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应重视深部水文地质研究

发布时间:2022-02-17 10:35所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

  摘要经济社会快速发展需要更多能源与资源保障,地球深部资源与能源极其丰富。向地球深部进军是经济社会发展需要与资源勘查开发技术、经济效益成本承受能力相匹配的必然发展趋势。随着碳达峰、碳中和战略目标的提出,绿色低碳高质量发展

  摘要经济社会快速发展需要更多能源与资源保障,地球深部资源与能源极其丰富。“向地球深部进军”是经济社会发展需要与资源勘查开发技术、经济效益成本承受能力相匹配的必然发展趋势。随着“碳达峰、碳中和”战略目标的提出,绿色低碳高质量发展成为时代发展的主旋律。为满足能源、资源保障和生态保护修复等重大需求,加大清洁能源勘探开发力度、提高碳封存能力、强化地质储能研究等显得尤为重要。深部水文地质作用与此息息相关,亟待重视和加强研究。本文采用文献分析法,通过学科发展历程与热点焦点问题的综合对比研究,对深部地下水分布与循环理论研究、深部地下水地质作用下地热与锂资源成藏、深部地热干热岩与页岩气等清洁能源开发、深部咸水层CO2地质封存、地质储能等方面涉及的深部水文地质研究现状和未来趋势进行了分析总结,认为深部水文地质在高温高压条件下地下水循环动力机制、物质能量转换过程、水岩相互作用、成热成藏机理、勘查监测技术精度准度等方面尚需深入系统研究,而储层非均质性刻画、热源机制、深部资源能源可持续开发技术、人工干预下深部资源环境演变特征、水力压裂诱发地震以及断层对流体触发的敏感性和触发过程演变等是未来很长一段时间内应给予重点关注的关键性问题。

  关键词深部水文地质,资源成藏与开发,地热,干热岩,二氧化碳地质封存,地质储能

水文地质

  水是地球物质的重要组成,也是强大的地质营力1],在水循环过程中与环境介质不断进行相互作用[2,参与到了成岩、成矿(如石油与天然气[4、热液矿床[6等)、变质[7、岩浆[2、地震、火山等各种地质作用中。在水的参与下,地球内部物质、能量通过复杂的物理、化学等地质循环作用,形成各种能源与资源。进入21世纪以来,我国经济社会进入高速发展阶段,对赋存在地球深部极其丰富的能源资源需求与日俱增[8。

  习近平同志2016年在全国科技创新大会上指出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”[9,2020年代表中国做出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的庄严承诺。深部清洁能源,如地热干热岩、地层水中锂资源、页岩气等的开发利用,以及碳封存、地质储能等是如期实现这一承诺的重要战略抓手,其研究过程涉及深部水文地质问题。

  深部水文地质研究涉及地球科学的方方面面,目前研究的深度、广度、力度均较薄弱。为进一步推动我国深部水文地质研究,本文重点分析深部地下水分布与循环、深部地热干热岩与地下水中锂等资源成藏、深部地热干热岩与页岩气等资源能源开发利用、深部咸水层CO地质封存以及地质储能等方面涉及的深部水文地质作用,总结了研究工作中应用的勘探与监测技术方法,梳理了当前存在的主要问题,提出了未来发展的可能方向。

  1深部地下水分布及循环

  地球不同深度存在多种形式的水,地表自由水深循环的极限深度可能达15.525.1km,在此之下存在大量以羟基(OH)形态存在于理想化学式中不含的矿物(即名义上无水矿物NAMs)结构中,其含量可能是地表自由水的数倍[1014。

  地球深部地下水在空间上分布极度不均一,水含量在造山带和地幔柱偏高、稳定克拉通富水,俯冲带中等、活化克拉通贫水[14,反映了地球深部地下水含量的横向差异性。下地幔含水较贫乏,上地幔较丰富,软流圈比岩石圈更富水,相对岩石圈地幔,下地壳具有高得多的水含量,而含水量最大的是410~660km的地幔过渡带[15,岩石圈含水量的分层特性反映其纵向差异性。地球深部地下水的循环以复杂、缓慢的长路径方式,与周围岩石发生相互作用,改变岩石流变学特征,降低熔融温度,促进物质和能量循环,形成矿床等。

  在深部地下水循环过程中,俯冲带起到关键作用[16,地表的含水矿物、流体和挥发分通过俯冲带运移至俯冲板块的上地幔,使之与地幔橄榄岩发生蛇纹石化作用,直接影响地球内部化学成分[14。一旦到达一定深度,下沉板块就会升温,挤压作用导致其部分或全部水被逐渐释放出来,从而降低周围岩石熔点并产生岩浆,其向上移动导致火山喷发,最后相当数量的水又回到地表,从而驱动形成大规模深部地下水循环,同时带动物质和能量交换 。

