我国发展增强型地热开采技术所面临的机遇与挑战

介绍了增强型地热系统(EGS)的技术原理及增强型地热资源所具有的分布广、对环境污染小、可循环利用等优点。阐述了我国干热岩地热资源前景广阔,大陆地区3～10 km 深度段干热岩地热资源总量为2.09×107EJ,按2%的可开采资源量计算,亦达4.2×105EJ,相当于14.3×103亿t标准煤,是中国大陆2010 年能源消耗总量的4 400倍。以青海共和贵德盆地为例,该盆地干热岩储层的地温梯度为7℃/hm,井深3 000 m温度可达200℃。根据典型干热岩储层特征,讨论了我国开展干热岩吸热系统存在的技术难题,并对开展相关研究给出了建议。      

地热学岩石圈厚度计算方法综述

地热学岩石圈厚度体现了长时间尺度上的岩石圈热学作用,可以反映地球深部动力学过程。介绍了地热学岩石圈厚度的计算方法,探讨了这种方法的参数选取和影响因素,并对比了地热学岩石圈厚度与其他类型岩石圈厚度的差异及其原因。结果表明:地热学岩石圈厚度的计算结果受地壳分层结构、岩石生热率、岩石热导率以及地表热流的影响;地质历史时期内的地壳分层结构要结合岩石学、岩石地球化学等领域最新研究成果得出;地表热流较低(42mW·m-2)时,岩石圈地幔生热率对计算结果的影响非常显著,岩石圈地幔生热率变化0.02μW·m-3,地热学岩石圈厚度计算结果最高变化40km,岩石圈地幔热导率每变化0.2W·(m·K)-1,地热学岩石圈厚度变化15km;地表热流为60mW·m-2时,岩石圈地幔生热率每变化0.02μW·m-3,地热学岩石圈厚度变化3km,岩石圈地幔热导率每变化0.2W·(m·K)-1,地热学岩石圈厚度变化5km;地表热流增高1mW·m-2,地热学岩石圈厚度约增加3km;地热学岩石圈厚度与岩石学、地震学岩石圈厚度略有差异,其差异取决于流变边界层的厚度。     

山东省文登地区干热岩勘查获得重大发现

正由山东省第一地质矿产勘查院承担的"山东半岛蓝色经济区干热岩资源潜力调查评价"项目获得重大突破,在文登成功施工ZKCW01测温孔,于孔深1 240 m处测得孔内温度110℃,于终孔2 000.76 m深度处实测孔底温度为114.12℃,孔内发现了四段高地温梯度(5.3℃~18.59℃/100 m)的热岩段,预测4 000 m深处温度高达150℃-200℃,属于高温干热岩地热系统。利用实测地温梯度数据计算,该孔的大地热流值为92.86 mW/m2,是胶东地区目前测得的最高大地热流值,为胶东地区"冷壳     

陕西关中盆地地热资源及壳幔温度结构的地球物理分析

陕西关中盆地地下热水资源丰富,是中国典型的隐伏型中、低温地热资源分布区。为研究关中盆地中、低温地热系统形成机理,认识深部热源条件,利用地球物理方法分析了该区壳幔温度结构。结果表明:计算得到的居里面平均深度为25.0 km,莫霍面平均深度为36.6 km,地壳平均地温梯度为22.60℃·km-1,咸礼断阶、西安凹陷、固市凹陷地壳地温梯度高于平均值,是地热地质条件较好的构造分区。咸阳、西安之下,上地幔存在向南下倾的高温带,咸阳北侧约175 km深度是一个温度大于1500℃的高温区;其上,莫霍面、居里面上隆,形成高温基底,加热沉积地层中的地下水。富平、渭南之间,上地幔存在“下沉”低温区,低温区北、南两侧约175 km深度分别对应温度大于1450℃的高温区;高温区之上,莫霍面、居里面上隆,形成聚热中心,为地表地热资源提供稳定热源条件。总体上,关中盆地新生代潜水受莫霍面、居里面上隆带入的地幔热量传导加热,热物质随莫霍面、居里面向上抬升,是盆地中、低温地热田的深部热源。上地幔流变边界层控制研究区重要的构造活动,此边界层受周缘构造带不同动力作用,在重力均衡调整过程中,导致深大断裂活动,进而引起地壳深、浅部水体沿断裂带热对流,形成带状分布热泉。     

