深层地热井考虑水泥环损伤的套管预热应力设计

深层地热资源相较于传统地热资源具有更大的开发潜力,但由于深层地热井井底温度更高,在开发开采中高温流体使套管受热膨胀,易引起套管屈服变形损坏。而目前对于深层地热井套管安全问题在理论研究和技术实践上均面临着诸多挑战。为此,根据厚壁圆筒理论和热弹性力学基本理论,利用对套管预先施加热应力降低套管的轴向热应力,考虑高温水泥石损伤后地层-水泥环-套管的接触问题,并以套管有效应力控制在相应温度下的最小屈服极限内为原则,根据套管柱强度设计安全系数,评价套管安全性能,建立深层地热井套管预热应力设计方法,缓解高温对套管热损伤的问题。结果表明,水泥浆的密度对损伤因子影响不大,水泥环的弹性模量对损伤因子起主导作用。在预热情况下,注水条件下(注水温度为65℃)在预热250℃以下能够满足设计条件,在地热生产条件下(地热温度为346℃),需要超过200℃才能够满足安全设计要求。

基于综合物探的济阳坳陷潜山型干热岩靶区优选

济阳坳陷蕴藏着丰富的地热资源,开展深层干热岩的系统评价对于坳陷地热资源综合利用具有重要意义。本文利用收集的1∶20万重力数据38870 km^(2)、1∶5万航磁数据26630 km^(2)和胜利油田以往实施的钻井、地震勘探资料,采用Parker-Oldenburg反演迭代算法、重力-地震联合剥层方法、重磁正反演等方法,开展莫霍面、居里面、壳断裂-岩石圈断裂、基底构造和基底岩性等地热地球物理研究。通过实施大地电磁测深剖面116 km,验证了壳幔过渡带熔融体发育特征。从居里面深度、莫霍面深度、地温梯度、热储层岩性、盖层厚度、潜山规模6个方面评价优选了5处干热岩靶区。济阳坳陷具“壳幔生热、构造控热、潜山储热、盖层保温”四位一体地热成因特征,是以“传导型干热-水热共存、对流型水热补充”为主要特征的盆地复合型地热系统,潜山型干热岩靶区具有进一步勘探和开发的前景。

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。

干热岩压裂储层布井方式优选数值模拟

增强型地热系统(EGS)是从干热岩储层中提取热能的重要手段,而布井方式是影响其采热效果的关键因素,目前开展的布井方式研究较少考虑压裂储层开采模型的影响。建立了干热岩压裂储层采热的数值模型,通过不同位置的基质岩体温度下降幅度、热提取率、采出温度和采热功率对比分析了4种不同的布井方式对EGS采热性能的影响。结果表明:相较于直井,水平井的流体热交换的面积更大,能充分开发裂缝间的热量。在生产30 a时,考虑水力压裂裂缝连通的情况下,水平井一注两采模型的采热效率最高,其在垂直于井方向上温度波及范围约690 m,基质岩体平均温度下降38.09 K,热提取率为24.42%,采热功率为3.5 MW。研究成果为提高地热系统产热量、实现干热岩高效可持续开发提供了理论参考。

海域地震动强度包络模型研究

人工模拟地震动是目前开展海洋工程结构抗震分析的主要地震输入分析。强度包络函数是人工模拟地震动的重要参数,决定了地震动的强度非平稳性特性,并对地震动持时起控制作用。目前的地震动强度包络模型均是基于陆域地震动记录统计分析得出,无法准确反应海域地震动的强度特性。因此,基于日本K-Net强震动观测台网的实测地震数据库,分析海域地震动在时域中强度分布特性;提出适用于海域地震动的三段式强度包络模型,回归得到震级M、震中距R及关键参数上升段t_(1)、强震平稳段ts、下降段衰减率c(无量纲)的计算表达式;研究震级、震中距对海域地震动强度包络模型的影响规律,并探讨海域地震动与陆域地震动强度包络模型的异同。研究结果表明:海域地震动强度包络模型中关键参数上升段t_(1)、强震平稳段ts、下降段衰减率c的取值范围分别为[13~52 s],[12~79 s],[0.037~0.173];震级对关键参数(t_(1)、t_(s)、c)的影响要大于震中距;与陆域地震动相比,海域地震动的强度包络模型的下降段衰减率c相差显著,且各关键参数的分布范围更大。

