0 引言

 

  隨著世界能源供需日趨緊張，傳統化石能源面臨資源短缺和高碳排放的問題，開發利用新能源成為科技發展的熱點。不同于化石能源、水力、風能等基于太陽能量的外部能源，地熱能來自地球內能，是地球深部殘熱和地殼放射性核素衰變熱的釋放，能流穩定，蘊藏巨大，因此，其作為獨特的清潔能源日益受到關注。目前發達國家地熱研究主要集中于兩個主題( Gupta，2007 等) ，一為深源高溫的增強型地熱系統( Enhanced geothermal system) ，一為淺源低溫的地源熱泵( Geothermal heat pump) 技術。前者通過地殼深部干熱巖體采熱實現穩定潔凈的基荷供電，后者實現小尺度的建筑冷暖空調，并可以通過微電網技術為基礎電網提供靈活的峰荷供電。由于采熱深度大，增強型地熱系統的勘探開發與地殼乃至巖石圈尺度的地質構造和熱結構密切相關。

 

  我國大地構造環境處于太平洋、菲律賓、印度幾大板塊的擠壓環境中，東部盆地具有巖石圈減薄、軟流圈上涌的特征( 汪洋，1999; 孫愛群等，2000; 邵濟安等，2003) ，大地熱流值測點顯示出高于大陸平均水平的熱流趨勢，地熱資源豐富。東部的渤海灣盆地等一系列盆地基底具有典型的盆－ 嶺式基底構造形態，與美國、歐洲、澳大利亞正在開發的EGS 熱田( MIT，2006; Cloetingh et al． ，2011 等) 具有相似的構造環境或熱背景; 同時盆地沉積蓋層發育良好，大部分地區基底埋深在5 km 以內，為基底散熱提供了良好的保溫條件，經地溫場模擬發現深部熱巖體具有很好的開發條件。但目前國內對增強型地熱系統研究很少，只有零星的討論( 楊吉龍等，2001; Wan，et al． ，2005; 康玲等，2009) 。本研究結合前人在我國華北區域的研究成果和近年地熱技術取得的新進展，以渤海灣盆地為例分析了開發增強型地熱系統所需的溫度場和應力場條件，對基于地質條件認識增強型地熱系統資源及數學模擬有一定參考意義。

 

  1 世界地熱發電與增強型地熱系統( EGS)應用現狀地熱能發電實現了地熱能量的便捷儲運，相比于直接利用更便于大規模高效率的應用。圖1 顯示了截至2010 世界各國地熱發電的裝機容量( Bertani，2012) 。其中中國只有西藏羊八井一處地熱電廠，總裝機功率24 MW，地熱發電量低于環太平洋地熱帶的日本、菲律賓、印度尼西亞等國家。

 

  1． 1 增強型地熱系統的概念

 

  國際地熱技術合作組織IPGT 將增強型地熱系統( EGS，Enhanced Geothermal System) 定義為“通過向地下打鉆并向鉆井內注入高壓流體，從而增強巖石中原有裂隙，形成與天然地熱資源相似的人工熱儲，隨后向裂隙中施工生產井，抽取被巖石熱量加熱至過熱的流體至地表，通過汽輪機等裝置發電”。

 

  美國能源部定義其為“在低滲低孔隙度地熱資源賦存巖體中，人工建立儲層，回采有經濟意義的地熱資源的技術”。綜合考慮熱儲溫度對發電效率和設備要求的影響，MIT( 2006) 在其關于EGS 的權威展望報告中，明確地將EGS 的經濟成儲溫度定在150℃，最佳開采溫度為200℃左右。

 

  類似技術在1970 年代剛興起時稱為HDR ( HotDry Rock) ，中譯干熱巖，其后亦有文獻使用EngineeredGeothermal System ( EGS) 和Hot FracturedRock ( HFR) 。近年普遍使用增強型地熱系統( EGS) 這一術語，一方面強調了其工程技術的屬性，另一方面體現了從局部巖體圈定熱儲向普遍的地熱資源潛力評價的勘探思路的轉變。

