水热型地热系统水文地球化学研究进展

水热型地热系统是指以水或蒸汽为主要热储介质和热传导介质的地热系统,作为主要的地热资源类型,具有重要科学研究和开发利用价值。综述水热型地热系统的水文地球化学研究方法和进展,主要包括以下几个方面:水化学研究方法,介绍传统水文地球化学方法、多元统计分析方法和机器学习的非线性分析方法,以及不同方法的特点;同位素技术,概述常用的同位素技术在水热系统中的用途和应用实例,以及近期在地热研究中出现的同位素指标;地热温度计,介绍传统地球化学温标温度计、多组分地热温度计和基于活度理论的地热温度计,对比它们的适用条件和优缺点,旨在为水热型地热系统的地球化学研究提供一个基础性的参考框架。未来应该加强水化学特征分析方法的优化和标准化、同位素技术精度的提高、地热温度计的适用性和可靠性评估等方面,以实现水文地球化学方法在水热型地热资源勘查中的高效应用。

我国主要水热型地热系统形成机制与成因模式

我国地处环太平洋地热带与地中海-喜马拉雅地热带的交汇部位,且中、新生代沉积盆地发育,地热资源丰富。近年来,我国地热开发利用蓬勃发展,但由于没有进行整体性的地热系统分析,缺乏因地制宜的不同地区地热勘查开发方案,各地地热资源勘查开发工作存在一定的混乱现象。本文从系统论观点出发,提出了我国地热资源"同源共生-壳幔生热-构造聚热"的成因理论,并以我国主要水热型地热系统为例,建立了水热系统分析的系统论观点,将我国主要水热系统划分为沉积盆地古潜山型复合水热系统、沉积盆地深坳陷层控型水热系统、断陷盆地地压型水热系统、陆陆碰撞板缘型水热系统、板缘俯冲带热控构造型水热系统、隆起山地深循环型水热系统以及近代火山型水热系统等七种类型,并系统分析了典型水热系统的运移条件、热源机制,归纳阐述了不同类型的水热系统的成因模式,进一步完善了我国地热资源研究的基础理论和方法,为区域地热资源勘查开发提供了理论依据,对于进一步推进我国地热资源的科学开发利用具有一定的指导意义。

水热型地热系统在建筑供暖中的设计及影响因素分析

通过介绍中深层水热型地热系统在建筑供暖中的设计和应用,总结了地热系统、换热系统、水源热泵系统中影响地热资源利用、系统效能及可持续性的主要因素,并结合实际项目案例对先后两期工程的设计和应用进行数据对比,分析其中问题并提出解决措施,从地热能利用率、系统综合制热系数、单位地热水量供热能力3个指标对水热型地热系统进行综合评价,并提出应考虑满负荷运行和部分负荷运行时按不同原则进行设计。

增强型地热系统:潜力大、开发难

文中讨论了为什么要开发干热岩地热资源？什么是干热岩系统和增强型地热系统？中国干热岩系统的潜力,如何发展中国的EGS以及我们可供考虑的建议。随着常规能源的不断消耗,可再生能源日益受到人类的青睐。在可再生能源中,地热能的容量最大,地热发电提供的是基本负荷,但是由于诸多因素,开发滞后。尤其是对潜力大、开发难的增强型地热系统,中国更是从研究到开发,都刚刚起步。如果地热发电的规模要超过风能及太阳能等其他新能源,不能仅靠水热型地热系统的开发利用,而必须重视和利用干热岩资源,大力研发增强型地热系统。中国干热岩系统的潜势如何呢？中国科学院地质地球物理研究所利用921个大地热流数据编制了《中国大陆地区新版热流图》以及3~10km深处不同深度温度分布图,计算了不同深度干热岩地热资源量,总数为2.09×107 EJ;其中主要分布在青藏高原,占全国总资源量的五分之一。作者们认为,干热岩资源的开发和增强型地热系统的建立是一个系统工程,地热资源的开发是一项风险投资,亚经济型的EGS风险更甚。国家必须统一安排和投资。工程项目必须学习国外的经验和吸取开发的教训。要选择关键地区进行试验和研究。作者们建议可考虑选择羊八井地热田的北部作为试验地区。

增强型地热系统数值模拟研究进展

作为地热领域最有潜力的发展方向之一,增强型(或工程型)地热系统(EGS)的研究受到发达国家的高度重视,但在我国还处于萌芽状态。通过介绍EGS含义及发展,结合EGS数值模拟软件应具备的特点,对目前已经用于和可以用于EGS数值模拟的HDR和水热型地热系统中的典型求解器进行综述,总结其优缺点,讨论目前EGS数值模拟面临的挑战。