  深部地下水分布与循环作为地球科学领域研究的热点和前沿问题,在地幔、过渡带及下地壳中的水含量级别、空间分布差异性等方面取得了一定研究成果[67,19。但是对深部地下水循环动力机制、运移过程,以及高温高压条件下水对矿物相变和物理化学参数的影响等方面的研究还较薄弱。深部地下水赋存迁移规律、动力机制及其地质、地球物理、地球化学效应的研究,应是未来深部地下水研究的重要方向。

  2深部地热(干热岩)等资源成藏过程中的水文地质作用

  深部地下水循环是壳幔之间物质与能量交换的重要途径,可为地热干热岩、地下水中锂等资源的成藏提供必须的物质与能量。

  2.1深部地热(干热岩)资源成藏过程中的水文地质作用

  深部地热资源主要发育在洋陆板块俯冲带、大洋中脊构造区、陆—陆碰撞带等板块边缘地区和距板块边缘稍远地区或板块(沉积盆地)内部。前者是火山、岩浆作用强烈,大地热流值高;后者是由于受壳幔地质结构控制,大地热流值也相对较高。水是形成水热型地热资源的主要载体,熔岩或幔源热等热源对沿深大断裂入渗的地表地壳浅部冷水加热,热水经断层等导水通道上涌,在有利构造区形成地热系统。干热型地热资源,则是深部热源充足,而地质体中缺乏充足的水源或高孔渗储层,发育不含水或含水很少的高温岩体形成的地热系统。

  对热源形成的研究表明,在板块俯冲、碰撞及断裂带等构造活动强烈区,深部地下水的循环有利于岩浆(部分熔融)形成与热物质上涌构成热源[2125。同时,通过鲁锴等(2019)[26、Dublyansky(2000)[27、Goldscheider等(2010)[28和李朋威等(2020)[29的研究指出,热液流体、地层水对碳酸盐岩储层的溶蚀改造作用广泛存在,溶蚀作用包括混合溶蚀和逆返溶蚀两种主要形式。

  水文地球化学和水同位素也被广泛运用于深部地下水循序研究中,通过分析不同热储间的差异性[30可间接反映热储间水力联系等,如氦(He/He)、锶(87Sr/86Sr)同位素可用于反映地下水来源,3,氢氧(δH、δ18O)稳定同位素可用于地下水成因、地热水起源、地热系统划分等研究[3,还可反映地下水补给来源、补给区高程、各种补给来源水混合比例、各水体间水力联系等问题[3,而氢(H)、碳(14)及氪(81Kr)同位素多用于地下水年龄研究[3840。

  目前对深部地热资源及涉及的水文地质的研究,整体还局限在6000m以浅有限尺度。未来工作,一是需要加强砷、硼等深部高温地热水中特征离子水文地球化学性质、火山活动与岩浆及水中稀有气体等方面的研究;二是需进一步深入刻画热源形成中深部地下水循环参与下物质、能量转化的复杂过程;三是需采用多手段综合精细刻画热储连通性及非均质性,以提高地热资源量评价精度。

  2.2锂资源富集过程中的深部水文地质作用

  锂被称为“21世纪的能源金属”,研究显示,深部地下水高温地热水中常含有丰富的锂资源[41,对其富集机理的研究正逐步受到重视[4146。研究表明,高温地热水与凝灰岩[47、流纹岩[48等富锂岩石发生水岩反应,锂被淋滤出形成富锂水,如玻利维亚的乌尤尼盐沼[48、中国西藏班戈湖南部的含锂热泉[49、美国内华达州富锂盆地[47等;深部熔融岩浆分异结晶后期高温汽水溶液也可携出锂[50,如美国的索尔顿海地热田[5153、中国青藏高原南部措美县的古堆地热田[5455与羊八井地热田[56、柴达木盆地[46等;深部古卤水通过断层等补给也能形成锂的富集,如柴达木盆地[46。

  深部地下水锂资源禀赋、分布规律、富集机制研究一直是研究的难点,目前采用的水化学、元素同位素等地球化学研究方法,常具有多解性,造成锂矿的物源可能具有多种解释,如围岩风化、古湖残留、含盐系地层淋滤、油田水、深部地下水等[57。当前,针对深部地下水中锂资源的物源研究,需要开展水化学和氢、氧、硼水文环境同位素等多类型地球化学调查,综合地质地球物理地球化学等信息,分析深部地下水中锂资源“源汇”系统过程的迁移富集规律,研究深部地下水中锂矿成矿机理。

