الزلزالية المتحرضة (المستحثة) عن تقنيات الطاقة (الجزء الثالث)

تقنيات الطاقة، كيف تعمل وإمكاناتها الزلزالية المستحثة:

يأتي جزء كبير من الطاقة المستخدمة في الولايات المتحدة من السوائل التي يتم ضخها من الأرض. كان النفط والغاز من مصادر الطاقة الرئيسية في البلاد لأكثر من 100 عام، وتشير التطورات الجديدة في إنتاج الغاز الطبيعي إلى أنه قد يوفر مصدرا مهما للطاقة خلال القرن الحادي والعشرين.

تم استخدام الطاقة الحرارية الأرضية لتزويد الطاقة في الولايات المتحدة لمدة طويلة تقريبا، على الرغم من أن توليد الكهرباء الرئيسي من مصادر الطاقة الحرارية الأرضية لم يبدأ إلا في الستينيات في The Geysers في شمال كاليفورنيا.

أشار تقرير صدر عام 2006 عن إمكانات الطاقة الحرارية الأرضية (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، 2006) إلى أنها يمكن أن تكون مساهما رئيسيا في إمدادات الطاقة في البلاد في العقود القادمة.

أدت الجهود المبذولة لتقليل تركيزات ثاني أكسيد الكربون (CO2) في الغلاف الجوي إلى تطوير تقنيات لالتقاط وتخزين (عزل) ثاني أكسيد الكربون، ويجري حاليا تجريب مشاريع احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) من المنشآت الصناعية في الولايات المتحدة وأماكن أخرى من العالم، كما تم استخدام حقن ثاني أكسيد الكربون تحت الأرض بشكل شائع لتعزيز استخلاص النفط والغاز.

يستعرض هذا الجزء والأجزاء القادمة إمكانات الزلازل المستحثة المتعلقة بإنتاج الطاقة الحرارية الأرضية، وتطوير النفط والغاز التقليدي (بما في ذلك الاستخلاص المعزز للنفط EOR)، وتطوير الغاز الصخري، وآبار الحقن المتعلقة بالتخلص من مياه الصرف الصحي المرتبطة باستخراج الطاقة، واحتجاز وتخزين الكربون.

الطاقة الحرارية الأرضية:

تتواجد الطاقة الحرارية الأرضية بسبب الحرارة الكبيرة في الأرض وتزداد درجة الحرارة مع الأعماق تحت سطح الأرض.

اعتمادا على الجيولوجيا الإقليمية بما في ذلك تكوين الصخور الموجودة تحت السطح وأي من السوائل الموجودة في الصخور قد تكون زيادة درجة الحرارة مع العمق (التدرج الحراري) شديدة الانحدار وتمثل مصدرا كافيا للطاقة الحرارية الأرضية للسماح بالأعمال التجارية لتنمية توليد الكهرباء.

يولد أكبر حقل للطاقة الحرارية الأرضية في الولايات المتحدة في The Geysers في شمال كاليفورنيا بما يقارب 725 ميجاوات من الكهرباء، وهذا يكفي لتزويد 725 ألف منزل أو مدينة بحجم سان فرانسيسكو بالطاقة.

يوفر هذا الحقل للطاقة الحرارية الأرضية حاليا لما يقرب من 60 بالمائة من متوسط الطلب على الكهرباء في المنطقة الساحلية الشمالية من كاليفورنيا.

إن المناطق الأكثر احتمالا للتطوير التجاري للطاقة الحرارية الأرضية هي عموما نفس المناطق التي شهدت نشاطا بركانيا مؤخرا الشكل(1)، وتتركز هذه المناطق في الجزء الغربي من البلاد. تقدر هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية أنه ربما يمكن زيادة إنتاج موارد الطاقة الحرارية الأرضية (التي يهيمن عليها البخار والسائل) في الولايات المتحدة إلى 3700 ميجاوات، ويوجد احتمال بنسبة 50٪ أنه يمكن زيادتها إلى حوالي 9000 ميجاوات.

