中国油田地热开发利用现状与发展方向

基于中国地热发展现状、地热资源赋存和分布特点、不同地热开发方式对比,分析了油田地热资源开发利用潜力,并探讨了中国地热产业,尤其是油田地热未来的发展方向。研究结果表明:(1)中国的地热资源较为丰富,以中低温地热资源为主。浅层地热资源分布全国;中低温地热资源分布于沉积盆地、东南沿海和隆起山区,在不同深度形成了大面积分布的含地热水的热储层,为水热型地热资源;高温地热资源集中分布在西藏南部、四川西部、云南西部和台湾地区。中国浅层地热能资源(浅于200 m)年可开采量折合7×10^(8)t标准煤。(2)由于浅层地热能开发利用的环境与效率问题、深井直接换热的效率问题,以及干热岩开发利用的技术瓶颈问题,中深层水热型地热资源将是当今中国地热资源开发利用最主要和最现实的领域。(3)油田地热开发中形成了地热资源勘查与评价、砂岩地层回灌、废弃井改造为地热井、高温钻完井等一批关键技术,均在大型地热开发项目中得到成功应用。油田拥有丰富的采出水资源,可以直接利用,大量的废弃井或低效油井可以通过工艺改造为地热井进行地热资源开发,从而降低地热开发成本,提高地热项目的经济性。(4)油田地热除用于油田生产用能替代和清洁供暖外,中低温地热发电、氦气等伴生资源的开发、废弃油气藏储热和CO_(2)封存等领域的发展潜力巨大,地热综合开发利用是油田地热未来发展的主要方向。

鲁中南典型地热区地热水氟分布特征及其驱动机制

山东省鲁中南典型地热区主要包括沂沭断裂带地热区和鲁中隆起地热区,为了探明研究区地热水氟分布特征及其富集规律,综合运用水化学图解、地球化学模拟和主成分分析等方法,分析沂沭断裂带地热区和鲁中隆起地热区地热水水化学数据。结果表明:研究区地热水以Na-Ca-Cl型、Na-Ca-SO_(4)-Cl型和Na-Cl^(-)SO 4型为主,基本为弱碱性水,优势阳离子为Na^(+),氟质量浓度在0.38~4.5 mg/L之间,富钠弱碱性环境有利于地热水中氟的富集。地热水中F-质量浓度与Na^(+)、Cl^(-)和总溶解固体(TDS)质量浓度呈显著正相关,而沂沭断裂带地热水样中F-质量浓度还与K^(+)、SO_(4)^(2-)质量浓度呈显著正相关,与Mg^(2+)和HCO_(3)质量浓度呈显著负相关;鲁中隆起地热区地热水中阳离子交换作用较沂沭断裂带地热区更为强烈,Na^(+)反应强度明显强于Mg^(2+)。鲁中隆起地热区和沂沭断裂带地热区均为裂隙型热储,热储岩性分别为石灰岩、灰岩热蚀变带和安山岩破碎带,水岩作用强烈。研究区地热水中氟离子的物质来源主要为萤石等含氟矿物的溶解沉淀,受控于阳离子交换等水岩相互作用影响,最终形成高氟地热水,其中高温和富钠对研究区地热水中氟离子富集影响较大。研究成果为地热资源开发利用提供了参考。

海上地热能开发现状及其对中国的启示

在世界能源短缺以及实现碳减排目标的背景下,随着海洋和地热能开发技术的进步,海上地热能的潜力越来越受到人们的关注。本文分析了目前全球海上地热资源开发热点区域分布,以及海上地热资源利用的优势和劣势,梳理了国内外海洋地热资源利用现状和关键开发技术,包括海上地热利用方式、地热勘查技术、地热资源评价技术、地热利用技术和地热能开发影响评价技术等,指出了当前中国海上地热能发展利用过程中面临着基础资料薄弱、关键技术创新力不足、核心装备自主性差、激励政策不够完善等诸多挑战,并给出了相应的发展建议。

美国能源部地热钻井技术研发最新部署及干热岩开发示范创新实践

与其他主要的可再生能源相比,地热能是唯一能够提供基本负载电力的能源。干热岩是指不含原生水或含少量水的高温深部岩体,可通过水力刺激改造形成增强型地热系统储层,从而提取数量可观的地热能。干热岩型地热资源的开发面临两方面主要技术挑战,一是花岗岩和玄武岩等极坚硬岩石对机械钻速的限制,二是钻井所处地层温度超过随钻测量和旋转导向等工具电子设备的运行温度上限。近年来,美国能源部资助的FORGE计划犹他州项目为测试新的钻头技术和优化钻井作业流程提供了机会,以逐步提升机械钻速并降低钻井成本。本文综述了美国能源部地热技术办公室近年发展规划中对地热钻井技术研发的部署,重点分析了犹他州项目在钻井实践过程中对基于物理限制因素重新设计的工作流程的应用,总结了美国能源部围绕地热钻井技术开展的多次规划编制以及部署实施的相关项目涉及的主要领域,以及犹他州项目在探索和实践钻井作业流程优化方面取得的认识。

