西藏羊八井地区高温岩体地热开采方案研究

  1 引 言

 

  高温岩体地热资源是指温度在200 ℃以上的岩体中蕴藏的地热资源。虽然地球内部的热量对人类来说是无限的，但就目前的开发成本和技术而言，却仅有极小部分高温岩体地热资源可供人类开发利用。由于高温岩体具有温度恒定且持续时间长的特点，因此，高温岩体地热资源的人工开发主要是从岩体中提取过热水蒸气，直接用来发电。在国际上，一些发达国家的高温岩体地热研究专家按照地热梯度对全世界高温岩体地热资源进行了较为详细的评价[1]。在美国，深度小于10 km、地热梯度大于45℃/km 的易于开发区，高温岩体地热资源量为6.5×105Quads，远大于全世界化石能源总量[2]。全世界地壳10 km 以内高温岩体地热资源总量为40～400MQuads，相当于化石能源的100～1 000 倍。其中，日本为4～40 MQuads[3]。因而，高温岩体地热资源是巨大的、可供人类使用数千年的绿色能源。从能源多元化、平衡发展的角度来看，以及面对化石能源逐渐枯竭的现实，全世界应该大力开发高温岩体地热这一新型的能源。

 

  我国境内蕴藏着丰富的高温岩体地热资源。在西南地区，由于印度洋板块向欧洲大陆的俯冲碰撞，形成了青藏高原高温岩体地热异常带，其中，西藏羊八井、云南腾冲就是典型的高温岩体地热异常区；在东南部，受菲律宾板块的构造作用，形成了台湾、海南和东南沿海一带的高地热梯度区；在东部由于受太平洋板块的影响，形成了长白山、五大莲池等休眠火山或火山喷发区和天津、北京、山东等高地热梯度区[4]。这些地区都是具有良好开发前景的地热资源区。

 

  目前，全世界高温岩体地热资源开采与利用并未形成巨大的开发规模，在能源结构中所占的比例仍然很小，其主要原因是开采技术方案存在较多问题，如高温环境下水平井施工和巨型的人工储留层建造技术不成熟；另一主要影响因素是高温岩体地热梯度偏小，导致开发成本较高。借鉴国外的经验与教训，针对我国高温岩体地热资源赋存的宏观地质结构特征，考虑温度场、应力场与渗流场的耦合作用规律，研究中国高温岩体地热开采技术方案，以实现这一巨大的绿色能源的经济高效开发，是中国岩石力学界面临的重大任务。

 

  西藏羊八井地热电站是我国著名的地热电站，但经过20 多年的开采，羊八井热田热储明显收缩，生产井的温度、压力和流量均有不同程度的下降，目前仅能维持16 MW 机组的满负荷运行。

 

  地球物理勘探资料表明，羊八井地热田深部5～15 km 内存在熔融状态的岩浆囊，岩浆囊外层温度为500 ℃，地热梯度高达45 ℃/km，热储为花岗岩，是高品位高温岩体地热资源。目前开采的只是热田浅部热水资源，仅占热田地热资源的极小部分。

 

  因此，合理开发与利用羊八井地区深部高温岩体地热资源，是确保热田地热资源后续接替、提升羊八井地热电站发电能力的必然选择。

 

  本文以巨型岩体结构特征、应力场、温度场与渗流场耦合作用分析为基础，以西藏羊八井高温岩体地热开采为例，系统介绍确定高温岩体地热开采方案的研究分析方法。

 

  2 羊八井高温岩体地热温度场分布与热能资源估算当雄—羊八井盆地位于念青唐古拉山ES 侧，为一狭长的断陷盆地，总体呈NE 向展布，盆地边缘发育大量伸展断裂构造，盆地走向受伸展断层控制。

 

  人工地震法资料表明，羊八井热田深部约22km 处存在一个低速层，可解释为地下岩浆体。根据大地电磁探(MT)成果表明，在羊八井热田北区深部约5 km 以下存在一个电阻率为5 Ω·m 的低阻层，推断为未完全冷却的高温熔融体(见图1)。地震深反射探测资料表明，在羊八井热田北区上地壳底部深度13～20 km 范围存在一个地壳局部熔融体[5]，证实了羊八井热田深部存在高温岩浆熔融热源。

 

  根据热田地下热水氢、氧同位素分析结果，热水具有现代大气降水及地表水渗入来源特征，补给高程一般在4 860 m 左右，与当地雪线及地表水系源头分布高程一致。来自念青唐古拉山的大量冰雪融水和大气降水沿断裂带渗入地下，不断补给地下深部含水层，在循环过程中不断与炽热的岩体进行水热交换，吸收岩体热量。由于热水产生密度差，形成自然上升流，上升热流体沿断层上行，在一个较封闭的裂隙系统中形成高温热储。当流体上行受阻后，循环压力将向SE 方向扩散，主流沿NW 向SE 方向水平运动形成浅层热储。

 