أنتجت دراستان حديثتان تقديرات وطنية لإمكانات الطاقة الكهربائية التي يمكن تحقيقها من خلال التنفيذ الناجح لتكنولوجيا نظام الطاقة الحرارية الأرضية المعززة (EGS)، والتي ربما تساهم بـ 100000 ميجاوات من الطاقة الكهربائية سنويا، وفي الآونة الأخيرة نشرت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية تقديرا متوسطا لتطوير الخدمات البيئية والاجتماعية المحتملة على الأراضي الخاصة والعامة التي يمكن الوصول إليها بقدرة 517800 ميجاوات، ويمثل هذا ما يقرب من نصف قدرة توليد الطاقة الكهربائية الحالية في الولايات المتحدة.

يبين الشكل(1) موقع مقاطعات الطاقة الحرارية الأرضية في الولايات المتحدة، توجد المناطق ذات التدرجات الحرارية العالية نسبيا الموضحة باللون الأحمر في الغرب، تقع هذه المناطق ذات التدرج الحراري الأرضي العالي داخل أحواض رسوبية تقع بالقرب من البراكين الحديثة، أو كجزء من الصخور البركانية المدفونة نفسها.

تم تطوير خزان واحد فقط متبخر في الولايات المتحدة وقد تستضيف بقية المناطق باللونين الأحمر والبرتقالي خزانات نظام الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها السائل أو المحسنة.

يتم التعرف على الأشكال الثلاثة المختلفة لموارد الطاقة الحرارية الأرضية: (1) التي يهيمن عليها البخار، حيث يوجد البخار بشكل أساسي في مسام أو كسور الصخور الساخنة. (2) التي يسيطر عليها السائل، حيث يوجد الماء الساخن بشكل أساسي في الصخر. (3) الصخور الجافة الساخنة، حيث يكون المورد ببساطة عبارة عن صخور ساخنة وجافة وتتطلب نظاما معززا للطاقة الحرارية الأرضية (EGS).

يطلق على الأنظمة التي يهيمن عليها البخار والسائل بالموارد الحرارية المائية، الغالبية العظمى من الموارد الحرارية المائية المعروفة هي التي يهيمن عليها السائل.

تؤدي الأشكال المختلفة لموارد الطاقة الحرارية الأرضية إلى اختلافات كبيرة في الطريقة التي يتم بها تطويرها وخاصة في الطريقة التي يتم بها حقن السوائل للمساعدة في تحفيز تطوير الطاقة.

ممارسات الحقن المختلفة يمكن أن تسبب الزلازل المستحثة من خلال عمليات مختلفة. يتم تلخيص الطبيعة والاختلافات بين النشاط الزلزالي المستحث الذي قد ينتج عن كل من موارد الطاقة الحرارية الأرضية الثلاثة.

أولا- موارد الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها البخار:

يوجد عدد محدود من المناطق في العالم حيث تتواجد موارد الطاقة الحرارية الأرضية بشكل طبيعي على شكل بخار، أصبح حقل لاردريللو للطاقة الحرارية الأرضية في جبال الأبنين في شمال إيطاليا أول هذه الحقول، وقد قام بتوليد الكهرباء بشكل مستمر منذ عام 1904، ومع ذلك فإن أكثر حقول الطاقة الحرارية الأرضية إنتاجية في العالم هي منطقة السخانات الشكل(2) والتي تقع على بعد حوالي 75 ميلا شمال سان فرانسيسكو. تتمتع السخانات أيضا بالسجل الأكثر استمرارا تاريخيا وموثقا جيدا للنشاط الزلزالي المرتبط بأي تطور لتكنولوجيا الطاقة في العالم.

تم تشغيل أول محطة تجارية لتوليد الطاقة في منطقة السخانات في عام 1960 بقدرة 12 ميجاوات وعلى مدار الـ 29 عاما التالية تمت زيادة قدرة التوليد المركبة إلى إجمالي 2043 ميجاوات من خلال بناء 28 وحدة توليد توربينية إضافية لمحطة الطاقة.

العناصر الأساسية لعملية توليد الكهرباء في هذا النوع من محطات الطاقة موضحة في الشكل(3) حيث يظهر الشكل عناصر دورة محطة توليد الكهرباء لموارد الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها البخار، حيث يتم توجيه البخار عن طريق خط البخار الرئيسي إلى توربين يقوم بتدوير وحدة المولد المتصلة، وعادة ما يتم توليد الكهرباء عند 13.8 كيلو فولت والتي يزيدها المحول إلى 230 كيلو فولت للتوزيع بواسطة خط نقل، ويدخل البخار الخارج من التوربين إلى المكثف الذي يحتوي على شبكة من الأنابيب يتم من خلالها توزيع الماء البارد مما يسهل عملية التكثيف، يتم بعد ذلك ضخ المكثفات إلى برج التبريد حيث يتم تبريدها عن طريق التبخر مع إعادة تدوير الماء المبرد جزئيا بواسطة مضخات المياه إلى المكثف وعبره.

