基于流体渗流-化学（同位素）耦合模拟的共和-贵德地热储层特征分析

论文摘要

2015-2017年课题组连续三年对青海共和-贵德盆地进行了野外地质调查,在对地表热显示的现场采样中发现贵德地热田出露热泉有间歇喷涌现象（间歇泉）且在地表出露大量带有烘烤痕迹的方解石岩脉,共和地热田的热泉采样温度和电导率值显示出明显的热储分层特征。这些地热地质现象是深部地热活动在地表的直接表现,那么能否根据出露的流体、气体和蚀变矿物的化学及同位素分析来推测深部的地热储层特征成为本文的研究目标。以往对地热储层特征的研究多集中在钻探、物化探和室内实验研究,这些研究获取了热储的大量关键参数及定性和定量认识。本文在前人研究的基础上,力图改进深部流体的浅层响应方法,并利用流体渗流-化学（同位素）耦合模拟方法对地热储层的温度、矿物自封闭区域及补给过程等特征进行定量化研究。本次研究的成果在多种类型热储温度预测方面可降低地热勘探成本,水-热-化学（同位素）场地级数值模拟方法可为经济地确定热储层特征提供科学依据和技术支撑。随着全球范围内能源和环境危机日益加重,寻找环境友好的新能源成为世界各国研究的热点。地热能由于其资源量大、可再生、开采稳定和清洁环保等优势已经成为一种大规模推广的新能源。我国进入“十三五”以来（2016-2020年）,在治理雾霾和节能减排的双重压力下,地热能迎来了重要的发展机遇。地热资源有效开发的前提是充分了解地热储层特征,包括热储层的温度及其分布规律、地热流体的来源及其流动过程、储层中的水-岩相互作用等。然而,对地热储层特征的分析目前仍面临诸多挑战:钻探方法直接有效但经济投入高;地球物理勘探存在多解性问题;实验室研究难以直接仿真场地级地热流体运动过程。而基于野外地质调查中对出露热泉和岩石的水化学、同位素、岩石物性等参数的获取,建立流体渗流-化学（同位素）耦合模型将是认识地热储层特征有效且经济的方法。本文将以我国典型地热田为例（青海共和-贵德盆地,云南腾冲地热田）,对地热储层特征进行以下三个方面的研究:（1）基于野外采集的浅表水化学数据,改进地热温度计以确定地温场分布;（2）建立水-热-化学场地级数值模型,研究地热流体在热储中的循环过程及水化学演化规律,确定矿物自封闭区域;（3）建立稳定同位素天然模型以分析D和18O同位素在地热系统中的运移规律,并研究在深部流体补给存在的条件下储层温度场和稳定同位素场的变化关系。在改进地热温度计方面以火山型、沉积盆地型和断裂带型等三种类型的地热系统做实例,来阐述集成的矿物组合地温计方法在预测热储温度方面的应用,以及在处理不同类型地热水的地表化学响应的新思路和修复策略。在火山型地热系统-腾冲热海地热田的热储温度预测中,为了增加预测的准确性本文重建了深部流体水化学组分,引入集成的矿物组合地温计（Integrated Multicomponent Geothermometry,IMG）并将其与传统地温计进行了比较。应用IMG方法预测了腾冲热海地热田的储层温度。结果显示使用石英温度计计算的储层温度最接近于使用IMG方法估算的储层温度。Al和Mg浓度以及所选化学平衡矿物是成功应用IMG方法的关键。将IMG方法与传统地温计结合使用可以显着提高热储温度估算的可信度,该方法对其它火山型地热田的热储温度估算有借鉴意义。位于青藏高原东北缘的共和盆地被认为是干热岩（Hot Dry Rock,HDR）资源的潜在靶区。作为沉积盆地的共和盆地发育了典型的层状地热储层,地温梯度超过55℃/km,位于不同层位的地热系统通过隐伏断层相连。为了研究层状热储的温度分布,首次提出一种新的方法处理深、浅水混合问题,该方法基于Al（和Mg）浓度在深、浅热储中的显着差异,利用同一个水样中Al（和Mg）浓度的优化值和实测值分别代表深、浅热储水化学特征重建了深、浅热储水化学组分,并分别给出了深、浅热储的预测温度。该研究成功预测了在共和地热田存在三个不同深度的地热储层,并且准确地估算了各个储层的温度。该方法可用于具有相似地质和地热条件的其它地热田,对地热储层特征研究具有理论价值和实用价值。贵德扎仓地热田属于断裂带型地热系统,对其热储温度的研究综合利用了腾冲和共和工作中总结的方法。结果显示贵德扎仓地热田的热储温度范围为144161℃,平均温度和标准差为153.6±7.4℃。得到的结果与研究区ZR1钻孔底部的实测温度（151.34℃）相近,从而判定钻孔ZR1的深度（3050.7 m）即是该热田深部流体的最大循环深度,该结论为后文中对贵德扎仓地热田水-热-化学（同位素）模型的建立提供了边界条件。温度场的确定为研究地热系统中的化学变化创造了可能。地热系统中的水-岩相互作用可能导致导水通道的封闭,这会降低储层的渗透性并影响地热井的产热效率。然而,基于有限数量的地热钻孔很难揭示深埋地下的地热储层的自封闭范围。本文通过反应溶质运移模型重建了断裂带型地热系统（贵德盆地扎仓地热田）的自封闭过程。基于MINC（multiple interacting continua）方法对模型域进行离散化,以解决断裂裂隙中基质与裂隙之间的非平衡热传输过程。通过对比快速上升通道（ZR1）中温度曲线的计算值和实测值验证了水-热场,通过对比排泄水主要离子组分浓度的计算值和实测值验证了化学场,之后使用验证模型来确定储层中水-热-化学的耦合过程以及由此产生的自封闭范围。结果表明,在补给水中含有较高浓度Ca2+和Mg2+的条件下,溶解的钠长石和钾长石导致了断层F2中部和底部的钙蒙脱石和伊利石沉淀。排泄区地表出露的大量方解石水热蚀变岩脉是由于地表附近的水平流携带了大量的Ca2+和HCO-3而生成的。这些水热蚀变活动导致了地热系统排泄区的渗透率与初始值（100 mD）相比下降了15%。此外,在补给区、流体深循环上游区、流体深循环下游区的快速上升通道形成了另外三个矿物自封闭区域。自封闭效应阻碍了地热流体的深循环和吸热,这将使断裂带型地热系统逐渐闭合。稳定同位素2H和18O能有效确定地下水补给的水源、速率和温度。为了研究地热储层补给过程,本文基于贵德扎仓地热田建立了水-热-同位素（D、18O）天然模型,对天然模型的分析理清了稳定同位素在地热系统中的运移规律。然后,以此为基础探讨了当有深部流体补给条件下稳定同位素的变化,并得到了同位素在排泄区的变化规律对预测深部水热特征的地表响应问题的一些认识。综上所述,本次研究所建立的热储温度预测方法、水热化学（同位素）耦合模拟技术为根据浅部水化学数据分析深部高温热储层温度、孔渗、水源和热源提供了新的途径,可为地热资源评价提供技术支撑。

