０ 引言

 

  地核與地表的巨大溫差、地殼內(nèi)放射性元素衰變及斷層摩擦產(chǎn)生的熱量等形成了儲量巨大的地?zé)崮?/a>．據(jù)估算，地殼外層１０ｋｍ以內(nèi)的地?zé)崮?/a>總量就達(dá)到了１．２５４×１０２７ Ｊ，相當(dāng)于全世界煤炭儲存總量的２ ０００倍，地表以下３ｋｍ以內(nèi)的地熱能總量也相當(dāng)于２．９萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，這是２０１０年世界煤炭總產(chǎn)量的４００倍．地熱能具有非常大的開發(fā)潛力以及廣闊的利用前景（Ｉｎｇｖａｒ，２００１；Ｅｎｒｉｃｏ，２００２）．根據(jù)賦存形式及埋藏深度，地?zé)豳Y源可分為３種類型：（１）淺層地溫能，埋藏深度一般在２００ｍ 以內(nèi)；（２）地?zé)崃黧w，埋藏深度一般為２００ｍ 到３ｋｍ；（３）干熱巖，通常埋藏深度大于３ｋｍ小于１０ｋｍ．在這３種地?zé)豳Y源中，只有地?zé)崃黧w已達(dá)到商業(yè)發(fā)電開發(fā)利用階段．地熱流體又可根據(jù)溫度分為高溫（＞１５０℃）、中溫（９０～１５０℃）和低溫（地表平均氣溫至９０℃）３種地?zé)?/a>資源．人類利用地?zé)?/a>資源歷史已久，但主要以直接利用為主，發(fā)電是上世紀(jì)初才開始嘗試并在其后大規(guī)模發(fā)展的（Ｇｅｒａｌｄ，２００１）．１９０４年，意大利首次利用地?zé)?/a>蒸汽發(fā)電成功，其后于１９１３年在拉德瑞羅建成世界上第一座試驗地?zé)犭娬?/a>；１９５８年，新西蘭的懷拉開地?zé)犭娬?/a>首次利用擴(kuò)容法解決了地熱流體的發(fā)電技術(shù)；至１９９７年底，全世界地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量已近８ ０２１ＭＷ（馬梅林和王紀(jì)春，１９９８；王貴玲等，２０００；汪集旸等，２０００；Ｉｎｇｖａｒ，２００１）．地?zé)岚l(fā)電的原理簡而言之就是先把地?zé)崮?/a>轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，然后再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能．由于可利用的地?zé)豳Y源的類型不同，所采用的技術(shù)方法也相應(yīng)有差異，主要分為地?zé)?/a>蒸汽、地?zé)崴?/a>、聯(lián)合循環(huán)及干熱巖４種發(fā)電方式．地?zé)嵴羝l(fā)電直接利用地?zé)?/a>井中的高溫蒸汽，先進(jìn)行凈化，然后推動汽輪機(jī)做功，使發(fā)電機(jī)發(fā)電（呂太等，２００９）．地?zé)崴?/a>發(fā)電的基本思想是將熱水轉(zhuǎn)化成蒸汽，然后用蒸汽發(fā)電，主要方法有２種：

  一種是降壓閃蒸（擴(kuò)容），即通過降低壓力使地?zé)崃黧w迅速汽化；另一種是用地?zé)崴?/a>加熱某種低沸點物質(zhì)（如氟利昂、異戊烷等），使之汽化（Ｒｏｎａｌｄ，２００４）．聯(lián)合循環(huán)發(fā)電將蒸汽發(fā)電和地?zé)崴?/a>發(fā)電相結(jié)合，充分提高了地?zé)崃黧w熱能的利用率．干熱巖發(fā)電的原理則是利用人工注入的冷水其將熱量從地下帶出，通過產(chǎn)生的蒸汽或熱水來發(fā)電（高學(xué)偉等，２００８）．１ 我國地?zé)岚l(fā)電歷史及現(xiàn)狀

 

