０ 引言

 

  地核與地表的巨大溫差、地殼內放射性元素衰變及斷層摩擦產生的熱量等形成了儲量巨大的地熱能．據估算，地殼外層１０ｋｍ以內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年世界煤炭總產量的４００倍．地熱能具有非常大的開發潛力以及廣闊的利用前景（Ｉｎｇｖａｒ，２００１；Ｅｎｒｉｃｏ，２００２）．根據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；（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發電開發利用階段．地熱流體又可根據溫度分為高溫（＞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，發電是上世紀初才開始嘗試并在其后大規模發展的（Ｇｅｒａｌｄ，２００１）．１９０４年，意大利首次利用地熱蒸汽發電成功，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電技術；至１９９７年底，全世界地熱發電總裝機容量已近８ ０２１ＭＷ（馬梅林和王紀春，１９９８；王貴玲等，２０００；汪集旸等，２０００；Ｉｎｇｖａｒ，２００１）．地熱發電的原理簡而言之就是先把地熱能轉變成機械能，然后再把機械能轉化成電能．由于可利用的地熱資源的類型不同，所采用的技術方法也相應有差異，主要分為地熱蒸汽、地熱水、聯合循環及干熱巖４種發電方式．地熱蒸汽發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，使發電機發電（呂太等，２００９）．地熱水發電的基本思想是將熱水轉化成蒸汽，然后用蒸汽發電，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（如氟利昂、異戊烷等），使之汽化（Ｒｏｎａｌｄ，２００４）．聯合循環發電將蒸汽發電和地熱水發電相結合，充分提高了地熱流體熱能的利用率．干熱巖發電的原理則是利用人工注入的冷水其將熱量從地下帶出，通過產生的蒸汽或熱水來發電（高學偉等，２００８）．１ 我國地熱發電歷史及現狀

 

  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（Ｈｕ ｅｔ ａｌ．，２０００；Ｗａｎ ｅｔ ａｌ．，２００５）．我國地熱發電始于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、地熱流體溫度及發電功率分別為：廣東豐順縣鄧屋，９２ ℃，３００ｋＷ；湖南寧鄉縣灰湯，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中，其熱儲溫度和高溫水熱系統相比要低得多，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．上述地熱電站的發電量均介于５０ｋＷ 到３００ｋＷ 之間，且發電過程中出現的問題一直沒有得到妥善解決；到現在為止其中６個已經停產，唯一仍在運營的是廣東豐順地熱電站，發電量約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．羊八井地熱電廠現在主要利用溫度高達２５５℃的深部地熱流體，發電量為２４．１８ＭＷ（Ｚｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，２０１４）．朗久和那曲是２個相對規模比較小的熱田，地熱流體的溫度和流量都不太穩定．在建廠后的發電過程中，地熱流體輸送管道的結垢和腐蝕問題一直沒有得到妥善解決，所以這兩個電站現已廢棄．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電量上與其他國家的部分地熱電站相比并不遜色，但發電過程中產生了許多環境問題．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，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的地面沉降．另外，地熱電廠發電過程中產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，在某些時段仍就近排入當地地表水體，造成了較嚴重的熱田水環境污染．

 

    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高溫地熱發電，但與西藏毗鄰的青海省雖同樣有豐富的地熱資源（張珍，１９９９），開發利用程度卻低得多（嚴維德等，２０１３）．目前青海地熱資源的開發利用僅限于洗浴、醫療、游泳、大棚養殖、區域供暖等方面，總體來說，還停留在地熱資源開發利用的初級階段（趙振等，２０１３）．據青海省國土資源廳及青海省水工環地質調查院勘查結果，青海省地熱資源種類齊全，地熱水、淺層地溫能、干熱巖３種類型均有發現，且廣泛分布于省內的六州一地一市．全省已發現水溫１５℃以上的地熱異常區８４處，其中熱泉排泄溫度在９０℃以上的中溫水熱區１處，６０～８０℃的低溫水熱區１０處，４０～６０℃的低溫水熱區９處，１５～４０℃的低溫水熱區６４處．地熱資源分布區主要包括共和－貴德盆地、大柴旦、都蘭、青藏鐵路沿線和玉樹巴塘地區、興海地區、同仁盆地等，如在貴德扎倉寺發現溫度為９３．５℃的熱泉，都蘭熱水鄉、夏日哈鄉發現７０～８２℃的熱泉，顯示這些地區地熱資源開發潛力非常大．另外，通過地熱勘探井，在共和、貴德、大柴旦、都蘭、玉樹巴塘盆地已發現多處溫度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，青海省水文地質工程地質環境地質調查院聯合中國地質大學（武漢），于２０１３年在共和盆地中北部經鉆探驗證，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 的梯度穩定升高，且勘探表明區內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，開發利用潛力巨大．這是在國內首次發現的可大規模利用的干熱巖資源．共和盆地干熱巖資源的發現不僅為深部地熱的開發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利用新途徑的開辟成為可能．

