Примерно в миле под поверхностью Земли в старом золотом руднике ученые Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) построили обсерваторию для изучения разрушения горных пород. Полученные ими знания могут в конечном итоге помочь сократить выбросы парниковых газов и ускорить внедрение экологически чистых энергетических технологий.
Обсерватория является частью инициативы Министерства энергетики (DOE), направленной на решение проблем, связанных с использованием недр для добычи энергии и хранения отходов. Инициатива, получившая название SubTER (Subsurface Technology and Engineering Research, Development and Demonstration Crosscut), признает, что в настоящее время Соединенные Штаты полагаются на недра для удовлетворения более 80 процентов своих потребностей в энергии и что адаптивный контроль над подземными трещинами и потоками флюидов является сквозной задачей. это может изменить стратегии производства энергии и хранения отходов.
«Каким бы важным ни было недра для энергетической стратегии США, наше понимание того, как недра реагируют на обычные возмущения, например, вызванные вытягиванием или нагнетанием флюидов, довольно грубое», - сказала Сьюзан Хаббард. заместитель директора лаборатории Беркли, который помогает руководить командой национальной лаборатории SubTER. «Мы не можем манипулировать недрами с помощью контроля, который может гарантировать, что мы не только максимизируем производство энергии или хранение отходов, но и защищаем нашу окружающую среду, в том числе минимизируем выбросы парниковых газов, воздействие на грунтовые воды и наведенная сейсмичность. Это значительный разрыв."
Большая задача: контроль над недрами
Ученые из нескольких национальных лабораторий Министерства энергетики вносят свой вклад в проект SubTER, который был запущен в прошлом году после того, как министр энергетики Эрнест Мониз назвал адаптивный контроль над недрами одной из «больших задач» Министерства энергетики.
«Мы знаем, что недра по-прежнему будут важной частью нашей энергетической стратегии на многие десятилетия вперед», - сказал Хаббард. «Мы запустили эту инициативу с осознанием того, что, будь то старые энергетические стратегии, такие как нефть и газ, или новые стратегии, такие как улучшенная геотермальная энергия или улавливание и секвестрация углерода, мы должны действительно получить контроль над недрами».
Одним из ключей к получению контроля является понимание того, как горные породы разрушаются, чтобы контролировать или предотвращать это, в зависимости от применения. «Нас интересует способность жидкостей проходить через трещины и поры», - сказал геолог из лаборатории Беркли Патрик Добсон. «Для некоторых приложений, таких как инженерные геотермальные системы, вы хотите, чтобы жидкости двигались, чтобы добывать тепло из недр, поэтому вы хотите создавать трещины. В других, таких как улавливание и связывание углерода, мы больше заинтересованы в точно переломы не растут."
Чтобы получить прогнозное представление о контроле над трещинами, лаборатория Беркли возглавляет проект SubTER по созданию подземной обсерватории и проведению комплексных экспериментов и геофизических изображений. Подземная обсерватория расположена в Сэнфордском подземном исследовательском центре в Южной Дакоте, на месте бывшего золотого рудника, который сейчас в основном является исследовательской лабораторией физики элементарных частиц. Команда лаборатории Беркли выбрала одну часть объекта на глубине 4850 футов под землей для установки своей обсерватории, получившей название kISMET, для определения проницаемости [k] и управления наведенной сейсмичностью для энергетических технологий.
Получение энергии через понимание камней
Под руководством Добсона и геолога лаборатории Беркли Курта Ольденбурга команда kISMET пробурила и взяла керн четыре контрольные скважины глубиной 50 метров и экспериментальную скважину глубиной 100 метров. «По сути, мы пытаемся понять взаимосвязь между полем напряжений, структурой породы и трещиноватостью», - сказал Ольденбург.
Ученые вводили небольшое количество воды в горную породу под очень высоким давлением до тех пор, пока порода не треснула. «Мы смотрим на давление, которое создает новую трещину, а также на скорость потока и объем воды, которая попадает в трещину, чтобы оценить ее размер», - сказал Ольденбург.«Затем мы возвращаемся с приборами скважинного каротажа, чтобы определить ориентацию трещины. В то же время мы проводим детальный мониторинг процесса трещиноватости. В частности, мы измеряем удельное электрическое сопротивление породы в режиме, близком к реальному, сейсмические свойства горных пород. Мы также измеряем микросейсмичность, связанную с трещиноватостью."
Эксперименты kISMET наиболее актуальны для усовершенствованных геотермальных систем (EGS), технологии экологически чистой энергии, при которой в горячих породах в недрах создаются подземные трещины для нагнетания воды и извлечения тепла. EGS может генерировать достаточно чистой энергии для питания миллионов домов, но ученым все еще нужны более эффективные методы управления проницаемостью горных пород.
Порода в лаборатории Сэнфорда похожа на глубокую кристаллическую породу, найденную во многих геотермальных системах. «Одной из ключевых задач является понимание напряженного состояния породы, которое, вероятно, определяет направление, в котором скала может сломаться, и где это произойдет», - сказал Добсон.
Помимо геотермальной энергии, kISMET будет иметь отношение к ряду других приложений. «Трещины и их связь с напряжением и структурой горных пород очень важны для секвестрации углерода, нефти и газа и изоляции ядерных отходов, потому что поток жидкости часто происходит преимущественно в трещинах», - сказал Ольденбург..
Эксперименты также могут быть полезны для лучшего понимания сейсмичности, возникающей в результате сброса больших объемов воды, добываемой из нетрадиционных нефтяных и газовых скважин, созданных методом гидроразрыва пласта; известно, что закачка сточных вод приводит к небольшим землетрясениям. «В kISMET наши чувствительные приборы смогут обнаруживать микросейсмичность, связанную с нашими экспериментами по закачке воды», - сказал Ольденбург. «Мы можем узнать об обнаружении и локализации микросейсмических событий в глубоких кристаллических породах из наших строго контролируемых экспериментов».
Помимо kISMET, Министерство энергетики недавно объявило, что инвестирует 11 долларов.5 миллионов в восьми проектах SubTER, направленных на продвижение технологий геотермальной энергии и хранения углерода. Ученые лаборатории Беркли примут участие в двух из них, включая проект стоимостью 684 000 долларов США по развертыванию и проверке системы мониторинга углекислого газа GPUSA Inc. и проект стоимостью 1,5 миллиона долларов США по использованию пассивной сейсмоэмиссионной томографии для улучшения визуализации и определения характеристик геотермальной проницаемости на геотермальное поле Сан-Эмидио в Неваде.
Геофизические возможности построения изображений Berkeley Lab - это лишь одна из сильных сторон, которые они привносят в задачу адаптивного управления недрами. «У нас есть полный спектр фундаментальных и прикладных знаний в области геолого-геофизических исследований», - сказал Хаббард. «С фундаментальной стороны у нас есть возможность исследовать, как гидрологические, геомеханические и геохимические компоненты взаимодействуют, чтобы получить составную реакцию на возмущение. и модели при соответствующих давлениях и температурах подземных условий. Этот диапазон возможностей необходим для повышения нашей способности уверенно манипулировать недрами».