第十四章-地热资源开发利用

1/103第十四章地热资源的评价和开发利用第一节中国地热资源的分布第二节研究地热资源的水文地球化学方法第三节地热资源评价第四节地热资源的开发利用和保护2/103地球是一个巨大的能源宝库，越向地球深部，温度就越高。这种以热能为主要形式储存于地球内部的热量就是地热能。地热能一部分来源于地球深部的高温熔融体，另一部分来源于岩石中放射性元素（U、Tu、40K）的衰变。3/103按照形成机理与传热属性，地热能可分为四种类型：①水热型地热能，即地壳浅处(地下100-4500m)暴露的热水或蒸汽；②地压地热能，即在某些大型含油气盆地深处(3-6km)存蕴含着的高温高压热流体，其中含有大量甲烷气体；③干热岩地热能，由于特殊地质构造条件造成高温但少水甚至无水的干热岩体蕴含的热能，需用人工注水的方法才能将其热能取出；④岩浆热能，即储存在高温(700~1200℃)熔融岩浆体中的巨大热能,但如何开发利用这类地热能源目前仍处于探索阶段。4/103通常所说的地热资源是指在我国当前的技术条件下，地壳表面以下一定深度内具备现实或潜在开发利用价值的已经勘查和待勘查的地热能、地热流体及其伴生有用组分的总和。根据地热流体温度及开发利用目的,可将水热型地热资源分为高温(150℃)、中温(90～150℃)和低温90℃)地热资源。前者主要用于地热发电，而后者主要用于地热直接利用(供暖、制冷、工农业用热和旅游疗养等)。5/103图14-1世界地热直接利用排名02000400060008000100001200014000Heat（GWh）ChinaSwedenUSAIcelandTurkeyAustriaHungaryItalyNewZealandBrazil6/103第一节中国地热资源的分布根据开发利用目的，可将水热型地热资源分为高温(150℃)及中低温(中温90-150℃，低温90℃)两类，而从热量传递的方式又可将上述地热资源分为传导型和对流型。据此，将我国地热资源分为：高温对流型地热资源、中低温对流型地热资源、中低温传导型地热资源三大类。7/103图14-2中国地热资源分布8/103一、高温对流型地热资源我国高温对流型地热资源主要分布在藏南-川西-滇西地热带以及台湾地区。从全球地热系统及地球资源分布来看，藏南-川西-滇西地热带(或称“喜马拉雅地热带”)实际上是地中海地热带的东延部分，是喜马拉雅造山运动的产物。9/103图14-3西藏羊八井热田的概念模型10/103在西藏南部，地表共有600多处高温地热显示，包括间歇喷泉、沸泉、喷气孔、冒汽地面、水热爆炸等，目前确定的西藏境内高温地热系统有129个。四川西部有38个热储温度超过150℃的水热活动区，其中34个分布于甘孜藏族自治州，4个分布于凉山彝族自治州。滇西地区有88个水热活动区初步可定为高温地热系统。11/103图14-4西藏的地热显示12/103研究表明，藏南-川西-滇西地热带总的发电潜力为5817.60MW。其中西藏为3040.04MW，占整个地热带的52％。西藏羊八井地热电站目前总的装机容量为5.18MW，只占西藏地热资源发电潜力的1/121。13/103台湾地热上属全球“环太平洋地热带”，即火山学上的“环太平洋火环”的一部分，高温地热资源丰富。台湾高温地热资源主要分布在大屯现代火山区和中央山脉变质岩带。大屯火山群有13处温泉区；中央山脉及其周边地区有83处，其中变质岩区共有温泉70处，而其周边的沉积岩温泉区共计13处。另外在绿岛与龟山岛也各有1处温泉区。目前台湾已在中央山脉地区的清水和土场建造了两座地热发电厂。14/103二、中低温对流型地热资源我国中低温对流型地热资源主要分布在我国东南沿海地区，包括广东、海南、广西以及江西、湖南和浙江，胶辽山地和汾渭地堑边缘。这些都是新构造活动强烈的地区，活动断裂发育。15/103图14-4中低温对流型地热系统概念模型16/103我国中低温对流型地热资源分布有如下特点：其一是没有特殊的附加热源，主要靠正常或略微偏高的区域大地热流供热和维持，这是与高温地热系统的主要区别。