渤海湾盆地应用增强型地热系统(EGS)的地质分析

2013-08-17季建清徐芹芹

地质与勘探 2013年1期

蒋林，季建清，徐芹芹

(1.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871;2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029)

0 引言

随着世界能源供需日趋紧张，传统化石能源面临资源短缺和高碳排放的问题，开发利用新能源成为科技发展的热点。不同于化石能源、水力、风能等基于太阳能量的外部能源，地热能来自地球内能，是地球深部残热和地壳放射性核素衰变热的释放，能流稳定，蕴藏巨大，因此，其作为独特的清洁能源日益受到关注。目前发达国家地热研究主要集中于两个主题(Gupta，2007等)，一为深源高温的增强型地热系统(Enhanced geothermal system)，一为浅源低温的地源热泵(Geothermal heat pump)技术。前者通过地壳深部干热岩体采热实现稳定洁净的基荷供电，后者实现小尺度的建筑冷暖空调，并可以通过微电网技术为基础电网提供灵活的峰荷供电。由于采热深度大，增强型地热系统的勘探开发与地壳乃至岩石圈尺度的地质构造和热结构密切相关。

我国大地构造环境处于太平洋、菲律宾、印度几大板块的挤压环境中，东部盆地具有岩石圈减薄、软流圈上涌的特征(汪洋，1999;孙爱群等，2000;邵济安等，2003)，大地热流值测点显示出高于大陆平均水平的热流趋势，地热资源丰富。东部的渤海湾盆地等一系列盆地基底具有典型的盆－岭式基底构造形态，与美国、欧洲、澳大利亚正在开发的EGS热田(MIT，2006;Cloetingh et al.，2011 等)具有相似的构造环境或热背景;同时盆地沉积盖层发育良好，大部分地区基底埋深在5 km以内，为基底散热提供了良好的保温条件，经地温场模拟发现深部热岩体具有很好的开发条件。但目前国内对增强型地热系统研究很少，只有零星的讨论(杨吉龙等，2001;Wan，et al.，2005;康玲等，2009)。本研究结合前人在我国华北区域的研究成果和近年地热技术取得的新进展，以渤海湾盆地为例分析了开发增强型地热系统所需的温度场和应力场条件，对基于地质条件认识增强型地热系统资源及数学模拟有一定参考意义。

1 世界地热发电与增强型地热系统(EGS)应用现状

地热能发电实现了地热能量的便捷储运，相比于直接利用更便于大规模高效率的应用。图1显示了截至2010世界各国地热发电的装机容量(Bertani，2012)。其中中国只有西藏羊八井一处地热电厂，总装机功率24 MW，地热发电量低于环太平洋地热带的日本、菲律宾、印度尼西亚等国家。

1.1 增强型地热系统的概念

国际地热技术合作组织IPGT将增强型地热系统(EGS，Enhanced Geothermal System)定义为“通过向地下打钻并向钻井内注入高压流体，从而增强岩石中原有裂隙，形成与天然地热资源相似的人工热储，随后向裂隙中施工生产井，抽取被岩石热量加热至过热的流体至地表，通过汽轮机等装置发电”。美国能源部定义其为“在低渗低孔隙度地热资源赋存岩体中，人工建立储层，回采有经济意义的地热资源的技术”。综合考虑热储温度对发电效率和设备要求的影响，MIT(2006)在其关于EGS的权威展望报告中，明确地将EGS的经济成储温度定在150℃，最佳开采温度为200℃左右。

类似技术在1970年代刚兴起时称为HDR(Hot Dry Rock)，中译干热岩，其后亦有文献使用Engineered Geothermal System(EGS)和Hot Fractured Rock(HFR)。近年普遍使用增强型地热系统(EGS)这一术语，一方面强调了其工程技术的属性，另一方面体现了从局部岩体圈定热储向普遍的地热资源潜力评价的勘探思路的转变。

