地热能第4节.

地热能的利用第一节地热资源1.地热能的基本概念地热能是指蕴藏在地球内部的巨大天然热量。地热显示：能够直接观察到的地球内部热能在地表的自然显现。分为强显示（150-200℃以上）和弱显示。热水型地热田模型大气降水—渗透—被加热—在水压和密度差的作用下，升温水产生环流并沿着裂隙通道上升，溢出地表，形成温泉、热泉。如果岩浆喷出，则是火山喷发。地热从何而来?（一）外部热源：1.太阳辐射热2.潮汐摩擦热3.其他：宇宙射线，陨石坠落（二）内部热源：1.放射性衰变热：2.重力分异热：3.其他：地球转动热，外成生物作用热，地球残余热•目前普遍认为，地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的主要来源。1.1地球内部构造及其温度变化大陆地壳平均厚度约35km海洋地壳平均10km最薄处仅有7km地壳中地温分布状况大致可分为三带：变温带、常温带和增温带地球半径为6371km变温带（外热带）一般指地表向下15-30m左右，受太阳辐射影响，温度随大气温度变化，并随深度而递减。常温带（常温层）它在变温带以下一定的深度范围内，并随地理位置而异，其温度值一般保持在高于当地年平均气温1-2℃。增温带（内热带）常温层以下几十公里，地温受地球内热控制，越往深处温度越高，至一定深度增温减弱。·浅层地热能(Shallowgeothermalenergy)的定义：是指地表以下一定深度范围内，温度一般低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。浅层地热能是地热资源的一个组成部份。浅层地热能资源主要来自于太阳的辐射能，储量巨大。主要赋存于地下数百米以上至地表冻土层以下的恒温带中。地温变化曲线表地球内部有代表性的温度如下：地壳底部约100℃；至100km处（上地幔顶部局部熔融开始）达1300℃；至400km处（变相区）为1500℃；5100km处（内、外地核边界）为4300℃；6371km处（地心）为4500℃，有些学者认为是5000℃，还有些认为是6900℃。地球内部温度分布示意图温度的测量—地球化学温标—地球物理测温方法据计算，地球陆地以下五公里内，15摄氏度以上岩石和地下水总含热量达1.05E25焦尔，相当于9950万亿吨标准煤。按世界年耗100亿吨标准煤计算，可满足人类几万年能源之需要.如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为标准来计算、那么，石油的贮存量约为煤炭的3％，目前可利用的核燃料的贮存量约为煤炭的15％，而地热能的总贮存量则为煤炭的1.7亿倍。1.2地温梯度与大地热流地温梯度（地热梯度）它是指沿地下等温面法线向地球中心方向单位距离内温度的增值，通常采用的单位是℃/100m，或℃/km。大地热流（简称热流或热流量）它是指在单位时间内通过地球表面单位面积散失的热量，其单位为微卡/平方厘米·秒，称一个热流单位，通常用HFu表示，工程单位多用毫瓦/平方米表示。1HFu=41.87W/m2（1cal=4.187J）1.海洋与大陆平均热流值近于相等2.热场分布与现代地壳运动：洋中脊，洋中隆高热流；海沟，海盆低热流；陆地活动高热流；3.热场与大陆构造活动性：热流的基本特点：古老稳定地区，热流值低；年轻活动性强的地区，热流值高。dtqdzq—大地热流量（W/cm2）λ—岩石的热导率（W·cm-1·℃-1）t—岩石温度（℃）z—深度（cm）大地热流是岩石的热导率和地温梯度的乘积；式中负号表示热流向温度减小的方向传递。1.3地热异常与地热异常区全球平均热流值为1.5HFu，我国大陆平均热流值约为1.5-1.6HFu。地壳表层因地质作用使地热增温率提高，在局部地区导致热流值和地温梯度值高于平均值的现象称为地热异常。而地热异常的范围则称之为地热异常区。1.4地热田与热储目前技术经济条件下可以采集的深度范围内，富含可经济开发利用的地热能及地热流体的地域称为地热田。