西藏羊八井地區高溫巖體地熱開(kāi)采方案研究

  1 引 言

 

  高溫巖體地熱資源是指溫度在200 ℃以上的巖體中蘊藏的地熱資源。雖然地球內部的熱量對人類(lèi)來(lái)說(shuō)是無(wú)限的，但就目前的開(kāi)發(fā)成本和技術(shù)而言，卻僅有極小部分高溫巖體地熱資源可供人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用。由于高溫巖體具有溫度恒定且持續時(shí)間長(cháng)的特點(diǎn)，因此，高溫巖體地熱資源的人工開(kāi)發(fā)主要是從巖體中提取過(guò)熱水蒸氣，直接用來(lái)發(fā)電。在國際上，一些發(fā)達國家的高溫巖體地熱研究專(zhuān)家按照地熱梯度對全世界高溫巖體地熱資源進(jìn)行了較為詳細的評價(jià)[1]。在美國，深度小于10 km、地熱梯度大于45℃/km 的易于開(kāi)發(fā)區，高溫巖體地熱資源量為6.5×105Quads，遠大于全世界化石能源總量[2]。全世界地殼10 km 以?xún)?a href="http://keyinmall.com/t/高溫.html" >高溫巖體地熱資源總量為40～400MQuads，相當于化石能源的100～1 000 倍。其中，日本為4～40 MQuads[3]。因而，高溫巖體地熱資源是巨大的、可供人類(lèi)使用數千年的綠色能源。從能源多元化、平衡發(fā)展的角度來(lái)看，以及面對化石能源逐漸枯竭的現實(shí)，全世界應該大力開(kāi)發(fā)高溫巖體地熱這一新型的能源。

 

  我國境內蘊藏著(zhù)豐富的高溫巖體地熱資源。在西南地區，由于印度洋板塊向歐洲大陸的俯沖碰撞，形成了青藏高原高溫巖體地熱異常帶，其中，西藏羊八井、云南騰沖就是典型的高溫巖體地熱異常區；在東南部，受菲律賓板塊的構造作用，形成了臺灣、海南和東南沿海一帶的高地熱梯度區；在東部由于受太平洋板塊的影響，形成了長(cháng)白山、五大蓮池等休眠火山或火山噴發(fā)區和天津、北京、山東等高地熱梯度區[4]。這些地區都是具有良好開(kāi)發(fā)前景的地熱資源區。

 

  目前，全世界高溫巖體地熱資源開(kāi)采與利用并未形成巨大的開(kāi)發(fā)規模，在能源結構中所占的比例仍然很小，其主要原因是開(kāi)采技術(shù)方案存在較多問(wèn)題，如高溫環(huán)境下水平井施工和巨型的人工儲留層建造技術(shù)不成熟；另一主要影響因素是高溫巖體地熱梯度偏小，導致開(kāi)發(fā)成本較高。借鑒國外的經(jīng)驗與教訓，針對我國高溫巖體地熱資源賦存的宏觀(guān)地質(zhì)結構特征，考慮溫度場(chǎng)、應力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合作用規律，研究中國高溫巖體地熱開(kāi)采技術(shù)方案，以實(shí)現這一巨大的綠色能源的經(jīng)濟高效開(kāi)發(fā)，是中國巖石力學(xué)界面臨的重大任務(wù)。

 

  西藏羊八井地熱電站是我國著(zhù)名的地熱電站，但經(jīng)過(guò)20 多年的開(kāi)采，羊八井熱田熱儲明顯收縮，生產(chǎn)井的溫度、壓力和流量均有不同程度的下降，目前僅能維持16 MW 機組的滿(mǎn)負荷運行。

 

  地球物理勘探資料表明，羊八井地熱田深部5～15 km 內存在熔融狀態(tài)的巖漿囊，巖漿囊外層溫度為500 ℃，地熱梯度高達45 ℃/km，熱儲為花崗巖，是高品位高溫巖體地熱資源。目前開(kāi)采的只是熱田淺部熱水資源，僅占熱田地熱資源的極小部分。

 

  因此，合理開(kāi)發(fā)與利用羊八井地區深部高溫巖體地熱資源，是確保熱田地熱資源后續接替、提升羊八井地熱電站發(fā)電能力的必然選擇。

 

  本文以巨型巖體結構特征、應力場(chǎng)、溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合作用分析為基礎，以西藏羊八井高溫巖體地熱開(kāi)采為例，系統介紹確定高溫巖體地熱開(kāi)采方案的研究分析方法。

 

