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地热资源勘查与开发
一、 地质勘查
（一） 勘查类型
中国地热地质勘查类型由全国矿产储量委员会提出，并由国家技术监督局发布的 GB11 615《地热资源地质勘查规范》中，将其划分为两类六型（表2.5.28）。这是从指导地热地质勘查工作出发，根据中国已知地热田特征，按地热田的温度、热储形态、规模和构造复杂程度予以分类的。 表2.5.28地热田勘查类型
（二） 勘查阶段
地热地质勘查工作，一般将其划分为普查、详查、勘探三个阶段。
1.普查阶段
主要是寻找地热异常区或对已发现的地热异常区（地表热显示区）开展地热地质普查，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；初步查明地表热显示特征，测定地热水（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；探求D＋E 级储量，估价地热开发利用前景。
2.详查阶段
在普查的基础上进行。对地热田是否具有开发价值以及近期能否被开发利用进行详查工作，基本查明地热田及其外围的地层、构造、岩浆活动情况，划分热储、盖层、导水与控热构造；基本查明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；基本查明热储的岩性、厚度、埋深及其边界条件，各热储层内地热流体的温度、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；基本查明地热流体的相态、地热井排放的汽水比例，地热流体的化学成分及其补给、径流、排泄条件，建立热储理论参数模型；探求C＋D 级储量，提交详查报告，为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
一般是在经详查工作证实具有开发价值的地段上进行。详细查明地热田的地层、构造、岩浆（火山）活动和水热蚀变等特点，热储、导水、控热构造的空间展布及其组合关系，地热流体物理特征、化学成分、补给、径流、排泄条件，热田的地温、地温梯度的空间分布及其变化规律，热储结构，各热储层的分布面积、厚度、产状、埋深及地热流体的温度、压力、产量的变化规律；准确圈定地热流体的富集地段，实测储量计算参数，建立热储参数模型，探求B＋C级储量，提出合理开发利用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。
上述勘查阶段划分，适合于正规的大型地热田地质勘查，在地热田的实际勘查中，往往由于地热田规模、类型及实际开发的需要不同，而不一定严格按照上述勘查工作阶段进行，如以下情况：
1）对于中、小型带状热储地热田的勘查，因热田规模不大，一般小于5km2，又大多数处于构造隆起区，地表有热显示，热储埋藏深度浅，可就热找热，勘探难度小，一般都采取一次性勘探，而不划分工作阶段。
2）对大型沉积盆地型的地热田，因地热田范围大，通过勘查工作全面查明其开发利用条件，需要投入大量经费和花费较长的时间，又因这类地热田热储层比较稳定，在基本查明其构造条件、热储特征及分布范围后，通过典型热水井的勘查与开发，即可在相邻地段对地热资源实行边探边采，待形成一定开采规模后，根据地[FS AGE]热田资源开发规划及管理的需要，再综合分析地热田勘查开发资料，提交地热田资源勘查评价报告。 3）一些复杂的或开发程度高的地热田，实行滚动式的勘查与开发，即经过勘查转入开发后，针对开发中出现的问题（水位下降、地面沉降、环境危害等 ) 进行工作，加强动态监测与开发试验研究（人工回灌试验等），在此基础上，对地热田的资源重新予以评价，提交资源评价报告，供地热田资源管理及进一步开发利用。
（三） 勘查手段与要求 地热田地质勘查工作，依据勘查地热田的具体条件，有选择地选用航卫片解译、地面地质调查、地球化学调查、地球物理勘查、地热地质钻探、成井试验、动态监测、人工回灌试验及岩、土、水实验测试等综合手段。各种手段的运用条件、目的、要求概述如下：
