利津縣干熱巖開發(fā)利用條件探析

王浩，盧建榮，蘭善治

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州　253015)

利津縣干熱巖開發(fā)利用條件探析

王浩，盧建榮，蘭善治

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州253015)

干熱巖作為一種清潔的新能源,具有熱能大、分布廣、開發(fā)利用對環(huán)境影響小、不受季節(jié)等自然條件影響的優(yōu)勢。美國在20世紀70年代即進行了干熱巖開發(fā)利用研究工作，而干熱巖的勘查開發(fā)利用在我國尚處于起步階段,因此對干熱巖勘查、開發(fā)技術開展研究有著非?，F(xiàn)實的意義。該文在簡述國內(nèi)外對干熱巖研究現(xiàn)狀的基礎上,對利津縣干熱巖的地熱地質(zhì)條件、干熱巖的熱儲特征及開發(fā)利用條件進行了分析，計算了資源量，并提出了干熱巖開發(fā)利用的建議。

干熱巖；新能源；地熱能勘查；山東利津

引文格式：王浩，盧建榮，蘭善治.利津縣干熱巖開發(fā)利用條件探析[J].山東國土資源，2015，31(5)：20-23.WANG Hao, LU Jianrong, LAN Shanzhi.Primary Analysis on Exploitation and Utilization Condition of Hot Dry Rock in Lijin County[J].Shandong Land and Resources,2015，31(5)：20-23.

隨著人類對能源需求的不斷增長，全球化石燃料總量的減少及其開發(fā)利用帶來的環(huán)境惡化程度加劇，太陽能、風能、水能、地熱能等可再生且無污染的清潔新能源越來越受到世界各國的重視。開發(fā)利用無污染且不受氣候等外界條件影響的新能源——干熱巖[1]，成了很多發(fā)達國家積極開展試驗研究的新課題。目前，一些發(fā)達國家已將其作為一種新型清潔能源開展研究和試驗，并成功實現(xiàn)了干熱巖發(fā)電。我國干熱巖研究尚處于起步階段。利津縣在干熱巖勘查開發(fā)方面走在了全國前列，在2012—2014年成功實施了“利津縣干熱巖調(diào)查”項目，并取得了一定的成果。

1　干熱巖研究歷史與現(xiàn)狀

1.1國際干熱巖研究現(xiàn)狀

最早對干熱巖進行研究的國家是美國。1974年，美國洛斯·阿爾莫斯(Los Alamos)國家實驗室在美國新墨西哥州的芬頓山鉆了第一眼深井，拉開了干熱巖研究的序幕。通過國際合作和各國不斷努力，美國、日本、英國、法國、德國等國家在過去20年相繼進行了有關方面的實驗，基本掌握了干熱巖發(fā)電各個環(huán)節(jié)的技術。隨著技術的熟練，試驗電廠的發(fā)電量也逐漸由3MW增大到11MW，更加接近商業(yè)開發(fā)的規(guī)模[2]。

目前，國際上干熱巖發(fā)電技術正向第二代過渡，在采熱的關鍵技術，即在不滲透的干熱巖體內(nèi)形成熱交換系統(tǒng)試驗中，形成了人工高壓裂隙模式、天然裂隙模式、天然裂隙-斷層模式3種地下熱交換系統(tǒng)模式[3]。

1.2我國干熱巖研究現(xiàn)狀

我國干熱巖研究尚處于起步階段，目前已經(jīng)開展或正在開展的項目有“利津縣干熱巖調(diào)查”、“青海共和盆地中北部干熱巖調(diào)查”等，并且已經(jīng)勘探到開發(fā)利用條件較好的干熱巖地熱資源。

2　地質(zhì)背景

2.1地質(zhì)構造單元

利津縣在大地構造單元上位于華北板塊、華北坳陷區(qū)、濟陽坳陷、東營潛斷陷的東營潛凹陷和沾化潛斷陷的沾化潛凹陷、陳莊潛凸起(圖1)。根據(jù)“利津縣干熱巖調(diào)查”及區(qū)內(nèi)石油鉆探成果綜合分析可知，在埋深4000m以上分布有花崗巖的區(qū)域為陳莊潛凸起區(qū)。該區(qū)東西長63km，南北寬15km，面積約558.3km2。新近系及第四系覆蓋厚度950～1500m，下部由前寒武紀侵入巖及古生代地層組成[4]。

