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(kāi)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(kāi)發(fā)利用對(duì)環(huán)境影響小、不受季節(jié)等自然條件影響的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)在20世紀(jì)70年代即進(jìn)行了干熱巖開(kāi)發(fā)利用研究工作，而干熱巖的勘查開(kāi)發(fā)利用在我國(guó)尚處于起步階段,因此對(duì)干熱巖勘查、開(kāi)發(fā)技術(shù)開(kāi)展研究有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。該文在簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外對(duì)干熱巖研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對(duì)利津縣干熱巖的地?zé)岬刭|(zhì)條件、干熱巖的熱儲(chǔ)特征及開(kāi)發(fā)利用條件進(jìn)行了分析，計(jì)算了資源量，并提出了干熱巖開(kāi)發(fā)利用的建議。

干熱巖；新能源；地?zé)崮芸辈?；山東利津

引文格式：王浩，盧建榮，蘭善治.利津縣干熱巖開(kāi)發(fā)利用條件探析[J].山東國(guó)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(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，全球化石燃料總量的減少及其開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的環(huán)境惡化程度加劇，太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮艿瓤稍偕覠o(wú)污染的清潔新能源越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。開(kāi)發(fā)利用無(wú)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(dá)國(guó)家積極開(kāi)展試驗(yàn)研究的新課題。目前，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已將其作為一種新型清潔能源開(kāi)展研究和試驗(yàn)，并成功實(shí)現(xiàn)了干熱巖發(fā)電。我國(guó)干熱巖研究尚處于起步階段。利津縣在干熱巖勘查開(kāi)發(fā)方面走在了全國(guó)前列，在2012—2014年成功實(shí)施了“利津縣干熱巖調(diào)查”項(xiàng)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(guó)際干熱巖研究現(xiàn)狀

最早對(duì)干熱巖進(jìn)行研究的國(guó)家是美國(guó)。1974年，美國(guó)洛斯·阿爾莫斯(Los Alamos)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)新墨西哥州的芬頓山鉆了第一眼深井，拉開(kāi)了干熱巖研究的序幕。通過(guò)國(guó)際合作和各國(guó)不斷努力，美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家在過(guò)去20年相繼進(jìn)行了有關(guān)方面的實(shí)驗(yàn)，基本掌握了干熱巖發(fā)電各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)。隨著技術(shù)的熟練，試驗(yàn)電廠的發(fā)電量也逐漸由3MW增大到11MW，更加接近商業(yè)開(kāi)發(fā)的規(guī)模[2]。

目前，國(guó)際上干熱巖發(fā)電技術(shù)正向第二代過(guò)渡，在采熱的關(guān)鍵技術(shù)，即在不滲透的干熱巖體內(nèi)形成熱交換系統(tǒng)試驗(yàn)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(guó)干熱巖研究現(xiàn)狀

我國(guó)干熱巖研究尚處于起步階段，目前已經(jīng)開(kāi)展或正在開(kāi)展的項(xiàng)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(kāi)發(fā)利用條件較好的干熱巖地?zé)豳Y源。

2　地質(zhì)背景

2.1地質(zhì)構(gòu)造單元

利津縣在大地構(gòu)造單元上位于華北板塊、華北坳陷區(qū)、濟(jì)陽(yáng)坳陷、東營(yíng)潛斷陷的東營(yíng)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?yàn)殛惽f潛凸起區(qū)。該區(qū)東西長(zhǎng)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(jì)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(lái)受燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)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(jì)沙河街組及東營(yíng)組；③新近紀(jì)館陶組及眀化鎮(zhèn)組；④第四系。

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

3　干熱巖開(kāi)發(fā)利用條件分析

3.1地溫場(chǎng)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(shí)共進(jìn)行了5次測(cè)溫(圖2)，根據(jù)每次測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，依據(jù)公式分別計(jì)算各區(qū)段地溫梯度值見(jiàn)表1，綜合確定勘探孔處地溫梯度達(dá)到了4.07℃/100m，說(shuō)明該區(qū)具有較高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