水文地球化学方法在地热资源勘查中的应用:以湖北省应城市为例

地热流体水文地球化学研究在指示地热资源的形成机制、赋存环境以及预测地热资源有利勘查区等方面具有广泛应用。为了探究湖北省应城市地热系统的热源以及成因机制,并对其地热异常区进行圈定。基于研究区内地热水与浅层地下冷水的水化学及同位素特征,探讨了地热流体中主要组分的地球化学起源,评估了地热流体的热储温度。结合区内浅层地下冷水的温度与水化学数据,对地热异常区进行了圈定。研究结果表明,地热水水化学类型主要为SO 4-Ca型,地热系统主要的热储围岩为海相碳酸盐岩,通过地热温标计算热储温度约112.2℃。大气降水入渗和碳酸盐岩热储层中的水-岩相互作用是地热水中化学组分的主要来源。地热水的水化学和氢氧同位素特征指示地热水的补给来源为研究区西部山区的大气降水,大气降水由补给区入渗后向东南盆地中心不断运移,循环深度为3436.7~5030.2 m。通过与典型岩浆热源型地热系统的对比以及岩石样品中放射性元素的数据结果,得出应城地热系统是由地温梯度正常加热而形成的。结合区内浅层地下冷水的温度与水化学数据,最终圈定地热异常区位于应城市区西南陈河镇以北地区,但仍需考虑井深、人为污染等客观限制因素对圈定结果的影响。

全球地热发电现状与研究进展

地热发电作为地热资源开发利用的主要方式之一,其发展对于促进能源结构低碳清洁、推动“双碳”目标的实现意义重大。在明确世界及中国地热能发电发展历程,以及干蒸汽发电技术、闪蒸式发电技术、双循环(双工质)发电技术、全流发电技术等主要地热发电技术概况的基础上,详细阐述了干热岩发电技术、热伏发电技术、超临界CO_(2)循环发电技术、联合发电技术,以及地热-太阳能、地热-风能、地热-生物质能、地热-海洋能等多能互补发电技术等新兴地热发电技术及其研究进展,结合我国地热发电现状及存在问题,提出了我国地热发电发展的建议,以期对我国地热发电的未来发展提供参考借鉴。

地热储层裂缝沟通技术专利现状

地热(Geothermal)能源是一种绿色低碳可再生能源;我国埋藏深度在3km以浅的中深层水热型地热资源总量相当于1.25万亿吨标准煤,埋藏深度在3~10km的深层地热资源规模相当于856万亿吨标准煤。大力开发地热能,对保障国家能源安全、实现“双碳”目标意义重大。

漯河市新近系明化镇组地热资源开发利用的模糊综合评价

文章以漯河市新近系明化镇组地热资源为研究对象,从地质因素、径流条件、资源量、社会因素4个方面选取9个影响因子,采用模糊综合评价法建立该地区的地热资源开发利用评价模型,并基于评价模型对漯河研究区的地热资源开发利用条件进行评价。结果表明城区西南部(分区6)和城区西部(分区2)开发利用条件较好,可以作为未来漯河市地热资源的开发区。其研究可以帮助地热资源合理有序地可持续开发利用。

海塘岗地热田地热地质特征及水化学分析

惠州地区地热资源分布广泛,自然出露丰富,但空间分布不均。惠州地热资源集中分布于莲花山深断带西部断裂带西侧,海塘岗地热田处于莲花山深断带西部断裂带西侧。前期研究表明,闽、粤两省是我国最具潜力的地热靶区,其中海塘岗地热田就是其中的区域之一。研究小组在前期勘探成果的基础上,对海塘岗地热田地热水的地球化学性质和热储性质进行系统的分析,为该区地热资源的勘探开发和科研工作提供科学依据。

