0 引言

 

  隨著世界能源供需日趨緊張，傳統(tǒng)化石能源面臨資源短缺和高碳排放的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)利用新能源成為科技發(fā)展的熱點(diǎn)。不同于化石能源、水力、風(fēng)能等基于太陽(yáng)能量的外部能源，地?zé)崮?/a>來(lái)自地球內(nèi)能，是地球深部殘熱和地殼放射性核素衰變熱的釋放，能流穩(wěn)定，蘊(yùn)藏巨大，因此，其作為獨(dú)特的清潔能源日益受到關(guān)注。目前發(fā)達(dá)國(guó)家地?zé)嵫芯?/a>主要集中于兩個(gè)主題( Gupta，2007 等) ，一為深源高溫的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)( Enhanced geothermal system) ，一為淺源低溫的地源熱泵( Geothermal heat pump) 技術(shù)。前者通過(guò)地殼深部干熱巖體采熱實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定潔凈的基荷供電，后者實(shí)現(xiàn)小尺度的建筑冷暖空調(diào)，并可以通過(guò)微電網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)電網(wǎng)提供靈活的峰荷供電。由于采熱深度大，增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的勘探開(kāi)發(fā)與地殼乃至巖石圈尺度的地質(zhì)構(gòu)造和熱結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

 

  我國(guó)大地構(gòu)造環(huán)境處于太平洋、菲律賓、印度幾大板塊的擠壓環(huán)境中，東部盆地具有巖石圈減薄、軟流圈上涌的特征( 汪洋，1999; 孫愛(ài)群等，2000; 邵濟(jì)安等，2003) ，大地熱流值測(cè)點(diǎn)顯示出高于大陸平均水平的熱流趨勢(shì)，地?zé)豳Y源豐富。東部的渤海灣盆地等一系列盆地基底具有典型的盆－ 嶺式基底構(gòu)造形態(tài)，與美國(guó)、歐洲、澳大利亞正在開(kāi)發(fā)的EGS 熱田( MIT，2006; Cloetingh et al． ，2011 等) 具有相似的構(gòu)造環(huán)境或熱背景; 同時(shí)盆地沉積蓋層發(fā)育良好，大部分地區(qū)基底埋深在5 km 以內(nèi)，為基底散熱提供了良好的保溫條件，經(jīng)地溫場(chǎng)模擬發(fā)現(xiàn)深部熱巖體具有很好的開(kāi)發(fā)條件。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)研究很少，只有零星的討論( 楊吉龍等，2001; Wan，et al． ，2005; 康玲等，2009) 。本研究結(jié)合前人在我國(guó)華北區(qū)域的研究成果和近年地?zé)峒夹g(shù)取得的新進(jìn)展，以渤海灣盆地為例分析了開(kāi)發(fā)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)所需的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)條件，對(duì)基于地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)增強(qiáng)型地?zé)?/a>系統(tǒng)資源及數(shù)學(xué)模擬有一定參考意義。

 

  1 世界地?zé)岚l(fā)電與增強(qiáng)型地?zé)?/a>系統(tǒng)( EGS)應(yīng)用現(xiàn)狀地?zé)崮馨l(fā)電實(shí)現(xiàn)了地?zé)崮?/a>量的便捷儲(chǔ)運(yùn)，相比于直接利用更便于大規(guī)模高效率的應(yīng)用。圖1 顯示了截至2010 世界各國(guó)地?zé)岚l(fā)電的裝機(jī)容量( Bertani，2012) 。其中中國(guó)只有西藏羊八井一處地?zé)犭姀S，總裝機(jī)功率24 MW，地?zé)?/a>發(fā)電量低于環(huán)太平洋地?zé)釒?/a>的日本、菲律賓、印度尼西亞等國(guó)家。

 

  1． 1 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的概念

 

