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工程地質(zhì)

西藏羊八井地區(qū)高溫巖體地?zé)衢_采方案研究

  1 引 言
 
  高溫巖體地?zé)豳Y源是指溫度在200 ℃以上的巖體中蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y源。雖然地球內(nèi)部的熱量對人類來說是無限的，但就目前的開發(fā)成本和技術(shù)而言，卻僅有極小部分高溫巖體地?zé)?/a>資源可供人類開發(fā)利用。由于高溫巖體具有溫度恒定且持續(xù)時間長的特點(diǎn)，因此，高溫巖體地?zé)?/a>資源的人工開發(fā)主要是從巖體中提取過熱水蒸氣，直接用來發(fā)電。在國際上，一些發(fā)達(dá)國家的高溫巖體地?zé)嵫芯?/a>專家按照地?zé)?/a>梯度對全世界高溫巖體地?zé)豳Y源進(jìn)行了較為詳細(xì)的評價[1]。在美國，深度小于10 km、地?zé)?/a>梯度大于45℃/km 的易于開發(fā)區(qū)，高溫巖體地?zé)豳Y源量為6.5×105Quads，遠(yuǎn)大于全世界化石能源總量[2]。全世界地殼10 km 以內(nèi)高溫巖體地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/資源.html" >資源總量為40～400MQuads，相當(dāng)于化石能源的100～1 000 倍。其中，日本為4～40 MQuads[3]。因而，高溫巖體地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/資源.html" >資源是巨大的、可供人類使用數(shù)千年的綠色能源。從能源多元化、平衡發(fā)展的角度來看，以及面對化石能源逐漸枯竭的現(xiàn)實(shí)，全世界應(yīng)該大力開發(fā)高溫巖體地?zé)徇@一新型的能源。
 
  我國境內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的高溫巖體地?zé)豳Y源。在西南地區(qū)，由于印度洋板塊向歐洲大陸的俯沖碰撞，形成了青藏高原高溫巖體地?zé)岙惓?，其中?a href="http://www.cityofbrews.com/t/西藏羊八井.html" >西藏羊八井、云南騰沖就是典型的高溫巖體地?zé)岙惓^(qū)；在東南部，受菲律賓板塊的構(gòu)造作用，形成了臺灣、海南和東南沿海一帶的高地?zé)崽荻葏^(qū)；在東部由于受太平洋板塊的影響，形成了長白山、五大蓮池等休眠火山或火山噴發(fā)區(qū)和天津、北京、山東等高地?zé)崽荻葏^(qū)[4]。這些地區(qū)都是具有良好開發(fā)前景的地?zé)豳Y源區(qū)。
 
  目前，全世界高溫巖體地?zé)豳Y源開采與利用并未形成巨大的開發(fā)規(guī)模，在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例仍然很小，其主要原因是開采技術(shù)方案存在較多問題，如高溫環(huán)境下水平井施工和巨型的人工儲留層建造技術(shù)不成熟；另一主要影響因素是高溫巖體地?zé)崽荻绕?，?dǎo)致開發(fā)成本較高。借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，針對我國高溫巖體地?zé)豳Y源賦存的宏觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，考慮溫度場、應(yīng)力場與滲流場的耦合作用規(guī)律，研究中國高溫巖體地?zé)衢_采技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)這一巨大的綠色能源的經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)，是中國巖石力學(xué)界面臨的重大任務(wù)。
 
  西藏羊八井地?zé)犭娬?/a>是我國著名的地?zé)犭娬?/a>，但經(jīng)過20 多年的開采，羊八井熱田熱儲明顯收縮，生產(chǎn)井的溫度、壓力和流量均有不同程度的下降，目前僅能維持16 MW 機(jī)組的滿負(fù)荷運(yùn)行。
 
  地球物理勘探資料表明，羊八井地?zé)崽?/a>深部5～15 km 內(nèi)存在熔融狀態(tài)的巖漿囊，巖漿囊外層溫度為500 ℃，地?zé)崽荻雀哌_(dá)45 ℃/km，熱儲為花崗巖，是高品位高溫巖體地?zé)豳Y源。目前開采的只是熱田淺部熱水資源，僅占熱田地?zé)豳Y源的極小部分。
 
  因此，合理開發(fā)與利用羊八井地區(qū)深部高溫巖體地?zé)豳Y源，是確保熱田地?zé)豳Y源后續(xù)接替、提升羊八井地?zé)?/a>電站發(fā)電能力的必然選擇。
 
  本文以巨型巖體結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)力場、溫度場與滲流場耦合作用分析為基礎(chǔ)，以西藏羊八井高溫巖體地?zé)衢_采為例，系統(tǒng)介紹確定高溫巖體地?zé)衢_采方案的研究分析方法。
 