作者结合大量的EGS和传统水热地热资源相关文献，概括对比了EGS资源的特点(表1):EGS最大的优势在于其热储的温度一般在150℃以上，与回灌温度(abandon temperature)之间温差一般在100℃以上，而传统水热资源可利用温差一般低于50℃，两者相差2～3倍。对于地热发电体系，供热流体温度每升高10℃，总发电效率可增加0.8%(MIT，2006;Kreuter and Kapp，2008)，高温热源会大大提高地热发电经济性，这也是整个EGS技术的核心优势。

图1 (a)世界主要地热利用国家地热发电装机容量;(b)各大洲地热利用柱状图(据Bertani，2012)Fig.1 (a)Installed capacity of geothermal power plants over the world;(b)Histogram of geothermal utilization in major continents(after Bertani，2012)

表1 EGS地热资源与传统水热型地热资源的比较Table 1 Comparion of EGS geothermal resources with conventional geothermal resources

1.2 国外研发现状及主要方向

世界上第一个EGS发电试验项目Fenton Hill项目于1973年诞生在美国，随后英、法、日、澳等国相继开展试验研究和应用。对比各大洲EGS项目区的地质环境，可以看到:(1)以肘折(Hijiori)为代表的日本EGS热田均分布在岛弧火山岩带，即环太平洋“火环”上;(2)以Cooper盆地为代表的澳大利亚EGS热田勘查区分布在澳大利亚大陆东南缘的挤压推覆带中，热源主要是深部富放射元素的巨型花岗岩体;(3)以Fenton Hill为代表的北美EGS热田和前景区主要位于北美西部盆岭省中、新生代火山岩体相近的裂谷地堑区，区域上处于张应力场中;(4)欧洲目前的EGS项目多展布于NEE走向纵贯西欧的莱茵河新生代裂谷地堑中(Genter et al.，2003)，具有极高热流值(＞90 MW/m2)，另外阿尔卑斯造山带内的前陆磨拉石盆地和弧后盆地中也存在与年轻火山岩相关的地热异常区。

麻省理工学院(MIT，2006)为美国联邦政府编写的EGS技术展望报告系统论述了EGS的发展、技术、经济各方面内容;Cloetingh et al.(2010)基于欧洲岩石圈与热结构的地质分析对欧洲EGS勘探开发提供了蓝本。法国、德国、瑞士等国家在EGS试验研究方面积累了详尽的资料，如法国Soultz-Sous-Forêts的EGS项目已发表了40余篇博士论文(Genter et al.，2010)。而澳大利亚和日本的EGS开发由于火成岩体热储条件好，主要是民间商业机构在承担EGS开发。

目前EGS研究的热点主要涉及:(1)深部应力与压裂模拟和实验(Pruess et al.，1999;Sanyal and Butler，2005;Legarth et al.，2005;Zimmermann et al.，2010;):研究深部应力场下裂隙的取向、频度、连通性及其对采热性能的影响;(2)高温下水岩相互作用 (MacDermott et al.，2006;Fritz et al.，2010):探讨200℃环境下岩体成分的溶解、沉淀及其对流体回路的短路和封堵及对岩体渗透率的影响;(3)替代流体采热(Brown，2000;Fouillac et al.，2004;Pruess et al.，2006;Atrens et al.，2010;Fard et al.，2010等):基于超临界二氧化碳的低粘度、低溶解能力和较大的虹吸浮力效应等特征，探讨使用超临界CO2采热的可行性;(4)诱发地震(Majer et al.，2007;Evans et al.，2011):基于微震观测描述储层压裂情况和压裂诱发可感地震的矛盾，论证EGS采热的地震安全性;(5)EGS经济模型(MIT，2006)等。

2 渤海湾盆地区域地壳结构与热结构

我国大陆在地壳热状态上存在明显的分带，总体体现为大地热流值东部高、西部低，东部沿海和喜马拉雅构造带等活动构造区热流值高、中西部稳定、陆内环境热流值低的特点。陈墨香等(1994)提出有“两带”(喜马拉雅带和东南沿海带)、“一大片”(黄淮海平原)和“两小片”(渭河谷地和雷琼盆地)是我国开发地热资源最有利的地带。