  國(guó)際地?zé)峒夹g(shù)合作組織IPGT 將增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)( EGS，Enhanced Geothermal System) 定義為“通過(guò)向地下打鉆并向鉆井內(nèi)注入高壓流體，從而增強(qiáng)巖石中原有裂隙，形成與天然地?zé)豳Y源相似的人工熱儲(chǔ)，隨后向裂隙中施工生產(chǎn)井，抽取被巖石熱量加熱至過(guò)熱的流體至地表，通過(guò)汽輪機(jī)等裝置發(fā)電”。

 

  美國(guó)能源部定義其為“在低滲低孔隙度地?zé)豳Y源賦存巖體中，人工建立儲(chǔ)層，回采有經(jīng)濟(jì)意義的地?zé)豳Y源的技術(shù)”。綜合考慮熱儲(chǔ)溫度對(duì)發(fā)電效率和設(shè)備要求的影響，MIT( 2006) 在其關(guān)于EGS 的權(quán)威展望報(bào)告中，明確地將EGS 的經(jīng)濟(jì)成儲(chǔ)溫度定在150℃，最佳開(kāi)采溫度為200℃左右。

 

  類似技術(shù)在1970 年代剛興起時(shí)稱為HDR ( HotDry Rock) ，中譯干熱巖，其后亦有文獻(xiàn)使用EngineeredGeothermal System ( EGS) 和Hot FracturedRock ( HFR) 。近年普遍使用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)( EGS) 這一術(shù)語(yǔ)，一方面強(qiáng)調(diào)了其工程技術(shù)的屬性，另一方面體現(xiàn)了從局部巖體圈定熱儲(chǔ)向普遍的地?zé)?/a>資源潛力評(píng)價(jià)的勘探思路的轉(zhuǎn)變。

 

  作者結(jié)合大量的EGS 和傳統(tǒng)水熱地?zé)?a href="http://www.hnsfzikao.com/t/資源.html" >資源相關(guān)文獻(xiàn)，概括對(duì)比了EGS 資源的特點(diǎn)( 表1) : EGS最大的優(yōu)勢(shì)在于其熱儲(chǔ)的溫度一般在150℃以上，與回灌溫度( abandon temperature) 之間溫差一般在100℃以上，而傳統(tǒng)水熱資源可利用溫差一般低于50℃，兩者相差2 ～ 3 倍。對(duì)于地?zé)岚l(fā)電體系，供熱流體溫度每升高10℃，總發(fā)電效率可增加0． 8%( MIT，2006; Kreuter and Kapp，2008) ，高溫?zé)嵩?/a>會(huì)大大提高地?zé)岚l(fā)電經(jīng)濟(jì)性，這也是整個(gè)EGS 技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)。

 

  1． 2 國(guó)外研發(fā)現(xiàn)狀及主要方向

 

  世界上第一個(gè)EGS 發(fā)電試驗(yàn)項(xiàng)目Fenton Hill項(xiàng)目于1973 年誕生在美國(guó)，隨后英、法、日、澳等國(guó)相繼開(kāi)展試驗(yàn)研究和應(yīng)用。對(duì)比各大洲EGS 項(xiàng)目區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，可以看到: ( 1) 以肘折( Hijiori) 為代表的日本EGS 熱田均分布在島弧火山巖帶，即環(huán)太平洋“火環(huán)”上; ( 2) 以Cooper 盆地為代表的澳大利亞EGS 熱田勘查區(qū)分布在澳大利亞大陸東南緣的擠壓推覆帶中，熱源主要是深部富放射元素的巨型花崗巖體; ( 3) 以Fenton Hill 為代表的北美EGS 熱田和前景區(qū)主要位于北美西部盆嶺省中、新生代火山巖體相近的裂谷地塹區(qū)，區(qū)域上處于張應(yīng)力場(chǎng)中;( 4) 歐洲目前的EGS 項(xiàng)目多展布于NEE 走向縱貫西歐的萊茵河新生代裂谷地塹中( Genter et al． ，2003) ，具有極高熱流值( ＞ 90 MW/m2 ) ，另外阿爾卑斯造山帶內(nèi)的前陸磨拉石盆地和弧后盆地中也存在與年輕火山巖相關(guān)的地?zé)岙惓^(qū)。