青海省贵德盆地大地热流研究

贵德盆地位于青藏高原东北缘,地热资源丰富,勘查发现其西部山区的扎仓寺热田赋存可供发电的干热岩地热能,但是整个盆地内的大地热流研究仍为空白,制约该区域地热资源的研究评价及开发利用。采集扎仓寺热田16块岩心样品进行了热导率测试,通过温度的校正,获得了扎仓寺热田的原地热导率值。利用钻孔(ZR1)的测温资料和热导率数据,根据热传导定理采用2种方法分别计算传导层段及有对流影响层段的热流值,获得厚度加权平均热流值为79.5 mW/m2,高于全球大陆地区平均热流值[(65±1.6) mW/m2]和中国大陆地区平均热流值[(61±15.5)mW/m2],为高热流值,反映了该区域新生代构造活动较为强烈。本研究工作为继续探索该热田的形成演化和地球动力学过程及地热资源评价提供了地热参数。      

青山口组三段沉积微相特征及其对储层非均质性影响

松辽盆地青山口组在盆地内广泛分布,自下而上可细分为青山口组一段、青山口组二段和青山口组三段。岩性主要为一套黑色、绿色泥岩和砂岩,下部以泥岩为主,上部以粉砂岩为主。厚度一般为300m～500m。     

利用深源近震高频Ps转换波震相研究松辽盆地沉积层结构

本文利用高频深源近震地震波形数据的R/Z比来获取沉积盆地速度结构,并以2011-05-10发生在黑龙江省与吉林省交界处(131.09°E,43.32°N)的M W5.7深源地震(深度554.9 km)为例,分析位于松辽盆地沉积层内部NECESSArray中的22个台站记录到的0.5~2 Hz数据,利用沉积盆地对地震波的到时延迟效应及P波和Ps转换波的振幅信息,通过对沉积盆地底部剪切波速度与厚度进行网格搜索获得松辽盆地的速度结构。结果显示,22个台站下方的沉积层顶部剪切波速度为0.1~1.0 km/s,且盆地边缘速度较大,盆地厚度为0~6.5 km,总体呈现内部大于边缘的状态。与已有结果相比,本文结果在沉积层边缘地带较符合实际趋势,表明利用高频近震深源Ps转换波的方法可以较好地获得沉积盆地内部的速度结构。     

三江盆地绥滨断陷地层格架特征及鸡西群沉积环境研究

三江盆地绥滨断陷为一北东向展布的中生代构造盆地,面积达4850km2,现今绥滨断陷为一冲积平原,地势平坦,标高变化一般60m～70m之间。     

松辽盆地大庆长垣南缘四方台组砂岩型铀矿碳氧同位素特征及铀成矿意义

为进一步探讨松辽盆地大庆长垣南缘四方台组砂岩型铀矿的成岩环境、铀沉淀机制及成矿机理,通过钻井岩心观察,岩石薄片,含铀砂岩碳酸盐胶结物碳、氧同位素分析,对研究区砂岩岩石类型、碳酸盐胶结物类型、成岩阶段以及碳、氧同位素特征进行了系统研究。结果表明:含铀砂岩岩石类型为长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩,碳酸盐胶结物可分为3个期次,以第一和第二期次为主,胶结物包括方解石、铁方解石,见极少量含铁白云石。δ13C_PDB值为-22.45‰~-13.65‰,平均值为-18.33‰,δ18O_PDB值为-17.56‰~-9.46‰,平均值为-13.52‰,揭示有一定有机质参与;古盐度Z值介于75.98~90.97之间,为淡水沉积;古温度介于67.31~94.92℃之间,结合以上岩石特征、胶结物类型及成岩作用判定成岩环境处于早成岩—中成岩阶段A期。综合分析认为:早成岩阶段砂岩的压实、胶结作用使含铀砂岩孔隙度减小,抑制含氧富铀流体运移;随着成岩作用进行,埋藏深度增加,有机质成熟度升高发生热脱羧基作用,与压实作用产生的吸附水形成酸性溶液对长石、碳酸盐胶结物等进行溶蚀形成次生孔隙,增大砂岩孔隙度,促进含氧富铀流体下渗运移,下伏油气由断裂向上逸散,为地层提供还原剂,使铀在四方台组底部大规模沉淀和富集。      

