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关于地热资源勘查及评价方法的讨论
地热能网 ( 地热+)   发布日期:2017-01-20    来源:地热能网
[摘要]:科学勘查和评价地热资源是合理规划和开发地热资源的基础,没有开展勘查和评价工作就投入开采的地热田,必然会产生开采盲目和管理混乱的问题。我国较大规模的开
      科学勘查和评价地热资源是合理规划和开发地热资源的基础,没有开展勘查和评价工作就投入开采的地热田,必然会产生开采盲目和管理混乱的问题。我国较大规模的开展地热资源的勘查和开发,始于20世纪70年代。早期的地热勘查工作基本经历了普查、详查、勘探、开发和商业开发五个阶段,走了一条较科学的发展道路(如天津、北京的部分地区)。为全国地热资源的勘查评价工作树立了良好的榜样。近十几年来随着国民经济的发展,地热资源的开发利用迅速形成高潮。许多地区只开展了地热普查工作之后,便进入了商业开发阶段,有的地区甚至没有进行任何正规的地热勘查工作,就直接进入商业开发阶段,经过一段开发后,出现许多开发和管理上的问题,这时会回过头再进行普查或详查工作,核实地热资源量,制定地热资源开发利用规划。这种地热勘查,虽起步过晚,但可以充分利用商业开发资料,降低地热勘查投资。以上两种地热勘查阶段的模式,各有利弊,也是社会发展的必然产物。近年来国内地热资源勘查和评价方法也各不相同。

      笔者就自己实际工作的感受,浅谈地热资源的勘查、计算和评价,与同行讨论,希望有利地热资源勘查和评价方法的统一和提高。

      1 地热资源的勘查方法

      1.1 区域地质资料的搜集和分析

      地热资源的埋藏分布大多与区域构造断裂,基底埋藏分布,深部地层岩性等密切相关,广泛搜集区域地质构造资料及已有石油,煤炭的勘查资料,是开展地热勘查的必备工作,进而确定地热勘查区所处地质构造部位,基底埋藏特征、地层岩性特征、地热水储存和运移特征等,为地热勘查提供基础地质条件。

      1.2 航卫片解译

      航卫片的解译可以判断地热勘查区地质构造基本轮廊及隐伏构造;可以显示泉群和地热溢出带位置,地面水热蚀变带的分布,热红外解译可判断地表异常分布等。在勘查面积较大,已有地质资料较少地区,该方法可提供较多的地热地质信息。

      1.3 地热地质调查

      应在已有的区域地质资料和航卫片解译资料基础上进行,实地验证航卫片解译的重点问题,寻找地质露头,观察地热田的地层及岩性特征,地质构造、岩浆活动与新构造运动情况,分析地热勘查区地热形成的地质构造背景。

      调查勘查区地表热异常分布特征及与构造的关系。

      调查勘查区温泉出露及分布特征、泉水温度及流量变化特征及开发利用历史,调查勘查区内已有地热井水温、水量、开采层段及地层岩性特征,地热水开发利用及动态变化特征。

      对不同精度和工作目的的地热地质调查,其工作内容可以有所侧重。

      1.4 地球化学调查

      对土壤中砷、汞、锑的探测,可以帮助判定深部隐伏断裂的展布情况。地热井岩芯中水热蚀变矿物鉴定分析可以推断地热活动特征及其演化历史。

      对地热水中氟、二氧化硅、硼等组份的测定,可以帮助确定地热异常分布范围。

      测定代表性地热水,常温带地下水、地表水、大气降水中稳定性同位素和放射性同位素,可以推断地热流体的成因与年龄。

      1.5 地球物理勘查

      采用地温测量可以圈定地热异常区,分析热储空间分布特征。

      在较大的地热勘查区可以采用重力法确定勘查区基底起伏及断裂构造的空间展布。利用磁法确定火山岩体的分布及蚀变带位置。

      可控源音频大地电磁测深及氡气测量等方法可以判定断裂构造展布特征及地层富水情况。

      利用地震探测可以较准确的判定构造断裂展布特征及产状,测试地层波速为热储层段划分提供信息。

      地球物理勘查工作是间接探测方法,信息解译有多解性。开展工作时应设计出合理的方法组合,尽量用较小的投入获取较多的地热地质信息,以便去粗取精,去伪存真,例如:应先在较大范围内采用氡气测量,初步圈定构造断裂的大概位置,再有针对性的布置部分人工地震探测剖面,以便较准确判定断裂展布、产状和地层结构,最后选择布井有利部位,开展少量音频大地电磁测深点判定富水情况。

      1.6 地热钻探

      地热钻探是地热勘查中最直观、最准确有效的方法,但因投资较大,工作量受到限制,因此地热钻孔施工前要综合分析所有相关资料,精心编制地热钻孔地质工作设计和钻探施工设计,钻探过程中应尽量开展各种样品采集和各种测试、试验工作,获取最多的地热地质信息。