 

  麻省理工學(xué)院( MIT，2006) 為美國(guó)聯(lián)邦政府編寫的EGS 技術(shù)展望報(bào)告系統(tǒng)論述了EGS 的發(fā)展、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)各方面內(nèi)容; Cloetingh et al． ( 2010) 基于歐洲巖石圈與熱結(jié)構(gòu)的地質(zhì)分析對(duì)歐洲EGS 勘探開(kāi)發(fā)提供了藍(lán)本。法國(guó)、德國(guó)、瑞士等國(guó)家在EGS 試驗(yàn)研究方面積累了詳盡的資料，如法國(guó)Soultz-Sous-Forêts 的EGS 項(xiàng)目已發(fā)表了40 余篇博士論文( Genteret al． ，2010) 。而澳大利亞和日本的EGS 開(kāi)發(fā)由于火成巖體熱儲(chǔ)條件好，主要是民間商業(yè)機(jī)構(gòu)在承擔(dān)EGS 開(kāi)發(fā)。

 

  目前EGS 研究的熱點(diǎn)主要涉及: ( 1) 深部應(yīng)力與壓裂模擬和實(shí)驗(yàn)( Pruess et al． ，1999; Sanyal andButler，2005; Legarth et al． ，2005; Zimmermann etal． ，2010; ) : 研究深部應(yīng)力場(chǎng)下裂隙的取向、頻度、連通性及其對(duì)采熱性能的影響; ( 2) 高溫下水巖相互作用( MacDermott et al． ，2006; Fritz et al． ，2010) : 探討200℃環(huán)境下巖體成分的溶解、沉淀及其對(duì)流體回路的短路和封堵及對(duì)巖體滲透率的影響; ( 3) 替代流體采熱( Brown，2000; Fouillac et al． ，2004; Pruess et al． ，2006; Atrens et al． ，2010; Fardet al． ，2010 等) : 基于超臨界二氧化碳的低粘度、低溶解能力和較大的虹吸浮力效應(yīng)等特征，探討使用超臨界CO2采熱的可行性; ( 4) 誘發(fā)地震( Majer etal． ，2007; Evans et al．， 2011) : 基于微震觀測(cè)描述儲(chǔ)層壓裂情況和壓裂誘發(fā)可感地震的矛盾，論證EGS 采熱的地震安全性; ( 5) EGS 經(jīng)濟(jì)模型( MIT，2006) 等。

 

  2 渤海灣盆地區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)與熱結(jié)構(gòu)

 

  我國(guó)大陸在地殼熱狀態(tài)上存在明顯的分帶，總體體現(xiàn)為大地熱流值東部高、西部低，東部沿海和喜馬拉雅構(gòu)造帶等活動(dòng)構(gòu)造區(qū)熱流值高、中西部穩(wěn)定、陸內(nèi)環(huán)境熱流值低的特點(diǎn)。陳墨香等( 1994) 提出有“兩帶”( 喜馬拉雅帶和東南沿海帶) 、“一大片”

 

  ( 黃淮海平原) 和“兩小片”( 渭河谷地和雷瓊盆地)是我國(guó)開(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源最有利的地帶。

 

  東部盆地區(qū)平均大地?zé)崃髦翟?5 MW/m2 以上( 汪洋， 1999) ，高于全球大陸平均值。其中在高熱流區(qū)域如渤海灣盆地已經(jīng)有部分熱田的開(kāi)采，如冀中熱田、天津塘沽、武清熱田等。但賦存的地?zé)豳Y源屬于中低溫型水熱資源，水溫低于90℃( 陳墨香等，1988， 1994; 汪洋等， 2006) 。

 

  華北盆地狹義上指渤海灣盆地的陸上部分，為北部燕山、西部太行山、東部郯廬斷裂系和南部揚(yáng)子板塊邊緣所圍限。關(guān)于渤海灣中新生代盆地的成因有多種看法，如俯沖轉(zhuǎn)換成因( 陳發(fā)景等，1996) 、走滑拉分成因( 侯貴廷等，2001) 、地幔柱－ 大陸裂谷成因( 邵濟(jì)安等，2003，2008; 路鳳香等，2006) 等。

