中国深层地热能开采的地质条件评价

深层地热能是指深度大于3 000 m的地热能。我国深层地热能资源丰富,但是开采条件怎么样呢?本文基于地热地质学原理,结合岩石力学等相关学科的理论,提出一种对深层地热能开采条件进行评价的指标体系,对各单一指标采用专家打分的方法赋值,继而采用模糊数学定量计算和评估深层地热能资源开发的难易程度。该方法考虑了深层地热能开发利用中的增强地热系统(EGS)的环境安全问题,即传统的“刚性造储”可能带来的诱发地震等不利于地热能行业健康发展的因素,倡导“柔性造储”和广义EGS理念,强调储层属性和地物理场的整合,针对我国地热能分布与构造活动关系密切、地壳总体上活动性强、地应力高、地震频发等构造型地热特点,是对以往评价方法的补充和拓展。该方法充分利用了专家知识,发挥了模糊数学综合评估作用,给出的量化结果易于对比和使用,可以更好地支持决策。本文基于新的评估方法,利用现有的深部地热研究及勘探成果,评估了中国大陆地区九个区域深层地热能开发的难易程度,评价区包括西藏南北地堑系、云南西部火山型地热区、青海东部共和盆地以及东北、华北等。从本文的结果可以看出,我国深层地热能开采的地质条件复杂,开采难度较大。     

深部含水层储热系统的数值模拟研究

深部含水层储热系统, 是一种以深部含水层介质为载体的“地热+”多能互补储/供能系统。该系统可将各种形式的能量储存于地下并按需求取出加以利用, 能够弥补能源供需的时空分布的不平衡, 是综合利用多种可再生能源, 实现节能减排的有效途径。深部含水层储热是一种水热型地热资源开发利用的新方式。传统的水热型地热资源开采, 受限于地热尾水回灌导致的热突破, 热田寿命有限。而利用深部含水层储能, 不但可以增强热储能力, 而且能够延长热田寿命。本研究通过数值模拟研究表明, 与传统的水热型地热系统相比, 通过采取深部含水层储热技术, 在相同开采流量下, 可以提升单井供热能力20%。其储热效率可以达到60%~90%, 能够保证更高的地热能提取率; 同时, 与传统水热型地热井寿命受限于热突破时间的情况不同, 深部含水层储热系统可以延长地热井寿命, 实现可持续开采。通过参数敏感性分析的方法进一步评估了不同参数对深部含水层储热性能的影响。通过参数研究发现, 储层渗透率和储热温度等是影响储热能力和效率的关键参数。本研究为后续开展深部含水层储热系统工程的设计与优化提供科学参考。     

深井换热技术原理及其换热量评估

深井换热又称套管换热,是在深井中通过同轴套管进行单井内部流体循环,基于热传导的方式与地层换热,从而以"取热不取水"形式开发地热能的技术.本文详细介绍了深井换热技术特点,评述其在国外的应用进展.国外的实践表明,深井换热延米功率均在200 W以下,多不超过100 W,换热量远小于基于热对流的取热方式,比如深井热水开采技术.本文针对我国北方典型地区地热地质条件,分别采用Beier解析法和双重连续介质数值模拟法(基于OpenGeoSys模拟平台)计算了短期(4个月)采热和长期(30年)采热情景下的换热量.解析法和数值法的结果均表明,延米换热功率上限不超过150W.在间断采热,即每天供热12个小时,停止12个小时的情景下,延米换热功率可以翻倍,但是总换热量基本不变,且水温在一天内的波动明显变大.对数值模型进行敏感性分析发现,在地温梯度一定的条件下,井深对延米换热功率影响不大,而地层热导率对其影响较为明显.最后指出,提高深井换热技术换热量的主要手段是增加井周围地层中的热对流,或者说,增加循环水与岩石的接触面积.     

惰性气体同位素确定地热流体循环深度

地热系统惰性气体同位素地球化学是地热成因研究的重要手段。许多惰性气体同位素都可用于地热系统的研究中,主要目的为揭示热田的热源性质、深-浅层地热流体的内在联系和循环深度等。本文从惰性气体理化特点、样品采集、测试技术及数据等若干方面介绍了惰性气体研究方法,重点探讨了在自由气和溶解气两种形态下,热泉、喷气孔、热水井不同环境下的惰性气体采样方法,还介绍了成熟的惰性气体同位素的测试方法,即利用磁偏转静态真空质谱计分析测试方法,最后基于世界各地典型地热系统的惰性气体测试数据,讨论地热系统的气体来源判别,不同气源的混合比例计算等,进而确定地热流体循环深度。     

青藏高原东缘甘孜断裂带地壳电性结构与孕震构造

位于青藏高原东缘的甘孜断裂带是一条晚第四纪强烈活动的左旋走滑断裂,与强震的发生有密切关系,它与鲜水河断裂带共同构成川滇地块与巴颜喀拉地块的边界.本研究横跨甘孜断裂带布设一条宽频大地电磁测深剖面,该剖面始于川滇地块,终止于巴颜喀拉地块.本文首先利用阻抗张量方法定性分析了研究区地壳结构的构造维性和电性主轴,然后利用二维各向异性和三维各向同性反演方法获得了可靠的地壳电性结构.结果显示川滇地块和鲜水河断裂带上地壳的各向异性方向沿着断裂带的走向,而甘孜断裂带下地壳的各向异性方向则垂直于断裂带的走向,表明研究区上地壳和下地壳存在解耦变形;甘孜断裂带两侧的电性结构存在显著差异;研究区上地壳的花岗岩体呈显著的高电阻率特征,上地壳的低阻异常主要是由含盐流体聚集导致的,而下地壳的低阻异常则主要由部分熔融体和流体共同构成.综合分析推断：地壳内的流体沿断裂带向下运移,增大了孔隙压力,降低了断裂的正应力,从而加速了地震成核过程;在上下地壳解耦变形的构造环境下,下地壳的运动拖曳作用致使应力在上地壳内更易于积累,从而导致地震的发生.     