圖1　利津縣基巖面埋深等值線圖

2.2地層

利津縣地層發(fā)育較齊全。特別是中生代以來受燕山運動和喜馬拉雅運動的影響，該區(qū)一直緩慢下降，其上沉積了巨厚的新生代地層，且地層厚度變化較大，在陳莊潛凸起區(qū)較薄約950～1500m，凹陷區(qū)較厚，約3000～4000m。在陳莊潛凸起區(qū)地層由老至新有：①古生界寒武系—奧陶系；②古近紀沙河街組及東營組；③新近紀館陶組及眀化鎮(zhèn)組；④第四系。

位于陳莊鎮(zhèn)前郭村西側施工的干熱巖勘探孔揭露的地層依次為：第四紀平原組(275m)、新近紀明化鎮(zhèn)組(275～989m)、新近紀館陶組(989～1243m)及前寒武紀侵入巖(1243～2500m未穿)。

3　干熱巖開發(fā)利用條件分析

3.1地溫場特征

調(diào)查區(qū)地溫梯度較高，根據(jù)收集的資料綜合分析，陳莊潛凸起區(qū)地溫梯度值在4.0～4.5℃/100m，干熱巖勘探孔在施工至不同深度時共進行了5次測溫(圖2)，根據(jù)每次測溫數(shù)據(jù)，依據(jù)公式分別計算各區(qū)段地溫梯度值見表1，綜合確定勘探孔處地溫梯度達到了4.07℃/100m，說明該區(qū)具有較高的開發(fā)利用價值。

式中：G—地溫梯度(℃/100m)；t—井口測量溫度(℃)；to—恒溫帶溫度(取12.4℃)；h—取水段中點埋深(m)；ho—恒溫帶埋深(取20m)。

表1　各測井段地溫梯度值

3.2干熱巖巖性特征

根據(jù)干熱巖勘探孔所采集的巖心巖礦測試資料，該區(qū)的前寒武紀侵入巖在埋深2500m以上主要以花崗巖、二長花崗巖及弱綠泥石化二長花崗巖為主，含有少量的碳酸鹽化黑云母閃長巖、黑云母輝長巖。其化學成分以SiO2為主，除埋深2200～2300m區(qū)段含量較低外(41.92%)，其余區(qū)段SiO2含量占58.55%～73.84%，其次為Al2O3，占8.23%～13.36%。

巖石塊體密度在2.589～2.859g/cm3，顆粒密度在2.633～2.940g/cm3，在垂向上隨深度的增加呈逐漸增大的趨勢?？紫堵食裆?200～2300m區(qū)段較高(2.89%～3.73%)外，其余區(qū)段變化較小，在0.49%～1.43%之間。

圖2　勘探孔5次泥漿測溫曲線圖

3.3干熱巖熱物性特征

干熱巖勘探孔處埋深2500m以上巖石熱導率在2.441～3.925W/(m·k)，比熱容在0.928～1.930MJ/(m3·K)，熱擴散率在1.576～3.285mm2/S，在垂向分布上無明顯規(guī)律，整體變化不大。

3.4干熱巖壓裂特征

干熱巖開發(fā)利用，首先要在相對經(jīng)濟的埋深范圍內(nèi)擁有較高的溫度(150℃以上)，同時干熱巖要具有自然裂隙或可壓裂性[5]，易于人工儲留層的建造。該區(qū)干熱巖勘探孔鉆探完成后，進行了一組壓裂試驗，試驗段為埋深2003～2500m區(qū)段，封隔器上部靜水壓力為20MPa，在分階段測試中(表2)，井口壓力達到26.5MPa左右時，有壓力陡降現(xiàn)象(圖3)，說明在此壓力下，天然裂隙被水力壓裂，且壓裂后裂隙貫通情況較好。其滲透系數(shù)隨著壓力的增加，呈逐漸增大的趨勢。在試驗水頭不變的情況下(2003m)，井口壓力加壓至22.5～28.5MPa的過程中，滲透系數(shù)由2.39×10-7增加至2.27×10-6(cm/s)。

表2　各測井段地溫梯度值

圖3　壓裂壓力與注水量關系圖

隨后在分別保持注水量為20m3/h、30m3/h不變的情況下持續(xù)壓裂48h，其井口壓力由16.31MPa持續(xù)平穩(wěn)增加至32.58MPa。壓力持續(xù)增長的主要原因是只有注水井，而沒有對應的抽水孔。

