鄂尔多斯盆地地热资源潜力评价分析

鄂尔多斯盆地为稳定的含油气盆地,构造简单,地热资源储量巨大,蕴藏丰富的中低温地下热水,盆地深部存在稳定持久的地下热源,在采油井区分布众多钻孔,可较便捷地使用地下热水。前人对鄂尔多斯盆地地热资源评价进行了深入的研究, 但存在以下问题。首先对地热资源储量的认识差异较大,其次,对鄂尔多斯盆地的地热储集层存在不同认识,如尹立河认为鄂尔多斯盆地的热储层主要有:下白垩系志丹群砂岩、石炭系—侏罗系碎屑岩、寒武系—奥陶系碳酸盐岩和周围断陷盆地的新生界松散层。本次在前人工作的基础上针对盆地地热资源特点、资源富集区及不同类型的地热资源开发方式进行了系统总结。由于对鄂尔多斯盆地地热资源的不同认识,有必要对鄂尔多斯盆地地热资源的储量、富集层位、有利区、开发方式及利用现状等进行研究,以推动鄂尔多斯盆地地热资源的开发利用。

1鄂尔多斯盆地地热资源分布规律

鄂尔多斯盆地是以中低温地热资源为主的稳定克拉通盆地,地温随深度增加而增加,属于热传导型地热资源。鄂尔多斯盆地地热资源具有储集条件较好、储层较多、厚度较大、分布范围广的特点,总体上盆地地热资源开发潜力较大。近年来地热资源开发利用日益受到人们的重视,主要用于建筑物供暖(延安、榆林等)、温泉洗浴(佳县、铜川等)、大棚养殖(延安等地)等方面。通过对地温梯度异常区、大地热流异常区、关键层地热场和地表温度的研究,可以预测一定深度地热层的储层温度条件。地热能资源分布规律性较明显,总体上主要受莫霍面深浅的控制,同时也由断裂、构造、岩性等综合控制,分布不均匀。盆地南部地壳较薄,大地热流值较高;盆地北部构造稳定、地壳较厚,大地热流值较小。高温地热资源(≥150℃)主要分布在盆地周缘断陷内,鄂尔多斯盆地内部以中温地热资源 (<150℃且大≥90℃)和低温地热资源(<90℃)为主,资源富集区分布于地温梯度较高、砂岩储层较好的地区。

水热型地热资源分布主要受热储层及地温梯度的控制。前人的观测资料表明,鄂尔多斯盆地地温梯度平均为2.93℃/100 m,代表中温型的地温场,地温梯度总体上呈现出东高西低、南高北低的分布态势。其中,地温梯度最高的地区为庆阳— 华池—永宁—安塞一线,地温梯度为3.0℃/100 m, 其次为杭锦旗—靖边—米脂—佳县地区,地温梯度较高,为2.9℃/100 m~3℃/100 m。而地温梯度最低的地区是神木—乌审旗—鄂托克前旗以北地区到伊蒙隆起以南,地温梯度为2.7℃/100 m。鄂尔多斯盆地岩石热导率整体随深度的增加而增加,盆地东部和南部热流值较高,西部和北部热流值较低,平均热流值为61.78 mW/m2。盆地北部地区热流值较低,为40~50 mW/m2。庆阳—延安地区大地热流值较高,为70~80 mW/m2。

浅层地热资源是地球表层岩土体中赋存的低温地热资源,位于地表以下一定深度范围内(通常为恒温带至200m深处),温度低于25℃,为在现有的技术条件下可开采的地热资源。鄂尔多斯盆地浅层地热资源分布区主要分为风沙高原区、黄土高原区、渭北隆起区,依次对应温带大陆性气候、温带季风气候、亚热带气候,随着维度降低,地表温度和恒温带温度逐渐升高且恒温带埋深逐渐减小,依次从50 m左右逐渐减小到约25 m左右。

干热岩资源目前有几种定义,根据国家能源局发布的国家能源行业地热能标准NB/T 10097—2018《地热能术语》,把干热岩定义为:一种不含或者仅含少量流体、温度高于180℃,其热能在当前技术条件下可以利用的岩体。火山活动区或地壳较薄的地区有利于干热岩的开发利用。鄂尔多斯盆地属于稳定的克拉通盆地,地壳平均生热率为0.84,地壳平均热流为24 mW/m2,属中等水平,盆地南部温度较高,达到干热岩标准埋藏深度较大。

2鄂尔多斯盆地地热资源潜力评价方法

针对鄂尔多斯盆地地热资源储量认识不统一的问题,分别对盆地内部重点城市浅层地热能、盆地内部部分层位的中深层水热型地热能和深层干热岩地热能进行地热资源潜力评价,根据地热资源特点不同,采用不同的方法和参数进行计算。

