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工程地質(zhì)

西藏羊八井地區(qū)高溫巖體地?zé)衢_采方案研究

  1 引 言
 
  高溫巖體地?zé)豳Y源是指溫度在200 ℃以上的巖體中蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y源。雖然地球內(nèi)部的熱量對(duì)人類來(lái)說(shuō)是無(wú)限的，但就目前的開發(fā)成本和技術(shù)而言，卻僅有極小部分高溫巖體地?zé)?/a>資源可供人類開發(fā)利用。由于高溫巖體具有溫度恒定且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此，高溫巖體地?zé)?/a>資源的人工開發(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(guó)際上，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的高溫巖體地?zé)嵫芯?/a>專家按照地?zé)?/a>梯度對(duì)全世界高溫巖體地?zé)豳Y源進(jìn)行了較為詳細(xì)的評(píng)價(jià)[1]。在美國(guó)，深度小于10 km、地?zé)?/a>梯度大于45℃/km 的易于開發(fā)區(qū)，高溫巖體地?zé)豳Y源量為6.5×105Quads，遠(yuǎn)大于全世界化石能源總量[2]。全世界地殼10 km 以內(nèi)高溫巖體地?zé)?a href="http://www.hnsfzikao.com/t/資源.html" >資源總量為40～400MQuads，相當(dāng)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?zé)?a href="http://www.hnsfzikao.com/t/資源.html" >資源是巨大的、可供人類使用數(shù)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(duì)化石能源逐漸枯竭的現(xiàn)實(shí)，全世界應(yīng)該大力開發(fā)高溫巖體地?zé)徇@一新型的能源。
 
  我國(guó)境內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的高溫巖體地?zé)豳Y源。在西南地區(qū)，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?zé)岙惓?，其中?a href="http://www.hnsfzikao.com/t/西藏羊八井.html" >西藏羊八井、云南騰沖就是典型的高溫巖體地?zé)岙惓^(qū)；在東南部，受菲律賓板塊的構(gòu)造作用，形成了臺(tái)灣、海南和東南沿海一帶的高地?zé)崽荻葏^(qū)；在東部由于受太平洋板塊的影響，形成了長(zhǎng)白山、五大蓮池等休眠火山或火山噴發(fā)區(qū)和天津、北京、山東等高地?zé)崽荻葏^(qū)[4]。這些地區(qū)都是具有良好開發(fā)前景的地?zé)豳Y源區(qū)。
 
  目前，全世界高溫巖體地?zé)豳Y源開采與利用并未形成巨大的開發(fā)規(guī)模，在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例仍然很小，其主要原因是開采技術(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(chǔ)留層建造技術(shù)不成熟；另一主要影響因素是高溫巖體地?zé)崽荻绕?，?dǎo)致開發(fā)成本較高。借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，針對(duì)我國(guó)高溫巖體地?zé)豳Y源賦存的宏觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，考慮溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合作用規(guī)律，研究中國(guó)高溫巖體地?zé)衢_采技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)這一巨大的綠色能源的經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)，是中國(guó)巖石力學(xué)界面臨的重大任務(wù)。
 
  西藏羊八井地?zé)犭娬?/a>是我國(guó)著名的地?zé)犭娬?/a>，但經(jīng)過(guò)20 多年的開采，羊八井熱田熱儲(chǔ)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(jī)組的滿負(fù)荷運(yùn)行。
 
  地球物理勘探資料表明，羊八井地?zé)崽?/a>深部5～15 km 內(nèi)存在熔融狀態(tài)的巖漿囊，巖漿囊外層溫度為500 ℃，地?zé)崽荻雀哌_(dá)45 ℃/km，熱儲(chǔ)為花崗巖，是高品位高溫巖體地?zé)豳Y源。目前開采的只是熱田淺部熱水資源，僅占熱田地?zé)豳Y源的極小部分。
 
  因此，合理開發(fā)與利用羊八井地區(qū)深部高溫巖體地?zé)豳Y源，是確保熱田地?zé)豳Y源后續(xù)接替、提升羊八井地?zé)?/a>電站發(fā)電能力的必然選擇。
 
  本文以巨型巖體結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合作用分析為基礎(chǔ)，以西藏羊八井高溫巖體地?zé)衢_采為例，系統(tǒng)介紹確定高溫巖體地?zé)衢_采方案的研究分析方法。
 
  2 羊八井高溫巖體地?zé)釡囟?/a>場(chǎng)分布與熱能資源估算當(dāng)雄—羊八井盆地位于念青唐古拉山ES 側(cè)，為一狹長(zhǎng)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(gòu)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(jù)大地電磁探(MT)成果表明，在羊八井熱田北區(qū)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(cè)資料表明，在羊八井熱田北區(qū)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(jù)熱田地下熱水氫、氧同位素分析結(jié)果，熱水具有現(xiàn)代大氣降水及地表水滲入來(lái)源特征，補(bǔ)給高程一般在4 860 m 左右，與當(dāng)?shù)匮┚€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?cái)嗔褞B入地下，不斷補(bǔ)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?cái)鄬由闲?，在一個(gè)較封閉的裂隙系統(tǒng)中形成高溫熱儲(chǔ)。當(dāng)流體上行受阻后，循環(huán)壓力將向SE 方向擴(kuò)散，主流沿NW 向SE 方向水平運(yùn)動(dòng)形成淺層熱儲(chǔ)。
 