  2 羊八井高溫巖體地熱溫度場(chǎng)分布與熱能資源估算當雄—羊八井盆地位于念青唐古拉山ES 側，為一狹長(cháng)的斷陷盆地，總體呈NE 向展布，盆地邊緣發(fā)育大量伸展斷裂構造，盆地走向受伸展斷層控制。

 

  人工地震法資料表明，羊八井熱田深部約22km 處存在一個(gè)低速層，可解釋為地下巖漿體。根據大地電磁探(MT)成果表明，在羊八井熱田北區深部約5 km 以下存在一個(gè)電阻率為5 Ω·m 的低阻層，推斷為未完全冷卻的高溫熔融體(見(jiàn)圖1)。地震深反射探測資料表明，在羊八井熱田北區上地殼底部深度13～20 km 范圍存在一個(gè)地殼局部熔融體[5]，證實(shí)了羊八井熱田深部存在高溫巖漿熔融熱源。

 

  根據熱田地下熱水氫、氧同位素分析結果，熱水具有現代大氣降水及地表水滲入來(lái)源特征，補給高程一般在4 860 m 左右，與當地雪線(xiàn)及地表水系源頭分布高程一致。來(lái)自念青唐古拉山的大量冰雪融水和大氣降水沿斷裂帶滲入地下，不斷補給地下深部含水層，在循環(huán)過(guò)程中不斷與熾熱的巖體進(jìn)行水熱交換，吸收巖體熱量。由于熱水產(chǎn)生密度差，形成自然上升流，上升熱流體沿斷層上行，在一個(gè)較封閉的裂隙系統中形成高溫熱儲。當流體上行受阻后，循環(huán)壓力將向SE 方向擴散，主流沿NW 向SE 方向水平運動(dòng)形成淺層熱儲。

 

  根據已揭示的羊八井熱田深部地下熔融體的垂直展布形態(tài)與特征，進(jìn)行羊八井高溫巖體地熱區域的溫度場(chǎng)分布有限元計算分析[6]，其結果如圖3 所示。由圖3 可知，念青唐古拉山下部熔融體及其上方地質(zhì)體的溫度分布特點(diǎn)為：熔融體溫度在500 ℃以上，在剖面水平方向長(cháng)度約180 km，垂直方向高度為20 km；在熔融體的垂直上方的地質(zhì)體中，溫度梯度較大，達4.5 ℃/100 m。

 

  根據Z. H. Wu 等[7]的研究，當雄—羊八井盆地水平距離/km下熔融體NE 向展布長(cháng)度約150 km 以上，由此通過(guò)計算可以獲得深部7～18 km 范圍內的熔融體所蘊藏的地熱資源量。按截面面積為1 200 km2、總體積為180 000 km3、平均溫度500 ℃、可提取的最低溫度為150 ℃計算，求得總的地熱能源量為5.4×109MW·a。若考慮發(fā)電效率為0.17，則可發(fā)電量為0.92×109 MW·a。若按裝機容量5×107 kW 計算，該能源量可供發(fā)電1.8×104 a。由此可見(jiàn)，羊八井地區深部蘊藏著(zhù)巨大的綠色能源，是亟待開(kāi)發(fā)的最優(yōu)質(zhì)的接替能源。

 

  3 羊八井地熱田現今構造地應力場(chǎng)特征

 

  羊八井地區現今地應力狀態(tài)直接影響今后羊八井地熱田深部熱儲層地熱資源的開(kāi)發(fā)利用。張春山等[8]在羊八井地區采用壓磁應力解除法進(jìn)行了地應力測量，在羊八井地區布置了4 個(gè)測點(diǎn)，分別位于堆龍曲右岸(Ybj1，Ybj2 號測點(diǎn))、堆龍曲左岸109國道的左側(Ybj3，Ybj4 號測點(diǎn))，所測巖體為中粗粒斜長(cháng)花崗巖。盡管地表節理裂隙發(fā)育，但在地應力實(shí)測深度部位巖石相對完整，所測結果如表1 及圖4 所示。在羊八井地區最大水平主應力為NE-NEE向，最大水平主應力為3.3～10.4 MPa，最小水平主應力為2.5～8.4 MPa。

 

  徐紀人等[9]根據1972～2000 年羊八井地區發(fā)生的20 個(gè)中強地震震源機制解確定了主壓應力軸P和主張應力軸T 的水平投影(見(jiàn)圖5)和EW向垂直剖面投影研究結果(見(jiàn)圖6)。圖例處M 為震級，N 為地震次數。雖然高原中南部應力場(chǎng)主壓、主張應力方向與青藏高原的整體特征相符，但是地震發(fā)生類(lèi)型與青藏高原周緣的擠壓逆斷層型地震完全不同，均屬于EW 向擴張力作用下的正斷層型地震活動(dòng)。