 

  作者結合大量的EGS 和傳統水熱地熱資源相關文獻，概括對比了EGS 資源的特點( 表1) : EGS最大的優勢在于其熱儲的溫度一般在150℃以上，與回灌溫度( abandon temperature) 之間溫差一般在100℃以上，而傳統水熱資源可利用溫差一般低于50℃，兩者相差2 ～ 3 倍。對于地熱發電體系，供熱流體溫度每升高10℃，總發電效率可增加0． 8%( MIT，2006; Kreuter and Kapp，2008) ，高溫熱源會大大提高地熱發電經濟性，這也是整個EGS 技術的核心優勢。

 

  1． 2 國外研發現狀及主要方向

 

  世界上第一個EGS 發電試驗項目Fenton Hill項目于1973 年誕生在美國，隨后英、法、日、澳等國相繼開展試驗研究和應用。對比各大洲EGS 項目區的地質環境，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，即環太平洋“火環”上; ( 2) 以Cooper 盆地為代表的澳大利亞EGS 熱田勘查區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，區域上處于張應力場中;( 4) 歐洲目前的EGS 項目多展布于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的地熱異常區。

 

  麻省理工學院( MIT，2006) 為美國聯邦政府編寫的EGS 技術展望報告系統論述了EGS 的發展、技術、經濟各方面內容; Cloetingh et al． ( 2010) 基于歐洲巖石圈與熱結構的地質分析對歐洲EGS 勘探開發提供了藍本。法國、德國、瑞士等國家在EGS 試驗研究方面積累了詳盡的資料，如法國Soultz-Sous-Forêts 的EGS 項目已發表了40 余篇博士論文( Genteret al． ，2010) 。而澳大利亞和日本的EGS 開發由于火成巖體熱儲條件好，主要是民間商業機構在承擔EGS 開發。

 

  目前EGS 研究的熱點主要涉及: ( 1) 深部應力與壓裂模擬和實驗( Pruess et al． ，1999; Sanyal andButler，2005; Legarth et al． ，2005; Zimmermann etal． ，2010; ) : 研究深部應力場下裂隙的取向、頻度、連通性及其對采熱性能的影響; ( 2) 高溫下水巖相互作用( MacDermott et al． ，2006; Fritz et al． ，2010) : 探討200℃環境下巖體成分的溶解、沉淀及其對流體回路的短路和封堵及對巖體滲透率的影響; ( 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等特征，探討使用超臨界CO2采熱的可行性; ( 4) 誘發地震( Majer etal． ，2007; Evans et al．， 2011) : 基于微震觀測描述儲層壓裂情況和壓裂誘發可感地震的矛盾，論證EGS 采熱的地震安全性; ( 5) EGS 經濟模型( MIT，2006) 等。

 

  2 渤海灣盆地區域地殼結構與熱結構

 

  我國大陸在地殼熱狀態上存在明顯的分帶，總體體現為大地熱流值東部高、西部低，東部沿海和喜馬拉雅構造帶等活動構造區熱流值高、中西部穩定、陸內環境熱流值低的特點。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)是我國開發地熱資源最有利的地帶。

 

  東部盆地區平均大地熱流值在65 MW/m2 以上( 汪洋， 1999) ，高于全球大陸平均值。其中在高熱流區域如渤海灣盆地已經有部分熱田的開采，如冀中熱田、天津塘沽、武清熱田等。但賦存的地熱資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子板塊邊緣所圍限。關于渤海灣中新生代盆地的成因有多種看法，如俯沖轉換成因( 陳發景等，1996) 、走滑拉分成因( 侯貴廷等，2001) 、地幔柱－ 大陸裂谷成因( 邵濟安等，2003，2008; 路鳳香等，2006) 等。

 