矿井岩溶热储三维地质建模及地热资源潜力评价

传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价,用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上,建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区,基于区内地热地质条件和地面、井下钻孔资料,采用地下水模型系统(Groundwater Modeling System,GMS)软件建立了研究区内地层的三维地质模型,呈现了寒武系碳酸盐岩地层及覆岩的展布情况,并对寒武系碳酸盐岩地层空间进行了数字化。提出了用于矿井地热资源评价的积分式热储体积法,采用该方法对研究区内寒武系岩溶热储静态资源量进行了估算,并评价了热储的动态资源量,得出了热储层地热资源量与地热水位标高的关系曲线。对研究区内寒武系岩溶地热水进行了水质全分析,评价了地热水的腐蚀性和结垢性。结果显示,研究区内寒武系碳酸盐岩(灰岩)层为岩溶热储层,热量主要来自寒武系朱砂洞组以深的高温岩体;地表大气降水经寒武系灰岩露头和矿区周缘深大断裂进入深部岩体,沿途被加热后储存于寒武系灰岩地层中,并持续接受深部基岩热量传输,形成水热型岩溶热储;寒武系岩溶热水静态资源量为76.8亿m3,蕴含热量1.19×10^(18) J;岩石中蕴含热量为3.25×10^(18) J;地热资源总量为4.44×10^(18) J;地热可采资源量为6.66×10^(17) J,折合标煤22.7 Mt;寒武系岩溶热水具有轻微腐蚀性,结垢性为轻微—中等,流经金属管道和容器需要做防腐和防垢处理。

中深层水平连通地热井取热特性研究

高效取热技术是实现地热效益化开发的关键,建立了水平连通地热井数值仿真模型,计算了连续开采和间歇开采工况下的出口流体温度和换热量,研究了注入温度、注入流量、水平段长度对系统换热性能和岩层温度恢复能力的影响。结果表明,随着注入流量增加,地热井出口水温下降,但整个系统换热量提高;当注入温度较高时,可有效提高出口水温,但系统换热量降低较大;随着水平段长度增加,出口水温和换热量逐渐上升,换热性能提高;岩层温度恢复能力随注入流量和注入温度的增加而提高。综合考虑钻井成本、水泵功耗等因素,适量增加注入流量、降低注入温度、增加水平段长度能有效提高水平连通换热井的换热性能;虽然高的注入温度可提升岩层温度恢复能力,但不利于提高系统换热性能。

世界典型高温地热田回灌经验及对谷露热田回灌井部署的启示

地热尾水回灌是地热田开发过程中必不可少的环节,对热田开发具有重要意义。对世界上不同类型高温地热田回灌策略进行系统梳理,发现不同类型地热田常采取不同的回灌策略:气相为主的气液两相地热田常进行内场回灌;液相为主的气液两相地热田和水热型地热田常采用内场回灌与外场回灌相结合的方式。重点分析与谷露地热田相似的美国Brady Hot Spring地热田、Beowawe地热田和中国羊易地热田三个水热型高温地热田在生产过程中的回灌情况,对上述地热田在回灌过程中的回灌距离、回灌深度及回灌后对热田生产的影响进行总结。上述地热田多采用同构造回灌的方式进行回灌;一般无特定的回灌距离,常采用内场回灌与外场回灌相结合的方式进行;回灌目的层常选择渗透性好的断裂构造;回灌深度以大于500 m的深层回灌为主。这些热田在回灌过程中,为了达到良好效果,需要平衡生产区的压力下降和热突破之间的关系。结合谷露地热田实际地质情况,认为谷露地热田应该采取同构造回灌,且采用内场回灌与外场回灌相结合的深层回灌方式。初步在热田生产区1 km以外的位置选择3片回灌区域。其中回灌1区是主要回灌区域,位于热田生产区的北侧约1~1.5 km范围内。为了防止发生热突破,需要在回灌井实施过程中,进行回灌试验,尽早确定回灌井与生产区之间的水力联系。

基于居里面深度对中国东北部大地热流的研究

大地热流值是表征地球热状态的重要参数,也是进行深部地温预测和评价一个地区地热资源的最基本数据。受钻孔测温的影响,盆地外的无钻孔测温地区缺少实测的大地热流值。目前的热流分布图都是依据相邻盆地的实测值进行插值绘制的,无钻孔区热流值可信度较低。由于岩石居里点与温度密切相关,可以通过居里面深度来研究地表热流值。本文依据东北地区现有的居里面深度分布图,结合实测的岩石热导率、岩石生热率数据和相应的地壳分层状况,计算了东北地区的大地热流值,重新绘制了中国东北地区精细的大地热流分布图。东北地区整体大地热流处于42.5~95 mW/m~2之间,热流高值位于五大连池及敦化-密山断裂带海龙—牡丹江一带,松辽盆地内部、小兴安岭和长春-延吉缝合带也有局部的高热流值。热流高值与居里面隆起区域有较高的一致性,即居里面隆起处热流较高,而坳陷区热流较低。本次研究填补了中国东部地区热流实测值空白,为该区深部地温预测和地热资源评价提供了更加准确的参数。

