地热与干热岩(湖南)

干热岩—地热能的未来中国地质科学院水文地质环境地质研究所王贵玲第一部分地热学及其基本概念(一)地热学基本概念地热学的基本概念地热学：研究地壳及整个地球热状态，热源，温度，热流分布规律及有关物理性质的现象的科学。包括理论地热和应用地热，应用地热包括地热地质、水文地热、热储工程等。地热资源：能够经济的被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分，目前可利用的地热资源主要包括：天然出露的温泉、通过热泵技术开采利用的浅层地温能、通过人工钻井直接开采利用的地热流体以及干热岩体中的地热资源；地热增温率：也称地温梯度，地球不受大气温度影响的地层温度随深度增加的增长率，通常用恒温带以下每深入地下100m所增加的地温值来表示。地热系统：构成相对独立的热能储存、运移、转换的系统，按地质环境和能量传递方式可划分为对流型地热系统和传导型地热系统；(二)地球热能源与损耗地球热能源与损耗外部热源潮汐摩擦热太阳辐射热陨石坠落宇宙射线内部热源放射性生热地球残余热地球转动热(三)岩石热物理性质1.热导率（ｋ）：表示传热物质的属性岩石热物理性质TxtAQkA是导热体的横截面积，ΔQ/Δt是单位时间内传导的热量，x是两热源间导热体的厚度，ΔT则是温度差。2.比热（C）：单位质量的物质温度升高一度所吸收的热量。QCmt岩石热物理性质金属勺很热木勺温热加热3.生热率（A）：岩石热物理性质单位体积岩石中所含放射性元素在单位时间由衰变所释放的能量。一般通过测量岩石中铀、钍和钾含量计算得出。)48.356.2(9.520.01AKThUCCCRybach(1976)由于高温条件下较强的地球化学分异，放射性元素会向浅部富集，从而随深度呈指数衰减（Birch,1968）：)/exp(A)A(0Dzz其中，D为放射性生热元素富集层的厚度，A0为地表生热率(四)地热显示地热显示：地球上露出地表、并能被人们直接感知的与地球内热相关的自然现象。地热显示具有重大的科学身价，它能把很多重要的地质、地球化学、地下温度等重要信息携带上来，为人们揭示地表深层的奥秘提供可靠的依据。地热显示的概念地热显示类型：微温地面或放热地面，有水蒸气释放时，地面上容易形成特殊的晨雾。温泉和热泉，包括与它相关的各种泉塘和热水湖；沸泉；湿喷汽孔；间歇喷泉，包括泥火山；干喷汽孔；水热爆炸；火山喷发；水热蚀变；水热矿化晨雾沸泉水热爆炸火山喷发热水湖水热蚀变(五)地热资源的分类地热资源的类型目前有多种分类方法，如按照：热储介质，构造成因，热传输方式、温度以及考虑上述多种方法进行综合分类。分类依据BasisofCategories分类Categories目前分类方法热储介质Geothermalreservoir孔隙型、裂隙型与岩溶裂隙型地热资源Porous,fractureandkarstfracturetypegeothermalresources构造成因Geologicalgenesis沉积盆地型和隆起山地型地热资源Sedimentarybasinsandapophysismountainsgeothermalresources热传输方式Hydrothermaltransmission传导型地热资源和对流型地热资源Conductiveandconvectivegeothermalresources温度Temperature高温、中温和低温地热资源High-temperature,Moderate-temperatureandLow-temperaturegeothermalresources建议分类地质构造、热流体传输方式、温度以及开发利用方式等Geologicalfeatures,hydrothermaltransmissionmode,andresourcetemperature,etc.浅层地温能资源Shallowgeothermalresources水热型地热资源：高温地热资源、中温地热资源和低温地热资源HydrothermalResources(High-,Moderate-andLow-Temperaturegeothermalresources)干热岩地热资源Hotdryrocksresources地球内部的热能资源？