نظرا لأن بعض الغازات غير القابلة للتكثيف عادة ما تحدث بشكل طبيعي في البخار تتم إزالة هذه الغازات من المكثف بواسطة نظام قاذف الغاز الذي يخلق فراغا جزئيا عن طريق تدفق كمية صغيرة من البخار الذي يتم توصيله بواسطة خط البخار المساعد.

تتم معالجة هذه الغازات وخاصة كبريتيد الهيدروجين (H2S) كيميائيًا بشكل شائع بواسطة نظام ستريتفورد قبل تسليمها إلى برج التبريد حيث يتم تنفيسها.

تم تزويد هذه المحطات بالبخار من 420 بئر إنتاج، مع قدرة البخار على التدفق إلى أعلى آبار الإنتاج تحت ضغطه الخاص.

تم إعادة حقن البخار المكثف الذي لم يتبخر في أبراج تبريد محطة توليد الكهرباء في خزان البخار باستخدام 20 بئر حقن محفورة على أعماق مماثلة.

تم توسيع مساحة التطوير من 3 أميال مربعة إلى حوالي 30 ميلا مربعا. ولأن توليد الطاقة من الحقل يستهلك البخار الطبيعي الموجود أصلا في الخزان فبحلول عام 1988 بدأ إنتاج البخار في الانخفاض وقد تميز هذا الانخفاض بانخفاض كبير في ضغط المكمن من الضغط الأصلي البالغ حوالي 500 رطل لكل بوصة مربعة إلى مستويات منخفضة تصل إلى 175 رطل لكل بوصة مربعة.

تم إنشاء مصادر جديدة للمياه من خلال إنشاء خطي أنابيب ينقلان حاليا حوالي 25 مليون جالون من مياه الصرف الصحي المعالجة يوميا للحقن مما يزيد من الاستبدال الجماعي السنوي الحالي إلى 86 بالمائة مقارنة بـ 26 بالمائة في عام 1988.

بدأت التقارير المبكرة عن الزلازل المستحثة في The Geysers من قبل باحثي هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ووصفت الزلازل الدقيقة التي لوحظت بالقرب من مكان إجراء عمليات تطوير الطاقة الحرارية الأرضية.

مع توسع مساحة تطوير حقل البخار، توسع التوزيع المساحي للأحداث الزلزالية بالمثل وزاد عدد الأحداث تدريجيا الشكل(4) حيث يتضح الأعداد المتزايدة للأحداث الزلزالية مع تزايد مواقع محطات الطاقة العاملة.

الشكل(1)

الشكل(2)

الشكل(3)

الشكل(4)

مع إضافة المزيد من أجهزة قياس الزلازل ذات الحساسية المتزايدة الموزعة في جميع أنحاء منطقة التطوير الموسعة، أصبح هناك ارتباط واضح بين الأحداث المستحثة وآبار الحقن النشطة وحجم المياه التي يتم حقنها. يوضح الشكل(5) مكان الحقن في الجزء الجنوبي الشرقي من The Geysers في عام 1998، وهو العام التالي لبدء تشغيل أول خط أنابيب لمياه الصرف الصحي والذي أدى إلى مضاعفة حجم الحقن.

خلال الفترة من 1997 إلى 1998، تم تسجيل 1599 حدثا بقدر M> 0.6، أي بزيادة تزيد قليلاً عن 50 بالمائة مقارنة بالأشهر الـ 12 السابقة.

يبين الشكل(5) مواقع آبار الحقن وموقع وعمق الأحداث الزلزالية في منطقة The Geysers خلال الفترة 1997-1998. تظهر الخريطة الموجودة على اليسار آبار الحقن في عام 1998، وتظهر الخريطة الوسطى إجمالي عدد الأحداث الزلزالية المسجلة من عام 1997 إلى عام 1998 مع خط المقطع العرضي، والشكل الموجود على اليمين يظهر المقطع العرضي مواقع ثلاثة آبار للطاقة الحرارية الأرضية مع تحديد الموقع على عمق الأحداث الزلزالية (النقاط الحمراء).

