توده یا حجمی از سنگ های نفوذپذیر و متخلخل است كه در اعماق مختلف زمین قرار داشته و خلل و فرج آنها را آب داغ یا بخار تحت فشار، اشغال كرده است. مخزن های زمین گرمایی تحت شرایط خاص زمین شناسی به وجود می آیند. به عنوان مثال، گسل ها یكی از عوامل كنترل كننده اندازه و شكل مخازن زمین گرمایی است. مخزن های زمین گرمایی از اجزایی تشكیل شده است كه وجود همه آنها برای تشكیل مخازن ضروری است. بدین ترتیب كه در صورت عدم وجود هر یك از آنها، مخزن زمین گرمایی به وجود نخواهد آمد. اجزای یك مخزن زمین گرمایی عبارتند از:
۱ سنگ مخزن كه سنگی نفوذپذیر و متخلخل است.
۲ سنگ پوشش كه سنگی متراكم و غیرقابل نفوذ بوده و مانع از خروج سیال از مخزن و در نتیجه افت فشار آن می شود.
۳ منبع حرارت كه ممكن است عوامل مختلفی باشد مانند یك توده نفوذی آذرین جوان و عمیق یا حرارت حاصل از حركت های زمین یا حرارت حاصل از تجزیه عنصر های رادیواكتیو و نازك شدگی پوسته زمین و غیره.
۴ منبع سیال كه اغلب بارش های جوی، منابع آب زیرزمینی و یا آب موجود در ماگما است.
انواع مخزن های زمین گرمایی به شرح زیر است:
۱ مخزن های گرمابی
در حال حاضر این دسته از مخزن ها تنها مخزن های اقتصادی زمین گرمایی جهان است. همان گونه كه از نام آنها بر می آید این مخزن ها، حاوی سیال هستند كه بر حسب نوع سیال به دو دسته مخزن ها حاوی آب داغ و بخار تقسیم می شوند. مخزن های آب داغ فراوان تر از مخزن های حاوی بخار است. كشورهای نیوزیلند و ایسلند تعداد قابل توجهی از مخزن های آب داغ دارند.
در مخزن های حاوی بخار حجم تغذیه سیال مخزن نسبت به دمای غشای حرارتی آن به قدری كم است كه به محض ورود آب، بخش عمده آن به بخار تبدیل می شود. در این دسته از مخزن ها، بخار تحت فشار با دمای زیاد
C ۲۰۰ منبسط شده و به بخار خشك فوق العاده گرم تبدیل می شود، بنابراین، این گونه مخزن ها را مخزن های بخار خشك نیز می نامند.
در مخزن های آب داغ، حجم آب داغ بیش از حجم بخار و گاز مخزن است. این قبیل مخزن ها بسیار فراوان بوده و حدود ۹۰ درصد مخازن زمین گرمایی جهان را تشكیل می دهد. دمای آنها بین ۲۵ تا C ۳۱۰ متغیر است. منبع عمده تامین كننده آب این مخزن ها، بارش های جوی و آب های سطحی است.
۲ مخزن های سنگ داغ خشك
در نواحی ای كه سنگ های متراكم آذرین، داغ ، بدون تخلخل و نفوذپذیری در عمق كم قرار دارند، می توان آب را به طور مصنوعی درون سنگ ها تزریق كرد. بدین ترتیب كه دو چاه با عمق های متفاوت و با زاویه ای نسبت به سطح قائم حفر می شود. اغلب چاه ها تا جایی حفر می شود كه درجه حرارت سنگ ها به C ۲۰۰ برسد. یكی از چاه ها عمیق تر است و درست زیر انتهای چاه كم عمق تر قرار دارد.
سپس به كمك پمپ های پیستونی قوی آب به درون چاه ها تزریق می شود. فشار آب موجب شكستگی سنگ ها شده و بدین ترتیب بین دو چاه ارتباط برقرار می شود. سپس از چاه كم عمق تر آب را به درون زمین پمپ می كنند. آب بر اثر تماس با سنگ ها بخار شده و رو به بالا حركت می كند و از طریق چاه كم عمق به سطح زمین می رسد كه به كمك آن می توان برق تولید كرد. البته این طرح هنوز اقتصادی نشده است و كماكان در مرحله پژوهش است. در حال حاضر اغلب كشورهای پیشرفته نظیر آمریكا، فرانسه، آلمان، ژاپن در حال تحقیق در زمینه این طرح هستند.
