张 荣

（山西省水文水资源勘测局,山西太原030001）

地热资源开发中水的控制作用研究

张 荣

（山西省水文水资源勘测局,山西太原030001）

世界上绝大多数的地热能开发是利用其产生的热水或热汽.文章通过研究对流循环型、传导埋藏型地下热水系统等天然地热资源的特征及利用模式,探索热干岩型地热资源通过深地钻探、水力碎裂等“人工激发”途径加以利用的可行性.

地热；水热型；干热型；水控制

地热资源按其在地下的储热状态,主要分为水热型和干热岩型两大类,现阶段国际上一般指地壳浅部5 km以内,在当前技术装备条件下能够科学有序、经济合理地开发出来的天然水热型地热资源.而干热型地热及深部岩浆虽然含有巨大的热能,远大于现在探明的地热储量,但由于没有水作为主要媒介的参与,很难被人类利用.随着技术进步、装备水平及钻探工艺的提高,这些地热资源通过“人工激发”就有可能被开发出来.很多国家已经开展了“深地钻探工程”.如20世纪70年代开始,前苏联实施了庞大的深钻工程,其位于科拉学院的超深钻孔深达12 262m.我国的万米钻机也已经在大庆钻探试验,并将研制15km深地钻机.

1 以水为主要媒介的地热开发利用现状

人类开发利用地热已有两千多年的悠久历史.我国是世界上利用地热资源较早的国家之一,东周时代就有记载.但开发利用大多限于对天然温泉的直接利用上,且主要用于洗浴和医疗［1］.很少采用综合利用的办法如梯级开发等.直到20世纪才开始进行较大规模的开发利用,并逐步采取联产、跨行业梯次开发等措施提高热能利用效率,例如先工业发电、取暖,后洗浴养殖.

从表1中所列的利用方式可以看出,无论地热温度高低,绝大多数的资源利用方式都以水作为媒介或直接利用.

表1 地热资源按温度及利用方式分类表

地热资源集热、矿、水为一体,是一种宝贵的资源.在发电、取暖、洗浴、医疗保健、农业温室种植和养殖,以及旅游度假、工业应用、矿泉水生产等方面有广阔的应用前景,世界各国都很珍惜.我国的很多温泉都含有多种对人体有益的矿物元素或放射性物质,利用地热治病疗养的历史悠久.

2 水热型地热资源的特征

现阶段世界范围内得以开发的地热资源绝大部分是水热型地热资源.主要是指存在于现代地壳内的地质构造中,具有一定物理和化学性质的地下热水和蒸汽,目前钻探技术可以获得,可供经济开发利用的地热资源,其主要特征就是有水的存在及全流程参与.

2.1 对流循环型地下热水资源

地下热水对流循环系统［2］是指大气降水及其产生的河水和浅层地下水,通过下渗补给到地下热源产生热水和蒸汽,在区域热流的热机制下经深循环上涌形成的水环流系统.地下热源、水源以及地质构造形成的循环通道缺一不可.对流循环型区别于其他热水资源的最主要特征,就是存在有能使地下水发生深循环的通道,即水源通过下渗补给的通道和地下热水形成后上涌的径流和排泄通道.

2.1.1 受构造控制特征明显

对流型热水资源主要沿断裂破碎带分布,受基底构造控制作用明显,天然排泄点在断裂破碎带或其交会处附近的破碎带或含水岩层.地下热水受山前活动断裂带控制且与地区的张性断裂密切相关,沿构造裂隙呈现出线状、带状或串珠状分布,高温中心一般出现在断裂带附近.如果远离构造区,地温衰减快,地热分布不具有区域性.

2.1.2 水循环特征明显

大气降水和河水通过深切断裂带下渗补给到地下热源,加热后的水和汽经深循环上涌形成地热水,在张性断裂带附近发育或出露,水循环深度大、途径长.由于有地下热源的持续存在,如果下渗水源有保障,对流型地下热水的可再生程度强,水中有益于人体的矿物质及放射性元素含量高,深度浅,易于开采.

图1是山西盂县某温泉的水循环示意图（来源：《山西省盂县寺平安地区热矿水勘察报告》,1986年）.该图清晰地反映出大气降水、浅层地下水经断裂带下渗到深部热源后,加热后经深循环沿张性断裂带上涌形成天然温泉的全过程.

