华北古潜山优势传热机制研究:以雄安新区为例

华北中元古界古潜山是我国北方主要规模化开发的地热储层,具有储热量大、埋藏浅和易回灌等特点。古潜山热储受物性特征、空间展布和地质构造等因素制约,控热机制多元,传热过程复杂,针对其热成因机制的研究一直受到重视。本文以雄安新区古潜山热储为研究对象,基于近年来雄安新区地热勘探井资料分析,提出了华北古潜山热储优势流传热理论,古潜山热储的热源主要来自深部幔源传热,而壳源热流低于30 mW/m^(2),华北克拉通破坏后,随着岩石圈拉张减薄,地幔热对流增强,形成了由深到浅的优势传热通道,地表热流通量升高。古潜山高热导率储层形成了热在垂向和水平向上向储层聚集的传导优势热流,流体在高孔渗碳酸盐岩储层中循环形成了对流优势热流,断裂加剧了传导和对流沿构造方向的聚热效应。在热量聚集作用下,古潜山不同构造部位钻孔测温曲线表现出5种类型,分别为传导型、传导对流传导型、传导对流弱对流型、传导强对流型和传导弱对流型等。断裂带为地下热水的循环和热的富集提供了空间优势流动通道,通过靠近容城断裂的典型钻孔温度测井结果,建立解析方程计算容城断裂地下水热对流占比为29.2%。本研究通过综合分析古潜山优势流传热的影响因素,为华北地热成因模式研究提供了新的思路。

我国陆区热状态及控热要素

区域热状态代表一个地区大地热流的主要来源,解决了区域热源的基本问题,可为区域地热资源的研究提供基础背景。本文基于我国近年来开展的区域热流测量和深孔测温工作,分析了我国陆区壳幔热流比,并将我国陆区划分为壳源生热高温地热区、幔源生热中低温地热区、壳幔热源平衡低温地热区和壳幔热源平衡中高温地热区4种类型区。其中,壳源生热高温地热区位于藏南、川西、滇西,幔源生热中低温地热区主要位于松辽盆地、华北盆地、长江中下游等我国东部广大地区,壳幔热源平衡中高温地热区分布于东南沿海地区、四川盆地和云贵高原,西北广大内陆地区则属于壳幔热源平衡低温地热区。在此基础上,选择青藏高原东北部、腾冲地区、东南沿海和华北盆地等典型地热区,系统分析了区域地温场特征、热流分布、地壳热结构等盆地尺度的区域热状态和主控因素。青藏高原增厚地壳中的低速体构成了以壳源热为主的高热流异常;腾冲地区深部以局部岩浆囊形式存在的岩浆,则构成了以其为代表的近代火山区地热系统的主要控热要素;东南沿海大面积分布的高产热岩体生热构成了热流中重要的热流分量,而以华北盆地为代表的盆地基底起伏和深大断裂则控制了盆地“坳中凸”地热异常区的地温分布。最后,总结了包括壳幔架构、构造热事件、地层岩性、断裂构造等影响区域热状态的深部浅部因素,建立了控制我国陆区区域热状态的多级要素体系,为不同地区地热资源勘查和热源条件分析提供了科学依据。

华南陆缘火成岩区差异性地壳热结构及地热意义

高产热花岗岩是重要的壳内热源之一,我国华南陆缘花岗岩体分布广泛,为该区浅表热量的生成及聚集提供了可能。本文在简述区内花岗岩资源分布的基础上,系统分析了区内主要花岗岩体的放射性生热特征,并结合区内近些年施工的地热勘探深钻,对重点地热勘查区的深部地温场分布、地热通量、地壳热结构等进行了对比分析,提出了华南陆缘浅表地热资源的聚热模式。分析认为,华南陆缘地区具有“幔源供热-壳内生热-断裂传热-盖层保热”的四元聚热模式,其中,花岗岩体的放射性生热率是影响区内浅部地温场的主要因素之一,粤北—赣南岩体的生热率明显高于漳州地区的花岗岩体,其近似“热壳冷幔”型或“温壳温幔”型岩石圈热结构与漳州“热幔冷壳”型岩石圈热结构有一定的差异;断裂构造及盖层条件对于地下热量聚集及散失具有明显的控制作用。研究成果对于深入理解华南陆缘地热资源的成因、控热因素,以及今后该地区地热资源勘探开发实践具有一定的理论与指导意义。