2.1重点城市浅层地温能评价方法

2.1.1重点城市市区适宜性分区评价方法

城市浅层地温能计算需要在城市适宜性分区的基础上对区域0~200 m范围内的地质情况,利用层次分析法进行计算,层次分析法是将以往单纯利用经验及估计的办法量化,利用一系列权重计算数值进行评价的方法,具有定性和定量相结合、评价结果明确的优点。评价结果主要分为地下水地源热泵区、地埋管地源热泵区、两者均适宜区和两者均不适宜区。根据地下水地源热泵的开发条件,将目标城市的地质背景条件、地下水动力场及水化学类型标定为地下水地源热泵的影响因素,具体指标包括:地下水硬度、地下水地质条件、地下水补给能力、地下水位埋深、含水层渗透系数、地下水同层回灌难易程度、有效含水层厚度等指标。根据地埋管地源热泵的开发条件,将目标城市的地层结构及岩性、岩土体热物性、地温场分布三大类定位地埋管地源热泵的主要影响因素,具体还包括研究区地层热导率、地层综合比热容、潜水位埋深、第四系地层厚度、地下水净流条件等因素分别计算。通过综合指数法,将每个分区的属性赋值并加权,得出具体的分数,进行排除计算,结果表明,鄂尔多斯、榆林、延安、庆阳、平凉、固原等地市区内部地埋管式地源热泵系统适宜性强,地下水地源热泵适宜性差。铜川市市区属于地埋管地源热泵和地下水地源热泵均适宜地区。

2.2深层干热岩型地热资源评价方法

干热岩指不含或含少量水或蒸汽等流体,温度在180℃以上且渗透率极低的岩体。限于目前的勘探开发技术,采用体积法对鄂尔多斯盆地3~10 km处的不含水汽或含有少量水且温度高于180℃的干热岩地热资源储量进行计算。根据定义,鄂尔多斯盆地在地下6 km温度达到180℃,因此将鄂尔多斯盆地干热岩地热资源埋深从6 km开始起算。体积法需要用到的参数有地表温度、目的层温度、大地热流值、岩石热导率等数据。基于鄂尔多斯盆地三维地质模型,采用热储法进行干热岩的地热资源量概算,基本公式为:

式中,Qr代表干热岩地热资源总量,单位为J;ρ 代表岩石的密度,单位为m3,V代表岩石体积,单位为m3;Tz代表计算深度的岩体温度,单位为℃;C p为岩石比热容,单位为J/(kg·℃)。

在本次干热岩地热资源量计算中,鄂尔多斯盆地地温梯度采用3℃/100m。恒温层温度采用 15℃。根据地温梯度及恒温带温度计算:热储层温度3~4 km采用105℃;4~5 km采用135℃;5~6 km采用165℃;6~7 km采用195℃;7~8 km采用 225℃;8~9 km采用255℃;9~10 km采用285℃。

根据本次盆地模拟及现有的深部温度计算数据,在盆地3 km以上地温梯度采用3℃/100 m较合适。根据已有的鄂尔多斯盆地深部岩石样品密度测试数据,统计其平均值作为本次计算所采用的平均密度值和平均比热容参数值,其中,在3~6 km 深度岩石密度采用砂泥岩平均密度2299 kg/m3。在6~10 km深度采用花岗岩平均密度2700 kg/m3。整体盆地面积根据GIS软件识别,选用25×104km 2进行计算,厚度数据根据课题组积累的已有数据进行选择。

3鄂尔多斯盆地地热资源潜力

3.1盆地内部重点城市浅层地热能资源潜力

上述方法的计算结果(表1)表明:盆地内部200 m以浅重点城市城区平凉市评价面积为32 km2,热容量为3.81×1013kJ,固原市评价面积为 121.6 km2,热容量为6.37×1013kJ,庆阳市评价面积为23.5 km2,热容量为1.92×10 13kJ,鄂尔多斯市评价面积为121.6 km2,热容量为4.73×1013kJ。根据 《陕西省大中型城市浅层地热能调查》项目计算结果:榆林市评价面积为395.4 km2,热容量为9.3×1013kJ,延安评价面积为86.31 km2,热容量为3.89× 1013kJ,铜川市评价面积为123.83 km 2,热容量为 5.94×1013kJ,鄂尔多斯盆地7个地级以上城市浅层地热能资源热容量为35.96×1013kJ,折合标准煤 0.1227×108t。按照年可采10%计算,7个地级以上城市浅层地热能资源每年可采量折合标准煤 122.7×104t。