  根據(jù)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?zé)釁^(qū)域的溫度場(chǎng)分布有限元計(jì)算分析[6]，其結(jié)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(zhǎng)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(dá)4.5 ℃/100 m。
 
  根據(jù)Z. H. Wu 等[7]的研究，當(dāng)雄—羊八井盆地水平距離/km下熔融體NE 向展布長(zhǎng)度約150 km 以上，由此通過(guò)計(jì)算可以獲得深部7～18 km 范圍內(nèi)的熔融體所蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y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(jì)算，求得總的地?zé)崮茉?/a>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(jī)容量5×107 kW 計(jì)算，該能源量可供發(fā)電1.8×104 a。由此可見(jiàn)，羊八井地區(qū)深部蘊(yùn)藏著巨大的綠色能源，是亟待開發(fā)的最優(yōu)質(zhì)的接替能源。
 
  羊八井地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)直接影響今后羊八井地?zé)?/a>田深部熱儲(chǔ)層地?zé)豳Y源的開發(fā)利用。張春山等[8]在羊八井地區(qū)采用壓磁應(yīng)力解除法進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，在羊八井地區(qū)布置了4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于堆龍曲右岸(Ybj1，Ybj2 號(hào)測(cè)點(diǎn))、堆龍曲左岸109國(guó)道的左側(cè)(Ybj3，Ybj4 號(hào)測(cè)點(diǎn))，所測(cè)巖體為中粗粒斜長(zhǎng)花崗巖。盡管地表節(jié)理裂隙發(fā)育，但在地應(yīng)力實(shí)測(cè)深度部位巖石相對(duì)完整，所測(cè)結(jié)果如表1 及圖4 所示。在羊八井地區(qū)最大水平主應(yīng)力為NE-NEE向，最大水平主應(yīng)力為3.3～10.4 MPa，最小水平主應(yīng)力為2.5～8.4 MPa。
 
  徐紀(jì)人等[9]根據(jù)1972～2000 年羊八井地區(qū)發(fā)生的20 個(gè)中強(qiáng)地震震源機(jī)制解確定了主壓應(yīng)力軸P和主張應(yīng)力軸T 的水平投影(見(jiàn)圖5)和EW向垂直剖面投影研究結(jié)果(見(jiàn)圖6)。圖例處M 為震級(jí)，N 為地震次數(shù)。雖然高原中南部應(yīng)力場(chǎng)主壓、主張應(yīng)力方向與青藏高原的整體特征相符，但是地震發(fā)生類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(kuò)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(qū)附近，EW 向擴(kuò)張應(yīng)力場(chǎng)在巖石圈應(yīng)力場(chǎng)中起到主導(dǎo)性作用，推測(cè)其控制深度可達(dá)巖石圈底部100 km 以下。青藏高原地?zé)岙惓^(qū)在強(qiáng)烈的近EW 向擴(kuò)張應(yīng)力場(chǎng)作用下，巖石圈EW向擴(kuò)張并發(fā)生一系列大規(guī)模的正斷層活動(dòng)，致使深部軟流圈高溫熱流可以沿著活動(dòng)正斷層及其形成的深裂隙上涌，穿過(guò)巖石圈到達(dá)地表面，形成了高溫地?zé)?/a>異常區(qū)。
 
  4 羊八井深部高溫巖體地?zé)衢_采技術(shù)
 
  方案分析
 
  根據(jù)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(dāng)雄—羊八井盆地間巨大巖體的呈階梯狀的構(gòu)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(dāng)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?jī)A向一致的小裂縫，其裂縫面沿當(dāng)雄—羊八井盆地走向水平展布，總體呈NE 向。由當(dāng)雄—羊八井盆地地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果和震源機(jī)制解分析可知，其最小水平主應(yīng)力垂直于這些斷層面和裂縫面。
 
  當(dāng)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(dāng)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，F(xiàn)3，F(xiàn)2，F(xiàn)1 共4 個(gè)大斷層。由圖7可知，F(xiàn)1～F5 斷層埋藏深度依次增加，垂直自重應(yīng)力依次增大。在裂縫相對(duì)平緩的區(qū)域，裂縫的法向應(yīng)力基本等于自重應(yīng)力，因此，沿著各斷層的傾斜方向向上，垂直自重應(yīng)力在不斷減小，裂縫滲透系數(shù)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?zé)衢_采技術(shù)方案
 
