河北省柏鄉(xiāng)縣干熱巖地?zé)豳Y源前景分析

上官拴通，齊曉飛

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北邢臺054000）

河北省柏鄉(xiāng)縣干熱巖地?zé)豳Y源前景分析

上官拴通，齊曉飛

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北邢臺054000）

干熱巖是一種清潔的新能源，以其具有可再生能源巨大高溫發(fā)電潛力，越來越受到關(guān)注。以鉆孔測溫數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)公式，對柏鄉(xiāng)地區(qū)4 km深處的溫度進行了估算，在此基礎(chǔ)上用體積法對區(qū)內(nèi)的資源量進行了預(yù)測。結(jié)果顯示，柏鄉(xiāng)地區(qū)4 km深處干熱巖資源量總計為9.99×1019J，合34.2億t標準煤。柏鄉(xiāng)縣地區(qū)存在干熱巖地?zé)豳Y源，應(yīng)盡快對本區(qū)進行干熱巖資源調(diào)查評價工作，為將來應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

干熱巖；可行性；河北柏鄉(xiāng)

干熱巖是一種埋藏于距地表2～6 km深處，溫度＞150℃，幾乎不含水和水蒸氣的熱巖體。因其具有零污染排放、熱能利用效率高等優(yōu)點，已被世界各國作為緩解能源緊缺和防治環(huán)境污染的綠色能源［1］。目前，一些發(fā)達國家已成功利用熱巖發(fā)電（EGS）［2］，而我國尚處于起步階段。

1　干熱巖研究歷史與現(xiàn)狀

1.1國外干熱巖研究現(xiàn)狀

美國是最早對干熱巖研究的國家。1972年，美國在墨西哥州北部打了約4 km深的斜井，通過加壓的方式將冷水從一口井中注入到干熱巖里，水在瞬間被其加熱為沸騰狀態(tài)并從另外一口井中噴出地面，這兩口井拉開了干熱巖研究序幕［3］。隨后法國、日本、德國等一些發(fā)達國家相繼開展了關(guān)于干熱巖發(fā)電方面的研究。在過去的30 a各國通過合作和不斷的努力，干熱巖發(fā)電技術(shù)已逐步成熟。2007年，世界上第一個商用增強型地?zé)岚l(fā)電在德國投入運行，年發(fā)電量高達2200 kWh［4］。

目前，國際上對干熱巖發(fā)電研究正逐漸向第二階段過渡，即在不滲透的干熱巖體內(nèi)形成熱交換系統(tǒng)試驗及利用超臨界CO2開發(fā)干熱巖地?zé)豳Y源［5-8］。

1.2我國干熱巖研究現(xiàn)狀

我國對干熱巖資源開發(fā)及其技術(shù)研究尚處于起步階段。2011年，中國地質(zhì)調(diào)查局對中國陸區(qū)干熱巖資源潛力進行了評估，結(jié)果顯示，我國干熱巖資源儲量合85.6×1011t標準煤，是國內(nèi)目前年度能源消耗總量的2.6×105倍［9］；2012年，由吉林大學(xué)牽頭同清華大學(xué)、天津大學(xué)、中國科學(xué)院廣州能源研究所共同承擔(dān)了國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”，該項研究將為干熱巖工程提供技術(shù)支撐［10］。2015年，由中國地質(zhì)調(diào)查局組織實施的我國首個干熱巖科學(xué)鉆探在福建省漳州龍海市東泗鄉(xiāng)清泉林場開鉆，這標志著我國干熱巖研究進入實踐探索階段［11］。

柏鄉(xiāng)縣地處河北省邢臺市，面積約268 km2。1978年，河北省地質(zhì)局水文地質(zhì)大隊邢臺中隊在柏鄉(xiāng)一帶進行了供水水文地質(zhì)勘查，境內(nèi)已打水井30多口［12］。通過鉆孔資料分析，區(qū)內(nèi)地表下4000 m深度內(nèi)分布有以淺粒巖、變粒巖為主的太古界深成變質(zhì)巖，在4 000 m深度地溫達到150℃以上，可見該區(qū)具備干熱巖地?zé)豳Y源存在的條件。

2　地質(zhì)背景

2.1構(gòu)造

柏鄉(xiāng)縣位于臨清斷陷北部寧晉凸起西側(cè)。據(jù)已有資料分析，本區(qū)新生界覆蓋層下所分布的基巖大部分為太古界，總體呈—軸向北東、向北傾伏的背斜構(gòu)造（基巖凸起），背斜兩翼地層傾角10°～20°［12］（圖1）。在新生界蓋層一定深度范圍內(nèi)，地殼淺部的地溫分布與基巖面的起伏呈正相關(guān)關(guān)系，局部由負構(gòu)造區(qū)向正構(gòu)造區(qū)集中，即來自地殼深部的熱流在基巖凸起區(qū)相對局部集中，在凸起去形成高地溫梯度。其實質(zhì)是因為基巖相比于新生界蓋層其熱導(dǎo)率較高、熱阻較小，因此來自深部熱流向上傳導(dǎo)時，熱阻總是向熱阻較小的基巖凸起區(qū)集中［13］。因此柏鄉(xiāng)背斜區(qū)具備形成高地溫梯度的條件。