东部盆地区平均大地热流值在65 MW/m2以上(汪洋，1999)，高于全球大陆平均值。其中在高热流区域如渤海湾盆地已经有部分热田的开采，如冀中热田、天津塘沽、武清热田等。但赋存的地热资源属于中低温型水热资源，水温低于90℃(陈墨香等，1988，1994;汪洋等，2006)。

华北盆地狭义上指渤海湾盆地的陆上部分，为北部燕山、西部太行山、东部郯庐断裂系和南部扬子板块边缘所围限。关于渤海湾中新生代盆地的成因有多种看法，如俯冲转换成因(陈发景等，1996)、走滑拉分成因(侯贵廷等，2001)、地幔柱－大陆裂谷成因(邵济安等，2003，2008;路凤香等，2006)等。本区自晚中生代以来进入盆地演化，先后发育了NE向和NNE向“凹－凸－凹”构造，42 Ma以来经历了应力场的转向(韩文功等，2005)，“凹－凸”体系相互叠合，形成了典型的“盆－岭式”基底。

不论何种成因，在现今地表的地热显示上，华北盆地两缘呈现两个明显的NNE走向带(图2)，展布着温泉、热流测点高值、新生代火山岩等。邵济安等(2008)对华北地台北缘东西向大剖面的新生代火山岩进行年代学研究以及对华北北部浅部构造的研究，给出了火成岩年龄“中间老，两侧新”的结论，并建立了大陆裂谷演化的模型。从这一模型可以看出，晚中生代以来演化的华北裂谷系在第四纪仍有活动，如裂谷带西翼的大同盆地火山岩年龄报道最新为0.1～0.15 Ma。徐义刚等(1995)利用地幔橄榄岩包体研究了中国东部上地幔的热状态，发现中国东部上地幔热状态远高于大洋地壳和稳定的南非Kaapval大陆地盾，近似于澳大利亚东南部的上地幔等温线。这反映了新生代裂谷背景下的软流圈的上凸和深部岩浆活动。国家地震局(1986)汇编的上地幔地球物理探测成果显示，华北盆地区的莫霍面深度(30～35 km)、居里面深度(16～26 km)均低于典型大陆地盾。

图2 华北地区地热异常的地表显示Fig.2 Surface demonstrations of geothermal anomalies in North China

3 渤海湾盆地典型剖面的地温场模拟

3.1 地温场模拟的理论基础

在地壳深部若不考虑地下水的影响，不存在物质的对流，热状态近似为稳态热传导，热流值q、岩石热导率λ与地温梯度▽t之间满足傅里叶方程(1)，稳态传导温度场可以表述为公式(2):

其中tz为Z深度处的温度，t0为地质体表面温度，H为地质体厚度，λ为岩石热导率，A为含放射性组分的岩石生热率。可见岩石热导率对深部岩石的地温场分布起决定作用，在上地壳，由于近地表构造作用影响，岩石圈在水平方向上有很大的分异，这就将造成热流的折射与再分配(熊亮萍和张菊明，1988;陈墨香，1988等)，体现在地温场上即为等温线的起伏。

熊亮萍(1993)等利用FORTRAN语言编写的程序基于一维稳态热传导模拟了基底构造起伏对热流的折射和再分配;Pruess等(2006)使用TOUGH2等对水热型地热资源进行的模拟也被广泛应用。以往的软件模块复杂，结果不直观。增强型地热系统的资源评价，主要考虑的是深部传导型热资源的分配，而非近地表的水文地质条件，因此适用于有限元热传导模型进行模拟。目前有限元分析软件已有长足的发展，包括ANSYS、ADINA、ABAQUS等已广泛用于工程计算。其中由Adina R＆D Inc研发的ADINA软件，擅于解决复杂工程有限元问题，并专有Thermal模块求解热问题。本文应用ADNIA软件模拟横切渤海湾盆地的顺义－武清剖面和保定－歧口剖面上的热流分配和温度场。

