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  中国地质 2018, Vol. 45 Issue (6): 1087-1102  
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张森琦, 严维德, 黎敦朋, 贾小丰, 张盛生, 李胜涛, 付雷, 吴海东, 曾昭发, 李志伟, 穆建强, 程正璞, 胡丽莎. 2018. 青海省共和县恰卜恰干热岩体地热地质特征[J]. 中国地质, 45(6): 1087-1102.  
ZHANG Senqi, YAN Weide, LI Dunpeng, JIA Xiaofeng, ZHANG Shengsheng, LI Shengtao, FU Lei, WU Haidong, ZENG Zhaofa, LI Zhiwei, MU Jianqiang, CHENG Zhengpu, HU Lisha. 2018. Characteristics of geothermal geology of the Qiabuqia HDR in Gonghe Basin, Qinghai Province[J]. Geology in China, 45(6): 1087-1102. (in Chinese with English abstract).  

青海省共和县恰卜恰干热岩体地热地质特征
张森琦1, 严维德2, 黎敦朋3, 贾小丰1, 张盛生4, 李胜涛1, 付雷1, 吴海东1, 曾昭发5, 李志伟6, 穆建强7, 程正璞1, 胡丽莎1    
1. 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心, 河北 保定 071051;
2. 青海省国土资源厅, 青海 西宁 810001;
3. 福州大学紫金矿业学院, 福建 福州 350116;
4. 青海省水文地质工程地质环境地质调查院, 青海 西宁 810008;
5. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130026;
6. 中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室, 湖北 武汉 430077;
7. 中国冶金地质总局地球物理勘查院, 河北 保定 071051
摘要: 基于地热地质、综合地球物理勘查成果等布孔依据,实施的GR1干热岩勘探孔位于共和县恰卜恰干热岩体中南部,是迄今我国钻遇地层温度最高的干热岩勘探孔,为我国首个EGS示范工程与科研试验平台建设奠定了基础。GR1孔测温结果表明,2500 m深处温度为150℃,进入干热岩段;终孔深度3705 m处的井底温度为236℃。2500~3705 m井段平均地温梯度为71.4℃/km,高于另3眼干热岩勘探孔;2800~3705 m井段地温梯度大于80℃/km,属中等品质以上干热岩。综合地球物理勘查与4眼干热岩勘探孔钻探结果表明,该干热岩体埋深2104.31~2500 m,面积246.90 km2;干热岩资源评价结果表明,3~5 km深度范围,100年内的潜在发电装机容量为3805.74 MW,以2%的采收率计,装机容量为76.11 MW;3~6 km潜在装机容量为7788.26 MW,以2%的采收率计,装机容量为155.77MW;3~7 km潜在装机容量为13639.25 MW,以2%的采收率计,装机容量为272.79 MW。
关键词: 共和盆地    干热岩    地温梯度    地热地质    
中图分类号:P314.2            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2018)06-1087-16
Characteristics of geothermal geology of the Qiabuqia HDR in Gonghe Basin, Qinghai Province
ZHANG Senqi1, YAN Weide2, LI Dunpeng3, JIA Xiaofeng1, ZHANG Shengsheng4, LI Shengtao1, FU Lei1, WU Haidong1, ZENG Zhaofa5, LI Zhiwei6, MU Jianqiang7, CHENG Zhengpu1, HU Lisha1    
1. Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey, China Geological Survey, Baoding 071051, Hebei, China;
2. Department of Land and Resources of Qinghai, Xining 810002, Qinghai, China;
3. School of Zijin Mine, Fuzhou University, Fuzhou 350116, Fujian, China;
4. Institute of Hydrogeology, Engineering Geology and Environmental Geology Survey of Qinghai, Xining 810008, Qinghai, China;
5. School of Resources and Environment, Jilin University, Changchun 130026, Jilin, China;
6. State Key Lab of Geodesy and Geodynamics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 350116, Hubei, China;
7. Geophysical Exploration Institute of China Metallurgical Geology Bureau, Baoding 071000, Hebei, China
Abstract: Based on regional geology, geothermal geology and integrated geophysical exploration results, the GR1 hot dry rock exploration well was completed in the central part of Qiabuqia Town in the Gonghe basin. The GR1 well is the highest temperature hot-dry rock exploration well in China, which has laid an important foundation for China's first EGS demonstration project. The temperature measurement results show that the temperature at the depth of 2500 m is 150℃, entering into the hot dry rock section. The temperature of the bottom hole at the depth of 3705 m is 236℃. The average geothermal gradient of 2500-3705 m is 71.4℃/km, which is higher than that of the other 3 hot dry rock exploration wells. At 2800-3705 m of GR1 well the geothermal gradient is higher than 80℃/km. The exploration results show that the depth of the hot dry rock is 2104.31-2500 m, which is oval-shaped in the east-west direction, with an area of 246.90 km2. The evaluation results show that the total theoretical resources of the Qiabuqia hot dry rock is 1638.16EJ in the depth of 3-5 km, equivalent to 55.909 billion tons of standard coal.
Key words: Gonghe Basin    hot dry rock    geothermal gradient    geothermal    geology    