西藏谷露地热田ZK401高温地热井钻井工艺技术

谷露地热田是西藏那曲—尼木地热带上的典型水热型高温地热田,安全、经济和高效的钻井工艺技术很大程度上决定了其高温地热资源的可开发利用潜力。ZK401井是在谷露地热田实施的一口优质高产探采结合井,地层以花岗岩类为主,其岩石硬度大,机械钻速低,钻头使用寿命短。自上而下揭露多层热储,其35~41m即可揭露124.8℃中温地热流体,汽水总量约40 t·h^(-1);50~320 m揭露超过120℃的中温热储,汽水总量约30~35 t·h^(-1);320~1320 m揭露186.9℃高温热储,汽水总量高达348 t·h^(-1),具有热储埋深浅、温度高,断裂构造发育,地层出水量大的特点,高温及水侵作用致使钻井液极易失效,井喷风险大,安全钻井难。为解决上述钻井施工难点,进行了高温地热钻井关键技术研究。通过采用异形齿PDC钻头和岩石热裂提速技术,使单只异形齿PDC钻头进尺较同规格牙轮钻头提高了23%~48%,使三开井段花岗岩类地层的平均机械钻速提升至3.18 m·h^(-1)。通过优化井身结构,采用简易控压钻井技术,利用低温清水作为二开及三开钻进循环钻井液,达到了及时发现并有效保护热储层和控制井喷风险的目的;实现了ZK401井在520 m揭露186.9℃高温热储且汽水总量达348 t·h^(-1)苛刻条件下的安全、持续钻进,且非生产时间较采用常规钻井技术的邻井缩短了37%,极大地降低了钻井成本,提高了高温地热资源的可开发利用潜力。为后续该区域乃至其他地区解决高温地热井钻井施工提供参考。

地热资源勘探开发技术与发展方向

地热资源是重要的非碳基可再生能源,具有本土能源、稳定可靠、绿色低碳等优势。21世纪以来,我国地热直接利用规模稳居世界首位,特别是中深层地热供暖利用快速增长,成为我国在世界地热产业中的鲜明特色。但与此同时,受限于我国绝大部分地区处于板块内部,东部用能旺盛区尚没有规模中高温地热资源发现,我国地热发电产业发展缓慢。基于对我国地热资源分布特征和开发利用情况的分析,总结归纳了我国中深层地热勘探开发利用技术现状,包括地热系统形成机制、选区评价技术、热储描述技术、可持续开发技术及“取热不耗水”关键工程技术等。地热能若要在能源转型中发挥更重要作用,未来需要向品位更高、应用范围更广的深层地热资源进军。建议持续加强基础理论研究和原始技术创新,尽快摸清我国深层地热资源家底,攻关高温钻完井、复杂结构井、深层热储改造、井下换热和干热岩EGS工程等关键技术,推进“地热+”多能协同,加大示范项目建设和应用市场培育。同时,需要建立健全政策法规制度体系,加大政策支持和管理监督力度,为地热产业健康、规范、可持续发展营造良好的环境。

中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统热力学性能分析

针对地热能发电技术效率低、稳定性差的问题,提出一种兼具同轴套管取热技术和压缩空气储能技术特点的中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统,通过建立系统的热力学模型,研究了典型工况下系统关键参数和热力学性能的演化规律,揭示了不同运行特征下地热恢复与提取的动态机制。研究结果表明:储能发电系统的运行分为非稳定循环和稳定循环阶段,在非稳定循环阶段中,热提取量和膨胀机输出功随循环次数的增加而增加,而热补偿量和系统效率呈相反趋势变化;当热提取量、热补偿量和地热消耗量达到平衡时,储能发电系统从第8次循环进入稳定循环阶段,稳定循环中各参数不随循环次数改变,单次循环输出电量为47 956.7 kW·h,系统效率达到63.5%;通过提升压缩机压比和补热水流量可以提升地热恢复温度:当压缩机压比由6提升至7时,深度为1 300 m、半径为0.116 m处,岩土温度多提升4.3℃,当补热水流量由4.5 m^(3)/h提升至6 m^(3)/h,同一处岩土温度多提升6.4℃,该研究为提高地热能发电效率和稳定性提供了新方案。

