地熱資源勘查及評價方法

摘要: 科學勘查和評價(jia) 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(jia) 工作就投入開采的地熱田，必然會(hui) 產(chan) 生開采盲目和管理混亂(luan) 的問題。本文就作者實際工作的感受，淺談地熱資源的勘查、計算和評價(jia) ，與(yu) 同行討論,希望以此有利於(yu) 我國地熱資源勘查和評價(jia) 方法的統一和提高。

　　關(guan) 鍵詞：地熱資源、勘查、計算、評價(jia)

　　科學勘查和評價(jia) 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(jia) 工作就投入開采的地熱田，必然會(hui) 產(chan) 生開采盲目和管理混亂(luan) 的問題。我國較大規模的開展地熱資源的勘查和開發，始於(yu) 20世紀70年代。早期的地熱勘查工作基本經曆了普查、詳查、勘探、開發和商業(ye) 開發五個(ge) 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(wei) 全國地熱資源的勘查評價(jia) 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。許多地區隻開展了地熱普查工作之後，便進入了商業(ye) 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(ye) 開發階段，經過一段開發後，出現許多開發和管理上的問題，這時會(hui) 回過頭再進行普查或詳查工作，核實地熱資源量，製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(ye) 開發資料，降低地熱勘查投資。以上兩(liang) 種地熱勘查階段的模式，各有利弊，也是社會(hui) 發展的必然產(chan) 物。近年來國內(nei) 地熱資源勘查和評價(jia) 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(jia) ，與(yu) 同行討論，希望有利地熱資源勘查和評價(jia) 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(yu) 區域構造斷裂，基底埋藏分布，深部地層岩性等密切相關(guan) ，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*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、地層岩性特征、地熱水儲(chu) 存和運移特征等，為(wei) 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，地麵水熱蝕變帶的分布，熱紅外解譯可判斷地表異常分布等。在勘查麵積較大，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岩性特征，地質構造、岩漿活動與(yu) 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(yu) 構造的關(guan) 係。

　　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曆史，調查勘查區內(nei) 已有地熱井水溫、水量、開采層段及地層岩性特征，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(nei) 容可以有所側(ce) 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。地熱井岩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曆史。

　　對地熱水中氟、二氧化矽、硼等組份的測定，可以幫助確定地熱異常分布範圍。

　　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(ti) 的成因與(yu) 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(chu) 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。利用磁法確定火山岩體(ti) 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(chan) 狀，測試地層波速為(wei) 熱儲(chu) 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(wei) 存真，例如：應先在較大範圍內(nei) 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麵，以便較準確判定斷裂展布、產(chan) 狀和地層結構，後選擇布井有利部位，開展少量音頻大地電磁測深點判定富水情況。

　　1.6 地熱鑽探

　　地熱鑽探是地熱勘查中直觀、準確有效的方法，但因投資較大，工作量受到限製，因此地熱鑽孔施工前要綜合分析所有相關(guan) 資料，精心編製地熱鑽孔地質工作設計和鑽探施工設計，鑽探過程中應盡量開展各種樣品采集和各種測試、試驗工作，獲取多的地熱地質信息。

　　(1) 開展岩屑錄井及鑽時錄井，觀察衝(chong) 洗液溫度變化及漏失變化，詳細記錄鑽井過程中的漏水，井噴、湧沙、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(chu) 特征及地熱水賦存部位。

　　(2) 在熱儲(chu) 層段采集代表性岩芯，觀察岩性特征，判定岩石名稱、測試其孔隙度、密度及滲透率、比熱、熱導率等量並與(yu) 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、判定地熱田地質曆史及區域熱異常背景。

　　(3) 開展綜合物探測井，著重解決(jue) 熱儲(chu) 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、岩石密度等數據，獲取井內(nei) 地溫變化曲線，井溫測量應在停鑽24小時以後，並應測兩(liang) 條溫度曲線，兩(liang) 條測溫曲線溫差應在允許範圍。

　　(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(wei) 地熱水資源評價(jia) 提供基礎數據。

　　(5) 采集地熱水樣品，有氣體(ti) 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(ti) 分析應盡量做H2S、CO2、O2、CO、NH4、CH4、He、Ar等。

　　(6) 地熱井的鑽進技術和成井工藝，包括衝(chong) 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鑽孔的目的要求。 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(ge) 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(yu) 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(wei) 地熱資源計算與(yu) 評價(jia) 、地熱田管理與(yu) 地熱田開發有關(guan) 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(feng) 富

　　地熱資源勘查的首要問題便是解決(jue) 地熱田所在的區域地質構造背景。建國以來，地礦係統、石油係統、煤炭係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(ye) 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(you) 勢，使其商業(ye) 開發熱潮迅速發展，並遠遠超過了我國目前的地熱資源勘查速度，商業(ye) 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(wei) 地熱勘查的主要模式

　　目前我國的地熱勘查均為(wei) 探采結合的模式，減少了勘查資金投入，有利於(yu) 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地熱資源計算和評價(jia) 工作。