  我國屬于富地?zé)豳Y源的國家，但其分布十分不均，高溫地?zé)豳Y源僅分布在西藏南部、四川西部、云南西部及臺灣省，中低溫地?zé)豳Y源主要分布于東南沿海地?zé)釒?/a>、華北及東北部分地區(qū)（Ｈｕ ｅｔ ａｌ．，２０００；Ｗａｎ ｅｔ ａｌ．，２００５）．我國地?zé)岚l(fā)電始于２０世紀(jì)７０年代，時值第一次石油危機(jī)，在全國建成了７個中低溫地?zé)?/a>電站，其位置、地熱流體溫度及發(fā)電功率分別為：廣東豐順縣鄧屋，９２ ℃，３００ｋＷ；湖南寧鄉(xiāng)縣灰湯，９８ ℃，３００ｋＷ；河北懷來縣后郝窯，８７℃，２００ｋＷ；山東招遠(yuǎn)縣湯東泉，９８℃，３００ｋＷ；遼寧蓋縣熊岳，９０℃，２００ｋＷ；廣西象州市熱水村，７９℃，２００ｋＷ；江西宜春縣溫湯，６７℃，１００ｋＷ（馬梅林和王紀(jì)春，１９９８；王貴玲等，２０００；鄭克棪和潘小平，２００９）．這７座中低溫地?zé)?/a>電站無一例外都是建立在熱田面積比較小的中低溫對流型地?zé)嵯到y(tǒng)中，其熱儲溫度和高溫水熱系統(tǒng)相比要低得多，另外由于熱田面積小，匯水范圍小，可供開采利用的水量也不大．上述地?zé)犭娬?/a>的發(fā)電量均介于５０ｋＷ 到３００ｋＷ 之間，且發(fā)電過程中出現(xiàn)的問題一直沒有得到妥善解決；到現(xiàn)在為止其中６個已經(jīng)停產(chǎn)，唯一仍在運營的是廣東豐順地?zé)犭娬?/a>，發(fā)電量約３００ｋＷ，只相當(dāng)于羊八井地?zé)?/a>電站的１／８０左右．２０世紀(jì)７０年代中期，我國開始在西藏嘗試高溫地?zé)岚l(fā)電，先后建立過３個地?zé)犭娬荆謩e是羊八井地?zé)?/a>電站、朗久地?zé)犭娬竞湍乔責(zé)犭娬荆?a href="http://www.cityofbrews.com/t/羊八井.html" >羊八井地?zé)犭姀S現(xiàn)在主要利用溫度高達(dá)２５５℃的深部地?zé)?/a>流體，發(fā)電量為２４．１８ＭＷ（Ｚｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，２０１４）．朗久和那曲是２個相對規(guī)模比較小的熱田，地熱流體的溫度和流量都不太穩(wěn)定．在建廠后的發(fā)電過程中，地?zé)崃黧w輸送管道的結(jié)垢和腐蝕問題一直沒有得到妥善解決，所以這兩個電站現(xiàn)已廢棄．我國至今仍在運營的高溫地?zé)?/a>電站，只有西藏羊八井．羊八井電站雖然在發(fā)電量上與其他國家的部分地?zé)犭娬鞠啾炔⒉贿d色，但發(fā)電過程中產(chǎn)生了許多環(huán)境問題．例如，在電廠剛剛建成以后的十幾年時間里，主要開發(fā)利用對象是淺部地?zé)崃黧w，而最初的淺層地?zé)?/a>井均施工于熱田的排泄區(qū)，長期的地?zé)崃黧w開采造成熱水位下降，同時也導(dǎo)致了熱田南區(qū)的地面沉降．另外，地?zé)犭姀S發(fā)電過程中產(chǎn)生了大量富含有害組分的地?zé)釓U水，而地?zé)釓U水的回灌至今仍未徹底實現(xiàn)，在某些時段仍就近排入當(dāng)?shù)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/地表水.html" >地表水體，造成了較嚴(yán)重的熱田水環(huán)境污染．

 

    ２ 青海共和盆地地?zé)豳Y源分布

 