 

  本區(qū)自晚中生代以來(lái)進(jìn)入盆地演化，先后發(fā)育了NE向和NNE 向“凹－ 凸－ 凹”構(gòu)造，42 Ma 以來(lái)經(jīng)歷了應(yīng)力場(chǎng)的轉(zhuǎn)向( 韓文功等，2005) ，“凹－ 凸”體系相互疊合，形成了典型的“盆－ 嶺式”基底。

 

  不論何種成因，在現(xiàn)今地表的地?zé)犸@示上，華北盆地兩緣呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的NNE 走向帶，展布著溫泉、熱流測(cè)點(diǎn)高值、新生代火山巖等。邵濟(jì)安等( 2008) 對(duì)華北地臺(tái)北緣東西向大剖面的新生代火山巖進(jìn)行年代學(xué)研究以及對(duì)華北北部淺部構(gòu)造的研究，給出了火成巖年齡“中間老，兩側(cè)新”的結(jié)論，并建立了大陸裂谷演化的模型。從這一模型可以看出，晚中生代以來(lái)演化的華北裂谷系在第四紀(jì)仍有活動(dòng)，如裂谷帶西翼的大同盆地火山巖年齡報(bào)道最新為0． 1 ～ 0． 15 Ma。徐義剛等( 1995) 利用地幔橄欖巖包體研究了中國(guó)東部上地幔的熱狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)東部上地幔熱狀態(tài)遠(yuǎn)高于大洋地殼和穩(wěn)定的南非Kaapval 大陸地盾，近似于澳大利亞?wèn)|南部的上地幔等溫線。這反映了新生代裂谷背景下的軟流圈的上凸和深部巖漿活動(dòng)。國(guó)家地震局( 1986) 匯編的上地幔地球物理探測(cè)成果顯示，華北盆地區(qū)的莫霍面深度( 30 ～ 35 km) 、居里面深度( 16 ～ 26 km) 均低于典型大陸地盾。

 

  熊亮萍( 1993) 等利用FORTRAN 語(yǔ)言編寫的程序基于一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模擬了基底構(gòu)造起伏對(duì)熱流的折射和再分配; Pruess 等( 2006) 使用TOUGH2 等對(duì)水熱型地?zé)豳Y源進(jìn)行的模擬也被廣泛應(yīng)用。以往的軟件模塊復(fù)雜，結(jié)果不直觀。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的資源評(píng)價(jià)，主要考慮的是深部傳導(dǎo)型熱資源的分配，而非近地表的水文地質(zhì)條件，因此適用于有限元熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行模擬。目前有限元分析軟件已有長(zhǎng)足的發(fā)展，包括ANSYS、ADINA、ABAQUS 等已廣泛用于工程計(jì)算。其中由Adina R＆D Inc 研發(fā)的ADINA軟件，擅于解決復(fù)雜工程有限元問(wèn)題，并專有Thermal模塊求解熱問(wèn)題。本文應(yīng)用ADNIA 軟件模擬橫切渤海灣盆地的順義－ 武清剖面和保定－ 歧口剖面上的熱流分配和溫度場(chǎng)。

 

  對(duì)沉積盆地?zé)崾返难芯勘砻?，巖石圈尺度的熱松弛時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，可達(dá)到幾百個(gè)Ma( 胡圣標(biāo)和汪集旸， 1995; 付明希等， 2004) ，而華北盆地的構(gòu)造演化史和熱流狀態(tài)反映了目前其熱演化趨于平衡的階段，因而可以認(rèn)為華北大地地溫場(chǎng)處于穩(wěn)態(tài); 則地質(zhì)體的比熱和熱擴(kuò)散率不影響地溫場(chǎng)的分配。參考熊亮萍( 1993) 對(duì)華北地層層序巖心樣品的熱導(dǎo)率測(cè)試值( 見(jiàn)表2) 對(duì)區(qū)域典型剖面的層序賦值，通過(guò)ADINA － T 模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)剖面的有限元模擬。

