Термальные воды меловых отложений юго-восточной части Западно-Сибирского артезианского бассейна: распространение, использование, прогнозы

Актуальность темы

Интенсивный рост энергопотребления в России и многих странах мира обусловил заметное снижение легкодоступных запасов традиционных источников энергоресурсов. Как следствие, это привело к повышению их стоимости и росту экологической нагрузки на природную и социальную среду и обусловило необходимость широкого привлечения нетрадиционных источников возобновляемой энергии — ветровой, солнечной, приливной, органической (биомассы), геотермальной. Одно из ведущих мест среди таких источников занимают термальные подземные воды, обладающие достаточным тепловым потенциалом для удовлетворения значительной части энергетической потребности человечества.

В Западной Сибири проблема освоения геотермальных ресурсов актуальна в связи с выявленными большими запасами геотермальной энергии, составляющими по различным оценкам до 70% всех геотермальных ресурсов Российской Федерации. В Томской области, занимающей юго-восточную часть Западно-Сибирского артезианского бассейна, сосредоточено большое количество населённых пунктов, удалённых от централизованных систем теплоснабжения и основных транспортных магистралей. В то же время на её территории рассредоточено большое число законсервированных нефтегазопоисковых скважин, вскрывших подземные термальные воды и расположенных в непосредственной близости от поселков, расположенных в суровых северных условиях.

Потенциал геотермальных ресурсов Томской области позволяет решать многие энергетические проблемы региона, особенно в целях экономически целесообразного подхода к электрои теплоснабжению удалённых от централизованных систем населённых пунктов. Это отвечает программам ООН о развитии малой энергетики и Киотскому протоколу «Об ограничении выбросов в атмосферу Земли парниковых газов и загрязняющих веществ», а также закону Российской Федерации «Об энергосбережении.».

Гидрогеологические, гидрогеохимические и геотермические условия осадочного чехла Западно-Сибирской плиты изучались как производственными геологическими, так и научными организациями и охватывают почти столетний период. Их результаты отражены в многочисленных отчётах, статьях, монографиях и диссертациях М. Б. Букаты, JI.C. Бычковой H.H. Винниченко, Е. М. Дутовой,.

A.Д. Дучкова, H.A. Ермашовой, Г. Д. Гинсбурга, Г. Д. Гурари, Ю. Г. Зимина,.

B.А. Зуева, Е. А. Жуковской, В. Г. Иванова, Ю. Н. Карагодина,.

A.Э. Конторовича, А. Р. Курчикова, Б. Ф. Маврицкого, JI.C. Маныловой,.

B.М. Матусевича, М. П. Нагорского, А. Д. Назарова, В. А. Нуднера, Г. Л. Плевако, Д. С. Покровского, В. К. Попова, Н. М. Рассказова, A.A. Розина, С. И. Сергиенко, Я. Б. Смирнова, Ю. К. Смоленцева, Б. П. Ставицкого, В. В. Трушкина, П. А. Удодова, C. J1. Шварцева и других. Вместе с тем, несмотря на наличие значительного количества научных работ многие вопросы, связанные с особенностями распространения и эксплуатации термальных подземных вод остались недостаточно изученными. Появившаяся в настоящее время методическая основа и программное обеспечение численного моделирования гидрогеологических, гидрогеохимических и гидрогеотермических процессов позволяет на новом уровне подойти к анализу и решению этих вопросов.

В данной работе рассматриваются термальные подземные воды меловых отложений Томской области, а в качестве объектов детальных исследований выбраны Колпашевская, Первомайская, Оленья и Южно-Черемшанская площади.

Цель работы — установить особенности распространения, запасы и тепловые ресурсы термальных вод меловых отложений Томской области и выявить характер изменения геотемпературного поля и вторичного минералообразования при их использовании как альтернативных источников энергии.

Основные задачи: 1) анализ геологических, гидрогеологических и геотермических условий водоносных комплексов меловых отложений, содержащих термальные воды- 2) оценка запасов и тепловых ресурсов термальных вод- 3) моделирование изменения геотемпературного поля в процессе эксплуатации термальных вод- 4) моделирование вторичного минералообразования в стволе добывающих скважин при эксплуатации термальных вод.

