干热岩资源和增强型地热工程:国际经验和我国展望

干热岩（HDR）是一种没有水或含有少量水的高温岩体,保守估计地壳中3~10 km深处干热岩所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。增强型地热系统（EGS）是指通过水力压裂等工程手段在地下深部低渗透性干热岩体中形成人工地热储层,采出相当数量热能的人工地热系统。EGS的研究与开发已有40年的历史,但早期只局限在美国、英国、法国、日本、澳大利亚等国家,我国这方面的研究于近几年起步。目前干热岩的开发面临诸多挑战,如大体积人工裂隙热储的建造、实现EGS商业化需要进一步研究和技术开发等。本文回顾分析了国际上重要EGS示范场地建设和研究过程中所取得的经验和积累的教训,讨论了我国近几年的研究进展,希望为我国今后EGS研究和工程化示范提供参考和借鉴。     

花岗岩型干热岩体与不同注入水体相互作用研究

增强型地热系统(EGS)开发过程中,需要注入循环水体完成提热,但水体注入后与干热岩体反应会产生矿物溶解(或沉淀),破坏人工储层,影响地热能开发。本文以河北马头营区花岗岩型干热岩为研究对象,与该地区地下水、海水、纯水反应,并结合Phreeqc水文地球化学模拟,分析水岩相互作用后干热岩体的矿物变化与注入水体的化学成分变化规律。研究结果表明,不同注入水体与干热岩进行水岩作用,会产生不同类型的矿物溶解与沉淀,海水最终沉淀量较地下水低,主要原因是海水与干热岩体反应生成了具有吸附能力的沸石;适当减少海水中Cl^-含量,将处理过的海水作为循环水体将具有强大的潜力和效益。     

干热岩控热构造系统厘定与类型划分

为了研究干热岩成因机理,综合分析了干热岩形成背景、控热构造系统及尺度.地球中的干热岩具有特殊的形成构造背景,控热构造对干热岩热能的传输与聚敛具有很重要的作用,导致岩石圈不同热结构和热异常.控热构造可划分为生热、导热、储热和释热构造.生热构造包括地幔软流圈底辟,具有大量高放射性元素的岩浆房,活动性的深大断裂等;中、下地壳脆韧性转换带,活动的韧性剪切带是导热构造;中、下地壳的低阻高导体,韧性剪切流变层既是导热层,也是储热构造;火山、地震、浅表层次的活动断裂等为释热构造;控热构造的类型受到构造尺度和构造背景的限定.由于地壳中控热构造分布状态及发育特征差异较大,从而导致干热岩等地热能资源在地壳中的埋深、规模、热量以及分布状态等也有较大差异.      

地热资源与开发地热研讨

著者以发生学、生态学的观点阐述了地热资源特有的双重性，这是对地热资源评估的基础，指出了热源、热储、热力、蓄层间相依共存的密切关系。对开发地热提出的对策建议是立足资源，面向市场，因地制宜、优质优用，滚动开发，注重综合效益。     

渭河断陷盆地地热资源赋存特征与热储分析

渭河盆地地处多个构造体系的交汇部位,呈现多条断裂带。这些断裂带控制着渭河盆地的基底构造以及地热资源的展布。在充分收集区域地质、水文地质、物化探及地热资料基础上,通过对断裂构造特征的研究,分析了渭河盆地地热资源的形成背景、赋存条件、分布规律及特征,为进一步研究、勘探及开发地热资源提供了依据。     

世界干热岩地热资源开发进展与地质背景分析

干热岩资源指内部不存在或仅存在少量流体,温度高于180℃的异常高温岩体,是一种极具潜力的地热资源类型。自20世纪70年代美国Fenton Hill项目实施以来,已在全球14个国家实施了41个干热岩开发项目,以干热岩储层建造和连通的目标地层周围或上部是否存在水热型储层为标准,25个属于传统意义的干热岩开发项目,16个属于增强型地热系统(Enhanced Geothermal System或Engineered Geothermal System,缩写为EGS)。从板块构造角度分析,这些干热岩开发项目主要分布在欧亚板块板内地热域、印澳板块板内地热域、东太平洋离散—汇聚板缘型地热域、西太平洋汇聚板缘型地热域和加勒比海火山活动岛弧区。按照盆地类型划分,全球干热岩开发项目所处的大地构造背景包括克拉通盆地、前陆盆地、裂谷盆地、弧前盆地、弧后盆地、近现代火山(火山带)和褶皱带地区,其中以欧洲阿尔卑斯褶皱带磨拉石盆地为代表的前陆盆地,和以欧洲阿尔卑斯褶皱带上莱茵地堑、北美新生代科迪勒拉造山带内华达盆地为代表的裂谷盆地是全球干热岩开发项目最为集中的两种盆地类型。考虑我国干热岩资源分布情况,上莱茵地堑、内华达盆地的干热岩开发历程对我国干热岩资源的勘探和开发具有一定的借鉴作用。     