 

  特別是在羊八井高熱流區附近，EW 向擴張應力場(chǎng)在巖石圈應力場(chǎng)中起到主導性作用，推測其控制深度可達巖石圈底部100 km 以下。青藏高原地熱異常區在強烈的近EW 向擴張應力場(chǎng)作用下，巖石圈EW向擴張并發(fā)生一系列大規模的正斷層活動(dòng)，致使深部軟流圈高溫熱流可以沿著(zhù)活動(dòng)正斷層及其形成的深裂隙上涌，穿過(guò)巖石圈到達地表面，形成了高溫地熱異常區。

 

  地應力測量與震源機制解分析均表明，羊八井地熱田現今地應力場(chǎng)特征為最小水平主應力方向垂直于當雄—羊八井盆地走向，而最大水平主應力方向與盆地走向一致，這與念青唐古拉山ES 側巖體裂縫構造完全一致，說(shuō)明羊八井地區古構造應力場(chǎng)與現今構造應力場(chǎng)特征是一致的，地應力方向也是一致的，這就為利用地質(zhì)構造與地應力方向特征設計開(kāi)發(fā)深部高溫巖體地熱方案提供了科學(xué)的基礎。

 

  4 羊八井深部高溫巖體地熱開(kāi)采技術(shù)

 

  方案分析

 

  根據羊八井盆地高溫巖體模型(見(jiàn)圖1)，分析念青唐古拉山南坡與當雄—羊八井盆地間巨大巖體的呈階梯狀的構造樣式可知，在5～6 km 及其淺部發(fā)育有大傾角的正斷層與大裂縫，傾角為55°～70°，由念青唐古拉山頂峰向當雄—羊八井盆地形成了5個(gè)大型階梯狀正斷層，間隔為4～6 km。同時(shí)存在有大量?jì)A向一致的小裂縫，其裂縫面沿當雄—羊八井盆地走向水平展布，總體呈NE 向。由當雄—羊八井盆地地應力測量結果和震源機制解分析可知，其最小水平主應力垂直于這些斷層面和裂縫面。

 

  當深度超過(guò)6 km 時(shí)，這些斷層逐漸演化成傾角較小、十分平緩的剪切帶或滑移帶，其傾角為15°～20°，走向大致與熔融的巖漿囊輪廓一致。由念青唐古拉山南坡至當雄—羊八井盆地，再至旁多山地，斷層面距地表的深度逐漸增加，如圖7 所示。F5 斷層位于羊八井盆地中央，依次向念青唐古拉山南坡分別分布有F4，F3，F2，F1 共4 個(gè)大斷層。由圖7可知，F1～F5 斷層埋藏深度依次增加，垂直自重應力依次增大。在裂縫相對平緩的區域，裂縫的法向應力基本等于自重應力，因此，沿著(zhù)各斷層的傾斜方向向上，垂直自重應力在不斷減小，裂縫滲透系數逐漸增大，即滲透阻力逐漸減小(見(jiàn)圖8)。

 

  (1) 羊八井高溫巖體地熱開(kāi)采技術(shù)方案

 

  以上述構造分析為基礎，提出在羊八井盆地中央，F5 與F4 斷層中部，水平距離27～28 km 處(見(jiàn)圖7)，施工一口垂直井，深度約9 000 m，進(jìn)入F1～F4 斷層的近水平段，在8 500 m 以上，全部固井，在8 500～9 000 m 的500 m 段裸孔或花管護孔作注水井。在注水井北側，分別施工2 口斜井作生產(chǎn)井(見(jiàn)圖1)，分別穿越F1～F4 斷層。這樣注水井、生產(chǎn)井與F1～F5 斷層構成了完整的高溫巖體地熱開(kāi)采系統。由圖1，7 可知，注水井與生產(chǎn)井所穿越的F1～F5 斷層近水平剪切帶區域的溫度為350 ℃～450 ℃，而且與熔融的巖漿囊相距僅500～1 000 m。

 

  (2) 高溫巖體地熱開(kāi)采期間滲流場(chǎng)形態(tài)分析

 

  當從注水井向高溫巖體注水時(shí)，深度8 500～9 000 m，其自重應力為210～225 MPa，水的自重應力為90 MPa，則地面的注水壓力為130 MPa。沿斷層帶向深部延伸，自重應力增加，滲透阻力增大，最主要的流向是沿斷層向淺部延伸，其次是注入水會(huì )沿注水井向兩側水平滲流，注入60 d 時(shí)的滲流場(chǎng)如圖9 所示。

 

  (3) 人工儲留層與資源量估算

 

