济阳坳陷深层地热资源研究进展与下步展望

济阳坳陷地热资源分布范围广、资源潜力大,是胜利油区未来地热资源开发利用的重要方向。为科学、高效地开发利用济阳坳陷地热资源,系统梳理了关于济阳坳陷水热型和干热岩型地热资源的热储层、热盖层、热源等地热地质条件,分别计算了2类地热资源的资源量,揭示其地热资源潜力。研究结果表明,济阳坳陷水热型地热资源主要赋存在馆陶组、东营组及下古生界等,其中馆陶组为水热型地热资源潜力最大的层系,分布广、资源量大,是下步重点勘探开发利用层系。济阳坳陷属于“冷壳热幔型”沉积盆地,具有较高的大地热流值,干热岩型地热资源热储层主要为太古宇的岩浆岩和变质岩,深部地幔热流是其主要热源,热储层分布面积大,温度均较高,其资源丰度为渤海湾盆地中最高。济阳坳陷地热资源丰富,为加快其开发利用步伐,建议水热型地热资源要加强地热资源与油气的关系及资源分区评价2项关键工作;干热岩型地热资源的勘探开发仍处于起步探索阶段,今后需要重点加强其热储层类型的选择与热源机制2个方面的研究。

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。

苏北盆地建湖隆起沉积盆地型干热岩资源潜力评价

对苏北盆地建湖隆起的干热岩资源潜力进行评价,展示华东地区沉积盆地型干热岩资源的勘探前景。基于野外勘察、室内实验和数值模拟等多手段地质分析方法分析研究区干热岩地热地质条件,以4个区域地震地质剖面为基础,建立二维热传导数值模型,模拟分析深部地温分布,确定评价深度。应用基于体积法的蒙特卡罗模拟给出合理的资源量评价分析。该方法可充分考虑参数估计的不确定性。结果表明,建湖隆起3~10 km深度内干热岩资源的可采热资源量约为44.6亿t标煤,发电潜力为692 769.9 MWe,约为江苏省2022年全年用电量的49倍。

内蒙古中部干热岩地热资源成因机制研究

内蒙古中部地区处于板块结合部位,经历了多期构造活动和岩浆活动,浅层水热型地热资源丰富,但对其深部干热岩地热资源仍缺少深入研究。基于区域地质与构造背景、大地电磁探测结果与地热异常显示,系统探讨内蒙古中部地区干热岩地热资源成因机制与地球动力学过程,建立干热岩成因模式。研究表明:内蒙古中部地区深层干热岩型地热资源的热源主要为深部局部熔融体和残余高温岩浆囊,热流通道包括板块缝合带、区域深大断裂带及其交汇部位、次级断裂及塑性流变韧性剪切带等壳内薄弱层;干热岩储层主要为新生代基性侵入岩,即辉绿岩和辉长岩体,被高温岩浆和侵入体加热的花岗岩类也可作为研究区潜在干热岩储层;干热岩区域性盖层为白垩系、新近系和第四系沉积地层。西伯利亚板块与华北克拉通板块之间的大陆碰撞、拼合,形成易于破坏的碰撞带,晚中生代-新生代以来的古太平洋板块对华北板块的西向俯冲作用,导致岩石圈底部熔融,岩石圈伸展、减薄,地幔软流圈热物质上涌,并伴随强烈的新生代断裂与断陷活动,共同导致晚中生代-新生代岩浆、火山活动强烈。内蒙古中部地区存在3种聚热模式:Ⅰ.新生代辉绿岩、辉长岩储层高温干热岩系统,为研究区优势干热岩储层;Ⅱ.新生代以前花岗岩储层中高温干热岩系统,为潜力干热岩储层;Ⅲ.浅部碎屑岩、花岗岩或变质岩储层水热系统,为浅层水热型优势储层。内蒙古中部地区浅部高温水热型地热系统与深部干热岩地热系统存在同源共生关系,浅层高温异常区的圈定对于深部干热岩的发现具有重要的指示意义。