枯竭油气藏储集库储热供暖耦合CO_(2)封存性能分析

利用枯竭油气藏储存热能并封存CO_(2),既可解决太阳能跨季节储热难题,又可扩大可再生能源供暖占比,同时还可提高CO_(2)地质封存的经济性。提出了枯竭油气藏储热供暖耦合CO_(2)封存的新方案,以CO_(2)作为循环工质,夏季吸收太阳热量储存于油气藏背斜构造中,而冬季取出供暖,建立了储释能过程的数学模型,重点分析了枯竭油气藏储能系统热工性能和CO_(2)封存性能。结果表明:(1)新方案储能系统热工性能优异。单井平均采热功率4808.95 kW,每个采暖季可有效利用的平均储热量49859.21 GJ,平均能量储存密度28984.23 kJ/m^(3)。(2)CO_(2)密度对温度敏感的特性降低了热损失,提高了系统效率。枯竭油气藏储能系统平均能量回收效率95.84%,平均热回收效率83.66%。(3)储能加速了CO_(2)溶解。储释能过程中周期性的注入和采出工作气导致气液界面反复膨胀收缩,增加了气水接触面积,提高了传质动力,加速了CO_(2)在水中的溶解。对比储能模式和仅CO_(2)封存模式,CO_(2)溶解比例增量由0.26%上升至2.22%。枯竭油气藏储热供暖耦合CO_(2)封存新方案既有优异的热工性能,又加速了CO_(2)的地质封存,是一种高值化的枯竭油气藏利用和可再生能源供暖方案,具有大规模推广应用的潜力。

渤海湾盆地内黄隆起东斜坡奥陶系岩溶热储地热资源评价

渤海湾盆地内黄隆起东斜坡断裂构造发育,地热资源丰富,其奥陶系优质岩溶热储分布与城市供暖匹配良好,开展研究区地热资源精细评价对本区岩溶热储的整体开发具有指导意义。本文基于前人研究成果,综合钻井数据与物探等资料,开展岩溶热储空间展布、地温、物性和水化学方面的研究,建立地热田形成的概念模型,并精细评价地热资源量。结果表明,研究区奥陶系岩溶热储平面上分带,呈北东向展布,热储顶面埋深为800~3000 m,具有核部浅、两侧翼部深的特点;纵向上分层,单井含水层为19~43层,累计含水层厚度26.3~137.2 m,主要分布于奥陶系下马家沟组、上马家沟组和峰峰组,其中峰峰组为主力产水层。热储平均孔隙度为3.52%~15.45%,井口水温48~75℃,单井水量55~160 m~3/h,水化学类型为SO_(4)·Cl-Ca·Na型,矿化度1830~3560 mg/L。利用热储体积法平面上将研究区分为4个评价单元,垂向上分为5个层段,评价出南乐—濮阳段地热资源总量321亿GJ,可采资源量48.2亿GJ,折合标煤1.65亿t,年可采资源量可满足供暖面积5794万m^(2),是目前已开发面积393万m^(2)的近15倍,开发潜力巨大。

松辽盆地南部大情字井区青山口组地热水化学特征及成因模式

位于长岭凹陷鞍部的大情字井地区水热型地热资源丰富,其中储层温度较高、岩性好、含水量高的青山口组是最佳热储层,因此,阐明地热水的成因模式对于该区地热资源的可持续开发利用具有重要意义。通过青山口组7口井地热水样的水化学测试,结合收集的8组氢氧同位素数据,研究了目标区地热水的来源及混合过程,并分析了成因模式。结果表明,青山口组地热水主要为部分平衡的Cl^(-)Na型流体,补给来源为长白山地区的大气降水和原生沉积水,补给高程为2347~2370 m;通过2210~3470 m的循环吸热过程形成现今温度为81.25~112.80℃的地热流体存储于半开放体系的青山口组碎屑岩储层中。另外,研究区NE、NW向2组断裂系统是地热流体循环的主要导水通道,地热流体在深循环过程中与围岩矿物发生水岩反应,碳酸盐岩及硅酸盐矿物的溶解,形成了以Na^(+)、Cl^(-)和HCO^(-)3离子为主的地热水资源。

