В Московской области может быть создана первая в России петротермальная станция, способная вырабатывать электрическую и тепловую энергию из глубинных недр планеты. Об этом в беседе с обозревателем "СГ" рассказывает автор и руководитель проекта, член Научного совета РАН по проблемам геотермии, доктор технических наук, профессор, заслуженный строитель России, заведующий лабораторией петротермальной энергетики ВНИПИэнергопрома Николай ГНАТУСЬ.
- Уголь, нефть, газ рано или поздно перестанут быть источниками электрической и тепловой энергии. Не вечны и запасы ядерного топлива. Вообще перспективы невозобновляемых энергетических запасов Земли вызывают тревогу. На недавнем саммите в Сингапуре страны АТЭС, куда входит и Россия, заявили, что сократят в среднесрочной перспективе субсидирование сектора ископаемых видов топлива. Решено обмениваться передовым опытом в области энергетической эффективности, применять более чистые и энергоэффективные технологии, а также проводить добровольные обзоры деятельности экономик АТЭС в переходе от систематического снижения потребления органического топлива к соответствующему росту использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).
- Николай Афанасьевич, обычно к НВИЭ причисляют солнечную и ветровую энергию, энергию биомассы, низкопотенциальную энергию окружающей среды. Еще говорят о геотермальной энергии. Вы же предлагаете нечто новое.
- Одно из наиболее перспективных направлений занимает петротермальная, то есть глубинная тепловая энергия Земли. Речь идет о практически неисчерпаемых ресурсах.
Еще в 1914 году в одном из своих трудов о путях усовершенствования жизни на Земле К.Э. Циолковский высказал идею извлечения основных геотермальных ресурсов, заключенных в твердых породах. А петротермальная циркуляционная система (ПЦС) в горячем гранитном массиве описана в 1920 году В. А. Обручевым. В последующие десятилетия ученым удалось установить, что извлечение тепловой энергии из глубинных недр Земли имеет огромное значение для энергетики будущего. Поясню, что геотермальная энергия разделяется на гидрогеологическую и петрографическую. Первые из них представлены такими теплоносителями, как подземные воды, пар и пароводяные смеси. Вторые являют петротермальную энергию, содержащуюся в раскаленных твердых "сухих" горных породах. Запасы подземного пара не везде равномерны, а вот запасы внутреннего петротермального тепла настолько огромны, что даже если использовать эту энергию для обеспечения всех без исключения видов человеческой деятельности в течение 40 млн. лет, за этот срок сможет быть израсходована лишь сотая часть.
- Теоретически это понять можно. А вот как это выглядит на практике?
- Теоретически добыча петротермальной энергии является возможной не только в районах с высокими геотермальными параметрами, но и в любых точках земного шара при бурении нагнетательных и эксплуатационных скважин и создании между ними циркуляционных систем. Первая ПЦС извлечения тепла пористых пластов для отопления была создана в 1963 году в Париже. Сейчас во Франции функционируют более 60 таких систем.
В нашей стране пока мало уделено внимания освоению и развитию петротермальной энергетики. В России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. кубических метров в сутки. На 20 месторождениях ведется промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Казьминское и Черкесское (Карачаево-Черкессия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край). Большие запасы подземных термальных вод разведаны в Западной Сибири, где имеется подземное море площадью 3 млн. квадратных метров с температурой воды 70-90°С.
Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Нагретый теплоноситель - горячую воду или пар - в зависимости от температуры можно направлять для теплоснабжения, горячего водоснабжения и выработки электрической энергии. В соответствии с этим проектируются станции и соответствующее оборудование. Среди огромных плюсов тепловой энергии планеты у нее есть и недостатки. К ним можно отнести нетранспортабельность такого топлива и невозможность его складирования. Поэтому использовать тепло глубин планеты можно лишь непосредственно в местах его добычи в радиусе до 5-10 км, а в отдельных случаях до 50 км.
- Для переработки тепла земли в электроэнергию или для теплоснабжения нужно специальное оборудование. Кто его выпускает?
- Основную трудность при освоении тепловой энергии Земли представляет строительство глубоких и сверхглубоких скважин, являющихся каналом для вывода теплоносителя на поверхность. В связи с высокой температурой на забое - при 200-250°С - предъявляются особые требования к бурильным и обсадным трубам, цементным растворам, технологии бурения, крепления и закачивания скважин. Такая техника в России есть. Например, ее выпускает "Уралмаш". Кроме этого, производятся отечественная измерительная техника, серийные эксплуатационная арматура и оборудование. Однако в исполнении, допускающем температуры не выше 150-200°С. Поэтому традиционное глубокое бурение скважин подчас затягивается на годы и очень дорого.
В Советском Союзе была разработана программа систематического сверхглубокого континентального бурения с научными целями. Основополагающие идеи этой программы были сформулированы в 1960-1962 годах, а в мае 1970 года на севере Мурманской области в 10 км от города Заполярного в Балтийском кристаллическом щите началось бурение Кольской сверхглубокой скважины. Ее проектная глубина была определена в 15 км. В интервале 1665 -1830 метров удалось достичь горизонта залегания медно-никелевых руд, относящихся к ранее не известному "рудному горизонту". Затем были другие открытия, в том числе связанные с огромными запасами внутреннего петротермального тепла. В 1983 году Кольская скважина достигла 12-километровой глубины, но чтобы пройти последние 262 метра, понадобилось несколько лет. В 1991 году бурение прекратили на глубине 12262 метров. Кольская скважина до сих пор остается самой глубокой в мире. В 1995 году она была законсервирована из-за отсутствия финансирования для фундаментальных научных исследований. Летом 2007 года было принято решение о демонтаже оборудования. Зимой 2008 года начался ее демонтаж.
