Evaluation of geological conditions for the development of deep geothermal energy in China

doi:10.13745/j.esf.2020.1.15

Abstract

Abstract:

Deep geothermal energy refers to geothermal energy that lies deeper than 3000 meters below Earth’s surface. China is rich in deep geothermal energy, but how favorable are the exploitation conditions? Based on the principle of geothermal geology, in association with rock mechanics, we put forward an indicator system for evaluating the conditions of deep geothermal energy exploitation. We first assign values to each indicator using the expert scoring method; then we apply the principle of fuzzy mathematics to obtain a single value so as to assess the exploitation feasibility. This method considers the safety aspect of enhanced geothermal system (EGS) technology in the development of deep geothermal energy. It advocates adopting the concept of “soft stimulation”, different from the “rigid stimulation” which may induce earthquakes and other key factors not conducive to the healthy development of geothermal energy industry. It also emphasizes the reservoir properties and geophysical fields, expanding and supplementing the previous evaluation results. The established new method is more suitable for the actual geothermal geological conditions, i.e., tectonics dominant geothermal distribution in China. In other words, geothermal energy distribution is closely related to tectonic activities, the stress is relatively high, the crust is generally active with frequent earthquake events. This method makes full use of expert knowledge, adds the role of fuzzy mathematical comprehensive evaluation, and makes the quantitative results easy to compare and use. Therefore, this method is expected to better support decision-making. Based on the new assessment method and existing deep geothermal research and geothermal exploration results, we attempted to make a preliminary assessment of the geological conditions of deep geothermal energy development in nine regions of mainland China, including the north-south geothermal zones in Tibet, the volcanic geothermal regions in western Yunnan Province, the central and eastern regions of Qinghai Province, Northeast and North China, and other regions. We revealed quantitative differences of regional geological conditions for geothermal exploitation, showing that continental China has complex geological conditions, often unfavorable to deep geothermal energy development.

Key words: hot dry rock, deep geothermal energy, geological conditions, evaluation indicator system, fuzzy mathematics, continental China

CLC Number:

P314
TM616

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Figures/Tables 19

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[119]	王盘喜, 杨霄, 卞孝东. 冀中坳陷火成岩岩石学及地球化学特征[J]. 地质科技情报, 2012, 31(4):1-10.
[120]	常健, 邱楠生, 赵贤正, 等. 渤海湾盆地冀中坳陷现今地热特征[J]. 地球物理学报, 2016, 59(3):1003-1016.
[121]	陈墨香, 黄歌山, 汪缉安, 等. 渤海地温场特点的初步研究[J]. 地质科学, 1984, 19(4):392-401.
[122]	林世辉, 龚育龄. 冀中坳陷现今地温场分布特征[J]. 东华理工学院学报, 2005, 28(4):359-364.
[123]	周瑞良, 刘琦胜, 张晶, 等. 华北断陷盆地牛驼镇基岩高凸起型热田地质特征及其开发前景[J]. 中国地质科学院562综合大队集刊, 1989(7/8):21-36.
[124]	陈墨香, 黄歌山, 张文仁, 等. 冀中牛驼镇凸起地温场的特点及地下热水的开发利用[J]. 地质科学, 1982, 17(3):239-252.
[125]	孙文亮. 冀中拗陷火成岩成藏条件研究[D]. 北京:中国地质大学(北京), 2010: 1-63.

因素集C	所代表的指标
C₁	大地热流值/(mW·m^-2)
C₂	地温梯度/(℃·km^-1)
C₃	热储岩性
C₄	居里面埋深/km
C₅	壳内低速高导层埋深/km
C₆	火山岩浆活动
C₇	放射性生热率/(μW·m^-3)
C₈	构造应力场

因素集C	所代表的指标
C₁	大地热流值/(mW·m^-2)
C₂	地温梯度/(℃·km^-1)
C₃	热储岩性
C₄	居里面埋深/km
C₅	壳内低速高导层埋深/km
C₆	火山岩浆活动
C₇	放射性生热率/(μW·m^-3)
C₈	构造应力场

指标	评价等级
指标	R₁(好)	R₂(较好)	R₃(中)	R₄(较差)	R₅(差)
大地热流值/(mW·m^-2)	90	80	70	60	50
地温梯度/(℃·km^-1)	70	60	50	40	30
热储岩性	碳酸盐岩	花岗闪长岩	花岗岩	石英砂岩	片麻岩和石英岩
居里面埋深/km	5	15	25	35	45
壳内低速高导层埋深/km	5	10	15	20	25
构造应力	张扭性	张性	扭性	压扭性	压性
火山岩浆活动	酸性岩基或大型岩浆囊	酸性-中性岩株	基性岩株	基性岩墙	基性岩脉
放射性生热率/(μW·m^-3)	5	4	3	2	1

指标	评价等级
指标	R₁(好)	R₂(较好)	R₃(中)	R₄(较差)	R₅(差)
大地热流值/(mW·m^-2)	90	80	70	60	50
地温梯度/(℃·km^-1)	70	60	50	40	30
热储岩性	碳酸盐岩	花岗闪长岩	花岗岩	石英砂岩	片麻岩和石英岩
居里面埋深/km	5	15	25	35	45
壳内低速高导层埋深/km	5	10	15	20	25
构造应力	张扭性	张性	扭性	压扭性	压性
火山岩浆活动	酸性岩基或大型岩浆囊	酸性-中性岩株	基性岩株	基性岩墙	基性岩脉
放射性生热率/(μW·m^-3)	5	4	3	2	1

指标	C₁	C₂	C₃	C₄	C₅	C₆	C₇	C₈
C₁	1	2	3	4	4	5	6	7
C₂	1/2	1	2	3	3	4	5	6
C₃	1/3	1/2	1	2	2	3	4	5
C₄	1/4	1/3	1/2	1	1	2	3	4
C₅	1/4	1/3	1/2	1	1	2	3	4
C₆	1/5	1/4	1/3	1/2	1/2	1	2	3
C₇	1/6	1/5	1/4	1/3	1/3	1/2	1	2
C₈	1/7	1/6	1/5	1/4	1/4	1/3	1/2	1