基于管控单元的城市尺度浅层地热能开发控制因素及指引导则:以雄安新区起步区为例

浅层地热能潜力巨大,其合理利用可极大促进城市节能减排和绿色发展。城市尺度浅层地热能利用除与地质条件密切相关外,还受城市规划影响。本文以雄安新区起步区控制性规划为基础,通过综述城市尺度浅层地热能开发利用的主要控制因素,制定空间适宜性评价和指引导则的工作流程。充分考虑地质因素、资源因素和社会生态因素对浅层地热能开发的制约,结合地温测量、热物性测试、现场热响应试验等室内和现场测试数据,对雄安新区起步区已规划的30个的管控单元进行单要素分析,开展浅层地热能开发综合评价并制定开发指引导则。结果显示,地温场条件、水文地质条件、热传导性能、热容量、供暖制冷面积、城市规划和地面沉降是影响雄安新区浅层地热能利用的直接因素。研究区浅层地热能开发适宜性好的单元占43%,主要分布在北部A、B、C和D单元,以可利用区为主,综合导热能力高,单位供暖制冷面积大,具有比较适宜的浅层地热能赋存条件;适宜性中等单元占33%,主要分布在E单元和其他单元的零星区域,其特点为综合导热能力中等,单位供暖制冷面积和热容量偏小;适宜性差单元占23%,主要集中在南部F单元,该区域水系丰富,受空间规划的影响,开发利用受到制约。研究成果为雄安新区起步区的浅层地热能资源利用和开发提供了支撑,也为城市尺度下浅层地热能资源的规范性评价提供参考依据。

我国陆区大地热流测量新进展与新认识

大地热流值是开展地热研究的基础关键参数。本文在分析历次汇编热流数据的基础上,对2016年以来作者实测(260组)与收集筛选(112组)的热流数据特征进行了说明与分析。新增大地热流数据共372组,在空间上有效填补了西南、西北和东北地区的大片测点空白,提高了东部地区热流测点密度,同时将高质量测点数据占比提升至86.3%,较历次汇编的热流数据在覆盖范围、测点密度、数据质量等方面均有较大提升。依托以上热流数据统计得出我国陆区大地热流平均值为63.8 mW/m^(2),高于第四次汇编时的全国平均值,其中大部分一级、二级构造单元热流平均值均有提高,青藏高原各构造单元热流平均值则相对降低。典型地热系统热流数据统计显示,高热流背景的存在可明显提高传导型地热资源的分布范围与对流型地热系统的显示温度,但不是两类地热资源形成的控制因素。基于最新成果,对青藏高原低热流区域范围增大、华北平原早期热流“高估”、长白山热流指示岩浆囊存在等现象与问题进行了讨论,指出我国现有热流测点仍相对较少,随着大地热流值测量技术方法的不断更新与规范以及测点数量质量与覆盖范围的进一步提升,以往对各区域地热分布特征的定性与定量认知可能需要重新审视。以上成果加深了对全国及各区域地热背景的认识,可为区域地热基础研究及资源勘查提供更好的支撑。

采灌均衡条件下地热资源潜力评价方法探讨——以雄安新区碳酸盐岩热储为例

回灌是保障地热资源可持续开发利用的关键手段,而采灌均衡条件下地热资源潜力评价方法研究对地热资源的可持续开发利用具有重要意义。本文通过引入热突破和考虑回灌条件下单井开采权益保护半径的概念,提出了回灌条件下地热资源可开采量的评价方法,并以雄安新区雾迷山组碳酸盐岩热储层为例,分别计算了未考虑回灌条件和考虑回灌条件下的地热流体可开采量、可开采热量及折合标煤量。结果显示采用开采系数法计算的未考虑回灌条件下的可开采量要远小于考虑回灌条件下的可开采量;考虑回灌条件下三种方法的结果对比为:热突破法>考虑回灌条件下单井开采权益保护半径(消耗15%)>考虑回灌条件下单井开采权益保护半径(热储温度下降2℃),考虑地热资源的可持续性以及对热储环境严格保护要求,按照考虑回灌条件下单井开采权益保护半径方法计算的雄安新区雾迷山组热储地热开采量更为适宜。目前全国各地陆续出台相关政策要求实施地热回灌,该方法的提出为科学评价各地回灌条件下的地热可开采量提供了技术支撑。