热储是指地热能相对富集，具有一定渗透性并含载热体的岩石或岩体破碎带。地热田是有热储、盖层、热流体通道和热源四大要素组成。地热田规模等级热田规模高温地热田中、低温地热田电能/MW利用年限/年热能/MW利用年限/年大型＞50＞30＞50100中型10-503010-50100小型＜10＜30＜10100地热田按热储类型分类地热田类型主要特征共性高温地热田层状热储分布广。岩性、厚度变化不大或呈有规律变化，地质构造相对简单地热田的形成与近期岩浆活动有关。地质构造比较复杂，热田具有较大规模带状热储热储呈带状，受断裂构造控制，热储沿走向和倾向变化较大混合热储兼有层状和带状热储，一般深部为带状热储，浅部为层状热储，彼此存在生存关系、地质构造比较复杂中、低温地热田层状热储热储呈层状，多为沉积盆地型。分布面积大（数十到数百公里），岩性厚度稳定或呈有规则变化，地质条件相对简单地热田的形成一般与近期岩浆活动无直接关系，中温地热田规模较大，低温地热田规模较小，部分地热田地质构造比较复杂带状热储热储呈带状，受区域断裂控制，热储厚度、温度及渗透性能沿走向变化较大，地面多有温泉出露，热田规模较小混合热储兼有层状和带状热储特征，彼此存在生存关系、地质构造比较复杂2.地热资源地热资源是指在可预见的时间内能供人类经济开发利用的地球内部热能的总量，它包括地热流体及其有用矿物质和化学成分。地热资源可划分为高温(150℃)、中温(90—150℃)和低温(90℃以下)。低温资源按其主要利用途径可分为热水(60—90℃)、温热水(40—60℃)和温水(25—40℃)，可供采暖，烘干，医疗保健，温室，灌溉，沐浴和水产养殖等利用。中高温资源可供发电，干燥和工业利用。2.1地热资源分布规律•从全球地质构造观点来看：•大于150℃的高温地热资源带主要出现在地壳表层各大板块的边缘，如板块的碰撞带，板块开裂部位和现代裂谷带。•小于150℃的中、低温地热资源则分布于板块内部的活动断裂带、断陷谷和坳陷盆地地区。•根据板块学说，在各大板块的交接处形成了有丰富地热资源的地热带。从世界范围来说，主要有如下4个地热带：•1．环太平详地热带（台湾省）•2．大西洋洋中脊型地热带•3．红海——亚丁湾——东非裂谷型地热带•4．地中海一喜马拉雅缝合线型地热带（云南，西藏）2.2地热资源的类型按板块构造特征分为板缘地热带（即为环球地热带）和板内地热带。板缘地热带属于火山型，多为高温地热田。在板内若有热柱点存在，也会有少数高温地热资源。板内地热带属非火山型，以中低温资源为主。把地热资源根据其在地下热储中存在的不同形式，分为水热型、地压型、干热岩型和岩浆型资源。水热型又分为蒸汽型和热水型两种。蒸汽型又分为干蒸汽（以蒸汽为主的）和湿蒸汽两类。蒸汽型：地下以蒸汽为主的对流系统的地热资源。特征：以温度较高的过热蒸汽为主，杂有少量其它气体，水很少或没有，无水的干蒸汽资源罕见，含水的称为湿蒸汽资源。说明：墨西哥赛罗布列托热田温度达388℃，干蒸汽田；新西兰怀拉开热田温度达266℃，湿蒸汽田热水型：热储中以水为主的对流系统的地热资源。特征：包含低于当地气压下饱和温度的热水和温度等于饱和温度的湿蒸汽，分布广、储量大。说明：中国广泛分布于中新生代沉积盆地及褶皱山系，大都为中、低温，西藏，云南有湿蒸汽田地压地热型：蕴藏在含油气沉积盆地深处（3000-6000m），由机械能（高压）、热能（高温）和化学能组成的地热资源。特征：热储中受岩层和封存水负荷而导致高温（120-180℃），高压（几百个大气压），并在高温高压下积聚了溶于水的烃类物质。是一种综合性能源。说明：仅美国墨西哥湾内蕴藏的地压地热资源，可供相当于20世纪80年代初期全美国消耗能量水平1000-1500年地压地热资源的能量由三部分构成：1.热流体具有异常高压所形成的机械能；2.储存着异常高的地温梯度所形成的高温热能（135-260℃）3.蕴藏着高温高压条件下溶解于热水中的甲烷气。干热岩型：地下一定深度2-3km，含水量少或不含水，渗透性差而含有异常高热的地质体。