  根据已揭示的羊八井热田深部地下熔融体的垂直展布形态与特征，进行羊八井高温岩体地热区域的温度场分布有限元计算分析[6]，其结果如图3 所示。由图3 可知，念青唐古拉山下部熔融体及其上方地质体的温度分布特点为：熔融体温度在500 ℃以上，在剖面水平方向长度约180 km，垂直方向高度为20 km；在熔融体的垂直上方的地质体中，温度梯度较大，达4.5 ℃/100 m。

 

  根据Z. H. Wu 等[7]的研究，当雄—羊八井盆地水平距离/km下熔融体NE 向展布长度约150 km 以上，由此通过计算可以获得深部7～18 km 范围内的熔融体所蕴藏的地热资源量。按截面面积为1 200 km2、总体积为180 000 km3、平均温度500 ℃、可提取的最低温度为150 ℃计算，求得总的地热能源量为5.4×109MW·a。若考虑发电效率为0.17，则可发电量为0.92×109 MW·a。若按装机容量5×107 kW 计算，该能源量可供发电1.8×104 a。由此可见，羊八井地区深部蕴藏着巨大的绿色能源，是亟待开发的最优质的接替能源。

 

  3 羊八井地热田现今构造地应力场特征

 

  羊八井地区现今地应力状态直接影响今后羊八井地热田深部热储层地热资源的开发利用。张春山等[8]在羊八井地区采用压磁应力解除法进行了地应力测量，在羊八井地区布置了4 个测点，分别位于堆龙曲右岸(Ybj1，Ybj2 号测点)、堆龙曲左岸109国道的左侧(Ybj3，Ybj4 号测点)，所测岩体为中粗粒斜长花岗岩。尽管地表节理裂隙发育，但在地应力实测深度部位岩石相对完整，所测结果如表1 及图4 所示。在羊八井地区最大水平主应力为NE-NEE向，最大水平主应力为3.3～10.4 MPa，最小水平主应力为2.5～8.4 MPa。

 

  徐纪人等[9]根据1972～2000 年羊八井地区发生的20 个中强地震震源机制解确定了主压应力轴P和主张应力轴T 的水平投影(见图5)和EW向垂直剖面投影研究结果(见图6)。图例处M 为震级，N 为地震次数。虽然高原中南部应力场主压、主张应力方向与青藏高原的整体特征相符，但是地震发生类型与青藏高原周缘的挤压逆断层型地震完全不同，均属于EW 向扩张力作用下的正断层型地震活动。

 

  特别是在羊八井高热流区附近，EW 向扩张应力场在岩石圈应力场中起到主导性作用，推测其控制深度可达岩石圈底部100 km 以下。青藏高原地热异常区在强烈的近EW 向扩张应力场作用下，岩石圈EW向扩张并发生一系列大规模的正断层活动，致使深部软流圈高温热流可以沿着活动正断层及其形成的深裂隙上涌，穿过岩石圈到达地表面，形成了高温地热异常区。

 

  地应力测量与震源机制解分析均表明，羊八井地热田现今地应力场特征为最小水平主应力方向垂直于当雄—羊八井盆地走向，而最大水平主应力方向与盆地走向一致，这与念青唐古拉山ES 侧岩体裂缝构造完全一致，说明羊八井地区古构造应力场与现今构造应力场特征是一致的，地应力方向也是一致的，这就为利用地质构造与地应力方向特征设计开发深部高温岩体地热方案提供了科学的基础。

 

  4 羊八井深部高温岩体地热开采技术

 

  方案分析

 

  根据羊八井盆地高温岩体模型(见图1)，分析念青唐古拉山南坡与当雄—羊八井盆地间巨大岩体的呈阶梯状的构造样式可知，在5～6 km 及其浅部发育有大倾角的正断层与大裂缝，倾角为55°～70°，由念青唐古拉山顶峰向当雄—羊八井盆地形成了5个大型阶梯状正断层，间隔为4～6 km。同时存在有大量倾向一致的小裂缝，其裂缝面沿当雄—羊八井盆地走向水平展布，总体呈NE 向。由当雄—羊八井盆地地应力测量结果和震源机制解分析可知，其最小水平主应力垂直于这些断层面和裂缝面。

 

  当深度超过6 km 时，这些断层逐渐演化成倾角较小、十分平缓的剪切带或滑移带，其倾角为15°～20°，走向大致与熔融的岩浆囊轮廓一致。由念青唐古拉山南坡至当雄—羊八井盆地，再至旁多山地，断层面距地表的深度逐渐增加，如图7 所示。F5 断层位于羊八井盆地中央，依次向念青唐古拉山南坡分别分布有F4，F3，F2，F1 共4 个大断层。由图7可知，F1～F5 断层埋藏深度依次增加，垂直自重应力依次增大。在裂缝相对平缓的区域，裂缝的法向应力基本等于自重应力，因此，沿着各断层的倾斜方向向上，垂直自重应力在不断减小，裂缝渗透系数逐渐增大，即渗透阻力逐渐减小(见图8)。

 

  (1) 羊八井高温岩体地热开采技术方案

 

