在实现“碳达峰和碳中和”国家战略目标的新形势下，推动可再生能源的开发利用已迫在眉睫。地热资源具有储量丰富、分布广泛、供应稳定、利用率高等优点，其开发利用价值愈发受到政府部门及相关产业的重视。在不同类型的地热资源中，目前我国开发利用占比最大的是中、低温水热型地热资源，其主要赋存在砂岩型和岩溶型水热系统中。但由于成因机制、资源开发潜力以及地热尾水回灌理论认识不清，一些水热系统的地热开发引发了诸如生产能力下降、地面沉降、经济效益低下等问题。厘清砂岩型和岩溶型水热系统的成因机制及地热资源赋存特征、评估其蕴藏的地热资源开发潜力，并且认清不同地热水开采及回灌情景对于对井取热性能的影响，对于因地制宜地制定科学、可持续的水热型地热资源开发利用方案，从而指导区域地热资源可持续开发利用具有至关重要的现实意义。因此，论文以西咸新区砂岩型水热系统和雄安新区岩溶型水热系统为研究对象，分别对其赋存的水热型地热资源的成因机制、资源开发潜力、以及不同采灌情景下的对井取热性能开展了相关研究。论文开展的工作和获得的主要结论如下： （1）基于区域地热地质背景、水文地质特征、示踪试验以及钻井地温测量数据，综合分析西咸新区和雄安新区的地温场特征，厘清了两个水热系统的源（水、热）、通、储、盖条件，从而揭示了西咸新区砂岩型水热系统和雄安新区岩溶型水热系统的成因机制并建立了水热系统三维概念模型。西咸新区新生界平均地温梯度为32.8±5.3°C·km-1，地温梯度高值区在沣东新城和沣西新城北部，地温梯度高达42.1°C·km-1；区内大地热流介于64.1~84.1 mW·m-2，平均大地热流为69.9±2.3 mW·m-2，热流分布具有中部高、南部及东部低的特征，壳、幔热流比为0.92，莫霍面温度为735~783°C。西咸新区砂岩型水热系统属于沉积盆地传导型，成因机制可概括为区域构造演化控热-断裂构造聚热-砂岩热储储热（水）。雄安新区新生界平均地温梯度为31.9±11.5°C·km-1，地温梯度高值区位于构造凸起中心，地温梯度高达85.9°C·km-1；区内大地热流介于41.6~119.8 mW·m-2，平均大地热流为72.9±9.4 mW·m-2，在构造凸起区形成了热流高值异常，壳、幔热流比为0.67，莫霍面温度为688~716°C。雄安新区岩溶型水热系统属于沉积盆地传导—对流复合型，成因机制可概括为区域构造演化控热-构造凸起聚热-岩溶热储导热（水）。 （2）基于水热系统成因机制分析，选取地热证据因子并构建证据权重模型、加权信息量模型和指数叠加模型对两个研究区进行了地热资源开发潜力评价，采用单元热储法对两个研究区的地热资源储量进行了计算。结果表明，加权信息量模型对两个研究区的地热资源开发潜力评价效果最佳。西咸新区砂岩热储层内地热资源总储量为80.1~247.3 EJ，可开采量为20.0~61.8 EJ，相当于标准煤0.7~2.1×109 t，减排二氧化碳1.5~4.8×109 t，其地热资源开发极高潜力区和高潜力区主要分布于秦汉新城的中部和南部、沣东新城和沣西新城的北部，面积分别为112.4 km2和68.5 km2，分别占新区总面积的13%和8%，资源可开采量分别为2.7~8.4 EJ和1.6~5.0 EJ；雄安新区岩溶热储层内地热资源总储量为32.9~65.8 EJ，可开采量为4.9~9.9 EJ，相当于标准煤0.2~0.3×109 t，减排二氧化碳0.4~0.8×109 t，其地热资源开发极高潜力区和高潜力区主要分布于牛驼镇凸起和容城县南部容城凸起内，面积分别为148.1 km2和152.8 km2，分别占新区总面积的8%和9%，资源可开采量分别为0.6~1.2 EJ和0.7~1.3 EJ。 （3）基于水热系统三维概念模型，采用有限单元法构建数值模型，在两个研究区开展了不同地热开采和回灌情景下的水-热耦合数值模拟研究。单组采灌对井的因素敏感性分析表明，按照对对井提取热能的影响程度由大到小排序为：开采层温度＞开采量＞对井井间距＞回灌尾水温度＞采灌方位＞岩石体积热容＞热储层厚度＞渗透系数。多组采灌对井布局优化数值模拟表明，在50年运行期内考虑天然地下水流场，不同的对井布局可引起高达25%的提取热能差异和15%的热平准化成本差异，在开采量为125 m3·h-1、井间距不小于600 m（开采量为200 m3·h-1、井间距不小于700 m）的条件下采灌井热突破时间大于20年，且轨道模式在井间局域流场作用较强时提取热能最高且热平准化成本最低（反之则为棋盘模式）。此外，开采渗透系数更高的热储层时，热能采收率更高且轨道模式的优势更突出。现今地热采灌模式优化数值模拟表明，采灌均衡模式下500 m的井间距可确保西咸新区沣西地区采灌井在50年内不发生热突破，且开采层水位在停井期可恢复至开采前状态；雄安新区雄县城区在井间距不小于300 m时可有效避免采灌井过早发生热突破，且采灌均衡模式和集中采灌模式均可以有效补给热储压力并避免采灌井过早发生热突破。 综合分析，莫霍面隆起使得西咸新区砂岩型水热系统和雄安新区岩溶型水热系统均具备较高的大地热流背景，区域构造演化和地质构造均为两个水热系统的地热资源赋存提供了有利条件，而雄安新区凹凸相间的构造格局以及岩溶裂隙发育且热导率较高的岩溶热储层使得雄安新区岩溶型水热系统在构造凸起区的地热资源条件更为优异。此外，加权信息量模型由于考虑了地热证据因子涵盖的所有信息量，可以有效应用于两类水热系统的地热资源开发潜力评价。由于雄安新区岩溶热储厚度和渗透系数均较大，雄安新区岩溶型水热系统地热采灌时的合理对井井间距要小于西咸新区砂岩型水热系统，且取合理井间距的采灌平衡模式均可有效补给两个水热系统的热储压力并提高对井系统的取热能力。 |
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