西藏羊八井地區高溫巖體地熱開采方案研究

  1 引 言

 

  高溫巖體地熱資源是指溫度在200 ℃以上的巖體中蘊藏的地熱資源。雖然地球內部的熱量對人類來說是無限的，但就目前的開發成本和技術而言，卻僅有極小部分高溫巖體地熱資源可供人類開發利用。由于高溫巖體具有溫度恒定且持續時間長的特點，因此，高溫巖體地熱資源的人工開發主要是從巖體中提取過熱水蒸氣，直接用來發電。在國際上，一些發達國家的高溫巖體地熱研究專家按照地熱梯度對全世界高溫巖體地熱資源進行了較為詳細的評價[1]。在美國，深度小于10 km、地熱梯度大于45℃/km 的易于開發區，高溫巖體地熱資源量為6.5×105Quads，遠大于全世界化石能源總量[2]。全世界地殼10 km 以內高溫巖體地熱資源總量為40～400MQuads，相當于化石能源的100～1 000 倍。其中，日本為4～40 MQuads[3]。因而，高溫巖體地熱資源是巨大的、可供人類使用數千年的綠色能源。從能源多元化、平衡發展的角度來看，以及面對化石能源逐漸枯竭的現實，全世界應該大力開發高溫巖體地熱這一新型的能源。

 

  我國境內蘊藏著豐富的高溫巖體地熱資源。在西南地區，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熱異常帶，其中，西藏羊八井、云南騰沖就是典型的高溫巖體地熱異常區；在東南部，受菲律賓板塊的構造作用，形成了臺灣、海南和東南沿海一帶的高地熱梯度區；在東部由于受太平洋板塊的影響，形成了長白山、五大蓮池等休眠火山或火山噴發區和天津、北京、山東等高地熱梯度區[4]。這些地區都是具有良好開發前景的地熱資源區。

 

  目前，全世界高溫巖體地熱資源開采與利用并未形成巨大的開發規模，在能源結構中所占的比例仍然很小，其主要原因是開采技術方案存在較多問題，如高溫環境下水平井施工和巨型的人工儲留層建造技術不成熟；另一主要影響因素是高溫巖體地熱梯度偏小，導致開發成本較高。借鑒國外的經驗與教訓，針對我國高溫巖體地熱資源賦存的宏觀地質結構特征，考慮溫度場、應力場與滲流場的耦合作用規律，研究中國高溫巖體地熱開采技術方案，以實現這一巨大的綠色能源的經濟高效開發，是中國巖石力學界面臨的重大任務。

 

  西藏羊八井地熱電站是我國著名的地熱電站，但經過20 多年的開采，羊八井熱田熱儲明顯收縮，生產井的溫度、壓力和流量均有不同程度的下降，目前僅能維持16 MW 機組的滿負荷運行。

 

  地球物理勘探資料表明，羊八井地熱田深部5～15 km 內存在熔融狀態的巖漿囊，巖漿囊外層溫度為500 ℃，地熱梯度高達45 ℃/km，熱儲為花崗巖，是高品位高溫巖體地熱資源。目前開采的只是熱田淺部熱水資源，僅占熱田地熱資源的極小部分。

 

  因此，合理開發與利用羊八井地區深部高溫巖體地熱資源，是確保熱田地熱資源后續接替、提升羊八井地熱電站發電能力的必然選擇。

 

  本文以巨型巖體結構特征、應力場、溫度場與滲流場耦合作用分析為基礎，以西藏羊八井高溫巖體地熱開采為例，系統介紹確定高溫巖體地熱開采方案的研究分析方法。

 

  2 羊八井高溫巖體地熱溫度場分布與熱能資源估算當雄—羊八井盆地位于念青唐古拉山ES 側，為一狹長的斷陷盆地，總體呈NE 向展布，盆地邊緣發育大量伸展斷裂構造，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 處存在一個低速層，可解釋為地下巖漿體。根據大地電磁探(MT)成果表明，在羊八井熱田北區深部約5 km 以下存在一個電阻率為5 Ω·m 的低阻層，推斷為未完全冷卻的高溫熔融體(見圖1)。地震深反射探測資料表明，在羊八井熱田北區上地殼底部深度13～20 km 范圍存在一個地殼局部熔融體[5]，證實了羊八井熱田深部存在高溫巖漿熔融熱源。

 

  根據熱田地下熱水氫、氧同位素分析結果，熱水具有現代大氣降水及地表水滲入來源特征，補給高程一般在4 860 m 左右，與當地雪線及地表水系源頭分布高程一致。來自念青唐古拉山的大量冰雪融水和大氣降水沿斷裂帶滲入地下，不斷補給地下深部含水層，在循環過程中不斷與熾熱的巖體進行水熱交換，吸收巖體熱量。由于熱水產生密度差，形成自然上升流，上升熱流體沿斷層上行，在一個較封閉的裂隙系統中形成高溫熱儲。當流體上行受阻后，循環壓力將向SE 方向擴散，主流沿NW 向SE 方向水平運動形成淺層熱儲。