基于变维度贝叶斯反演的地热黏土盖层音频大地电磁探测能力研究

在地热探测中,黏土盖层作为水热型地热系统的典型标志,其埋藏深度及分布范围可为圈定地热资源的范围及确定地热钻井位置提供重要依据。黏土盖层通常由水热作用所形成的黏土层所构成,表现为低阻特征,利用音频大地电磁法可以对低阻盖层有效成像。为了获得黏土盖层位置分布及成像结果的不确定性信息,采用一维变维度贝叶斯反演方法,利用音频大地电磁数据对地热区低阻盖层的探测能力进行研究。首先进行模型试验,建立一个典型地热系统的地电模型,利用一维变维度贝叶斯算法对合成数据进行反演,获得地下电性结构和界面位置不确定性信息。接着将其应用于山西阳高地热区一条实测音频大地电磁数据处理。模型试验发现该方法对低阻黏土盖层具有较为准确的识别能力,所获得的低阻盖层上、下界面不确定分析的结果也较为可靠。实测数据试验发现,该方法对浅层低阻盖层具有较好的识别能力,并可以给出盖层界面位置的不确定性评价。该测线的二维非线性共轭梯度反演结果验证了一维贝叶斯反演的可靠性。该方法对浅层地热黏土盖层具有较准确的成像能力和不确定性分析能力,在地热探测中具有较强的应用前景。

传统水化学地热温度计的适用性分析

水化学地热温度计是估算水热型地热系统热储温度的一种重要手段,为了厘清传统水化学地热温度计的局限性和有效性,此次将对水化学地热温度计展开全面分析。结果表明:部分水化学平衡体系受区域地质条件的影响,致使对应的水化学地热温度计(Na-Li地热温度计、Li-Mg地热温度计、Ca-Mg地热度计和SO_(4)-F地热温度计等)缺乏普适性,而Na-K-Ca地热温度计(β=1/3)可能受多种水化学因素的制约,在中低温地热系统中应谨慎使用;Na-K地热温度计、K-Mg地热温度计和SiO_(2)温度计更适用于水热型热储温度的计算,高温热储层(>200℃)中水岩相互作用强烈,Na-K地热温度计的计算结果相对准确,在估算中低温热储层温度时,K-Mg地热温度计和SiO_(2)温度计则更为合适,而在沉积盆地型地热系统,不建议使用水化学地热温度计直接估算地热水的平衡温度。除此之外,判识热储层的存在和地热水水岩平衡状态的分析是选取水化学地热温度计的前提条件,然而即使在水化学地热温度计的适用范围内,对水化学地热温度计计算结果的对比验证仍然必不可少;高温地热系统中地热水的混合过程可用于验证水化学地热温度计的准确性,而在中低温地热系统,随着水岩相互作用程度降低,水化学地热温度计估算结果的不确定性也随之增加,综合多种方法对热储温度值的分析验证就显得更为重要。此次研究可为合理选取水化学地热温度计提供一定的理论参考。

雄安新区容东片区地热资源赋存特征及潜力评价

雄安新区容东片区是新区规划建设的第一个安置区,具有较好的地热资源赋存潜力。查明该地区地热地质条件,准确评估其地热资源量,可为雄安新区地热资源的开发利用、能源结构转型提供理论支撑。本文综合分析深部地质结构、断裂分布、地温场与水化学场等,揭示了容东片区地热资源赋存特征和形成机理,采用采灌均衡法综合评价了蓟县系碳酸盐岩热储地热资源量。主要结论:(1)本区的主要热储层包括新近系明化镇组孔隙型砂岩热储、蓟县系雾迷山组及高于庄组碳酸盐岩热储、长城系碳酸盐岩热储;其中,蓟县系热储为地热勘查开发主要目标层段,其水温约为50℃,储厚比为20%~40%,储层最大孔隙度为11.3%。(2)西北部太行山地区大气降水是本区地热资源的补给水源,地下水沿断裂经深循环被深部热源加热,而后沿导水断裂带运移至凸起处强岩溶裂隙发育区,形成水热型地热系统。(3)容东片区蓟县系碳酸盐岩热储在采灌均衡条件下热储地热流体可开采量为1.33×10^(4)m^(3)/a,地热流体可开采热量为0.95×10^(15)J/a,折合标准煤3.23万吨/年。以上研究助力构建雄安新区清洁低碳、安全高效的能源体系。