其二是这类地热系统必须要有足够的水量和一定的循环深度，这样水在经由断层破碎带或裂隙发育带入渗时才能从围岩中汲取热量成为中低温热水。一般情况下，地热背景越高，下渗（或循环）深度越大，地下热水温度亦越高。其三是这类地热系统多出现在断裂破碎带或两组不同方向的断裂的交汇部位，岩体本身的渗透性能很差，主要靠裂隙和破碎带导水，在地形高差和相应的水力压差下形成受迫对流，构成地下热水环流系统。17/103三、中低温传导性地热资源我国中低温传导型地热资源是一类能源潜力巨大的地热资源，主要埋藏在华北、松辽、苏北、四川、鄂尔多斯等大中型沉积盆地之中。据估算，我国10个主要沉积盆地的可采资源量可达到18.54亿吨标准煤的量级。目前北京、天津、西安等大中城市及广大农村开发利用的就是这类地热资源。18/103图14-6天津地区地温场分布图19/103中低温传导型热水的赋存，受区域地质构造、地层组合及水文地质条件等因素控制。传导型中低温储热构造的地质要素可概括为：远离补给区，具有深循环径流特征的地下水系统；导热性和导水性均相对较差，连续性较好和一定空间发育范围的盖层；下伏热导率相对较高的地质体或沉积基底。地下水在含水构造中运动，并在运移过程中不断升温且能得以有效保持。地下热水的运动规律总体符合地下水运动的基本规律，但热能的传输、聚集则遵循热力学定律。20/103图14-7中低温传导性地热系统概念模型21/103第二节研究地热资源的水文地球化学方法地热地球化学研究是以地热水中各种常量和微量元素及其同位素化合物（液态和气态）化学成分的分析测试为基础的。地热地球化学分析测试的必测的基本项目包括：pH，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，HCO3-，Si02，δD和δ18O；选测项目包括：Li+，Rb，Cs，B，3H和硫化物中的δ18O，对有气体逸出者还应包括：CO2，H2S，H2，He，Ar，O2，N2，CH4以及C02中的δ13C和H2S中的δ34S。22/103以上各类项目按照性质可划归两类，并分别有不同的用途：一类在地热水上涌至采样点的过程中基本保持不变，可以用作标记物或示踪剂；另一类对于地热系统内部发生的作用，如温度变化、水-岩反应、蒸气分离、混合作用等的影响十分敏感,这种特性使它们适合于充当这些作用过程的指示剂。23/103地热地球化学方法可用来研究以下几个问题：划分地热系统的成因类型、确定补给源、估算热储温度、计算地热水年龄、研究地热水与其它天然水之间的相互关系、研究与地热水成份的形成与演化有关的水热化学作用等。另外，将地热地球化学方法和地质、水文地质、现代数学方法相结合可以建立地热系统的热储概念模型和数学模型。24/103地下水的基本化学类型在热水中均可见到。不同的是，地热水由于温度比较高，与围岩反应强烈些，因而溶解的化学物质总量较大，成分也比普通地下水复杂。地热水的化学成分影响着地热水利用方式与类型，如地热水的腐蚀性、结构性，医疗矿泉价值等。地热水常见离子有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、Si02，另外还有H+、溶解氧、NH+等。其中的Cl-、SO42-、H+、NH+、溶解氧等都对管材等地热开发设备有腐蚀作用，尤其是以Cl-的腐蚀性为最强，在开发前需对地热水的腐蚀性进行评价，采取必要的防腐措施。25/103地热水的矿化度一般较高,当地热水从热储层向地面运移或在管道输送过程中，由于温度和压力的变化，其中溶解的某些固体物质析出并沉积在井管或管线上而发生结垢现象，在地热水利用过程中最普遍存在的是碳酸钙垢。因此可以说地热水中碳酸钙的溶解平衡决定着其结垢倾向，由碳酸钙的饱和状态可以粗略预测其在地热水中的结垢趋势。26/103地热水溶解有某些对人体有益的化学成分，有一定的矿泉医疗价值，如H2S、CO2能刺激皮肤引起反射性治疗作用，引起皮肤毛细血管扩张，加速血液循环，改善心脏的血液供应而使血压下降。