  我國多年前即已在西藏實現(xiàn)高溫地?zé)岚l(fā)電，但與西藏毗鄰的青海省雖同樣有豐富的地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/資源.html" >資源（張珍，１９９９），開發(fā)利用程度卻低得多（嚴(yán)維德等，２０１３）．目前青海地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/資源.html" >資源的開發(fā)利用僅限于洗浴、醫(yī)療、游泳、大棚養(yǎng)殖、區(qū)域供暖等方面，總體來說，還停留在地?zé)豳Y源開發(fā)利用的初級階段（趙振等，２０１３）．據(jù)青海省國土資源廳及青海省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查院勘查結(jié)果，青海省地?zé)豳Y源種類齊全，地?zé)崴?a href="http://www.cityofbrews.com/t/淺層地溫能.html" >淺層地溫能、干熱巖３種類型均有發(fā)現(xiàn)，且廣泛分布于省內(nèi)的六州一地一市．全省已發(fā)現(xiàn)水溫１５℃以上的地?zé)岙惓^(qū)８４處，其中熱泉排泄溫度在９０℃以上的中溫水熱區(qū)１處，６０～８０℃的低溫水熱區(qū)１０處，４０～６０℃的低溫水熱區(qū)９處，１５～４０℃的低溫水熱區(qū)６４處．地?zé)豳Y源分布區(qū)主要包括共和－貴德盆地、大柴旦、都蘭、青藏鐵路沿線和玉樹巴塘地區(qū)、興海地區(qū)、同仁盆地等，如在貴德扎倉寺發(fā)現(xiàn)溫度為９３．５℃的熱泉，都蘭熱水鄉(xiāng)、夏日哈鄉(xiāng)發(fā)現(xiàn)７０～８２℃的熱泉，顯示這些地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)潛力非常大．另外，通過地?zé)峥碧?/a>井，在共和、貴德、大柴旦、都蘭、玉樹巴塘盆地已發(fā)現(xiàn)多處溫度６０～９３℃的地下熱水，熱儲埋深一般介于２００～１ ８００ｍ．如在共和恰卜恰鎮(zhèn)先后施工多口深井，均獲取了井口溫度在７２℃ 以上的中低溫地?zé)崴?/a>，可開采總量達(dá)１０ ０００ｍ３／ｄ．更重要的是，青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），于２０１３年在共和盆地中北部經(jīng)鉆探驗證，最終在２ ２３０ｍ深度探測到溫度達(dá)１５３℃的干熱巖．隨著深度增加，地溫以６．８℃／１００ｍ 的梯度穩(wěn)定升高，且勘探表明區(qū)內(nèi)１ ６００ｍ 以下無地下水分布跡象．該干熱巖巖體在共和盆地底部廣泛分布，僅鉆孔控制面積已達(dá)１５０ｋｍ２，開發(fā)利用潛力巨大．這是在國內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)的可大規(guī)模利用的干熱巖資源．共和盆地干熱巖資源的發(fā)現(xiàn)不僅為深部地?zé)?/a>的開發(fā)利用提供了得天獨厚的天然試驗場地，也使青海省能源開發(fā)利用新途徑的開辟成為可能．

 

    ３ 共和盆地地?zé)岚l(fā)電

 

  ３．１ 地?zé)峋?/a>位選擇與成井過程

 