地热能可持续开发利用的数值模拟软件OpenGeoSys:原理与应用

地热能规模化利用的可持续开发,通常需要建立数学模型,以实现定量管理和预测。文章评述OpenGeoSys(OGS)数值模拟软件及其在地热资源开发利用过程中的应用算例。OGS是一款基于有限元的免费开源软件,它可处理与地热能开发相关的水流场-温度场-力学场-化学场等多场耦合过程。OGS已应用在国内外多个地热场地,文中着重介绍它在浅层地热能的流体温度变化预测、水热型地热能开发过程中的采灌井距优化、结垢机理和干热岩开发过程中的渗透性演化等方面的应用算例,为地热能的开发提供计算手段和参考。     

高寒流域同位素径流分割研究进展

径流分割是应用水文学中的一个基本问题,同位素径流分割则是采用同位素进行分割的方法,其应用范围已从产流理论研究拓展至地下水地表水相互作用、生态水文过程等多个领域.评述了高寒流域同位素径流分割方法原理及其应用研究进展,突出其对全球变化的指示意义.详细介绍了雪融水稳定同位素变化特征机理,以及加权平均值(VWA)、即时值(CMW)及径流校正(RunCE)等误差处理方法及其优缺点.最后,阐述了高寒流域同位素径流分割的应用前景,指出同位素径流分割可以与GIS软件等结合拓宽其研究的空间尺度、与水化学及人工试验等方法相结合拓展其研究手段,可以结合高寒流域独特地形研究山区产流机制.     

近30年来降水量变化和人类活动对北京潮白河冲洪积扇地下水动态的影响

对北京潮白河冲洪积扇分布区30年来降水量、地表径流量、地下水水位和地下水储存量进行了时间序列分析。结果表明: 过去30年中,区域地下水动态发生了明显变化,特点是1998年以来,地下水位和地下水储存量迅速下降与减少。1998年以来,年降水量为以往多年平均值的76％左右。在储存量变化的影响因素中,降水量减少导致的补给量减少约占24％,人类活动,如工农业地下水开采、应急水源地地下水开采和地表水体入渗减少等因素约占76％。由于未来气候变化的不确定性,在南水北调的水进京后仍可能出现连续枯水年,因此,以丰水年降水进行水源涵养存在较大风险。对于已经处于严重超采状况的潮白河冲洪积扇来说,为了满足未来供水的需要,应急水源地从现在起应减少开采量或停采以逐步恢复地下水储存量。     

河北雄县地热田钻井地温测量及地温场特征

根据研究区22口井的实测井温资料及前人的研究成果,开展了雄县地区地温场分析,对雄县地热田地温场的特点取得了以下认识：雄县地热田的盖层以传导热传递方式为主,热储层中源于供暖期热水生产和回灌引起的地下水受迫对流的影响,以对流热传递为主,不同静井时间的重复测温结果显示,静井时间的长短和井内流体的运移方式（抽水或回灌）控制了井内温度的分布及井内温度的动态变化：静井时间增加则测得的温度在中性点上下呈反向变化,生产井和回灌井的测温曲线存在明显不同,雄县热田第四系底部的温度为32.8 ℃～48 ℃,容城凸起为28 ℃～35 ℃,雄县热田第三系底部温度为64.5 ℃～81.3 ℃,容城凸起为45 ℃～60 ℃。雄县地热田盖层内的地温梯度为43.9～72.2 ℃/km之间,平均为51 ℃/km,容城凸起的井地温梯度为31.4～41.1 ℃/km,平均为37.1 ℃/km。雄县地热田内盖层导热流值变化为80.61～113.86 mW/m² 的范围。     

岩溶热储井间连通性的示踪研究

岩溶热储储层的不均匀性强,采灌井之间的连通性不易确定。示踪技术可以将运移参数量化,有效刻画储层流体的特征,研究回灌井和开采井之间的水力联系,包括导水通道,流体流速等信息,对长期回灌可能引起的开采井的冷却进行预测,是岩溶热储井间连通性研究十分有效的技术。本文以华北牛驼镇地热田雄县地区为例,针对蓟县系雾迷山组岩溶热储,采用荧光素钠示踪剂,进行了1口井注入,10口井观测的群井示踪试验。采用裂隙介质溶质运移模型,对示踪试验数据进行了解释,得到优势通道的长度、渗透流速、纵向弥散度、回收率等储层性质,获得了试验区内采灌井之间的连通特征。对调整采灌井布局提出了建议。