  以上述構(gòu)造分析為基礎(chǔ)，提出在羊八井盆地中央，F(xiàn)5 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(hù)孔作注水井。在注水井北側(cè)，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(gòu)成了完整的高溫巖體地?zé)衢_采系統(tǒng)。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(qū)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?zé)衢_采期間滲流場(chǎng)形態(tài)分析
 
  當(dāng)從注水井向高溫巖體注水時(shí)，深度8 500～9 000 m，其自重應(yīng)力為210～225 MPa，水的自重應(yīng)力為90 MPa，則地面的注水壓力為130 MPa。沿?cái)鄬訋蛏畈垦由?，自重?yīng)力增加，滲透阻力增大，最主要的流向是沿?cái)鄬酉驕\部延伸，其次是注入水會(huì)沿注水井向兩側(cè)水平滲流，注入60 d 時(shí)的滲流場(chǎng)如圖9 所示。
 
  (3) 人工儲(chǔ)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(qū)段，其垂直高度為4 km，傾斜長(zhǎng)度為25 km，兩側(cè)水平流動(dòng)展布范圍為3 km(單側(cè)1.5 km)，則有3×1011 m3的破碎巖體可作為高溫巖體地?zé)衢_發(fā)的人工儲(chǔ)留層，它是1980～1988 年英國(guó)Cornwall 高溫巖體地?zé)衢_采建造的人工儲(chǔ)留層儲(chǔ)量(8.25×108 m3)的360倍[14]，是法國(guó)Soultz 建造的人工儲(chǔ)留層儲(chǔ)量(3.2×108 m3)的937 倍，據(jù)此利用天然地質(zhì)構(gòu)造帶做人工儲(chǔ)留層進(jìn)行高溫巖體地?zé)衢_采具有巨大的優(yōu)勢(shì)，也是本方案提出的基本依據(jù)。
 
  此外，由于最小水平主應(yīng)力方向垂直于斷層面，在高壓水的作用下，裂縫的擴(kuò)展方向總是垂直于最小主應(yīng)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。
 
  該開采系統(tǒng)內(nèi)的花崗巖容重為2 700 kg/m3，比熱容為1 000 J/(kg·℃)，按150 ℃作為地?zé)衢_采的最低限值，則可提取的熱量按250 ℃取值，由此獲得該開采系統(tǒng)內(nèi)的資源量為6.34×109 kW·a。
 
  按熱量利用的17%計(jì)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(jī)容量的電站，可連續(xù)發(fā)電100 a。若考慮高溫巖體地?zé)衢_采期間高溫熔融體熱量的不斷傳輸，則該區(qū)域所能提取的地?zé)豳Y源量至少要增加2～3 倍。
 
  (4) 工程實(shí)施與投資分析
 
  開發(fā)深部高溫巖體的地?zé)豳Y源關(guān)鍵技術(shù)是水平定向井的施工，其鉆井費(fèi)用也完全集中在水平井施工段。而按照本方案利用當(dāng)雄—羊八井盆地?cái)鄬优c構(gòu)造帶，減少了水平定向井的施工與人工儲(chǔ)留層建造，既避免了水平井施工鉆機(jī)具與技術(shù)難以跨越的障礙，又大量地節(jié)省了資金投入。該工程實(shí)施僅需借助常規(guī)的鉆井裝備與技術(shù)即可完成。
 
  工程費(fèi)用估算：鉆井單價(jià)8 000 元/m，則鉆井費(fèi)用為2.8 億元。
 
  若初期建設(shè)一座1 000 MW 的電站，電廠的裝機(jī)容量單價(jià)616 元/kW，則電廠的建設(shè)費(fèi)用為6.16×108 元。
 
  由于工程較大，有一定風(fēng)險(xiǎn)，因此預(yù)留不可預(yù)計(jì)經(jīng)費(fèi)1×108 元。
 
  上述合計(jì)10×108 元投資，可建造一座1 000 MW的高溫巖體地?zé)犭娬?/a>，年發(fā)電量8.64×109 kW·h。
  圍繞著西藏當(dāng)雄—羊八井盆地高溫巖體地?zé)岬拈_采方案，本文系統(tǒng)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?cái)鄬訕?gòu)造特征、地應(yīng)力大小與方向、開采井布置方案等問(wèn)題，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：
 
  (1) 念青唐古拉山與當(dāng)雄—羊八井盆地深部地下隱伏著巨大的熔融巖漿囊，并對(duì)羊八井高溫巖體地?zé)釁^(qū)域的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行有限元計(jì)算分析。結(jié)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?zé)豳Y源總量為5.4×109MW·a。
 
  (3) 以念青唐古拉山南坡和當(dāng)雄—羊八井盆地巨型巖體的斷層特征與地應(yīng)力方向?yàn)榛A(chǔ)，提出了利用巖漿囊鄰近的斷層剪切滑移帶作為人工儲(chǔ)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?zé)岬募夹g(shù)方案，如此可獲得3×1011 m3 的巨型人工儲(chǔ)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(jī)容量1 000 MW 的高溫巖體地?zé)犭娬?/a>，具有極大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。