临汾盆地QW地区地热储层评价及其形成机制

发布时间：2020-04-12 11:16

【摘要】：地热资源作为一种新兴的清洁能源,越来越受到世界各国的重视。我国地热资源十分丰富,浅层地热资源的综合利用率居世界前列。中国北方和东北地区,由于冬季烧煤取暖造成了严重的空气污染。与化石燃料发电不同,地热发电不涉及任何形式的燃烧,在越来越关注全球气候变化和空气质量的当下,地热能的利用是一种解决空气污染的可行方案。中国地热资源丰富,地热资源综合利用居世界前列,但大部分地热资源因源温度较低而被直接利用。西藏和云南地区存在高温资源,地热发电潜力最大。尽管地热发电不可能短期内在全国电力供应中发挥主要作用,但它可能成为偏远地区电力的重要供应来源。随着中国寻求国内非化石燃料供应,地热将成为一个既可靠又有吸引力的选择。中国沉积盆地共392个,总面积超过400万平方公里,传导地热资源相对丰富,大部分呈带状分布。主要地热储层为中、新生代砂岩孔隙型储层和古生代及中、上元古代碳酸盐岩岩溶裂缝性储层。山西曲沃县地热系统是一个典型的以导热为主的低温沉积储层。减少化石能源总量,调整一次能源结构,是我国一个重要的现实选择。开发地热能以减轻传统化石能源消耗压力,需要对潜在储量、生产能力和能源的有效利用进行良好的评估。中国尽管在地热直接利用领域取得了突出的成就,但相对于需求和地热资源潜力,其利用水平仍然很低。中国拥有高温地热资源,但构成仍是以中低温地热资源为主。其中,高温地热资源主要分布在西藏南部、滇西、川西、台湾等地;中低温地热资源主要分布在大型沉积盆地和山地断裂中。沉积盆地地热资源,特别是大型沉积盆地地热资源具有良好的储集条件:储层厚度大、分布广、地热储层温度随深度升高而升高、地热资源储量大。沉积盆地地热资源主要分布在中国东部、琼雷盆地、松辽盆地和鄂尔多斯中部断陷盆地,均为中低温地热资源。隆起山地地热资源主要分布在我国东南沿海、台湾、藏南、川西、滇西、胶辽半岛等地区。地热储层一般都很复杂,在生产中可能会出现不同的问题。地热储层评价是地热资源利用的首要问题。地热储层评价与建模旨在获取相关储层条件,系统性质及信息,以便于了解地热储层性质和资源的开发,并制定不同管理措施。地热储层评价和建模有助于了解地热储层的性质,并预测其未来的生产响应。地热资源勘探阶段的研究重点是地表勘探资料的分析,主要是地质、地球物理和地球化学资料。而在开发利用过程中则转向储层物理研究,它试图理解和量化这种流动及其伴随的储层条件变化,特别是开采引起的变化。地热储层研究是为获取有关地热系统的性质、储层性质和物理条件等信息,并利用这些信息预测储层对开发的响应,并决定了开发特定储层的可取性。QW地区位于山西省临汾盆地南端,后马裂谷盆地东部。山西省地热资源以温泉为主,根据其地质构造、地热背景和水文地质条件,其形成和分布具有一定的规律性和特点。山西地热储层以下古生界碳酸盐岩储层为主,其次为新生代砾石层和古变质岩,而中生界碎屑岩分布在水量较小的热水带。本省地下热水出口具有不同尺寸的断裂构造,大部分热水点沿构造线布置。盆地断裂构造极为发育,且活动范围不同。盆地水文地质条件为厚层松散沉积物的堆积,并含多层地下水。盆地内部松散沉积物源于不同地质时期沉积的不同类型物质,临汾盆地中部代表含水层较浅的区域,包括更新世和全新世的含水层。盆地断裂构造发育,活动范围变化较大。山西省具有一系列的隆起和凹陷,在东北部、西南和西北方向发育了许多隐伏断层。靠近南北构造断裂带,断陷盆地发育,活动变化幅度大。QW地区热储层主要为古生代碳酸盐岩地层,包括奥陶系和寒武系碳酸盐岩岩溶裂隙型层状热储层,奥陶系热储层发育最好,总厚度超过300m,根据钻井资料,碳酸盐热储层主要受奥陶系地层控制。