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          大興水利水電勘測研究會

          【科普】地熱資源勘查及評價方法

          地熱能在線2021-10-04 07:30:55

          科學勘查和評價地熱資源是合理規劃和開發地熱資源的基礎,沒有開展勘查和評價工作就投入開采的地熱田,必然會產生開采盲目和管理混亂的問題。我國較大規模的開展地熱資源的勘查和開發,始于20世紀70年代。早期的地熱勘查工作基本經歷了普查、詳查、勘探、開發和商業開發五個階段,走了一條較科學的發展道路(如天津、北京的部分地區)。為全國地熱資源的勘查評價工作樹立了良好的榜樣。近十幾年來隨著國民經濟的發展,地熱資源的開發利用迅速形成高潮。許多地區只開展了地熱普查工作之后,便進入了商業開發階段,有的地區甚至沒有進行任何正規的地熱勘查工作,就直接進入商業開發階段,經過一段開發后,出現許多開發和管理上的問題,這時會回過頭再進行普查或詳查工作,核實地熱資源量,制定地熱資源開發利用規劃。這種地熱勘查,雖起步過晚,但可以充分利用商業開發資料,降低地熱勘查投資。以上兩種地熱勘查階段的模式,各有利弊,也是社會發展的必然產物。近年來國內地熱資源勘查和評價方法也各不相同。筆者就自己實際工作的感受,淺談地熱資源的勘查、計算和評價,與同行討論,希望有利地熱資源勘查和評價方法的統一和提高。

          1 地熱資源的勘查方法

          1.1 區域地質資料的搜集和分析
          地熱資源的埋藏分布大多與區域構造斷裂,基底埋藏分布,深部地層巖性等密切相關,廣泛搜集區域地質構造資料及已有石油,煤炭的勘查資料,是開展地熱勘查的必備工作,進而確定地熱勘查區所處地質構造部位,基底埋藏特征、地層巖性特征、地熱水儲存和運移特征等,為地熱勘查提供基礎地質條件。

          1.2 航衛片解譯
          航衛片的解譯可以判斷地熱勘查區地質構造基本輪廊及隱伏構造;可以顯示泉群和地熱溢出帶位置,地面水熱蝕變帶的分布,熱紅外解譯可判斷地表異常分布等。在勘查面積較大,已有地質資料較少地區,該方法可提供較多的地熱地質信息。

          1.3 地熱地質調查
          應在已有的區域地質資料和航衛片解譯資料基礎上進行,實地驗證航衛片解譯的重點問題,尋找地質露頭,觀察地熱田的地層及巖性特征,地質構造、巖漿活動與新構造運動情況,分析地熱勘查區地熱形成的地質構造背景。

          調查勘查區地表熱異常分布特征及與構造的關系。調查勘查區溫泉出露及分布特征、泉水溫度及流量變化特征及開發利用歷史,調查勘查區內已有地熱井水溫、水量、開采層段及地層巖性特征,地熱水開發利用及動態變化特征。對不同精度和工作目的的地熱地質調查,其工作內容可以有所側重。

          1.4 地球化學調查
          對土壤中砷、汞、銻的探測,可以幫助判定深部隱伏斷裂的展布情況。地熱井巖芯中水熱蝕變礦物鑒定分析可以推斷地熱活動特征及其演化歷史。

          對地熱水中氟、二氧化硅、硼等組份的測定,可以幫助確定地熱異常分布范圍。測定代表性地熱水,常溫帶地下水、地表水、大氣降水中穩定性同位素和放射性同位素,可以推斷地熱流體的成因與年齡。