3.2盆地内部水热型地热资源潜力

鄂尔多斯盆地水热型地热资源较丰富,截止 2017年初,地热开采井180余处。根据公式(9)~ (15)及水热型地热资源参数,对盆地200~6000 m 深处地热资源富集层位的资源量计算可得: 盆地内部富集层位地热储能总计约17.456×1016kcal,折合标准煤249.37×108t,每年盆地中深层水热型地热资源可采量折合标准煤748.102×104t,高温地热资源(>150℃)分布极少,以中温地热资源 (90~150℃)和低温地热资源(<90℃)为主。其中, 水热型低温地热资源量折合标准煤159.29×108t,每年地热资源可采量折合标准煤477.88×104t;水热型中温地热资源量折合标准煤90.1×108t,每年地热资源可采量折合标准煤270.23×104t。

纵向上,5个目标地层总的储层热量折合标准煤5431.69×108t,可采储量按照1%计算折合标准煤54.69×108t。鄂尔多斯盆地北部分布丰富的油区钻孔,技术上可将废弃油井直接改造为地热井,可以采用深埋管换热开发方式或者采用水热型采灌结合技术,此时考虑地层化石能源蕴藏丰富,需要利用大型的油气与地热水分离净化设备, 对开采出来的地热水进行去油去气后才可用来取暖,分离之后的油气可以利用,而在回灌时水质中的各种离子含量需要达到一定的条件才可回灌注入地层。

3.3盆地内部干热岩地热资源潜力

国际上对干热岩的研究美、法、德、英、日起步较早,已建立25个实验性质的EGS工程(15-欧洲、 6-美国、2-澳大利亚、2-日本),在目前的技术条件下,完全大规模的EGS干热岩项目尚未产生。在中国,2017年8月,青海共和盆地3705 m深处,钻遇 236℃的高温干热岩体;2018年3月,海南省北部地区4387 m处钻遇185℃高温干热岩体,中国的干热岩开发也逐步展开。

鄂尔多斯盆地属中低温盆地,平均在地下6 km处地温可达到180℃,埋深较大,技术进一完善之后具备可采价值。盆地干热岩蕴藏潜力大,在技术成熟的条件下开发前景广阔,温度高,可用于发电。使用体积法,根据公式及干热岩计算方法中的参数对盆地的静态干热岩资源进行估算,盆地 6~10 km温度高于180℃的干热岩资源量折合标准煤16.63×1012t,如果可利用量为2%,那么相当于3330×108t标准煤,是中国2019年煤炭消耗总量的68.4倍。干热岩资源是最有潜力的战略接替能源,现今盆地最大钻深为9 km左右,无法达到10 km钻深度,所以在现有的技术条件下成规模的开发难度大。

综上所述,鄂尔多斯盆地地热资源丰富,其中水热型地热资源每年可开采量折合标准煤748.102×104t,占中国2019年煤炭消耗总量48.6×108t的 0.21%,7个地级以上城市浅层地热能容量为44.13×1013kJ,折合标准煤0.15×108t,相当于中国2019年煤炭消耗量的0.3%;鄂尔多斯盆地干热岩资源量折合标准煤16.63×1012t,潜力很大,属于国家战略能源。

4鄂尔多斯盆地中深层地热资源综合评价

鄂尔多斯盆地地温梯度中等,热储层物性总体较差,主要热储层有侏罗系延安组、三叠系延长组、二叠系下石盒子组及奥陶系岩溶热储。在对盆地地温场(地温梯度、大地热流等)、沉积砂体厚度及展布特征、不同地区地热资源赋存状态及地热资源量研究等基础上,对盆地不同层位及区块地热资源分布有利区进行了分析。鄂尔多斯盆地部分地热资源有利区主要分布在盆地东部区,东部区砂体厚度大、分布广、地温梯度高。

根据不同深度、不同层位温度分布及热储层分布规律,对不同层位地热资源有利区进行了预测。延安组埋深在300~1600 m之间,平均深度800 m,地温分布在20~46℃之间,平均35℃,地热富集区集中在吴起—志丹—靖边地区。

延长组埋深在300~1300 m之间,平均深度800 m,地温分布在20~80℃之间,平均55.7℃,地热富集区主要分布于神木—榆林—靖边一带、米脂—子长—延安一带及延川—宜川—黄龙一带地区。

下石盒子组埋深在1500~4400 m之间,平均深度2800 m,地温分布在65~135℃之间,平均 103.1℃,地热富集区在神木—榆林—横山一带,砂岩储层厚度大。石炭系—二叠系砂岩储层在神木—榆林—横山一带厚度大,最厚可达650 m,在南部区厚度较薄,为100~200 m。

奥陶系碳酸盐岩风化壳埋深在2800~4400 m 之间,平均深度3500 m,地温分布在50~140℃之间,平均100℃,地热富集区主要分布于斜坡区的延安—靖边一带。