增强地热系统停止运行后温度恢复过程的数值模拟

在增强地热系统(EGS)运行过程中,干热岩(HDR)人工储层的温度会迅速下降,外界的热量补充速度远远跟不上系统热量提取的速度,同时也会对人工储层的流体压力产生巨大的影响,EGS停止运行以后人工储层温度和压力场会逐渐的恢复到初始状态。前人对干热岩开采过程中的温度场和流体压力场变化做了大量研究,但很少关注停止开采以后人工储层的温度恢复过程和流体压力场变化,而停止开采以后的温度场恢复过程对于新的地热井选址和废弃地热井的重新利用具有重要意义。利用数值模拟软件COMSOL Multiphysics建立双井EGS运行过程和停止运行之后两个阶段的二维热-孔隙流体耦合数值模型,模型考虑了放射性生热的贡献和不同热导率的影响。研究表明:在EGS运行期间,热对流是热量交换的主要方式,人工储层温度下降过程很快,19 a后EGS已经到达运行寿命,68 a后HDR人工储层已经失去开采价值。而地热开采停止以后,人工储层温度的自然恢复过程长达万年,热传导是主要的热量传递和温度恢复方式,热导率越高,人工储层温度恢复越快。

共和盆地深部构造格架及其对干热岩热源的影响

干热型地热资源作为一种新型的地热资源形式,是一种发展前景广阔的新型清洁能源。青海省共和盆地位于青藏高原东北缘,区域地质活动丰富,为干热岩的形成创造了良好的条件。因此,研究共和盆地构造格架与干热岩成热模式,对地热资源勘探具有重要意义。笔者基于重力异常归一化总水平导数垂向导数技术(NVDR-THDR)和重磁异常融合方法划分了共和盆地的断裂构造格架,共识别深大断裂20条,有9条是前人未识别断裂。其中,F1-15推断断裂作为共和盆地东西分界断裂,对共和盆地干热岩成因具有重要意义。基于超低频大地电磁测深剖面及重力异常归一化总梯度的反演结果显示,共和盆地地幔物质向上运移并加热和侵蚀岩石圈底部,导致岩石圈底部发生熔融减薄。盆地东部和西部均存在自青海南山及贵南南山向盆地的逆冲推覆构造,但深部地质结构存在明显差异。盆地西部地质体挤压变形程度强于盆地东部,西部盆地深部地质体密度结构呈“八”字型特征,表现为压陷盆地的特征,断裂发育较少;而东部盆地大量发育深大断裂,为深部的热源物质和热量提供了传输通道。因此,认为共和盆地干热岩热源以地幔热流传导供热和壳内部分熔融层供热为主,放射性元素衰变生热为辅,盆地东部相较于西部更具备干热岩成藏条件。

青海共和盆地干热岩注采大尺度物理模拟实验

基于自主研制的真三轴多物理场原位注采大型物理模拟实验系统,开展了青海共和干热岩多井长期注采物理模拟实验。通过多井连通性实验获得了岩样内部天然裂缝系统的空间分布特征以及各裂缝与井筒的连通情况,在此基础上选择注入井和生产井,开展了一注两采和一注一采实验,系统分析了生产井的开采流量、开采温度、采热速率和流体采收率随持续注采的变化规律。结果表明:在热冲击、注入压力联合作用下,裂缝导流能力增强,生产井开采温度表现为下降趋势,且流量越大下降越快;当裂缝局部闭合区域逐渐激活,产生新的换热面积,开采温度升高或下降速率降低;采热速率主要由开采流量、注入和采出流体的温度差控制,当滤失通道导流能力增强,生产井流体采收率快速下降;优势通道和换热流体滤失对采热性能的影响机制有所区别,前者限制换热面积,后者影响采出流体流量,二者都是影响干热岩长期高效开发的重要因素。