Исходные материалы и методика исследования. В основу диссертационной работы положен фактический материал, полученный автором в ходе научных исследований, проводимых в лаборатории гидрогеологии нефтегазоносных бассейнов ТФ ИНГГ СО РАН, а также НИ ТПУ ИПР, где автор и работает в настоящее время. В работе использована фондовая информация ФГУ ТФИ по Томской области, материалы кафедры ГИГЭ ТПУ и Томского филиала ИНГГ СО РАН. В обработке и анализе учтены гидрогеологические и гидрогеохимические данные по 150 скважинам, в том числе более 250 замеров температур и термограмм, данные гидродинамических исследований 28 скважин, расположенных на наиболее перспективных на термальные воды площадях и более 3 тыс. анализов состава подземных вод Томской области.

Собранные материалы сведены в базу данных Access. Статистическая обработка численной информации выполнялась в программах Microsoft Office Excel и StartSoft Statistica, картографические построения осуществлялись с помощью программ Surfer и CorelDRAW. Расчёты запасов, изменения температурного режима подземных вод и оценка вторичного минерапообразования в процессе их добычи осуществлялись на основе численного моделирования с использованием программного комплекса Нуётовео, разработанного М. Б. Букаты.

Научная новизна. Установлено, что для выработки электроэнергии, теплоснабжения, бальнеологического использования в Томской области наиболее перспективны термальные воды апт-альб-сеноманского, готерив-барремского и валанжинского водоносных комплексов. Впервые для условий Западной Сибири осуществлено моделирование эксплуатации термальных подземных вод в замкнутом и открытом циклах, оценено изменение температурного режима подземных вод. Дана оценка ресурсов, объёмных и тепловых эксплуатационных запасов термальных вод. Показано, что процесс добычи термальных вод будет сопровождаться вторичным минералообразованием в стволе эксплуатационных скважин.

Практическая значимость работы заключается в оценке прогнозных эксплуатационных запасов, тепловых ресурсов и качества термальных подземных вод в пределах перспективных для первоочередного освоения площадей Томской области, а также в разработке рекомендаций по их использованию.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Основные ресурсы термальных подземных вод региона связаны с нижнемеловыми отложениями и сосредоточены в валанжинском, готерив-барремском и апт-альб-сеноманском водоносных комплексах, для которых установлен общий региональный тренд повышения температурного фона с юго-востока на северо-запад. Вертикальная и латеральная зональность в распределении температур подземных вод обусловлена глубиной залегания водоносного комплекса, направлением потоков вод и литологическим составом водовмещающих пород.

2. Эксплуатация меловых геотермальных систем приведёт к постепенному снижению температурного фона подземных вод. «Замкнутый» цикл эксплуатации вызовет снижение температур в целом по разрезу, при «открытом» цикле максимальные изменения температур будут приурочены к призабойным частям нагнетательных (нагрев) и добывающих (охлаждение) скважин.

3. Эксплуатация термальных вод приведёт к природно-техногенному минералообразованию в стволе скважины и на водоподъёмном оборудовании. Состав и масштабы формирования вторичной фазы зависят от исходной минералообразующей способности термальных вод и степени изменения термобарических условий при их эксплуатации.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на VI, VII, VIII, X, XI Международных симпозиумах имени академика М. А. Усова (Томск, 2002, 2003, 2004, 2007, 2009), на II Всероссийской конференции молодых учёных (Томск, 2003), на конференции, посвящённой 75-летию кафедры ГИГЭ Томского политехнического университета (Томск, 2005), на Всероссийском совещании по подземным водам востока России (Иркутск, 2006; Тюмень, 2009), на Трофимуковских чтениях (Новосибирск, 2006, 2007, 2008), на Всероссийской молодёжной конференции (Иркутск, 2009).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 19 печатных работах, из них: 3 — в центральных изданиях, включённых в перечень ВАК, 6 — в научно-технических сборниках и материалах конференций, 10 — тезисы докладов на различных конференциях.

Личный вклад автора. Автором осуществлён сбор фактического материала, проведён статистический анализ и выполнены картографические построения, проведены расчёты по оценке ресурсов, объёмных и тепловых эксплуатационных запасов термальных вод, осуществлено моделирование эксплуатации термальных подземных вод и оценено изменение их температурного режима, показаны состав и масштабы вторичного минералообразования, интерпретированы результаты и сформулированы выводы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Список литературных источников составляет 164 наименования. Общий объем работы — 159 страниц, включая 33 рисунка и 22 таблицы.