 

  3． 2 建立模型的方法

 

  華北盆地中生代以來(lái)的基底樣式經(jīng)歷了42 Ma左右的應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變( 韓文功等，2001) ，目前主要體現(xiàn)為NNE 向“凹－ 凸－ 凹”基底形態(tài)疊加于NEE 向“凹－ 凸－ 凹”形態(tài)之上。因此選取NW 和EW 走向橫切盆地的順義－ 武清和保定－ 歧口兩個(gè)剖面，反映基底和蓋層的埋深和水平變化。

 

  順義－ 武清剖面采用漆家福等( 2004) 的文獻(xiàn)資料，保定－ 歧口剖面采用陳墨香( 1988) 、張菊明( 1993) 文獻(xiàn)中引用的原石油工業(yè)部剖面資料。剖面形態(tài)分別如圖3a，4 a 所示。在Adina 軟件中建立剖面模型并求解，過(guò)程如下。

 

  ( 1) 建立模型框架。將原始資料投影在坐標(biāo)紙上轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)輸入。Adina 只接受三或四個(gè)線單元圍限的平面，因此需對(duì)復(fù)雜面單元的邊長(zhǎng)線進(jìn)行連結(jié)或?qū)γ鎲卧M(jìn)行再分割。

 

  ( 2) 定義面單元。將不同地層劃分為封閉的面單元。為避免有限元分割時(shí)產(chǎn)生重疊和縫隙，模型中不能出現(xiàn)凹多邊形，且面單元間必須緊密接觸，即相鄰的面單元必須共用邊界，不能對(duì)共用邊和非共用邊進(jìn)行連結(jié)。為截取剖面信息方便，在單元間定義“模型線”直接求取特征值。

 

  ( 3) 建立材料庫(kù)。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，將不同層序的巖石熱導(dǎo)率按均質(zhì)各向同性材料屬性賦值。根據(jù)模型的尺度和要求結(jié)果的精度確定有限元分割參數(shù)，順義－ 武清剖面長(zhǎng)90 km，保定－ 歧口剖面長(zhǎng)190km，采取10 km 深處為底部邊界條件面，據(jù)此定義有限元分割尺度為200 m 和250 m。

 

  ( 4) 對(duì)模型施加邊界條件，地表恒溫層取15℃， 10 km 等溫面處分別根據(jù)汪洋等( 2006) 繪制的“華北華南10 km 深度溫度平面圖”和陳墨香等( 1988) 使用剖面上24 口鉆井的實(shí)測(cè)地溫數(shù)據(jù)迭代檢驗(yàn)得出的地溫值，剖面3a 為220℃，4a 為240℃，等熱流值根據(jù)剖面上的任23、歧91 等井實(shí)測(cè)熱流值迭代檢驗(yàn)得出60 mW/m2。運(yùn)行處理器。

 

  ( 5) 將模擬結(jié)果用溫度場(chǎng)云圖表示，如圖3b，4b 所示; 熱流值圖如圖3c，4 c 所示。分別截取新生界底面和5 km 等深面的“模型線”畫(huà)溫度曲線。如圖3d，4 d 所示。

 

  3． 3 結(jié)果分析

 

  通過(guò)對(duì)兩個(gè)典型剖面的模擬，可以得到如下結(jié)論:

 

  ( 1) 對(duì)于復(fù)雜形態(tài)地質(zhì)體熱傳導(dǎo)問(wèn)題，有限元分析方法能給出直觀準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。其輸入條件包括深剖面的測(cè)制、巖石熱導(dǎo)率、頂?shù)捉缑娴臏囟群蜔崃鬟吔鐥l件等;( 2) 基底起伏對(duì)等溫線的影響為“鏡面”式，在基底凸起區(qū)淺部等溫線上凸，深部等溫線下凹。在適宜EGS 采熱的地下5 km 深度左右，凹陷區(qū)的地溫場(chǎng)更高。