龙口市浅层地温能赋存条件及开发适宜性分区

浅层地温能作为绿色可再生能源,若能得到广泛应用可大大降低城市建筑能耗、缓解环保压力。本文通过现场热响应试验、水文地质钻探与调查研究,查明了龙口市研究区范围内地层的热物性参数、水文地质条件、地温场特征及浅层地热赋存条件,结合层次分析法与指标法展开适宜性分区,并得到以下研究成果：研究区浅层地温能主要分布于深层黏土、砂层及基岩中;钻孔平均导热系数为2.11W/m·K,平均换热量为42.53W/m;研究区地下水型换热系统适宜区面积为0.995km2,适宜性中等区面积为29.21km2,适宜性差区面积为34.795km2;地埋管型换热系统适宜性中等区面积为59.886km2,适宜性差区面积为4.94km2。     

怀来地区多层位地温变化研究

利用MAPSIS、MapInfo、SPSS等软件,对怀来地区不同层位2012～2015年的地温观测数据进行分析。根据井中东西南北4个方向的温度传感器数据,可以得到附近热水管道的大致方位,总体来说4个方向的地温变化趋势相近。不同深度的地温数据结合相关系数分析表明,探测井3.2 m深度以下地层的温度基本不受天气影响,只有缓慢的年变化;5 m深处的地温曲线较为平稳,考虑到经济性与方便性,最终选取5 m为地温观测深度。     

百色盆地深部热储温度及热水循环深度研究

百色盆地和南宁盆地一样,均为新生代盆地,蕴藏丰富的地热资源。文章介绍了利用Na-K-Mg三角图和1g(Q/K)图判读矿物—流体的平衡状态在研究百色盆地水岩相互作用程度及地热流体中矿物饱和指数的基础上,采用地学温标估算深部热储温度,探讨区域地热地质背景下深部热储温度情况,估算地热流体循环深度。     

宁乡灰汤地热田干热岩资源埋藏深度探讨

湖南省已开发地热资源均为水热型,干热岩的勘查开发尚是空白。宁乡县灰汤温泉是湖南省现今仅有的两处高温温泉之一,热水温度最高达102℃,是省内最具有干热岩开发潜力的地热田。干热岩埋藏深度是评价其是否具有经济开发价值的重要指标,本文采用管道模型的方法,利用热田中心钻孔的测温资料计算地下热水的上涌流速;利用化学温标方法,计算热储温度值范围;用图解法求出灰汤地热田的热水循环深度为2.7~3.1 km,进而推算出灰汤地热田干热岩埋藏深度为3.13~3.49 km,具有较好的开发前景。     

成矿深度研究及其对深部找矿的指示意义——以胶东典型焦家式金矿为例

近年来,焦家式金矿在500～3000m深部不断取得重大找矿突破,显示出深部巨大的找矿潜力。然而,该类型金矿深部是否仍具有找矿空间,赋矿空间在哪是目前制约深部找矿亟需解决的关键科学问题。本文以三山岛、焦家、台上-水旺庄等3个千吨级超巨型金矿床为研究对象,在分析前人定量计算成矿深度方法的基础上,综合利用构造特征、岩浆作用及地温梯度约束该类型金矿成矿深度,构造特征分析结果表明,焦家式金矿成矿作用发生于韧脆性转换空间至脆性空间内,成矿深度范围大约在5～10km。岩浆作用研究表明,与金成矿密切相关的玲珑花岗岩和郭家岭花岗闪长岩侵位深度分别为10～15km, 6～13km。岩浆热液出溶深度12km,成矿深度10km。成矿温度及地温梯度计算结果表明成矿深度范围约2.5～9.5km。焦家式金矿成矿后至今虽略有剥蚀,但整体剥蚀量不大,深部矿体保存良好,深浅部金矿体沿同一控矿断裂构造倾斜方向分布,具有明显的侧伏规律,沿侧伏方向厚度×品位高值区具有似等间距分布规律,焦家式金矿深部仍具有2～4km的找矿空间,沿侧伏方向按照厚度×品位高值区的间距向深部具有良好的找矿前景。     

梨树断陷营城组砂岩方解石胶结物碳、氧同位素特征

梨树断陷深层砂岩中广泛分布着方解石胶结物,方解石胶结作用对梨树断陷深部储层的致密化有着重要影响。以苏家屯－皮家地区砂岩储层中方解石胶结物为研究对象,结合岩相学特征,包裹体测试和碳、氧 同 位 素 分 析,查明了方解石胶结物碳、氧同位素及其成因。研究表明,储层砂岩类型为岩屑质长石砂岩、长石质岩屑砂岩、长石砂岩。方解石胶结物碳同位素δ１３ＣＰＤＢ为－１６‰～－０．４‰,平均值为－６．６７‰。氧同位素δ１８ＯＰＤＢ为－２３．２‰～－１３．２‰,平均值为－２０．１‰。通过对碳、氧同位素数据计算分析,得到碳酸盐的相对古盐度值（Ｚ）介于８３．４８～１１７．６１之间,表明其形成时的古流体具有淡水的特征。方解石的形成温度为９４．０６～１７９．４３℃。方解石胶结物碳氧同位素特征分析结果表明,其形成与有机酸脱羧作用有关,可能来源于有机碳。      

