张家界地区远景地热资源

张家界地区发现大型地热田(2015.12.11.老方)据世界能源委员会报告，全球三大常规能源（煤炭、石油、天然气）已经枯竭耗尽。其最终可采储量折合成标准煤分别为：煤炭34000亿t，石油2000亿t，天然气2200亿t，合计38200亿t。石油和天然气按1998年的耗量单独计算，可采年限分别只有58.8年和66.5年。这就是说，到了我们的孙子辈，这石油和天然气就没了！大量使用煤炭、石油等常规能源还给环境造成很大的危害。煤烟的颗粒物严重影响大气质量，排放的CO2包围的地球周围形成“温室效应”，使全球气候变暖，对环境和生态造成严重后果。燃煤产生的SO2升空遇水汽成酸雨下落，使建筑物、桥梁、古迹等遭受严重腐蚀破坏。对于风景名胜区，这非常重要。煤炭、石油、天然气还是宝贵的工业原料，从中可以提取许多人们生活所需的物质。著名地质学家李四光曾警告说：现在人们把煤炭、石油等宝贵的工业原料当作燃料白白烧掉，这是非常可惜的。若干年后，我们的子孙会骂我们这些祖先十分愚蠢！世界要持续发展，能源问题必须解决。仅仅靠常规能源显然是不可能的。为此寻找新能源已成当务之急。研究开发新能源是一项非常艰巨的任务，它不仅需要投入巨额资金和很长时间，而且新能源必须具备数量巨大、可再生（或几乎取之不尽）、不污染环境三大特点。从这些特点出发，一些技术发达国家都采取了“两条腿走路”的战略方针：一方面，从长远考虑着手，投巨资组织科研力量从事具备上述三大特点的新能源研究，寻找能顶替现有常规能源的“替代能源”；另一方面，加大力度发展目前已在开发利用的各种新能源和可再生能源，补充一部分常规能源的不足，延长常规能源的使用寿命，起到“补充能源”的作用。前者的研究任务无疑要落在发达国家或大国身上，后者则更多地在发展中国家实施。联合国曾于1981年在内罗毕召开过新能源和可再生能源会议，确定了太阳能、地热能、风能、生物质能、潮汐能、海洋能、波浪能、水力等14种能源为新能源和可再生能源。地热能从严格意义上说不是可再生能源。但是地热能蕴藏十分巨大，几乎取之不尽，所以也是重要的新能源。我国石油资源比较贫乏，目前居世界第10位。据统计，2001年未，世界剩余石油可采储量为1430亿t，其中中国32.7亿t。若按我国目前的年采油量1.6亿t计算，只能用20年。能源不足已成为制约我国可持续发展的重要因素，确保能源安全已成为保障我国可持续发展的重大课题。太阳能、风能、地热能以及正在研究的其它新的可再生能源，虽然还不能替代常规能源，但却是未来的希望。我国中低温地热资源量多面广，在人均能源相对较少的情况下，这些地热资源备受人们关注。近年来北方地区的地热供暖，特别是城市供暖发展迅猛。天津、北京、西安、咸阳等有地热的大中城市，由于环保要求和房地产业发展，申请凿地热井的企业愈来愈多，钻井深度从1500m到3500m不等，水温一般在70-100℃之间。如天津市紫金新里居民小区地热供暖工程（国家科委“八五”科技攻关项目），利用一眼地热井（定向井，斜深2010m，水温92.5℃，流量156m3/h）配以锅炉调峰，供暖建筑面积达22.8万m2，效益十分明显。地热温室作物（蔬菜、花卉、苗木等）的栽培和地热水产养殖与鱼苗越冬是农林渔业方面的发展重点，特别是近年兴起的现代设施农业的发展，为地热直接利用开辟了广阔的农村市场。一些生长期长的喜温名贵花卉，市场旺销且价格很高，如果用燃煤锅炉为花卉温室供暖，其燃料成本将占去全部费用的绝大部分，让人望而却步。用地热则相反。总之，我国中低温地热水利用已有采暖、育种育苗、花卉栽培、蔬菜种植、水产养殖、洗浴、医疗、孵化育雏、游泳、皮革加工、食品加工、物料干燥、、洗染、发酵、空调、地震观测、矿泉水饮料等二十余项，名目繁多。它给许多地区的人民带来了光明、温暖、健康和繁荣，发展前景看好。现在，我们来研究一下张家界地区远景地热资源和本次发现的大型地热田。一、关键词1、地热资源：凡是在某一未来时间内能被经济而合理地取出来的那部分地下热能，我们称之为地热。