青海共和盆地中低温地热流体发电

  ０ 引言

 

  地核与地表的巨大温差、地壳内放射性元素衰变及断层摩擦产生的热量等形成了储量巨大的地热能．据估算，地壳外层１０ｋｍ以内的地热能总量就达到了１．２５４×１０２７ Ｊ，相当于全世界煤炭储存总量的２ ０００倍，地表以下３ｋｍ以内的地热能总量也相当于２．９万亿吨标准煤的能量，这是２０１０年世界煤炭总产量的４００倍．地热能具有非常大的开发潜力以及广阔的利用前景（Ｉｎｇｖａｒ，２００１；Ｅｎｒｉｃｏ，２００２）．根据赋存形式及埋藏深度，地热资源可分为３种类型：（１）浅层地温能，埋藏深度一般在２００ｍ 以内；（２）地热流体，埋藏深度一般为２００ｍ 到３ｋｍ；（３）干热岩，通常埋藏深度大于３ｋｍ小于１０ｋｍ．在这３种地热资源中，只有地热流体已达到商业发电开发利用阶段．地热流体又可根据温度分为高温（＞１５０℃）、中温（９０～１５０℃）和低温（地表平均气温至９０℃）３种地热资源．人类利用地热资源历史已久，但主要以直接利用为主，发电是上世纪初才开始尝试并在其后大规模发展的（Ｇｅｒａｌｄ，２００１）．１９０４年，意大利首次利用地热蒸汽发电成功，其后于１９１３年在拉德瑞罗建成世界上第一座试验地热电站；１９５８年，新西兰的怀拉开地热电站首次利用扩容法解决了地热流体的发电技术；至１９９７年底，全世界地热发电总装机容量已近８ ０２１ＭＷ（马梅林和王纪春，１９９８；王贵玲等，２０００；汪集旸等，２０００；Ｉｎｇｖａｒ，２００１）．地热发电的原理简而言之就是先把地热能转变成机械能，然后再把机械能转化成电能．由于可利用的地热资源的类型不同，所采用的技术方法也相应有差异，主要分为地热蒸汽、地热水、联合循环及干热岩４种发电方式．地热蒸汽发电直接利用地热井中的高温蒸汽，先进行净化，然后推动汽轮机做功，使发电机发电（吕太等，２００９）．地热水发电的基本思想是将热水转化成蒸汽，然后用蒸汽发电，主要方法有２种：

 

  一种是降压闪蒸（扩容），即通过降低压力使地热流体迅速汽化；另一种是用地热水加热某种低沸点物质（如氟利昂、异戊烷等），使之汽化（Ｒｏｎａｌｄ，２００４）．联合循环发电将蒸汽发电和地热水发电相结合，充分提高了地热流体热能的利用率．干热岩发电的原理则是利用人工注入的冷水其将热量从地下带出，通过产生的蒸汽或热水来发电（高学伟等，２００８）．１ 我国地热发电历史及现状

 

  我国属于富地热资源的国家，但其分布十分不均，高温地热资源仅分布在西藏南部、四川西部、云南西部及台湾省，中低温地热资源主要分布于东南沿海地热带、华北及东北部分地区（Ｈｕ ｅｔ ａｌ．，２０００；Ｗａｎ ｅｔ ａｌ．，２００５）．我国地热发电始于２０世纪７０年代，时值第一次石油危机，在全国建成了７个中低温地热电站，其位置、地热流体温度及发电功率分别为：广东丰顺县邓屋，９２ ℃，３００ｋＷ；湖南宁乡县灰汤，９８ ℃，３００ｋＷ；河北怀来县后郝窑，８７℃，２００ｋＷ；山东招远县汤东泉，９８℃，３００ｋＷ；辽宁盖县熊岳，９０℃，２００ｋＷ；广西象州市热水村，７９℃，２００ｋＷ；江西宜春县温汤，６７℃，１００ｋＷ（马梅林和王纪春，１９９８；王贵玲等，２０００；郑克棪和潘小平，２００９）．这７座中低温地热电站无一例外都是建立在热田面积比较小的中低温对流型地热系统中，其热储温度和高温水热系统相比要低得多，另外由于热田面积小，汇水范围小，可供开采利用的水量也不大．上述地热电站的发电量均介于５０ｋＷ 到３００ｋＷ 之间，且发电过程中出现的问题一直没有得到妥善解决；到现在为止其中６个已经停产，唯一仍在运营的是广东丰顺地热电站，发电量约３００ｋＷ，只相当于羊八井地热电站的１／８０左右．２０世纪７０年代中期，我国开始在西藏尝试高温地热发电，先后建立过３个地热电站，分别是羊八井地热电站、朗久地热电站和那曲地热电站．羊八井地热电厂现在主要利用温度高达２５５℃的深部地热流体，发电量为２４．１８ＭＷ（Ｚｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，２０１４）．朗久和那曲是２个相对规模比较小的热田，地热流体的温度和流量都不太稳定．在建厂后的发电过程中，地热流体输送管道的结垢和腐蚀问题一直没有得到妥善解决，所以这两个电站现已废弃．我国至今仍在运营的高温地热电站，只有西藏羊八井．羊八井电站虽然在发电量上与其他国家的部分地热电站相比并不逊色，但发电过程中产生了许多环境问题．例如，在电厂刚刚建成以后的十几年时间里，主要开发利用对象是浅部地热流体，而最初的浅层地热井均施工于热田的排泄区，长期的地热流体开采造成热水位下降，同时也导致了热田南区的地面沉降．另外，地热电厂发电过程中产生了大量富含有害组分的地热废水，而地热废水的回灌至今仍未彻底实现，在某些时段仍就近排入当地地表水体，造成了较严重的热田水环境污染．