1 引言

干热岩(Hot Dry Rock,HDR)是指埋藏于地下3~10 km、温度150~650℃,不含或微含不流动流体的高温岩体(Brown et al., 1995)。据此,本文暂将150℃作为干热岩的温度下限。保守地估计,地壳中3~10 km深处干热岩所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍(Brown et al., 1995许天福等,2016)。

在干热岩概念基础上发展而来的增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems,EGS),是指通过水力压裂等工程手段,在地下深部低渗透性干热岩体中形成人工热储,进而长期、经济地采出相当数量地热能的人造水热系统(Panel DOE,2006)。

近年来,随着增强型地热系统工程与技术方法的发展,一方面强调其开发利用工程技术属性;另一方面表现出从局部高温岩体热储圈定,向普遍的干热岩地热资源调查评价与勘探思路转变(蒋林等,2013)。

尽管理论上干热岩“无处不在,资源量巨大”,但因中国干热岩基础地质研究程度低,适宜板内构造环境的中国干热岩理论、勘查与工程化关键技术研究相对薄弱。特别是受钻探技术和经济成本等因素制约,目前亟需寻找出埋藏适中、温度高、有潜在经济价值的高温干热岩体,进而推进干热岩地热发电(汪集旸等,2012)。

干热岩体具有的高温、高硬度、高研磨性、高地应力等特点,导致干热岩钻探成本可能高达EGS工程总投资的50%~60%以上(Polsky et al., 2008Barbier,2002)。因此,钻探成果不仅决定着干热岩勘查开发目标靶区的比选(张森琦等,2017),还影响着后继EGS工程建设,具有重要的地热地质意义。

青海共和盆地GR1干热岩勘探孔(以下简称“GR1孔”)终孔深度3705 m,孔底温度236℃,是中国目前钻获温度最高的干热岩,实现了我国干热岩勘查重大突破。本文重点以GR1孔干热岩勘探孔地质及地热地质资料分析为主线,揭示青海省共和县恰卜恰干热岩体地热地质特征,以期为我国寻找相似类型的干热岩资源提供参考。

2 区域地质概况 2.1 大地构造位置

在大地构造位置上,GR1孔所在的共和盆地,位于西秦岭造山带西端(图 1)。研究区内西秦岭造山带北为青海湖南缘—宝鸡断裂,北侧与祁连造山带相邻;南为玛沁—略阳断裂,南缘以阿尼玛卿—勉略缝合带为界与松潘—甘孜造山带相接;西为温泉—哇洪山断裂,西缘与东昆仑和柴达木板块毗邻(冯益民等,2003骆必继,2012)。西秦岭造山带与松潘—甘孜地区一起构成了中国大陆最大的构造结(张国伟等,2004),地质构造十分复杂。其中,阿尼玛卿—勉略缝合带标志着古特提斯洋向北的俯冲作用(李曙光等,1996Xu et al., 2002Yang et al., 2009)。区域上,西秦岭造山带无前寒武纪基底地层出露,主要出露奥陶纪—新生代沉积地层,尤以泥盆纪、石炭纪、二叠纪和三叠纪地层为主(冯益民等,2003)。

图 1 研究区大地构造位置图(张雪亭等,2007) Figure 1 Geotectonic location map of the study area (after Zhang et al., 2007)
2.2 共和盆地地质概况