1.航卫片解译 主要应用于构造隆起区地热田地质勘查工作的初期，配合地面地质调查工作进行，通过最新航卫片图像的解译，判断地热田地貌、地质构造基本轮廓及其隐伏构造，地热田及其相邻地区地面泉点、泉群、地热溢出带及地表热显示的位置，地表的水热蚀变带分布范围，为地热田地面地质调查提供依据和工作方向。
2.地面地质调查
在航卫片解译及充分利用区域地质调查资料的基础上进行，调查范围尽可能包括地热田的补给区、排泄区。通过调查，实地验证航卫片解译的成果、难点；查明地热田的地层时代、岩性特征、地质构造、岩浆活动及地热田形成的地质条件；查明地表热显示的类型、规模、分布范围及其与地质构造的关系；选定地热田进一步工作的重点地区，为地热田下一步的勘查工作提供依据。
3.地球化学调查
应用于地热田地质勘查工作的各个阶段，主要是：采取地热田及其周边地区的地热水（井、泉）、常温地下水、地表水样进行化验分析，对比分析彼此的关系；利用地热水中特征离子（组分）如氟、二氧化硅等高于常温地下水的变化与分布规律，圈定地热异常区的范围；测定地热田内代表性地热水（井、泉）中稳定同位素（18O、34S、2H）和放射性同位素（3H、14C）含量，推断地热水的成因和年龄；分析研究代表性地热水（井、泉）中特殊组分（SiO2、K、Na、Mg）等的含量变化，进行温标计算，推断深部热储温度；对地表岩石和钻孔（井）岩心中的水热蚀变矿物进行取样鉴定，分析推断地热活动特征及其发展历史等。
4.地球物理勘查
是地热资源勘查工作的重要组成部分，一般应在地热田普查阶段进行，详查阶段选择近期有开发利用价值的地段进行。主要是：圈定地热蚀变带、地热异常范围和热储体的空间分布；确定地热田的基底起伏及隐伏断裂的空间展布，圈定隐伏火成岩体和岩浆房位置; 一般利用地温勘查圈定地热异常区；利用重力法确定地热田基底起伏（凸起和凹陷）及断裂构造的空间展布；利用磁法确定水热蚀变带位置和隐伏火成岩体的分布、厚度及其与断裂带的关系；利用电法、α卡、210Po法圈定热异常和确定热储体的范围、深度；利用人工地震法准确测定断裂位置、产状和热储构造；利用磁大地电流法确定高温地热田的岩浆房及热储位置与规模；利用微地震法测定活动断裂带。地球物理勘查成果，是作为地热钻探井布置的重要依据。
5.地热地质钻探
是地热资源勘查工作最重要也是耗资最多的手段，用于查明地热田形成的地质条件、准确确定热储层的空间分布及其[FS:PAGE]开发利用条件，查明热储的压力、温度、水位、地热流体的流量及质量，获取计算评价地热资源的各项参数。钻探深度一般应达到有开采利用价值的热储层底界或当前技术经济合理的开采深度内（对沉积盆地层状热储类型的地热田开采深度，国内目前控制在2 000m左右）；钻探控制网度视勘查工作阶段不同而定，根据我国目前地热资源勘查、开发的实践经验，参照表2.5.29进行。钻探井位的确定应进行严格审定，对大型沉积盆地层状热储类型的地热田，应尽可能布置在最具开发利用价值的地热水富集地区和富集层位；对于构造隆起区带状热储类型的地热田，则应尽可能布置在主要导水、导热断裂构造带上。钻探工程必须确保工程质量，取全取准各项资料。
6.成井试验
是地热地质钻探工作的后续环节和测定地热资源评价参数的重要手段。地热钻探井和探采结合井都应进行成井试验，以测定地热资源评价必须的计算参数。低温（小于90℃）热水井一般进行抽（放) 水试验，中、高温热水井进行放喷试验。成井试验按照地热资源评价的需要分为：单井试验、多井和群井试验。单井试验：主要在普查阶段进行，指在一个井内做三个落程稳定延续8～12h的抽（放）水试验，用于初步确定热储层参数。多井试验：指在一个孔抽（放）水，一个或一个以上观测孔进行观测的试验，一般在详查阶段进行，用于较准确的确定热储层参数、井间干扰系数，为地热水开采井群的初步布置提供依据。群井试验：指在两个或两个以上热水井进行抽（放）水，同时在多个观测孔进行观测的试验，一般只在勘探阶段结合开采方案进行，用于准确测定抽（放）水水量、水位、水质、水温，影响边界的动态变化，为准确评价地热资源开采量及开采环境影响问题，确定合理开采方案提供可靠依据。 表2.5.29地热田钻探工程控制
7.地热水、土、岩实验分析