2.2地層

圖1　柏鄉(xiāng)基底地質(zhì)構(gòu)造略圖［12］（略修）Figure1　Baixiang area basement geological structure sketch［12］（slightly modified）

本區(qū)普遍沉積有新生界，厚度為0.2～1 km（圖2），新生界覆蓋層下，太古界在全區(qū)隱伏分布［12］；其中新生界沉積松散、熱導(dǎo)率低，導(dǎo)熱性差，起到隔熱保溫的作用，使得來自于地殼深部的熱流，不會迅速消失，在熱容量較大區(qū)域保存下來形成了高溫地?zé)崽?；而本區(qū)太古界巖性主要為深成變質(zhì)巖淺粒巖、變粒巖、長石石英巖和角閃片巖等，厚度＞5 km，據(jù)鄰區(qū)以往勘查資料研究顯示深成變質(zhì)巖系中巖石的孔隙率、滲透率極低，無流體存在，據(jù)此推斷本區(qū)深部太古界同樣具有低孔隙、低滲透的特征，符合干熱巖開發(fā)利用的基本條件。

由此可見，柏鄉(xiāng)地區(qū)具備干熱巖地?zé)豳Y源的成礦地質(zhì)條件。

圖2　研究區(qū)基巖頂面埋深圖Figure2　Study area bedrock top surface buried depth

3　地溫場特征

3.1淺部地溫場

據(jù)本區(qū)及鄰區(qū)以往地質(zhì)勘查孔測溫資料（表1）［12］。區(qū)內(nèi)新生界（即蓋層）地溫梯度為3～7℃/100 m（我們把地溫梯度大于3℃定為異常區(qū)），地溫異常區(qū)面積約為367.69 km2（圖3）。

根據(jù)本區(qū)及鄰區(qū)的鉆孔資料，我們繪制了本區(qū)地溫梯度和基巖頂面地溫等值線圖（圖3，圖4），從這兩幅圖中可以看出，地溫梯度和地溫等值線均以柏鄉(xiāng)背斜軸部為中心呈橢圓狀分布，在背斜軸部水柏3孔—柏11孔一帶，地溫梯度可達7℃/100 m，新生界底部地溫達65℃，向背斜兩翼，地溫與地溫梯度均呈逐漸降低的變化趨勢。

表1　研究區(qū)鉆孔測溫數(shù)據(jù)一覽表Table1　Data sheet of study area borehole measured temperatures

圖3　研究區(qū)新生界蓋層地溫梯度等值線圖Figure3　Isogram of study area Cenozoic overburden geothermal gradient

圖4　研究區(qū)基巖頂面地溫等值線圖Figure4　Isogram of study area bedrock top surface geotemperature

3.2深部地溫場

由于本區(qū)缺少深部地溫實測資料，但中科院地質(zhì)所地?zé)嵫芯渴以诒緟^(qū)及鄰區(qū)曾進行過大量的地?zé)嵫芯抗ぷ鳎y取或計算了太古界的熱物理參數(shù)。依據(jù)這些熱物理參數(shù)（表2），采用目前國內(nèi)外通用的T（z）=T0+q0Z/K-AZ2/2K這一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)公式［13］，對本區(qū)深部（-4 km）地溫場變化進行預(yù)測和評價。

表2　研究區(qū)地層熱物理參數(shù)情況一覽表［13］Table2　Data sheet of study area strata thermal physical parameters［13］

式中：T0為地表恒溫帶溫度，取15℃；q0為地層熱流值；Z為預(yù)測和評價深度；K為地層熱導(dǎo)率；A為地層生熱率。

區(qū)內(nèi)不同地帶，新生界覆蓋層下隱伏分布的太古界厚度變化較大，評價深度按4 km計，根據(jù)不同地帶太古界厚度、經(jīng)計算所預(yù)測的地溫情況（基巖頂面地溫未計）見表3。

表3　研究區(qū)地溫預(yù)測情況一覽表Table3　Data sheet of study area geotemperature prediction

根據(jù)以上預(yù)測結(jié)果，并結(jié)合相應(yīng)評價點（基巖頂面地溫值）估算評價-4 km深度處地溫，我們繪制了本區(qū)-4 km水平地溫等值線圖（圖5）。

從圖5可以看出，區(qū)內(nèi)深部地溫場分布特征及變化規(guī)律與淺部地溫場相一致。在這一水平上，仍以柏鄉(xiāng)背斜軸部為中心，地溫最高可達165℃，向背斜兩翼地溫呈逐漸降低的變化趨勢。地溫＞150℃高溫巖體（干熱巖地?zé)醿樱┓植济娣e約330.91 km2。

4　干熱巖資源量計算

研究區(qū)地溫異常區(qū)地溫梯度為3～6.9℃/100m。采用國內(nèi)外通用的體積法計算本區(qū)干熱巖中儲存的熱量［13］，可按下式計算：

式中：Q為干熱巖資源量；ρ為巖石密度；Cρ為巖石比熱；T為所計算深度的巖石溫度；T0為地表恒溫帶溫度；V為干熱巖地?zé)醿芋w積。資源儲量估算參數(shù)采用見表4。

