地热与干热岩(湖南)ppt课件.ppt

,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（） ：表示传热物质的属性,岩石热物理性质,A是导热体的横截面积，Q/t是单位时间内传导的热量，x 是两热源间导热体的厚度，T 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。,岩石热物理性质,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。,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）：,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。,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。,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。,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,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，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（90150 ）和低温（2590 ）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,：发电、烘干、采暖,：烘干、发电、采暖,：采暖、医疗、洗浴、温室,：医疗、洗浴、采暖、温室、养殖,：洗浴、温室、养殖、农灌、制冷供热,：农灌、矿泉饮用、制冷供热,能量降低方向,第二部分 干热岩资源及其调查评价,目 录,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、英三国共同参与在法国的苏尔士地区开展了规模较大的干热岩生产实验研究,使干热岩资源开发技术逐步趋于成熟，该工程目前仍在运行。 90年代,干热岩技术已进入了实际应用阶段, 日本科学家取得了比较好的成绩。1996年, 肘折地区已开始发电运行。 另外, 世界上许多其他国家,如澳大利亚、新西兰、瑞士、俄罗斯等, 也在90年代开始了干热岩的预研究与开发的技术准备工作。,1 干热岩工程的发展,美国芬登山项目研究与开发经历了两个主要阶段，分别针对深度为2800和3500两个独立的干热岩储层。最深钻孔达4500 m ，岩体温度为330，热交换系统深度为3600 m，发电量由最初的3MW 到最后的10MW。第一段: 2.7-2.9 km: 180-200C第二段: 3.5-4.2 km: 240-310C,2 USA（1972-1996）,政策支持美国能源部推出了一项“地热技术和发展行动计划”（GTP），用于推动地热能的勘探和开发。仅在2008年，美国能源部就为地热能开发筹集了3.68亿美元的资金。在庞大的GTP计划中包含数十个技术项目，其中，又以“增强地热系统（EGS）”是最为主要的发展目标。,2 USA（1972-1996）,纽贝里火山EGS的开发,第一阶段 (2010-2011)数据分析低压注水试验， 成像测井(BHTV)， 压力温度水文测试 水力增产措施规划和模拟公共宣传活动诱发地震计划环境许可证第二阶段(2012-2013)地震传感器安装NWG 55-29 水力增产措施 生产井开发测试第三阶段(2014)大规模发电,1990 年，在日本的肘折地区进行了干热岩试验，称为“肘折工程”，目的是研究适合于干热岩发电的关键技术。先后钻探了HDR-1, HDR-2, HDR-3等生产井，井间距为50-130 m。在1991年进行了一个注入井与3个生产井的综合地下水循环实验，在90天循环实验中，生产水温度为150-190。流体回收率为78%。,利用双工质循环发电130 kW 。,3 JAPAN（1985-2002）,1986 年法国、德国在苏尔士开展岩体热能利用项目。第一阶段（19871992年）钻了两个2000m的浅井，对花岗岩上部进行了测试。第二阶段（19921999年），对深度3-3.5km温度达到160 的双井热储系统继续了激发。第三阶段（19992009年）对深度44.5km温度达到200 的三井热储系统继续了激发。第四阶段（20092008年）循环发电，评价了4-4.5km储层的长期性能。发电量达到1.5MW。,4 FRANCE（since 1987）,54,法国苏尔茨地热田,55,2003年，“地球动力”公司在南澳大利亚Cooper盆地的沙漠中，钻探出了2个深度达4500m的深孔。2008年，又完成了钻孔“Habanero-3”并进行钻孔流动试验。2009年1月，建成一座1000kW 的示范电站，专为建站地点的小镇供电。准备3年后再钻9眼深井，建成一座5万kW的干热岩发电站。预计到2016年支持大约1万MW的发电能力。,5 AUSTRALIA（since 2003）,典型EGS储层的性能试验结果,世界主要发达国家EGS/HDR项目一览表,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,1,干热岩的分布,中国新生代活火山分布,五大连池,长白山,阿尔山,大同,蓬莱,台湾,海南,腾冲,广州,长期无处不在深度3-10km,目前技术条件中新生代酸性岩体有覆盖层大地热流高居里面深度浅地温梯度大于40/km深度3-5km,2,干热岩的埋藏特征,早中燕山期以来中酸性侵入岩体分布区（红色标注）,中生代以来主要酸性侵入岩体分布区（红色标注）,3,注：利用热流数据973个,大地热流空间变化与居里面埋深,居里面深度温度为578.