综合地温梯度、砂岩分布范围和大地热流分布规律,地热富集区分布于榆林—横山—靖边及子长—安塞—延安一带,其次为延川—宜川—黄龙地区及定边—吴起—志丹—安塞地区。

5鄂尔多斯盆地地热资源开发利用

5.1地热开发方式

5.1.1浅层地热资源(200 m以浅)开发

针对盆地浅层地热能开发方式的问题,本文认为鄂尔多斯盆地浅层地热资源开发主要有地下水地源热泵式和地埋管地源热泵2种方式。鄂尔多斯盆地伊蒙隆起南部和陕北斜坡被第四纪松散堆积物所覆盖,形成黄土高原区,地下水资源不丰富,适宜采用地埋管式地源热泵,铜川市以南等渭北隆起区地埋管地源热泵和地下水地源热泵君较适宜。

地埋管地源热泵目前有竖直和水平2 种方式埋管,当可利用地表面积较大、浅层岩土体温度及热物性受天气、雨水、深度影响较小时,使用水平埋管较合适,如果埋深较浅,地温恢复较快,但埋深较深时,地温只能部分恢复。因此,对于多层深埋的水平管地下埋管热交换器需要和太阳能相结合,进行热补偿或者应用于冬夏两季冷热联供使用,水平埋管方式可在榆林、鄂尔多斯市等地进行施工,较适合住宅楼等建筑,应用较有限。 垂直埋管方案应用较广,垂直埋管占地面积较小, 换热能力较大,但是地温恢复较慢。地下埋管可分为U型管式和套管式,埋深很深的工程中可使用U 型管,安装较简易、不易渗漏。对于套管式换热器而言,可以充分利用已有的钻孔资源,换热能力较高,但是结构复杂、有渗漏风险,鄂尔多斯盆地竖直地埋管方案使用范围较广、效果较好。

5.2地热能利用

5.2.1地热梯级利用

地热资源进行发电或直接利用主要取决于地热资源温度的高低。其中,用来发电的热水主要是 150℃以上的热水,发电后降温的热水还可以进行梯级重复使用。其中,90~150℃的中温和25~90℃ 的低温地热资源可以直接利用,多用于种植、养殖、供暖、制冷、旅游疗养等。目前,鄂尔多斯盆地的地热资源使用基本格局主要是盆地南部铜川、宝鸡等城市以洗浴、疗养、供暖为主。盆地中、北部城市如延安、庆阳、榆林、鄂尔多斯等主要以供暖为主。 在前期直接简单利用的基础上,后期可进一步向地热能梯级开发利用阶段迈进。

5.2.2地热直接利用

中国目前地热能直接利用量居世界第一,在现有技术条件下,浅层地热直接利用主要依靠地源热泵,浅层地热能地源热泵技术主要有地埋管地源热泵、地下水源地热泵、地表水地源热泵3种。中深层地热能开发技术主要有深埋管换热方式和水热型采灌井结合方式2种,主要用来为建筑物供暖。

6结论

(1) 鄂尔多斯盆地是构造稳定的克拉通盆地, 地热资源储集条件较好,储层发育、展布范围大、厚度大,地温梯度和热流值中等,地热资源分布广泛、 资源种类较丰富,分布较均一。盆地内部发育中温地热资源(90~150℃)和低温地热资源(<90℃),全盆地以低温地热资源(<90℃)为主。根据地温梯度高值区和储层展布厚度区判断,地热资源有利区主要分布在榆林—横山—靖边及子长—安塞—延安一带,其次为延川—宜川—黄龙地区及定边—吴起—志丹—安塞地区。

(2) 鄂尔多斯盆地地热资源较丰富。水热型地热资源量折合标准煤249.367×108t,年可采储量折合标准煤748.102×104t。7个地级以上城市浅层地热能资源储量折合标准煤1227×104t,按照年可采 10%计算,浅层地热资源年可采量折合标准煤122.7× 104t。干热岩远景资源量折合标准煤16.63×1012t, 在现有的技术条件下开采较为困难,但是前景广阔,潜力大。

(3) 目前鄂尔多斯盆地浅层地热资源直接利用主要依靠地埋管地源热泵系统,占地面积小、换热效率高,地下水源热泵系统在盆地内适用范围较小。盆地内中深层地热能利用主要依靠深埋管换热开发技术和水热型采灌井结合地热开发技术。其中深埋管换热开发技术具有无需回灌、分布式供暖、取热不取水等优点;水热型采灌井结合地热开发技术具有单井供热面积大、效率高,可接入城市管网统一供暖等优点。

(4)地热资源具有稳定、清洁、储量大等优点, 大力推广后节能效果明显。