۳ مخزن های تحت فشار
این گونه مخزن ها در عمق های زیاد بیش از۴۶۰۰m قرار دارد و غالبا سنگ مخزن آنها از جنس ماسه است. روی این مخزن ها را سنگ پوشش ضخیم پوشانده است. آب داغ موجود در فضاهای خالی ماسه ها تحت فشار هیدروستاتیك بوده و حاوی مقدار مختلفی از گاز متان محلول است. به طور كلی دو عامل در تشكیل این گونه مخزن ها بسیار موثر است:
سنگ پوشش مناسب غیرقابل نفوذ و دارای ضخامت قابل ملاحظه كه از نفوذ سیال و حرارت مخزن به خارج جلوگیری می كند.
استقرار مخزن در عمق زیاد از سطح زمین.
دو عامل فوق در برخی موارد موجب افزایش درجه حرارت مخزن به میزان C ۲۰۰ می شود. البته امروزه این گونه مخزن ها از حیث اقتصادی مقرون به صرفه نیست. به عنوان مثال در كناره ساحلی آمریكا، از ایالت تگزاس تا لوییزیانا، تعدادی از این قبیل مخزن های زمین گرمایی كشف شده است. مخزن های تحت فشار، اكثرا در حین انجام بررسی های اكتشافی ذخیره نفت و گاز شناسایی شده اند. چنانچه بهره برداری از این مخزن ها مقرون به صرفه شود، می توان از انرژی فسیلی و جنبشی آنها استفاده كرد.
۴ مخزن های ماگمایی
در برخی نقاط كره زمین و به ویژه در مناطق فعال آتشفشانی، توده های آذرین جوان كم عمقی وجود دارد كه دارای انرژی حرارتی فوق العاده زیادی است. این توده های آذرین را مخزن های ماگمایی می نامند. بهترین نمونه این دسته از مخزن های زمین گرمایی در جزایر هاوایی وجود دارند كه محققان توانسته اند با تزریق آب به درون مخزن و تولید بخار از آنها به طور آزمایشی برق تولید كنند ولی كماكان این طرح با مشكلاتی مواجه است كه از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره كرد:
مشكلات و خطرات حفاری در سنگ های نیمه مذاب با حرارت بیش از C ۸۰۰
آماده سازی جداره چاه كه در درجه حرارت های بالا كاری بسیار مشكل است.
عدم كارایی تكنیك های ژئوفیزیكی كنونی برای تعیین موقعیت دقیق توده سنگ های آذرین مدفون. زیرا در درجه حرارت های زیاد، ابزارهای ژئوفیزیكی كنونی دقت كافی را ندارند.
البته در حال حاضر صرفا منابع زمین گرمایی ارزش اقتصادی دارد و از آنها به طور گسترده بهره برداری می شود. بدون شك در آینده نه چندان دور با ابداع فناوری های جدید سایر انواع منابع زمین گرمایی نیز قابل استفاده خواهند بود.
۱ سنگ مخزن كه سنگی نفوذپذیر و متخلخل است.
۲ سنگ پوشش كه سنگی متراكم و غیرقابل نفوذ بوده و مانع از خروج سیال از مخزن و در نتیجه افت فشار آن می شود.
۳ منبع حرارت كه ممكن است عوامل مختلفی باشد مانند یك توده نفوذی آذرین جوان و عمیق یا حرارت حاصل از حركت های زمین یا حرارت حاصل از تجزیه عنصر های رادیواكتیو و نازك شدگی پوسته زمین و غیره.
۴ منبع سیال كه اغلب بارش های جوی، منابع آب زیرزمینی و یا آب موجود در ماگما است.
انواع مخزن های زمین گرمایی به شرح زیر است:
۱ مخزن های گرمابی
در حال حاضر این دسته از مخزن ها تنها مخزن های اقتصادی زمین گرمایی جهان است. همان گونه كه از نام آنها بر می آید این مخزن ها، حاوی سیال هستند كه بر حسب نوع سیال به دو دسته مخزن ها حاوی آب داغ و بخار تقسیم می شوند. مخزن های آب داغ فراوان تر از مخزن های حاوی بخار است. كشورهای نیوزیلند و ایسلند تعداد قابل توجهی از مخزن های آب داغ دارند.
در مخزن های حاوی بخار حجم تغذیه سیال مخزن نسبت به دمای غشای حرارتی آن به قدری كم است كه به محض ورود آب، بخش عمده آن به بخار تبدیل می شود. در این دسته از مخزن ها، بخار تحت فشار با دمای زیاد
C ۲۰۰ منبسط شده و به بخار خشك فوق العاده گرم تبدیل می شود، بنابراین، این گونه مخزن ها را مخزن های بخار خشك نیز می نامند.
