A.В. Kирюхин Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПАУЖЕТСКОГО ГЕОТЕРМАЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ 1960-2006 гг Содержание: Введение, концептуальная гидрогеологическая модель Генерация 3D численной модели и ее параметризация Исходные данные Решение обратных задач (iTOUGH2): естественное состояние и эксплуатация Приложения моделирования (TOUGH2, iTOUGH2) для оценки эксплуатационных запасов Паужетская ГеоЭС работает с 1966 года, когда была установлена турбина 5 МВт эл. Фото В.М. Сугробова, 1985 Концептуальная гидрогеологическая модель предполагает питание системы холодными метеорными водами, проникающими на глубину 5-6 км в зону прогрева с температурой более 250оС, откуда формируются восходящие потоки теплоносителя с энтальпией 950-1050 кДж/кг, поступающие в продуктивный резервуар. История эксплуатации: 46 лет эксплуатации с общим расходом 180-260 кг/с в период 1975 – 2006 гг Реинжекция осуществляется с 1979 г История эксплуатации: Первые 15 лет эксплуатации с расходом 160-190 кг/с показали постепенное снижение температуры и разбавление по Cl- в добычных скважинах, размещенных вблизи очага разгрузки гидротерм, поэтому пришлось пробурить доп. эксплуатационные скважины, пока они не вскрыли на Центральном участке зону восходящего потока в 1.5-2.0 км к юго-востоку от Старого поля Обобщение данных по месторождению (1) Паужетский гидротермальный резервуар пластового типа доказан на площади 2 2.5 км2, имеет среднюю мощность 505 м и его подошва сообщается с восходящими потоками теплоносителя. (Продолжение) Обобщение данных по месторождению (2) Анализ данных по скважинам показывает трещинно-блоковую структуру гидротермального резервуара, при этом объемная доля трещин (FV) - 0.28 и среднее расстояние между трещинами (FS) 105 м. (Продолжение) Обобщение данных по месторождению (3) Естественная разгрузка гидротерм включала горячие источники с измеренным расходом 31 кг/с (13 МВт), и парящие площадки (Верхнее и Восточное поля с суммарным выносом тепла 0.7 МВт) (Продолжение) Обобщение данных по месторождению (4) Проводимость гидротермального резервуара оценивалась в диапазоне kM от 35 до 94 Дм (5) Начальное давление в резервуаре 34.5-35.5 бар на -250 м абс., с тенденцией возрастания на ЮВ в северной части поля. (6) Температура гидротермального резервуара 180 – 220 оС; зона восходящего потока ограничена изотермой в пределах разбуренного участка. (Продолжение) Обобщение данных по месторождению (7) Хлоридно-энтальпийная диаграмма показывает существенное разбавление привлекаемыми в процессе эксплуатации метеорными водами (на 30 - 62%). (Продолжение) Обобщение данных по месторождению (8) Данные по гидроизотопии (D, O18) и тритию подтверждают существенный приток метеорных вод в гидротермальный резервуар. 1983 2005 (Продолжение) Обобщение данных по месторождению (9) Ломонтит маркирует трещины, кальцит-хлорит-иллитовая ассоциация маркирует низкопроницаемые блоки в гидротермальном резервуаре (А.Д. Коробов,1985). Это дополнительно подтверждает трещинно-блоковую структуру гидротермального резервуара. Концептуальная гидрогеологическая модель -> Концептуальная гидрогеологическая модель Паужетского гидротермального резервуара, рассматриваемого как трехслойную систему, включающую: (1) Гидротермальный резервуар на -250 м абс, со средней мощностью 500 м на площади 4 * 5 км2; (2) Верхний относительный водоупор с гидравлическими окнами; и (3) фундамент, с каналами подводящими глубинный теплоноситель Генерация 3D модели 3D численная модель включает три слоя: (1) Нижний слой: фундамент, вмещающий восходящие потоки теплоносителя, (2) Средний слой, представляющий гидротермальный резервуар на -250 м абс., (3) Верхний относительный водоупор с гидравлическими окнами. Инверсное моделирование: естественное состояние Калибровочные точки для модели естественного состояния: (1) Усредненные по вертикали температуры в гидротермальном резервуаре (52 T-точки); (2) Давления, приведенные к -250 м абс. (14 P-точек); (3) Расход естественной разгрузки (2 значения). Приняты: T=1-3оС, P=0.1-0.5 бар, Q=15-50%. Инверсное моделирование: естественное состояние Параметризация модели: (1) Трещинная проницаемость гидротермального резервуара kr, м2 (2) Массовый поток на подошве фундамента Qb, кг/с Инверсное моделирование: эксплуатация 1960-2006 Данные для калибровки включали: (1) Среднемесячные энтальпии добычных скважин (10 E-наборов), (2) среднемесячные давления в наблюдательных скважинах, приведенные к -250 м абс. (22 P-набора), и (3) среднемесячные температуры в гидротермальном резервуаре (26 T-наборов). Общее число калибровочных точек – 13757. Приняты T=5оС, P=0.3 bars, h=20 кДж/кг. Инверсное моделирование: эксплуатация 1960-2006 (Продолжение) Параметризация модели (эксплуатация): (3) Сжимаемость гидротермального резервуара Сr, Па-1 (4) Трещинная пористость гидротермального резервуара f (5) Сжимаемость фундамента Сb, Па-1 (6) Пористость фундамента b (7) Вертикальная проницаемость фундамента kb,м2 (8) Проницаемость Северного гидравлического окна kN, м2 (9) Проницаемость Восточного гидравлического окна kE, м2 (10) Проницаемость Западного гидравлического окна kW, м2. Обобщение результатов и физический смысл инверсного моделирования (iTOUGH2): Емкость активного объема гидротермального резервуара, Притоки из фундамента и притоки метеорных вод. Выполнена оценка 10-ти параметров, т.