阿尔金断裂带中段现今构造形变模式的InSAR研究

利用2007～2010年间14景ALOS PALSAR数据及SBAS InSAR技术,获取阿尔金断裂带中段91°E附近现今地壳形变速率场,并反演该地区断层的滑动速率和闭锁深度。结果表明,阿尔金断裂中段地区的形变速率自北向南呈3个线性梯度变化区,分别为阿尔金山东段8～12 mm/a、索尔库里盆地6～7 mm/a、阿尔金断裂带以南约0 mm/a。3个速率梯度变化区主要集中在喀腊达坂断裂和阿尔金主断裂上;拟合的断层就位于金雁山南缘、喀腊达坂断裂南邻,走滑速率从西（7.1 mm/a）向东（14.0 mm/a）逐渐增大,闭锁深度自西(4.5 km)向东(10.6 km)逐渐趋深。结合前人研究推测,金雁山（阿尔金山链东部）与索尔库里拉分盆地组成的复合破裂构造模式,是转换断层运动时应力和应变调整的主要驱动机制。     

鄂尔多斯盆地姬塬地区长8段孔隙度演化定量模拟

在对鄂尔多斯盆地姬塬地区长8段砂岩储层特征、主控因素及地层埋藏史和成岩史研究的基础上,结合石油地质理论,应用数理统计方法,以现今孔隙度为约束条件,将孔隙度演化分为孔隙度减小和孔隙度增大2个过程,分别建立研究区长8段砂岩储层从埋藏初始至现今的孔隙度随埋藏深度和地史时间变化的演化模型。结果表明:孔隙度定量演化模型为一个四段式分段函数。机械压实阶段为孔隙度减小模型,是以埋深为自变量的连续函数;压实和胶结作用阶段为孔隙度减小模型,是对埋深和埋藏时间的连续函数;次生增孔是由于地层酸性流体的溶蚀作用而产生的,主要发生在70℃～110℃的温度窗口内,因此溶蚀阶段为孔隙度增大模型,是对埋深和埋藏时间的复合函数;溶蚀阶段结束后,地层孔隙度处于压实和保持阶段,该阶段为孔隙度减小模型,是对埋深、埋藏时间及增孔量的叠加复合函数。最后进行实例验证,发现在研究区建立的砂岩孔隙度定量演化模型符合地质实际,可以推广应用到研究区任一地层孔隙度计算,为孔隙度预测提供定量计算方法。     

鲁西地区不同岩性地层热响应试验结果浅析

为研究地埋管换热器在不同岩性地层的换热情况,在鲁西黄河冲洪积平原、山前冲洪积平原和低山丘陵区进行了以粉土、粉质粘土、细砂,粘土、粉质粘土、中粗砂,灰岩和花岗岩为研究对象的热响应试验,初步试验结果表明:每延米换热量(W/m)和平均热导率(W/m·k)花岗岩灰岩粉质粘土、中粗砂粉土、粉细砂。在岩溶地下水富水性强,径流速度快的地段灰岩平均热导率花岗岩。此项研究结果可为不同岩性地层浅层地温能开发利用工程地埋管换热器类型的选择,浅层地温能评价和开发利用提供基础数据。     

山东聊城西部地热田地热地质特征

山东省聊城西部地热田位于临清拗陷内的莘县凹陷的南部,面积约为1 280 km2。地热类型属低温层控砂岩孔隙型,盖层为第四系和新近纪黄骅群明化镇组。常被利用的地热有新近纪黄骅群馆陶组和古近纪济阳群东营组2个热储层,其中馆陶组热储层中地热水矿化度为5 000 mg/L左右,可利用地热资源量为2.5490×1018J,热水资源静储量为126.06×109m3;东营组热储层中地热水矿化度较高,为6 566.73~9 125.38 mg/L,可利用地热资源量为3.6600×1018J,热水资源静储量为94.339×109m3。该地热田中地热水主要为大气降水在深循环过程中被地温加热而成。     