در مخزن های آب داغ، حجم آب داغ بیش از حجم بخار و گاز مخزن است. این قبیل مخزن ها بسیار فراوان بوده و حدود ۹۰ درصد مخازن زمین گرمایی جهان را تشكیل می دهد. دمای آنها بین ۲۵ تا C ۳۱۰ متغیر است. منبع عمده تامین كننده آب این مخزن ها، بارش های جوی و آب های سطحی است.
۲ مخزن های سنگ داغ خشك
در نواحی ای كه سنگ های متراكم آذرین، داغ ، بدون تخلخل و نفوذپذیری در عمق كم قرار دارند، می توان آب را به طور مصنوعی درون سنگ ها تزریق كرد. بدین ترتیب كه دو چاه با عمق های متفاوت و با زاویه ای نسبت به سطح قائم حفر می شود. اغلب چاه ها تا جایی حفر می شود كه درجه حرارت سنگ ها به C ۲۰۰ برسد. یكی از چاه ها عمیق تر است و درست زیر انتهای چاه كم عمق تر قرار دارد.
سپس به كمك پمپ های پیستونی قوی آب به درون چاه ها تزریق می شود. فشار آب موجب شكستگی سنگ ها شده و بدین ترتیب بین دو چاه ارتباط برقرار می شود. سپس از چاه كم عمق تر آب را به درون زمین پمپ می كنند. آب بر اثر تماس با سنگ ها بخار شده و رو به بالا حركت می كند و از طریق چاه كم عمق به سطح زمین می رسد كه به كمك آن می توان برق تولید كرد. البته این طرح هنوز اقتصادی نشده است و كماكان در مرحله پژوهش است. در حال حاضر اغلب كشورهای پیشرفته نظیر آمریكا، فرانسه، آلمان، ژاپن در حال تحقیق در زمینه این طرح هستند.
۳ مخزن های تحت فشار
این گونه مخزن ها در عمق های زیاد بیش از۴۶۰۰m قرار دارد و غالبا سنگ مخزن آنها از جنس ماسه است. روی این مخزن ها را سنگ پوشش ضخیم پوشانده است. آب داغ موجود در فضاهای خالی ماسه ها تحت فشار هیدروستاتیك بوده و حاوی مقدار مختلفی از گاز متان محلول است. به طور كلی دو عامل در تشكیل این گونه مخزن ها بسیار موثر است:
سنگ پوشش مناسب غیرقابل نفوذ و دارای ضخامت قابل ملاحظه كه از نفوذ سیال و حرارت مخزن به خارج جلوگیری می كند.
استقرار مخزن در عمق زیاد از سطح زمین.
دو عامل فوق در برخی موارد موجب افزایش درجه حرارت مخزن به میزان C ۲۰۰ می شود. البته امروزه این گونه مخزن ها از حیث اقتصادی مقرون به صرفه نیست. به عنوان مثال در كناره ساحلی آمریكا، از ایالت تگزاس تا لوییزیانا، تعدادی از این قبیل مخزن های زمین گرمایی كشف شده است. مخزن های تحت فشار، اكثرا در حین انجام بررسی های اكتشافی ذخیره نفت و گاز شناسایی شده اند. چنانچه بهره برداری از این مخزن ها مقرون به صرفه شود، می توان از انرژی فسیلی و جنبشی آنها استفاده كرد.
۴ مخزن های ماگمایی
در برخی نقاط كره زمین و به ویژه در مناطق فعال آتشفشانی، توده های آذرین جوان كم عمقی وجود دارد كه دارای انرژی حرارتی فوق العاده زیادی است. این توده های آذرین را مخزن های ماگمایی می نامند. بهترین نمونه این دسته از مخزن های زمین گرمایی در جزایر هاوایی وجود دارند كه محققان توانسته اند با تزریق آب به درون مخزن و تولید بخار از آنها به طور آزمایشی برق تولید كنند ولی كماكان این طرح با مشكلاتی مواجه است كه از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره كرد:
مشكلات و خطرات حفاری در سنگ های نیمه مذاب با حرارت بیش از C ۸۰۰
آماده سازی جداره چاه كه در درجه حرارت های بالا كاری بسیار مشكل است.
عدم كارایی تكنیك های ژئوفیزیكی كنونی برای تعیین موقعیت دقیق توده سنگ های آذرین مدفون. زیرا در درجه حرارت های زیاد، ابزارهای ژئوفیزیكی كنونی دقت كافی را ندارند.
البته در حال حاضر صرفا منابع زمین گرمایی ارزش اقتصادی دارد و از آنها به طور گسترده بهره برداری می شود. بدون شك در آینده نه چندان دور با ابداع فناوری های جدید سایر انواع منابع زمین گرمایی نیز قابل استفاده خواهند بود.