وصل إنتاج البخار وبالتالي توليد الكهرباء إلى الحد الأقصى في عام 1987 أعقبه انخفاض سريع إلى حد ما حتى بدأت خطوط أنابيب مياه الصرف الصحي في التسليم في عامي 1997 و2003 واتبعت الكمية السنوية من المياه المحقونة نفس الاتجاهات حتى تم تطوير مصادر جديدة للمياه غير المكثفات مما سمح للحقن الأخير بأن يصبح مساويا تقريبا لمستويات الإنتاج السنوية.

يظهر تاريخ النشاط الزلزالي المستحث في The Geysers في ثلاثة أشكال.

أولا- تبين أن عدد الأحداث المسجلة لقدر 1.5 وأكثر قد ارتفع من لا شيء تقريبا في الستينيات إلى 112 في عام 1975 ثم إلى ما يصل إلى 1384 في عام 2006 (الخط الأخضر السميك).

ثانيا- يظهر العدد السنوي للزلازل التي يبلغ قدرها 3.0 وأكثر على طول الجزء السفلي من الرسم البياني (الخط الأخضر الشاحب) الشكل(6)، بحلول عام 1985 وقع 25 حدثا من هذا القبيل سنويا واستمر حدوث هذا المعدل الذي يبلغ حوالي حدثين بقدر 3.0 أو أكبر شهريا.

ثالثا- تظهر الأحداث بقدر 4.0 وأكبر بالقرب من الجزء العلوي (النقاط الخضراء)، وقع أول حدث من هذا القبيل في عام 1972 ومؤخرا وقع حوالي 1 إلى 3 من هذه الأحداث سنويا، كان الحد الأقصى لقدر الحدث 4.67 في مايو 2006.

يستخدم M = 2.0 كحد عام لا يمكن للبشر أن يشعروا بالزلازل تحته، ومع ذلك فيThe Geysers  القدر 1.5 هو أدنى قدر يمكن لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية الإبلاغ عنه، علاوة على ذلك قد يشعر المقيمون في أندرسون سبرينغز بأحداث منخفضة تصل إلى 1.5 لأن الأحداث مكانية قريبة جدا من المجتمع.

طريقة الحقن في The Geysers غير عادية بسبب انخفاض ضغط السوائل للغاية في الخزان العميق، لا حاجة إلى ضغط سطحي للحقن حيث يسقط الماء ببساطة أسفل بئر الحقن كما لو كان من خلال فراغ جزئي لأن ضغط السائل في الخزان غير قادر على دعم مستوى السائل إلى السطح، وبالتالي بدون ارتفاع ضغوط قاع الحفرة فإن السبب الرئيسي للزلزال المستحث هو حقيقة أن الصخور الساخنة تحت السطح يتم تبريدها بشكل كبير بواسطة الماء المحقون ويقلل الانكماش الحراري الناتج من الضغوط المحصورة ويسمح بإطلاق الضغوط المحلية بمقدار محدود.

تسجل محطات تسجيل الحركات القوية التي تم تركيبهما في عام 2003 بالقرب من المجتمعات المجاورة في أندرسون سبرينغز وكوب عادة اهتزازات معتدلة بالإضافة إلى حوالي اثني عشر حدث بشدة VI حسب مقياس ميركالي واهتزاز قوي بشدة VII كل عام وتسبب أكير حدث بتسارع قدره 0.02g.

يجتمع المشغلون في The Geysers بانتظام مع ممثلي هذين المجتمعين وحكومة المقاطعة والوكالات التنظيمية الفيدرالية والولائية وهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ومختبر لورانس بيركلي الوطني من أجل مناقشة العمليات الميدانية والزلازل المرصودة مؤخرا.

تحدث أضرار طفيفة أحيانا بسبب الزلازل المستحثة في The Geysers بشكل عام كشقوق في النوافذ أو الجدران الجافة أو جدران البلاط أو الأرضيات في هذه المجتمعات.

تم إنشاء نظام لتلقي ومراجعة والموافقة على مطالبات الأضرار المنسوبة إلى الزلازل المحلية منذ 6 سنوات ويتم تعويض أصحاب المنازل عن تكاليف إصلاح الأضرار التي لحقت بالمنزل، ويبدو أن هذا النظام يؤدي إلى علاقات مرضية للطرفين.