  為在共和盆地利用熱儲流體發(fā)電，青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院和中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）開展了前期地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查和地球物理工作．在研究區(qū)南部上塔買－阿乙亥地段，可推斷出４條基底斷裂，近南北向的恰卜恰溝Ｆ１斷裂和阿乙亥溝Ｆ３斷裂屬張扭性斷裂，具導(dǎo)水、導(dǎo)熱作用，北西西向沙有－克才Ｆ２斷裂和四道班－下謝家蓋Ｆ４斷裂為壓扭性斷裂，具阻水作用（王斌等，２０１０）．結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，共和盆地恰卜恰地區(qū)基底埋深不大，熱儲層厚度較薄、泥巖較多，兼之兩組斷裂復(fù)合部位更有利熱水對流運移，因此若希望獲得溫度較高、水量較多的地?zé)崃黧w，盆地基底斷裂帶是優(yōu)選靶區(qū)．最終選擇在盆地ＤＲ２處成井（圖１），終孔深度１ ８５２ｍ．據(jù)ＤＲ２井巖芯資料，０～４９．１ｍ為第四系全新統(tǒng)砂礫卵石及亞砂土、中粗砂，４９．１～５９８．８ｍ為下更新統(tǒng)亞粘土、砂巖，５９８．８～１ ４４０．９ｍ為新近系泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖、中粗砂巖、砂礫巖，基底埋深１ ４４０．９ｍ，以下為花崗巖．熱儲埋深為７１８．３５～１ ４６５．５ｍ，巖性為細(xì)砂巖、含礫細(xì)砂巖、中粗砂巖、砂礫巖等．其中１ ２００～１ ３５４ｍ 粉砂巖呈泥鈣質(zhì)膠結(jié)，富水性較差，含水層厚度１１９．１ｍ．１ ６５０．０～１ ７１０．０ｍ為斷層角礫巖，下部有斷裂性帶狀熱儲．筆者利用ＤＲ２井的實測溫度數(shù)據(jù)繪制了地溫和地溫梯度隨深度變化曲線（圖２ａ，２ｂ），發(fā)現(xiàn)成井位置地?zé)岙惓Ｃ黠@，且地溫隨深度單調(diào)增加，這指示共和盆地內(nèi)的地?zé)嵯到y(tǒng)屬傳導(dǎo)型．根據(jù)熱儲位置及鉆孔巖芯，設(shè)計地?zé)峋?/a>成井工藝如下．０～２０３．５６ｍ，成井口徑４１０ｍｍ，此段內(nèi)下入φ２７３×８．８９ｍｍ石油套管２０３．５６ｍ，管外用水泥進(jìn)行永久止水，形成泵室段．２０３．５６～１ ５００．００ｍ，成井口徑２１５ｍｍ，其中１９１．２０～７１８．００ｍ 下入φ１４０×７．７２ｍｍ石油套管５２６．８ｍ，與上部段泵室段呈托盤連接，并用膨脹橡膠、海帶及水泥止水．７１８．００～１ ５００．３７ｍ為含水層，巖性以砂巖和泥巖互層為主，下入φ１４０×７．７２ｍｍ 石油套管，相對隔水層６個，采用實管，含水層６個，采用花管，合計實管７０６．８８ｍ 20.2 104.，花管５９９．５ｍ．３．２ 試驗地?zé)犭娬镜慕⑷缜八?，青海省地?zé)豳Y源豐富，共和盆地則是全省地?zé)豳Y源富集區(qū)之一，具有地?zé)岚l(fā)電潛力，但長期以來地?zé)衢_發(fā)利用率卻較低，利用方式也僅限于直接利用．在國家大力開發(fā)地?zé)豳Y源政策的支持下，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）和青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院協(xié)同工作，于２０１４年在共和建立了青海首個試驗地?zé)岚l(fā)電站，期望利用區(qū)內(nèi)中低溫地?zé)崃黧w發(fā)電，為青海省能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化做貢獻(xiàn)．