干热岩勘查评价指标与形成条件

干热岩具有利用率高、无污染、储量巨大、分布较广、持续稳定、安全性好等特点,被全球公认为在21世纪能够取代化石能源的一种最优质的、可再生的新型清洁能源。目前对于干热岩的成因机理还没有定论,而对于干热岩的勘探寻找、远景区的圈定以及资源评价也有不同的观点,为了有利于干热岩勘探开发,本文在综述前人研究工作基础上,总结归纳了干热岩勘查评价指标,几个重要的指标及其特征如下。第一个指标是岩石圈厚度和莫霍面埋深,岩石圈厚度较小并且莫霍面埋深比较浅,是评价干热岩远景区的一个重要指标。莫霍面埋深较浅指示深部热源（幔源热）更加接近地表,故埋深较浅（较薄的厚度）并具有上隆的特征有利于深部的热量向上传导,为干热岩的孕热环境提供良好的条件。第二个指标是居里等温面,埋深较浅的居里等温面是干热岩远景区一个重要的评价指标。居里等温面是地球内部一个非常特殊的温度（热物质）界面,它不仅能指示地下温度场的分布特征,还可指示地壳深部热能分布特征,对干热岩及地震的成因研究具有十分重要的意义;如果居里面埋深较浅,则热量传导到地表的距离比较短,深部的热流活动更容易向地表传送,不仅是有利的高温干热岩孕热环境,也有利于储存的热能快速向上传导。第三个指标为地温梯度,地温梯度较大是寻找干热岩远景区的一个重要指标;如果一个地区具有较高的地温梯度（≥ 35℃/km）,则随着深度的增加深部的地温增加较快,在相对较浅的地方就可以获得温度较高的岩石体。第四个指标是大地热流,大地热流值较大（≥ 75 mW/m2）就指示地球深部有存在高温岩石体的可能;大地热流是地温场的综合性热参数,能够准确地反映区域内的地温场特征。第五个指标是新构造运动,这也是人们寻找干热岩时容易忽略的一个重要指标。新构造运动包括火山、地震及活动断裂构造等。地震和火山是极具破坏性的自然灾害,两者的发生都表明了地球内部的热能汇聚到一定程度,从而打破了地球内部平衡状态而以地震或火山的形式把热量进行释放的地球系统行为。该指标中,如地震震级大（>3级）、震源深度浅（10~15 km）、频度大,火山活动时间新（活火山、休眠火山、中新世以来的死火山）规模大都说明地球深部存在不稳定的高热状态,易形成干热岩;如果能提前找到该区域的干热岩,可以先取出其中的热,那么地震和火山就有可能不会发生,这样可以达到取热减灾减排的作用。活动的深大断裂即能产生一部分热,也能将深部的热传输到浅部,尤其是活动性强的走滑拉张断裂,其深部具有韧性剪切特征,直接指示了深部的高温体的存在。第六个指标是高温温泉与气田等。温泉、气田的形成通常与深部的热储关系密切,一般认为地下水沿某个通道向下渗透接触到深部高温热储被加热后再沿某一通道流出地表而形成温泉;所以,温泉的出露指示了深部存在高温的岩石体（干热岩）;区域地温场异常明显,地表热泉等高温水热型地热田较密集的区域有望在深部寻找到干热岩,这也是一种就热（水热）找热（干热）的常规方法。作为固体矿产资源的干热岩,其形成具备四个必要条件:源、通、储、盖。第一个条件是要有丰富的动态热源如来源于深部地幔（幔源热）,来源于晚新生代活动的控热构造系统-活动的韧性剪切带,来源于地壳内的低速低阻体（中下地壳热）以及来源于高放射性中新生代花岗岩体（壳源热）。第二个条件是要有优良的导热通道,如壳内15~25 km低速层不仅是热源,同时具有将深部地幔热能向上传导的作用;软流圈地幔上隆时具活动性的深大断裂（深部具韧性特征、浅部具脆性特征）常常具有很好的导热功能;地壳浅表层次的脆性断裂系统往往不是干热岩的热通道,而是水热型地热能的导水、释热构造。第三个条件是要有巨大的储热岩石体,除埋深要适中（3~6 km）并具有较高温度（≥150℃）外,其规模要大（蕴含丰富的热能）,热导率大（>2 W/mK）,裂隙少（不含水或含少量不流动的水）;当然热储层可以是变质岩、岩浆岩,也可以为沉积岩。第四个条件是要有良好的保热盖层,盖层（被子）导热率低（< 2 W/mK）、厚度适中（>1 km）（具有良好的保温效果）,地温梯度高（≥40℃/km）、大地热流值高（≥70 mW/m2）（指示深部存在高温特征）是深部赋存有高温地热资源的必要条件。