 

  ( 3) 近地表熱流值總體體現(xiàn)為基底凸起區(qū)高、凹陷區(qū)低的趨勢(shì)，最大熱流值出現(xiàn)在基底凸起的兩肩上。但由于地表冷水等復(fù)雜因素影響，近地表熱流值可能與模擬結(jié)果有差異。

 

  ( 4) 熱流值是一個(gè)勢(shì)差概念，能夠大體反映區(qū)域散熱狀態(tài)，但在近地表由于受到巖性水平變化的影響，即使在10 km 范圍內(nèi)也可能有幾十mW/m2的差別。測(cè)得的地表高熱流值與深部高地溫不一定有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

 

  ( 5) 基于渤海灣盆地典型剖面的地溫場(chǎng)模擬，新生界底部溫度可達(dá)近200℃，凹陷區(qū)5 km 深處溫度在150℃以上甚至180℃，適合于增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開(kāi)采地?zé)?/a>。圖5 根據(jù)渤海灣盆地陸上基底構(gòu)造分區(qū)，圈定了有利于開(kāi)展增強(qiáng)型低熱系統(tǒng)采熱的區(qū)域。

  4 渤海灣盆地地?zé)豳x存條件的比較研究

 

  4． 1 渤海灣盆地區(qū)與其他EGS 試驗(yàn)區(qū)的溫度應(yīng)力場(chǎng)條件對(duì)比目前增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)研究熱點(diǎn)的地區(qū)主要是歐洲萊茵河裂谷地塹系、北美西部盆嶺省和日本。圖6，7，8顯示了萊茵河裂谷和北美盆嶺省的地溫場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

 

  二者在大地構(gòu)造和地溫特征上有很多共同點(diǎn):

 

  ( 1) 均處于深部地溫和大地?zé)崃鞲咧祬^(qū); ( 2) 處于克拉通破壞( decratonization) ，軟流圈上凸的裂谷區(qū); ( 3) 具有裂谷式地塹或盆嶺構(gòu)造，應(yīng)力場(chǎng)主要為走滑和張性正斷性質(zhì); ( 4) 淺部或近地表具有新生代火山巖體; ( 5) 與大型油氣田伴生。相比之下，渤海灣盆地具有其中大部分特點(diǎn)，根據(jù)前文模擬和表3 所示一些實(shí)際深鉆井的地溫?cái)?shù)據(jù)可知，渤海灣盆地整體地溫場(chǎng)條件優(yōu)于北美盆嶺省，熱流條件較萊茵河谷地稍低但蓋層保溫條件較好，應(yīng)力場(chǎng)條件與兩者相似; 在盆地西緣的大同、錫林浩特和東緣的山東半島北部都出露有新生代火山巖分布，在剖面上，渤海灣盆地的新生代火山巖層序始于古新統(tǒng)孔店組，可一直到上新世或更新世，提供了熱源和儲(chǔ)層條件。此外中國(guó)東部的松遼盆地、蘇北盆地、山西－ 汾渭地塹系等構(gòu)造單元都具有類似特征，均可以作為深部增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)資源勘查的優(yōu)選區(qū)域。

 

  另外，由于增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)需要對(duì)深部巖石實(shí)現(xiàn)壓裂成儲(chǔ)，最適宜的應(yīng)力條件為臨界走滑狀態(tài)( Barton et al． ，1995; McClure，2009; Zimmermannet al． ，2010) 。即巖石在剪破裂方向上靜摩擦很小，只需要很小的應(yīng)力即可發(fā)生破裂。圖9 顯示了先存斷裂在走滑體制下形成復(fù)雜裂隙面的機(jī)制，斷裂通過(guò)形成“階步式”的裂隙區(qū)消耗走滑分量，最終形成垂直于走滑方向的孔隙或裂隙帶。渤海灣盆地的基底在晚三疊世以前是擠壓應(yīng)力形成的褶皺和NNE － NE 向的逆斷層，中新生代以來(lái)反復(fù)經(jīng)過(guò)“擠壓－ 引張－ 擠壓”的循環(huán)，現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)體現(xiàn)為NWW方向的擠壓兼走滑( 漆家福等，2004) ，這為古老基底斷裂的繼承性發(fā)展提供了較好的應(yīng)力條件，也構(gòu)成了適宜壓裂的臨界走滑應(yīng)力場(chǎng)。

