河北省柏乡县干热岩地热资源前景分析

上官拴通，齐晓飞

（河北省煤田地质局第二地质队，河北邢台054000）

河北省柏乡县干热岩地热资源前景分析

上官拴通，齐晓飞

（河北省煤田地质局第二地质队，河北邢台054000）

干热岩是一种清洁的新能源，以其具有可再生能源巨大高温发电潜力，越来越受到关注。以钻孔测温数据为依据，利用一维稳态热传导公式，对柏乡地区4 km深处的温度进行了估算，在此基础上用体积法对区内的资源量进行了预测。结果显示，柏乡地区4 km深处干热岩资源量总计为9.99×1019J，合34.2亿t标准煤。柏乡县地区存在干热岩地热资源，应尽快对本区进行干热岩资源调查评价工作，为将来应用打下坚实的基础。

干热岩；可行性；河北柏乡

干热岩是一种埋藏于距地表2～6 km深处，温度＞150℃，几乎不含水和水蒸气的热岩体。因其具有零污染排放、热能利用效率高等优点，已被世界各国作为缓解能源紧缺和防治环境污染的绿色能源［1］。目前，一些发达国家已成功利用热岩发电（EGS）［2］，而我国尚处于起步阶段。

1　干热岩研究历史与现状

1.1国外干热岩研究现状

美国是最早对干热岩研究的国家。1972年，美国在墨西哥州北部打了约4 km深的斜井，通过加压的方式将冷水从一口井中注入到干热岩里，水在瞬间被其加热为沸腾状态并从另外一口井中喷出地面，这两口井拉开了干热岩研究序幕［3］。随后法国、日本、德国等一些发达国家相继开展了关于干热岩发电方面的研究。在过去的30 a各国通过合作和不断的努力，干热岩发电技术已逐步成熟。2007年，世界上第一个商用增强型地热发电在德国投入运行，年发电量高达2200 kWh［4］。

目前，国际上对干热岩发电研究正逐渐向第二阶段过渡，即在不渗透的干热岩体内形成热交换系统试验及利用超临界CO2开发干热岩地热资源［5-8］。

1.2我国干热岩研究现状

我国对干热岩资源开发及其技术研究尚处于起步阶段。2011年，中国地质调查局对中国陆区干热岩资源潜力进行了评估，结果显示，我国干热岩资源储量合85.6×1011t标准煤，是国内目前年度能源消耗总量的2.6×105倍［9］；2012年，由吉林大学牵头同清华大学、天津大学、中国科学院广州能源研究所共同承担了国家高技术研究发展计划（863计划）项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”，该项研究将为干热岩工程提供技术支撑［10］。2015年，由中国地质调查局组织实施的我国首个干热岩科学钻探在福建省漳州龙海市东泗乡清泉林场开钻，这标志着我国干热岩研究进入实践探索阶段［11］。

柏乡县地处河北省邢台市，面积约268 km2。1978年，河北省地质局水文地质大队邢台中队在柏乡一带进行了供水水文地质勘查，境内已打水井30多口［12］。通过钻孔资料分析，区内地表下4000 m深度内分布有以浅粒岩、变粒岩为主的太古界深成变质岩，在4 000 m深度地温达到150℃以上，可见该区具备干热岩地热资源存在的条件。

2　地质背景

2.1构造

柏乡县位于临清断陷北部宁晋凸起西侧。据已有资料分析，本区新生界覆盖层下所分布的基岩大部分为太古界，总体呈—轴向北东、向北倾伏的背斜构造（基岩凸起），背斜两翼地层倾角10°～20°［12］（图1）。在新生界盖层一定深度范围内，地壳浅部的地温分布与基岩面的起伏呈正相关关系，局部由负构造区向正构造区集中，即来自地壳深部的热流在基岩凸起区相对局部集中，在凸起去形成高地温梯度。其实质是因为基岩相比于新生界盖层其热导率较高、热阻较小，因此来自深部热流向上传导时，热阻总是向热阻较小的基岩凸起区集中［13］。因此柏乡背斜区具备形成高地温梯度的条件。

