Общие сведения
Использование водоносных горизонтов для аккумулирования тепловой энергии имеет ряд преимуществ:
подземные воды можно извлекать как на расстоянии нескольких сот метров от потребителя, так и рядом с ним;
количество подземных вод, содержащихся в водоносных горизонтах, обычно колеблется незначительно, уровень этих вод мало зависит от времени года;
подземные воды имеют постоянную температуру;
испарение из подземных резервуаров незначительно или вообще отсутствует, поэтому практически маловероятно истощение запасов подземных вод вследствие эксплуатации системы аккумулирования тепловой энергии;
водоносные горизонты имеют естественное происхождение, поэтому дополнительные сооружения и связанные с этим расходы незначительны;
тепловая энергия аккумулируется не только в воде, но и в самой породе, благодаря чему водоносный горизонт приобретает большую аккумулирующую способность, которая мало зависит от условий на поверхности;
водоносные горизонты, используемые для аккумулирования тепловой энергии, практически не изнашиваются;
водоносный слой ограничен сверху и снизу водонепроницаемыми слоями горных пород, которые являются переходными теплоизоляторами и могут иметь довольно большую мощность (от нескольких до сотни и более метров).
Принципиальная схема солнечной системы теплоснабжения с аккумулятором теплоты в водоносном слое и с одной скважиной показана на рис. 6.5, с двумя скважинами (дублетная схема) — на рис. 6.6.
Рис. 6.5. Принципиальная схема солнечной установки с аккумулятором в водоносном горизонте (с одной скважиной)
1 — солнечный коллектор; 2 — расширительный бак; 3 — скоростной водовод-подогреватель солнечного контура; 4 — аккумуляторный бак горячей воды; 5 — отопительные котлы; 6 — сетевые насосы; 7 — рециркуляционные насосы; 8 — вентили; 9 — подогреватель системы горячего водоснабжения; 10 — насосы исходной (сырой) воды; 11 — бак для антифриза; 12 — насос солнечного контура; 13 — скважина в водоносный слой
Рис. 6.6. Принципиальная схема солнечно-топливной котельной с аккумулятором в водоносном слое (с двумя скважинами):
1 — солнечный коллектор; 2 — дифференциальный терморегулятор; 3 — теплообменник; 4 — электронные сигнализаторы уровня воды в баках; 5 — электроконтактный термометр; 6 — промежуточный бак-аккумулятор; 7 — бойлер котельной; 8 — баки-аккумуляторы нагретой воды
Следует заметить, что экологический аспект использования подземных вод в качестве аккумуляторов энергии, как правило, благополучен и не вызывает опасений. При использовании систем нагрева или охлаждения не возникает каких-либо трудностей. Необходимо, однако, принимать меры по изоляции подземных вод от контакта с воздухом. Если в водоносном горизонте имеется кислород, то возможно существование бактерий разнообразных видов. Кроме того, с нагнетаемой водой в систему могут попасть болезнетворные микроорганизмы. В этом случае следует проявлять осторожность при обработке воды. Воду можно хлорировать только с применением фильтров. Применение ингибиторов запрещается.
Интенсивность и механизм процессов тепломассообмена при движении жидкости в подземных коллекторах зависит от формы и размеров частиц, которые образуют твердый скелет, его структуры, характера парового пространства, заполняемого жидкостью, а также условий движения жидкости. В зависимости от формы и размеров частиц твердого скелета подземные коллекторы целесообразно разбить на два типа: гранулярные и блочные.
К гранулярным относятся коллекторы, сложенные из множества частиц горной породы, гранул разной величины и формы, что приводит к образованию в них пустот и каналов разного размера. Структура, количество и размеры пустот, заполняемых водой, зависят не только от расположения частиц породы, но и от их формы и степени отсортированности, уплотнения и цементации, которым подвергались горные породы в процессе отложения и выноса минералов вследствие растворения циркулирующими водами.
Гранулярные коллекторы распространены в различных геологических условиях. К ним относятся отложения песчаников, алевроликов, карбонатные породы, пески. Отложения этих гранулярных пород могут быть сцементированными и несцементированными.
Существенным свойством гранулярных коллекторов является хорошо развитая поверхность контакта твердого скелета с жидкостью. При движении жидкость обмывает каждую частицу почти по всей поверхности, за исключением мест контакта с соседними частицами. Это играет важную роль в процессе теплообмена.
В коллекторах блочного типа контакт твердого скелета с жидкостью меньше, чем у гранулярных. Эти коллекторы представляют собой слои, сложенные из блоков горной породы, разделенных трещинами. Жидкость движется по щелевым каналам переменного сечения, при этом поперечное перемешивание жидкости затруднено. К коллекторам блочного типа относятся трещинные, кавернозные и частично смешанные образования.
Горные породы, образующие коллекторы блочного типа, по литологическому составу могут быть представлены плотными известняками, мергелями, а также изверженными породами. Коллекторы этого типа преобладают в вулканических районах.
Параметры подземных коллекторов подразделяют на внутренние и внешние [4].
К внутренним параметрам коллектора относят те свойства его, которые определяют механизм и интенсивность термогидродинамических процессов. К этим параметрам относятся:
структурные характеристики проницаемого слоя; геометрические характеристики частиц и парового пространства;
фильтрационные свойства коллектора;
теплофизические свойства коллектора и жидкости.