峰峰组上部和马家沟组上部的岩溶及断层普遍发育,是该区岩溶地下水的主要径流通道。区内热储层主要由古生代碳酸盐岩、奥陶系灰岩组成,特别是中奥陶统地层,其总厚度约300~500m。峰峰组和马家沟组上部发育溶洞,是该区岩溶地下水的主要径流层。区内地下水补给来源于大气降水,通过断裂带岩溶裂隙和层间径流相互连通。该区断层发育,断层纵横交错,相互联系,6条主要断层均具有导水作用,地下热水经深循环对流后沿构造通道携带深层热能至中层和浅层。该区地热盖层由第四纪和新近纪土层、二叠纪和石炭纪岩层组成,总厚度600~1200m。其中,第四纪和新近纪地层厚600~1000m,岩性为黄土、粉质粘土、粘土及少量砂砾石层;二叠纪和石炭纪地层厚约300m,岩性为砂岩、页岩和煤层。奥陶系峰峰组顶板深600~1300m,上覆盖层厚度较大,分布稳定,保温隔热性能良好,覆盖条件良好。从本区已钻50口井的岩性剖面来看,热储层主要为碳酸盐岩储层,地层自上而下为新中生代第四纪、新近纪、古生代中石炭统本溪组、古生代奥陶系中峰峰组、上马家沟组、下马家沟组及古生代寒武系中统庄组。根据对奥陶系马家沟组86个样品的统计,马家沟组上部孔隙度主要分布在0~2%的范围内,占总样品的66.28%,平均值为2.24%,最大值为17.92%。渗透性主要分布在0~0.05md范围内,占总样品的88.51%,平均值为0.11md,最高为4.57md。孔隙度小于3%和渗透率小于0.1md的岩心样品分别占80.23%和93.1%,总体上属于低孔低渗储层。马家沟组上部孔隙与渗透率相关性差,其原因是渗透性不仅受孔隙大小的影响,而且与孔隙结构和连通孔隙的局部微裂缝有关。孔隙空间是储层的重要组成部分,孔隙喉道和裂缝类型及其相互关系对储层渗透性同样有重要影响。曲沃地区碳酸盐岩储集空间类型多样,特别是次生孔隙和裂缝,对岩石储集层的渗透性影响较大,碳酸盐岩储层孔隙和裂缝的几何形态、大小和连通性直接影响着水的流动。由此可见,影响储层性能的关键因素是孔隙空间的大小、分布、几何形态和连通性。根据岩心薄片的观察分析,研究区储层空间类型可分为孔隙型、裂缝型和孔隙裂缝型三种。在孔隙类型中,原生孔隙包括原生粒间孔和生物骨架孔,次生孔隙包括粒间孔、粒内溶孔和粒间溶孔。裂缝型主要包括结构断裂和压溶缝合线。研究区碳酸盐岩储层类型以次生溶蚀孔和裂缝为主,由于裂缝发育的广泛性和非均质性,它与各种孔隙空间结合形成了孔隙-裂缝复合物,进一步扩大了储集空间,提高了储集性能。QW地区地热水化学类型为硫酸钙型水,矿化度在3g/L以下,SO42-和Ca2+在元素中起着重要作用,是岩溶热水的典型特征。其中,硫酸盐离子主要来源于峰峰群石膏层的过滤和本溪群底部黄铁矿的高温氧化。钙离子主要来源于石膏层的溶解,高温环境和地热水中的二氧化碳也促进了钙离子的溶解。地热系统由三个主要元素组成:热源、储层和流体,它们是热量的来源及传递载体。热源可以是一个异常高温(600°C)的岩浆侵入体,已经达到相对较浅的深度(5-10公里),或是如我们前面所解释的在某些低温系统中,地温随着深度的增加而增加。汾渭断裂位于华北西部,延伸超过800公里,是一个新生代不对称断槽盆地,裂谷的边界、盆地下的地下隆起或凹陷的分布、较薄的地壳和地震活动都受活动裂谷作用的控制。地热资源主要分布在边界断层、坳陷边缘和中央基底地垒断层上。在一些地温梯度较高的地区,地下有很深的断层和裂缝,允许雨水和融雪渗入地下。地下水被热岩石加热并循环回到地表,成为温泉、泥罐或间歇泉,如果上升的热水遇到不透水的岩层,被困在地下并充满周围岩石的孔隙和裂缝,形成地热储层。