在地热资源勘查中，应比较系统的采取水、土、岩等样品进行分析鉴定，以获取热储的有关参数。为评价地热水水质，应进行地热水的全分析（主要阴、阳离子和F、Br、I、SiO2、B、H2S）、微量元素（Li、Sr、Cu、Zn等）、放射性元素（U、Ra、Rn）及总放射性的分析，对温泉出露点和浅埋热储，还应增加污染指标（酚、氰等）的分析；为研究地热水的成因、年龄、补给来源等可视条件进行稳定同位素（18O、34S、2H）和放射性同位素（3H、14C）的测定；为确定热储的密度、比热、导热率、渗透率、孔隙度等物性参数，则应选取代表性岩、土试样进行分析测定。
8.动态监测工作
动态监测是准确评价地热资源及热田开发可能引起的环境问题的重要手段。一般从热田勘查工作开始，就着手建立热田的动态观测系统，及时掌握地热水的天然动态和开采动态，对已开发的地热田，则应建立比较完善的地热水观测系统，监测地热水开采水量、水位、水质、水温的变化及开采降落漏斗、地面沉降或地面塌陷的发展变化趋势，为地热资源的可采量评价和地热资源开发管理提供依据。
9.地热回灌试验
一般是在地热田由勘探转入开发后进行。目的在于提高地热资源的利用率，保持热储的生产压力，延长地热田使用寿命，防止地面沉降和热水排放造成的污染等。通过试验选择合适的回灌位置、回灌水温度、回灌压力、回灌量等参数，对地热田可否回灌或如何进行生产性回灌提供依据。 从国内部分地热田的回灌试验资料表明，热储层为孔隙传导型的地热田，回灌试验效果较好，热储层为裂隙对流型的地[FS:PAGE]热田，回灌试验效果较差，甚至不宜进行回灌。 二、 资源开发与保护 （一） 资源开发条件
地热资源的开发受到热储层埋藏深度、地热水温度、水量、水质等的限制，可开发利用的地热资源被限制在一定的地热异常区内，根据中国近年来地热资源开发的实际情况及国外的经验，地热资源开发应符合下述条件：
1.热储层埋藏深度
根据中国目前开采技术经济条件的可能性，并考虑远景发展的需要，将地热储量分为两类： 能利用储量：指热储埋深小于2 000m，便于开采，经济效益好，在开采期间不会发生严重的环境地质问题，符合资源合理开发利用的储量。 暂难利用储量：指热储埋深大于2 000m，开采技术条件较困难，难以获得经济效益，暂不宜开采利用，而将来有可能开采的储量。 按上述规定，目前对于地热资源的开发，主要限于热储层埋深在2 000m以浅的深度内，但随着技术经济的发展，在一些大型沉积盆地区的地热资源开发深度已达到2 500m以上，如天津滨海及西安地区。 2.地热水温度
我国以中、低温地热田为主，开发地热资源主要用于供暖和医疗洗浴，作为医疗洗浴用水，一般不应低于35℃；作为供暖用水，则不得低于60℃，低于此温度，开发将是不经济的。对传导型地热田来讲，地热水温度取决于热储盖层的地温梯度及热储层的埋藏深度，因而规定了地热异常区或可供开发利用热异常范围应符合下述条件： 1）热储盖层的平均地温梯度不小于3℃/100m， 2）1 000m深度以浅获得的地热水温度不低于40℃。 3.地热水水量
取决于热储层的渗透率和成井的单井出水量。规定热储层的渗透率不少于0.05μm2，单井出水量不少于300m3/d。 4.地热水水质
对地热水水质要求因用途不同而异，目前大量用于供暖、医疗、洗浴的地热水，主要是矿化度小于3.0 g/L的低矿化水，少数医疗洗浴用水采用3.0～5.0g/L，高于5.0 g/L以上的地热水，因其废水排放有环境污染问题，而很少开发利用或只是少量的间接利用。 （二） 资源开发与保护 开发地热资源与开发其他固体矿产资源不同，它是通过钻探地热井采取热储层中的地热水来实现的，但它又与常温地下水有常年性的补给来源不同，在一定意义上是不可再生的自然资源之一，资源的开发与保护应并重。依据地热资源的特点和我国多数地热田开发利用的实践，为合理开发有效利用地热资源，一般的作法是： 1) 开采深度取决于热储层的埋藏深度及当前的开采技术经济水平。构造隆起区受断裂构造控制的对流型地热田，深部的地热水沿断裂循环，在适宜的构造部位排出地表，通过勘查，可在浅部找到来自深部温度较高的地热水，地热水的开发深度一般都比较浅，如近年来在海南等沿海地区勘查开发的地热田，开采利用50～80℃的地热水，开采深度一般都在300m以内。处于沉积盆地主要靠地热增温的传导型地热田，只有达到相当深度的热储层才有实际开采意义，因而地热水的开采深度均比较深，如华北盆地区的大多数地热田，欲开采40℃以上的地热水，热水井深度一般须达到1 000m以上。