大陆地区最浅为17km.,-剖面（3560km）（喀什-谷露-阳江）,谷露、阳江、漳州、腾冲、咸阳均位于大地热流值高且居里面埋深浅的地方，同时这些点附近都伴随着新生代以来的新的活动断裂，是典型的地热显示区，为我们干热岩研究的重点研究靶区,-剖面（1370km）（北海-福州）,赤峰、五大连池属于大地热流值偏小而居里面埋深较浅的部位，这些地方热流特别容易受构造运动和幔源热流的影响，虽然热流在地表没有足够的显示但一般具有较大的地温梯度，可能是干热岩潜在的开发靶区。,剖面（3835km）（腾冲-五大连池）,咸阳、南京属于大地热流值高而居里面埋深大的地方，这些地方一般都具有第四系覆盖层较大，地温梯度较小的特点，深部热源向上传导在覆盖层因热导率变小而使热流聚集形成高热流特征,-剖面（4375km）(塔什库尔干-南京),1. 干热岩资源调查评价工作现状,开展了全国干热岩资源赋存条件分析，提出了我国不同类型干热岩资源成因机制，初步圈定了干热岩矿域。,注：利用热流数据973个,高放射性产热干热岩矿域成因模式,东南沿海放射性产热干热岩矿域,高放射性产热干热岩矿域,高放射性产热干热岩矿域主要集中在我国东南沿海地区，以燕山期形成的大范围酸性岩体为赋存体形成不多的干热岩矿带（区）。,关中盆地干热岩矿域,沉积盆地型干热岩资源成因模式,沉积盆地型干热岩矿域,沉积盆地型干热岩矿域主要分布在关中、咸阳、贵德、共和、东北等白垩系形成的盆地下部，由于覆盖层具有较高的地温梯度，通常与水热型地热田共生。,近代火山型干热岩资源成因模式,中国东北综合地热异常图（王锡魁，1999）,近代火山型干热岩矿域,近代火山型干热岩矿域分布在我国腾冲、长白山、五大连池等地区。其热源特征与底部岩浆活动历史和岩浆活动特征密切相关。,板块活动构造带干热岩资源成因模式,西藏地热活动与构造分布图,板内活动构造带型干热岩矿域,板内活动构造带型干热岩矿域分布在我国青藏高原。受亚欧板块和印度样板块的挤压，新生代以来我国青藏高原逐渐隆升，局部有岩浆底侵的存在，在这些区域可能形成理想的干热岩资源。,干热岩资源调查成果一：东南沿海酸性岩体分布区干热岩资源开发,漳州盆地靶区物探剖面推断解释成果图,东南沿海地区是我国酸性岩体的主要分布区，具有较好的干热岩形成条件。通过一系列地球物理勘查与比选，定于在福建漳州清泉林场地区开展钻探工作,福建漳州清泉林场钻探孔位概念模型图,干热岩资源调查成果二：青藏高原东北缘干热岩资源勘查取得了突破,共和盆地钻孔测温曲线,贵德盆地ZR1钻孔测温曲线,设计为3000米的DRB23勘探孔终孔为2972米，测井数据显示，2886米处地温为181度。,共和、贵德盆地,扎仓寺ZR1勘探孔，孔深3000米，孔底温度151度。,2. 我国水热型地热资源勘查工作现状,查明了全国地热资源开发利用现状，完成了青藏铁路沿线、川西、新疆塔什库尔干等地区部分地热田高温地热资源勘查。,西藏古堆高温地热显示区地热钻探，230米深度温度达195，为我国目前地热勘探中同深度温度最高钻井；2014年川西理塘、巴塘试验性地热钻探，钻至深度90m左右，地热流体温度在80以上，填补了理塘、巴塘地热钻探为零的空白；滇西地区地热的分布状况初步查明，划分了不同类型（高、中、低温）的地热异常区（带）和地热田，对全省地热资源量进行了评估,ZK251孔热储放喷试验,3. 浅层地温能调查评价工作现状,全国省会级城市浅层地温能调查评价工作已完成，正开展地级及以上城市浅层地温能调查评价工作。省会城市可采量相当于标准煤4.67亿吨每年,1、东南沿海 热结构分析,4,重点地区深部热结构图,东南沿海地温梯度图,东南沿海为燕山期花岗岩，岩体放射性产热较大，占热流总量60%，5km深度温度可达195，盖层厚度300m。,89,东南沿海三维温度图,4km深度温度漳州165 福州180 ,18km深度温度福州555 大田570 ,基于热传导理论的温度场模型,180,165,555,540,570,135,羊八井地热田地温梯度在2300m以上逐渐增大，超过2300m后地温梯度逐渐减小；从大地热流来看幔源热流所占比例为53.7%。,2、西藏羊八井热结构分析,羊八井三维温度图,370,440,430,450,460,510,500,480,510,520,羊八井,羊八井,羊八井,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,耙区定位高温钻探完井压裂，热储建造监测：微震+应力+温度,1,关键技术,地温、大地热流（深部地温的测定和推算） 综合地球物理勘查技术（解译深部热结构） 靶区评价指标体系（温度、应力场、岩性、地层、水电） 干热岩潜力评估,靶区定位,钻井井控 欠平衡钻井技术 高温钻井泥浆技术 定向井技术 井压裂技术 高温固井技术 高温碎岩工具,高温地热钻采关键技术,裂隙方向控制 压裂液配置 支撑剂嵌入机理 化学刺激,水力激发,压裂技术,微震监测及解译 温度、压力监测 深部地球物理方法,微震监测云,监测技术,地热基础地球物理岩石力学构造学材料学水文地质学水动力学水文地球化学发电工程,2,学科及方向,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,未来10-15年，EGS投入商业性运营至2050年EGS提供美国10万兆瓦的基本负荷发电量。,美国MIT报告提出：,四井模式，开采最大流量为80L/s情况下电价与装机容量关系图,1,干热岩开发利用前景,注：四井模式（一个注水、三个开采），开采最大流量为80L/s，热提取率每年下降3%，垂向1km储层开采时间为6年后重新激发。,50年EGS示范工程总发电量和平均电价曲线,2,我们的目标,让我们携手创造更加清洁的世界!,