西安华清池、北京小汤山、黑龙江五大连池、庐山等都是全国闻名的温泉，有着长久的温泉文化，在现在城市经济文化发展中仍起着重要作用。27/103二、地热水的稳定同位素世界上有代表性的地热系统中地热水氢氧同位素组成特征级相应的大气降水的同位素组成。地热水的氘（δD）值接近大气降水表明它的大气起源特征，而地热水中的氧-18（δ18O）较高则是热水在较高温度下与围岩发生同位素交换的结果。28/103大气降水渗入地下后，有多个作用过程影响着其同位素组成。对它进行分析，可以有效地解决地热水的起源与补给源，确定热储温度范围，研究混合作用等。29/103（一）确定地热水成因与热储温度范围绝大部分地热系统中的地热水来自于大气降水，因此在研究一个地区的地热水起源时，首先要探讨其与大气降水的关系。可以通过地热水同位素组成在δD——δ18O图上的位置，特别与大气降水线的关系来判断。一般来说，高温热储中地热水的δ18O值较大，即存在“氧漂移”现象。这是由于高温下地热水与岩石发生同位素交换所致，而且温度越高，地热水从岩石中获得的18O越多，氧漂移现象越明显。可据此初步判断热储温度的范围。30/103（二）确定地热水的补给高度大气降水的氘和氧-18值随地形高程增加而降低，称之为高程效应。借助研究区内大气降水的高程效应可以推测地下水补给区的位置和高度。为避免“氧飘移”的影响，常用δD来估算地下水补给区的高程。地热水补给区的海拔高度可用下式加以确定：hHKP-S31/103式中:H为同位素补给高度（补给区标高），m；h为取样点标高，m；δS为地下水的δD值，‰；δP为大气降水中的δD值，‰；K为同位素高度梯度，相当于海拔高度每变化100m时的δD值变化量，δD高度梯度约为-2.5‰／100m～-2.0‰／100m。计算出补给高程后，结合研究区的地质条件和地质构造就可判断地热田的补给区范围。32/103（三）计算不同补给源之间的混合比例假设地热水是由两个不同补给水源的水混合而成。若已知两补给源的同位素组成，按照质量守恒原理可计算两补给源各自所占的份额，其计算公式为：混合混合）：补给源混合比（补给源-D-D2121式中的δD混合、δD1、δD2分别为地热水和两个补给源的δD值，‰。33/103用同位素法确定各种来源水的混合比例时，必须具备下列条件：①参加混合的两种以上的水中D或18O含量必须存在明显差异；②同位素含量必须在时间上保持稳定；③水的同位素成分不因同含水层岩石相互作用而发生改变。34/103三、地热流体的放射性同位素利用地热水中溶解的3H和14C，36Cl、81Kr等放射性同位素可以测定热水的年龄，计算公式如下：式中：t为地热水的年龄，a；T1/2为放射性同位素的半衰期，14C为5730±40a，3H为12.26a；A0为放射性同位素的初始浓度，%；At为放射性元素t时刻的浓度或实测的浓度，%。tAATt02/1ln2ln35/103从定义来看，由于弥散、混合、源汇等多个因素的影响，At的值是多个因素影响后的结果。因此，应用放射性同位素计算地热水年龄时要注意适用条件，通常只有能概化为无混合的活塞流（“活塞模型”）或沉积层中的封存水计算出的年龄才有意义。对于均值含水层，若能同时判断两个点上的年龄值，则可以计算两点间地热水运移的速度。36/103活塞流：又称平推流，理想置换流，理想排挤流或栓式流等，是理想流动的一种。特征是在流动方向上，即轴向不存在混合，而在径向则达到完全混合，因而在垂直于流动方向的横截面上，其流速均一，浓度均一。37/103四、地球化学温标热储温度是划分地热系统的成因类型和评价地热资源潜力所不可缺少的重要参数。而地球化学温标则是提供这一参数经济而有效的手段，特别是在勘探初期无法直接取得温度参数时。地球化学温标的原理是：在一定温度下，经过漫长时间后，地热流体与围岩矿物的化学反应将达到平衡，在随后即使热储温度降低，这个化学平衡也不会被马上破坏，而是维持一段时