就当前我国地热水开发的经济技术水平而论，开采深度超过2 500m的地热水已不经济了。 2) 大多数地热田实行边探边采或滚动式勘查开发。由于地热资源的开发是通过勘探打井直接取地热水实现的，不论是地热勘探孔还是地热水源[FS:PAGE]井一经打成，就可用于地热水的开发，因此地热资源开发并不需要等到勘探工作结束后。中国不少地热田的勘探经验也证明了这一点，即地热勘探孔，结合地热开发的实际需要进行，勘探结束后，转入开发利用；一些地热水开采井，结合地质勘探进行，又为全地热田的勘查提供信息。两者相结合，既解决了地热勘查工作投资大，经费不足的问题，又解决了开发单位急需利用地热资源的矛盾，收到了事半功倍的效果。 3) 地热田开发一开始，就需加强动态监测。地热资源是在特定地质条件和一定的地质历史时期里形成的，其补给来源受到特定地质构造条件的限制，补给量有限，有的基本没有补给，在一定意义上讲是不可再生的资源，开发一点，就消耗一点，开发得多，消耗得多，这一变化都将在地热水的动态变化中显现出来。中国绝大多数地热田，随着开采量的增加，地热水水位逐年下降就是很好的例证。系统地取全取准地热开采动态观测资料，尤其是开采量与相关的水温、水位、水质动态监测资料，是重新评价地热田的可采资源，对地热田实行科学管理的重要手段和依据。动态观测在地热田勘查开发一开始就应引起足够的重视。 4) 地热回灌是提高地热资源利用率的必要手段。中国一些地热田在短短几年、十几年的开采中，就形成了数十米的水位下降，为减少水位下降不得不严格控制其开采量。如北京东南城区地热田，每开采150万m3的地热水，水位平均就下降１m，因而不得不将其年开采量控制在400万m3左右。天津塘沽、西安等地热田，每年也以2～3m的速度下降。可是，按其采出的水量进行热量换算，按目前的开采水平进行限量开采，100年内采出的热量仅仅是热储层中储存热量的1％～2％，储存水量的2％～5％，显然，地热资源没有得到有效的开发，其原因在于热水资源补给不足，已开发的地热水资源是靠降低水位，消耗已有的储存量来实现的，增大开采量，必然加大地热水水位的降低。为提高地热资源的利用率，可通过对热储层进行人工回灌来实现，法国巴黎盆地地热资源开发有这方面的经验，中国天津滨海地区也开始了这方面的试验研究。 5) 地热开发必须同时重视环境保护：地热水开发相应地可引起两个环境地质问题：一是随着开采量的增大，在开采影响区内，引起地下水位下降，进而造成地面沉降，尤其是浅部热储层为软弱松散层的地区，因开发地热水，局部地段已引起了数十厘米的地面沉降，造成了一些危害；二是高矿化度或含有害成分超标的地热废水排放，对当地浅层水形成的污染。这是开发地热水应引起重视的。 （三） 不同类型地热田的资源开发 地热田类型不同，地热资源的开发也有差别。受断裂构造控制，热储呈带状的对流型地热田，地热水主要富集在导水断裂构造及其影响带附近，近靠断裂带的地热井出水量一般都比较大，且井与井之间的干扰影响也比较大，对对流型小型地热田来讲，整个地热田地热水的可开采量，往往与断裂富水带上的几个热水井干扰出水量之和相近；远离断裂带的地热井出水量则比较小，以致缺乏实际开采意义。因此这类地热田资源的开发，可以集中在导水的断裂带附近，并以集中开发最为经济合理。 大型沉积盆地热储呈层状的传导性地热田，热储层分布面广，导水性比较均匀，但渗透性比较差。在热储层分布范围内，热水井出水量差别较小，可实行均衡开采，一般不适宜于群井集中开采。集中开采，井间水位下降及出水量干扰系数大，取水不经济。
（四）不同温度地热田的资源开发
地热水的温度不同，利用的范围和方式也不同，高温地热田中的地热水，因温度远远超过水的临界汽化温度，进入地表由于压力[FS:PAGE]降低，部分热水被汽化，以具有一定的水热蒸汽形式出现，温度愈高，相应的水热蒸汽量越大，压力也越大。以中国羊八井高温地热田为例，热水温度120℃的321井，孔口压力0.2MPa，汽水混合总量72t/h，其中蒸汽量9.8t/h；热水温度为247℃的ZK4001深井，孔口压力达到1.45MPa，汽水混合总量达302t/h，其中蒸汽量达37.1t/h（表2.5.30）。对于这类地热田的开发，主要以利用高温水热蒸汽为主，因地热水具有高温高压的特性，勘探开发必须有专门的设备，开采井口必须有严密的水热蒸汽自喷流量的控制设施。 