共和盆地西小东大,总面积15184 km2,为青海省第三大盆地,黄河沿其短轴方向横切而过。因其地处于多个造山带(西秦岭、东昆仑、祁连)和块体(柴达木和欧龙布鲁克)交接转换的重要结点地区(张国伟等,2004),大地构造位置与构造意义十分重要,是一个值得研究的盆地(王昌桂等,2004)。该盆地成因、深部地质结构、隐伏中酸性侵入体分布规律、中新生代地质构造演化与热源机制是干热岩形成与空间分布的关键基础性地质问题。对其成因类型的认识历来也争议颇大,主要观点有:中新生代断陷盆地(徐叔鹰等,1984袁道阳等,2004),新生代坳陷型盆地(王昌桂等,2004宋博文等,2014),以及共和后造山磨拉石前陆盆地(张雪亭等,2007)等。

GR1孔位于共和县县府所在地恰卜恰镇南东5 km处的早中更新世湖积台地上,地处共和盆地二级构造单元切吉凹陷的东缘。切吉凹陷北以青海南山南缘断裂、南西以哇玉香卡—拉干隐伏断裂为界,北侧青海南山与南西侧鄂拉山—河卡山走滑逆冲其上,南邻贡玛凸起,东缘新生界不整合于黄河隆起或中晚三叠世党家寺岩体之上。

切吉凹陷基底以三叠纪地层和印支期花岗岩为主。东侧龙羊峡地区早中三叠世地层与中晚三叠世当家寺花岗闪长岩体直接出露于地表;南侧阿乙亥南东油1井于627.29 m钻遇印支期花岗岩;西部最深处的共参1井终孔于5026.6 m尚未凿穿古近—新近系。据此推测GR1孔控制的恰卜恰地区,在三级构造单元上,基底具东浅西深的斜坡带性质。

2.3 地层系统

区域上,共和盆地沉积盖层主要由古近—新近纪西宁组(EN1x)、中新世咸水河组(N1x)、上新世临夏组(N2l)和早中更新世共和组(Q1-2al-lg)组成,盆地西南缘造山带局部出露早中侏罗世羊曲组(J1-2yq)。共和盆地基底上部主要为早中三叠世隆务河组、中三叠世古浪堤组和中晚三叠世花岗岩(图 2a),推测基底中下部为古生界—元古界变质岩系(冯益民等,2003)。

图 2 共和地区区域地层(a)与GR1孔实钻地层结构图(b) Figure 2 (a) Strata in Gonghe area; (b) Strata of GR1

共和盆地地表均被第四系覆盖,上部以中晚更新世河流相砂砾卵石(Q2-3al)为主,下部为早中更新世共和组河湖相沉积。共和组下部由黄褐色或蓝灰或绿色亚黏土和砂、砾组成,构成2个旋回,含哺乳类化石等,厚度19 m,与下伏上新世临夏组呈整合接触;中部由黄绿色或灰色砂、砂砾层组成,构成6个旋回,含介形虫等,厚度127 m;上部由黄灰色粉细砂组成,含丰富的介形虫、哺乳类化石,厚度103 m(Stiegeler et al., 2008)。共和盆地内共和组最大厚度可达600 m左右(杨利荣等,2016)。

2.4 侵入岩

共和盆地地处宗务隆—泽库岩浆岩带的青海湖南山—泽库亚带内(张雪亭等,2007)。该岩浆岩带以发育中晚三叠世俯冲-碰撞-造山后中酸性岩浆岩组合为特征,花岗岩多呈带状或断续的长条状、椭圆状分布,侵位时代主要为中晚三叠世,主要岩性为辉长岩-闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩-正长花岗岩。GR1孔东部与中晚三叠世当家寺花岗闪长岩、二长花岗岩体毗邻;北部与中晚三叠世江西沟复式花岗岩体、后沟二长花岗岩体相依(表 1图 3)。

表 1 共和盆地周缘造山带印支期主要岩体统计 Table 1 Statistical table of rock masses of orogenic belt surrounding Gonghe Basin in the Indosinian periods
图 3 共和盆地周边印支期以来主要花岗岩体分布图 Figure 3 Distribution of main granite bodies surrounding Gonghe Basin since Indosinian Period
3 GR1孔布置的地热地质和地球物理依据

