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熱能．據(jù)估算，地殼外層１０ｋｍ以內(nèi)的地熱能總量就達到了１．２５４×１０２７ Ｊ，相當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于２．９萬億噸標準煤的能量，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，地熱資源可分為３種類型：（１）淺層地溫能，埋藏深度一般在２００ｍ 以內(nèi)；（２）地熱流體，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種地熱資源中，只有地熱流體已達到商業(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種地熱資源．人類利用地熱資源歷史已久，但主要以直接利用為主，發(fā)電是上世紀初才開始嘗試并在其后大規(guī)模發(fā)展的（Ｇｅｒａｌｄ，２００１）．１９０４年，意大利首次利用地熱蒸汽發(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熱電站；１９５８年，新西蘭的懷拉開地熱電站首次利用擴容法解決了地熱流體的發(fā)電技術(shù)；至１９９７年底，全世界地熱發(fā)電總裝機容量已近８ ０２１ＭＷ（馬梅林和王紀春，１９９８；王貴玲等，２０００；汪集旸等，２０００；Ｉｎｇｖａｒ，２００１）．地熱發(fā)電的原理簡而言之就是先把地熱能轉(zhuǎn)變成機械能，然后再把機械能轉(zhuǎn)化成電能．由于可利用的地熱資源的類型不同，所采用的技術(shù)方法也相應(yīng)有差異，主要分為地熱蒸汽、地熱水、聯(lián)合循環(huán)及干熱巖４種發(fā)電方式．地熱蒸汽發(fā)電直接利用地熱井中的高溫蒸汽，先進行凈化，然后推動汽輪機做功，使發(fā)電機發(fā)電（呂太等，２００９）．地熱水發(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（擴容），即通過降低壓力使地熱流體迅速汽化；另一種是用地熱水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)電和地熱水發(fā)電相結(jié)合，充分提高了地熱流體熱能的利用率．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（高學偉等，２００８）．１ 我國地熱發(fā)電歷史及現(xiàn)狀

 

  我國屬于富地熱資源的國家，但其分布十分不均，高溫地熱資源僅分布在西藏南部、四川西部、云南西部及臺灣省，中低溫地熱資源主要分布于東南沿海地熱帶、華北及東北部分地區(qū)（Ｈｕ ｅｔ ａｌ．，２０００；Ｗａｎ ｅｔ ａｌ．，２００５）．我國地熱發(fā)電始于２０世紀７０年代，時值第一次石油危機，在全國建成了７個中低溫地熱電站，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（馬梅林和王紀春，１９９８；王貴玲等，２０００；鄭克棪和潘小平，２００９）．這７座中低溫地熱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熱系統(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．上述地熱電站的發(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熱電站，發(fā)電量約３００ｋＷ，只相當于羊八井地熱電站的１／８０左右．２０世紀７０年代中期，我國開始在西藏嘗試高溫地熱發(fā)電，先后建立過３個地熱電站，分別是羊八井地熱電站、朗久地熱電站和那曲地熱電站．羊八井地熱電廠現(xiàn)在主要利用溫度高達２５５℃的深部地熱流體，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，地熱流體輸送管道的結(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熱電站，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熱電站相比并不遜色，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)利用對象是淺部地熱流體，而最初的淺層地熱井均施工于熱田的排泄區(qū)，長期的地熱流體開采造成熱水位下降，同時也導致了熱田南區(qū)的地面沉降．另外，地熱電廠發(fā)電過程中產(chǎn)生了大量富含有害組分的地熱廢水，而地熱廢水的回灌至今仍未徹底實現(xiàn)，在某些時段仍就近排入當?shù)?a href="http://www.zbqkq.com/t/地表水.html" >地表水體，造成了較嚴重的熱田水環(huán)境污染．

 

    ２ 青海共和盆地地熱資源分布

 

  我國多年前即已在西藏實現(xiàn)高溫地熱發(fā)電，但與西藏毗鄰的青海省雖同樣有豐富的地熱資源（張珍，１９９９），開發(fā)利用程度卻低得多（嚴維德等，２０１３）．目前青海地熱資源的開發(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，還停留在地熱資源開發(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，青海省地熱資源種類齊全，地熱水、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℃以上的地熱異常區(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．地熱資源分布區(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)地熱資源開發(fā)潛力非常大．另外，通過地熱勘探井，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℃ 以上的中低溫地熱水，可開采總量達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（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)不僅為深部地熱的開發(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 共和盆地地熱發(fā)電

 

  ３．１ 地熱井位選擇與成井過程

 

  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（武漢）開展了前期地熱地質(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，具導水、導熱作用，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、水量較多的地熱流體，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，巖性為細砂巖、含礫細砂巖、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)成井位置地熱異常明顯，且地溫隨深度單調(diào)增加，這指示共和盆地內(nèi)的地熱系統(tǒng)屬傳導型．根據(jù)熱儲位置及鉆孔巖芯，設(shè)計地熱井成井工藝如下．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 試驗地熱電站的建立如前所述，青海省地熱資源豐富，共和盆地則是全省地熱資源富集區(qū)之一，具有地熱發(fā)電潛力，但長期以來地熱開發(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)地熱資源政策的支持下，中國地質(zhì)大學（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熱發(fā)電站，期望利用區(qū)內(nèi)中低溫地熱流體發(fā)電，為青海省能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化做貢獻．研究表明，現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使利用中低溫地熱流體發(fā)電得以實現(xiàn)（Ｏｇｕｚ，２０１１）．由于研究區(qū)熱儲內(nèi)賦存中低溫地熱流體，共和地熱電站未采用傳統(tǒng)的利用高品位地熱能的汽輪機，而采用ＯＲＣ螺桿膨脹動力機發(fā)電．螺桿膨脹機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熱流體對某種低沸點有機工質(zhì)進行加熱，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）．蒸汽從膨脹機排出后，進入油分離器，分離潤滑油，氣體進入冷凝器冷凝成液體，液體被液體泵升壓，進入預熱器、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 共和盆地地熱流體地球化學特征及其對發(fā)電的影響地熱流體的地球化學特征對其發(fā)電效率及地熱井發(fā)電壽命有重要影響（Ｇｕｏ，２０１２）．如西藏羊八井熱田的地熱流體在生產(chǎn)井口水氣分離后，通過輸送管送至地熱電廠供發(fā)電機組使用．由于地熱蒸氣中富含ＣＯ２和Ｈ２Ｓ等酸性氣體，降溫冷凝后，水的ｐＨ 值低于５．０，對金屬管道材料具有較強的腐蝕性（趙平等，１９９８）．共和盆地ＤＲ２生產(chǎn)井抽取的地熱水的化學組成見表１所示．由于井口地熱流體溫度（８４．２℃）低于當?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井的地熱水樣品在室溫下的化學分析結(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井地熱水對方解石的飽和指數(shù)如表２所示．在此溫度范圍內(nèi)，地熱水對于方解石均處于過飽和狀態(tài)，因此發(fā)電過程中存在管道結(jié)垢的可能．當然，地熱水中ＣａＣＯ３是否析出并不僅僅取決于其對于方解石等礦物的飽和指數(shù)，還與地熱水流速、壓力、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井地熱流體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

 

  青海共和盆地地熱地質(zhì)條件優(yōu)越，地熱流體性狀良好，用于地熱發(fā)電的ＤＲ２井的井口水溫可達８４．２℃，單井涌水量達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熱電站，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)導向具有重大意義．由于ＤＲ２井地熱流體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．