 

    ２ 青海共和盆地地热资源分布

 

  我国多年前即已在西藏实现高温地热发电，但与西藏毗邻的青海省虽同样有丰富的地热资源（张珍，１９９９），开发利用程度却低得多（严维德等，２０１３）．目前青海地热资源的开发利用仅限于洗浴、医疗、游泳、大棚养殖、区域供暖等方面，总体来说，还停留在地热资源开发利用的初级阶段（赵振等，２０１３）．据青海省国土资源厅及青海省水工环地质调查院勘查结果，青海省地热资源种类齐全，地热水、浅层地温能、干热岩３种类型均有发现，且广泛分布于省内的六州一地一市．全省已发现水温１５℃以上的地热异常区８４处，其中热泉排泄温度在９０℃以上的中温水热区１处，６０～８０℃的低温水热区１０处，４０～６０℃的低温水热区９处，１５～４０℃的低温水热区６４处．地热资源分布区主要包括共和－贵德盆地、大柴旦、都兰、青藏铁路沿线和玉树巴塘地区、兴海地区、同仁盆地等，如在贵德扎仓寺发现温度为９３．５℃的热泉，都兰热水乡、夏日哈乡发现７０～８２℃的热泉，显示这些地区地热资源开发潜力非常大．另外，通过地热勘探井，在共和、贵德、大柴旦、都兰、玉树巴塘盆地已发现多处温度６０～９３℃的地下热水，热储埋深一般介于２００～１ ８００ｍ．如在共和恰卜恰镇先后施工多口深井，均获取了井口温度在７２℃ 以上的中低温地热水，可开采总量达１０ ０００ｍ３／ｄ．更重要的是，青海省水文地质工程地质环境地质调查院联合中国地质大学（武汉），于２０１３年在共和盆地中北部经钻探验证，最终在２ ２３０ｍ深度探测到温度达１５３℃的干热岩．随着深度增加，地温以６．８℃／１００ｍ 的梯度稳定升高，且勘探表明区内１ ６００ｍ 以下无地下水分布迹象．该干热岩岩体在共和盆地底部广泛分布，仅钻孔控制面积已达１５０ｋｍ２，开发利用潜力巨大．这是在国内首次发现的可大规模利用的干热岩资源．共和盆地干热岩资源的发现不仅为深部地热的开发利用提供了得天独厚的天然试验场地，也使青海省能源开发利用新途径的开辟成为可能．

 

    ３ 共和盆地地热发电

 

  ３．１ 地热井位选择与成井过程

 