裂隙储层非均质性对干热岩热提取的影响研究

热提取是影响干热岩开发的关键问题,裂隙储层激发后的非均质性对热提取影响显著。为此,通过数值模拟研究了不同裂隙数量、渗透率各向同性与各向异性、不同地温梯度对干热岩热提取的影响规律。模拟结果表明:裂隙数量的差异会影响热提取介质在裂隙中的流动速度和压力,进而影响热提取率。裂隙数量从50增加至100时,测点处的最低温度由284K增加到288K,温度降低量减少4K;裂隙数量从100增加至200时,测点处的最低温度由288K增加到290K,温度降低量减少2K。储层渗透率的各向异性对热提取影响明显,在裂隙数相同条件下,渗透率各向异性比渗透率各向同性早到达温度的稳定值。在裂缝数分别为50、100、200时,各向异性的模型储层温度比渗透率各向同性的模型分别早10年、9年、7年到达温度的稳定值。在一定的地温梯度范围内,较高的地温梯度有利于热提取。在相同的裂缝数量和热提取时间下,储层地温梯度越大,测点处温度变化速率越高。

热湿循环作用下节理砂岩重复剪切力学特性及本构模型

乌东德、白鹤滩等大型水库处于金沙江典型干热河谷内,其岸坡消落带岩土体除经受库水位每年大幅升降以及汛期小幅频繁变化的影响外,还包括干热河谷高温低湿气候条件以及区域高频地震和水库地震的影响。为研究干热河谷地区消落带节理岩体的损伤劣化特性,在前期水-岩作用的研究基础上,以乌东德库区典型岸坡节理砂岩为研究对象,开展了热湿循环作用下节理砂岩重复剪切试验,分析了节理岩体的剪切力学特性劣化规律和劣化机理,并分段建立了考虑热湿循环作用损伤的节理砂岩剪切本构模型。研究表明:(1)在热湿循环以及重复剪切作用下,节理砂岩的抗剪强度、剪切刚度、剪切重点剪胀值和屈服点剪切位移均呈现“快-缓-稳”的劣化趋势,其中在前3个循环周期内劣化幅度显著,劣化占比近70%,3~8个循环周期内劣化速率放缓,8个循环周期后劣化速率趋稳;(2)相比于干湿循环,热湿循环对岩石孔隙度和纵波波速的影响更大,且岩石颗粒间的连接作用在较高温度的影响下更易遭受破坏;(3)根据剪切应力-剪切位移曲线特征,建立了以Goodman模型和Clough-Duncan双曲线模型分段修正描述的本构模型,模型曲线与试验结果能够较好吻合。研究成果及方法可为干热河谷水库岩质岸坡消落带稳定分析提供参考。

下辽河盆地干热岩资源勘探靶区研究

下辽河盆地特殊的构造位置使区内拥有高的大地热流值和较大的地温梯度,具有巨大的地热资源潜力.通过对下辽河盆地地温场、热流密度及潜山分布的研究,认为位于下辽河盆地西部凹陷斜坡带的高升-曙光-欢喜岭潜山带是寻找干热岩的有利靶区,并分析了下辽河盆地干热岩资源成因模式.

湖南省热水圩地热田干热岩形成的热源机制与成因模式

湖南省热水圩地热田90℃以上的高温温泉指示该地热田具备良好的地热地质条件,是潜在的干热岩勘查有利地段。为合理评价热水圩干热岩的储层温度与勘查开发前景,对汝城地区热水圩地热田的深部地质构造、地球化学和重磁电震地球物理特征、地温场特征等进行综合分析,自深至浅揭示热水圩地热田深部热结构,探讨干热岩形成的热源机制与地球动力学过程。结果表明:(1)利用SiO_(2)地热温标估算的热水圩地热田深部热储温度为79.4~143.9℃;(2)热水圩附近中棚岩体、鱼王岩体等花岗岩体平均生热率为7.07~8.44μW/m^(3),明显大于中国大陆主要地质构造单元的地壳平均生热率;(3)重磁特征反映出热水圩地区岩石圈厚度相对较薄,大地电磁与地震波速解释的区域内壳内高导低速体与深大断裂带相吻合,指示这些深大断裂有可能构成深部热物质上侵的通道。在此基础上,总结归纳了湖南省热水圩地热田干热岩的成因模式:太平洋板块俯冲与回撤,导致板块前缘形成强烈的热扰动,造成软流圈的隆起和幔源热物质的上侵,形成相对较高的幔源热源;生热率较高的花岗岩体与铀矿体放射性产热形成了良好的地壳热源;深大断裂构成深部热物质上侵的通道,同时为浅部干热岩的形成提供重要热源。有利的热源条件及沿深大断裂的深部热物质上侵,使湖南省东南部形成以热水圩周边岩体为代表的干热岩有利靶区。根据综合确定的地温梯度推算,热水圩地热田呈隐伏状态的、致密的、裂隙不发育的埋深在4000~6000 m的花岗岩体温度可达176.8~256.6℃,是良好的、近期可勘查开发的干热岩体。