  3资源开发利用中的深部水文地质问题

  3.1深部地热干热岩开发

  3.1.1深部水热型地热开发

  深部水热型地热开发的研究热点和重点主要聚焦于热储物性、富水性、温度、水化学特征等主要参数[58研究,热储酸化压裂改造[59;地热水回灌问题[60等对热储水动力场、温度场及水化学场、应力场等平面和垂向特征的影响[61以及可持续开发利用方式[62等方面。

  深部水热型地热开发过程中,会引起深部热储中热水水位下降,破坏温度场、地下热水水化学特征在平面与垂向上原有的平衡;受热储性质、非均质性等影响,不同地区、不同热储层位地热水回灌率差异大,且回灌过程中存在结垢风险[63等。热储非均质性精细刻画、“取热不取水”开发工艺研发、地热回灌数值模拟[62与工艺研究[61等是深部水热型地热资源开发急需攻破的关键问题。

  3.1.2深部干热岩开发

  干热岩的储层岩体往往是岩石力学强度高的脆、硬侵入岩体,其导流能力受到水动力、水化学溶蚀作用的影响[64。人工储层改造可提高低渗透性储层的导水能力和采热能力,是干热岩开发的关键环节和主要技术,主要包括水力压裂和化学刺激。水力压裂改造的是储层内部的天然裂缝,在深层高温高压和复杂天然裂隙系统、地应力作用下,压裂改造将对储层的水动力、岩石压力及水岩相互过程产生显著影响,直接影响干热岩的开发规模和效益,这均属于深部水文地质研究的范畴。

  深部干热岩勘查开发过程中,高温干热岩钻井受流体渗流压力影响,干热岩钻井井壁易坍塌,水力压裂行为受到水渗入的影响,会导致断层拉伸破坏和水力劈裂及随后的剪切破坏和水力剪切[65,温度变化可能会对断层和裂缝的稳定性产生显著影响。此外,原位流体在建造储层中影响储层的形成和发育方向,以及诱发地震的人工控制,采热过程中流体运移与水损失等。

  当前,深部水文地质研究在支撑服务干热岩勘查开发中的焦点问题集中在:一是高温高压下受注入压力、地应力、天然裂隙等影响的水运移规律及其地球物理响应研究;二是高温流体运移过程的定量表征、压裂及注采循环过程中流体压力的分布、储层离子变化和扩散规律研究;三是干热岩勘查开采诱发地震控制技术以及断层对流体触发的敏感性和触发过程的演变研究。

  3.2页岩气压裂开发中的水文地质问题

  据美国能源信息署(EIA)2015年数据,全球页岩气技术可采资源量约为214×1012,中国、美国的技术可采资源量分别为31.6×1012、32.9×1012[66。

  页岩气开发中是否会造成地下水资源污染问题备受关注,主要研究聚焦于页岩气压裂开发中的地下深层流体运移、压裂液页岩水岩作用的水文地球化学模拟等方面。 页岩气压裂开发过程中,注入的压裂液和页岩气储层中高矿化度地层水是否会向上运移、污染地下水,关键在于页岩气储层和地下水的连通性,以及流体向上运移的驱动力[68。

  对页岩气储层开展压裂后,针对页岩气储层和地下水的连通性判断的影响因素上,裂缝的发展会受到储层上、下方非渗透性岩层和压裂液滤失的限制[69,可通过微地震成像显示水力压裂产生裂缝与地下水的距离[70,也可对页岩气井附近的水样监测,看是否存在压裂液的成分[71,从而判断其连通性。当压裂结束后,随着压裂液返排,储层内压力逐渐下降,即使存在流体运移通道,但受毛细管力限制,流体会倾向于被束缚、封存在储层中,影响其向上运移的动力[72。

  应用PHREEQC等专业软件,开展压裂液页岩水岩作用的水文地球化学模拟[7374,可弥补室内实验周期较长的缺陷,能较好的反映高压注入到页岩储层的压裂液与页岩发生的复杂水岩相互作用过程,通常包括离子交换、矿物溶解与沉淀、氧化还原等系列复杂的物理化学反应[7578。页岩气规模化压裂开发过程中,针对注入的压裂液和储层中流体的运移规律、影响因素及最终去向等问题[68,仍需进一步研究注入的压裂液对储层内流体运移的影响,压裂液与储集层发生水岩相互作用的机理[79,压裂液最终去向及其对环境的影响[72,伴随地下水循环更长期的运移和泄漏风险[80等。

