巖石導熱各向異性對干熱巖熱量富集的影響

胡 明，冷文祥

西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都610500

引言

近年來，隨著全球氣候變化，環(huán)境問題逐漸受到全世界的高度關注，國內也對新能源領域加大了重視。干熱巖資源作為新能源的一種，具有清潔環(huán)保、資源龐大等優(yōu)勢。

干熱巖是指埋藏于地球深部（＞2 km），不含或含少量水或蒸汽等流體，溫度高于150°C的高溫巖體（目前已提升到180°C），巖性主要是致密均質的變質巖或花崗巖[1-4]。

干熱巖研究最早是由美國在上個世紀70 年代發(fā)起的，隨后，英國、法國、日本、意大利、冰島、澳大利亞等國均開展了相關研究，至今，國內外干熱巖的研究已有40 多年[5-8]。國際上已有諸多國家利用干熱巖發(fā)電并建立了發(fā)電站，國內近年來干熱巖的研究有了較快的發(fā)展。胡圣標等整理編繪了中國大地熱流圖[9-10]，認為中國大陸地區(qū)有利的干熱巖勘探開發(fā)地區(qū)是青藏高原、中國東部、東南沿海及臺灣等地區(qū)是國內干熱巖勘探的幾個最具潛力的區(qū)域，除這些大的區(qū)域以外，四川西部、陜西一帶，也是干熱巖勘探的潛力地區(qū)[11]。甘浩男等結合前人研究成果，根據(jù)地殼結構和成因機制，將中國干熱巖資源分為高放射性產(chǎn)熱型、近代火山型、沉積盆地型及強烈構造活動帶型[12-14]。

圖1 重慶天府地區(qū)野外巖樣Fig.1 Field rock samples from Tianfu Area,Chongqing

國內在西藏羊八井、云南騰沖、青海共和盆地等地干熱巖研究取得了一定進展[15-22]，且在青海共和盆地GR1 井的3 705 m 深處獲得236°C的高品質干熱巖體[23]。

然而，國內外關于干熱巖的研究也還是處于初級試驗的階段，尚未達到商業(yè)開采利用的階段，而對于巖石熱物理性質的各向異性對于地下熱流的傳遞與富集的影響也無較多的研究成果。因此，本文將從基礎傳熱學的角度出發(fā)，根據(jù)巖石導熱各向異性的特點，以此來探索熱量在干熱巖巖體中的傳遞與聚集。

1 巖石熱導率實驗

1.1 樣品采集與測試

由于干熱巖巖樣易獲取，因此，根據(jù)干熱巖的基本特征，選擇了沉積巖類中的碳酸鹽巖作為替代。研究巖樣為重慶天府地區(qū)野外出露的上二疊統(tǒng)長興組的灰?guī)r（1～3 號）及下三疊統(tǒng)飛仙關組的灰?guī)r（4～13 號）及鈣質泥巖（14～19 號）（圖1），共4 塊野外露頭巖樣，兩塊鈣質泥巖（圖1a，圖1b），兩塊灰?guī)r（圖1c，圖1d），顏色為灰綠、灰白色。

取樣點分別位于重慶市北碚天府鎮(zhèn)鷹耳巖、廖家坡地區(qū)（圖2），主要出露上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）、長興組（P3ch）及下三疊統(tǒng)飛仙關組（T1f）等。其中，龍?zhí)督M是天府礦區(qū)主要含煤地層，也是中國南方的主要煤系地層，該組在此地共分5 段：（1）龍一段（P3l1）底部相當于峨眉山玄武巖層位，硅質巖為主。（2）龍二段（P3l2）灰黑色含硅質灰質泥晶生物白云巖(原巖為生物灰?guī)r)，后經(jīng)硅化和白云巖化而成。（3）龍三段（P3l3）黑色、灰色頁巖與泥質粉砂巖互層，夾六層煤層，頁巖中有黃鐵礦，黃鐵礦呈串珠狀順層分布，化石以及植物碎片。（4）龍四段（P3l4）灰黑色含白云質、硅質泥晶生物碎屑灰?guī)r。越往上硅化作用越強，甚至變成生物碎屑交代硅質巖。（5）龍五段（P3l5）灰黑色頁巖與褐灰色泥質粉砂巖不等厚互層，夾少量鐵礦結核。長興組在本區(qū)除了從菠蘿山以南傾伏地下外，其他地區(qū)均有出露，一般出露于背斜兩翼，龍?zhí)督M外側，為淺灰到深灰色中—厚層狀含燧石生物灰?guī)r，底部燧石較少，中部最多，燧石一般呈不規(guī)則的團塊和串珠狀、條帶狀順層分布，縫合線內有瀝青充填，縫洞較發(fā)育，多為方解石脈充填。飛仙關組為下三疊統(tǒng)地層，分為5 段：（1）飛一段（T1f1）底部以灰黃色、黃綠色頁巖、薄層狀泥灰?guī)r、紫紅色頁巖等與下伏二疊系硅質灰?guī)r分界。（2）飛二段（T1f2）淺灰-灰色厚層狀灰?guī)r及細粒亮晶鮞?；?guī)r，向下部顏色變淺，鮞粒變小，底部為灰色砂屑灰?guī)r，灰?guī)r中縫合線發(fā)育，頂面時有波痕。（3）飛三段（T1f3）紫色鈣質頁巖為主，夾紫紅色薄層攪動泥紋灰?guī)r及介屑灰?guī)r透鏡體。（4）飛四段（T1f4）主要為灰色薄，中層狀鮞?；?guī)r與泥灰?guī)r組成。上部泥灰?guī)r夾介屑灰?guī)r與攪動泥紋泥晶灰?guī)r。介屑灰?guī)r常與腹足灰?guī)r組成韻律層，有時砂屑灰?guī)r、礫屑灰?guī)r代替介屑灰?guī)r組成的韻律層。中下部以介屑鮞狀灰?guī)r為主夾砂屑泥紋灰?guī)r及薄層泥灰?guī)r，越向下部鮞狀灰?guī)r越少。（5）飛五段（T1f5）紫紅色泥灰?guī)r與同色灰質頁巖夾灰色泥晶含介屑、砂屑鮞狀灰?guī)r。