特征：含能量甚大，曾估计1立方英里350℃的热岩体冷却到150℃，可产出相当于三亿桶石油的热量。美国水热型资源只相当于本国干热岩资源的几千分之一。因此，它是地热资源中最主要的形式。说明：现代钻探技术可及，近年来美、日、意、英、瑞典等国均在积极开展试验开发干热岩资源，必须在致密高温岩体内人工制造（水力破碎或爆炸）裂隙通道，再注入冷水，迫使其通过人工裂隙通道加热升温，通过另一口钻井吸取到地面上。岩浆型：在熔融状或半熔融状炽热岩浆中蕴藏着的巨大能量资源。特征：温度在600-1500摄氏度不等，一些火山地区资源埋藏较浅，而多数目前埋藏与目前钻探技术还比较困难的地层中，因此开采难度大。说明：美、日等发达国家已制定了长期开发计划•根据热水中化学成分的不同，可将地热水划分为不同的水质类型，常见的有：氯化物型、重碳酸盐型和硫酸盐型三大类。2.3地热资源的水化学特征•目的在于查明地热异常的分布范围，对地热田热储内地热资源的质量和数量以及开采技术经济条件作出评价，为其合理开发利用提供可靠依据。•地热资源勘查分为普查、详查和勘探三个阶段。2.4地热资源的勘探•a.主要是寻找地热异常区或对已发现的地热异常区开展地热地质普查。•b.初步查明地热田及其外围的地层、构造、岩浆(火山)活动情况，研究它们与地热显示、地热异常的关系，推断地热田的热储、盖层、导水和控热构造。•c.初步查明地热田的地表热显示特征，测定地热流体的天然排放量及其化学成分，估算地热田的热储温度和地热田的天然热流量，初步圈定地热异常的范围，提出热储概念模型。•d.探求D+E级储量，估价地热田开发利用前景。提交普查报告，为是否须进行详查工作提供依据。（1）普查阶段（2）详查阶段•a.在初步查明地热田的地球化学场、地球物理场及热储边界条件的基础上，对地热田是否具有开发价值以及近期内能否被开发利用，进行详查工作。•b.基本查明地热田及其外围的地层、构造、岩浆活动情况，初步查明地热田内的断裂及其产状、各地层的孔隙、节理裂隙、岩溶及水热蚀变发育情况，划分热储、盖层、导水与控热构造。•c.基本查明地热田内地温及地温梯度和空间变化，进一步圈定地热异常的范围，计算热储温度，分析推断地热异常的成因。•d.基本查明热储的岩性、厚度、埋深及其边界条件，各热储内地热流体的温度、压力、产量及其变化关系，热储的孔隙率及渗透性能，圈定地热流体富集地段。•e.基本查明热储中地热流体的相态、地热井排放的汽水比例、地热流体的化学成分、有用组分和有害成分以及地热流体的补给、运移、排泄条件。建立热储理论参数模型。•f.探求C十D级储量，提交详查报告，为地热田开发总体规划和是否转入勘探阶段提供依据。（3）勘探阶段•a.一般应在经过详查工作证实具有开发价值的基础上进行，主要是对地热田开发经济效益高的地热流体富集地段进行勘探。•b.详细查明地热田内的地层、构造、岩浆(火山)活动和水热蚀变等特点。基本查明热储、导水、控热构造的空间展布及其组合关系。•c.详细查明地热流体特征，包括地热流体在热储中的相态、温度、地热井排放时的汽水比例、蒸汽干度、流体化学成分和同位素组成。阐明地热流体中不同用途的有用组分和有害成分、地热流体的来源、补给、径流排泄条件以及地热流体运移过程中可能出现的相变和与冷水混合过程。•d.详细查明地热田内的地温、地温梯度及有关物性参数的空间分布及其变化规律。详细圈定地热流体的富集地段。•e.详细查明地热田的热储结构，各热储的分布面积、厚度、产状、埋深及边界条件，各热储内地热流体的温度、压力、产量的变化规律及各热储的相互关系。实测各项储量计算参数，建立热储参数模型。探求B+C级储量，提出合理开发方案并作出环境影响评价，提交勘探报告，为地热田开发利用提供依据。2.4地热资源的评价方法天然热流量法、平面裂隙法、岩浆热平衡法、体积法、类比法。体积法：计算一定体积的地质体中所含的热量和水量。式中：QR—确定的地热储量，指热储层的热量（kJ);A----地热田的面积，指热储面积（m2）h----热储厚度（m）ρr、ρw----岩石和水的密度（kg/m3）