  以上述构造分析为基础，提出在羊八井盆地中央，F5 与F4 断层中部，水平距离27～28 km 处(见图7)，施工一口垂直井，深度约9 000 m，进入F1～F4 断层的近水平段，在8 500 m 以上，全部固井，在8 500～9 000 m 的500 m 段裸孔或花管护孔作注水井。在注水井北侧，分别施工2 口斜井作生产井(见图1)，分别穿越F1～F4 断层。这样注水井、生产井与F1～F5 断层构成了完整的高温岩体地热开采系统。由图1，7 可知，注水井与生产井所穿越的F1～F5 断层近水平剪切带区域的温度为350 ℃～450 ℃，而且与熔融的岩浆囊相距仅500～1 000 m。

 

  (2) 高温岩体地热开采期间渗流场形态分析

 

  当从注水井向高温岩体注水时，深度8 500～9 000 m，其自重应力为210～225 MPa，水的自重应力为90 MPa，则地面的注水压力为130 MPa。沿断层带向深部延伸，自重应力增加，渗透阻力增大，最主要的流向是沿断层向浅部延伸，其次是注入水会沿注水井向两侧水平渗流，注入60 d 时的渗流场如图9 所示。

 

  (3) 人工储留层与资源量估算

 

  由图1 可知，在注水井与生产井采热的区段，其垂直高度为4 km，倾斜长度为25 km，两侧水平流动展布范围为3 km(单侧1.5 km)，则有3×1011 m3的破碎岩体可作为高温岩体地热开发的人工储留层，它是1980～1988 年英国Cornwall 高温岩体地热开采建造的人工储留层储量(8.25×108 m3)的360倍[14]，是法国Soultz 建造的人工储留层储量(3.2×108 m3)的937 倍，据此利用天然地质构造带做人工储留层进行高温岩体地热开采具有巨大的优势，也是本方案提出的基本依据。

 

  此外，由于最小水平主应力方向垂直于断层面，在高压水的作用下，裂缝的扩展方向总是垂直于最小主应力方向。因此，无论是原生裂缝，还是新生的裂缝，都始终与倾斜的生产井相交，便于高温过热水蒸汽沿生产井排至地面。

 

  该开采系统内的花岗岩容重为2 700 kg/m3，比热容为1 000 J/(kg·℃)，按150 ℃作为地热开采的最低限值，则可提取的热量按250 ℃取值，由此获得该开采系统内的资源量为6.34×109 kW·a。

 

  按热量利用的17%计算，则可发电量为1.08×109 kW·a，该资源量可建造一座10 000 MW 装机容量的电站，可连续发电100 a。若考虑高温岩体地热开采期间高温熔融体热量的不断传输，则该区域所能提取的地热资源量至少要增加2～3 倍。

 

  (4) 工程实施与投资分析

 

  开发深部高温岩体的地热资源关键技术是水平定向井的施工，其钻井费用也完全集中在水平井施工段。而按照本方案利用当雄—羊八井盆地断层与构造带，减少了水平定向井的施工与人工储留层建造，既避免了水平井施工钻机具与技术难以跨越的障碍，又大量地节省了资金投入。该工程实施仅需借助常规的钻井装备与技术即可完成。

 

  工程费用估算：钻井单价8 000 元/m，则钻井费用为2.8 亿元。

 

  若初期建设一座1 000 MW 的电站，电厂的装机容量单价616 元/kW，则电厂的建设费用为6.16×108 元。

 

  由于工程较大，有一定风险，因此预留不可预计经费1×108 元。

 

  上述合计10×108 元投资，可建造一座1 000 MW的高温岩体地热电站，年发电量8.64×109 kW·h。

 

  5 结 论

 

  围绕着西藏当雄—羊八井盆地高温岩体地热的开采方案，本文系统研究论述了深部高温熔融岩浆囊特征、念青唐古拉山南坡与羊八井盆地断层构造特征、地应力大小与方向、开采井布置方案等问题，得出如下几点结论：

 

  (1) 念青唐古拉山与当雄—羊八井盆地深部地下隐伏着巨大的熔融岩浆囊，并对羊八井高温岩体地热区域的温度场分布进行有限元计算分析。结果表明，在熔融体的垂直上方的地质体中，温度梯度为4.5 ℃/100m，估算的地热资源总量为5.4×109MW·a。

 

  (2) 地应力测量与震源机制解分析均表明，羊八井地热田现今地应力场特征为最小水平主应力方向垂直于当雄—羊八井盆地走向，也与念青唐古拉山断层面基本垂直，而最大水平主应力方向与盆地走向一致。

 

  (3) 以念青唐古拉山南坡和当雄—羊八井盆地巨型岩体的断层特征与地应力方向为基础，提出了利用岩浆囊邻近的断层剪切滑移带作为人工储留层，在断层倾斜方向的低处布置垂直注水井和在断层高处布置倾斜生产井的高温岩体地热的技术方案，如此可获得3×1011 m3 的巨型人工储留层，并大幅度降低工程投资与实施技术难度。

 

  (4) 本方案可用10×108 元的较小投资，前期建造一座装机容量1 000 MW 的高温岩体地热电站，具有极大的经济与社会效益。