 

    ３ 共和盆地地熱發電

 

  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電，青海省水文地質工程地質環境地質調查院和中國地質大學（武漢）開展了前期地熱地質調查和地球物理工作．在研究區南部上塔買－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）．結合區域地質構造，共和盆地恰卜恰地區基底埋深不大，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選靶區．最終選擇在盆地ＤＲ２處成井（圖１），終孔深度１ ８５２ｍ．據ＤＲ２井巖芯資料，０～４９．１ｍ為第四系全新統砂礫卵石及亞砂土、中粗砂，４９．１～５９８．８ｍ為下更新統亞粘土、砂巖，５９８．８～１ ４４０．９ｍ為新近系泥巖、砂質泥巖、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 粉砂巖呈泥鈣質膠結，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井的實測溫度數據繪制了地溫和地溫梯度隨深度變化曲線（圖２ａ，２ｂ），發現成井位置地熱異常明顯，且地溫隨深度單調增加，這指示共和盆地內的地熱系統屬傳導型．根據熱儲位置及鉆孔巖芯，設計地熱井成井工藝如下．０～２０３．５６ｍ，成井口徑４１０ｍｍ，此段內下入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之一，具有地熱發電潛力，但長期以來地熱開發利用率卻較低，利用方式也僅限于直接利用．在國家大力開發地熱資源政策的支持下，中國地質大學（武漢）和青海省水文地質工程地質環境地質調查院協同工作，于２０１４年在共和建立了青海首個試驗地熱發電站，期望利用區內中低溫地熱流體發電，為青海省能源結構優化做貢獻．研究表明，現代技術的發展使利用中低溫地熱流體發電得以實現（Ｏｇｕｚ，２０１１）．由于研究區熱儲內賦存中低溫地熱流體，共和地熱電站未采用傳統的利用高品位地熱能的汽輪機，而采用ＯＲＣ螺桿膨脹動力機發電．螺桿膨脹機可利用低品位地熱能實現熱功轉換，其基本原理是用中低溫地熱流體對某種低沸點有機工質進行加熱，工質沸騰產生蒸汽并推動轉子產生動力做功（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、蒸發器，完成一輪循環．與此同時，潤滑油在油分離器實現分離后，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電的影響地熱流體的地球化學特征對其發電效率及地熱井發電壽命有重要影響（Ｇｕｏ，２０１２）．如西藏羊八井熱田的地熱流體在生產井口水氣分離后，通過輸送管送至地熱電廠供發電機組使用．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℃）低于當地沸點，不存在水汽分離，而流體ｐＨ 為７．６９，在中性范圍內，因此在ＤＲ２井發電過程中可不考慮腐蝕的發生．然而，采自ＤＲ２井的地熱水樣品在室溫下的化學分析結果指示其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ＤＲ２井地熱水對方解石的飽和指數如表２所示．在此溫度范圍內，地熱水對于方解石均處于過飽和狀態，因此發電過程中存在管道結垢的可能．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，還與地熱水流速、壓力、套管的材質及光潔度、井筒內孔徑變化等多種因素有關，如多數情況下管道變徑處更容易結垢（趙平等，１９９８）．因此，ＤＲ２井地熱流體對于方解石飽和指數的計算結果并不意味著結垢一定發生．４ 結論

 

  青海共和盆地地熱地質條件優越，地熱流體性狀良好，用于地熱發電的ＤＲ２井的井口水溫可達８４．２℃，單井涌水量達１ ００２．２ｍ３／ｄ，總溶解固體為２．２３ｇ／Ｌ，ｐＨ 值為７．６９，具有一定發電潛力．我們在共和建成了青海首個試驗地熱電站，設計年均凈發電量雖僅為１１４ｋＷ，但對共和地區乃至青海省的能源結構導向具有重大意義．由于ＤＲ２井地熱流體具有較高的碳酸和鈣含量，在今后的開發利用過程中應注意井管結垢問題．