基于体积法的宁波地区干热岩资源评价研究

宁波市是能源消费大市,化石能源比重高,低碳城市建设压力大。同时,宁波市位于浙东沿海的华南褶皱系,属莫霍面陡坡带,具有浙江省最高的大地热流背景值,深部干热岩资源潜力相对较大。本文系统梳理了宁波市深部热背景特征,建立了宁波市4~10 km深部温度场模型,在SURFER软件自动化运算的基础上,采用体积法计算出宁波地区10 km以浅温度大于150℃的干热岩资源量为2.35×10^(22)J,折合单位面积干热岩资源量略低于全国平均值,但高于浙江省平均值。按照干热岩资源可开发利用的下限2%计算,宁波市的干热岩资源可开发量相当于2019年全市能源消耗总量的389倍。其中,较为经济的开发深度(4~6 km)干热岩资源约占10.7%,主要分布于慈溪北部地区。本文研究成果可作为今后宁波地区乃至浙江地区进行干热岩勘探开发优先靶区。

青海共和盆地结构构造与能源资源潜力

共和盆地处于西秦岭、南祁连、东昆仑造山带结合部,其中发现了高温干热岩及多套烃源岩,但地热藏和油气藏的成因、资源潜力与分布规律尚不清楚,难以对其开展准确评价和有效勘探开发。本文在系统研究共和盆地及周缘地层发育、沉积充填、构造变形与盆地深部结构的基础上,深入探讨了盆地演化的动力学机制,分析了盆地地热藏和油气藏的成藏主控因素,预测了有利分布区带和勘探方向。多期活动的哇洪山—温泉、多禾茂、瓦里贡、塘格木右行走滑逆冲断裂与青海南山左行走滑逆冲断裂异向、同向相交(切),叠加地幔上涌作用,导致在中新生代共和盆地长期处于走滑-伸展的独特环境,并控制了盆地7个隆起、断陷构造单元的展布及属性。它经历了6期演化阶段:早中三叠世处于昆北弧前盆地及陆缘火山弧带,共和盆地基底主要岩石发育;晚三叠世阿尼玛卿洋闭合并发生碰撞造山,共和盆地褶皱基底形成;晚三叠纪末期发生碰撞后伸展,发育初始小型陆内裂谷盆地;在侏罗纪—白垩纪区域性伸展环境下形成局部断陷盆地;古近纪晚期—中新世发育拉分-断陷盆地;中新世末至今发育陆内前陆盆地。形成了3个大构造-沉积层序和8个亚层序,发育了深海陆棚相-碳酸盐岩台地相-火成岩相以及多旋回的冲积扇-河流相-滨浅湖相-半深湖相等陆相沉积层序,它们记录了共和盆地的叠合发育演化及多期改造过程,与古特斯阿尼玛卿洋俯冲、后撤式俯冲、碰撞后伸展的近程效应响应,与班公-怒江、雅鲁藏布江新特提斯洋打开、俯冲、闭合以及印度/欧亚大陆碰撞过程的远程效应响应。共和盆地构造-沉积演化特色造就了盆地较好的油气和地热的能源资源条件。盆地发育有中下侏罗统羊曲组、下白垩统万秀组、新近系咸水河组和临夏组等三套烃源岩,可形成上-中-下三套潜力油气勘探层系,需进一步开展地层精细对比、区带评价和圈闭落实工作。共和盆地深部5层结构构造特征及盆地形成动力学过程揭示了其具有丰富的地热能资源潜力。幔源上涌驱动导致地壳内各层向上扰动,叠加走滑伸展的盆地发育环境,形成短路径-多源增热模式。地幔上涌、中下地壳局部熔融体提供了区域热源、局部热源;陆缘弧和碰撞相关花岗岩类叠加多期次断裂、裂缝及热液活动起到“控热储及热传导”作用;上覆巨厚细粒沉积岩阻热扩散而形成“控热盖”,是中高温干热岩型地热藏主控因素,也为浅层水热型地热的生成奠基。研究成果可为存在局部高大地热流的陆内中小型盆地地热藏研究提供借鉴。