 

  根據已揭示的羊八井熱田深部地下熔融體的垂直展布形態與特征，進行羊八井高溫巖體地熱區域的溫度場分布有限元計算分析[6]，其結果如圖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體的溫度分布特點為：熔融體溫度在500 ℃以上，在剖面水平方向長度約180 km，垂直方向高度為20 km；在熔融體的垂直上方的地質體中，溫度梯度較大，達4.5 ℃/100 m。

 

  根據Z. H. Wu 等[7]的研究，當雄—羊八井盆地水平距離/km下熔融體NE 向展布長度約150 km 以上，由此通過計算可以獲得深部7～18 km 范圍內的熔融體所蘊藏的地熱資源量。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 ℃計算，求得總的地熱能源量為5.4×109MW·a。若考慮發電效率為0.17，則可發電量為0.92×109 MW·a。若按裝機容量5×107 kW 計算，該能源量可供發電1.8×104 a。由此可見，羊八井地區深部蘊藏著巨大的綠色能源，是亟待開發的最優質的接替能源。

 

  3 羊八井地熱田現今構造地應力場特征

 

  羊八井地區現今地應力狀態直接影響今后羊八井地熱田深部熱儲層地熱資源的開發利用。張春山等[8]在羊八井地區采用壓磁應力解除法進行了地應力測量，在羊八井地區布置了4 個測點，分別位于堆龍曲右岸(Ybj1，Ybj2 號測點)、堆龍曲左岸109國道的左側(Ybj3，Ybj4 號測點)，所測巖體為中粗粒斜長花崗巖。盡管地表節理裂隙發育，但在地應力實測深度部位巖石相對完整，所測結果如表1 及圖4 所示。在羊八井地區最大水平主應力為NE-NEE向，最大水平主應力為3.3～10.4 MPa，最小水平主應力為2.5～8.4 MPa。

 

  徐紀人等[9]根據1972～2000 年羊八井地區發生的20 個中強地震震源機制解確定了主壓應力軸P和主張應力軸T 的水平投影(見圖5)和EW向垂直剖面投影研究結果(見圖6)。圖例處M 為震級，N 為地震次數。雖然高原中南部應力場主壓、主張應力方向與青藏高原的整體特征相符，但是地震發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 向擴張力作用下的正斷層型地震活動。

 

  特別是在羊八井高熱流區附近，EW 向擴張應力場在巖石圈應力場中起到主導性作用，推測其控制深度可達巖石圈底部100 km 以下。青藏高原地熱異常區在強烈的近EW 向擴張應力場作用下，巖石圈EW向擴張并發生一系列大規模的正斷層活動，致使深部軟流圈高溫熱流可以沿著活動正斷層及其形成的深裂隙上涌，穿過巖石圈到達地表面，形成了高溫地熱異常區。

 

  地應力測量與震源機制解分析均表明，羊八井地熱田現今地應力場特征為最小水平主應力方向垂直于當雄—羊八井盆地走向，而最大水平主應力方向與盆地走向一致，這與念青唐古拉山ES 側巖體裂縫構造完全一致，說明羊八井地區古構造應力場與現今構造應力場特征是一致的，地應力方向也是一致的，這就為利用地質構造與地應力方向特征設計開發深部高溫巖體地熱方案提供了科學的基礎。

 

  4 羊八井深部高溫巖體地熱開采技術

 

  方案分析

 

  根據羊八井盆地高溫巖體模型(見圖1)，分析念青唐古拉山南坡與當雄—羊八井盆地間巨大巖體的呈階梯狀的構造樣式可知，在5～6 km 及其淺部發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雄—羊八井盆地形成了5個大型階梯狀正斷層，間隔為4～6 km。同時存在有大量傾向一致的小裂縫，其裂縫面沿當雄—羊八井盆地走向水平展布，總體呈NE 向。由當雄—羊八井盆地地應力測量結果和震源機制解分析可知，其最小水平主應力垂直于這些斷層面和裂縫面。

 

  當深度超過6 km 時，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，F3，F2，F1 共4 個大斷層。由圖7可知，F1～F5 斷層埋藏深度依次增加，垂直自重應力依次增大。在裂縫相對平緩的區域，裂縫的法向應力基本等于自重應力，因此，沿著各斷層的傾斜方向向上，垂直自重應力在不斷減小，裂縫滲透系數逐漸增大，即滲透阻力逐漸減小(見圖8)。

 

  (1) 羊八井高溫巖體地熱開采技術方案

 