本文主要研究地热流体（地下热水）。温度分级温度（t）界限/℃主要用途高温地热资源t≥150发电、烘干、采暖中温地热资源90≤t＜150烘干、发电、采暖低温地热资源热水60≤t＜90采暖、理疗、洗浴、温室温热水40≤t＜60理疗、洗浴、采暖、温室、养殖温水25≤t＜40洗浴、温室、养殖、农灌注：表中温度是指主要储层代表性温度。2、远景地热资源：在小比例尺（1∶50万）区域调查的基础上，根据某些地热现象，如温泉、浅层地温等物探资料，并基于一般的地热地质条件和理论，推测其存在的地热资源。本文收集利用了1∶20万区域地质资料、1∶20万区域水文地质资料和区内一眼地热井的钻孔测温资料（孔深1100多m）以及一眼探矿钻孔的测温资料（孔深1400多m，位于地热区外围的围岩中）。3、地温梯度：也称地热增温率。地壳不受大气温度影响的地层温度随深度增加的增长率。通常用恒温带以下每深入地下100m所增加的地温值来表示。4、地热异常区或地热区：凡地热增温率超过某一正常值的地区，或是地表热流量显著地高于地球热流平均值的地区，统称为地热异常区。本文指凡增温率达到3.5℃/100m的地区均为地热异常区。5、热储：埋藏于地下、具有有效空隙和渗透性的地层、岩体或构造带，其中储存的地热流体可供开发利用。本文支持这样的观点：热储周围常是较凉的渗透性岩石，它们与热储具有水力联系，因此，天然状态下，水可在热储和围岩之间流动，形成一个大的地热系统。热储仅是这一大地热系统的一部分。6、地热田：埋藏于地下、具有一定数量和质量并可供经济开发利用的地热资源的地区。在地热区里，只有具备良好渗透性热储的，才能成为地热田。二、两组数据1、地热区钻孔（1#）中的温度测量数据钻孔位于地热区，孔口高程约384m，页岩开孔，孔深1161.4m。因页岩适水性不好，钻进时用泥浆护壁钻进，当钻进至孔深884.1m时（灰岩），孔内泥浆从孔口0m突降至孔深168m，下套管后改用清水钻进，水位稳定在孔深118m（海拔266m）。孔深（m）10020231940052074882388010301144温度（℃）23.225.330.433.539.145.447.749.852.657.6岩性页岩、泥质粉砂岩夹砂岩（贫水）泥灰岩（贫水）灰岩（赋存温热水）地温梯度3.6（℃/100m）3.0（℃/100m）2、非地热区钻孔（2#）中的温度测量数据钻孔位于地热区外围，距离1#钻孔约60km，孔口高程约400m，白云岩开孔，孔深1480m。清水钻进，钻进至孔深30m时，孔内水位28m。钻进至1060m时，孔内水位突降至120m（海拔280m），至钻孔完毕，水位稳定在120m。孔深（m）3654805908401056温度（℃）12.613.314.116.117.9岩性灰白色白云岩，厚层、巨厚层状（赋存地下水）地温梯度0.77（℃/100m）对比两组数据得到的启示：①页岩和泥灰岩贫水，地温梯度大，达到3.6（℃/100m），符合地热田三大要素—盖层特征②具有较大面积分布且厚度足够厚的页岩地区，其一定深度下岩体温度较高，我们选择目前条件下经济可开发深度1000m—3000m，其地温可达到55℃—130℃。因此可根据页岩的分布特征来圈定地热区。③当页岩地热区下伏有渗透性好且具有一定规模的富水灰岩层（或其它富含地下水的岩层）时，且水的温度较高并可长期开采利用，则地热田存在了。1#钻孔中灰岩厚度大于300m，渗透性好并赋存可长期开采的温热水，水温约50℃。三、圈定地热区1、平面位置圈定根据1∶20万区域地质资料，区内页岩下部为泥灰岩，二者总厚1400m—1600m（盖层）。根据1#钻孔资料以及上节的启示②，以1#钻孔为中心追索页岩分布范围，以底板埋深500m—2500m为边界，其平面分布范围达700km2。这里剔除了泥灰岩底板埋深大于2700m的区域。在此700km2范围内为地热异常区，地温梯度大于3.5（℃/100m）。地下500m—2500m深岩体温度40℃--110℃。