川藏铁路沿线地热资源形成机理与开发潜力

川藏铁路从西至东依次穿越了拉萨-喜马拉雅活动带、昌都-川西造山带与四川盆地3个大地构造单元,其沿线地热资源成因机制的研究对于陆-陆碰撞型地热域不同类型地热田展布规律的认识及其开发利用有着重要的理论与现实意义.本文在系统总结前人成果的基础上,根据区域构造演化、构造变形对地热田成因要素的影响,对比了川藏铁路沿线地热田在热源、热储构造与水运移模式方面的差异性.川藏铁路沿线的地热域依照变形强度分别以怒江断裂带、龙门山断裂带为界,从西至东划分为板缘碰撞造山型、板内逆冲推覆型、盆内稳定坳陷型3个地热带,分别发育高温岩浆岩型、中-低温断裂深循环型、低温坳陷盆地型3类地热田,其大地热流值从西至东逐步减少(即从138.2 mW/m2→71 mW/m2→51 mW/m2); 热储的构造模型可归纳为伸展地堑型、冲起构造型、花状构造型与隐伏背斜型,热储的层位亦逐渐变老、埋藏变深(即从Q+J-T₃→T_2-3→T_1-2).尽管各类地热田有着相同的水源(主要来自大气降水),基本相似的水化学类型(以Cl-Na型、HCO₃-Na型为主)与矿化度(2 500~3 500 mg /L),但有着完全不同的地热水运移模式,尤其在水循环深度、壳源流体的贡献、垂向/水平径流路径等方面.依据不同类型地热田资源禀赋的差异,分别建议川藏铁路沿线地热开发的主要方式为: 林芝-拉萨段的高温发电、供暖与制冷; 雅安-林芝段的中低温发电、供暖与制冷; 以及成都-雅安段的低温供暖、温泉洗浴等.      

济南北部地热勘探与开发综述

通过对济南北部地质构造、水文地质条件、地热特征、地热田控制因素及分布分析认为,该地区岩浆活动较为强烈,热储层以奥陶系石灰岩含水岩层为最佳层状热储,奥陶系埋藏条件在区域北倾单斜构造的背景下,总体由南而北逐渐深埋。该地南部山区大气降水下渗向北径流,其中少量岩溶水在水头差作用下岩体继续向北径流,进行深循环加温,至地热田形成地下热水。在充分分析该地水文地质条件上基础上,根据它们分布和赋存深度,探讨寻找地下热水的区段及其方向,为区内地热开发提供依据。     

浙江湖州太湖南岸地热资源研究

浙江湖州太湖南岸有多处地热异常显示,异常点水温为25℃～31℃,水中的氟、偏硅酸和游离二氧化碳达到或接近国家医疗热矿水标准值,具有一定的开发利用价值。通过大量调查和以往地质成果资料的分析研究,建立了地热形成模式和热储概念模型,认为区内存在二叠系栖霞组、石炭系船山组和黄龙组灰岩以及泥盆系五通组、志留系茅山组砂岩两个热储层;北东向的学川—湖州、北西向的长兴—奉化和东西向的湖州一嘉善大断裂是区内的主要导热热构造,且近期有活动迹象,为地下热水的形成创造了条件;石炭系上统高骊组、二叠系龙潭组与堰桥组的页岩、泥岩,第四系的粘土层是良好保温层。研究成果对开发本区的地热资源有一定的参考价值。     

乡宁县十里铺勘查区地热资源评价研究

以山西乡宁县十里铺地区为研究区,为对区域地热资源进行勘查评价,通过布设的孔深为2 008.87 m的K₁勘探孔对该区域水文地质条件进行勘察,充分收集水文地质资料综合分析,在此基础上对勘查区地热资源特征进行评价,并对地热资源量进行计算。评价结果认为：勘查区地热资源属于低温温热水资源,地热井出水温度为41℃,地热田单井年可采热水量3.03×10⁵ m³,可利用热量33.62×10⁶ MJ,勘查区储存热量为1.695 5×10¹² MJ,地热田规模属中型,地热开发利用属经济较适宜型。研究结论可为十里铺一带地热资源合理开发利用提供科学依据。     

Research on Formation Mechanisms of Hot Dry Rock Resources in China

As an important geothermal resource, hot dry rock(HDR) reserves have been studied in many countries. HDR resources in China have huge capacity and have become one of the most important resources for the potential replacement of fossil fuels. However, HDR resources are difficult to develop and utilise. Technologies for use with HDR, such as high–temperature drilling, reservoir characterisation, reservoir fracturing, microseismic monitoring and high–temperature power stations, originate from the field of oil and drilling. Addressing how to take advantage of these developed technologies is a key factor in the development of HDR reserves. Based on the thermal crustal structure in China, HDR resources can be divided into four types: high radioactive heat production, sedimentary basin, modern volcano and the inner–plate active tectonic belt. The prospective regions of HDR resources are located in South Tibet, West Yunnan, the southeast coast of China, Bohai Rim, Songliao Basin and Guanzhong Basin. The related essential technologies are relatively mature, and the prospect of HDR power generation is promising. Therefore, analysing the formation mechanisms of HDR resources and promoting the transformation of technological achievements, large–scale development and the utilisation of HDR resources can be achieved in China.     