  本區自晚中生代以來進入盆地演化，先后發育了NE向和NNE 向“凹－ 凸－ 凹”構造，42 Ma 以來經歷了應力場的轉向( 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，在現今地表的地熱顯示上，華北盆地兩緣呈現兩個明顯的NNE 走向帶，展布著溫泉、熱流測點高值、新生代火山巖等。邵濟安等( 2008) 對華北地臺北緣東西向大剖面的新生代火山巖進行年代學研究以及對華北北部淺部構造的研究，給出了火成巖年齡“中間老，兩側新”的結論，并建立了大陸裂谷演化的模型。從這一模型可以看出，晚中生代以來演化的華北裂谷系在第四紀仍有活動，如裂谷帶西翼的大同盆地火山巖年齡報道最新為0． 1 ～ 0． 15 Ma。徐義剛等( 1995) 利用地幔橄欖巖包體研究了中國東部上地幔的熱狀態，發現中國東部上地幔熱狀態遠高于大洋地殼和穩定的南非Kaapval 大陸地盾，近似于澳大利亞東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。國家地震局( 1986) 匯編的上地幔地球物理探測成果顯示，華北盆地區的莫霍面深度( 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 語言編寫的程序基于一維穩態熱傳導模擬了基底構造起伏對熱流的折射和再分配; Pruess 等( 2006) 使用TOUGH2 等對水熱型地熱資源進行的模擬也被廣泛應用。以往的軟件模塊復雜，結果不直觀。增強型地熱系統的資源評價，主要考慮的是深部傳導型熱資源的分配，而非近地表的水文地質條件，因此適用于有限元熱傳導模型進行模擬。目前有限元分析軟件已有長足的發展，包括ANSYS、ADINA、ABAQUS 等已廣泛用于工程計算。其中由Adina R＆D Inc 研發的ADINA軟件，擅于解決復雜工程有限元問題，并專有Thermal模塊求解熱問題。本文應用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。

 

  對沉積盆地熱史的研究表明，巖石圈尺度的熱松弛時間相當長，可達到幾百個Ma( 胡圣標和汪集旸， 1995; 付明希等， 2004) ，而華北盆地的構造演化史和熱流狀態反映了目前其熱演化趨于平衡的階段，因而可以認為華北大地地溫場處于穩態; 則地質體的比熱和熱擴散率不影響地溫場的分配。參考熊亮萍( 1993) 對華北地層層序巖心樣品的熱導率測試值( 見表2) 對區域典型剖面的層序賦值，通過ADINA － T 模塊實現對剖面的有限元模擬。

 

  3． 2 建立模型的方法

 

  華北盆地中生代以來的基底樣式經歷了42 Ma左右的應力場轉變( 韓文功等，2001) ，目前主要體現為NNE 向“凹－ 凸－ 凹”基底形態疊加于NEE 向“凹－ 凸－ 凹”形態之上。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) 的文獻資料，保定－ 歧口剖面采用陳墨香( 1988) 、張菊明( 1993) 文獻中引用的原石油工業部剖面資料。剖面形態分別如圖3a，4 a 所示。在Adina 軟件中建立剖面模型并求解，過程如下。

 

  ( 1) 建立模型框架。將原始資料投影在坐標紙上轉化為坐標輸入。Adina 只接受三或四個線單元圍限的平面，因此需對復雜面單元的邊長線進行連結或對面單元進行再分割。

 

  ( 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產生重疊和縫隙，模型中不能出現凹多邊形，且面單元間必須緊密接觸，即相鄰的面單元必須共用邊界，不能對共用邊和非共用邊進行連結。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。為簡化起見，將不同層序的巖石熱導率按均質各向同性材料屬性賦值。根據模型的尺度和要求結果的精度確定有限元分割參數，順義－ 武清剖面長90 km，保定－ 歧口剖面長190km，采取10 km 深處為底部邊界條件面，據此定義有限元分割尺度為200 m 和250 m。

 