实施GR1孔的主要目的是通过钻探,查明4000 m深度范围内干热岩垂向分布、地温梯度与岩性变化,获取干热岩资源评价参数;通过已有钻孔与综合地球物理勘查成果,分析推断干热岩体分布范围,评价干热岩资源。实钻结果表明,GR1孔终孔深度3705 m,井底温度236℃,基本查明了3700 m深度范围内地层结构与干热岩岩性变化、全孔段温度状况与地温梯度,获得了干热岩资源评价参数。GR1孔不仅是迄今中国钻获温度最高的干热岩勘探孔,而且为中国首个EGS示范工程与科研试验基地建设奠定了重要基础。

3.1 地热地质依据

20世纪60年代发现上塔买村—克才村—东坡村围限的区域发育低温地下热水,热储为早中更新世共和组、上新世临夏组和中新世咸水河组。而恰卜恰镇南东的上他买—克才一带约25 km2的三角形地带地区,呈北西、北北西向共出露有9处温泉,温度20℃左右,最高32℃(图 4)。本区先后施工石油地质、地热地质钻孔9眼(表 2),井深628.54~ 3705 m,总体沿恰卜恰河谷平原区近南北向分布。如何寻找出共和盆地深部温度更高、控制范围更大的干热岩资源,是本次布孔的主要期望。

图 4 共和县上塔买村—克才村—东坡村温泉分布图 Figure 4 The distribution of hot springs in Shangtamai-Kecai-Dongpo Village of Gonghe
表 2 恰卜恰地区地热与干热岩钻孔统计 Table 2 Geothermal and hot dry rock drilling statistics in Qiabuqia area

尽管多数孤立的温泉与深部干热岩是否存在联系尚不明晰,但在一个相对较大的范围内出露众多的温泉,形成对流型地下热水时,则一定程度映射出其下部或上游深部可能发育有高温热源,或与深部干热岩构成一定的镜像关系。因此,温泉的群居性与成规模的水热型地热田是寻找干热岩资源的地热地质标志。据此将GR1孔布置于温泉出露区中部上游地区。

3.2 高精度航磁测量提供的依据

依据1:5万高精度航磁测量数据,采用V2D - depth方法(张恒磊等,2012),对隐伏干热岩体进行分析推断。基于二阶导数对磁源边界与顶部埋深进行反演,得出恰卜恰隐伏花岗岩体/干热岩体南部埋深1200~1350 m,相对较浅。据此将GR1孔布置于花岗岩体中部(图 5)。

图 5 基于高精度航磁数据推断的恰卜恰干热岩体范围图 a—ΔT等值线平面图;b—地质矿产图;c—上延1700 m等值线平面图;d—岩性、构造推断及顶埋深图 Figure 5 Inferred range maps of hot dry rock bodies based on high- precision aeromagnetic data in Qiabuqia area a-ΔT contour map; b-Geological and mineral resources map; c-Extending upward 1700m contour map; d-Lithologic structure inference and top burial depth map
3.3 重磁测量提供的依据

以覆盖共和县恰卜恰—达连海地区800 km2的1:5万重磁测量数据,得出的重磁人机交互反演结果(图 6)表明:重磁计算曲线与实测曲线拟合较好,并反映出三层地质结构,即表层第四纪地层,厚度约600 m;中间古近—新近纪地层,厚度约800 m;下部基底则为花岗岩。因此,重磁测量范围内基底均为隐伏花岗岩体/干热岩体,适宜布置干热岩勘探孔。

图 6 过恰卜恰镇南北向AB剖面重磁人机交互反演结果图 Figure 6 The man - machine interactive inversion results of the north - south AB profile crossing Qiabuqia town
3.4 可靠性分析

地震波的P波和S波速度均能够反映地壳内部结构属性的差异。与P波相比,S波对地下岩体的温度、流体等因素更为敏感,能更好地反映地下热结构。流体和部分熔融层/体通常会造成S波的低速异常。因此,显著的S波低速异常可能会同时叠加来自温度升高的影响(Mackenzie et al., 2005Proestley et al., 2006)。如当温度低于固相线时,温度每提高100℃,会造成P波速度降低0.5%~2%,而S波速度则可降低0.7%~4.5%(Goes et al., 2000)。显然,S波速度对较大幅度的温度变化更为敏感。即:在相同岩性条件下,S波速度降幅越大,可能表明所探测的地质体温度越高,更适合岩体温度三维空间异常特征分析。