承德北部茅荆坝地热田地热流体的水化学和同位素特征及其成因

承德北部茅荆坝地区地表出露的地热水温度高达98.7℃,赋存于裂隙较发育的侏罗世中粗粒二长花岗岩热储,SO_(4)^(2-)含量较高,但关于该区地热流体的补给来源、循环演化过程与成因机制研究尚少。为了认识该基岩山区地热系统的成因以合理开发利用地热资源,在区域地热地质调查的基础上,测试分析了不同水体的水化学组分、地下水年龄(^(3)H和^(14)C)、硫酸盐硫、氧同位素(δ^(34) S-SO_(4)^(2-)和δ^(18) O-SO_(4)^(2-))、碳酸盐碳同位素(δ^(13)C-HCO_(3)^(-))、锶同位素(^(87)Sr、^(86)Sr)等特征值。结果表明:(1)茅荆坝地区地热水化学类型以SO_(4)-Na型为主,硅酸盐矿物的溶解及阳离子交换作用促进了地热水中Na^(+)、K^(+)和SiO_(2)的富集,水中SO_(4)^(2-)并非来源于硫酸盐岩矿物溶解,推测为H_(2)S气体从深部还原环境上升到浅部氧化后生成SO_(4)^(2-),也可能来源于高温地热水与硫反应形成的硫酸盐;(2)地热水n(^(87)Sr)/n(^(86)Sr)均值为0.7092,与海相碳酸盐岩比值接近,揭示热储深部可能存在海相碳酸盐岩储层;(3)地热水属于古地下水,^(14)C校正年龄为11.9~14.9 ka,循环更新能力差,由周边山区的大气降水补给,补给高程在1532~1632 m;(4)地热系统深部热储温度为142~144℃,高温中心位于热田北部。研究结果对冀北山地地热资源的可持续开发利用具有重要意义。

江西芦溪县南部大地热流特征

江西省芦溪县南部地区地热资源丰富,但地热地质研究程度较低,大地热流测量工作进行的较少,制约着区域地热资源勘查开发。本文以芦溪县南部的新泉和石溪为研究区,结合钻孔岩心热物性测试和地温测井等分析了研究区岩石热导率、地温场、热源机制的特征。研究区岩石热导率平均值为2.063~6.176W/(m·K),热导率最高的为硅质石英岩,可作为良好的导热岩体。大地热流平均值为76.39 mW/m^(2),远高于中国内地地区的平均值62.5 mW/m^(2),该地区具有较高的热背景值。花岗岩放射性生热率平均值为2.16μW/m^(3),不属于高产热型岩体,放射性生热对地表热流贡献较小,热源来源为地壳深部供热。研究区构造活动强烈,深大断裂和次级断裂发育,为地下热水的深部循环提供了良好的导热和导水通道。本研究可为武功山地区的地热资源开发提供重要启示。

广西贺州市南乡地热田地热地质及地热流体化学特征

广西贺州市南乡地热田为板内深循环型地热资源,地热田主要受南北向代罗-大寨(F4)控热构造控制,地热田浅表地温西高东低,中部形成自南向北地温逐步升高的四个地温异常中心。地热流体为中性偏碱性淡水,氟和偏硅酸达理疗热矿水命名的标准,为氟水和硅水。利用Na-K-Mg图解方法,表明地热田内地热流体为未成熟水,处于水岩相互作用的初级阶段。通过对Cl-SO4-HCO3离子组分分析和硅-焓混合模型计算,得出南乡地热田地热流体在浅表或沿水热通道上升时混入了69%~90%的冷水;采用多种方式对比计算热储温度,在南乡地热田内采用石英温标(T石英=114.46~126.60℃)估算方式较为准确,并计算出地热流体循环深度为3158~3563m。

潍坊浮烟山地区地热资源勘查及成因分析

针对潍坊浮烟山地区勘查过程中,断裂构造与地热显示、地热异常的关系,控热构造、热储层,地热异常区的地质结构、热储岩性及埋深、地温梯度、水温和水量等尚未解决的问题,通过遥感地质解译、物探、化探、水文地质调查、民(机)井水温调查发现了大柳树和符山两个水温异常区,确定了地温梯度,推断沂水-汤头断裂和鄌郚-葛沟断裂为主要的导热、控热构造,并与白垩系青山群厚度较大的粉砂岩、砂岩、凝灰岩、玄武岩及白垩系王氏群、古近系五图群、新近系临朐群形成了良好热储层;通过综合的地质分析建立了浮烟山地区的地热模型,对地热资源进行了估算。浮烟山地区地热形成的主要原因是地球物质中所含放射性元素衰变产生了热量,由两条深大断裂传导到地热载体岩溶裂隙水中,最终形成了浮烟山地热异常。