          1.5 地球物理勘查
          采用地溫測量可以圈定地熱異常區,分析熱儲空間分布特征。

          在較大的地熱勘查區可以采用重力法確定勘查區基底起伏及斷裂構造的空間展布。利用磁法確定火山巖體的分布及蝕變帶位置。

          可控源音頻大地電磁測深及氡氣測量等方法可以判定斷裂構造展布特征及地層富水情況。

          利用地震探測可以較準確的判定構造斷裂展布特征及產狀,測試地層波速為熱儲層段劃分提供信息。

          地球物理勘查工作是間接探測方法,信息解譯有多解性。開展工作時應設計出合理的方法組合,盡量用較小的投入獲取較多的地熱地質信息,以便去粗取精,去偽存真,例如:應先在較大范圍內采用氡氣測量,初步圈定構造斷裂的大概位置,再有針對性的布置部分人工地震探測剖面,以便較準確判定斷裂展布、產狀和地層結構,最后選擇布井有利部位,開展少量音頻大地電磁測深點判定富水情況。

          1.6 地熱鉆探
          地熱鉆探是地熱勘查中最直觀、最準確有效的方法,但因投資較大,工作量受到限制,因此地熱鉆孔施工前要綜合分析所有相關資料,精心編制地熱鉆孔地質工作設計和鉆探施工設計,鉆探過程中應盡量開展各種樣品采集和各種測試、試驗工作,獲取最多的地熱地質信息。

          (1) 開展巖屑錄井及鉆時錄井,觀察沖洗液溫度變化及漏失變化,詳細記錄鉆井過程中的漏水,井噴、涌沙、逸氣、掉塊、塌孔、縮徑等現象及出現時的井深和層位,進而分析熱儲特征及地熱水賦存部位。

          (2) 在熱儲層段采集代表性巖芯,觀察巖性特征,判定巖石名稱、測試其孔隙度、密度及滲透率、比熱、熱導率等量并與測井資料比較。還可做部分放射性含量、古地磁同位素年齡測試、判定地熱田地質歷史及區域熱異常背景。

          (3) 開展綜合物探測井,著重解決熱儲層段劃分及主要含水層段位置,獲取不同層位的孔隙率,滲透率、含水率、巖石密度等數據,獲取井內地溫變化曲線,井溫測量應在停鉆24小時以后,并應測兩條溫度曲線,兩條測溫曲線溫差應在允許范圍。

          (4) 按穩定流及非穩定要求進行抽、放水試驗,觀察水溫、水量、水位變化特征,為地熱水資源評價提供基礎數據。

          (5) 采集地熱水樣品,有氣體逸出,及中高溫地熱水應采集氣樣。水樣應進行全分析,穩定性同位素、放射性同位素及醫療熱礦水的微量元素分析,氣體分析應盡量做H2S、CO2、O2、CO、NH4、CH4、He、Ar等。

          (6) 地熱井的鉆進技術和成井工藝,包括沖洗液技術、測井要求、井斜、終孔口徑、泵室段的確定均應滿足勘探鉆孔的目的要求。

          1.7 動態監測
          動態監測應貫穿地熱資源勘查開采的全過程,擬投入勘查開發的地熱田應對每一個勘探孔及地熱開采井均進行水位、水量、水溫、水質的動態監測,以便掌握地熱資源的天然動態與開采動態。對已開發的地熱田一定保持動態監測的連續性和合理性,以便為地熱資源計算與評價、地熱田管理與地熱田開發有關的環境地質問題提供實際資料。

          2 我國地熱資源勘查特征及存在問題

          2.1 區域地熱地質背景資料豐富
          地熱資源勘查的首要問題便是解決地熱田所在的區域地質構造背景。建國以來,地礦系統、石油系統、煤炭系統等單位均開展過不同精度、不同目的的地質勘查工作,這些工作成果資料的二次開發利用基本可滿足地熱資源勘查地質背景資料的需要,大大減少了初期地熱資源勘查的投資。

          2.2 商業開發熱潮促進地熱資源勘查
          地熱資源開發利用上的特點和優勢,使其商業開發熱潮迅速發展,并遠遠超過了我國目前的地熱資源勘查速度,商業開發所積累的地熱地質資料和發現的問題,在一定程度上補充了地熱資源勘查的不足,促進了地熱資源勘查速度,減少了地熱資源勘查的投入。

