Способ использования вещества мантии Земли для получения водорода

Еще в 80-х гг. XX в. доктор геолого-минералогических наук Ларин В. Н. предложил извлекать водород из глубин Земли, и для многих геологов это выглядело надуманной сенсацией, не имеющей под собой никаких оснований. В самом деле, откуда быть водороду в каменной тверди планеты? Однако высокое академическое совещание, состоявшееся в Геологическом институте в 1989 г., после доклада В. Н. Ларина и его обсуждения единодушно постановило: «Рекомендовать сверхглубокое бурение (до 10−12 км) в области современного рифтогенеза, поскольку таковое в пределах рифтовых зон вплоть до настоящего времени не проводилось. Предложить в качестве объекта Тункинскую впадину, где бурение может иметь исключительно большое значение для энергетики и экологии, так как позволит оценить и проверить научно обоснованную возможность обнаружения принципиально нового и экологически чистого энергоресурса (тепла и водорода), который сможет составить конкуренцию традиционным энергетическим источникам Для уточнения конкретного места бурения рекомендовать в сжатые сроки провести дополнительные геофизические исследования в Тункинской и Муя-Куандинской рифтогенных впадинах (гравиметрические, сейсмические, а также глубинное электромагнитное зондирование)».

Но вернемся К фактам, КОТОДневная поверхность.

Рис. 8.5. Принципиальная схема получения «горячего» водорода.

Рис. 8.6. Глубинное строение рифтовой зоны (поперечный разрез).

рые убеждают. В районе Тункинской впадины глубинное электромагнитное зондирование выявило на глубине 5−6 км обширную зону с аномально высокой электропроводностью, вещественная природа которой так и не была выяснена. Аналогичные зоны с аномальной проводимостью отмечаются во всех молодых рифтогенных структурах планеты, но на несколько больших глубинах, до 15−20 км. Геофизические исследования показали, что такие зоны снизу подпираются диапирами (выступами, рис. 8.5) аномальной мантии (с пониженными плотностью и скоростями сейсмических волн). Это глубинное аномальное вещество мантии Земли внедряется в виде языков в земную кору и подходит достаточно близко к поверхности.

Но в чем причина аномально высокой электропроводности?

По мнению В. Н. Ларина, эти языки заполнены бескислородными соединениями и сплавами на основе кремния, магния и железа.

(в пропорции 3:2:1), которые имеют именно такой, полупроводниковый характер проводимости. И если это предположение подтвердится бурением, то тогда мы действительно получим возможность качать из Земли «горячий» водород, ведь кремний и магний при взаимодействии с водой выделяют водород и тепло. Для этого достаточно пробурить две скважины — по одной закачивать воду, а по другой — отводить нужный нам газ (рис. 8.6). Вот вам и месторождение водорода и тепла в придачу. Таким способом можно будет производить водород, не только затрачивая минимум энергии, но еще и получать ее попутно и в больших количествах.

По предварительным оценкам, если прогноз о наличии бескислородных сплавов на доступных глубинах подтвердится, то с 10 км² территории можно будет получать по 100−200 млн т у.т. в год, и что в перспективе ожидаемый энергоноситель может оказаться конкурентоспособным на энергетическом рынке [17].

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в повышении экономической эффективности водородной энергетики.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в снижении удельных энергетических затрат на производство водорода.

Указанный технический результат достигается тем, что согласно изобретению после входа скважины в мантийное вещество в нем формируют реакционную полость, выход водорода регулируют путем изменения объема находящейся в реакционной полости воды, при этом поверхность реакционной полости, участвующую в реакции, периодически регенерируют.

Данная совокупность признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется и спрашиваемый объем правовой охраны. В частности, формирование реакционной полости позволяет получить большую поверхность контакта воды с веществом мантии и, соответственно, увеличить выход водорода. Периодическая регенерация поверхности, участвующей в реакции, позволяет поддерживать эту поверхность в реакционном состоянии и даже увеличивать ее. Таким образом, при постоянных затратах энергии на бурение скважин, подачу воды и т. д. увеличивается выход водорода, что приводит к снижению удельных затрат энергии на его производство.

В частных случаях (в конкретных формах выполнения или при особых условиях его использования) изобретение характеризуется следующей совокупностью признаков:

• — бурение скважин осуществляют с помощью турбобуров;
• — бурят дополнительную скважину и реакционную полость образуют путем сбойки основной и дополнительной скважин;
• — реакционную полость образуют путем расширения основной и/или дополнительной скважин;
• — расширение скважины осуществляют посредством взрыва зарядов взрывчатых веществ;
• — регенерацию реакционной поверхности осуществляют высоконапорным потоком воды;
• — высоконапорный поток воды подают через форсунки, размещенные в реакционной полости, на дистанционно управляемых манипуляторах;
• — в скважине или на выходе устанавливают сепаратор для разделения образующегося газообразного водорода и паров воды;
• — тепловую энергию, выделяющуюся при производстве работ по получению водорода, утилизируют.