中国地热水中锂元素分布特征及资源开发利用

【研究目的】近年来,锂在新兴技术和低碳技术产业需求增长迅速,已成为全球主要经济体的关键矿产。尤其在“双碳”目标下,中国对锂资源的需求也日益迫切,当前锂的安全供应已严重制约了中国新能源产业发展。中国锂资源开发对象以卤水型和伟晶岩型为主,但地热卤水型也具有一定资源潜力,因此需要研究中国地热水锂元素分布特征。【研究方法】基于前人对全国范围地热水调查和研究的成果,本文介绍和讨论中国地热水中锂含量分布特征、影响因素、地热水提锂技术及地热勘查技术。【研究结果】分析了全国30个省市主要热储中地热水锂含量,实际计算出1989处地热水锂金属年排放量为789 t,估算中国地热水锂金属年排放量3233 t,显示地热水中锂资源具有一定的潜力。【研究结论】影响地热水锂含量的主要因素为围岩及热储岩石性质、温度、水岩相互作用等,也发现锂同位素在示踪陆区地热系统来源、水岩相互作用及物质来源方面具有良好潜力。中国富锂地热水富集机制主要分为喜马拉雅地热带型和四川盆地型,前者与上地壳重熔型岩浆上涌有关,后者与地层中膏盐的溶滤有关。此外,本文提出未来我国富锂地热水找矿方向集中在青藏高原、四川盆地、江汉盆地等及油(气)田水。“热锂兼探”、“热锂兼采”,实现资源利用最大化,多元地热勘查技术也将助力地热产业发展。

典型高温地热系统水热循环及锂同位素分馏过程模拟研究

水热系统中的多场耦合相互作用对水热循环过程和地热流体化学成分具有显著的影响。本文利用COMSOL-Multiphysics建立水热化学(同位素)多场耦合数值模拟模型,通过简化模型对锂同位素分馏模拟方法进行了验证。在此基础上,基于对羊八井地热田水热循环过程的认识,建立了羊八井典型剖面水热循环多场耦合模型;再现了羊八井地热系统的水热循环过程和水岩反应过程中的锂同位素分馏过程,并且讨论了主要的参数对热能聚敛效果的影响。结果表明:较高的断裂带渗透率将加快深部断裂带附近围岩温度的下降,而较低的渗透率则无法在近地表形成一定规模的水热活动;通过地表排泄量对断裂带渗透率进行约束后,发现当断裂带与深部熔融体直接沟通时,才可在近地表形成长期存在(近150 ka)的高温地热显示;在断裂带沟通了深部熔融体且熔融体热源温度不变的前提下,熔融体的具体埋深对水热活动强烈程度的影响不大;长期的水岩活动会使断裂带内锂元素大量消耗,只有当深部熔融体为断裂系统提供持续不断的物质来源时,才能保证地热流体中长期保持较高的锂元素浓度水平;基于锂同位素分馏过程估算出参与水岩反应的岩体中锂元素质量分数为25~35 mg/kg,δ^(7) Li_(rock)为-2.0‰~0.5‰。研究成果有助于进一步认识典型高温地热系统成因机制模式。

中国地热资源潜力评价

中国地热资源分布广泛,资源种类繁多,分布具有明显的规律性和地带性。针对中国不同类型的地热资源,采用不同的评价方法分别对浅层地热能、水热型地热资源和干热岩资源进行了潜力评估,并对地热资源的开发利用现状及地热资源开发利用的经济环境效益进行了分析。我国地热资源量相对较为丰富,出露温泉2 334处,地热开采井5 818眼。水热型地热资源量折合标准煤12 500亿吨,每年可开采量折合标准煤18.65亿吨;336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨;干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨。目前我国地热资源每年利用量折合标准煤0.21亿吨,其中水热型地热资源开采率仅为0.2%,浅层地热能开采率仅为2.3%,地热资源开发利用潜力巨大。在现有技术条件下科学开发利用地热资源,每年可节煤10亿吨,其中336个地级以上城市浅层地热能资源高效利用每年可节煤2.5亿吨;地下热水资源高效利用每年可节煤7.5亿吨,地热资源节能减排效果显著,能有效缓解雾霾。

京津冀地区地热资源成藏模式与潜力研究

京津冀地区雾霾较为严重,同时地热资源丰富,因此,充分利用地热资源是调整该地区能源结构,减缓雾霾的重要途径之一。本文在分析京津冀地区构造、大地热流、地温梯度等地质背景的基础上,分别总结了京津冀地区隆起山地对流型与沉积盆地传导型地热资源的成藏模式与赋存条件,并对两种地热资源的资源量、开发利用现状与潜力进行了分析。京津冀地区地热资源储量折合标准煤约1383亿t,年地热流体可开采热量折合标准煤1100万t,但目前地热流体年开采热量仅相当于114万t标准煤,约占总量的10%,开发利用潜力巨大。