广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示

岩石圈热-流变结构研究是揭示岩石圈范围内热状态的有效手段,开展地热异常区的岩石圈热-流变结构研究可以对热源贡献进行有效约束。东南沿海地区是我国地热资源重要分布区,地表出露大量天然温泉,地热钻探揭露深部具有较高的地温梯度,然而关于其热源机制尚未有定论,且深部是否赋存干热岩资源亦不清楚。以广东惠州黄沙洞地热田为研究对象,分析岩石圈尺度温度分布和流变强度,探讨黄沙洞地热田的热源构成,分析浅部水热系统的热影响,并对干热岩资源前景进行分析。结果表明:(1)黄沙洞地热田水热活动影响下地表热通量为130.3 mW/m^(2),地壳热流与地幔热流值相近,表现为温壳温幔型岩石圈热结构,此外,构造活动相关热流达到了30.5~60.3 mW/m^(2);(2)岩石圈流变结构显示中地壳存在韧性流变层,上地壳与下地壳以脆性破裂为主,下地壳与地幔表现出流变结构耦合,为相对稳固的地壳底界;(3)黄沙洞地热田的热源以地壳构造活动产生的热源为主,地幔热源和放射性生热是主要的热源组成部分,构造热作用的主要方式包括区域深断裂的热聚敛和水热系统循环换热,两者可能通过“接力式”热传递携带热量至浅表;(4)区域深断裂的热聚敛在构造热作用中的占比是影响干热岩资源前景的关键因素。本项研究可为后续东南沿海同类型地区的干热岩资源勘查与靶区选址提供参考。

基于因子分析法的干热岩地热资源热储评价

为建立干热岩地热资源储层评价方法,首先对全球典型干热岩项目的地热地质背景及热储特征进行分析梳理,优选出热储埋深、热储温度、大地热流值、地温梯度、热储岩性、热储物性6个评价指标,结合因子分析法建立干热岩地热资源储层评价方法,通过因子分析的降维方法,提取出相互独立的影响因子,在保留原始数据大部分信息的前提下,有效降低对热储评价影响因素的分析难度,减少评价过程中的工作量。利用该方法,选取中国11个干热岩地热资源研究区,对其热储条件进行排名。最终评价结果显示,西藏羊八井、青海共和盆地、冀东平原马头营热储条件相对较好。

辽宁省干热岩资源赋存条件分析及靶区初选

干热岩作为一种可再生的高温地热资源,在我国越来越受到重视.干热岩温度除深部钻探手段外无法直接测量,但是可以通过大地热流、居里面埋深、酸性岩体分布、壳内低速高导体及构造应力场等指标间接反映地下的热异常.辽宁省大地热流值高值点主要分布于辽阳-海城-盖州一带,其次为下辽河盆地西部凹陷.辽宁省居里面隆起区绕辽北拗陷区呈环状分布,隆起中心居里面埋深均在18 km以浅.高放射性花岗岩主要为早白垩世花岗岩,主要分布于辽东及辽南地区.海城东西两侧约40 km范围内存在壳内低速高导体,埋深10~20 km.区内张性断裂以NE—NEE向为主,郯庐断裂带为贯穿辽宁省的NE向岩石圈断裂,大型NE—NEE深壳断裂主要分布于辽东地区.通过对辽宁省干热岩资源赋存指标的分析,结合中国干热岩资源的分类,初选出鞍山-海城一带作为高放射性干热岩资源靶区及下辽河盆地作为沉积盆地型干热岩资源靶区.