  4地质储能中的深部水文地质问题

  地质储能是保障未来发展风电、光伏等清洁能源稳定性的重要新型储能技术,其主要利用适宜储能的深部水文地质结构,并将对其稳定性产生重大影响。

  4.1含水层压缩空气地质储能压缩空气储能是指以压缩空气作为储能介质,通过燃气轮机的压缩机和涡轮机,将空气压缩并储存于适宜的含水层地质结构中,在用电时再将储气库中的高压气体释放经涡轮机发电的储能技术。2006年,美国能源部计划在Iowa建立一个270MW规模的压缩空气地质储能电站,并对场地进行了详细地质勘探和模拟评价分析[101。2008年,Succar等对近年来压缩空气储能的原理和应用发展进行了研究和总结[102。

  2013年,美国太平洋西北实验室的研究人员详细评价了在太平洋西北地区进行含水层压缩空气储能的可能性和潜力区域[103。Oldenburg等(2013)[104通过开发模拟软件验证了在含水层中进行大规模压缩空气储能能够获得很好的储能效率。Jarvis(2015)[105针对美国南卡罗来纳实际场地模拟研究,提出了平直含水层作为储气空间是可行的。近年来,越来越多的学者开展了含水层压缩空气储能相关的可行性数值模拟研究[106108和选址方法研究[109。

  目前国际上尚无采用地下含水层作为储气库的实际工程,相关研究尚处于理论探索阶段,但参照咸水层CO地质封存、含水层天然气储气库等已有工程实践,含水层压缩空气储能技术理论上是可行的。未来含水层压缩空气储能相关研究将会重点突破高压空气渗流与排驱机理、多元气体水岩反应机理、选址标准,以及高效注入、监测等技术研发与示范。

  4.2含水层地热储能

  含水层地热储能是利用具有保温性能好、渗流溶液流速缓慢、热(冷)量不易散失等特点的地下含水层作为储能介质,采用井管回灌的方式将“冷”、“热”能量季节性的储存在含水层地质结构中,在需要时抽取使用的储能技术[110。国际上,athey(1977)在瑞士Areuse三角洲开展了第四系砂砾石含水层低温储能试验,热回收率为40%[111。20世纪80年代,美国Alabama州安装了两组地下含水层储能系统,可提供530700kW的制冷[112;1980年,Minnesota大学开展了同层抽回灌对井系统储能试验,结果显示储能系统热回收率可达65%[113。

  1992年,加拿大科学家在Ontaria基地进行非承压含水层低温储能试验,35℃回灌水在储存135天后,含水层温度场达到均匀[114。RegenauerLieb(2020)提出了“太阳能集热含水层储能”的研究设想,计划利用地面太阳能集热,以具有较高光热转换效率的二氧化碳和水作为换热介质,将聚热塔收集的高热能储存到地下含水热储中起到储热作用[115。

  自20世纪70年代,我国也开展了系列含水层地质储能研究;19841985年,上海环境地质站及相关单位对上海市地下第二含水层开展了同层抽回灌单井、对井、多井系统的储热、储冷试验[116;赵新颖等(2004)[117针对地下含水层储能系统对环境影响开展了评估。地下含水层储能技术衍生于对含水层的人工回灌,目前国内外未见规模化的含水层储能工程。储能场地的水文地质条件和回灌水水质条件是进行含水层储能时首先应该考虑的基本条件[118。未来含水层地热储能实施、运行、推广的关键在于储能位置和含水层的选择、储能过程与环境的作用、储能系统的安全性、可靠性和经济性[119等关键技术问题。

  5深部水文地质勘探技术

  5.1地球物理勘查技术

  储层的非均质性与连通性、上覆盖层的完整性,制约着储层的富水性和流体的运移。故,深部地球物理研究的对象聚焦于储、盖层原有或诱发缝洞及连通性、流体运移的识别两大方向。

  在储盖层裂缝、孔洞识别方面以3D/4D、井地联合的地震技术为主导,如“两宽一高”地震数据采集技术、各向异性叠前逆时深度偏移等成像技术,使地面地震勘探成功识别了奥陶系6000m深度、15m规模的缝洞和花岗岩体中的裂缝[120121;分布式光纤声波传感(DAS)技术[122、多方位VSP数据采集[123、上下行波联合成像[124使VSP技术具备了大范围、高精度裂缝成像的能力;纵波、横波,近探、远探相结合的测井技术,获得了井周和井壁外地层裂缝的高分辨成像[125;DAS与传统地震台站相结合的微地震监测技术[126正在且未来一定会在水力压裂裂缝空间定位、碳封存CO2运移监测[127等多个方面发挥愈加重要的作用。

