摘要
人类社会的发展伴随着能源利用的变革和能源利用量的飞速增长,而传统化石燃料为主的的能源结构给环境带来了巨大的压力,因此,为解决能源的可持续利用,调整能源结构、推动可再生能源的开发和利用已是当务之急。地热能作为重要的可再生能源,因其清洁、集中且稳定等优点现在越来越受到人们的关注。我国地热资源丰富,干热岩储量巨大,其中青藏高原南部的干热岩储量占中国大陆地区总量的20.5%,EGS(Enhanced Geothermal Systems,增强型地热系统)是开发深部干热岩地热资源的重要方法。为了解决EGS中储层压裂改造和热能稳定开采这两大核心问题,规划设计更符合实际场地要求的EGS工程,首先要探究地热场地的形成原因,评估地热田地热资源量及合理预测场地热产出能力,然后根据场地资料设计合理的压裂和产热方案,才能给实际工程提供理论指导。针对以上问题,本文以青海省贵德县扎仓沟地热田为研究对象。首先,根据研究区的构造条件、地层特征以及地热地质条件,分析区域地球物理特征、水文地球化学特征、钻井资料,提出了扎仓沟地热田的概念模型并计算和评估地热资源量。扎仓沟地热田的基底主要为印支期花岗闪长岩,是很好的干热型地热资源的热储层,主要地层为中三叠系和新近系,中三叠系地层岩性为有利于形成良好热储的硬砂质长石砂岩、长石石英砂岩和砂岩夹板岩,新近系地层岩性为具有隔热保温作用的砂岩、泥岩及薄层钙质砂岩。区内主要断裂有二组热光断裂和扎仓断裂。热光断裂走向为NW、NNW向的逆断层,属于压扭性断层;扎仓断裂走向为NE向的正断层,属于张扭性断层。扎仓断裂为导热导水通道,有利于深部热源和热水的向上运移。根据地热地质条件和地下热水赋存的规律及特征,扎仓地热田3 km以上地热系统为断裂深循环型水热地热系统,将3km以下为强烈构造活动带型干热岩地热系统。地下3000m以下的分层地热流值为89.0mW/m~2和134.3mW/m~2,远高于中国的平均值和全球平均热流量值,根据静态法计算研究区4.7km以上地层的地热储量为1.01×10~(19)J,相当于3.45亿吨标准煤热量,根据规范划分,地下0~3km的水热型地热资源区属于中规模中温地热田,地下3~4.7km的干热型地热资源区属于大规模高温地热田。为探究地下热储层物理力学性质,采集ZR1井和ZR2井岩样和地热田的野外露头样,开展矿物成分、化学成分、热物理性质和力学性质试验,热储层主要岩性为花岗闪长岩、黑云母闪长岩和石英闪长岩,其主要的矿物成分为石英、钾长石、斜长石和黑云母。岩石中Si的含量占66%,其次为Al、Mg、K、Ca、Fe、Na。扎仓沟热储层的平均密度为2709kg/m3,平均导热系数为3.23W/(m·K),比热容为0.741kJ/(kg·K)。岩石中的孔隙和裂隙均较少,且多数孔隙单独存在,需要经过人工压裂改造才能在地下热储层建立连通性良好的裂隙网络。基于场地测井资料和测温曲线,破碎带主要集中在1110~1130m,1430~1490m,3700~3740m和4210~4320m四个层段,根据储层温度和裂隙发育程度,选择地下4210~4320m作为热储层,通过类比扎仓沟地热田地下3300~3400m和共和恰卜恰场地3600~3700m的压裂方案,得到扎仓沟地热田地下4210~4320m热储压裂方案的压裂结果为裂缝半长为500m,裂缝的平均高度110m,裂缝开度5mm,导流能力为100mD·m,平均裂缝渗透率为20D。在此压裂结果的基础上建立水热耦合数值模型进行换热模拟,模型运行期间内扎仓沟地热储层的生产温度从192.89℃降为169.49℃,经济寿命约为27年,发电总量为1211.8GW·h,大致相当于10个羊八井地热发电站的年发电量,基于该模型计算扎仓沟地热田4.7km以上地层30年的动态热储量为0.66×10~(18)J,为静态法计算储量的6.6%。为探究最佳生产方案,首先对地温梯度、导热系数、孔隙率、注采深度、裂缝渗透率、井间距、注水温度及注水速度进行敏感性分析,得到对产能影响较大的因素,通过神经网络算法进一步分析单因子和因子交互对EGS系统的影响。分析结果显示,注入速度和井间距对生产温度造成的影响大,其次为裂隙渗透率,注入温度的影响最小。注入温度和裂隙渗透率对流动阻抗造成的影响较大,其次为注入速度,井间距的影响最小。注入速度和井间距对电功率造成的影响较大,其次为注入温度,裂隙渗透率的影响最小。注入速度对发电效率的影响最大,其次为裂隙渗透率,注入温度和井间距的影响较小。综合分析得到,井间距600m,裂隙渗透率2×10~(-10)m~2,注入温度55℃,注入速度60kg/s为最佳生产方案,30年间,累计发电量为1739.6GW·h,大致相当于15个羊八井地热发电站的年发电量,累计产热量为3.44×10~(16)J,折合标准煤为1.17×10~6吨,对比基础模型,采热量约提高45%。基于该模型计算扎仓沟地热田4.7km以上地层30年的动态热储量为0.8×10~(18)J,为静态法计算储量的8.0%。通过经济性分析系统工作30年内,拟建的EGS电厂在这项工作中的总成本预计为5699万美元,累积发电和碳交易收入11198万美元,总收益为5499万美元,减少温室气体排放量在0.588~2.032 Mt。