  以上述構造分析為基礎，提出在羊八井盆地中央，F5 與F4 斷層中部，水平距離27～28 km 處(見圖7)，施工一口垂直井，深度約9 000 m，進入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 段裸孔或花管護孔作注水井。在注水井北側，分別施工2 口斜井作生產井(見圖1)，分別穿越F1～F4 斷層。這樣注水井、生產井與F1～F5 斷層構成了完整的高溫巖體地熱開采系統。由圖1，7 可知，注水井與生產井所穿越的F1～F5 斷層近水平剪切帶區域的溫度為350 ℃～450 ℃，而且與熔融的巖漿囊相距僅500～1 000 m。

 

  (2) 高溫巖體地熱開采期間滲流場形態分析

 

  當從注水井向高溫巖體注水時，深度8 500～9 000 m，其自重應力為210～225 MPa，水的自重應力為90 MPa，則地面的注水壓力為130 MPa。沿斷層帶向深部延伸，自重應力增加，滲透阻力增大，最主要的流向是沿斷層向淺部延伸，其次是注入水會沿注水井向兩側水平滲流，注入60 d 時的滲流場如圖9 所示。

 

  (3) 人工儲留層與資源量估算

 

  由圖1 可知，在注水井與生產井采熱的區段，其垂直高度為4 km，傾斜長度為25 km，兩側水平流動展布范圍為3 km(單側1.5 km)，則有3×1011 m3的破碎巖體可作為高溫巖體地熱開發的人工儲留層，它是1980～1988 年英國Cornwall 高溫巖體地熱開采建造的人工儲留層儲量(8.25×108 m3)的360倍[14]，是法國Soultz 建造的人工儲留層儲量(3.2×108 m3)的937 倍，據此利用天然地質構造帶做人工儲留層進行高溫巖體地熱開采具有巨大的優勢，也是本方案提出的基本依據。

 

  此外，由于最小水平主應力方向垂直于斷層面，在高壓水的作用下，裂縫的擴展方向總是垂直于最小主應力方向。因此，無論是原生裂縫，還是新生的裂縫，都始終與傾斜的生產井相交，便于高溫過熱水蒸汽沿生產井排至地面。

 

  該開采系統內的花崗巖容重為2 700 kg/m3，比熱容為1 000 J/(kg·℃)，按150 ℃作為地熱開采的最低限值，則可提取的熱量按250 ℃取值，由此獲得該開采系統內的資源量為6.34×109 kW·a。

 

  按熱量利用的17%計算，則可發電量為1.08×109 kW·a，該資源量可建造一座10 000 MW 裝機容量的電站，可連續發電100 a。若考慮高溫巖體地熱開采期間高溫熔融體熱量的不斷傳輸，則該區域所能提取的地熱資源量至少要增加2～3 倍。

 

  (4) 工程實施與投資分析

 

  開發深部高溫巖體的地熱資源關鍵技術是水平定向井的施工，其鉆井費用也完全集中在水平井施工段。而按照本方案利用當雄—羊八井盆地斷層與構造帶，減少了水平定向井的施工與人工儲留層建造，既避免了水平井施工鉆機具與技術難以跨越的障礙，又大量地節省了資金投入。該工程實施僅需借助常規的鉆井裝備與技術即可完成。

 

  工程費用估算：鉆井單價8 000 元/m，則鉆井費用為2.8 億元。

 

  若初期建設一座1 000 MW 的電站，電廠的裝機容量單價616 元/kW，則電廠的建設費用為6.16×108 元。

 

  由于工程較大，有一定風險，因此預留不可預計經費1×108 元。

 

  上述合計10×108 元投資，可建造一座1 000 MW的高溫巖體地熱電站，年發電量8.64×109 kW·h。

 

  5 結 論

 

  圍繞著西藏當雄—羊八井盆地高溫巖體地熱的開采方案，本文系統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斷層構造特征、地應力大小與方向、開采井布置方案等問題，得出如下幾點結論：

 

  (1) 念青唐古拉山與當雄—羊八井盆地深部地下隱伏著巨大的熔融巖漿囊，并對羊八井高溫巖體地熱區域的溫度場分布進行有限元計算分析。結果表明，在熔融體的垂直上方的地質體中，溫度梯度為4.5 ℃/100m，估算的地熱資源總量為5.4×109MW·a。

 

  (2) 地應力測量與震源機制解分析均表明，羊八井地熱田現今地應力場特征為最小水平主應力方向垂直于當雄—羊八井盆地走向，也與念青唐古拉山斷層面基本垂直，而最大水平主應力方向與盆地走向一致。

 

  (3) 以念青唐古拉山南坡和當雄—羊八井盆地巨型巖體的斷層特征與地應力方向為基礎，提出了利用巖漿囊鄰近的斷層剪切滑移帶作為人工儲留層，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井的高溫巖體地熱的技術方案，如此可獲得3×1011 m3 的巨型人工儲留層，并大幅度降低工程投資與實施技術難度。

 

  (4) 本方案可用10×108 元的較小投資，前期建造一座裝機容量1 000 MW 的高溫巖體地熱電站，具有極大的經濟與社會效益。