论文目录

• 内容提要
• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与选题依据
•     1.1.1 研究背景
•     1.1.2 选题依据
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 地热储层温度的预测
•     1.2.2 水-热-化学场地级反应溶质运移模拟
•     1.2.3 同位素技术在地热系统分析中的应用
•     1.2.4 存在的问题
•   1.3 研究内容
•   1.4 研究方法与技术路线
•     1.4.1 研究方法
•     1.4.2 技术路线
•   1.5 创新点
• 第2章 研究区概况
•   2.1 自然地理概况
•   2.2 区域地质概况
•     2.2.1 地质构造
•     2.2.2 地层岩性
•   2.3 水文地质
•     2.3.1 共和盆地
•     2.3.2 贵德盆地
• 第3章 共和-贵德地热田水文地球化学特征
•   3.1 共和地热田
•     3.1.1 地热地质概况
•     3.1.2 采样及分析方法
•     3.1.3 水文地球化学特征
•     3.1.4 同位素特征
•     3.1.5 水文地球化学分带特征
•   3.2 贵德地热田
•     3.2.1 地热地质概况
•     3.2.2 采样及分析方法
•     3.2.3 水文地球化学特征
• 第4章 流体热化学响应机理与地温计方法的改进
•   4.1 流体热化学响应（地温计方法）存在的问题
•   4.2 集成的矿物组合地温计
•     4.2.1 原理与模拟程序
•     4.2.2 室内实验验证
• 2损失的修正'>  4.3 火山型地热系统（腾冲）：对CO₂损失的修正
•     4.3.1 腾冲热海地热田地质概况
•     4.3.2 水文地球化学特征
•     4.3.3 单泉分析
•     4.3.4 泉群分析
•     4.3.5 小结
•   4.4 沉积盆地型层状热储（共和）：混合水的水化学组分重建
•     4.4.1 热力学数据与矿物组合
•     4.4.2 混合水的深、浅水化学组分重建策略
•     4.4.3 共和地热田的地热储层温度预测
•     4.4.4 小结
•   4.5 断裂带型地热系统（贵德）热储温度的预测
•     4.5.1 热力学数据与矿物组合
•     4.5.2 热储温度预测结果
•     4.5.3 小结
• 第5章 基于水-热-化学耦合模拟的储层渗透性和流体活动特征分析
•   5.1 场地调查
•   5.2 理论
•     5.2.1 多相流体和热流
•     5.2.2 溶质运移和化学反应
•     5.2.3 求解方法
•   5.3 数值模拟
•     5.3.1 概念模型
•     5.3.2 模型验证
•   5.4 结果和讨论
•     5.4.1 断裂带型地热系统中的水-岩相互作用
•     5.4.2 断裂带型地热系统中的自封闭效应
•   5.5 小结
• 第6章 基于同位素迁移模拟的热储条件约束
• H和（18^）O）的迁移机理与模拟程序介绍'>  6.1 稳定同位素（2^H和（18^）O）的迁移机理与模拟程序介绍
• H和（18^）O）同位素运移'>  6.2 断裂带型地热系统的（2^H和（18^）O）同位素运移
•     6.2.1 概念模型及验证
•     6.2.2 结果与讨论
•   6.3 深部流体（或岩浆水）对断裂带型地热系统的影响
•   6.4 小结
• 第7章 结论与建议
•   7.1 结论
•   7.2 建议
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 侯兆云

导师: 许天福,姜振蛟

关键词: 热储温度,地球化学,深部流体地表响应,自封闭作用,同位素,数值模拟,共和盆地,贵德盆地

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 吉林大学

基金: 国家重点研发计划:压裂监测与人工储层裂隙网络评价(2018YFB1501803),国家自然科学基金面上项目:深部流体运动-热传-地球化学过程的浅层响应机理和定量化研究(41572215),国土资源部复杂条件钻采技术重点实验室2017年度开放课题(ERCGR201708),中国地质调查局青藏高原北缘重点区 1:5 万水文地质调查:青海共和-贵德地区干热岩体天然裂隙调查与热储地温场研究(12120115046201,121201012000150011),2017年吉林大学研究生创新研究计划(2017073),吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室

分类号: P314

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