- Непонятно, почему государство отказалось от идеи создания на базе Кольской станции мировой лаборатории по изучению геологических процессов в земной коре? Кто же сейчас занимается этим делом?
- Еще в советское время для выполнения программы комплексного изучения недр Земли и сверхглубокого бурения в 1986 году было создано специальное государственное научно-производственное предприятие (ГНПП "Недра", Ярославль).
В разных уголках страны пробурили 10 научных скважин глубиной от 4 до 9 км. Очень ценные знания получены там. Как следует из материалов бурения Саатлинской скважины, подземные воды могут проникать в изначально сухие кристаллические породы из перекрывающих осадочных толщ. Это так называемый механизм нисходящей фильтрации. Большой интерес представляют результаты бурения Воротиловской скважины, которая была заложена в 60 км к северо-востоку от Нижнего Новгорода для изучения Пучеж-Катункской астроблемы, - кратера, который образовался при падении крупного метеорита. Это событие произошло примерно 200 млн. лет назад и сопровождалось мощным взрывом. Скважина глубиной 5374 м вскрыла полный вертикальный разрез кратера, что позволило детально изучить все эффекты древнего взрыва, последствия которого поражают воображение. Среди новообразованных минералов были обнаружены алмазы, которые возникли в момент взрыва из органического углерода, первоначально заключенного в осадочных породах. Разумеется, эта скважина помогла разведать запасы тепловой энергии.
В настоящее время в России продолжается бурение только одной Уральской сверхглубокой скважины. Главная задача ее бурения заключается в получении прямой информации о фундаменте Уральского подвижного пояса. Специалисты обсуждают две альтернативные модели. Согласно одной из них на месте Урала ранее существовал обширный океан. Другая модель предполагает, что Уральский пояс был заложен на континентальном основании. Обе модели имеют далеко идущие геологические следствия.
Теплофизические измерения в глубоких и сверхглубоких скважинах позволили существенно уточнить распределение температур и величину глубинного теплового потока. Оказалось, что температуры и плотность теплового потока во многих случаях заметно превышают те оценки, которые получены при изучении приповерхностной зоны. Благодаря этому могут формироваться и глубокие залежи нефти. Тюменская сверхглубокая скважина, пробуренная в 20 км к западу от Уренгоя до глубины 7502 м, подтвердила этот вывод.
- Николай Афанасьевич, как вы стали специалистом по геотермии?
- Я по профессии строитель. Окончил Украинский институт инженеров водного хозяйства. В 70-х годах начал работать на строительстве нефтегазового комплекса Западной Сибири. Тюмень, Сургут, Тобольск, Надым, Уренгой - это, можно сказать, родные места. Занимался строительством промышленных нефтегазовых объектов, гражданским строительством, то есть обустройством нефтегазовых объектов, а также трубопроводным строительством. Тесное сотрудничество с научными и производственными организациями Западной Сибири в области геофизики, геологоразведки и бурения скважин на нефть и природный газ позволили подтвердить наличие огромных запасов теплоты на незначительных глубинах на большой территории Западно-Сибирской низменности. Извлечение и использование этой теплоты в виде горячей воды могло стать источником для обогрева зданий и сооружений, что во многих местах использовалось и используется в настоящее время.
Сегодня актуальнейшая проблема - создание новых технологий скоростного бурения глубоких и сверхглубоких геотермальных скважин при высоких температурах. Этой проблемой занялась группа ученых и специалистов ряда академических, отраслевых институтов и промышленных предприятий нашей страны. Так родился проект петротермальной станции.
- Вопрос к вам как к руководителю этой группы энтузиастов. На чем базируются ваши инновации?
- Наша группа исследователей из лаборатории петротермальной энергетики ВНИПИэнергопрома функционирует уже несколько лет. Результатом наших разработок стали ноу-хау, в основе которых новые материалы и технологии. Они позволяют бурить скважины на континентах глубиной до 10-15 км. В настоящее время разработано несколько вариантов буровых снарядов (БС). Аналогов в мировой практике нет. Работа первого варианта БС связана с действующей традиционной технологией бурения скважин. Скорость бурения твердых пород до 30 м/ч, диаметр скважины 200-500 мм. Второй вариант - бурение скважин в автономном и автоматическом режиме. Запуск БС осуществляется со специальной пускоприемочной установки, с которой и ведется управление его движением. Этот снаряд сможет пройти в твердых породах 1000 м в течение нескольких часов. Диаметр скважины от 500 до 1000 мм.
Для нужд теплоснабжения необходимая глубина скважин на всей территории страны находится в пределах 3-4,5 км и не превышает 5-6 км. Выработка электроэнергии в широких масштабах потребует создания циркуляционных систем со скважинами на глубине 7-9 км.
Для сообщения между скважинами можно использовать естественный проницаемый пласт или создать искусственный коллектор с серией вертикальных трещин гидроразрыва, возможно внедрение других технологий. ПЦС могут создаваться любой тепловой мощности. Продолжительность эксплуатации таких циркуляционных систем - 40 лет и более.
На основе постоянных ПЦС реальным станет строительство в широких масштабах тепловых станций - (ПетроТС), электростанций (ПетроЭС) и теплоэлектростанций (ПетроТЭС).
- Где предполагается строительство станций будущего и каковы их экономические параметры?
- Бурение первой скважины для ПетроТС мы хотели начать в этом году в Подмосковье. Уже известна площадка для этого строительства. Однако вмешался кризис, и из-за финансовых неурядиц начало стройки перенесли на 2010 год.
- А какова окупаемость такой станции?
- Три года. Но если учесть, что предстоит построить десятки таких станций, то создание новой отрасли даст возможность экономить около одного миллиарда тонн органического топлива в год. При этом экономия может составить 3-5 трлн. рублей.