2、地热岩体厚度确定页岩和泥灰岩下伏灰岩厚度约300m，在条件有利时可形成赋存热水的地热田，水温45℃—100℃。3、下伏灰岩储藏的热能估算Q=Qτ+QW=1.731×1019+1.4685×1017=1.745685×1019（J）Qτ=AdρτCτ（1-ψ）（tτ-t0）=7×108×300×2700×920×(1-0.0001)×(50-16.8)=1.731×1019（J）QL=Q1+Q2=2.1×107+1.05×109=1.071×109（m3）Q1=Aψd=7×108×0.0001×300=2.1×107（m3）Q2=ASH=7×108×0.01×150=1.05×109（m3）QW=QLCWρW（ｔτ－ｔ０）=1.071×109×4180×988×（50-16.8）=1.4685×1017（J）公式符号含意单位取值备注Qτ岩体中储存的热量焦耳（J）1.731×1019A面积平方米（m2）7×108灰岩下伏的白云岩未参加计算d岩体厚度米（m）300ρτ岩石密度千克每立方米（kg/m3）2700Cτ岩石比热焦每千克摄氏度（J/kg·℃）920ψ岩体空隙度无量纲0.0001我国规定1kg标准煤发热量=2.93×107Jtτ岩体温度摄氏度（℃）50t0年平均气温摄氏度（℃）16.8Ｓ导水系数无量纲0.01Ｈ计算起始点以上高度米（m）150CW水的比热焦每千克摄氏度（J/kg·℃）4180ρW地热水密度千克每立方米（kg/m3）988Q1热储孔隙中热水的静储量立方米（m3）2.1×107Q2水位降低到目前取水能力极限时热储所释放的水量立方米（m3）1.05×109QL热储中储存的水量立方米（m3）1.071×109QW水中储存的热量焦耳（J）1.4685×1017Q热储中储存的热量焦耳（J）1.745685×1019相当于6亿吨标准煤四、地热田1、地热田边界圈定地热区下伏的灰岩以及灰岩下伏的白云岩，就其岩石本身是坚硬致密的，孔隙率小渗透性差。只有当它受到破坏后成为破碎岩体且各种条件（地质、水文地质）有利时才能成为热储。也就是说灰岩不是热储，但它可以成为热储。因此推断，在我们圈定的地热异常区内，当断裂发育并形成较大规模破碎带时有热储存在，其热水属埋藏型岩溶裂隙水（层间裂隙岩溶水或脉状裂隙岩溶水）。1#钻孔资料显示，从孔深880m至1161m为渗透性好的灰岩，灰岩中富含地下水，水温约50℃，由此可以取热储厚d=300m。根据现场地质、水文地质工作，1#钻孔位于迭瓦状断裂带的上盘，F1、F2逆掩断层平行相距约1000m，由于该断裂规模大，使得F1、F2之间及两侧较大范围里派生出许多断裂，从而将岩性硬且脆的灰岩和白云岩破坏形成很大规模的岩体破碎带，为地下水活动和储存提供了空间和通道。这个破碎带影响范围的宽度以F1（断层倾角40°）为中心两侧各往外推2000m，即破碎带影响范围的宽度4000m。F1、F2在地面可追索的长度大于45km，在地热区内的长度大于15km。由此可以取热储宽4000m，长15000m。面积A=4000m×15000m=60000000m2。2、地热田热量估算Q=Qτ+QW=1.483×1018+1.2587×1017=1.60887×1018（J）Qτ=AdρτCτ（1-ψ）（tτ-t0）=6×107×300×2700×920×(1-0.001)×(50-16.8)=1.483×1018（J）QL=Q1+Q2=1.8×108+9.0×109=9.18×108（m3）Q1=Aψd=6×107×0.001×300=1.8×107（m3）Q2=ASH=6×107×0.1×150=9.0×108（m3）QW=QLCWρW（ｔτ－ｔ０）=9.18×108×4180×988×（50-16.8）=1.2587×1017（J）公式符号含意单位取值备注Qτ岩体中储存的热量焦耳（J）1.483×1018A面积平方米（m2）6×107灰岩下伏的白云岩未参加计算