对沉积盆地热史的研究表明，岩石圈尺度的热松弛时间相当长，可达到几百个Ma(胡圣标和汪集旸，1995;付明希等，2004)，而华北盆地的构造演化史和热流状态反映了目前其热演化趋于平衡的阶段，因而可以认为华北大地地温场处于稳态;则地质体的比热和热扩散率不影响地温场的分配。参考熊亮萍(1993)对华北地层层序岩心样品的热导率测试值(见表2)对区域典型剖面的层序赋值，通过ADINA－T模块实现对剖面的有限元模拟。

3.2 建立模型的方法

华北盆地中生代以来的基底样式经历了42 Ma左右的应力场转变(韩文功等，2001)，目前主要体现为NNE向“凹－凸－凹”基底形态叠加于NEE向“凹－凸－凹”形态之上。因此选取NW和EW走向横切盆地的顺义－武清和保定－歧口两个剖面，反映基底和盖层的埋深和水平变化。

顺义－武清剖面采用漆家福等(2004)的文献资料，保定－歧口剖面采用陈墨香(1988)、张菊明(1993)文献中引用的原石油工业部剖面资料。剖面形态分别如图3a，4a所示。在Adina软件中建立剖面模型并求解，过程如下。

(1)建立模型框架。将原始资料投影在坐标纸上转化为坐标输入。Adina只接受三或四个线单元围限的平面，因此需对复杂面单元的边长线进行连结或对面单元进行再分割。

表2 华北盆地地温场模拟所用岩石热导率参数(据熊亮萍，1993)Table 2 Thermal conductivity parameters of rocks used in geotemperature field simulation of the North China basin(after Xiong，1993)

图3 顺义－武清剖面(a)剖面基底与盖层形态;(b)传导地温场模拟结果;(c)热流值模拟结果;(d)新生界底地温分布Fig.3 Cross section from Shunyi to Wuqing(a)basement and sedimentary cover;(b)conductive thermal field simulation;(c)heat flow simulation;(d)temperature curve of the Cenozoic bottom

(3)建立材料库。为简化起见，将不同层序的岩石热导率按均质各向同性材料属性赋值。根据模型的尺度和要求结果的精度确定有限元分割参数，顺义－武清剖面长90 km，保定－歧口剖面长190 km，采取10 km深处为底部边界条件面，据此定义有限元分割尺度为200 m和250 m。

(4)对模型施加边界条件，地表恒温层取15℃，10 km等温面处分别根据汪洋等(2006)绘制的“华北华南10 km深度温度平面图”和陈墨香等(1988)使用剖面上24口钻井的实测地温数据迭代检验得出的地温值，剖面3a为220℃，4a为240℃，等热流值根据剖面上的任23、歧91等井实测热流值迭代检验得出60 mW/m2。运行处理器。

图4 保定－歧口剖面(a)剖面基底与盖层形态;(b)传导地温场模拟结果;(c)热流值模拟结果;(d)5km深处地温分布Fig.4 Cross section from Baoding to Qikou(a)basement and sedimentary cover;(b)conductive thermal field simulation;(c)heat flow simulation;(d)temperature curve of the Cenozoic bottom

(5)将模拟结果用温度场云图表示，如图3b，4b所示;热流值图如图3c，4c所示。分别截取新生界底面和5 km等深面的“模型线”画温度曲线。如图3d，4d 所示。

3.3 结果分析

通过对两个典型剖面的模拟，可以得到如下结论:

(1)对于复杂形态地质体热传导问题，有限元分析方法能给出直观准确的模拟结果。其输入条件包括深剖面的测制、岩石热导率、顶底界面的温度和热流边界条件等;

(2)基底起伏对等温线的影响为“镜面”式，在基底凸起区浅部等温线上凸，深部等温线下凹。在适宜EGS采热的地下5 km深度左右，凹陷区的地温场更高。

(3)近地表热流值总体体现为基底凸起区高、凹陷区低的趋势，最大热流值出现在基底凸起的两肩上。但由于地表冷水等复杂因素影响，近地表热流值可能与模拟结果有差异。

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(4)热流值是一个势差概念，能够大体反映区域散热状态，但在近地表由于受到岩性水平变化的影响，即使在10 km范围内也可能有几十mW/m2的差别。测得的地表高热流值与深部高地温不一定有对应关系。