4　干熱巖資源量計算

利津縣陳莊潛凸起區(qū)地溫梯度為4.0～4.5℃/100m。采用熱儲法計算陳莊潛凸起區(qū)干熱巖中儲存的熱量，可按下式計算：

Q=Qr+Qw

式中：Q—熱儲中儲存的熱量(J)；Qr—巖石中儲存的熱量(J)；A—計算區(qū)面積(m2)(取637km2)d—熱儲厚度(m)；(取2000m，埋深3000～5000m范圍);ρr—熱儲巖石密度(kg/m3)(取2700kg/m3);Cr—熱儲巖石比熱(J/kg·℃)(取794J/kg·℃);φ—熱儲巖石的孔隙度，無量綱(取0.017);tr—熱儲溫度(℃)(按埋深4000m預測溫度170℃);t0—當?shù)啬昶骄鶜鉁?℃)(取12.4℃)。

計算結果： ①按上述參數(shù)計算，埋深3000～5000m范圍內(nèi)干熱巖蘊藏的熱資源量為4.39×1020J。 ②利用溫差取60℃(tr-t0=60℃)計算，埋深3000～5000m范圍內(nèi)干熱巖蘊藏的熱資源量為1.62×1020J。

5　結語

(1)干熱巖是一種無污染且不受氣候等外界條件影響的新能源，我國干熱巖地熱地質(zhì)條件優(yōu)越，具有廣闊的發(fā)展前景。利津縣陳莊鎮(zhèn)地區(qū)新近系及第四系覆蓋厚度950～1500m，下部主要由前寒武紀侵入巖及古生代地層組成。具有良好的干熱巖地質(zhì)賦存條件。

(2)山東省干熱巖資源量蘊藏豐富，分布廣泛。僅在陳莊潛凸起區(qū)埋深3000～5000m范圍內(nèi)干熱巖蘊藏的熱資源量為4.39×1020J，利用溫差取60℃計算，埋深3000～5000m范圍內(nèi)干熱巖可利用資源量為1.62×1020J。

(3)利津縣陳莊潛凸起區(qū)具有較好的干熱巖開發(fā)利用條件，可以在前期調(diào)查的基礎上繼續(xù)加大資金支持，建立一個干熱巖研究示范基地，為今后開展干熱巖資源研究、開發(fā)利用和其他相關地學科學研究提供試驗基地。

[1]郭進京，周安朝，趙陽升. 高溫巖體地熱資源特征與開發(fā)問題探討[J].天津城市建設學院學報，2010，(6)：77-81.

[2]冉恒謙，馮起贈.我國干熱巖勘查的有關技術問題[J]. 探礦工程，2010, (10)：17-21.

[3]楊方，李靜，任雪嬌. 中國干熱巖勘查開發(fā)現(xiàn)狀[J].資源環(huán)境與工程，2012，(8)：18-22.

[4]張增奇，張成基，王世進，等.山東省地層侵入巖構造單元劃分對比意見[J].山東國土資源，2014，30(3)：1-23.

[5]張建英.增強型地熱系統(tǒng)(EGS)資源開發(fā)與利用研究[J].研究與探討，2011，(1)：29-32.

Primary Analysis on Exploitation and Utilization Condition of Hot Dry Rock in Lijin County

WANG Hao, LU Jianrong, LAN Shanzhi

(Lubei Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Dezhou 253015, China)

As a clean and new energy, hot dry rock has many advantages, such as great heat, wide distribution, small affect of development and utilization to environment, and not affected by seasons and natural conditions. In 70's of 20 century, development and utilization of hot dry rock have been carried out in America, while geological exploration and exploitation work of hot dry rock in China are still at the initial stage. It has a very practical significance to carry out exploration and development technologies of hot dry rock. In this paper, on the basis of introducing present study condition of hot dry rock in domestic and foreign countries, geothermal and geological conditions, characteristics of heat reservoir, development and utilization of hot dry rock in Lijin county have been analyzed, the amount of resources have been calculated, and suggestions for development and utilization of hot dry rock have been put forward.

Hot dry rock; new energy; geothermal energy; Lijin county in Shandong province

2014-07-30；

2014-09-03；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

王浩(1980—)，男，甘肅武山人，工程師，主要從事工程地質(zhì)水文地質(zhì)工作；E-mail:whao016@163.com

P314.2

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