我国干热岩勘查的有关技术问题

干热岩作为一种可再生的新型能源,具有热能大、分布广、开发利用对环境影响小、不受季节等自然条件的影响等优势。而干热岩的勘查开发利用在我国还基本属于空白,因此对干热岩勘查关键技术开展研究有着非常现实的意义。在简述国内外对干热岩勘查开发利用研究现状的基础上,分析了干热岩开发利用的技术关键,并提出了主要的研究内容和需要做的工作。     

干热岩地应力测量评价方法与前沿挑战

可靠的地应力数据能够指导开发干热岩资源。本文针对干热岩深部储层地应力调查存在的困难,按照基于钻孔、岩芯和地质的三类调查手段,首先总结提出了适用于干热岩地应力测量与评价的方法,并指出了其基本原理、测试仪器、应用场景与存在的优缺点。然后,以我国青海共和干热岩试采工程为例,提出了干热岩地应力测量与评价模式,给出了储层地应力特征的主要认识,并验证其与工程开发结果的一致性。最后,总结了干热岩地应力测量方法的认识,指出了干热岩开发中与地应力相关的两大前沿科学问题,即储层裂缝控制与诱发地震,并对其发展趋势与挑战进行了展望。     

干热岩地热能研究与开发的若干重大问题

在大陆动力学和地球系统动力学创新思想指导下, 干热岩地热能的开发将对未来的能源革命和工业革命起到关键的作用, 然而目前干热岩地质理论研究十分薄弱.从地质学和经济学的角度讨论干热岩的定义; 以大陆盆山热构造系统为基础, 提出地热能综合分类方案; 根据岩石流变学和构造物理学理论, 探讨在固态、半固态流变环境下干热岩的构造岩石系统; 在活动盆山构造系统地壳四维非均匀流变思想指导下, 探讨干热岩的分布规律和形成机理; 提出将地球系统动力学的思想贯穿到干热岩及其关联的资源、灾害、环境、工程地质的调查研究与应用的各个环节之中, 并建议在华北、青藏高原及其邻区、东南沿海、台湾4种不同类型的热构造活动区进行联合勘查、综合评价与系统开发.      

浅层地温能资源开发利用发展综述

能源是人类生存、经济可持续发展和社会文明进步的重要物质保证和必要推动力,是关系国家经济命脉的重要战略物资。随着全球变暖、温室效应和能源紧缺等问题的日益严重,作为清洁可再生的浅层地温能资源逐渐得到各国政府高度重视,到2010年已有43个国家开发利用这种资源。近年来我国新能源和可再生能源得到了长足的发展,可再生能源利用的技术水平有了很大提高,产业已初具规模,特别是浅层地温能的开发利用,已从20世纪90年代的起步阶段步入快速发展期,据不完全统计,目前我国浅层地温能的服务面积已近2×108m2,成为建筑节能的主力军。本文对国内外浅层地温能资源的开发利用现状进行了概括,特别是热泵技术,有助于了解和掌握浅层地温能开发利用的发展动态,对开展浅层地温能资源评价和工程建设具有重要意义。     

青海省贵德县热水泉干热岩体地质—地热地质特征

贵德县热水泉干热岩体平面上呈半椭圆形展布于NNW向区域性新街断裂带组分的热光断裂之西,面积约122km2。ZR1孔钻探结果表明:干热岩体上部为具自封闭盖层性质的中温水热型地热田,2800～3050m属相对完整或隔水的次高温花岗岩体,3050.68m深处温度为151.34℃,进入干热岩段。干热岩体热储为侵位于233.2～222.3Ma的中晚三叠世花岗岩,岩石类型主要有闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩和钾长花岗岩等。具正花状构造结构的新街—瓦里关走滑挤隆构造带为区域性控热导热构造,并对干热岩体的就位有明显的控制作用。基于大地电磁测深、高分辨率重力异常、电阻率与Rayleigh波群相速度线性反演,以及地质综合分析认为,以壳内部分熔融层供热为主,地幔热流供热、沿走滑断裂带上升的晚期小熔体与双倍地壳U、Th、K等放射性元素衰变生热为叠加热源,一并构成的复合型热源,是热水泉干热岩体最有可能的热源机制。     

沧州市区地热地质特征及地热资源开发探讨

沧州市区2000m以内 ,主要为馆陶组热储 ,次为沙河街组和寒武-奥陶系热储 ,本文通过对热储条件的分析及地热资源计算 ,提出该区地热合理开发设想。