскими энергетическими возможностями располагают эти районы, которые сегодня так остро нуждаются в топливных ресурсах. Сейчас пока еще на Камчатку завозят с материка дорогостоящие нефть, и уголь, а со временем Камчатка - зона современного вулканизма - может дать всему Дальнему Востоку самую дешевую геотермальную электроэнергию.
Глубинному теплу Земли принадлежит будущее, это тепло постоянно возобновляется, и поэтому оно практически неистощимо.
Читайте в любое время