基于上述,在共和地区开展了干热岩天然地震背景噪声层析成像勘查。由图 7可以看出,恰卜恰干热岩体至10 km深度水平规模最大,之下趋于减少,到21 km深度水平一直处于S波低速区,且圈闭性良好,说明该干热岩体在垂向上延伸相对稳定,表明上述布孔依据可靠度较高。

图 7 共和地区21 km以上深度水平S波速度结构图 Figure 7 S-wave velocity structures at the depth of 3-21 km in Gonghe

在以上GR1孔地热地质和综合地球物理勘查布孔依据的基础上,同时考虑井场周边地形地貌和交通条件等因素,最终将GR1孔布置于共和县府驻地恰卜恰镇南东5 km处的湖积台地上(图 8),钻探目的层为恰卜恰隐伏中晚三叠世高温花岗岩体。

图 8 恰卜恰地区干热岩勘探孔分布图 Figure 8 The distribution of hot dry rock wells in Qiabuqia area
4 GR1孔地热地质特征 4.1 实钻地质结构

GR1孔施工于2015年12月—2017年8月。井口坐标:100°38′55.72″E;36°15′9.02″N;井口海拔2912 m。GR1孔岩心编录表明,0~500 m上部为较薄的中晚更新世河流相砂砾卵石(Q2-3al)层,颗粒粗大,向下变细(图 2b);中下部主体为早中更新世共和组;500~1350 m为上新世临夏组与中新世咸水河组,岩性为灰黑色、青灰色及青灰色中厚层泥岩夹褐红色薄层泥岩与灰黄色、青灰色及杂色中厚层粉砂岩。泥岩完整性较好,砂岩颗粒较细。该孔1350 m以浅为新生界沉积盖层,1350~3705 m为中晚三叠世花岗岩,主体岩性为花岗闪长岩、(黑云母)花岗岩、二长花岗岩和斑状(黑云母)二长花岗岩等,组成干热岩型地热资源的热储。

4.2 钻孔测温与地温梯度

GR1孔100 m定深测温采用300℃留点温度计测量。考虑到钻具提升时的振动影响,每次测温放置5~10支温度计,取其均值作为测深处温度(表 3)。

表 3 GR1孔随钻留点温度计测温结果 Table 3 The temperature measurement results during drilling with thermometer in GR1 well

在井深-温度曲线图上,2500 m以上呈凸型曲线(图 9a)。这种曲线常出现在岩石的导热性随深度增加而增大的陆源区、地下水向上部运移的地区,因岩浆活动、机械变形、变质与放热作用等所引起的放热岩层,以及岩丘和其他构造层以上的地段(切列缅斯基等,1982)。2500 m以下井段井深-温度曲线呈直线型(图 9b),表明本井深部无地下水运动(张发旺等,2000),亦无区域性流体扰动,属干热岩无疑。

图 9 GR1干热岩勘探孔井深-温度曲线图 Figure 9 Well depth-temperature curve of GR1

GR1孔2500~3705 m井段平均地温梯度为71.4 ℃/km,高于另3眼干热岩勘探孔;2800~3705 m井段地温梯度大于80 ℃/km。依据地温梯度值,即高级大于80 ℃/km,中级40~80 ℃/km,低级30~ 40 ℃/km的干热岩资源品级衡量,GR1孔控制的干热岩体属中等品质以上干热岩。

4.3 干热岩体岩石学特征

GR1孔1350 m以下井段全为花岗岩,岩性为花岗闪长岩、(黑云母)花岗岩、二长花岗岩和斑状(黑云母)二长花岗岩(图 10),为一复式岩体,并可划分为2个岩浆序列。第一个岩浆序列分布于孔深1650~1750 m井段,岩性为灰白色中粗粒花岗闪长岩,时代对比为中三叠世;第二个岩浆序列在GR1孔中占绝对优势,由早到晚包括灰白色中粒(黑云母)花岗岩、浅肉红色中粒二长花岗岩、浅肉红色—灰白色中粗粒斑状(黑云母)二长花岗岩,岩浆由早到晚由酸性向碱性演化,时代对比为中晚三叠世。