2.2地层

图1　柏乡基底地质构造略图［12］（略修）Figure1　Baixiang area basement geological structure sketch［12］（slightly modified）

本区普遍沉积有新生界，厚度为0.2～1 km（图2），新生界覆盖层下，太古界在全区隐伏分布［12］；其中新生界沉积松散、热导率低，导热性差，起到隔热保温的作用，使得来自于地壳深部的热流，不会迅速消失，在热容量较大区域保存下来形成了高温地热田；而本区太古界岩性主要为深成变质岩浅粒岩、变粒岩、长石石英岩和角闪片岩等，厚度＞5 km，据邻区以往勘查资料研究显示深成变质岩系中岩石的孔隙率、渗透率极低，无流体存在，据此推断本区深部太古界同样具有低孔隙、低渗透的特征，符合干热岩开发利用的基本条件。

由此可见，柏乡地区具备干热岩地热资源的成矿地质条件。

图2　研究区基岩顶面埋深图Figure2　Study area bedrock top surface buried depth

3　地温场特征

3.1浅部地温场

据本区及邻区以往地质勘查孔测温资料（表1）［12］。区内新生界（即盖层）地温梯度为3～7℃/100 m（我们把地温梯度大于3℃定为异常区），地温异常区面积约为367.69 km2（图3）。

根据本区及邻区的钻孔资料，我们绘制了本区地温梯度和基岩顶面地温等值线图（图3，图4），从这两幅图中可以看出，地温梯度和地温等值线均以柏乡背斜轴部为中心呈椭圆状分布，在背斜轴部水柏3孔—柏11孔一带，地温梯度可达7℃/100 m，新生界底部地温达65℃，向背斜两翼，地温与地温梯度均呈逐渐降低的变化趋势。

表1　研究区钻孔测温数据一览表Table1　Data sheet of study area borehole measured temperatures

图3　研究区新生界盖层地温梯度等值线图Figure3　Isogram of study area Cenozoic overburden geothermal gradient

图4　研究区基岩顶面地温等值线图Figure4　Isogram of study area bedrock top surface geotemperature

3.2深部地温场

由于本区缺少深部地温实测资料，但中科院地质所地热研究室在本区及邻区曾进行过大量的地热研究工作，并测取或计算了太古界的热物理参数。依据这些热物理参数（表2），采用目前国内外通用的T（z）=T0+q0Z/K-AZ2/2K这一维稳态热传导公式［13］，对本区深部（-4 km）地温场变化进行预测和评价。

表2　研究区地层热物理参数情况一览表［13］Table2　Data sheet of study area strata thermal physical parameters［13］

式中：T0为地表恒温带温度，取15℃；q0为地层热流值；Z为预测和评价深度；K为地层热导率；A为地层生热率。

区内不同地带，新生界覆盖层下隐伏分布的太古界厚度变化较大，评价深度按4 km计，根据不同地带太古界厚度、经计算所预测的地温情况（基岩顶面地温未计）见表3。

表3　研究区地温预测情况一览表Table3　Data sheet of study area geotemperature prediction

根据以上预测结果，并结合相应评价点（基岩顶面地温值）估算评价-4 km深度处地温，我们绘制了本区-4 km水平地温等值线图（图5）。

从图5可以看出，区内深部地温场分布特征及变化规律与浅部地温场相一致。在这一水平上，仍以柏乡背斜轴部为中心，地温最高可达165℃，向背斜两翼地温呈逐渐降低的变化趋势。地温＞150℃高温岩体（干热岩地热储层）分布面积约330.91 km2。

4　干热岩资源量计算

研究区地温异常区地温梯度为3～6.9℃/100m。采用国内外通用的体积法计算本区干热岩中储存的热量［13］，可按下式计算：

式中：Q为干热岩资源量；ρ为岩石密度；Cρ为岩石比热；T为所计算深度的岩石温度；T0为地表恒温带温度；V为干热岩地热储层体积。资源储量估算参数采用见表4。

图5　研究区-4000 m水平地温等值线Figure5　Isogram of study area-4000m level geotemperature

表4　研究区资源储量估算参数一览表［13］Table4　Data sheet of study area geothermal resource estimation parameters［13］