實驗儀器DRE-III 多功能快速導熱系數(shù)測試儀，該導熱儀采用瞬態(tài)平面熱源法，基于TPS 瞬態(tài)平面熱源技術，用Hot-Disk 探頭，專用高精度單元儀表的測試與傳感技術，利用計算機高速數(shù)據(jù)處理技術對探頭進行快速數(shù)據(jù)采集、通過完善的數(shù)學模型快速計算，能迅速測試出準確可靠的結果；儀表設計精密可靠性高，操作方便，維護便捷，實驗設備測試相對誤差≤3%。最終通過三軸熱導率的測試，獲得19 塊巖樣的三軸熱導率及每次測量時的巖石比熱容（表1）。

表1 巖石三軸熱導率實驗結果Tab.1 Experimental results of triaxial thermal conductivity of rocks

1.2 實驗結果分析

通過實驗分析得到數(shù)據(jù)顯示：樣品的三軸熱導率測試x方向的平均熱導率為2.438 4 W/（m·°C），y軸平均熱導率為2.447 8 W/（m·°C），z軸平均熱導率為2.496 0 W/（m·°C），巖石的比熱容平均值約為0.394 8 J/（kg·°C），蓄熱的系數(shù)均值約為13.045 7 W/（m2·°C）。

整體上來看，樣品的三軸巖石熱導率差值主要集中在0.1～0.2，從差值上看差異不大。為進一步分析數(shù)據(jù)之間的差異性，對不同方向的熱導率進行比值處理，則巖石熱導率的各向異性較為明顯（圖3）。對樣品熱擴散系數(shù)作同樣的處理，差異也很明顯（圖4）。

圖3 巖石三軸熱導率差異圖Fig.3 Rock triaxial thermal conductivity difference

圖4 巖石三軸熱擴散系數(shù)差異圖Fig.4 Rock triaxial thermal diffusivity difference

熱擴散系數(shù)表示為

比熱容是物體中某一點的溫度的擾動傳遞到另一點的速率的量度，熱擴散系數(shù)比熱導率更加能夠直觀反映物體在受熱時熱量在物體內傳導的快慢。

本次實驗巖樣整體的三軸熱擴散系數(shù)x、y方向（平行巖層層面方向）大于z方向（垂直層面方向），個別樣品z方向熱擴散系數(shù)大于x、y方向。

這一現(xiàn)象與沉積巖的成層性與層理有關[24-25]，沉積巖在沉積成巖的過程中，受到沉積環(huán)境與成巖環(huán)境的影響，使得巖石的結構構造具有各向異性，因而使得三軸導熱差異相差較大。