  ( 4) 對模型施加邊界條件，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 口鉆井的實測地溫數據迭代檢驗得出的地溫值，剖面3a 為220℃，4a 為240℃，等熱流值根據剖面上的任23、歧91 等井實測熱流值迭代檢驗得出60 mW/m2。運行處理器。

 

  ( 5) 將模擬結果用溫度場云圖表示，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”畫溫度曲線。如圖3d，4 d 所示。

 

  3． 3 結果分析

 

  通過對兩個典型剖面的模擬，可以得到如下結論:

 

  ( 1) 對于復雜形態地質體熱傳導問題，有限元分析方法能給出直觀準確的模擬結果。其輸入條件包括深剖面的測制、巖石熱導率、頂底界面的溫度和熱流邊界條件等;( 2) 基底起伏對等溫線的影響為“鏡面”式，在基底凸起區淺部等溫線上凸，深部等溫線下凹。在適宜EGS 采熱的地下5 km 深度左右，凹陷區的地溫場更高。

 

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

 

  ( 4) 熱流值是一個勢差概念，能夠大體反映區域散熱狀態，但在近地表由于受到巖性水平變化的影響，即使在10 km 范圍內也可能有幾十mW/m2的差別。測得的地表高熱流值與深部高地溫不一定有對應關系。

 

  ( 5) 基于渤海灣盆地典型剖面的地溫場模擬，新生界底部溫度可達近200℃，凹陷區5 km 深處溫度在150℃以上甚至180℃，適合于增強型地熱系統開采地熱。圖5 根據渤海灣盆地陸上基底構造分區，圈定了有利于開展增強型低熱系統采熱的區域。

 

  4 渤海灣盆地地熱賦存條件的比較研究

 

  4． 1 渤海灣盆地區與其他EGS 試驗區的溫度應力場條件對比目前增強型地熱系統研究熱點的地區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和應力場。

 

  二者在大地構造和地溫特征上有很多共同點:

 

  ( 1) 均處于深部地溫和大地熱流高值區; ( 2) 處于克拉通破壞( decratonization) ，軟流圈上凸的裂谷區; ( 3) 具有裂谷式地塹或盆嶺構造，應力場主要為走滑和張性正斷性質; ( 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，根據前文模擬和表3 所示一些實際深鉆井的地溫數據可知，渤海灣盆地整體地溫場條件優于北美盆嶺省，熱流條件較萊茵河谷地稍低但蓋層保溫條件較好，應力場條件與兩者相似; 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孔店組，可一直到上新世或更新世，提供了熱源和儲層條件。此外中國東部的松遼盆地、蘇北盆地、山西－ 汾渭地塹系等構造單元都具有類似特征，均可以作為深部增強型地熱系統資源勘查的優選區域。

 

  另外，由于增強型地熱系統需要對深部巖石實現壓裂成儲，最適宜的應力條件為臨界走滑狀態( Barton et al． ，1995; McClure，2009; Zimmermannet al． ，2010) 。即巖石在剪破裂方向上靜摩擦很小，只需要很小的應力即可發生破裂。圖9 顯示了先存斷裂在走滑體制下形成復雜裂隙面的機制，斷裂通過形成“階步式”的裂隙區消耗走滑分量，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力形成的褶皺和NNE － NE 向的逆斷層，中新生代以來反復經過“擠壓－ 引張－ 擠壓”的循環，現今應力場體現為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展提供了較好的應力條件，也構成了適宜壓裂的臨界走滑應力場。

 

  4． 2 資源潛力評價與儲層管理

 

  本文沿用陳墨香等( 1988) 的基底區塊劃分方案，對渤海灣盆地陸上有蓋層部分區域的EGS 資源潛力進行了概算，所用參數為: ( 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) 地溫根據前文模擬結果對凹陷區取5km 深處170 ～175℃，凸起區取150℃，以150℃為計算熱資源量的邊界溫度; ( 3) Sanyal and Butler( 2005) 的數值模擬表明，對于中等以上規模的增強型地熱系統，按巖體溫度200℃計算，其熱電轉換比值恒定為0． 026We /m3，不受井口布置、流體流速等影響，據此計算發電量; ( 4) 基于渤海灣盆地5km 深處地溫凸起區在150℃左右，凹陷區在170℃左右的情況，其采熱效率應低于200℃巖體，因此在計算發電容量時分別乘以熱電轉換效率系數11% /14%和12% /14%( 據MIT，2006) 。