  为在共和盆地利用热储流体发电，青海省水文地质工程地质环境地质调查院和中国地质大学（武汉）开展了前期地热地质调查和地球物理工作．在研究区南部上塔买－阿乙亥地段，可推断出４条基底断裂，近南北向的恰卜恰沟Ｆ１断裂和阿乙亥沟Ｆ３断裂属张扭性断裂，具导水、导热作用，北西西向沙有－克才Ｆ２断裂和四道班－下谢家盖Ｆ４断裂为压扭性断裂，具阻水作用（王斌等，２０１０）．结合区域地质构造，共和盆地恰卜恰地区基底埋深不大，热储层厚度较薄、泥岩较多，兼之两组断裂复合部位更有利热水对流运移，因此若希望获得温度较高、水量较多的地热流体，盆地基底断裂带是优选靶区．最终选择在盆地ＤＲ２处成井（图１），终孔深度１ ８５２ｍ．据ＤＲ２井岩芯资料，０～４９．１ｍ为第四系全新统砂砾卵石及亚砂土、中粗砂，４９．１～５９８．８ｍ为下更新统亚粘土、砂岩，５９８．８～１ ４４０．９ｍ为新近系泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩、中粗砂岩、砂砾岩，基底埋深１ ４４０．９ｍ，以下为花岗岩．热储埋深为７１８．３５～１ ４６５．５ｍ，岩性为细砂岩、含砾细砂岩、中粗砂岩、砂砾岩等．其中１ ２００～１ ３５４ｍ 粉砂岩呈泥钙质胶结，富水性较差，含水层厚度１１９．１ｍ．１ ６５０．０～１ ７１０．０ｍ为断层角砾岩，下部有断裂性带状热储．笔者利用ＤＲ２井的实测温度数据绘制了地温和地温梯度随深度变化曲线（图２ａ，２ｂ），发现成井位置地热异常明显，且地温随深度单调增加，这指示共和盆地内的地热系统属传导型．根据热储位置及钻孔岩芯，设计地热井成井工艺如下．０～２０３．５６ｍ，成井口径４１０ｍｍ，此段内下入φ２７３×８．８９ｍｍ石油套管２０３．５６ｍ，管外用水泥进行永久止水，形成泵室段．２０３．５６～１ ５００．００ｍ，成井口径２１５ｍｍ，其中１９１．２０～７１８．００ｍ 下入φ１４０×７．７２ｍｍ石油套管５２６．８ｍ，与上部段泵室段呈托盘连接，并用膨胀橡胶、海带及水泥止水．７１８．００～１ ５００．３７ｍ为含水层，岩性以砂岩和泥岩互层为主，下入φ１４０×７．７２ｍｍ 石油套管，相对隔水层６个，采用实管，含水层６个，采用花管，合计实管７０６．８８ｍ 20.2 104.，花管５９９．５ｍ．３．２ 试验地热电站的建立如前所述，青海省地热资源丰富，共和盆地则是全省地热资源富集区之一，具有地热发电潜力，但长期以来地热开发利用率却较低，利用方式也仅限于直接利用．在国家大力开发地热资源政策的支持下，中国地质大学（武汉）和青海省水文地质工程地质环境地质调查院协同工作，于２０１４年在共和建立了青海首个试验地热发电站，期望利用区内中低温地热流体发电，为青海省能源结构优化做贡献．研究表明，现代技术的发展使利用中低温地热流体发电得以实现（Ｏｇｕｚ，２０１１）．由于研究区热储内赋存中低温地热流体，共和地热电站未采用传统的利用高品位地热能的汽轮机，而采用ＯＲＣ螺杆膨胀动力机发电．螺杆膨胀机可利用低品位地热能实现热功转换，其基本原理是用中低温地热流体对某种低沸点有机工质进行加热，工质沸腾产生蒸汽并推动转子产生动力做功（Ｂａｉｋ ｅｔ ａｌ．，２０１３）．蒸汽从膨胀机排出后，进入油分离器，分离润滑油，气体进入冷凝器冷凝成液体，液体被液体泵升压，进入预热器、蒸发器，完成一轮循环．与此同时，润滑油在油分离器实现分离后，借助油泵输送至各润滑点，确保轴承等零件的润滑与降温（图３）．３．３ 共和盆地地热流体地球化学特征及其对发电的影响地热流体的地球化学特征对其发电效率及地热井发电寿命有重要影响（Ｇｕｏ，２０１２）．如西藏羊八井热田的地热流体在生产井口水气分离后，通过输送管送至地热电厂供发电机组使用．由于地热蒸气中富含ＣＯ２和Ｈ２Ｓ等酸性气体，降温冷凝后，水的ｐＨ 值低于５．０，对金属管道材料具有较强的腐蚀性（赵平等，１９９８）．共和盆地ＤＲ２生产井抽取的地热水的化学组成见表１所示．由于井口地热流体温度（８４．２℃）低于当地沸点，不存在水汽分离，而流体ｐＨ 为７．６９，在中性范围内，因此在ＤＲ２井发电过程中可不考虑腐蚀的发生．然而，采自ＤＲ２井的地热水样品在室温下的化学分析结果指示其Ｃａ２＋ 浓度为４５．２ｍｇ／Ｌ，ＨＣＯ３－ 和ＣＯ３２－ 浓度分别为６０３．８ｍｇ／Ｌ和２．４ｍｇ／Ｌ，用ＳＯＬＶＥＱ－ＸＰＴ软件可计算出在２０～９０℃范围内ＤＲ２井地热水对方解石的饱和指数如表２所示．在此温度范围内，地热水对于方解石均处于过饱和状态，因此发电过程中存在管道结垢的可能．当然，地热水中ＣａＣＯ３是否析出并不仅仅取决于其对于方解石等矿物的饱和指数，还与地热水流速、压力、套管的材质及光洁度、井筒内孔径变化等多种因素有关，如多数情况下管道变径处更容易结垢（赵平等，１９９８）．因此，ＤＲ２井地热流体对于方解石饱和指数的计算结果并不意味着结垢一定发生．４ 结论

 

  青海共和盆地地热地质条件优越，地热流体性状良好，用于地热发电的ＤＲ２井的井口水温可达８４．２℃，单井涌水量达１ ００２．２ｍ３／ｄ，总溶解固体为２．２３ｇ／Ｌ，ｐＨ 值为７．６９，具有一定发电潜力．我们在共和建成了青海首个试验地热电站，设计年均净发电量虽仅为１１４ｋＷ，但对共和地区乃至青海省的能源结构导向具有重大意义．由于ＤＲ２井地热流体具有较高的碳酸和钙含量，在今后的开发利用过程中应注意井管结垢问题．