 

  4． 2 資源潛力評(píng)價(jià)與儲(chǔ)層管理

 

  本文沿用陳墨香等( 1988) 的基底區(qū)塊劃分方案，對(duì)渤海灣盆地陸上有蓋層部分區(qū)域的EGS 資源潛力進(jìn)行了概算，所用參數(shù)為: ( 1) 巖石比熱容取0． 9kJ /kg·K( 白云巖和砂巖) ; 比重元古界白云巖取3． 0g /cm3，中新生界砂巖取2． 5 g /cm3 ; ( 2) 地溫根據(jù)前文模擬結(jié)果對(duì)凹陷區(qū)取5km 深處170 ～175℃，凸起區(qū)取150℃，以150℃為計(jì)算熱資源量的邊界溫度; ( 3) Sanyal and Butler( 2005) 的數(shù)值模擬表明，對(duì)于中等以上規(guī)模的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，按巖體溫度200℃計(jì)算，其熱電轉(zhuǎn)換比值恒定為0． 026We /m3，不受井口布置、流體流速等影響，據(jù)此計(jì)算發(fā)電量; ( 4) 基于渤海灣盆地5km 深處地溫凸起區(qū)在150℃左右，凹陷區(qū)在170℃左右的情況，其采熱效率應(yīng)低于200℃巖體，因此在計(jì)算發(fā)電容量時(shí)分別乘以熱電轉(zhuǎn)換效率系數(shù)11% /14%和12% /14%( 據(jù)MIT，2006) 。

 

  分區(qū)塊資源概算結(jié)果列于表4。由結(jié)果可知渤海灣盆地區(qū)4 ～ 6km 內(nèi)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)可及資源量按150℃以上計(jì)算為377500 萬(wàn)kW，相當(dāng)于目前中國(guó)地?zé)崂?/a>總裝機(jī)容量的425 倍，或三峽工程總裝機(jī)容量的170 倍。

  對(duì)于傳統(tǒng)水熱型地?zé)豳Y源，熱能的載體孔隙水開(kāi)采后的補(bǔ)給和加熱速率很慢，因此資源量概算一般基于留存水層的最大允許沉降量( 陳墨香等，1994) 。而增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)采熱由于其流體循環(huán)的性質(zhì)，熱消耗速度直接取決于周圍巖體對(duì)壓裂部分的補(bǔ)給速度，因此在實(shí)際開(kāi)采中通過(guò)多井輪采等手段可采資源量將進(jìn)一步提升。但在儲(chǔ)層性質(zhì)上有很多因素影響EGS 電站的實(shí)際熱儲(chǔ)量、可采性和開(kāi)采年限，諸如巖石的熱學(xué)性質(zhì)和流體的短路、漏失，以及儲(chǔ)層穩(wěn)定性等。較早的EGS 項(xiàng)目一般都將花崗巖侵入體作為勘探對(duì)象，近年來(lái)大量文獻(xiàn)和項(xiàng)目表明在砂巖等沉積蓋層和基底結(jié)晶巖等致密高熱巖石中采熱才代表了EGS 的大部分資源潛力( MIT，2006; Zimmermann et al． ，2010) 。在華北區(qū)域地層層序中，第三紀(jì)以來(lái)的花崗巖、玄武巖，中侏羅統(tǒng)至下白堊統(tǒng)的砂巖、石英砂巖，上元古系底部常州溝組和大紅峪組砂巖、石英巖，以及太古界的變質(zhì)結(jié)晶基底均可作為EGS 儲(chǔ)層。但這些地層在露頭上出露厚度變化較大，深部埋藏情況還需要深鉆和深地震剖面的資料解釋。而東部的下遼河凹陷和松遼盆地中部近年補(bǔ)充了大量深鉆井數(shù)據(jù)，亦可參考渤海灣盆地為例，開(kāi)展增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的研究試驗(yàn)。