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

表1　各測(cè)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(cè)試資料，該區(qū)的前寒武紀(jì)侵入巖在埋深2500m以上主要以花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖及弱綠泥石化二長(zhǎng)花崗巖為主，含有少量的碳酸鹽化黑云母閃長(zhǎng)巖、黑云母輝長(zhǎng)巖。其化學(xué)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(shì)?？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(cè)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(dǎo)率在2.441～3.925W/(m·k)，比熱容在0.928～1.930MJ/(m3·K)，熱擴(kuò)散率在1.576～3.285mm2/S，在垂向分布上無(wú)明顯規(guī)律，整體變化不大。

3.4干熱巖壓裂特征

干熱巖開(kāi)發(fā)利用，首先要在相對(duì)經(jīng)濟(jì)的埋深范圍內(nèi)擁有較高的溫度(150℃以上)，同時(shí)干熱巖要具有自然裂隙或可壓裂性[5]，易于人工儲(chǔ)留層的建造。該區(qū)干熱巖勘探孔鉆探完成后，進(jìn)行了一組壓裂試驗(yàn)，試驗(yàn)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(cè)試中(表2)，井口壓力達(dá)到26.5MPa左右時(shí)，有壓力陡降現(xiàn)象(圖3)，說(shuō)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(shì)。在試驗(yàn)水頭不變的情況下(2003m)，井口壓力加壓至22.5～28.5MPa的過(guò)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(cè)井段地溫梯度值

圖3　壓裂壓力與注水量關(guān)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(zhǎng)的主要原因是只有注水井，而沒(méi)有對(duì)應(yīng)的抽水孔。

4　干熱巖資源量計(jì)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(chǔ)法計(jì)算陳莊潛凸起區(qū)干熱巖中儲(chǔ)存的熱量，可按下式計(jì)算：

Q=Qr+Qw

式中：Q—熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量(J)；Qr—巖石中儲(chǔ)存的熱量(J)；A—計(jì)算區(qū)面積(m2)(取637km2)d—熱儲(chǔ)厚度(m)；(取2000m，埋深3000～5000m范圍);ρr—熱儲(chǔ)巖石密度(kg/m3)(取2700kg/m3);Cr—熱儲(chǔ)巖石比熱(J/kg·℃)(取794J/kg·℃);φ—熱儲(chǔ)巖石的孔隙度，無(wú)量綱(取0.017);tr—熱儲(chǔ)溫度(℃)(按埋深4000m預(yù)測(cè)溫度170℃);t0—當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?℃)(取12.4℃)。

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

5　結(jié)語(yǔ)

(1)干熱巖是一種無(wú)污染且不受氣候等外界條件影響的新能源，我國(guó)干熱巖地?zé)岬刭|(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(jì)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(yùn)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(yùn)藏的熱資源量為4.39×1020J，利用溫差取60℃計(jì)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(kāi)發(fā)利用條件，可以在前期調(diào)查的基礎(chǔ)上繼續(xù)加大資金支持，建立一個(gè)干熱巖研究示范基地，為今后開(kāi)展干熱巖資源研究、開(kāi)發(fā)利用和其他相關(guān)地學(xué)科學(xué)研究提供試驗(yàn)基地。

[1]郭進(jìn)京，周安朝，趙陽(yáng)升. 高溫巖體地?zé)豳Y源特征與開(kāi)發(fā)問(wèn)題探討[J].天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，(6)：77-81.

[2]冉恒謙，馮起贈(zèng).我國(guó)干熱巖勘查的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題[J]. 探礦工程，2010, (10)：17-21.

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

[4]張?jiān)銎?，張成基，王世進(jìn)，等.山東省地層侵入巖構(gòu)造單元?jiǎng)澐謱?duì)比意見(jiàn)[J].山東國(guó)土資源，2014，30(3)：1-23.

[5]張建英.增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)資源開(kāi)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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