图 10 GR1孔干热岩段岩心柱状图 Figure 10 The core histogram of HDR in GR1

GR1孔1900~2350 m井段岩心沿节理面充填有肉红色、粉红色浊沸石,局部肉红色钾长石化,推测该井段发育低温蚀变现象。2500~3000 m井段裂隙发育水热蚀变现象,多处见浊沸石细脉及薄膜。3000 m以下井段可见青灰色蚀变花岗岩,蚀变矿物主要为绿泥石化和绿帘石化,黑云母均已绿帘石化,长石具高岭土化。深部可见硅华、钙华、浊沸石等热水沉积矿物。

据钻探编录资料,恰卜恰花岗岩体上部300 m井段岩体较为破碎,呈碎裂状,顶部发育8 m厚的强风化层,300 m以下总体相对完整。受构造变形影响,部分井段岩心裂隙发育,出现完整岩体与裂隙岩体“互层”产出。其中,完整井段岩体厚度44.0~ 94.8 m,最小厚度17.2 m,岩心呈长柱状,隔水隔汽。裂隙发育井段岩体厚度29.0~94.3 m,最大厚度134.5 m,岩心长度3~13 cm,呈短柱状或块状,线裂隙率0.1%~0.3%。部分井段还有断层发育迹象,如井深2250 m处,岩心呈角砾状,无充填物,厚度34.1 m,推测有一断层穿过。

GR1孔3000 m以下,高地应力井段岩心饼裂现象发育,岩饼一般成组出现,表明饼状岩心发育井段最小主应力方向与岩心轴线方向一致,可能是钻孔取心过程中产生的张应力造成的岩心饼化现象(Haimson et al., 1997Li et al., 1998Matsuki et al., 2004王成虎,2014)。

4.4 岩心热物性特征

恰卜恰干热岩体23件岩心热物性样品测试结果表明,该干热岩体比热0.651~1.71 kJ/(kg· K),平均1.08 kJ/(kg· K);热导率0.34~3.16 W/(m· K),平均1.86 W/(m· K);密度1.66~2.71 g/cm3,平均2.64 g/cm3

4.5 岩心放射性特征

恰卜恰干热岩体6件花岗岩岩心样品的放射性测试结果表明,U含量3.18~12.25 μg/g,平均6.09 μg/g;Th含量17.55~31.60 μg/g,平均24.19 μg/g;K含量3.14%~3.19%,平均3.49%。岩石放射性生热率采用Rybach(1988)提出的计算方法进行计算,得出岩石放射性生热率为2.41~5.73 µW/m3,平均为3.63 µW/m3,高于中国东南地区花岗岩的平均放射性生热率2.1~2.8 µW/m3赵平等,1995),但低于福建漳州花岗岩放射性生热率平均值的4.22 µW/m3杨立中等,2016)。

5 恰卜恰干热岩体地热地质特征 5.1 地热地质结构

截至2017年,恰卜恰地区钻遇干热岩体的勘探孔有4眼。其中,共和县中医院DR3孔深2927.2 m,于2104.31 m处钻获干热岩,2927 m处的孔底温度为181.17℃;共和县城北新区供热中心DR4孔深3102 m,于2500 m处钻获干热岩,3080 m处的孔底温度为182.32℃;新近完成的GR1孔深3705 m,于2500 m处钻获干热岩,在干热岩段钻进1105 m,3705 m处的孔底温度为236℃;GR2孔深3003 m,于2300 m处钻获干热岩,3000 m处的孔底温度为186℃(表 4)。

表 4 恰卜恰地区干热岩勘探孔统计 Table 4 The statistical table of HDR exploration wells in Qiabuqia area

共和盆地水热型与干热岩型地热地质钻探揭示出,恰卜恰干热岩体上覆为早中更新世共和组、中新世咸水河组和上新世临夏组,厚度932.16~ 1490.0 m。岩性以泥岩为主夹砂砾岩,呈以段级地层为单位粗细相间的韵律性沉积,构成相应的储盖组合,赋存有水温18~80℃的中低温地下热水。总体而言,恰卜恰干热岩体上部的新生代沉积盖层中,泥岩等细碎岩厚度较大,隔热保温性能良好,为干热岩的二次聚热提供了有利条件。之下为温度低于150℃的隐伏中晚三叠世花岗岩体。2104.31~ 2500 m温度为150~236℃,进入干热岩段,温度随深度增加而增高。