к. 3 параметра сильно коррелируют, то число оцениваемых параметров снижено до 7 Анализ сходимости показывает следующие : энтальпия – 36 кДж/кг, давление - 0.4 бар, температура – 12oC Анализ сходимости показывает следующие : энтальпия – 36 кДж/кг, давление - 0.4 бар, температура –12oC Приложения моделирования для оценки теплового и массового баланса (2005) Приложения моделирования (TOUGH2, iTOUGH2) для оценки эксплуатационных запасов В терминах ГКЗ РФ применительно к Паужетскому геотермальному месторождению: «Эксплуатационные запасы - расход теплоносителя (пароводяной смеси и пара, при заданном давлении сепарации), которые могут быть обеспечены в течение 25-ти лет эксплуатации с использованием существующих и пробуренных дополнительно эксплуатационных скважин». Категория «A» – подтвержденные длительной эксплуатацией и источниками формирования массового и теплового баланса. Категория «B» – подтвержденные эксплуатацией в течение 1-го года и источниками формирования массового и теплового баланса. Категория «С1» – подтвержденные кратковременными опытными выпусками и источниками формирования массового и теплового баланса. Категория «A+B» необходима для получения лицензии на длительную эксплуатацию геотермальных месторождений. Поскольку в процессе эксплуатации Паужетского геотермального месторождения не наблюдается стабилизации, предлагается использовать результаты прогнозного TOUGH2\iTOUGH2 моделирования для обоснования «A+B». Прогноз изменения давления в резервуаре и энтальпии добычных скважин на 2007-2032 при постоянном расходе отбора п.в.с. (iTOUGH2) Расходы п.в.с. на ноябрь 2006 г: 264.9 Прогноз при заданном расходе Анализ распространения ошибок (iTOUGH2) для энтальпии добычной скважины 106 показывает достаточно высокую надежность модельного прогноза на интервале 1960-2032 гг: ширина коридора 95% доверительной вероятности – менее 20 кДж/кг. Прогноз при заданном расходе Анализ распространения ошибок (iTOUGH2) для давления в резервуаре (скв. 123) показывает достаточно высокую надежность модельного прогноза на интервале 1960-2032 гг: ширина коридора 95% доверительной вероятности – менее1 бар. В действительности, эксплуатация Паужетского геотермального месторождения осуществляется при заданном WHP. Поэтому, для прогноза эксплуатации 2007-2032 на модели на каждой добычной скважине (103, 106, 108, 120, 121, 122, 123, GK3 и 131) задается WHP (таблица), т.е. задается взаимодействие «резервуар-скважина». А перед этим рассчитываются таблицы забойных давлений (HOLA ) и определяются коэффициенты продуктивности PI. Для прогноза производительности добычных скважин необходимы таблицы забойных давлений (HOLA) Прогноз эксплуатации на 2007-2032 (при заданном WHP) Моделирование показывает, что для обеспечения устойчивой продукции пара необходимы пять дополнительных скважин: 120A (включение в 2008 г), 123A (включение в 2012 г), 107A (включение в 2015 г), 102A (включение в 2025 г), 102В (включение в 2028 г). и показывает необходимость переключения скв. 131 на WHP 3.0 бар (2018 г) и скв. 122 на 3.5 бар (2023 г), для того чтобы эти скважины продолжали устойчивую работу. Прогноз эксплуатации на 2007-2032 (при заданном WHP) Моделирование подтверждает возможность устойчивой продукции с расходом п.в.с. от 266.1 до 317.7 кг/с (в среднем 288.3 кг/с) в течение последующих 25 лет. Прогноз эксплуатации на 2007-2032 (при заданном WHP) Моделирование подтверждает возможность устойчивой продукции с расходом пара от 26.8 до 31.9 кг/с (в среднем 28.9 кг/с) в течение последующих 25 лет. Заключение о необходимости ввода пяти доп. добычных скважин в последующие 25 лет эксплуатации согласуется с опытными данными 1996-2006 гг, когда для поддержания устойчивого расхода пара на среднем уровне 25.6 кг/с пришлось подключать в среднем одну скважину в пять лет (скв. 103 и 131). Выводы Выполнена калибровка 3D численной TOUGH2\iTOUGH2 модели Паужетского геотермального месторождения по данным естественного состояния и эксплуатации 1960-2006 гг. Осуществлена оценка 7-ми ключевых параметров модели. На основе моделирования установлены условия формирования эксплуатационных запасов: приток теплоносителя из фундамента (40.6%), приток метеорных вод сверху (30%), емкость гидротермального резервуара (21.1%) и реинжекция (8.3%). Численная модель позволяет с высокой точностью осуществлять прогноз энтальпии добычных скважин и давления в резервуаре. Прогнозное моделирование подтверждает возможность устойчивой эксплуатации Паужетского геотермального месторождения в течение последующих 25 лет со средним расходом пара 28.9 кг/с и п.в.с. 288.3 кг/с при условии ввода пяти дополнительных скважин. Это достаточно для работы ГеоЭС 6.8 МВт и эти оценки предлагается использовать для обоснования эксплуатационных запасов по категории «А+В» (в терминах ГКЗ РФ). Эта работа не могла бы быть выполнена без поддержки ГУП «Камчатскбургеотермия», грантов ДВО РАН 06-I-ОНЗ-109 и РФФИ 06-05-64688-а и взаимодействия с Dr. S. Finsterle и Dr. K. Pruess (LBNL).