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天津地区干热岩地热资源开发利用前景浅析
来源:地大热能 2014-03-25

    能源是现代社会赖以生存和发展的基础,石油、煤炭等高能耗、高污染、高排放的传统石化能源已满足不了人类环保、集约化的要求,同时全球范围的能源危机使人们不得不寻找各种可替代化石燃料的清洁、可再生新能源,如太阳能、风能、水力、地热等。其中地热能的开发利用在近年来得到了较快的发展。

    地球内部蕴藏着巨大热能,目前测算的全球地热储量相当于5000×108 t标准煤的热量。到目前为止,对于地热资源的利用主要是水热资源(热水型和蒸汽型)的开发,这些地下热水和蒸汽,其实是大气降水在地下深处被热岩体加热的结果。本文主要对干热岩型地热资源及天津地区这一资源的开发利用前景作一简要分析。

    1 干热岩地热资源在国外的开发利用

    干热岩是指地层深处普遍存在的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩石,其温度范围很广,在150—650℃之间。干热岩的储量十分丰富,它所储存的热能约为已探明的地热资源总量的30%,比蒸汽、热水和地压型资源要大得多。一些发达国家已进行干热岩的开发研究和试验,开凿人造热泉就是干热岩的具体应用之一,世界上最早的人造热泉是1985年在美国的新墨西哥州北部FentonHiU开凿的第一VI高温喷汽井,井深3000 m,热岩层的温度达200℃。

    从现阶段来说,具有开发经济价值的热岩主要指埋深在3000—5000 m、温度较高的岩体。主要用于发电。这对于多火山、高温岩体资源丰富地区的开发更有意义,前景诱人。进行干热岩发电研究的国家有美国、日本、英国、法国、德国和俄罗斯。近年,经过法国、荷兰及欧盟多国能源专家的努力,在法国东部阿尔萨斯高温(200℃以上)花岗岩地区已实现了开发建设利用热岩发电的梦想,成为地热发电史上一个里程碑。

    2 我国干热岩地热资源的成因与分布

    我国处于全球欧亚板块的东南边缘,在东部和南部分别与太平洋板块和印度洋板块连接,是地热资源较丰富的国家之一,高温地带或温泉密布地带就分别位于板块边缘的碰撞带上,而中、低温泉密布带则多集中于板块内的区域构造边界的断层带上。

    按照板块构造理论,主要受相邻几大板块挤压作用:西南部受印度洋板块的挤压,形成了以1cm/a速度增高的喜马拉雅山,这就是著名的青藏高原地热异常带,该带中部有著名的西藏羊八井和东南部云南腾冲地热异常区;东南沿海受菲律宾板块碰撞挤压,在台湾、海南和东南沿海形成了一个高地温梯度区;东部受太平洋板块挤压,形成长白山、五大连池等休眠火山或火山喷发区和京津、胶东半岛等高地温梯度区。由区域地质构造特征、大地热流分布特点、地温分布规律、高地温梯度分布及火山与岩浆活动的研究分析,我国存在或可能存在高温干热岩地热资源的地区主要是第四纪以来的火山活动区和年轻火成岩侵入区。尽管到目前为止,我国没有对干热岩地热资源进行过详细评价和开发,但这些热异常区却存在着极丰富的高温地热资源,是干热岩地热资源优先开发区。

    3 天津地区地质构造特征

    3.1构造特征

    天津地区地处I级构造单元华北地台北缘。北部属Ⅱ级构造单元燕山褶皱带的次一级(Ⅲ级)构造单元蓟宝隆褶;南部为Ⅱ级构造单元华北断坳区,是中、新生代断陷、坳陷盆地,构造线主要为北北东向,区内Ⅲ级构造单元隆起、坳陷及Ⅳ级构造单元凸起、凹陷的延伸方向均呈北北东向,形成雁行式相间排列的构造格局。