  2 羊八井高溫巖體地?zé)釡囟?/a>場分布與熱能資源估算當(dāng)雄—羊八井盆地位于念青唐古拉山ES 側(cè)，為一狹長的斷陷盆地，總體呈NE 向展布，盆地邊緣發(fā)育大量伸展斷裂構(gòu)造，盆地走向受伸展斷層控制。
 
  人工地震法資料表明，羊八井熱田深部約22km 處存在一個低速層，可解釋為地下巖漿體。根據(jù)大地電磁探(MT)成果表明，在羊八井熱田北區(qū)深部約5 km 以下存在一個電阻率為5 Ω·m 的低阻層，推斷為未完全冷卻的高溫熔融體(見圖1)。地震深反射探測資料表明，在羊八井熱田北區(qū)上地殼底部深度13～20 km 范圍存在一個地殼局部熔融體[5]，證實(shí)了羊八井熱田深部存在高溫巖漿熔融熱源。
 
  根據(jù)熱田地下熱水氫、氧同位素分析結(jié)果，熱水具有現(xiàn)代大氣降水及地表水滲入來源特征，補(bǔ)給高程一般在4 860 m 左右，與當(dāng)?shù)匮┚€及地表水系源頭分布高程一致。來自念青唐古拉山的大量冰雪融水和大氣降水沿斷裂帶滲入地下，不斷補(bǔ)給地下深部含水層，在循環(huán)過程中不斷與熾熱的巖體進(jìn)行水熱交換，吸收巖體熱量。由于熱水產(chǎn)生密度差，形成自然上升流，上升熱流體沿斷層上行，在一個較封閉的裂隙系統(tǒng)中形成高溫熱儲。當(dāng)流體上行受阻后，循環(huán)壓力將向SE 方向擴(kuò)散，主流沿NW 向SE 方向水平運(yùn)動形成淺層熱儲。
 
  根據(jù)已揭示的羊八井熱田深部地下熔融體的垂直展布形態(tài)與特征，進(jìn)行羊八井高溫巖體地?zé)釁^(qū)域的溫度場分布有限元計算分析[6]，其結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，念青唐古拉山下部熔融體及其上方地質(zhì)體的溫度分布特點(diǎn)為：熔融體溫度在500 ℃以上，在剖面水平方向長度約180 km，垂直方向高度為20 km；在熔融體的垂直上方的地質(zhì)體中，溫度梯度較大，達(dá)4.5 ℃/100 m。
 
  根據(jù)Z. H. Wu 等[7]的研究，當(dāng)雄—羊八井盆地水平距離/km下熔融體NE 向展布長度約150 km 以上，由此通過計算可以獲得深部7～18 km 范圍內(nèi)的熔融體所蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y源量。按截面面積為1 200 km2、總體積為180 000 km3、平均溫度500 ℃、可提取的最低溫度為150 ℃計算，求得總的地?zé)崮茉?/a>量為5.4×109MW·a。若考慮發(fā)電效率為0.17，則可發(fā)電量為0.92×109 MW·a。若按裝機(jī)容量5×107 kW 計算，該能源量可供發(fā)電1.8×104 a。由此可見，羊八井地區(qū)深部蘊(yùn)藏著巨大的綠色能源，是亟待開發(fā)的最優(yōu)質(zhì)的接替能源。
 
  羊八井地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)直接影響今后羊八井地?zé)?/a>田深部熱儲層地?zé)豳Y源的開發(fā)利用。張春山等[8]在羊八井地區(qū)采用壓磁應(yīng)力解除法進(jìn)行了地應(yīng)力測量，在羊八井地區(qū)布置了4 個測點(diǎn)，分別位于堆龍曲右岸(Ybj1，Ybj2 號測點(diǎn))、堆龍曲左岸109國道的左側(cè)(Ybj3，Ybj4 號測點(diǎn))，所測巖體為中粗粒斜長花崗巖。盡管地表節(jié)理裂隙發(fā)育，但在地應(yīng)力實(shí)測深度部位巖石相對完整，所測結(jié)果如表1 及圖4 所示。在羊八井地區(qū)最大水平主應(yīng)力為NE-NEE向，最大水平主應(yīng)力為3.3～10.4 MPa，最小水平主應(yīng)力為2.5～8.4 MPa。
 
  徐紀(jì)人等[9]根據(jù)1972～2000 年羊八井地區(qū)發(fā)生的20 個中強(qiáng)地震震源機(jī)制解確定了主壓應(yīng)力軸P和主張應(yīng)力軸T 的水平投影(見圖5)和EW向垂直剖面投影研究結(jié)果(見圖6)。圖例處M 為震級，N 為地震次數(shù)。雖然高原中南部應(yīng)力場主壓、主張應(yīng)力方向與青藏高原的整體特征相符，但是地震發(fā)生類型與青藏高原周緣的擠壓逆斷層型地震完全不同，均屬于EW 向擴(kuò)張力作用下的正斷層型地震活動。
 