浅层地温能是地球表层地球内部传导或者对流的热量以及太阳能辐射的热量的综合体。浅层地温能资源通过地源热泵、水源热泵的方式用于建筑供暖、洗浴、养殖等，目前是我国地热资源中利用量最多最广的能源类型。1、浅层地温能资源目前的定义：浅层地温能是指地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200m埋深)，温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。浅层地温能是地热资源的一部分。22℃深度200m15m22m14℃20℃地表夏天目前的定义：浅层地温能是指地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200m埋深)，温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。浅层地温能是地热资源的一部分。22℃深度200m15m22m14℃８℃地表冬天土壤源地源热泵系统地下水地源热泵系统地表水地源热泵系统浅层地温能资源水热型地热资源（即传统的地热资源），系指：地下水在多孔性或裂隙较多的岩层中吸收地热，其所储集的热水及蒸汽，经适当提引后可为经济型替代能源。按照热传输方式分为：传导型地热资源和对流型地热资源。2、水热型地热资源水热型地热资源传导型地热资源：主要分布于我国东部中、新生代平原盆地，包括华北平原、河淮盆地、苏北平原、江汉平原、松辽盆地、四川盆地以及环鄂尔多斯断陷盆地等地区，均为中低温地热资源。对流型地热资源：主要分布于我国东南沿海、胶辽半岛、天山北麓等地区。按温度划分，高温地热资源主要分布于我国的藏南、滇西、川西和台湾地区，其余地区主要分布着中低温地热资源。对流型地热资源传导型地热资源的概念模型水热型地热资源分布板块内部，我国华北、京津地区地热田多为中低温地热田分布于地质活动性强的全球板块边界，如冰岛地热田、新西兰地热田、日本地热田及我国西藏羊八井地热田、云南腾冲地热田、台湾大屯地热田低温地热资源：25℃＜t＜90℃，温水、温热水、热水等形式存在高温地热资源：t＞150℃蒸汽形式存在中温地热资源：90℃＜t＜150℃，水和蒸汽的混合物形式存在水热型地热资源，按照温度，又可以分为高温地热资源、中温地热资源和低温地热资源三类。3、干热岩型地热资源干热岩型（又名增强型地热系统）：或称工程型地热系统，是一般温度大于200℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。(六)地热资源利用途径浅层地温能供暖或制冷地热资源的开发利用可分为发电和非发电两个方面。高温地热资源（150℃以上）主要用于发电；中温（90～150℃）和低温（25～90℃）的地热资源以直接利用为主，对于25℃以下的浅层地温，可利用地源热泵进行供暖或制冷。地热资源的开发利用高温地热发电温室大棚温泉疗养地热供暖150℃90℃60℃40℃25℃Ⅰ：发电、烘干、采暖Ⅱ：烘干、发电、采暖Ⅲ：采暖、医疗、洗浴、温室Ⅳ：医疗、洗浴、采暖、温室、养殖Ⅴ：洗浴、温室、养殖、农灌、制冷供热Ⅵ：农灌、矿泉饮用、制冷供热利用入口温度主要利用途径能量降低方向第二部分干热岩资源及其调查评价目录五、干热岩勘查开发关键技术四、我国干热岩资源分布及潜力六、EGS的未来一、基本概念三、国际EGS工程二、干热岩的特点34(一)基本概念美国科学家根据芬顿山的干热岩研究工作认为干热岩是埋藏于距地面2-3km以下、无裂隙、无流体、自然温度达于200℃的岩体。日本科学家根据肘折地区的干热岩研究工作认为只要岩体的温度达到200℃，埋藏深度合理，内含流体不是太多（或者没有）能用干热岩技术来提取岩体中的热量，就把这种岩体称为干热岩。欧洲一些科学家根据法国干热岩研究认为，埋藏于地面1km以下，温度大于200℃的岩体就可称为干热岩。条件无需过于严格。1各国对干热岩的定义•美国最早（1973年）称之为“热干岩体”。