الشكل(5)

الشكل(6)

موارد الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها السائل:

على النقيض من تطوير موارد الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها البخار، تستخدم الموارد التي يهيمن عليها السائل عادة مضخات أسفل البئر في آبار الإنتاج لتوصيل المياه الحرارية إلى المرافق السطحية. هناك حاجة إلى مرافق الضخ السطحي لإجبار المياه المحقونة على العودة إلى الخزان. يتم سرد خزانات الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها السائل والتي تم تطويرها تجاريا لإنتاج الكهرباء في غرب الولايات المتحدة في الجدول الشكل(7) (تشمل المصادر CDOGGR ولجنة نيفادا للموارد المعدنية ومنطقة الري الإمبراطورية ومشغلين مختلفين) حيث يبين الجدول حقول الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها السائل في الولايات المتحدة مع محطات توليد الطاقة العاملة.

يتم استخدام عدة طرق مختلفة لتوليد الكهرباء في أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها السائل اعتمادا في المقام الأول على درجة حرارة السوائل المنتجة – تعد عملية دورة طاقة البخار وعملية الدورة الثنائية الأكثر شيوعا الشكل(8) حيث في الجزء (a) يتم تمرير السوائل التي يتم تسليمها إلى السطح عن طريق آبار الإنتاج في دورة الطاقة البخارية من خلال الوعاء أو الفاصل ويتم توجيه البخار المنفصل الذي يتدفق من الأعلى إلى محطة توليد الكهرباء حيث يتم استخدامه لتدوير توربين بخاري متصل بمولد ينتج خرجا كهربائيا، ينتقل البخار المستهلك عبر مكثف ويتم بعد ذلك الضخ إلى برج التبريد حيث يتم تبريد السوائل قبل أن يتم ضخ بعض السوائل مرة أخرى داخل المكثف ويتم دمج بعضها مع الماء الذي يتم تصريفه من أسفل الفاصل وإرساله إلى آبار الحقن، أما في (b) يتم أولا تمرير السوائل المنتجة لمحطات توليد الطاقة ذات الدورة الثنائية عبر مبادل حراري لتسخين سائل ثانوي، عادة ما يكون سائلا عضويا مثل الأيزوبنتان والذي يتبخر (يغلي) عند درجة حرارة أقل من الماء، يتم بعد ذلك استخدام هذا السائل الثانوي المتبخر لتدوير مولد توربيني لإنتاج الكهرباء، وبالمثل يتم بعد ذلك تكثيف هذا البخار وإعادته مباشرة إلى المبادل الحراري ليتم إعادة تسخينه وتبخيره وإعادة تدويره دون فقدان أي سائل، يتم بعد ذلك تسليم المياه الحرارية الأرضية المنتجة التي مرت عبر المبادل الحراري إلى آبار الحقن.

يختلف سبب ومدى النشاط الزلزالي المستحث المرتبط بتنمية موارد الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها السائل عن تلك الموجودة في الموارد التي يهيمن عليها البخار.

منذ بداية العمليات يتم استبدال كمية السائل المنتجة من المكمن الذي يهيمن عليه السائل بالكامل تقريبا عن طريق الحقن مما يمنع حدوث انخفاض كبير في ضغط المكمن، كما أن الفرق في درجة الحرارة بين المياه المنتجة والمياه المعاد حقنها محدود نسبيا مما يؤدي إلى انخفاض تبريد الخزان، وبالتالي إذا كان ضغط السطح وما ينتج عنه من ضغوط في البئر السفلي في آبار الحقن محدودا ليكون أقل من اللازم للحث على التكسير، فلا يوجد سبب يذكر للعمليات لإنتاج زلزال مستحث كبير، وقد أظهرت المراقبة في العديد من حقول الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها السائل نقصا نسبيا في النشاط الزلزالي المستحث، ومع ذلك بدأ حقل كوسو للطاقة الحرارية الأرضية كحقل يهيمن عليه السائل بشكل صارم وتطور خلال الإنتاج الممتد ليصبح يهيمن عليه البخار جزئيا، وقد أدى هذا التطور إلى انخفاض في استبدال السوائل وتسبب في إدخال الأحداث الزلزالية المستحثة.