中国地热资源现状及发展趋势

中国地热资源禀赋良好,分布广泛且具有明显的规律性和地带性。本文系统总结了国内取得的地热资源勘查开发成果:浅层地热能资源在全国范围内普遍分布,我国336个地级以上城市规划区范围内浅层地热能资源年可开采量折合标准煤7亿吨;水热型地热资源年可开采量折合标准煤19亿吨;干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨。阐明了有代表性的水热型地热资源成因机制和干热岩资源成藏模式。地热开发利用技术发展迅速,浅层地热能和水热型地热资源利用量逐年攀升,但在地热资源成藏模式研究、勘查开发及管理利用等方面仍有亟须突破的技术瓶颈和需要改进的环节。文章分析了存在问题并提出了我国地热发展战略路线,下一步应加强热源机理与控热构造研究,推进地热探测技术和开发利用示范,开展重点地区浅层地热能、水热型地热资源勘查评价,完善干热岩勘查开发技术体系,推动地热产业健康有序发展。

地热系统深部热能聚敛理论及勘查实践

深部热能聚敛及富集过程研究是地热资源探测评价的重要基础。地热壳构热控理论是以地球动力学理论为基础,以构造控热作用研究为主线,通过大地构造学、构造地质学、地热地质学等学科理论和方法,研究深部热能聚敛过程及热异常分布规律,分析各种构造要素间的相互作用及控热机制,探讨地热资源靶区预测方法,从而指导地热勘查的科学。本文系统论述了地热壳构热控理论的内涵与外延,提出了我国不同类型地热资源“同源共生-壳幔生热-构造聚热”的客观自然规律,分析了我国陆区壳幔尺度热流配分格局与不同地质背景条件下影响浅地表温度场的主要控热构造,并以渤海湾盆地、青藏高原、东南沿海等我国主要地热系统为研究对象,以壳构热控理论为指导,以勘查区找热为出发点,以控热作用内生因素(壳幔生热)和外生因素(构造聚热)为切入点,通过研究影响壳幔生热、壳内传热、勘查靶区聚热这一地球物理过程,确定了不同构造背景下地热系统的主要控热构造。从传统的经验式找热到建立构造控热预测标志,再到水热型地热资源-干热型地热资源共生富集认知,理论认识的创新发展,将引领和支撑我国地热资源不断实现高效勘探和开发利用。

西安地热田地热弃水回灌数值模拟研究

本文在分析研究西安地热田西南地热开发区的地质构造、热储特征的基础上 ,首次建立了回灌区地热系统三维数值模型 ,完成了地热弃水回灌的数值模拟研究 ,提出地热弃水回灌层位及回灌水量。

雄安新区高阳低凸起区雾迷山组热储特征与高产能地热井参数研究

雄安新区范围内高阳低凸起地热资源条件优越,以往对高阳低凸起勘查开发利用较少。目前利用热储主要为浅部馆陶组砂岩,对于雄安新区规划建设迫切需要探测高阳低凸起深部热储,寻找高品质地热资源。本文以位于高阳地热田中北部的D35孔为依托,通过抽水试验、水样测试分析,研究雾迷山组热储岩溶热储的热储特征、主要参数等。主要结论为:①D35孔蓟县系雾迷山组裂隙岩溶热储,岩性主要为白云岩、泥质白云岩。裂隙(水层)总厚度43m,占地层总厚度的19.68%(裂隙率),孔隙度平均值为3.93%,渗透率平均值为3.16×10-3μm2;②D35孔在3600~3850 m深度共发育10个岩溶裂隙带,岩溶裂隙总厚度250 m,D35孔孔口水温106.6℃,孔底最高温度116℃;③D35孔抽水试验曲线具有水-汽二相混合特征,完井抽水流量170 m3/h,单井供暖潜力达38.5万m2,为目前发现的雄安新区范围内产能最大地热井。

地下水潜力评价方法

地下水潜力评价是地下水资源评价的一个主要内容,但传统的开采程度概念不能科学地反映特定地区的地下水开发利用前景。本文本着地下水资源评价与利用统一的原则研究了地下水潜力的评价方法,提出了地下水潜力的基本概念、地下水潜力系数的计算公式和地下水潜力评价步骤,并以唐山为例进行了地下水潜力评价。