研究表明，現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使利用中低溫地?zé)?/a>流體發(fā)電得以實現(xiàn)（Ｏｇｕｚ，２０１１）．由于研究區(qū)熱儲內(nèi)賦存中低溫地?zé)?/a>流體，共和地?zé)犭娬疚床捎脗鹘y(tǒng)的利用高品位地?zé)崮?/a>的汽輪機(jī)，而采用ＯＲＣ螺桿膨脹動力機(jī)發(fā)電．螺桿膨脹機(jī)可利用低品位地熱能實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換，其基本原理是用中低溫地?zé)崃黧w對某種低沸點有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行加熱，工質(zhì)沸騰產(chǎn)生蒸汽并推動轉(zhuǎn)子產(chǎn)生動力做功（Ｂａｉｋ ｅｔ ａｌ．，２０１３）．蒸汽從膨脹機(jī)排出后，進(jìn)入油分離器，分離潤滑油，氣體進(jìn)入冷凝器冷凝成液體，液體被液體泵升壓，進(jìn)入預(yù)熱器、蒸發(fā)器，完成一輪循環(huán)．與此同時，潤滑油在油分離器實現(xiàn)分離后，借助油泵輸送至各潤滑點，確保軸承等零件的潤滑與降溫（圖３）．３．３ 共和盆地地?zé)崃黧w地球化學(xué)特征及其對發(fā)電的影響地?zé)崃黧w的地球化學(xué)特征對其發(fā)電效率及地?zé)峋?/a>發(fā)電壽命有重要影響（Ｇｕｏ，２０１２）．如西藏羊八井熱田的地?zé)崃黧w在生產(chǎn)井口水氣分離后，通過輸送管送至地?zé)犭姀S供發(fā)電機(jī)組使用．由于地?zé)嵴魵庵懈缓茫希埠停龋玻拥人嵝詺怏w，降溫冷凝后，水的ｐＨ 值低于５．０，對金屬管道材料具有較強(qiáng)的腐蝕性（趙平等，１９９８）．共和盆地ＤＲ２生產(chǎn)井抽取的地?zé)崴幕瘜W(xué)組成見表１所示．由于井口地?zé)崃黧w溫度（８４．２℃）低于當(dāng)?shù)胤悬c，不存在水汽分離，而流體ｐＨ 為７．６９，在中性范圍內(nèi)，因此在ＤＲ２井發(fā)電過程中可不考慮腐蝕的發(fā)生．然而，采自ＤＲ２井的地?zé)崴畼悠吩谑覝叵碌幕瘜W(xué)分析結(jié)果指示其Ｃａ２＋ 濃度為４５．２ｍｇ／Ｌ，ＨＣＯ３－ 和ＣＯ３２－ 濃度分別為６０３．８ｍｇ／Ｌ和２．４ｍｇ／Ｌ，用ＳＯＬＶＥＱ－ＸＰＴ軟件可計算出在２０～９０℃范圍內(nèi)ＤＲ２井地?zé)崴畬Ψ浇馐娘柡椭笖?shù)如表２所示．在此溫度范圍內(nèi)，地?zé)崴畬τ诜浇馐幱谶^飽和狀態(tài)，因此發(fā)電過程中存在管道結(jié)垢的可能．當(dāng)然，地?zé)崴校茫幔茫希呈欠裎龀霾⒉粌H僅取決于其對于方解石等礦物的飽和指數(shù)，還與地?zé)崴魉佟毫?、套管的材質(zhì)及光潔度、井筒內(nèi)孔徑變化等多種因素有關(guān)，如多數(shù)情況下管道變徑處更容易結(jié)垢（趙平等，１９９８）．因此，ＤＲ２井地?zé)崃黧w對于方解石飽和指數(shù)的計算結(jié)果并不意味著結(jié)垢一定發(fā)生．４ 結(jié)論

 

  青海共和盆地地?zé)岬刭|(zhì)條件優(yōu)越，地?zé)崃黧w性狀良好，用于地?zé)岚l(fā)電的ＤＲ２井的井口水溫可達(dá)８４．２℃，單井涌水量達(dá)１ ００２．２ｍ３／ｄ，總?cè)芙夤腆w為２．２３ｇ／Ｌ，ｐＨ 值為７．６９，具有一定發(fā)電潛力．我們在共和建成了青海首個試驗地?zé)犭娬?，設(shè)計年均凈發(fā)電量雖僅為１１４ｋＷ，但對共和地區(qū)乃至青海省的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)向具有重大意義．由于ＤＲ２井地?zé)崃黧w具有較高的碳酸和鈣含量，在今后的開發(fā)利用過程中應(yīng)注意井管結(jié)垢問題．