يقدم حقل كوسو للطاقة الحرارية الأرضية مثالا موثقا جيدا لمنطقة موارد معقدة كانت تهيمن عليها السوائل قبل بدء التطوير قبل 25 عاما والتي ربما تكون قد تطورت بعد الإنتاج المكثف إلى مورد يهيمن عليه البخار جزئيا الآن.

تقع كوسو بالقرب من ريدجكريست، في جنوب شرق وسط كاليفورنيا، في منطقة بركانية حديثة تنشط زلزاليا أيضا.

بدأت أول محطة تجارية للطاقة الحرارية الأرضية بالعمل في عام 1987 ومنذ عام 1989 تم تشغيل ثلاث محطات بقدرة توليد إجمالية تبلغ 260 ميجاوات، مع حوالي 85 بئر إنتاج و20 بئر حقن قيد الاستخدام حاليا.

توجد السوائل الحرارية الأرضية (المياه في الغالب) في درجات حرارة تزيد عن 300 درجة مئوية على أعماق تتراوح بين 1.5 و 2 كيلومتر.

إن العمليات الميدانية في كوسو تسببت في تبريد المكمن والانكماش الحراري، مما أدى إلى حدوث زلازل مستحثة.في الآونة الأخيرة، وتعزى الزلزالية المستحثة في كوسو إلى انخفاض في تشبع السوائل أو ضغط السوائل داخل خزان الطاقة الحرارية الأرضية النشط.

إحدى القضايا المهمة التي يجب التأكيد عليها فيما يتعلق بالتغيرات المحتملة في ضغط المسام في محطات الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها البخار والسائل هي اختيار دورة التحويل.

يتم تحديد اختيار الدورة حسب درجة الحرارة والطبيعة (الحالة الفيزيائية) للسوائل الحرارية الأرضية المنتجة على السطح.

يمكن أن تؤدي الخسائر التبخرية إلى ضغط المسام والخسائر الحرارية التي يمكن أن تؤدي بدورها إلى مستويات كبيرة أو معتدلة من الزلازل المستحثة، ومن المهم بنفس القدر توضيح سبب عدم وجود خسائر تبخرية في حالة محطات الطاقة ذات الدورة الثنائية، وبالتالي فقدان قليل جدا إن وجد في ضغط المسام أو درجة حرارة السائل وبالتالي القليل من الزلازل المستحثة المرتبطة بها إن وجدت.

الشكل(7)

الشكل(8)

الزلازل المستحثة في مجال الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليه السائل في كوسو:

تظهر الزلازل المستحثة محليا والمسجلة في منطقة تطوير حقل كوسو للطاقة الحرارية الأرضية بين عامي 1996 و2008 في الخريطة الشكل(9) الشكل العلوي والمقطع العرضي الشكل(9) الشكل السفلي، التجمع بالنسبة لموقع وعمق آبار الطاقة الحرارية الأرضية يظهر باللون الأزرق، يتم رسم عدد الأحداث الزلزالية التي تبلغ قوتها 0.5 وما فوق وإجمالي هذه الأحداث 10200.

يبين الشكل(9) النشاط الزلزالي المسجل في حقل كوسو للطاقة الحرارية الأرضية.

يظهر في الشكل(10) تاريخ إنتاج السوائل الحرارية الأرضية (المياه في الغالب)، وحقن المياه، والتاريخ الزلزالي الحديث في حقل كوسو من عام 1977 حتى عام 2011. بدءا من عام 1987 وصل الإنتاج السنوي إلى حد أقصى قدره 121 مليار رطل في عام 1990 وانخفض إلى 68 مليار رطل بحلول عام 2009 بينما انخفض الحقن السنوي من حد أقصى قدره 80 مليار رطل إلى 27 مليار رطل، يرجع معدل إعادة الحقن المنخفض نسبيا لمورد يهيمن عليه السائل إلى خسائر التبخر في برج التبريد الناتجة عن السوائل المنتجة التي تحتوي على نسبة بخار متزايدة مع انخفاض ضغط الخزان على مدار 25 عاما تقريبا من التشغيل. باستخدام كتالوج البيانات المتاحة من مركز بيانات الزلازل في جنوب كاليفورنيا، يظهر في الشكل أدناه تاريخ الزلازل المحلية في حقل كوسو من عام 1977 إلى عام 2009.