Структурные характеристики коллекторов одного типа (гранулярных или блочных) различаются.
Важной структурной характеристикой коллектора является степень однородности его свойств.
Коллекторы, как правило, характеризуются значительной неоднородностью, анизотропией и гетерогенностью. Поэтому осреднение этих характеристик имеет существенное значение [3-5].
Свойства подземных коллекторов должны осредняться по достаточно большому объему, чтобы можно было применить закон Дарси. В этом случае параметры однородности, анизотропности и гетерогенности будут микроскопическими. В дальнейшем будем рассматривать именно макроскопические внутренние параметры подземных коллекторов.
Основной количественной характеристикой структуры коллектора является пористость, т.е. объемная доля пустот, заполняемых жидкостью.
Различают абсолютную, или полную, пористость (учитывается объем всех пор) и эффективную пористость (учитывается объем сообщающихся пор). В дальнейшем под пористостью будем понимать эффективную пористость.
Пористость природных коллекторов изменяется в широких пределах и ее значения для коллекторов гранулярного и блочного типов могут различаться на один или два порядка. Гранулярные коллекторы имеют высокую пористость, например для песчаников ее значение лежит в пределах 15...28 %.
Строение и структура коллекторов блочного типа и гранулярных значительно отличаются. Характерной особенностью коллекторов блочного типа является весьма низкая эффективная пористость. Это объясняется значительной неоднородностью сети трещин. Величина пористости в этом случае определяется в основном двумя факторами: раскрытостью (шириной) трещин и их густотой (количество трещин на 1 м). Основными геометрическими параметрами структуры коллектора являются размеры частиц или блоков, образующих твердый скелет и суммарная площадь поверхности частиц в единице объема коллектора; для коллекторов блочного типа, кроме того, — раскрытость и густота водопроводящих трещин.
Размеры частиц в коллекторах гранулярного типа колеблются в очень широком диапазоне — от отдельных песчинок размерами менее 1 мм до крупных глыб размерами 5... 10 м. Удельная площадь поверхности может составлять 50·103...200·103 м2/м3 [6].
В блочных коллекторах активная циркуляция жидкости происходит не по всем трещинам. В микротрещинах малой раскрытости (менее микрометра) происходит только диффузионный массоперенос. Ширина водопроводящих трещин, по имеющимся данным [7], колеблется от нескольких микрометров до 2...3 мм и зависит от минералогического состава и структурных особенностей горных пород. Размеры блоков, исчисляемые расстоянием между трещинами, бывают от 2 до 30 см.
Параметром, характеризующим фильтрационные свойства подземных пород, является коэффициент проницаемости. Для гранулярных коллекторов связь коэффициента проницаемости с пористостью выражается формулой Козени [8]
(6.6)
где т — пористость; So — площадь поверхности частиц в единице объема породы.
Для определения проницаемости коллекторов блочного типа можно использовать зависимость, предложенную Е.С. Роммом:
(6.7) где δ — раскрытость трещин, мм.
Проницаемость гранулярных коллекторов колеблется в широких пределах — от нескольких миллидарси до 3...5 дарси. Коллекторы блочного типа имеют более низкую проницаемость: от нескольких миллидарси до десятков миллидарси.
Теплофизические свойства коллекторов характеризуются теплопроводностью, теплоемкостью, температуропроводностью твердых частиц скелета, жидкости и окружающего горного массива.
Внешние параметры коллекторов — это природные условия района их залегания, которые определяют принципиальную возможность использования подземных коллекторов для извлечения теплоты недр и оказывают значительное влияние на технологическую схему, мощность и эффективность создаваемой на базе коллектора геотермальной энергоустановки. Промышленная ценность любого подземного коллектора зависит от природных условий.
Геотермические условия района залегания подземного коллектора определяют его температуру, а гидрогеологические — условия перемещения пластовой жидкости и условия питания и стока. Температура пластовой жидкости связана с глубиной залегания коллектора известным соотношением [4]
(6-8)
где Нв, tB — глубина залегания нейтрального слоя и его температура (т.е. слоя, откуда делаются отсчеты значения температуры); grad t — геотермический градиент (усредненный по глубине залегания коллектора Н).
Водоносные горизонты характеризуются рядом показателей.
Пористость (\ц) количественно определяется как отношение объема всех мелких пустот в данном образце породы ко всему объему образца и выражается в долях единицы или процентах. Отношение объема сообщающихся пор и пустот к общему объему породы называют эффективной пористостью. Для водоносного горизонта эффективную пористость принято называть просто пористостью. Если через т обозначить пористость, то для твердой части (скелета) образца породы
(6.9)
Отношение объема воды Vb к общему объему пустот Уп в пористой породе называют степенью насыщения
(6.10)
Плотность единицы объема водоносного горизонта определяется отношением
(6.11)
где рв — плотность воды; рп — плотность сплошной массы породы.
Если мы разделим объемный расход воды Q на площадь поперечного сечения горизонта пласта А, получим удельную скорость, или скорость фильтрации
(6.12)
Обычно пользуются понятием так называемой действительной скорости движения подземных вод
(6.13) которая представляет собой среднюю скорость перемещения фронта воды в водоносном горизонте, или среднюю объемную скорость течения.
В соответствии с законом Дарси расход воды прямо пропорционален градиенту напора и площади поперечного сечения горизонта.