河北容城凸起区热储层新层系——高于庄组热储特征研究

河北省平原区地热资源丰富,碳酸盐岩热储在区内沿构造单元规律沉积,其中中上元古界热储(蓟县—长城系)以容城凸起、牛驼镇凸起、献县凸起等地分布广泛,潜力巨大。容城凸起位于冀中台陷中部,北北东向分布,是雄安新区地热资源赋存条件最好的地区之一。以往的勘查和开发利用的层位主要是1 800 m以浅的蓟县系上部岩溶热储层,探测地热开发的第二空间是雄安新区清洁能源勘查的目的之一,本文以进入高于庄组热储的D16地热勘探孔为依托,通过抽水试验、岩心测试分析研究高于庄热储岩溶热储的热储特征、主要参数等。

鄂尔多斯周缘地质构造对地热资源形成的控制作用

地热资源是一种宝贵的清洁矿产资源,属于新能源家族中重要成员之一。地热资源的形成严格受地质构造控制。随着我国能源勘探工作重点西移,在鄂尔多斯盆地特别是在其周缘断陷盆地中发现了储量丰富的中-低温地热资源,但是,对其形成机理与属性研究却明显不足,在一定程度上制约了该地区地热资源的广泛利用。本文在总结研究鄂尔多斯及其周缘断陷盆地地质构造特征的基础上,系统全面地总结了地质构造和地热研究成果,定性分析了大地热流、地温梯度和地温场分布与地质构造的关系。研究认为,鄂尔多斯块体是一个相对完整、断裂不发育的构造单元,块体内大地热流、地温梯度整体偏低。然而鄂尔多斯块体周缘构造边界带则呈现出环状高值异常,带内热流值、地温梯度都比块体内部高。说明鄂尔多斯周缘地质构造控制着地热资源的形成。

中国北方地区地下水资源的合理开发利用与保护

我国是世界上水资源严重短缺的国家之一,尤其在我国的华北和西北地区,水资源的短缺严重制约了该地区经济的可持续发展。在简要说明我国地下水资源数量、分布与特征的前提下,提出地下水资源开发利用与保护并重实现地下水资源可持续利用、改变农业结构实施节水灌溉是保障华北平原地下水可持续利用的根本、生态建设与地下水利用和保护并重等战略措施,确保地下水资源可持续利用。

我国陆区地壳生热率分布与壳幔热流特征研究

壳幔热流配分代表了一个地区的深部热量来源与最基础的地热背景,为区域地热资源的形成提供了重要的约束条件.本文依托CRUST1.0模型与地质资料,将中国陆区在平面上划分为19个构造区,在垂向上将这些区域从第四系沉积物至上地幔的地层划分为8个圈层,确定了这些圈层的分布范围和厚度.在全国范围内实测放射性生热率数据664组,收集地壳放射性生热率及U、Th、K元素含量数据约1000组,系统地完成了上述区域各圈层的放射性生热率填图,统计得出我国陆区上、中、下地壳生热率的平均值分别为1.31μW·m^(-3)、0.57μW·m^(-3)与0.22μW·m^(-3).在此基础上,结合最新的全国大地热流测量数据(1503组)完成了我国陆区地壳-地幔热流分布的研究.研究结果表明,我国陆区qc/qm>1的面积占80.1%、qc/qm>1.2的面积占65.8%.除我国东部、中部的一些盆地之外,在我国陆区大部分地区,地壳均为大地热流的最主要热源.地壳各圈层中,基底层至中地壳为地壳的主要的产热区域,贡献了平均约50%的大地热流值.本文以面积加权计算得我国陆区地壳热流平均值为39.1 mW·m^(-2),其中青藏高原最高、东南沿海次之,两者分别得益于较大的地壳厚度与较高的基岩地层生热率.我国陆区地幔热流平均值为29.7 mW·m^(-2),与全球地幔热流平均值接近,其中东部沿海地区、环鄂尔多斯地区、藏滇地热带分布区较高.地壳热流、地幔热流的高值区与我国的主要地热资源分布区均具有较好的一致性.

国内外地热能开发利用现状及前景分析

截止 1992年底 ,世界上约 70个国家赋存着可供商业利用的地热资源 ,地热能发电总装机容量达 6 2 75MW ,地热能的非电利用即直接利用的总热力容量为 11385MW ,由于环境、资金及地热资源的固有特征的限制 ,1986年之后 ,世界范围内地热资源开发强度下降。