      (1) 开展岩屑录井及钻时录井,观察冲洗液温度变化及漏失变化,详细记录钻井过程中的漏水,井喷、涌沙、逸气、掉块、塌孔、缩径等现象及出现时的井深和层位,进而分析热储特征及地热水赋存部位。

      (2) 在热储层段采集代表性岩芯,观察岩性特征,判定岩石名称、测试其孔隙度、密度及渗透率、比热、热导率等量并与测井资料比较。还可做部分放射性含量、古地磁同位素年龄测试、判定地热田地质历史及区域热异常背景。

      (3) 开展综合物探测井,着重解决热储层段划分及主要含水层段位置,获取不同层位的孔隙率,渗透率、含水率、岩石密度等数据,获取井内地温变化曲线,井温测量应在停钻24小时以后,并应测两条温度曲线,两条测温曲线温差应在允许范围。

      (4) 按稳定流及非稳定要求进行抽、放水试验,观察水温、水量、水位变化特征,为地热水资源评价提供基础数据。

     (5) 采集地热水样品,有气体逸出,及中高温地热水应采集气样。水样应进行全分析,稳定性同位素、放射性同位素及医疗热矿水的微量元素分析,气体分析应尽量做H2S、CO2、O2、CO、NH4、CH4、He、Ar等。

     (6) 地热井的钻进技术和成井工艺,包括冲洗液技术、测井要求、井斜、终孔口径、泵室段的确定均应满足勘探钻孔的目的要求。

      1.7 动态监测

      动态监测应贯穿地热资源勘查开采的全过程,拟投入勘查开发的地热田应对每一个勘探孔及地热开采井均进行水位、水量、水温、水质的动态监测,以便掌握地热资源的天然动态与开采动态。对已开发的地热田一定保持动态监测的连续性和合理性,以便为地热资源计算与评价、地热田管理与地热田开发有关的环境地质问题提供实际资料。

      2 我国地热资源勘查特征及存在问题

      2.1 区域地热地质背景资料丰富

      地热资源勘查的首要问题便是解决地热田所在的区域地质构造背景。建国以来,地矿系统、石油系统、煤炭系统等单位均开展过不同精度、不同目的的地质勘查工作,这些工作成果资料的二次开发利用基本可满足地热资源勘查地质背景资料的需要,大大减少了初期地热资源勘查的投资。

      2.2 商业开发热潮促进地热资源勘查

      地热资源开发利用上的特点和优势,使其商业开发热潮迅速发展,并远远超过了我国目前的地热资源勘查速度,商业开发所积累的地热地质资料和发现的问题,在一定程度上补充了地热资源勘查的不足,促进了地热资源勘查速度,减少了地热资源勘查的投入。

      2.3 探采结合为地热勘查的主要模式

      目前我国的地热勘查均为探采结合的模式,减少了勘查资金投入,有利于勘查工作落实。但已无法按正规的普查

      详查

      勘探

      开发的模式进行勘查工作,各地应因地置宜,根据当地开发利用现状及已掌握地热地质资料的实际情况,设定勘查阶段进行相应程度的地热资源计算和评价工作。

      2.4 勘查工作滞后对地热开发的不良影响

      我国大部份地热开发区没有或很少开展正规的地热勘查工作,商业开发的地热井首先要满足其商业目的,可获取的地热地质资料受到很大的限制。因此,完全使用商业开发的地热资料,往往会影响地热勘查精度,影响对地热勘查区地热资源的认识和评价,使地热资源的开发存在一定的盲目性,使地热资源开发的管理出现混乱。

      2.5 已有的勘查规范需补充和修改

      1989年发布的《地热资源勘察规范》在推动地热勘查工作上起了重要作用。但近十几年来,不论是对地热资源的认识还是勘查技术方法、钻探技术方法都有较大变化,比如热泵技术已大大降低了水中可提取热能的温度,钻探技术的提高使大于2000m的深井钻探很容易完成等,故修改和完善地热勘查规范十分必要。

      3 地热资源计算方法

      前地矿部1985年曾发布了《地热资源评价方法》(DC40—85),早期较正规的地热资源勘查项目基本执行了“DZ40—85”规定的方法,采用热储法计算地下热能,按回采率计算可采资源量,地热水资源量的确定,主要借用浅部地下水稳定流和非稳定流计算方法,计算结果往往同实际出入较大。近些年来各地根据自己的实际情况选用了不同的地热资源计算方法,但均包括地热能的计算和地热水的计算,两者的资源量又都包括储存资源量和可采资源量。

      3.1 地热能资源量计算

      3.1.1 地热能储存量的计算

      按前地矿部发布的“DZ40—85”规范中规定地热能储存量计算采用热储法,计算公式:

      Qr=C A d(tr-to)