  特別是在羊八井高熱流區(qū)附近，EW 向擴(kuò)張應(yīng)力場在巖石圈應(yīng)力場中起到主導(dǎo)性作用，推測其控制深度可達(dá)巖石圈底部100 km 以下。青藏高原地?zé)岙惓^(qū)在強(qiáng)烈的近EW 向擴(kuò)張應(yīng)力場作用下，巖石圈EW向擴(kuò)張并發(fā)生一系列大規(guī)模的正斷層活動，致使深部軟流圈高溫熱流可以沿著活動正斷層及其形成的深裂隙上涌，穿過巖石圈到達(dá)地表面，形成了高溫地?zé)?/a>異常區(qū)。
 
  4 羊八井深部高溫巖體地?zé)衢_采技術(shù)
 
  方案分析
 
  根據(jù)羊八井盆地高溫巖體模型(見圖1)，分析念青唐古拉山南坡與當(dāng)雄—羊八井盆地間巨大巖體的呈階梯狀的構(gòu)造樣式可知，在5～6 km 及其淺部發(fā)育有大傾角的正斷層與大裂縫，傾角為55°～70°，由念青唐古拉山頂峰向當(dāng)雄—羊八井盆地形成了5個大型階梯狀正斷層，間隔為4～6 km。同時存在有大量傾向一致的小裂縫，其裂縫面沿當(dāng)雄—羊八井盆地走向水平展布，總體呈NE 向。由當(dāng)雄—羊八井盆地地應(yīng)力測量結(jié)果和震源機(jī)制解分析可知，其最小水平主應(yīng)力垂直于這些斷層面和裂縫面。
 
  當(dāng)深度超過6 km 時，這些斷層逐漸演化成傾角較小、十分平緩的剪切帶或滑移帶，其傾角為15°～20°，走向大致與熔融的巖漿囊輪廓一致。由念青唐古拉山南坡至當(dāng)雄—羊八井盆地，再至旁多山地，斷層面距地表的深度逐漸增加，如圖7 所示。F5 斷層位于羊八井盆地中央，依次向念青唐古拉山南坡分別分布有F4，F(xiàn)3，F(xiàn)2，F(xiàn)1 共4 個大斷層。由圖7可知，F(xiàn)1～F5 斷層埋藏深度依次增加，垂直自重應(yīng)力依次增大。在裂縫相對平緩的區(qū)域，裂縫的法向應(yīng)力基本等于自重應(yīng)力，因此，沿著各斷層的傾斜方向向上，垂直自重應(yīng)力在不斷減小，裂縫滲透系數(shù)逐漸增大，即滲透阻力逐漸減小(見圖8)。
 
  (1) 羊八井高溫巖體地?zé)衢_采技術(shù)方案
 
  以上述構(gòu)造分析為基礎(chǔ)，提出在羊八井盆地中央，F(xiàn)5 與F4 斷層中部，水平距離27～28 km 處(見圖7)，施工一口垂直井，深度約9 000 m，進(jìn)入F1～F4 斷層的近水平段，在8 500 m 以上，全部固井，在8 500～9 000 m 的500 m 段裸孔或花管護(hù)孔作注水井。在注水井北側(cè)，分別施工2 口斜井作生產(chǎn)井(見圖1)，分別穿越F1～F4 斷層。這樣注水井、生產(chǎn)井與F1～F5 斷層構(gòu)成了完整的高溫巖體地?zé)衢_采系統(tǒng)。由圖1，7 可知，注水井與生產(chǎn)井所穿越的F1～F5 斷層近水平剪切帶區(qū)域的溫度為350 ℃～450 ℃，而且與熔融的巖漿囊相距僅500～1 000 m。
 
  (2) 高溫巖體地?zé)衢_采期間滲流場形態(tài)分析
 
  當(dāng)從注水井向高溫巖體注水時，深度8 500～9 000 m，其自重應(yīng)力為210～225 MPa，水的自重應(yīng)力為90 MPa，則地面的注水壓力為130 MPa。沿斷層帶向深部延伸，自重應(yīng)力增加，滲透阻力增大，最主要的流向是沿斷層向淺部延伸，其次是注入水會沿注水井向兩側(cè)水平滲流，注入60 d 時的滲流場如圖9 所示。
 