          2.3 探采結合為地熱勘查的主要模式
          目前我國的地熱勘查均為探采結合的模式,減少了勘查資金投入,有利于勘查工作落實。但已無法按正規的普查-詳查-勘探開發的模式進行勘查工作,各地應因地置宜,根據當地開發利用現狀及已掌握地熱地質資料的實際情況,設定勘查階段進行相應程度的地熱資源計算和評價工作。

          2.4 勘查工作滯后對地熱開發的不良影響
          我國大部份地熱開發區沒有或很少開展正規的地熱勘查工作,商業開發的地熱井首先要滿足其商業目的,可獲取的地熱地質資料受到很大的限制。因此,完全使用商業開發的地熱資料,往往會影響地熱勘查精度,影響對地熱勘查區地熱資源的認識和評價,使地熱資源的開發存在一定的盲目性,使地熱資源開發的管理出現混亂。

          2.5 已有的勘查規范需補充和修改
          1989年發布的《地熱資源勘察規范》在推動地熱勘查工作上起了重要作用。但近十幾年來,不論是對地熱資源的認識還是勘查技術方法、鉆探技術方法都有較大變化,比如熱泵技術已大大降低了水中可提取熱能的溫度,鉆探技術的提高使大于2000m的深井鉆探很容易完成等,故修改和完善地熱勘查規范十分必要。

          3 地熱資源計算方法
          前地礦部1985年曾發布了《地熱資源評價方法》(DC40—85),早期較正規的地熱資源勘查項目基本執行了“DZ40—85”規定的方法,采用熱儲法計算地下熱能,按回采率計算可采資源量,地熱水資源量的確定,主要借用淺部地下水穩定流和非穩定流計算方法,計算結果往往同實際出入較大。近些年來各地根據自己的實際情況選用了不同的地熱資源計算方法,但均包括地熱能的計算和地熱水的計算,兩者的資源量又都包括儲存資源量和可采資源量。

          3.1 地熱能資源量計算

          3.1.1地熱能儲存量的計算
          按前地礦部發布的“DZ40—85”規范中規定地熱能儲存量計算采用熱儲法,計算公式:
          Qr=C A d(tr-to)
          C=ρrCr(1-φ)ρwCwφ
          該公式考慮了熱儲層中巖石儲存的熱能,也考慮了地熱水中儲存的熱能,理論上該公式是合理可行的,關鍵是獲取較準確的計算參數。
          式中:
          d——熱儲層厚度,應利用鉆孔直接資料,并考慮地熱田內熱儲厚度變化特征取平均值或分區給出。
          φ——巖石孔隙率,應綜合考慮物探鉆井的實測數據及巖芯實驗室的測試數據。
          tr——熱儲平均溫度,應盡量選用井溫測量的實測數據。
          to——基準溫度,應選用熱泵技術可達到的最低溫度。
          ρrCr——巖石的密度和比熱,應綜合考慮物探測井和巖樣實驗室測試結果。
          ρwCw——為水的密度和比熱。
          只要參數給出合理,其計算結果應該可信,并具有較強的區域可比性。

          3.1.2 地熱能可采資源量的計算
          地熱能可采資源量受控的因素很多,如熱儲類型、熱儲埋深、熱儲壓力、熱儲巖性特征等,受控因素不同,地熱可采資源量就會不同。地熱資源開發利用技術的提高也可改變地熱可采資源量。如提水設備能力的提高、換熱能力的提高,都可增大地熱資源可采量,而地熱資源開發利用可能產生的環境和地質災害問題有可能在一定程度控制地熱能的可采資源量??梢姷責峥刹少Y源量是一個受控因素很多、可變程度較大的量,不應規定一個統一和固定的參數計算,地熱可采資源量應因地而異,因時而異。各地熱田據不同的地熱地質條件,不同的開發利用目的,開發利用技術水平及開采后可能帶來的環境地質問題和災害地質問題來確定可采資源量。尤其重要的是當地地熱水位允許的最大下降幅度和回灌工程能實現的最大回灌量,是地熱可采資源量計算的主要依據。