2 討論

2.1 熱流在地下巖層中傳導的各向異性

將地下每一巖層看做一個大的平壁，則熱量的傳導過程符合傳熱學公式

地熱學中將每層地層看做大平壁，則可將地下熱流由深部到淺部的熱傳遞過程，可表示為

但是，巖石熱物理性質具有各向異性，地下熱流在巖石中的流動并不是單純地由地球深部向地球淺層垂直傳導的一個過程。

在宏觀上可以將整個地殼中的熱量傳遞過程可簡化為式（2）所描述的過程，而干熱巖的勘探開發(fā)尺度來看，熱量在干熱巖巖體中的傳遞，應是各向異性的傳導過程。

根據(jù)傅里葉定律，取地下干熱巖巖體積微元，只考慮干熱巖中熱量的導入與導出（即無內熱源），則任意時間間隔內關于巖石微元體的熱量平衡關系可表述為

記巖石微元體的3 個方向分別為x、y、z，3 個微元表面導入的熱通量分別為Φx、Φy和Φz。

通過x=x+dx、y=y+dy 和z=z+dz等3 個微元表面處的熱量分別為Φx+dx、Φy+dy和Φz+dz，有

巖石微元體內能的增量為

式（8）即為干熱巖巖體中溫度隨時間與空間的變化關系。

因此，在干熱巖勘探開發(fā)過程中，巖石熱導率的各向異性控制著巖體的地下溫度的分布，這是不可忽略的。

根據(jù)式（1）單位時間內單位面積的熱量傳導，當溫度梯度不變時，熱量的傳導主要取決于物質的熱導率。

結合實驗數(shù)據(jù)，筆者在此引入各向異性指數(shù)：將不同方向的熱導率與熱擴散系數(shù)做一個比值后，再做與1 的差值，取絕對值后，這個值的大小就可以用來判別巖石導熱各向異性的程度。

根據(jù)巖石熱導率各向異性指數(shù)和熱擴散系數(shù)各向異性指數(shù)的大小可以判定巖石導熱的各向異性。

其中，0 ＜δK＜0.2、0 ＜δα＜0.3 為弱導熱各向異性；0.2 ≤δK＜0.5、0.3 ≤δα＜0.8 為中導熱各向異性；δK≤0.5、δα≤0.8 為強導熱各向異性。

2.2 地下構造與干熱巖的熱傳導

巖石的各向異性決定了地下熱量傳導的各向異性，因而地下各巖層的結構構造控制著熱量在地下巖體中的傳導與聚集。從干熱巖儲層的形成過程來看，當有地殼深部巖漿上涌時，巖漿所攜帶的熱量直接給干熱巖儲層提供了熱量來源，即熱源。

若儲層直接與熱源相接觸，按照現(xiàn)今的干熱巖儲層開發(fā)技術（水力壓裂），可能會使得熱源的熱量四處逸散，對熱源熱能的利用效率會隨之降低。因此，熱源與干熱巖儲層之間最好存在一層熱通道，能夠充分將熱源的熱量傳導給干熱巖儲層。熱通道是熱源與干熱巖儲層之間的一種具有定向（熱源與儲層接觸方向）高導熱率低比熱容的一種巖體，在巖石學上表現(xiàn)為礦物的定向排列，從而將熱量從熱源迅速傳導給干熱巖儲層。

對于垂向構造組合而言，熱通道的形成需具備以下條件：（1）通道巖體具有垂向高熱導率；（2）垂向上與上覆儲層及下伏熱源的接觸盡量接觸較為緊密；（3）周圍的構造活動要相對穩(wěn)定。

作為熱量的儲集層干熱巖巖體，巖體儲層的熱導率、熱擴散系數(shù)、比熱容等物性條件決定控制著儲層的熱量散失速率與熱量儲量。儲層巖石的比熱容則決定了單位巖體中所儲存的熱量的多少決定了干熱巖儲層的總熱量儲量。當?shù)販靥荻缺３植蛔儠r，干熱巖巖體的導熱各向異性及各向熱導率控制著儲層熱量的擴散速率，儲層熱導率越大、各向異性越強，儲層熱量散失的速率也越快。

因此，良好的干熱巖儲層應具備高比熱容、低熱導率及弱各向異性等條件。在干熱巖儲層之上最好能存在一層絕熱性較好的蓋層，減小儲層熱量的散失（圖5）。所以構造對干熱巖儲層的熱量聚集及后期開發(fā)起著重要的控制作用。

為了使得干熱巖儲層熱量富集，應該具備以下構造地質條件：（1）具有“熱源熱通道儲層—蓋層”的垂向組合；（2）儲層巖體的各向導熱異性要低；（3）具有較大的比熱容；（4）區(qū)域的構造活動相對穩(wěn)定。

在未來的干熱巖勘探開發(fā)中，需要進一步測試較為均質的火成巖及變質巖，并進行數(shù)值模擬。

除此之外，干熱巖的選址需要在之前劃分好的干熱巖有利勘探區(qū)帶內尋找構造活動較為穩(wěn)定、斷裂帶較少的區(qū)域，再利用地震勘探，了解地下構造形態(tài)是否具有潛在的優(yōu)質干熱巖儲層，從而早日實現(xiàn)干熱巖的開發(fā)利用。

圖5 干熱巖熱量傳導示意圖Fig.5 Schematic diagram of heat conduction of hot dry rock

3 結論

（1）通過巖石樣品三軸熱導率實驗，結合干熱巖基本特征，提出了利用各向異性指數(shù)來區(qū)分干熱巖巖體的導熱各向異性。

（2）地下巖層的構造形態(tài)可以控制干熱巖的熱量富集，為了使得干熱巖儲層熱量富集，較為理想的垂向構造組合為熱源熱通道干熱巖儲層—蓋層。

（3）干熱巖熱量富集區(qū)域的構造活動相對穩(wěn)定，斷裂構造基本不發(fā)育。