يبين الشكل(10) الإنتاج السنوي وحقن المياه والزلازل في حقل كوسو للطاقة الحرارية الأرضية.

بالإشارة إلى الشكل(10) بلغ متوسط عدد الأحداث M 1.5 وما فوق 5 سنويا خلال السنوات العشر السابقة للتطوير ثم تضاعف في السنوات الخمس الأولى بعد عام 1987، ليصل إلى الحد الأقصى 51 في عام 1995، و55 في 1998-1999 و 64 في عام 2001 قبل أن ينخفض إلى المستوى الحالي البالغ حوالي 20 سنويا. يعود سبب الذروة التي حدثت في عام 1995 وفي الفترة 1998-1999 إلى الزلزالية المتحرضة لزلازل كبيرة (M> 5.0) قريبة في ريدجكريست وفي نطاق كوسو، بالإضافة إلى ذلك يظهر عدد الزلازل التي تبلغ قوتها M 3.0 وأكبر بالقرب من أسفل الرسم البياني. وقعت أحداث فردية في الأعوام 1978، و1995، و1998، و1999، و2007، وثلاثة أحداث في عام 2009. وكان الحدث الأكبر الوحيد الذي وقع في عام 2007 بقوة M 4.11 كما هو موضح بالقرب من أعلى الرسم البياني.

الشكل(9)

الشكل(10)

أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة EGS:

بالإضافة إلى الموارد التي يهيمن عليها البخار والسائل الموصوفة سابقا تتمتع بعض المناطق بدرجة حرارة عالية بما يكفي في أعماق ضحلة إلى حد معقول للتطوير التجاري المحتمل للطاقة.

لتطوير الخدمات يلزم وجود شكل من أشكال الهندسة لتوليد النفاذية اللازمة في الصخور غير المنفذة بشكل عام لتعزيز دوران الماء الساخن أو البخار لتوصيله إلى السطح بمعدلات كافية لاستدامة العمليات.

كان يشار إلى هذه الأنظمة سابقا باسم مشاريع “الصخور الجافة الساخنة”، ويشار إليها الآن باسم “أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة” أو EGS الشكل(11).

الطريقة الأساسية المستخدمة لتعزيز نفاذية الصخور هي التكسير الهيدروليكي، تتطلب هذه العملية التي يطلق عليها غالبا “التحفيز” حقن سائل عند ضغط كاف في بئر واحدة للتغلب على الضغوط المحصورة في العمق وبالتالي فتح الكسور الأولية ومستويات الضعف أو إنشاء كسور جديدة للسماح للسوائل بالتدفق بشكل أكبر بحرية من خلال الصخور تحت السطح.

يمكن تحديد موقع الكسور الجديدة من خلال مراقبة الاستجابة الزلزالية الدقيقة على السطح أو أسفل البئر.

يبين الشكل(11) رسم تخطيطي لتطوير EGS مع بئر إنتاج الحقن ومحطة توليد الطاقة.

يرافق بئر الحقن (الأزرق) بئر (إنتاج) ثان (أحمر) يتم حفره لتقاطع الكسور الناتجة عن بئر الحقن على عمق ومسافة جانبية مناسبة من بئر الحقن.

تسمح هذه المسافة بتسخين المياه المحقونة بشكل كاف بواسطة الصخور المحيطة حيث يتم تدويرها إلى بئر الإنتاج وضخها إلى السطح.

بمجرد وصول الماء الساخن إلى السطح يمكن تحويله إلى بخار أو استخدامه لتسخين سائل ثانوي يمكن استخدامه في عملية الدورة الثنائية.

بدأ تاريخ تطور مشاريع EGS في الولايات المتحدة بالقرب من مختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو خلال السبعينيات، وقد وفر هذا المشروع قاعدة لاكتساب الخبرة في إجراء عمليات التكسير الهيدروليكي عند درجات حرارة عالية في الصخور البلورية منخفضة النفاذية، وقد أدت البيانات المستمدة من هذا المشروع إلى سلسلة من تجارب EGS المماثلة في إنجلترا وفرنسا وألمانيا واليابان وتلاها مؤخرًا في أستراليا والسويد وسويسرا.

في كل حالة من حالات تطوير EGS النشطة تم تسجيل بعض الزلازل المستحثة، وأحد الأمثلة الحديثة في بازل، سويسرا.

الشكل(11)