表2.5.30西藏羊八井地热田地热水温度、孔口压力、汽水量比较表 90℃以下的低温地热水，在正常压力下不会被汽化，地热水开发与常温地下水的方式类似，尤其是开发40℃以下的低温地热水。但对于开采承压水位高出地面、温度在40℃以上的低温热水，因其温度超过人体温度，井口仍需有专门的自喷流量控制设施。 三、 资源开发、利用技术 （一） 地热井 地热井是开采地热资源的主要手段。因此国内外开发地热资源都十分重视地热井的成井工艺和质量，减少地热井的建井成本，提高建地热井的成井率，从而降低整个地热田的开发成本，一个好的地热井， 应满足以下基本要求。
1.井深
应穿越设计开采热储层的底板深度。
2.井径
上部应满足设计开采年限内下入与井出水量相匹配的深井水泵对井管口径的要求和下入水位监测仪器的要求，下部应满足下入井孔修理设备的要求。 3.井斜度
保持垂直，在100m深度内其井斜不得大于1°。 4.地层剖面
通过钻井、地球物理测井，取全取准地层剖面地质资料、测温资料， 严格划分各热储层顶、底板深度。 5.止水封孔
对开采热储层顶板以上井段进行严格的止水封孔，防止非开采层或上层低温水的串通和污染。 6.完井试验 针对热水井投入生产的需要进行抽水或放喷试验、水质分析及稳态井温测量，准确取得热水的水位、水温、水位降低及相应出水量和水质等资料，对于中、高温热水井，还必须准确测定井口压力，不同压力下的汽水流量和温度，水、汽含量及其比例，分离蒸汽中的不凝气体含量等，评价热水井的生产潜力。 图2.5.13ZBG-2型井口装置基本结构 1. 密封胶垫；2. 定位密封法兰；3. 填料函及填料；4.井口基座；5.井管
（二） 井口装置
1.多功能井口装置
地热井口装置是地热井开发中最基本的井口设备，是维持地热井生产正常运行，进行热水动态监测，防止由于井管伸缩及地面下降而引起的事故，减少热水的腐蚀作用等所必须的。随着地热利用的逐步发展，地热井的井口装置逐步规范化，目前在中国天津地热开发中较普遍采用的多功能井口装置就是其中之一（图2.5.13）。
该装置有以下功能： 1）能有效地防止井管伸缩造成的泵座破坏及漏水事故。 2）设有回流管，具有回流部分地热水，调节系统供水量的功能，在自流井使用中，可兼做自流供水管。 3）设有专门的水位测量孔及配套仪表，使水位监测方便实用。水位监测孔设有专用盲气孔法兰，折装方便，并能有效地阻止氧气混入热水而造成系统腐蚀。 4[FS:PAGE]）水温、水压表由井口装置配备，解决用户基本测量仪表配备不全或不配套。 5）选择具有抗腐蚀的阀门，对接触地热水的零部件采取防腐措施。 6）有临时地热水排放孔，便于自流井安装水泵。
2.井口隔氧装置 为防止地热水在井口与空气接触，减少地热水中氧气与氯离子联合作用时对输水设备的腐蚀危害，在一些有腐蚀作用的地热井的装置中，安装隔氧设备，其中较为常用的一种方法是氮气保护法，如图2.5.14所示。 图2.5.14氮气井口保护系统
3.井口除砂装置 有的地热井，由于地质及施工方面的因素，水中的含砂量超过国家规定的工业用水含砂量标准（含砂量应低于1/200万），影响热水的正常使用。若含砂量高的地热水用于供暖，会造成管路系统堵塞，因此对于含砂量超过标准的地热井，应采取除砂措施。目前国内设计的旋流式除砂器（图2.5.15），是一种较为理想的地热利用系统中的除砂设备，该设备一般安装在热水井口的出水管上。 图2.5.15地热水除砂器主要部分 1.出水管；2.进水管；3.圆锥体；4.推砂口；5.贮砂罐；6.排砂管
图2.5.16旋流式分离器示意图4.汽水分离装置
有的地热井水在井口减压后呈汽、水两态，且含有大量的不凝气体，用于供热，会在供热管道中形成气阻，造成管道冲击现象，影响正常供热。对这类地井应采用汽、水分离的井口装置，将汽水混合物在井口分离开来，分别送给用户。这种装置包括：分离器、集水箱（或分水箱）及配管系统（图2.5.16）。 | 
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雷达卡
发表于 2011-2-19 17:09
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