      C=ρrCr(1-φ)ρwCwφ

      该公式考虑了热储层中岩石储存的热能,也考虑了地热水中储存的热能,理论上该公式是合理可行的,关键是获取较准确的计算参数。

      式中:

      d——热储层厚度,应利用钻孔直接资料,并考虑地热田内热储厚度变化特征取平均值或分区给出。

      φ——岩石孔隙率,应综合考虑物探钻井的实测数据及岩芯实验室的测试数据。

      tr——热储平均温度,应尽量选用井温测量的实测数据。

      to——基准温度,应选用热泵技术可达到的最低温度。

      ρrCr——岩石的密度和比热,应综合考虑物探测井和岩样实验室测试结果。

      ρwCw——为水的密度和比热。

      只要参数给出合理,其计算结果应该可信,并具有较强的区域可比性。

      3.1.2 地热能可采资源量的计算

      地热能可采资源量受控的因素很多,如热储类型、热储埋深、热储压力、热储岩性特征等,受控因素不同,地热可采资源量就会不同。地热资源开发利用技术的提高也可改变地热可采资源量。如提水设备能力的提高、换热能力的提高,都可增大地热资源可采量,而地热资源开发利用可能产生的环境和地质灾害问题有可能在一定程度控制地热能的可采资源量。可见地热可采资源量是一个受控因素很多、可变程度较大的量,不应规定一个统一和固定的参数计算,地热可采资源量应因地而异,因时而异。各地热田据不同的地热地质条件,不同的开发利用目的,开发利用技术水平及开采后可能带来的环境地质问题和灾害地质问题来确定可采资源量。尤其重要的是当地地热水位允许的最大下降幅度和回灌工程能实现的最大回灌量,是地热可采资源量     计算的主要依据。

      3.2 地热水资源计算

      地热资源的埋藏通常较深,均需通过一定的流体,把热能从地下带上来,地下水是地热能最好的载体,因此,在计算地热资源时必须计算地热水的资源量。地热水与浅部地下水有着相似的储存特征和水动力特征,因此可借鉴地下水资源计算方法来计算地热水资源。

      3.2.1.地热水储存量的计算

      建议采用静储量法,计算公式

      Q总=M·A·φ+μ·△h·A

      该公式考虑了热储层段内地热水的体积存储量和弹性存储量,该公式中地热田面积A,热储层厚度M和孔隙度可按钻探、测井、实验室测试资料获取,△h为热储层顶板算起的水头高度,μ为弹性释水系数,其计算公式为:

      μ=ρwφCM

      式中:

      C——热储层中含水岩组总压缩系数(1/Pa)

      该计算方法理论上是合理的,同时应有较强的区域可比性,公式中的弹性释水系数应该与热储层中各含水段的可压缩性能有关,不同含水岩组承受压力降低时能释放出的水量也是不同的。深部地下热水承受的压力要比浅部地下水大的多,其弹性释放量也应较浅部地下水大。该参数的获取方法及其较全面的物理含意有待进一步研究探索。

      3.2.2 地热水可采资源量计算

      地热水可采资源量与地热能可采量一样,是一个受控因素很高,可变性极大的量,同时也是地热资源计算中非常重要的量。因为它是可利用地热能的载体,目前可采用传统的的地下水资源计算方法。

      (1) 解析解法

      首先将地热田内热储层段进行概化,使其基本符合该地下水非稳定流计算的要求。一般采用泰斯公式,给出开采量和开采时间,计算地热田内水位下降情况,控制合理水位降时的水量和时间便为地热田内热水可采资源量和可采年限。

      (2) 补给量计算法

      首先将地热田内热储层概化,使其基本符合稳定流计算要求,然后计算地热田内水位下降到一定程度可获得的迳流补给量,将其视为地热水可采资源量,采用达西公式计算。该方法应基本掌握地热水补排方向,可设立合理的迳流补给断面。

      (3) 类比法

     与地热地质条件相似的已采地热田进行比拟,选取适当的比例系数,估算  计算区地热水可采资源量。

      (4) 动态分析法

      利用已有的动态观测资料,分析地热开采区内,地热水开采量与水位下降的关系,概略确定每下降1米的热水可采量,进而推测最大可能降深时的地热水可采资源量及可采年限,以此做为地热田地热资源评价的依据。该方法适用于已开发利用的地热田。该结果通常比较接近实际。

      (5) 数值解法

      在有动态监测资料的地热田,可据各自不同的地热地质条件选择合适的数学模型,较准确的计算和评价其地热资源,可据地热田对开采量的需要和变化,随时预测其水位变化趋势,进而为地热田的科学管理提供依据。

      3.2.3 地热资源评价

      地热资源的评价应突出地热田可持续发展能力和地热田开发利用与周边相应环境问题的关系。

      通过地热田开采动态分析可见,地热资源的储存量很大,但可采资源量很少。在评价地热资源可持续发展能力时应充分考虑到储存量和可采资源量的转化关系。如能实现地热井的回灌工程,则会大大提高地热能的可采能力,扩大可采资源量,逐步使地热田走上可持续发展道路。

      地热资源是清洁能源,但在开发利用过程中也会发生相应的环境地质和灾害地质问题,如地热水中部分有毒元素的不合理排放是否会对环境造成直接或间接的物理或化学的危害,大量提取地下热能,大量抽取地下热水是否能诱发地震,是否会引起地面沉降及地裂缝等,在地热资源评价中均应引起重视。
 
 
 
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