Метод повторного закачивания на основе депрессуризации для геотермальных пластов из наносов малой проницаемости

Почему добыча тепла Земли может быть такой сложной

Геотермальная энергия обещает стабильное низкоуглеродное тепло, получаемое непосредственно из недр. Тем не менее во многих местах породы, в которых хранится горячая вода, ведут себя как плотная губка, и вернуть охлаждённую воду обратно становится трудно. В этой работе рассматривается новый подход к регулированию подземного давления, который делает повторную закачку воды гораздо проще и энергоэффективнее, открывая путь к более надёжному геотермальному теплоснабжению в сложных горных породах.

Суровая подземная среда

Исследование сосредоточено на месторождении в провинции Цзилинь на северо-востоке Китая, где тепло хранится в глубоких песчаниках примерно на двух километрах ниже поверхности. Эти породы имеют очень мелкие поры и слабую связность, поэтому вода через них почти не течёт. Даже после улучшения проницаемости методом гидравлического разрыва пласта скважины могли принимать повторно закачиваемую воду лишь при давлениях, которые перегружают поверхностные насосы и повышают эксплуатационные расходы. Похожие проблемы в песчаниковых пластах низкой проницаемости по всему миру ограничивают использование геотермальной энергии без риска повреждения скважин или окружающих пород.

Простая смена стратегии

Вместо того чтобы бороться с высоким давлением в скважине для закачки, авторы предлагают предварительно изменить поле давлений в пласте до начала повторной закачки. Их метод состоит из двух этапов. Сначала примерно в течение года при контролируемой скорости откачивают горячую воду из добывающей скважины, постепенно понижая давление в вытянутой зоне вокруг неё — подобно тому, как под землёй формируется широкая неглубокая воронка. Затем начинают закачку охлаждённой воды из соседней скважины, продолжая добычу на стабильной, более низкой скорости. Поскольку скважина для закачки «видит» рядом зону пониженного давления, вода легче входит в пласт, и требуемое на поверхности дополнительное давление резко снижается.

Создание и тестирование виртуального пласта

Чтобы проверить идею, команда построила подробную трёхмерную компьютерную модель пласта Цзилинь с использованием реальных испытаний скважин, измерений трещиноватости и данных о свойствах пород. Модель отслеживает как движение флюидов, так и перенос тепла, следуя стандартной физике фильтрации в пористой среде и теплопереноса. Модель была верифицирована сравнением смоделированных уровней воды и давлений при закачке за два года с фактическими полевыми измерениями по паре скважин. Тесное соответствие моделирования и реальности дало уверенность для исследования более длинных временных интервалов и альтернативных режимов работы, которые трудно или дорого опробовать в поле.

Поиск оптимума по дебиту и расстоянию

Имея виртуальный пласт, исследователи варьировали два ключевых параметра: интенсивность откачки на этапе депрессуризации и расстояние между добывающей и закачивающей скважинами. Более высокие начальные скорости откачки формировали большую и глубже уходящую конусную зону пониженного давления, которая простиралась в сторону закачивающей скважины, резко уменьшая последующее давление, необходимое для возвращения воды в пласт. При скорости депрессуризации около 600 кубометров в сутки и расстоянии между скважинами 250–300 метров требуемое давление при закачке снизилось более чем на 80 процентов по сравнению с обычным подходом «начать закачку сразу». Более интенсивная откачка могла бы ещё больше понизить давления, но рискует уплотнить породу и ухудшить её проницаемость, поэтому авторы выделяют этот промежуточный режим как практический компромисс. Изменение расстояния между скважинами также меняет силу их гидравлического взаимодействия: если слишком близко — падение давления становится чрезмерным; если слишком далеко — скважины едва влияют друг на друга. Моделирование указывает на 250–300 метров как на расстояние, которое обеспечивает сильную гидравлическую связь без излишнего напряжения пород.

Сохранение тепла при перемещении воды

Понижение давления может вызвать опасения по поводу слишком быстрого охлаждения пласта. Связанная модель течения и передачи тепла показывает, что при рекомендованном режиме работы температура добываемой воды падает менее чем на полградуса Цельсия за пять лет — достаточно мало, чтобы не ожидать быстрого термического «прорыва». В ранней, более интенсивной фазе добычи система выдаёт около 1,5 мегаватта тепловой мощности, затем примерно вдвое меньше, когда добыча и закачка выходят на баланс. Поскольку охлаждённая вода возвращается в пласт по замкнутому контуру, подход поддерживает как управление давлением, так и долгосрочную выемку тепла.

Более щадящий способ использовать глубинное тепло

Для неспециалистов главный вывод таков: небольшие изменения в том, как и когда мы добываем горячую воду из глубоких пород, могут сильно повлиять на то, насколько легко её снова закачать. Сначала создавая контролируемую зону пониженного давления вокруг добывающей скважины, метод на основе депрессуризации превращает упорный плотный песчаниковый пласт в такой, который принимает повторно закачиваемую воду с гораздо меньшими усилиями. На практике это означает снижение энергозатрат на перекачку, уменьшение нагрузки на оборудование и более надёжные, долгоживущие геотермальные системы. Исследование также предлагает набор проектных инструментов — комбинацию полевых данных и моделирования — который можно применить к аналогичным пластам низкой проницаемости по всему миру, помогая сделать геотермальную энергию более доступной частью чистой энергетики.

Цитирование: Lu, M., Li, Z., Chen, L. et al. Depressurization-based reinjection method for low-permeability sandstone geothermal reservoirs. Sci Rep 16, 10366 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40426-5

Ключевые слова: геотермальная энергия, песчаниковый пласт, давление повторной закачки, метод депрессуризации, моделирование резервуара