地热库比地表温泉更热,可达到400°C以上的温度,是强大的能源来源。储层通常由不透水岩石覆盖,并与地表补给区相连,通过补给区,大气水可以取代或部分取代,如从储层中通过泉水逸出或通过钻孔抽取的流体。QW属大陆性温带季风气候区,四季分明,年平均气温12.6°C,年降雨量527mm,大气降水是该区各类地下水的主要补给源。西山地区岩溶水排泄途径主要有泉水(澜沧泉、金慈泉、平泉)、人工抽取、进入第四纪含水层或进入太原盆地深层热岩溶水。地热主要是通过热传导从内部向地表转移,并加热地下水,热水通过断层上升,被更多的大气或海洋水取代,对流换热得到加强,形成地热系统。地壳下面的岩浆加热围岩和地下水,当这些上升的热水和蒸汽被困在低渗透率岩石下,便可形成地热储层。区内地下水来源于降水,通过断裂带岩溶裂隙和层间径流相互沟通。该区断层发育,6条断层均具导水作用。断层纵横交错,相互联系,将地下热水经深循环对流,沿构造通道携带深层热能至浅层中层。地热储层研究是为获取有关地热系统的性质、储层性质和物理条件等信息,以便指导地热资源开发。其次,预测储层对生产的响应,评估系统的生产潜力,并估计不同管理措施的效果。储层评价的目的包括确定理论地温潜力,根据目标地层的几何数据、温度预测不同储层岩石的热容量,并计算就地热量,然后评估可提取性。因此,渗透率、孔隙度的对比与评价是储层工程中扩展储层物性初始预测的重要手段。地热储层评价涉及厚度、孔隙度、面积、温度、深度、热容量、岩石密度、采收率等关键参数。容积法是地热资源评估的首选方法,在地热开发的早期阶段得到了广泛的应用。储层热能是根据储层岩石和流体参数进行计算的,由于资料有限,本次研究采用蒙特卡罗模拟和地质建模相结合的方法来表征地热开发初期储层温度和体积的不确定性。地热系统的能源生产潜力变化很大,其主要由生产造成的压力下降引起,同时取决于可用能量含量。压力随时间持续下降,在关闭或补给量小的系统中能源生产潜力变化更为明显。因此,生产潜力往往受水而不是热能的限制。钻孔地质水文资料表明,马家沟组是该区主要的热液储集层,该储层厚度变化很大。QW地热田的地热储层主要在灰岩或白云岩裂隙和岩溶储层中。QW的两个主要储集层是古生代奥陶系峰峰组和马家沟组下段灰岩和马家沟组上段白云岩。QW井田中大部分提取热水的井内马家沟组总厚度超过300m。综合评价表明,测井曲线特征反映出该层岩性包含一定的页岩,深浅横向中低值特征、声波中低值特征表明该层含水层较好,裂缝较为发育。根据测井曲线,峰峰组和上马家沟组裂缝发育较好,下马家沟组在TA1、FQ1、FQ2、WZ1、WZ2等钻井中裂缝不发育,在GU1井综合录井段裂缝不发育。QW地区地热资源丰富,温度在30~70°C之间,多为30~50°C,地热梯度为3.0~3.5°C。容积法计算结果表明,曲沃县地热田6口井总储热量在5.53×1012~6.31×1013kJ范围内,可采能量约为1.38×1012~1.58×1013kJ,可采系数为25%。通过分析试水结果,该区地热水资源满足QW区集中供热的要求地热空间供暖是充分利用中低温地热资源的最佳方式。地热水含有二氧化硅、硼、硫化物、氡、镭、氟等,具有宝贵的医疗价值,可作为医用矿泉水。温泉是最常用的低温地热资源利用形式,也是内陆经济落后地区的主要用途。温室种植和水产养殖是低温地热资源的主要用途之一。随着我国社会经济的增长和人民生活水平的提高,非季节性鲜活蔬菜、花卉和活水产品具有一定市场需求。与传统的燃料燃烧温室相比,地热温室具有成本低、质量高等优点,可以创造较高的经济效益。