    3.2地层概况

    天津地区绝大部分地区被第四系覆盖,基岩露头仅在北部蓟县山区出露,在南部广大平原区,区域基底是由太古宇和古元古界经过褶皱而形成的一套复杂变质岩系,其上的基岩主要为中新元古界、下古生界的海相碳酸盐岩和上古生界的石炭系一二叠系地层;基岩上部的松散盖层则为新生界沉积的陆相碎屑岩,其中缺失上奥陶统一下石炭统、上三叠统及古近系古新统。

    3.3岩浆岩分布特征天津地区自中生代以来,岩浆活动频繁,侵入岩和火成岩在基岩出露区和覆盖区均有产出。在各地质时期中,较大的构造运动均伴有岩浆作用,包括:中元古代、海西期、燕山期和喜马拉雅期,其中以燕山期活动最为强烈。

    (1)中酸性侵入岩。在冀中坳陷的廊固凹陷、牛驼镇凸起等地区均钻遇了闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩及石英二长岩;黄骅坳陷沿沧东断裂带有花岗岩侵入;天津市境内出露的四个侵人岩体(盘山花岗岩、朱耳峪正长岩、石臼花岗岩、别山正长斑岩)均分布在蓟县山区,其中以盘山花岗岩的面积最大,侵入的地层有长城系高于庄组、蓟县系杨庄组和雾迷山组;另外在覆盖区还发现了三个隐伏的侵入岩体。从全区来看,岩浆侵入与深大断裂关系密切,主要沿北东和北西向断裂分布,岩浆活动时期主要为燕山期。

    (2)火山岩。在冀中坳陷的许多钻井中均钻遇过中基性喷发岩,岩性以安山玄武岩、玄武岩为主,在黄骅坳陷钻遇的中酸性喷发岩以安山岩、流纹岩为主,喷发时期主要为喜马拉雅期。蓟县山区出露有中元古代大红峪期火山岩,平原地区也隐伏有晚古生代海西期、中生代燕山期和新生代喜马拉雅期以玄武岩为主的火山岩。

    3.4地质发展简史从太古宙到第四纪,天津地区地质发展历时30亿年以上,经过了三个大地构造发展阶段,即地台基底形成阶段,地台盖层发育阶段和大陆边缘活动带阶段。其中两个重大的转折期为吕梁期和印支期。

    从地温场演化角度来看,新近系、第四系岩层导热率小,导热性差,起到一种隔热保温的作用,使得近、晚期岩浆活动所产生的热量和来自于地壳深部的地球内热,不会迅速消失,而在热容量较大的地层中保存下来,形成热岩层。

    3.5热储特征天津地区地热资源属于华北地热的一部分,主要为传导成因的中低温沉积盆地热田,其分布位置、范围、形态和展布方向,均明显受基岩构造和热储层岩性的控制和影响。地热传导方式以岩石热传导为主,地热储集层的地热能是在较长的地质历史时期接受其下岩石传导深部花岗岩和上地幔的热流储集而形成。

    4 天津地区干热岩资源潜力初步估算

    从地质背景分析,天津地区高热流区域处于构造带附近,据目前的勘探成果分析,沧县隆起上白塘口西断裂东侧大芦北口一带和团泊东南地层深处埋藏着分布范围较大的基性火成岩体,这些岩体的广泛存在,说明天津地区具备了干热岩地热资源形成的特殊地质构造条件。在天津的一些高温背景区,钻探至深部中元古界长城系预计地表以下3000—4000 m的岩体温度可达1 10~150℃,存在有一定储量的干热岩地热资源。

    从已获得的区域地质基础资料分析,初步估计天津地区盖层平均地温梯度I>3.5。C/100 nl、面积大约为2400 km2的10个地热异常区内,埋藏深度大约为3000—4000 m、厚度大约为550—600 m、温度高达100~150℃的热岩体所储存的地热资源为1.72×1020J,相当于58.17 X108 t标准煤的热量,估算每平方千米产热量可达7.15×1016J。尽管以目前的技术水平还无法使这部分潜在能源完全为人们所开发利用,但这份大自然的丰厚馈赠在能源日益紧张的今天无疑是非常诱人的。