基于自然伽马测井的莺歌海盆地中央凹陷地层生热率及岩石圈热结构研究

【目的】岩石圈热结构对探索盆地热演化的动力学过程、地热资源评价和开发利用具有重要意义。由于莺歌海盆地生热率数据的匮乏,限制了岩石圈热结构的研究。【方法】利用莺歌海盆地23口钻井的自然伽马测井数据,通过GR(自然伽马值)-A(岩石放射性生热率)经验公式,计算莺歌海盆地中央凹陷的地层生热率;依托OBS地壳速度结构模型建立地层生热率参数柱,计算壳幔热流及其比值、莫霍面温度和热岩石圈厚度,获取岩石圈热结构。【结果和结论】结果表明:莺歌海盆地中央凹陷地壳热流为19.2~27.1 mW/m^(2),平均值为(23.5±2.8) mW/m^(2),地幔热流为49.2~57.2 mW/m^(2),平均值为(52.8±2.8) mW/m^(2);莫霍面温度为613~707℃,平均温度为(671±31)℃;热岩石圈厚度为61.23~64.89 km,平均厚度为(63.58±1.35) km;壳幔热流配比为0.45±0.08,岩石圈热结构表现出“冷壳热幔”的特征,反映出莺歌海盆地中央凹陷的热状态受深部热源的影响。研究成果不仅为该地区地热资源的进一步勘探和开发提供了科学依据,还为盆地的地球动力学研究提供重要参考。

渤海湾盆地干热岩开发利用前景评估——基于开采优化数值模拟的认识

渤海湾盆地的大地热流高,5000 m埋深地层平均温度为175℃,热储岩性以低孔低渗的变质岩、火成岩为主,具备形成干热岩资源的条件。基于大地热流、岩石热导率、生热率等热参数,利用COMSOL软件建立三维水热耦合的干热岩开采模型、分析不同井间距、注采速率、布井方式等差异开采方案下在100 a内对热储层温度的影响随开发时间的变化,选取最优方案并估算干热岩资源。结果表明:注采速率一定时,随着开采时间的增加,开采井水温度下降速率与井间距成反比;当注采井间距一定时,注采速率越大,开采井水温度下降越快,发生“热突破”的时间越早;其他条件相同的情况下,“两采两注”布井方案比“一采一注”布井方案获得的热量更多,开采效率更高。基于上述认识,确定研究区最优开采方案为:年限50 a、井间距400 m、注采量90 m^(3)/h、“两采两注”方式。此方案下,可获得开采井水平均温度为172℃,对应全渤海湾盆地可采资源量为3.28×10^(19)J/a。以河北任丘市为例,按照民用住宅热负荷指标100 W/m^(2)计算,利用最优方案进行干热岩的开采,仅需157.75 km^(2)干热岩有利区即可满足全市居民供暖需求。因此,开发利用研究区干热岩资源,可增强华北地区能源供应保障能力,打造可持续发展的绿色低碳能源体系。

华北克拉通东北缘改造:来自吉林辉南地区构造热事件的古地磁记录

华北克拉通东北缘处于构造运动活跃地区,古地磁研究可为构造演化和岩浆热事件提供依据。笔者在吉林辉南地区中寒武统32个采点共采集246块样品进行了岩石学、岩石磁学及系统热退磁实验。古地磁实验表明,徐庄组砂质泥岩主要磁性矿物是赤铁矿和磁铁矿,张夏组灰岩主要磁性矿物是颗粒较小的磁铁矿和黄铁矿,且均发生了重磁化,并记录了稳定的中温分量,前者中温分量地理坐标平均方向为D/I=10.9°/50.8°,α_(95)=11.7°,对应的极位置为76°N,264.6°E,A_(95)=13°,与早白垩世岩浆活动记录的古地磁极位置一致;后者中温分量地理坐标平均方向为D/I=29.1°/59.0°,α_(95)=6.5°,对应的极位置为68°N,213.7°E,A_(95)=8.4°,与第四纪火山岩记录的古地磁极位置一致。综合区域地质背景分析,早白垩世—第四纪,吉林辉南及邻区古地磁记录的2次较为强烈的构造热事件,以及因敦化-密山断裂带左旋走滑运动造成的北向运移形成的古纬度差,一定程度上对华北克拉通东北缘起到双重改造作用。

鲁西北平原砂岩热储地热地质特征及成因模式

为了分析鲁西北平原砂岩热储地热地质特征及成因模式,笔者采用资料收集和实验测试相结合的方法对热储层、地温场、水化学和水位动态变化特征进行研究。结果表明,鲁西北平原砂岩热储类型为新近纪馆陶组和古近纪东营组热储,热储层顶板埋深及地层厚度最大值区域均位于聊城临邑县。热储地温梯度普遍低于3.4℃/100 m,但平原县凸起区地温梯度大于4.0℃/100 m。地热水化学类型以Cl-Na型为主,表现出Na+、K+及Cl-富集的特点。地热水温度为54.4~85.9℃,聊城市临清地区热储温度较高。砂岩热储地热水与深层地下水之间水力联系较小,地热水位变化主要受人工采灌的影响。