•日本的钻探发现，深层岩体中有发育有较好的天然裂缝体系，并存在有地热水，因而又称作“热湿岩体”。•在澳大利亚的试验中，地下岩体要经过人工压裂处理，使其生成裂缝体系，因而叫做“热裂岩体”。•此外，瑞士称作“深层地热开采”，•国际能源机构1978年发起的研究项目称“人造地热能利用体系”。•美国在热干岩体实验项目后，对新开发的这种项目统称“增强地热系统”。2干热岩概念的发展•干热岩（HDR），是一般温度大于200℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。•增强型地热系统（EGS）（称工程型地热系统）是通过工程手段开采深部岩体热能的技术方法。干热岩是一种资源增强型地热系统是一种技术目前的定义：3干热岩和增强型地热系统在高温但无水或无渗透率的热岩体中，通过水力压裂等方法制造出一个人工热储，将地面冷水注入地下深部获取热能，通过在地表建立高温发电站来实现深部地热能的有效利用。4增强型地热系统目录五、干热岩勘查开发关键技术四、我国干热岩资源分布及潜力六、EGS的未来一、基本概念三、国际EGS工程二、干热岩的特点资源量巨大、分布广泛。（初步估算，我国陆区3.0-10.0km深处干热岩资源为860万亿吨标准煤燃烧所释放的能量）几乎为零排放。（无废气和其他流体或固体废弃物，可维持对环境最低水平的影响）开发系统安全。（没有爆炸危险，更不会引起灾难性事故或伤害性污染）热能连续性好。（在可再生能源中，只有EGS可以提供不间断的电力供应，不受季节、气候、昼夜等自然条件的影响）经济实惠（商业价值可观）1干热岩的发展优势干热岩的热能赋存于各种变质岩或结晶岩类岩体，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。一般于热岩上覆盖有沉积岩或土等隔热层。干热岩主要被用来提取其内部的热量,因此其主要的工业指标是岩体内部的温度。黑云母花岗岩花岗闪长岩二长花岗岩（soltz）2干热岩的赋存储层温度直接影响储层开发的难易程度和经济性能，目前适合EGS开发的井口温度不低于150℃。普遍认为，深度在4km内、温度高于200℃的区域是高等级EGS资源区。热储的温度和埋深由选址决定，储层选址主要有两种依据。一是选在火山口或破火山口的火山岩岩层边缘（芬登山项目、肘择）；二是选在废置的矿场或油气田处（罗斯曼奴斯、苏尔茨和库伯盆地）。3干热岩热储指标-储层温度和深度激发体积控制着储层中热能可被采收出来的比例(称为采收率)，是影响热能采收率的重要因素。激发后岩体的渗透率、孔隙度等参数对热能采收效率影响很大。用于发电的EGS激发体积应达到0.1km3。4干热岩热储指标-储层激发体积储层的换热面积决定了最终干热岩的发电的装机容量。井距、井场形式、裂缝长度、宽度和间距最终决定了热储层的有效换热面积。增强型地热系统的一个关键工艺就是通过储层的激发来创建不低于200万m2的有效换热面积。5干热岩热储指标-储层换热面积储层水流阻力是EGS裂隙储层通过单位流量的压力降值，是衡量EGS储层性能的关键指标之一。储层阻力和储层的低渗透率密切相关。储层的渗透率由压裂裂隙的宽度和联通程度决定。通过压裂使裂隙联通，隙宽变大，可以大幅度减少储层水流阻力。理想EGS流体阻力应小于0.1Mpa/kg/s。6干热岩热储指标-储层水流阻力储层水流损失是指注入储层的水流流向储层外围地层而无法从生产井产出的现象。水流短路是注入储层的水流没有充分停留在储层中被加热而直接从生产井产出的现象。水流损失可能否定系统的经济性能和环境影响结论;而水流短路形成后需要废弃已经激发的岩体体积中很大的一部分，会给后续钻井和激发造成困难。理想EGS的水耗应小于10%。7干热岩热储指标-储层水流损失与短路目录五、干热岩勘查开发关键技术四、我国干热岩资源分布及潜力六、EGS的未来一、基本概念三、国际EGS工程二、干热岩的特点最早对干热岩进行研究的国家是美国。1974年,美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室在美国新墨西哥州的芬顿山钻了第一眼深井,拉开了干热岩研究的序幕。1987年,法、德、