          3.2 地熱水資源計算
          地熱資源的埋藏通常較深,均需通過一定的流體,把熱能從地下帶上來,地下水是地熱能最好的載體,因此,在計算地熱資源時必須計算地熱水的資源量。地熱水與淺部地下水有著相似的儲存特征和水動力特征,因此可借鑒地下水資源計算方法來計算地熱水資源。

          3.2.1.地熱水儲存量的計算
          建議采用靜儲量法,計算公式
          Q總=M·A·φ+μ·△h·A
          該公式考慮了熱儲層段內地熱水的體積存儲量和彈性存儲量,該公式中地熱田面積A,熱儲層厚度M和孔隙度可按鉆探、測井、實驗室測試資料獲取,△h為熱儲層頂板算起的水頭高度,μ為彈性釋水系數,其計算公式為:
          μ=ρwφCM
          式中:
          C——熱儲層中含水巖組總壓縮系數(1/Pa)
          該計算方法理論上是合理的,同時應有較強的區域可比性,公式中的彈性釋水系數應該與熱儲層中各含水段的可壓縮性能有關,不同含水巖組承受壓力降低時能釋放出的水量也是不同的。深部地下熱水承受的壓力要比淺部地下水大的多,其彈性釋放量也應較淺部地下水大。該參數的獲取方法及其較全面的物理含意有待進一步研究探索。

          3.2.2 地熱水可采資源量計算
          地熱水可采資源量與地熱能可采量一樣,是一個受控因素很高,可變性極大的量,同時也是地熱資源計算中非常重要的量。因為它是可利用地熱能的載體,目前可采用傳統的的地下水資源計算方法。

          (1) 解析解法
          首先將地熱田內熱儲層段進行概化,使其基本符合該地下水非穩定流計算的要求。一般采用泰斯公式,給出開采量和開采時間,計算地熱田內水位下降情況,控制合理水位降時的水量和時間便為地熱田內熱水可采資源量和可采年限。

          (2) 補給量計算法
          首先將地熱田內熱儲層概化,使其基本符合穩定流計算要求,然后計算地熱田內水位下降到一定程度可獲得的逕流補給量,將其視為地熱水可采資源量,采用達西公式計算。該方法應基本掌握地熱水補排方向,可設立合理的逕流補給斷面。

          (3) 類比法
          與地熱地質條件相似的已采地熱田進行比擬,選取適當的比例系數,估算計算區地熱水可采資源量。

          (4) 動態分析法
          利用已有的動態觀測資料,分析地熱開采區內,地熱水開采量與水位下降的關系,概略確定每下降1米的熱水可采量,進而推測最大可能降深時的地熱水可采資源量及可采年限,以此做為地熱田地熱資源評價的依據。該方法適用于已開發利用的地熱田。該結果通常比較接近實際。

          (5) 數值解法

          在有動態監測資料的地熱田,可據各自不同的地熱地質條件選擇合適的數學模型,較準確的計算和評價其地熱資源,可據地熱田對開采量的需要和變化,隨時預測其水位變化趨勢,進而為地熱田的科學管理提供依據。

          3.2.3 地熱資源評價
          地熱資源的評價應突出地熱田可持續發展能力和地熱田開發利用與周邊相應環境問題的關系。

          通過地熱田開采動態分析可見,地熱資源的儲存量很大,但可采資源量很少。在評價地熱資源可持續發展能力時應充分考慮到儲存量和可采資源量的轉化關系。如能實現地熱井的回灌工程,則會大大提高地熱能的可采能力,擴大可采資源量,逐步使地熱田走上可持續發展道路。

          地熱資源是清潔能源,但在開發利用過程中也會發生相應的環境地質和災害地質問題,如地熱水中部分有毒元素的不合理排放是否會對環境造成直接或間接的物理或化學的危害,大量提取地下熱能,大量抽取地下熱水是否能誘發地震,是否會引起地面沉降及地裂縫等,在地熱資源評價中均應引起重視。(本文來源:桔燈勘探 ID:bj_orangelamp)

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