    5 天津地区干热岩资源开发的可行性研究

    干热岩是位于地壳深部的火成岩体,以花岗岩为主,岩体致密、渗透性极低且不含水,因此开采方法与流体型地热资源开采技术有本质不同,主要是通过热交换介质循环来实现热量的提取。干热岩地热资源提取系统由注水井、生产井和人工储留层组成。现阶段较可行的开采技术的基本概念是形成人造地热田,即开凿一对深层钻孔:一眼钻井(注水井)为进入温度高、渗透性低的热岩层中的深井(3000—5000 m),利用液压和爆破碎裂法使注水井底部的干热岩形成许多孔洞或裂缝隙,然后从井口通过高压水管灌入低温水,迫使高压水进入地下热岩中,并在适当部位加压,使加压点周围产生宽几毫米、长数百米的裂缝,冷水便通过破裂系统进行循环,吸收岩体热量升温到200—3000C,被干热岩加热变成热水或蒸汽;另一眼深井(生产井)钻至裂缝带,与注水井在底部密封相连,裂隙区内被加热的循环水或蒸汽通过生产井以压力热水的形式排到地面,形成一个大的热交换系统(图2)。这样注水井和生产井便通过人造地热田联结成一个循环回路,让回注循环水与干热岩进行充分换热,充分吸收高温岩石骨架中的热能,从而达到利用干热岩的热量来不断加热循环水的目的,从地下热岩中取出源源不断的热水资源来,补充提供新的热水资源。目前这种技术在一些干热岩热能开发比较早的国家已率先应用,并取得了一定成功。

    由于目前的技术能力和设备装置还无法达到经济性开发,天津地区对干热岩资源的勘探、开发利用尚属空白,但探索和研究干热岩资源开发技术和相关理论,是今后地热能源学科的一个新领域。当然由于其特性,开发利用地下深部高温的干热岩资源需通过相关试验和综合分析,取得一系列基础数据和研究成果,制定合理的方案,采用先进的技术和方法,并对其经济性进行充分评估后方可分步实施开发、合理利用。

    5.1进行深入系统的基础分析和研究通过全面收集国内外有关于热岩研究的最新理论,了解该领域的最新动态、研究成果及发展趋势,利用地球物理与钻井勘探资料,对天津地区干热岩形成的构造部位、形成条件、地温分布特征进行深入分析,对高温高压下岩石的导电性、弹性波速及热物理性质等物理特征及岩石的力学特征、热破裂特征进行研究,通过数值模拟预测深部高温岩体储层深度及地温梯度,分析干热岩资源条件和资源品质,评价区域地质体地热资源量和开发利用潜力。

    5.2探索干热岩层深钻施工技术天津地区地热资源属典型的沉积盆地型地热能,埋藏深度均超过1000 m,而干热岩更是深埋在地表3000—5000 m以下,钻井施工对象是火成岩或变质岩,其单轴抗压强度在200 MPa以上,岩层的环境温度大于1500C,在这种高温、坚硬的岩体中施工钻探,对钻具的耐高温性能、耐磨削性能、设备的出力、耐高温泥浆、耐高温的固井水泥、破岩方式都有极高要求。天津经过多年的地热开发,相应的钻探技术和施工工艺已在不断的探索中逐步成熟,施工深度已达4040 m,但在开凿干热岩层深井之前,应对已施工的地热深井钻探工艺进行综合分析、总结经验、不断完善,结合目前较先进的热破裂或化学腐蚀的辅助钻井技术,探索出一套适应于干热岩深井的施工技术。

    5.3研究出一套提取干热岩高温地热资源的可行技术方法先行一步的探索性研究可选择一些高温背景区的热岩层深井进行一系列野外试验,如热岩层深井对井注水试验和利用u型管在高温热岩深井中的注水试验等。