圖5　研究區(qū)-4000 m水平地溫等值線Figure5　Isogram of study area-4000m level geotemperature

表4　研究區(qū)資源儲量估算參數(shù)一覽表［13］Table4　Data sheet of study area geothermal resource estimation parameters［13］

計算結(jié)果：按上述參數(shù)計算，本區(qū)干熱巖地?zé)醿拥捉缟疃劝? km計；底界地溫取其評價范圍溫度平均值；因勘查程度低，資源量估算系數(shù)取30%；經(jīng)估算，區(qū)內(nèi)可預(yù)獲干熱巖資源量（熱能）9.99×1019J，折合標準煤約34.2億t。

5　技術(shù)經(jīng)濟可行性

5.1鉆探技術(shù)

研究區(qū)干熱巖資源屬于沉積盆地型干熱巖，其埋藏深度在地表3～5 km以下，鉆井施工對象是太古界深成變質(zhì)巖，其單軸抗壓大（200 MPa以上），地層溫度高（150℃以上），因此對鉆具、鉆井液及固井水泥的耐高溫性能要求極高。我國經(jīng)過多年的油氣、鹽堿礦開發(fā)，其鉆探技術(shù)和施工工藝已逐步成熟，但與國外水平相比，我國干熱巖鉆探技術(shù)仍處于探索實踐階段。因此，應(yīng)結(jié)合我國實際情況，優(yōu)選干熱巖成礦靶區(qū)，開展干熱巖鉆探技術(shù)相關(guān)研究，探索出一套適合我國干熱巖開發(fā)需求的鉆探技術(shù)。

5.2經(jīng)濟社會效益

研究區(qū)常規(guī)能源十分短缺，但干熱巖資源潛力誘人，據(jù)初步計算，在其4000 m深處熱儲量可能大于34.2億t標準煤，若建立干熱巖增強型地?zé)岚l(fā)電站，單個地?zé)岚l(fā)電裝機容量約1.5萬kW，若以每年發(fā)電300 d計，年發(fā)電產(chǎn)值約1.1億元，發(fā)電后溫度小于100℃的余熱水可以實施梯級開發(fā)方案，50～100℃供暖，溫室，家庭用熱水，工業(yè)干燥；20～50℃沐浴，水產(chǎn)養(yǎng)殖，飼養(yǎng)牲畜，土壤加溫，脫水加工。熱巖發(fā)電可以實現(xiàn)CO2零排放，其經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益十分顯著。如果利用熱巖發(fā)電，將對居民健康和安全，生活質(zhì)量和生活水平的提高具有重要作用，對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、“綠色發(fā)展”理念具有十分重大意義。

6　結(jié)語

（1）干熱巖是一種含焓高、溫度為150～600℃、發(fā)電效率高且不受氣候等外界條件影響的清潔新能源。我國干熱巖地?zé)岬刭|(zhì)條件優(yōu)越，具有廣闊的開發(fā)利用前景［9］。研究區(qū)傾伏的背斜構(gòu)造有利于深部熱流的積聚，高熱阻的新生界蓋層有利于熱流量的保存，致密、無滲透的太古界深成變質(zhì)巖有利于熱流量的賦存。

（2）研究區(qū)干熱巖資源量蘊藏豐富，地溫＞150℃熱巖分布面積約330.91 km2；僅取資源量估算系數(shù)的30%，干熱巖蘊藏的熱資源量就高達9.99× 1019J，折合標準煤約34.2億t。

（3）研究區(qū)存在干熱巖地?zé)豳Y源，應(yīng)盡快對本區(qū)進行干熱巖資源調(diào)查評價工作，實施地球物理勘查圈定深部熱流異常范圍；優(yōu)選前景好、交通方便區(qū)域?qū)嵤┿@探驗證工作。

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Hot-dry-rock（HDR）Geothermal Resource Prospect Analysis in Baixiang County

Shangguan Shuantong，Qi Xiaofei
（The Second Exploration Team，Hebei Bureau of Coal Geological Exploration，Xingtai，Hebei 054000）

The HDR is a kind of clean new energy source，with its renewable energy huge potential for high temperature power genera?tion has aroused more and more concern.Through regional geological condition data acquisition，the paper discussed HDR existence possibility in the Baixiang area.Based on borehole temperature data，using one dimensional steady-state heat conduction formula car?ried out 4km depth temperature estimation in Baixiang area.On this basis through volume method predicted 4km depth geothermal re?source in the area.The result has shown that at 4km depth total resources in the area have 9.99×1019J，amount to 3.42 billion tons of standard coal equivalent.Thus HDR geothermal resource feasibility is existed in the area，so should carry out HDR resource investiga?tion and assessment，lay a solid foundation for future applications.

HDR；feasibility；Baixiang，Hebei

P314

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.09

1674-1803（2016）10-0040-04

上官拴通（1983—）男，河南洛陽人，本科，工程師，主要從事地?zé)岬刭|(zhì)及水文地質(zhì)相關(guān)工作。

2016-04-06

責(zé)任編輯：宋博輦