  由圖1 可知，在注水井與生產(chǎn)井采熱的區段，其垂直高度為4 km，傾斜長(cháng)度為25 km，兩側水平流動(dòng)展布范圍為3 km(單側1.5 km)，則有3×1011 m3的破碎巖體可作為高溫巖體地熱開(kāi)發(fā)的人工儲留層，它是1980～1988 年英國Cornwall 高溫巖體地熱開(kāi)采建造的人工儲留層儲量(8.25×108 m3)的360倍[14]，是法國Soultz 建造的人工儲留層儲量(3.2×108 m3)的937 倍，據此利用天然地質(zhì)構造帶做人工儲留層進(jìn)行高溫巖體地熱開(kāi)采具有巨大的優(yōu)勢，也是本方案提出的基本依據。

 

  此外，由于最小水平主應力方向垂直于斷層面，在高壓水的作用下，裂縫的擴展方向總是垂直于最小主應力方向。因此，無(wú)論是原生裂縫，還是新生的裂縫，都始終與傾斜的生產(chǎn)井相交，便于高溫過(guò)熱水蒸汽沿生產(chǎn)井排至地面。

 

  該開(kāi)采系統內的花崗巖容重為2 700 kg/m3，比熱容為1 000 J/(kg·℃)，按150 ℃作為地熱開(kāi)采的最低限值，則可提取的熱量按250 ℃取值，由此獲得該開(kāi)采系統內的資源量為6.34×109 kW·a。

 

  按熱量利用的17%計算，則可發(fā)電量為1.08×109 kW·a，該資源量可建造一座10 000 MW 裝機容量的電站，可連續發(fā)電100 a。若考慮高溫巖體地熱開(kāi)采期間高溫熔融體熱量的不斷傳輸，則該區域所能提取的地熱資源量至少要增加2～3 倍。

 

  (4) 工程實(shí)施與投資分析

 

  開(kāi)發(fā)深部高溫巖體的地熱資源關(guān)鍵技術(shù)是水平定向井的施工，其鉆井費用也完全集中在水平井施工段。而按照本方案利用當雄—羊八井盆地斷層與構造帶，減少了水平定向井的施工與人工儲留層建造，既避免了水平井施工鉆機具與技術(shù)難以跨越的障礙，又大量地節省了資金投入。該工程實(shí)施僅需借助常規的鉆井裝備與技術(shù)即可完成。

 

  工程費用估算：鉆井單價(jià)8 000 元/m，則鉆井費用為2.8 億元。

 

  若初期建設一座1 000 MW 的電站，電廠(chǎng)的裝機容量單價(jià)616 元/kW，則電廠(chǎng)的建設費用為6.16×108 元。

 

  由于工程較大，有一定風(fēng)險，因此預留不可預計經(jīng)費1×108 元。

 

  上述合計10×108 元投資，可建造一座1 000 MW的高溫巖體地熱電站，年發(fā)電量8.64×109 kW·h。

 

  5 結 論

 

  圍繞著(zhù)西藏當雄—羊八井盆地高溫巖體地熱的開(kāi)采方案，本文系統研究論述了深部高溫熔融巖漿囊特征、念青唐古拉山南坡與羊八井盆地斷層構造特征、地應力大小與方向、開(kāi)采井布置方案等問(wèn)題，得出如下幾點(diǎn)結論：

 

  (1) 念青唐古拉山與當雄—羊八井盆地深部地下隱伏著(zhù)巨大的熔融巖漿囊，并對羊八井高溫巖體地熱區域的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行有限元計算分析。結果表明，在熔融體的垂直上方的地質(zhì)體中，溫度梯度為4.5 ℃/100m，估算的地熱資源總量為5.4×109MW·a。

 

  (2) 地應力測量與震源機制解分析均表明，羊八井地熱田現今地應力場(chǎng)特征為最小水平主應力方向垂直于當雄—羊八井盆地走向，也與念青唐古拉山斷層面基本垂直，而最大水平主應力方向與盆地走向一致。

 

  (3) 以念青唐古拉山南坡和當雄—羊八井盆地巨型巖體的斷層特征與地應力方向為基礎，提出了利用巖漿囊鄰近的斷層剪切滑移帶作為人工儲留層，在斷層傾斜方向的低處布置垂直注水井和在斷層高處布置傾斜生產(chǎn)井的高溫巖體地熱的技術(shù)方案，如此可獲得3×1011 m3 的巨型人工儲留層，并大幅度降低工程投資與實(shí)施技術(shù)難度。

 

  (4) 本方案可用10×108 元的較小投資，前期建造一座裝機容量1 000 MW 的高溫巖體地熱電站，具有極大的經(jīng)濟與社會(huì )效益。