5.2 空间形态

采用V2D-depth方法,在1:5万高精度航磁测量数据反演计算圈定干热岩体的基础上,依GR2井外推一半的原则,确定出恰卜恰干热岩体分布在共和县恰卜恰镇—上塔迈村一带,平面上呈东西向展布的近椭圆形,东西向长21.2 km,南北向宽14.3 km,面积246.90 km2图 11)。同时得到了恰卜恰—达连海地区1:5万重磁测量成果验证。此外,天然地震背景噪声层析成像结果显示,该干热岩体在21 km成像深度范围内发育相对稳定。

图 11 基于钻孔资料推断的恰卜恰干热岩体分布图 Figure 11 The distribution of hot dry rock bodies based on drilling data in Qiabuqia area
5.3 干热岩热能聚集概念模型

热能聚集概念模型重点刻画地热系统的热源、储热岩体、盖层条件及其构造格架等(何治亮等,2017)。由于共和盆地新生代无岩浆活动,无高温地热显示,仅发育低温温泉和中低温水热型地热田,水热型地热异常区面积约300 km2,可能与青藏高原隆升,地壳压缩增厚,上地壳部分熔融有关(姜鸿才等,1994)。

在前述恰卜恰干热岩体空间分布、盖层条件、地温场特征及其构造位置等的基础上,进一步综合考虑天然地震背景噪声层析成像和大地电磁测深(MT)勘查结果,本文初步将共和盆地干热岩热能聚集概念模型概括为:埋深于8~32 km、东西向长约50 km的部分熔融层供热(图 12),中晚三叠世花岗岩体储热,大厚度新生代泥质岩类沉积盖层二次聚热。目前,这一干热岩热能聚集概念模型的勘探实践与总结上升均十分有限,是否具有“可复制性”,有待未来钻探验证。

图 12 东西向大地电磁测深(MT)勘查提供的热源信息 Figure 12 The heat source information provided by east-west MT
5.4 干热岩资源评价

本文基于区域地质、矿产地质、水文地质等地质工作循序渐进的调查勘查理念、地热资源地质勘查规范(GB-T-11615,2010)等,初步将中国干热岩资源调查评价工作阶段划分为全国陆域干热岩资源调查评价、区域级干热岩资源调查评价、地区级干热岩资源调查评价、场地级干热岩资源调查评价和工程级干热岩评价五大阶段。按干热岩资源调查评价精度由低到高,暂称E、D、C、B、A级干热岩资源评价(表 5)。

表 5 中国干热岩资源调查评价阶段初步划分方案 Table 5 Preliminary divisions of investigation and evaluation stage for China's dry hot rock resources

由于恰卜恰干热岩体勘探程度相对较高,本文主要评价控制的干热岩资源(C级)。该级别干热岩资源主要针对上一阶段筛选出的干热岩有利勘查开发区,通过预可行性勘查,依据地热地质调查、综合地球物理、地球化学勘查,并投入一定的控制性钻探工程,基本查明了干热岩热储的岩性结构、空间分布、封闭情况及其温度等地热学参数,进行干热岩资源评价。

同时借鉴(Chanmorro et al., 2014)评估欧洲EGS技术资源和可持续资源时采用的方法,结合中国控制的干热岩评价目标,提出控制的干热岩资源(C级)计算包括:理论资源、技术资源和可持续资源三个层次。按Rybach et al.(2010)的定义,“技术资源”是指在能源结构和生态方面的限制条件下,以现有可用技术能够开发的实际可用的能源所占比重;“可持续资源”这一术语的含义更窄,是指按照可持续的生产水平所具有的“技术资源”所占比重。

在上述干热岩资源评价中,将涉及不同深度岩石的温度、密度、比热容、热导率、生热率、地温梯度等参数,而GR1孔相对于其他3眼干热岩勘探孔而言,提供了探深最大的参数系列,为恰卜恰干热岩体干热岩资源评价奠定了基础。

评价控制的干热岩资源(C级)时,采用体积法结合网格插值剖分法计算。面积取干热岩钻探和综合地球物理勘查成果综合确定的246.90 km2,计算深度区间为3~10 km,并分别计算当地多年平均气温(10℃)下的干热岩理论资源总量和发电温度下限(90℃)下的干热岩资源量。