    (1)热岩层深井对井注水试验。干热岩地热资源对井开采所采用的技术方案是通过人工致裂技术,在岩体中形成众多近似平行的裂隙,使注水井与生产井连通,从而形成地热资源提取的循环通道,让注入的循环水沿裂隙经过深循环与干热岩进行充分的液相(循环水)、固相(干热岩层)传导交替换热,利用干热岩的热量不断地加热循环水,使之转变成为现代技术所能利用的地热温泉。通过试验重点研究高温岩体人工储留层块裂介质的固一流—热耦合作用,循环水的水温、水质及回采率情况;(2)单井u型管注水试验。在高温热岩深井中下入特制U型管,在u型管内注入带一定压力、流速的循环水,让循环水通过换热把深部干热岩的热能带出转换成能为人类所利用的热流体,根据不同的循环水量对比热流体的出口温度来决定其利用方式。这种试验旨在通过监测获得循环水的出口温度与水的流速之间关系的相关数据,探明注入水能量与u型管出口端热流体的热能量的关系,重点研究分析这种单井u型管注水方式所能携带出来的高温热岩体中的热量。U型管的底部可设置成螺旋形状,增大循环水与干热岩的换热面积,达到强化传热的效果。可根据井底压力计算公式初步估计U型管的最大承受压力(P)(P=p·g·h,P为管中液体在平均温度下的密度,h为U型管的最大高度),通过计算得出的压力数据选择相应的U型管的材质。

    5.4干热岩资源开发系统的设计与运行在基础分析和研究的基础上,确定干热岩资源开发目标区域,提出初步勘探意见和选择理想井址,对人工储留层设计、循环井组间距、设计井组控制的资源量、装机容量、服务年限进行可行性论证,并结合相关热岩层深井注水试验结果制定科学合理的开发运行方案。

    干热岩资源开发系统的设计与运行关键技术参数包括系统的出力(设计年限内允许提取的地热资源量)和寿命(可提取资源量的枯竭期限)、注水井与生产井的井1:3压力、注水流量、生产井的温度等。在资源开发过程中应充分了解人工储留层及其围岩在地热提取过程中温度场、应力场和人工储留层裂隙张开度的变化特点,了解在水、热、应力的复合作用下人工储留层的二次破裂特征,深入分析开发过程中热能迁移规律,如:注水井、生产井剖面上岩体温度变化规律,裂缝水压及裂缝宽度的变化规律,裂缝面温度、应力随开采时间的变化规律,裂缝宽度随开采时间的变化规律。

    5.5对开发利用干热岩资源的环境、经济效应作出客观评估开发利用一种新型能源,应符合运行安全、价格合理、低环境影响的基本要求。在全球崇尚环保、注重节能的背景下,如何合理、科学、经济地开采利用新型能源,是在大规模开发之前必须认真考虑的。干热岩地热资源对于天津地区,是一种新能源,尽管其资源品质、储量是十分诱人的,但如何减小在高温坚硬的岩层里高额的钻井费用,以及如何经济地建造相当规模和寿命的高热能人工储留层,是一个开发方案经济性、可行性的关键,是推广和市场化的前提。只有在经济产出大于投入、同时具备环保的条件下,方可进入商业实施阶段。

    6结论天津地区在地表3000—5000 m以下、中元古界长城系的大红峪组岩层中蕴含有储量丰富的温度高、渗透性低的可利用干热岩地热资源,目前这部分资源还未进行过勘探、开发。如何采用现阶段科学技术水平和方法来对这部分地热资源进行开发,为人类所利用,是目前摆在地质工作者面前的新课题和任务。相信通过各方不断努力,这份大自然的恩赐将很快被开发利用,在滨海新区城市经济建设的能源大军中占得自己的一席之地、绽放出其独特的魅力。

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