  (3) 人工儲留層與資源量估算
 
  由圖1 可知，在注水井與生產(chǎn)井采熱的區(qū)段，其垂直高度為4 km，傾斜長度為25 km，兩側(cè)水平流動展布范圍為3 km(單側(cè)1.5 km)，則有3×1011 m3的破碎巖體可作為高溫巖體地?zé)衢_發(fā)的人工儲留層，它是1980～1988 年英國Cornwall 高溫巖體地?zé)衢_采建造的人工儲留層儲量(8.25×108 m3)的360倍[14]，是法國Soultz 建造的人工儲留層儲量(3.2×108 m3)的937 倍，據(jù)此利用天然地質(zhì)構(gòu)造帶做人工儲留層進(jìn)行高溫巖體地?zé)衢_采具有巨大的優(yōu)勢，也是本方案提出的基本依據(jù)。
 
  此外，由于最小水平主應(yīng)力方向垂直于斷層面，在高壓水的作用下，裂縫的擴(kuò)展方向總是垂直于最小主應(yīng)力方向。因此，無論是原生裂縫，還是新生的裂縫，都始終與傾斜的生產(chǎn)井相交，便于高溫過熱水蒸汽沿生產(chǎn)井排至地面。
 
  該開采系統(tǒng)內(nèi)的花崗巖容重為2 700 kg/m3，比熱容為1 000 J/(kg·℃)，按150 ℃作為地?zé)衢_采的最低限值，則可提取的熱量按250 ℃取值，由此獲得該開采系統(tǒng)內(nèi)的資源量為6.34×109 kW·a。
 
  按熱量利用的17%計算，則可發(fā)電量為1.08×109 kW·a，該資源量可建造一座10 000 MW 裝機(jī)容量的電站，可連續(xù)發(fā)電100 a。若考慮高溫巖體地?zé)衢_采期間高溫熔融體熱量的不斷傳輸，則該區(qū)域所能提取的地?zé)豳Y源量至少要增加2～3 倍。
 
  (4) 工程實(shí)施與投資分析
 
  開發(fā)深部高溫巖體的地?zé)豳Y源關(guān)鍵技術(shù)是水平定向井的施工，其鉆井費(fèi)用也完全集中在水平井施工段。而按照本方案利用當(dāng)雄—羊八井盆地斷層與構(gòu)造帶，減少了水平定向井的施工與人工儲留層建造，既避免了水平井施工鉆機(jī)具與技術(shù)難以跨越的障礙，又大量地節(jié)省了資金投入。該工程實(shí)施僅需借助常規(guī)的鉆井裝備與技術(shù)即可完成。
 
  工程費(fèi)用估算：鉆井單價8 000 元/m，則鉆井費(fèi)用為2.8 億元。
 
  若初期建設(shè)一座1 000 MW 的電站，電廠的裝機(jī)容量單價616 元/kW，則電廠的建設(shè)費(fèi)用為6.16×108 元。
 
  由于工程較大，有一定風(fēng)險，因此預(yù)留不可預(yù)計經(jīng)費(fèi)1×108 元。
 
  上述合計10×108 元投資，可建造一座1 000 MW的高溫巖體地?zé)犭娬?/a>，年發(fā)電量8.64×109 kW·h。
  圍繞著西藏當(dāng)雄—羊八井盆地高溫巖體地?zé)岬拈_采方案，本文系統(tǒng)研究論述了深部高溫熔融巖漿囊特征、念青唐古拉山南坡與羊八井盆地斷層構(gòu)造特征、地應(yīng)力大小與方向、開采井布置方案等問題，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：
 
  (1) 念青唐古拉山與當(dāng)雄—羊八井盆地深部地下隱伏著巨大的熔融巖漿囊，并對羊八井高溫巖體地?zé)釁^(qū)域的溫度場分布進(jìn)行有限元計算分析。結(jié)果表明，在熔融體的垂直上方的地質(zhì)體中，溫度梯度為4.5 ℃/100m，估算的地?zé)豳Y源總量為5.4×109MW·a。
 
  (3) 以念青唐古拉山南坡和當(dāng)雄—羊八井盆地巨型巖體的斷層特征與地應(yīng)力方向?yàn)榛A(chǔ)，提出了利用巖漿囊鄰近的斷層剪切滑移帶作為人工儲留層，在斷層傾斜方向的低處布置垂直注水井和在斷層高處布置傾斜生產(chǎn)井的高溫巖體地?zé)岬募夹g(shù)方案，如此可獲得3×1011 m3 的巨型人工儲留層，并大幅度降低工程投資與實(shí)施技術(shù)難度。
 
  (4) 本方案可用10×108 元的較小投資，前期建造一座裝機(jī)容量1 000 MW 的高溫巖體地?zé)犭娬?/a>，具有極大的經(jīng)濟(jì)與社會效益。