(5)基于渤海湾盆地典型剖面的地温场模拟，新生界底部温度可达近200℃，凹陷区5 km深处温度在150℃以上甚至180℃，适合于增强型地热系统开采地热。图5根据渤海湾盆地陆上基底构造分区，圈定了有利于开展增强型低热系统采热的区域。

图5 华北渤海湾盆地基底构造分区与应用增强型地热系统的有利区位Fig.5 Basement structure zoning and regions favorable for EGS development in the Bohai Bay basin

4 渤海湾盆地地热赋存条件的比较研究

4.1 渤海湾盆地区与其他EGS试验区的温度应力场条件对比

目前增强型地热系统研究热点的地区主要是欧洲莱茵河裂谷地堑系、北美西部盆岭省和日本。图6，7，8显示了莱茵河裂谷和北美盆岭省的地温场和应力场。

二者在大地构造和地温特征上有很多共同点:(1)均处于深部地温和大地热流高值区;(2)处于克拉通破坏(decratonization)，软流圈上凸的裂谷区;(3)具有裂谷式地堑或盆岭构造，应力场主要为走滑和张性正断性质;(4)浅部或近地表具有新生代火山岩体;(5)与大型油气田伴生。相比之下，渤海湾盆地具有其中大部分特点，根据前文模拟和表3所示一些实际深钻井的地温数据可知，渤海湾盆地整体地温场条件优于北美盆岭省，热流条件较莱茵河谷地稍低但盖层保温条件较好，应力场条件与两者相似;在盆地西缘的大同、锡林浩特和东缘的山东半岛北部都出露有新生代火山岩分布，在剖面上，渤海湾盆地的新生代火山岩层序始于古新统孔店组，可一直到上新世或更新世，提供了热源和储层条件。此外中国东部的松辽盆地、苏北盆地、山西－汾渭地堑系等构造单元都具有类似特征，均可以作为深部增强型地热系统资源勘查的优选区域。

另外，由于增强型地热系统需要对深部岩石实现压裂成储，最适宜的应力条件为临界走滑状态(Barton et al.，1995;McClure，2009;Zimmermann et al.，2010)。即岩石在剪破裂方向上静摩擦很小，只需要很小的应力即可发生破裂。图9显示了先存断裂在走滑体制下形成复杂裂隙面的机制，断裂通过形成“阶步式”的裂隙区消耗走滑分量，最终形成垂直于走滑方向的孔隙或裂隙带。渤海湾盆地的基底在晚三叠世以前是挤压应力形成的褶皱和NNE－NE向的逆断层，中新生代以来反复经过“挤压－引张－挤压”的循环，现今应力场体现为NWW方向的挤压兼走滑(漆家福等，2004)，这为古老基底断裂的继承性发展提供了较好的应力条件，也构成了适宜压裂的临界走滑应力场。

4.2 资源潜力评价与储层管理

本文沿用陈墨香等(1988)的基底区块划分方案，对渤海湾盆地陆上有盖层部分区域的EGS资源潜力进行了概算，所用参数为:(1)岩石比热容取0.9kJ/kg·K(白云岩和砂岩);比重元古界白云岩取3.0g/cm3，中新生界砂岩取2.5 g/cm3;(2)地温根据前文模拟结果对凹陷区取5km深处170～175℃，凸起区取150℃，以150℃为计算热资源量的边界温度;(3)Sanyal and Butler(2005)的数值模拟表明，对于中等以上规模的增强型地热系统，按岩体温度200℃计算，其热电转换比值恒定为0.026We/m3，不受井口布置、流体流速等影响，据此计算发电量;(4)基于渤海湾盆地5km深处地温凸起区在150℃左右，凹陷区在170℃左右的情况，其采热效率应低于200℃岩体，因此在计算发电容量时分别乘以热电转换效率系数11%/14%和12%/14%(据MIT，2006)。

表3 中国东部盆地区部分深钻井及实测地温资料Table 3 Drilling holes and measured geotemperature data in eastern China

图9 先存断裂走滑作用下连通裂隙网的一种机制(据McClure，2009修改)Fig.9 Schematic diagram of connected fracture network formed by existing strike-slip faults(modified from McClure，2009)