  在储层连通性和流体识别方面,电法发展了时移MT[128和AMT或广域电磁法[129和时频电磁法,依据振幅、电阻率、相位等参数变化研究储层中流体的分布;发展了高分辨的点电极[130或套管长电极[131或二者联合来估算井间裂缝连通性的井地电法(或电磁法);斯伦贝谢公司采用更低频率(10Hz~10kHz)的井间电磁成像技术来描述储层流体运移,探测距离井间距依井管材质已达到200m或500m。

  以精准判识储盖层非均质性及连通性为终极勘探目的地球物理技术,向着多级井间联合、井地联合、多参数(电法、多波多分量地震)联合的广角多源高密度数据采样、大探测距离、高分辨率的数据采集模式,高精度成像的数据处理方法,多元信息(地球物理信息、水文地质信息、岩石物性资料、岩石力学性质、温度场等)交叉融合的综合解释方法等方向发展。

  技术热点和主要瓶颈体现在多波多分量地震勘探数据采集质量与效率、转换波精确成像、叠前成像技术,微地震事件定位精度,可控源电磁法天然场源信息利用等。急需在分布式光纤声波、温度、应变传感于一体的多分量、多参数储层光纤地震技术与装备,井中时延地震和井中激发地面3D接收的井地地震勘探技术与装备,时空阵列混场源电磁法理论的研究及应用[132等方面集中攻关。

  5.2钻探技术

  深部水文地质钻探有别于地质和油气深钻,具有温度高、口径大、地层敏感、勘察精度要求高等特点,如地热(干热岩)、CO2地质封存、地质储能等钻探[133135。近年,随着地热等钻探需求增大,深部水文地质钻探技术装备取得了一定的发展,但与实际需求仍存在差距。美国等西方国家水文地质钻探设备专业化、自动化程度较高,钻进工艺以无固相泥浆、低密度循环介质钻进为主,成井质量要求较高,已形成较成熟的系列技术[136137。我国深部水文地质钻探在设备、钻进工艺方法及成井工艺等方面不同行业差异较大,其技术水平和施工质量参差不齐。

  钻探设备方面,地矿、水文、煤田等行业队伍大多采用地勘系统的水源钻机、地热井钻机,石油行业队伍多采用石油系列钻机;钻进工艺方法上,大多数仍以传统的泥浆正循环全面钻进工艺为主,其泥浆也以膨润土固相泥浆为主,气举反循环钻进、多工艺空气钻进等较为先进的技术方法应用较少;成井工艺方面,主要表现为在采用供水管井成井方式的同时结合石油完井工艺[138。总体来看,目前我国深部水文地质钻探专用设备缺乏,机械化、自动化程度低;抗高温随钻测量仪器、抗高温螺杆、高效钻头、耐高温钻井液、钻进过程中的检测监测仪器等深部水文地质钻探仪器、工具及材料缺乏;钻头使用寿命短,钻进效率低,成井周期长,施工劳动强度高;钻进泥浆容易堵塞含水层裂隙,造成洗井困难,影响出水量等。

  针对深部水文地质钻探需求与特点,以提高钻探效率和成井质量为目标,未来研究重点将集中在钻探设备、专用器具材料、高效钻进与成井工艺等方面,自动化、智能化深部水文地质钻探设备研发,高性能耐高温动力钻具、钻头、钻井液、测井、监测等仪器、工具、材料的研制,气举反循环、多工艺空气、高压喷射、孔底动力复合等先进钻进技术方法的推广应用,新型成井材料及成井工艺的攻关研究等。

  6结论与展望

  深部水文地质研究涉及地球科学的方方面面,亟待重视和加强研究。本文基于文献分析,综合对比学科发展历程与热点焦点问题,对深部地下水分布与循环理论研究、深部地下水地质作用下地热与锂资源成藏、深部地热干热岩与页岩气等清洁能源开发、深部咸水层CO地质封存、含水层压缩空气储能和地质储能等方面涉及的深部水文地质问题以及勘探监测技术方法的研究现状、存在主要问题及未来发展趋势进行了总结。认为深部水文地质在高温高压条件下地下水循环动力机制、物质能量转换过程、水岩相互作用、成热成藏机理、勘查监测技术精度准度等方面尚需深入系统研究,储层非均质性刻画、热源机制、深部资源能源可持续开发技术、人工干预下深部资源环境演变特征、水力压裂诱发地震以及断层对流体触发的敏感性和触发过程演变等是当前面临的关键问题。深部水文地质研究,有助于解决深部能源资源勘查开发和环境问题。

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  作者:文冬光宋健刁玉杰张林友张福存张森琦叶成明朱庆俊史彦新金显鹏贾小丰李胜涛刘东林王新峰杨骊马鑫吴海东赵学亮郝文杰

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