　　2.4 勘查工作滯後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(ye) 開發的地熱井首先要滿足其商業(ye) 目的，可獲取的地熱地質資料受到很大的限製。因此，*使用商業(ye) 開發的地熱資料，往往會(hui) 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(jia) ，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(luan) 。

　　2.5 已有的勘查規範需補充和修改

　　1989年發布的《地熱資源勘察規範》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、鑽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，鑽探技術的提高使大於(yu) 2000m的深井鑽探很容易完成等，故修改和完善地熱勘查規範十分必要。

　　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(jia) 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(chu) 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(liang) 者的資源量又都包括儲(chu) 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(chu) 存量的計算

　　按前地礦部發布的“DZ40—85”規範中規定地熱能儲(chu) 存量計算采用熱儲(chu) 法，計算公式：

　　Qr=C A d(tr-to)

　　C=ρrCr(1-φ)ρwCwφ

　　該公式考慮了熱儲(chu) 層中岩石儲(chu) 存的熱能，也考慮了地熱水中儲(chu) 存的熱能，理論上該公式是合理可行的，關(guan) 鍵是獲取較準確的計算參數。

　　式中：

　　d——熱儲(chu) 層厚度，應利用鑽孔直接資料，考慮地熱田內(nei) 熱儲(chu) 厚度變化特征取平均值或分區給出。

　　φ——岩石孔隙率，應綜合考慮物探鑽井的實測數據及岩芯實驗室的測試數據。

　　tr——熱儲(chu) 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低溫度。

　　ρrCr——岩石的密度和比熱，應綜合考慮物探測井和岩樣實驗室測試結果。

　　ρwCw——為(wei) 水的密度和比熱。

　　隻要參數給出合理，其計算結果應該可信，並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(chu) 類型、熱儲(chu) 埋深、熱儲(chu) 壓力、熱儲(chu) 岩性特征等，受控因素不同，地熱可采資源量就會(hui) 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(chan) 生的環境和地質災害問題有可能在一定程度控製地熱能的可采資源量。可見地熱可采資源量是一個(ge) 受控因素很多、可變程度較大的量，不應規定一個(ge) 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，不同開發利用目的，開發利用技術水平及開采後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大下降幅度和回灌工程能實現的大回灌量，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(ti) ，把熱能從(cong) 地下帶上來，地下水是地熱能好的載體(ti) ，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(yu) 淺部地下水有著相似的儲(chu) 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(chu) 存量的計算

　　建議采用靜儲(chu) 量法，計算公式

　　Q總=M·A·φ+μ·△h·A

　　該公式考慮了熱儲(chu) 層段內(nei) 地熱水的體(ti) 積存儲(chu) 量和彈性存儲(chu) 量，該公式中地熱田麵積A，熱儲(chu) 層厚度M和孔隙度可按鑽探、測井、實驗室測試資料獲取，△h為(wei) 熱儲(chu) 層頂板算起的水頭高度，μ為(wei) 彈性釋水係數，其計算公式為(wei) ：

　　μ=ρwφCM

　　式中:

　　C——熱儲(chu) 層中含水岩組總壓縮係數（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，公式中的彈性釋水係數應該與(yu) 熱儲(chu) 層中各含水段的可壓縮性能有關(guan) ，不同含水岩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麵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(yu) 地熱能可采量一樣，是一個(ge) 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(wei) 它是可利用地熱能的載體(ti) ，目前可采用傳(chuan) 統的的地下水資源計算方法。

　　(1) 解析解法

　　首先將地熱田內(nei) 熱儲(chu) 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(nei) 水位下降情況，控製合理水位降時的水量和時間便為(wei) 地熱田內(nei) 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(nei) 熱儲(chu) 層概化，使其基本符合穩定流計算要求，然後計算地熱田內(nei) 水位下降到一定程度可獲得的逕流補給量，將其視為(wei) 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麵。

　　(3) 類比法

　　與(yu) 地熱地質條件相似的已采地熱田進行比擬，選取適當的比例係數，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(nei) ，地熱水開采量與(yu) 水位下降的關(guan) 係，概略確定每下降1米的熱水可采量，進而推測大可能降深時的地熱水可采資源量及可采年限，以此做為(wei) 地熱田地熱資源評價(jia) 的依據。該方法適用於(yu) 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(jia) 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(wei) 地熱田的科學管理提供依據。

　　3.2.3 地熱資源評價(jia)

　　地熱資源的評價(jia) 應突出地熱田可持續發展能力和地熱田開發利用與(yu) 周邊相應環境問題的關(guan) 係。 通過地熱田開采動態分析可見，地熱資源的儲(chu) 存量很大，但可采資源量很少。在評價(jia) 地熱資源可持續發展能力時應充分考慮到儲(chu) 存量和可采資源量的轉化關(guan) 係。如能實現地熱井的回灌工程，則會(hui) 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(hui) 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(hui) 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(hui) 引起地麵沉降及地裂縫等，在地熱資源評價(jia) 中均應引起重視。

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