中国地热资源丰富,浅层地热资源综合利用居世界前列。利用地热泵(GHP)开发浅层地热能用于空间供热和制冷,以其优良的节能减排表现,赢得了政府和公众的认可。QW地区地热资源十分丰富,温度在30-60摄氏度之间,可用于热泵、温室种植、蜂蜡融化、食品加工、畜牧业、土壤加温、游泳池、生物降解、发酵等空间供暖。地热资源虽然可以称为一种清洁能源,但也可能产生一定的污染。因此,还应加强相关方面的研究,扬长避短,采取适当的对策,如废水回注等,使效益最大化,污染最小化。地热资源开发利用过程中没有燃烧过程,不会产生传统的空气污染,因此地热能比其他类型的能源更为方便、有效。然而,地热水富含矿物质,通常组成矿泉水。积极的方面是它的医疗价值,消极的方面是如果我们不能合理处置地热发电或热能利用的废水,将导致地表水和土壤被某些矿物质如氟、溴、硫等化学污染,或被废热污染,这是我们应该注意的环境问题之一。为更好地直接利用曲沃中低温地热资源,需要考虑在产业布局上采用集约化开发利用技术,减少能源浪费,提高地热利用效率,降低成本,提高地热利用能力,同时通过废水回注以保证长期可持续发展和资源保护。可以预见,随着地热资源的深入开发和评价以及地热能利用技术的快速发展,地热能利用将在我国未来的能源利用中占有更重要的地位,必将具有更广阔的应用前景。地热井的成功实施,对于明确曲沃县地热资源的勘探开发潜力,扩大地热开发的影响具有重要意义。地热能的高效利用,以及监测和建模,是可持续管理的重要组成部分。回注对于地热系统的可持续利用也是至关重要的。地热系统实际上是封闭且补给有限的,地热资源需要有效利用,以避免过度开发。综上所述,论文取得了以下主要认识:(1)地热资源作为一种新的清洁能源越来越受到重视。我国地热资源十分丰富,浅层地热资源的综合利用率居世界前列。然而,中国幅员辽阔,人口众多的国情导致地热尽管在直接利用领域取得了突出的成就,但相对于人们的需求和地热资源的潜力而言,其利用水平仍然很低。(2)山西省QW地区地热系统是典型的以导热为主的低温沉积储层。QW地区热储层主要为古生代碳酸盐岩地层,包括奥陶系和寒武系碳酸盐岩岩溶裂隙型层状热储层,其中奥陶系热储层发育最好,总厚度在600m以上,储层系统周围有多条渗透性断层,其对水库补给的一定贡献。(3)地热主要通过传导从内部向地表转移,并加热地下水,热水通过断层上升,被更多的大气或海洋水取代,从而增强对流换热,形成地热系统。(4)容积法是地热开发的首选方法,在地热开发的早期阶段得到了广泛的应用,并根据储层岩石和流体参数计算储层热能。然而,由于资料有限,本次研究采用蒙特卡罗模拟和地质建模相结合的方法来表征地热开发初期储层温度和体积的不确定性。(5)容积法计算结果表明,QW地区地热田6口井总储热量在5.53×1012~6.31×1013kJ范围内,可采能量约为1.38×1012~1.58×1013kJ,可采系数为25%。(6)模拟结果表明,该区具有良好的开发储集条件。为了更好地直接利用QW地区的中低温地热资源,需要考虑在工业布局上采用集约化开发利用技术,减少能源浪费,提高地热利用效率,降低成本,提高地热能利用能力,保证长期可持续发展和资源保护。该论文有图29幅,表11个,80参考文献篇。
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【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P314

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