章丘北部地区地热流体水文地球化学特征及成因

济南市章丘北部地区发育有厚度巨大的晚古生代至新生代沉积地层,断裂构造和岩浆岩也较为发育,区内地热资源丰富,目前有地热井3口,均位于断裂带附近。文章利用水化学和同位素数据,分析区内地热流体的水化学特征、水−岩作用过程、补给来源、形成年龄,估算补给区高程、热储温度、热水循环深度。结果表明:研究区地热流体水化学类型为Cl·SO_(4)-Na·Ca型或SO_(4)·Cl-Ca·Na型;水化学组分主要来源于水-岩溶解作用,且具有相似的水文地球化学过程;大气降水补给,补给区高程为+563~+616 m,14C表观年龄在5.55~29.71 ka之间,均是现代水与古水的混合水;利用玉髓温标计算的热储温度为41.9~52.4℃,相应循环深度为622~1565 m;研究区为深循环-弱开放型岩溶热储,其地热水经深循环加热而形成,形成和富集受断裂构造控制明显,其为层状兼带状热储,属中低温地热资源。

依兰-伊通断裂温泉带地球化学特征及地震活动性研究

通过对依兰―伊通断裂上神农温泉、鳖龙温泉、乔屯温泉等8个地下2000 m左右的温泉点进行研究,分析温泉水水质类型、补给来源、水-岩石平衡状态及循环深度,讨论温泉水深循环对地震活动性的影响。同时,对该断裂附近的温泉水进行化验,分析地下温泉水Na^(+)、HCO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)、Cl^(-)等离子的含量及变化,探讨与断裂带附近的地震活动之间的关系。得出初步研究结论:研究区内温泉水化学分析数据差异较大,北东方向的温泉TDS和阴阳离子浓度较高,向南西逐渐递减;近年来,温泉温度呈递减趋势,地震活动较少;研究区内TDS含量、主要离子含量等指标呈现空间分布特征,在空间分布上受活动构造控制较明显。

纳米流体地热循环换热实验研究

提升换热介质的换热性能是高效开采地热资源的有效手段之一。添加纳米级金属氧化物可有效提升流体的换热能力,而纳米颗粒种类、质量分数、粒径、分散剂质量分数等物性参数以及流速对纳米流体换热性能具有重要影响。采用球形纳米CuO和Al_(2)O_(3)(粒径20~50 nm)作为换热介质,十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为分散剂配制纳米流体,利用自主搭建的纳米流体基础换热实验装置进行室内换热实验,优选纳米流体参数。此外,通过自主搭建循环流动换热实验装置,以湖北英山某水热型地热井中地热水作为热源,讨论了在现场实际热源边界条件下,流速对纳米流体和去离子水的换热性能影响规律。结果表明:(1)CuO纳米流体换热性能优于Al_(2)O_(3)纳米流体;(2)纳米流体的换热性能与纳米颗粒质量分数呈负相关关系,CuO质量分数为1%时纳米流体升温效率最高,在150 s内温度可由25℃上升到79.2℃,同时间内比去离子水高4.1℃,同时,随着纳米颗粒质量分数的增加,纳米流体与热源界面的润湿性减小;(3)纳米流体换热性能随着纳米颗粒粒径增加呈现先增加后减小的趋势,在纳米颗粒粒径为40 nm时纳米流体换热性能最佳;(4)纳米流体的换热性能与分散剂质量分数呈负相关关系,当分散剂质量分数为1%时换热性能最佳;(5)层流状态下纳米流体的换热性能与流速呈负相关关系;在湍流状态下纳米颗粒运动状态逐渐剧烈,有利于纳米流体传热。研究成果可为纳米流体应用于地热换热从而提升地热系统的换热效率提供依据,并为纳米流体参数以及流速参数的选择提供理论依据。