 

  根據(jù)現(xiàn)有地震和鉆井資料，華北區(qū)埋深5 km 處大部分處于上元古界巨厚的碳酸鹽巖基底中。關(guān)于巖溶裂隙中實(shí)現(xiàn)流體連通性，曾梅香等( 2008) 已就天津熱田的回灌情況有所討論。如能試驗(yàn)解決巖溶可能導(dǎo)致的流徑短路和鹽沉淀問(wèn)題，將大大提升華北地區(qū)可采EGS 的資源潛力。

 

  5 討論與結(jié)論

 

  隨著全球能源日趨緊張和國(guó)家利益角力日益激烈，發(fā)展清潔的地?zé)崮茉?/a>已成為中國(guó)面臨的必然選擇。而我國(guó)的地?zé)峄A(chǔ)研究自上世紀(jì)九十年代以來(lái)進(jìn)展較慢，雖取得了一些基礎(chǔ)性成果但作為能源戰(zhàn)略基礎(chǔ)的資料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。近年由于增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)和地源熱泵技術(shù)的重提和發(fā)展，全球地?zé)嵫芯?/a>與應(yīng)用進(jìn)入了又一個(gè)高峰，我國(guó)理應(yīng)充分認(rèn)識(shí)前沿進(jìn)展并針對(duì)有利的大地構(gòu)造環(huán)境和地?zé)釛l件開(kāi)展研發(fā)試驗(yàn)。以渤海灣盆地為代表的東部盆地體系具有應(yīng)用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的廣闊前景，對(duì)華北典型剖面的地溫場(chǎng)模擬及與世界其它主要EGS 開(kāi)發(fā)國(guó)家的地質(zhì)條件對(duì)比能夠得出如下結(jié)論:

 

  ( 1) 中國(guó)東部巖石圈具有典型的克拉通破壞特征，軟流圈上隆，大地?zé)崃髦蹈?，地?zé)豳Y源賦存條件好，渤海灣盆地和東部其他盆地具有EGS 開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)地質(zhì)條件;( 2) 渤海灣盆地新生界凹陷對(duì)應(yīng)的5 km 深處地溫場(chǎng)在150 ～ 180℃，深部地溫場(chǎng)的分布與巖石熱導(dǎo)率的垂向和橫向變化直接相關(guān)，與地表實(shí)測(cè)熱流值沒(méi)有必然聯(lián)系。基底的埋深變化對(duì)地溫場(chǎng)有“鏡面式”的影響，在5 km 處凹陷區(qū)地溫更高;( 3) 深剖面的測(cè)制和巖心樣品熱導(dǎo)率的測(cè)定能為研究傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源提供基礎(chǔ)資料。EGS 型資源勘探重點(diǎn)應(yīng)放在模擬地溫場(chǎng)較高的深部基底，而非局限于地表的高熱流值區(qū)域。我國(guó)渤海灣、蘇北、松遼盆地積累了大量的油田鉆井資料，可用于對(duì)深部地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)進(jìn)行數(shù)值約束和精化;( 4) 我國(guó)華北地區(qū)動(dòng)力能源供需矛盾相當(dāng)緊張，渤海灣盆地發(fā)展增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)不但在地質(zhì)上可行，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益上也具有重要意義?；谀壳耙延腥舾蔁崽镩_(kāi)采和地?zé)崂?/a>，可以發(fā)展多層次的地?zé)崽菁?jí)利用: 高溫?zé)嵩?/a>用于發(fā)電，中低溫熱源用于輔助發(fā)電和采暖、空調(diào)等傳統(tǒng)地?zé)崂?/a>。