计算结果：按上述参数计算，本区干热岩地热储层底界深度按4 km计；底界地温取其评价范围温度平均值；因勘查程度低，资源量估算系数取30%；经估算，区内可预获干热岩资源量（热能）9.99×1019J，折合标准煤约34.2亿t。

5　技术经济可行性

5.1钻探技术

研究区干热岩资源属于沉积盆地型干热岩，其埋藏深度在地表3～5 km以下，钻井施工对象是太古界深成变质岩，其单轴抗压大（200 MPa以上），地层温度高（150℃以上），因此对钻具、钻井液及固井水泥的耐高温性能要求极高。我国经过多年的油气、盐碱矿开发，其钻探技术和施工工艺已逐步成熟，但与国外水平相比，我国干热岩钻探技术仍处于探索实践阶段。因此，应结合我国实际情况，优选干热岩成矿靶区，开展干热岩钻探技术相关研究，探索出一套适合我国干热岩开发需求的钻探技术。

5.2经济社会效益

研究区常规能源十分短缺，但干热岩资源潜力诱人，据初步计算，在其4000 m深处热储量可能大于34.2亿t标准煤，若建立干热岩增强型地热发电站，单个地热发电装机容量约1.5万kW，若以每年发电300 d计，年发电产值约1.1亿元，发电后温度小于100℃的余热水可以实施梯级开发方案，50～100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥；20～50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。热岩发电可以实现CO2零排放，其经济效益、生态效益和社会效益十分显著。如果利用热岩发电，将对居民健康和安全，生活质量和生活水平的提高具有重要作用，对优化能源结构、“绿色发展”理念具有十分重大意义。

6　结语

（1）干热岩是一种含焓高、温度为150～600℃、发电效率高且不受气候等外界条件影响的清洁新能源。我国干热岩地热地质条件优越，具有广阔的开发利用前景［9］。研究区倾伏的背斜构造有利于深部热流的积聚，高热阻的新生界盖层有利于热流量的保存，致密、无渗透的太古界深成变质岩有利于热流量的赋存。

（2）研究区干热岩资源量蕴藏丰富，地温＞150℃热岩分布面积约330.91 km2；仅取资源量估算系数的30%，干热岩蕴藏的热资源量就高达9.99× 1019J，折合标准煤约34.2亿t。

（3）研究区存在干热岩地热资源，应尽快对本区进行干热岩资源调查评价工作，实施地球物理勘查圈定深部热流异常范围；优选前景好、交通方便区域实施钻探验证工作。

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Hot-dry-rock（HDR）Geothermal Resource Prospect Analysis in Baixiang County

Shangguan Shuantong，Qi Xiaofei
（The Second Exploration Team，Hebei Bureau of Coal Geological Exploration，Xingtai，Hebei 054000）

The HDR is a kind of clean new energy source，with its renewable energy huge potential for high temperature power genera⁃tion has aroused more and more concern.Through regional geological condition data acquisition，the paper discussed HDR existence possibility in the Baixiang area.Based on borehole temperature data，using one dimensional steady-state heat conduction formula car⁃ried out 4km depth temperature estimation in Baixiang area.On this basis through volume method predicted 4km depth geothermal re⁃source in the area.The result has shown that at 4km depth total resources in the area have 9.99×1019J，amount to 3.42 billion tons of standard coal equivalent.Thus HDR geothermal resource feasibility is existed in the area，so should carry out HDR resource investiga⁃tion and assessment，lay a solid foundation for future applications.

HDR；feasibility；Baixiang，Hebei

P314

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.09

1674-1803（2016）10-0040-04

上官拴通（1983—）男，河南洛阳人，本科，工程师，主要从事地热地质及水文地质相关工作。

2016-04-06

责任编辑：宋博辇