水化学和同位素揭示的广东儒洞地热咸水形成机制

地热咸水的形成机制是开发地热资源的重要参考,地热咸水中的化学组分可以揭示经历的水化学作用,同位素的示踪可以指示地下水的来源和水化学过程。因此,选用水化学和同位素来揭示广东儒洞地热咸水的来源和形成机制。研究表明,广东儒洞地热田发育高盐度地热水(TDS>8000 mg/L),Cl^(-)和Ca^(2+)的含量分别高达5059.76 mg/L和1991.42 mg/L,为Cl^(-)Ca·Na型水。K-Mg温标和玉髓温标估算热储温度88.13~121.42℃,循环深度1963~2790 m。水文地质条件和氢氧同位素结果证实,地热水来自于东部丘陵地区的大气降水补给,补给高程为260~315 m。通过离子比例系数和^(87)Sr/^(86)Sr分析,儒洞地热田地下水运移的环境较封闭,高温下发生了较充分的花岗岩矿物的溶解,同时围岩中蒸发成因盐岩的溶解提供了主要水化学组分,海水入侵的可能性较小,地热咸水和围岩存在一定的阳离子交换作用。因此,围岩中的蒸发成因盐岩的溶解和花岗岩矿物的溶解是地热咸水化学成分形成的主因。

开封地区砂岩孔隙热储回灌化学堵塞数值模拟研究

以开封圳宇花园的地热开发过程为研究对象,利用TOUGHREACT程序构建三维砂岩孔隙热储层的温度场-化学场-渗流场多场耦合模型,并对主要影响因素进行敏感性分析,探究地热回灌过程对热储层化学堵塞过程的影响。热储层中方解石、石英、伊利石、钙-蒙脱石、二氧化硅矿物沉淀,钾长石、钠长石和白云石矿物溶解,其中方解石矿物为主要沉淀矿物,堵塞回灌井热储层,导致孔隙度降低约10%。回灌过程中回灌水注入流速、温度、井间距的改变影响地热水回灌过程中方解石沉淀,从而导致热储层孔隙度变化。

红河断裂对莺歌海盆地地热系统的控制作用

基于莺歌海盆地地热背景,从地热系统的水源、流体通道、热储和盖层4个方面系统地去评价红河断裂对其的控热作用。研究结果表明,通过水样、气样分析,断裂构造在地热水循环中起到重要的控制作用;红河断裂的差异变形显著影响裂隙型热液热储的平面分布范围和纵向发育深度的异质性;莺歌海盆地地热系统是以地幔热物质作为主要热源,红河断裂带和盆地内中央凹陷底辟带为主要通道,裂隙型热液热储和上部大面积水道、海底扇、三角洲等储集体为主要热储,莺歌海组巨厚泥岩为主要盖层。

地热水回灌耦合CO_(2)地质封存系统安全性分析

在圈闭良好的水热型地热储层,开展CO_(2)随回灌水同时注入储层的研究,既具有经济效益又具有碳封存的环境效益。建立了3D储层模型,对不同井距、地层倾角、筛管位置和采灌速率下CO_(2)突破时间以及富含CO_(2)的盐水在储层中的运移情况进行了研究。结果表明:(1)在采灌速率为20 kg/s,20 a运行时间内井距为1200 m时CO_(2)未突破;(2)在倾斜地层中,当回灌井位于开采井下游时,随地层倾角增加,CO_(2)突破时间延长,沿地层下倾方向碳酸水运移距离增大;(3)综合考虑筛管位置对突破时间和突破后开采井中CO_(2)质量分数的影响,回灌井筛管位于储层上部30 m、开采井筛管位于储层下部30 m时,有利于CO_(2)地质封存的安全性和有效性;(4)采灌速率对CO_(2)突破时间影响较大,当采灌速率为12 kg/s时,CO_(2)未突破;当采灌速率增加到28 kg/s时,突破时间缩短到11.8 a。因此,在实际工程应用中可以通过对操作参数和地层固有特性的研究延缓CO_(2)突破,提高CO_(2)地质封存安全性。

基于Landsat8的凤永高速地表温度反演

在隧道建设过程中,高地温热害会影响机械设备效率和施工进度,还会恶化作业环境、对人员安全造成威胁,因此,精准识别地热异常区对隧道建设非常重要。热红外遥感是用遥感的方法探测地球表面的温度,以此为基础利用遥感技术反演地表温度愈发可靠。以云南省凤永高速凤庆-领岗地隧道为研究区域,采用Landsat8影像数据,运用大气校正法对研究区进行地表温度反演,再利用DEM数据制作地形坡向文件,按阳坡、阴坡分布提取地表温度,结合地质构造对地表温度异常进行分析,圈定地热异常区。