表4 华北盆地区增强型地热系统可及资源量概算Table 4 Resource estimation of the EGS system in the North China basin

分区块资源概算结果列于表4。由结果可知渤海湾盆地区4～6km内增强型地热系统可及资源量按150℃以上计算为377500万kW，相当于目前中国地热利用总装机容量的425倍，或三峡工程总装机容量的170倍。

对于传统水热型地热资源，热能的载体孔隙水开采后的补给和加热速率很慢，因此资源量概算一般基于留存水层的最大允许沉降量(陈墨香等，1994)。而增强型地热系统采热由于其流体循环的性质，热消耗速度直接取决于周围岩体对压裂部分的补给速度，因此在实际开采中通过多井轮采等手段可采资源量将进一步提升。但在储层性质上有很多因素影响EGS电站的实际热储量、可采性和开采年限，诸如岩石的热学性质和流体的短路、漏失，以及储层稳定性等。较早的EGS项目一般都将花岗岩侵入体作为勘探对象，近年来大量文献和项目表明在砂岩等沉积盖层和基底结晶岩等致密高热岩石中采热才代表了 EGS的大部分资源潜力(MIT，2006;Zimmermann et al.，2010)。在华北区域地层层序中，第三纪以来的花岗岩、玄武岩，中侏罗统至下白垩统的砂岩、石英砂岩，上元古系底部常州沟组和大红峪组砂岩、石英岩，以及太古界的变质结晶基底均可作为EGS储层。但这些地层在露头上出露厚度变化较大，深部埋藏情况还需要深钻和深地震剖面的资料解释。而东部的下辽河凹陷和松辽盆地中部近年补充了大量深钻井数据，亦可参考渤海湾盆地为例，开展增强型地热系统的研究试验。

根据现有地震和钻井资料，华北区埋深5 km处大部分处于上元古界巨厚的碳酸盐岩基底中。关于岩溶裂隙中实现流体连通性，曾梅香等(2008)已就天津热田的回灌情况有所讨论。如能试验解决岩溶可能导致的流径短路和盐沉淀问题，将大大提升华北地区可采EGS的资源潜力。

5 讨论与结论

随着全球能源日趋紧张和国家利益角力日益激烈，发展清洁的地热能源已成为中国面临的必然选择。而我国的地热基础研究自上世纪九十年代以来进展较慢，虽取得了一些基础性成果但作为能源战略基础的资料还远远不够。近年由于增强型地热系统和地源热泵技术的重提和发展，全球地热研究与应用进入了又一个高峰，我国理应充分认识前沿进展并针对有利的大地构造环境和地热条件开展研发试验。以渤海湾盆地为代表的东部盆地体系具有应用增强型地热系统的广阔前景，对华北典型剖面的地温场模拟及与世界其它主要EGS开发国家的地质条件对比能够得出如下结论:

(1)中国东部岩石圈具有典型的克拉通破坏特征，软流圈上隆，大地热流值高，地热资源赋存条件好，渤海湾盆地和东部其他盆地具有EGS开发的优势地质条件;

(2)渤海湾盆地新生界凹陷对应的5 km深处地温场在150～180℃，深部地温场的分布与岩石热导率的垂向和横向变化直接相关，与地表实测热流值没有必然联系。基底的埋深变化对地温场有“镜面式”的影响，在5 km处凹陷区地温更高;

(3)深剖面的测制和岩心样品热导率的测定能为研究传导型地热资源提供基础资料。EGS型资源勘探重点应放在模拟地温场较高的深部基底，而非局限于地表的高热流值区域。我国渤海湾、苏北、松辽盆地积累了大量的油田钻井资料，可用于对深部地热资源评价进行数值约束和精化;

(4)我国华北地区动力能源供需矛盾相当紧张，渤海湾盆地发展增强型地热系统不但在地质上可行，在经济和环境效益上也具有重要意义。基于目前已有若干热田开采和地热利用，可以发展多层次的地热梯级利用:高温热源用于发电，中低温热源用于辅助发电和采暖、空调等传统地热利用。

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