共和盆地兰采温泉地区地热特征及干热岩靶区

干热岩大力开发有助于我国“双碳”目标的尽早实现,其中放射性生热是干热岩形成的重要因素之一,研究该类型干热岩地质特征和放射性生热特征,对选择该类型干热岩勘查目标区具有重要价值和现实意义。为此,以共和盆地兰采温泉群地区为线索,通过野外地质调查、地表放射性伽马测量、岩石放射性测试等手段,研究了高温温泉形成的地热地质条件和放射性特征,并依据地球物理勘查解译数据初步圈定了干热岩勘查目标靶区。研究结果表明:(1)兰采温泉地区擦拉更复式花岗岩体和羊智河—夏琼断裂与兰采温泉群的形成关系密切;(2)该区出露的中晚三叠世斑状二长花岗岩、钾长花岗岩和斑状钾长花岗岩等岩体的生热率表现出异常高的生热率特征,是正常沉积盖层生热率的5~8倍;(3)基于大地电磁测深勘查解译,羊智河—哲格姜—夏琼断裂破碎带下伏低阻体,推测为侵入时代较晚、温度较高的“体中体”花岗岩体。结论认为,该区具有“体中体”地质结构的晚三叠世高放射性斑状钾长花岗岩体,可作为干热岩勘查的主要目标方向;下一步应查明复式岩体空间分布形态,研究复式花岗岩体与地热流体的关系以及对深部温度场的影响机理,进而为圈定干热岩勘查靶区提供更加确凿的依据。

干热岩工况下水泥高温劣化性能的调控措施

干热岩地热井固井中,井底温度常常高达200℃以上。针对干热岩工况下井底高温导致的水泥石强度衰退的问题,从水泥的化学组分入手,通过调控C_(3)S和C_(2)S的比例,并在硅粉的协同作用下复配具有更低钙硅比的低热硅酸盐水泥来改善这一问题。首先对复相C_(3)S-C_(2)S矿物体系的比例调控可知,当C_(3)S∶C_(2)S=1.0时其力学性能最好,结合XRD、TGA、SEM测试可知,钙硅比的降低对有利相硬硅钙石的生成有积极作用。引入具有更低钙硅比的低热水泥增强G级水泥,结果表明:“30%G级水泥+70%低热水泥”复配水泥体系(C_(3)S与C_(2)S的比例为1.07)在40%硅粉的作用下,其抗压强度达27.34 MPa。在实际生产中适当调整水泥中的矿物组分,使C_(3)S与C_(2)S的比例为1.0左右,可从水泥本身大幅度提高水泥石耐高温性能。

基于干热岩换热器材料的适用性研究

随着干热岩开发的有效深入,干热岩换热器关键材料的使用受到广泛关注。通过模拟干热岩地下水环境,在不同条件下对纯铜及铜合金的综合性能进行测试分析,进一步进行干热岩换热器材料的适用性研究。结果表明:从光学显微镜和SEM可以看出紫铜和镍铜仅有轻微腐蚀,而黄铜腐蚀严重;全元素分析表明紫铜和镍铜中O元素含量略有增加,表面形成有效钝化膜;拉伸测试表明紫铜的抗拉强度和屈服强度在腐蚀后有轻微降低;电化学测试进一步表明,紫铜阻抗弧度变化较小,耐腐蚀性能较好。研究结果为干热岩换热器材料的选择提供理论基础和实验依据。

干热岩供暖系统的设计与应用

介绍了干热岩采暖的工作原理、应用特点、分类、资源储备情况及相关政策背景。以西安市某地区综合办公楼为例,设置了干热岩供暖系统与传统燃气锅炉供暖系统两种不同的供暖热源方案。以建筑能耗模拟项目全年逐时采暖热负荷为基础,分析了两种不同的系统在机房面积、经济性、CO_(2)排放量、节能性等方面的差异。表明干热岩供暖系统是一种机房面积可控、经济性较好、节能效益佳、CO_(2)排放量低的供暖方案,干热岩资源稳定丰富且有供暖需求的地区建议推广使用。