Способ использования вещества мантии Земли для получения водорода осуществляют следующим образом [34].

Современными методами поиска и разведки, например аэрокосмическими, производят поиск континентальных или океанических зон рифтогенеза. Из найденных зон выделяют зоны рифтогенеза, подпертые диапирами аномальной мантии. Наиболее перспективными с точки зрения постановки работ по получению водорода являются зоны рифтогенеза, подпертые диапирами аномальной мантии, у которых языки вещества мантии выходят в земную кору на глубину 3−5 км (до 10 км). По мере совершенствования методов глубокого и сверхглубокого бурения эта глубина может увеличиваться.

Установив перспективные зоны, подготавливают площадки для размещения бурового оборудования. Если перспективной признана океаническая зона рифтогенеза, то производят установку морской или океанической буровой платформы. После окончания подготовительных работ производят бурение, по меньшей мере, одной скважины в вещество мантии, основанной на технологии вращательного бурения, например, с помощью турбобуров или роторного бурения.

Спуск-подъем бурильной колонны осуществляют с удлиненными «свечами» при максимальной механизации и автоматизации процесса. Удаление буровой мелочи осуществляют циркуляцией бурового раствора. В качестве буровых растворов в начале сооружения скважины используют растворы на водной основе. С повышением температуры в скважине от 240 до 300 °C переходят на нефтеэмульсионные, а свыше 300 °C применяют растворы на нефтяной основе. В зависимости от конкретных геолого-технических условий используют бурильные головки как шарошечного, так и истирающего типа.

По мере углубления сохранение устойчивости горных пород на стенках ствола скважины в условиях проявления горного и пластового давления достигают поддержанием необходимого противодавления столба бурового раствора и его качества, а при встрече пластов с низким давлением ствол скважины обсаживают колонной обсадных труб, которую цементируют.

Наиболее предпочтительным следует считать вариант, при котором бурятся несколько скважин — основная и дополнительные. Одну можно использовать для подачи воды, т. е. в качестве закачной, остальные — в качестве выдачных, по которым на поверхность отводится полученный в результате реакции водород. После входа скважин в вещество мантии стволы освобождают от бурового раствора и формируют реакционную полость, в которой собственно и будет происходить реакция интерметаллидов, содержащихся в веществе мантии, с водой и выделение водорода. Использование соленой (например, морской) воды повышает кинетику реакции.

Реакционная полость может быть образована путем сбойки закачной и выданной скважин или путем расширения закачной и/или выданной скважин. В свою очередь расширение скважины может быть осуществлено посредством взрыва зарядов взрывчатых веществ, спущенных на забой скважины.

Производят монтаж устьевого оборудования, предназначенного для герметизации устьев закачной и выдачной скважин, распределения и регулирования потока закачиваемой в них воды и получаемого водорода, соответственно. В качестве устьевого устанавливают трубные головки, колонные головки, запорную и регулирующую арматуру.

Затем осуществляют подачу воды в оборудованную закачную скважину и вывод на поверхность через оборудованную выданную скважину газообразного водорода, образующегося в результате реакции интерметаллических соединений с водой. Для направления выделяющегося водорода в выданную скважину ствол закачной скважины герметизируют у устья и перед ее сопряжением с реакционной полостью, обеспечивая только пропуск воды. В этом случае образующийся в результате реакции водород будет выходить через открытую с поверхности выданную скважину.

Возможно также и оборудование выдачной скважины вакуумными установками, создающими разрежение в стволе выдачной скважины. В этом случае образующийся в результате реакции водород будет выходить в выданную скважину под действием создаваемого разрежения.

Количество получаемого водорода (выход водорода) регулируют путем изменения объема подаваемой в скважину воды и, соответственно этому, изменения объема воды, находящейся в реакционной полости. Такое регулирование может быть осуществлено, например, уменьшением проходного сечения запорной арматуры на устье выдачной скважины и уменьшением потока возвращаемой воды при постоянной ее подаче в закачную скважину. В результате количество воды, вступающей в реакцию с интерметаллидами, в реакционной полости увеличивается и, соответственно, увеличивается выход водорода.

О необходимости увеличения или уменьшения количества находящейся в реакционной полости воды судят по количеству выделяющегося водорода.

По мере окисления интерметаллических соединений, находящихся на поверхности реакционной полости, поверхность, участвующую в реакции, периодически регенерируют. Регенерацию указанной поверхности осуществляют, например, высоконапорным потоком воды. Высоконапорный поток воды подают через форсунки, размещенные в реакционной полости, на дистанционно управляемых манипуляторах. Продукты окисления потоком подаваемой воды удаляют из реакционной полости и выводят на поверхность, где производят их утилизацию.

Для разделения образующегося газообразного водорода и паров воды в выданной скважине может быть установлен сепаратор.

Тепловую энергию, выделяющуюся при производстве работ по получению водорода, утилизируют любыми известными способами, например используют для производства электроэнергии или для обогрева промышленных и гражданских зданий.