计算结果表明,恰卜恰干热岩体理论资源总量为1638.16 EJ,折合标准煤559.09亿t,节煤量相当于减少燃煤CO2排放量1323.92亿t,同时减少SO2排放量9.50亿t,减少NOx排放量3.35亿t。按国际干热岩标准,以其2%作为可开采资源量计,恰卜恰干热岩体可采资源量为32.76 EJ,折合标准煤11.18亿t。

恰卜恰干热岩体2500 m深度温度在150℃以上,具备发电条件。本次评价以90℃作为发电温度的下限,评价结果表明,3~5 km深度范围,100年内的潜在发电装机容量为3805.74 MW,以2%的采收率计,装机容量为76.11 MW;3~6 km潜在装机容量为7788.26 MW,以2%的采收率计,装机容量为155.77 MW;3~7 km潜在装机容量为13639.25 MW,以2%的采收率计,装机容量为272.79 MW。

5.5 总体评价

目前,恰卜恰周边地区有在建的50万公顷光伏电站,以龙羊峡为龙头的水能基地和风电基地等。如能在该地区建成中国首个EGS示范工程与科研试验平台,不仅可促进共和盆地新能源集中区建设,还可丰富清洁能源的家族成员。

依据美国能源部干热岩FORGE计划(FORGE: Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy,干热岩地热能前沿瞭望台研究计划)(Simmons et al., 2016)提出的EGS工程选址要求:干热岩储层必须为结晶岩类;钻探深度1500~4000 m;温度175~225℃等主要指标衡量,恰卜恰干热岩体岩性以中晚三叠世花岗闪长岩、二长花岗岩为主,岩性条件好;钻探深度为2927.2~3705 m,干热岩体埋深2104.31~2500 m,钻探深度与干热岩体埋深适中;孔底最高温度为236℃,符合干热岩开发需要,干热岩总体勘探成果大致与美国能源部FORGE计划在研的犹他州盐湖城南约350 km处的米尔福德(Milford)EGS场地处于“并跑”的水平。

6 结论

(1)GR1孔控制的恰卜恰干热岩体上覆新生代沉积地层厚度932.16~1440.9 m,泥岩等细碎屑岩盖层厚度较大,隔热保温性能良好,为干热岩资源的二次聚热提供了条件。推测共和盆地干热岩热能聚集概念模型可能为:埋深于8~32 km、东西向长约50 km的部分熔融层供热,中晚三叠世花岗岩体储热,大厚度新生代泥质岩类沉积盖层二次聚热。

(2)GR1孔2500~3705 m井段的直线型温度-井深曲线,表明本井深部无区域性流体扰动,属干热岩无疑。测温结果表明,2500 m深处温度为150℃,进入干热岩段。终孔深度3705 m处的井底温度为236℃。2500~3705 m的干热岩段平均地温梯度为71.4℃/km,高于其他3眼干热岩勘探孔。2800~3705 m井段地温梯度大于80℃/km,属中等品质以上干热岩。

(3)GR1孔在干热岩段钻进1105 m,岩性主要为花岗闪长岩、(黑云母)花岗岩、二长花岗岩和斑状(黑云母)二长花岗岩,侵入时代为中晚三叠世。300 m以下井段干热岩体相对完整,部分井段裂隙相对发育,并有断裂构造发育,局部井段岩心严重饼化。2500~3000 m井段,岩石裂隙和热蚀变作用相对发育,深部可见硅华、钙华、沸石等地下热水沉积矿物。干热岩体比热平均1.08 kJ/(kg· K),热导率平均1.86 W/(m· K),密度平均2.64 g/cm3

(4)GR1孔等4眼干热岩勘探孔控制的恰卜恰干热岩体,平面上呈椭圆形,东西向长21.2 km,南北向宽14.3 km,面积246.90 km2。天然地震背景噪声层析成像显示,在21 km的垂深范围内,该干热岩体发育相对稳定。

(5)评价结果表明,恰卜恰干热岩体3~5 km深度范围,100年内的潜在发电装机容量为3805.74 MW,以2%的采收率计,装机容量为76.11 MW;3~ 6 km潜在装机容量为7788.26 MW,以2%的采收率计,装机容量为155.77 MW;3~7 km潜在装机容量为13639.25 MW,以2%的采收率计,装机容量为272.79 MW。

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