 

  分區塊資源概算結果列于表4。由結果可知渤海灣盆地區4 ～ 6km 內增強型地熱系統可及資源量按150℃以上計算為377500 萬kW，相當于目前中國地熱利用總裝機容量的425 倍，或三峽工程總裝機容量的170 倍。

 

  對于傳統水熱型地熱資源，熱能的載體孔隙水開采后的補給和加熱速率很慢，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) 。而增強型地熱系統采熱由于其流體循環的性質，熱消耗速度直接取決于周圍巖體對壓裂部分的補給速度，因此在實際開采中通過多井輪采等手段可采資源量將進一步提升。但在儲層性質上有很多因素影響EGS 電站的實際熱儲量、可采性和開采年限，諸如巖石的熱學性質和流體的短路、漏失，以及儲層穩定性等。較早的EGS 項目一般都將花崗巖侵入體作為勘探對象，近年來大量文獻和項目表明在砂巖等沉積蓋層和基底結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) 。在華北區域地層層序中，第三紀以來的花崗巖、玄武巖，中侏羅統至下白堊統的砂巖、石英砂巖，上元古系底部常州溝組和大紅峪組砂巖、石英巖，以及太古界的變質結晶基底均可作為EGS 儲層。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充了大量深鉆井數據，亦可參考渤海灣盆地為例，開展增強型地熱系統的研究試驗。

 

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

 

  5 討論與結論

 

  隨著全球能源日趨緊張和國家利益角力日益激烈，發展清潔的地熱能源已成為中國面臨的必然選擇。而我國的地熱基礎研究自上世紀九十年代以來進展較慢，雖取得了一些基礎性成果但作為能源戰略基礎的資料還遠遠不夠。近年由于增強型地熱系統和地源熱泵技術的重提和發展，全球地熱研究與應用進入了又一個高峰，我國理應充分認識前沿進展并針對有利的大地構造環境和地熱條件開展研發試驗。以渤海灣盆地為代表的東部盆地體系具有應用增強型地熱系統的廣闊前景，對華北典型剖面的地溫場模擬及與世界其它主要EGS 開發國家的地質條件對比能夠得出如下結論:

 

  ( 1) 中國東部巖石圈具有典型的克拉通破壞特征，軟流圈上隆，大地熱流值高，地熱資源賦存條件好，渤海灣盆地和東部其他盆地具有EGS 開發的優勢地質條件;( 2) 渤海灣盆地新生界凹陷對應的5 km 深處地溫場在150 ～ 180℃，深部地溫場的分布與巖石熱導率的垂向和橫向變化直接相關，與地表實測熱流值沒有必然聯系。基底的埋深變化對地溫場有“鏡面式”的影響，在5 km 處凹陷區地溫更高;( 3) 深剖面的測制和巖心樣品熱導率的測定能為研究傳導型地熱資源提供基礎資料。EGS 型資源勘探重點應放在模擬地溫場較高的深部基底，而非局限于地表的高熱流值區域。我國渤海灣、蘇北、松遼盆地積累了大量的油田鉆井資料，可用于對深部地熱資源評價進行數值約束和精化;( 4) 我國華北地區動力能源供需矛盾相當緊張，渤海灣盆地發展增強型地熱系統不但在地質上可行，在經濟和環境效益上也具有重要意義。基于目前已有若干熱田開采和地熱利用，可以發展多層次的地熱梯級利用: 高溫熱源用于發電，中低溫熱源用于輔助發電和采暖、空調等傳統地熱利用。