图1 山西盂县某温泉区水循环示意图

2.2 传导型地下热水

传导型深埋热水系统［2］就是指埋藏于地层深部、由热传导加热形成的热水.最明显的特征就是水与热源不存在直接接触关系.热源通过地层传导热量进入含水层,类似于“暖水袋”.该地热系统一般由热源、隔热盖层、含水层等构成.水的温度取决于区域热源强度和含水层的埋藏深度.由于需要很厚的覆盖层作为保温层,因此传导型深埋热水大都位于地层深部,处于地下水平流区,水循环微弱,热水具有较高矿化度.

2.2.1 埋藏深度大,要有足够厚的覆盖层保温

热源来自隆起的深部地壳,上部必须要有厚度很大的沉积层,构成隔热盖层,使来自地下深部的热量不易散失,形成地层异常增温（一般每100m增温3℃～5℃）.而在缺少足够厚覆盖层的山区,即使有地下热源也极易散失,难以形成地温异常区.

2.2.2 地下热水径流微弱,历史沉积多,降水入渗及河流补给少,水循环不畅；开采深度大,成本高,硬度、矿化度高,水质差

图2反映的是山西临汾盆地传导深埋型地热形成的地质构造结构图（来源：《山西省地下热水调查报告》,2010年）.由图2可以看出,与临汾地区新生代断陷盆地的下凹形态相反,下地壳与上地幔的莫霍面为相对隆起状.“根据山西境内大地电磁测深资料,该地区的中地壳是电阻率为2～5Ωm的低速高导层,在盆地中埋深14km左右,厚度为4km.”［3］,推测这个低速高导层可能是因为地壳内物质在高温下熔融形成的.地热通过传导使本地区寒武、奥陶系含水地层出现地层异常增温,同时上部有足够厚的盖层作为保温层,防止热量散失.这些因素共同作用形成了该地区的传导型地下热水.

图2 山西临汾传导型热水成因示意图

3 干热型地热资源及人工激发途径探索

3.1 干热型地热的基本概念

干热型地热资源（geothermal resource of hot dry rocks type）就是热干岩型与岩浆型地热资源的统称.其中岩浆型地热由于开发的技术难度大,成本高实际应用很少.

干热型地热资源虽然其温度可达数百到数千摄氏度,但由于没有或很少有水和蒸汽的存在,很难被人类直接利用.由于缺乏大气降水补给,或者因为其本身的透水能力太差,与含水层相隔太远,难以和水形成有效接触传导热能,不能形成水热型地热资源,导致岩体所蕴藏的大量热能目前还难以得到开发.

3.2 人工激发

“人工激发”,就是人为地使热干岩体产生透水裂隙或把钻井施工到高温的热干岩层或直达地下岩浆处,通过人工输水加热汽化,获取那里的热量再将蒸汽引出后加以利用.简单地讲,人工激发就是通过技术手段将干热型地热转化为水热型地热资源.由于此类热能储量巨大,新能源前景广阔,全球科技人员一直都在探索研究中.目前已经试验成功并加以应用的人工激发方法主要包括高压注水技术和水力直接破碎或人工爆破破碎技术.随着相关地热研究及高新技术和装备水平的发展,未来可使用的开发手段会更加成熟多样.

3.2.1 高压注水技术

利用干热岩体原有的深部碎裂或岩浆冷却时产生的裂隙,通过高压将水注入,使深部热源（一般要求在200℃以上）与水发生更多接触,加热后通过管道加压将水汽提取到地面用于发电.由于热源稳定直接,虽然前期注水投入大,但热水冷却后再重新输入地下供循环使用,因此这种地热发电成本与其他再生能源相比还是有竞争力的,且不产生废水、废气等污染.运用这种新方法发电的首座商用发电厂已在瑞士的巴塞尔城建成.该电站每年为周边的5 000个家庭提供30 000kw热能和3 000kw电能［4］.

注水技术就是在原来无水无汽的干热岩体内人工增加了水的循环,使其变成对流型地热资源加以利用.天然的对流型热水大都分布在河谷、沟谷及盆地边缘,就是因为这些地区同时具备了构造及水源这两个关键要素.广大山区构造活动更为强烈,但由于缺乏足够的水源参与下渗和循环,覆盖层薄不能起到保温作用,难以形成地热资源.如果在已探明热源理想的地区,人工注水交换热能,就会有更多的山区热能被开发出来.

3.2.2 水力压裂及其他爆破技术

压裂技术就是通过压力或爆破,使原来分离的地下热源与水发生接触产生热水热汽回收利用.法国在莱茵地堑使用的方法是钻孔注水,利用水力压裂地层后输水.4个月的循环试验过程中,灌入240 000m3,出水流量为20～25L／s,水温在140℃以上,输出热能为10mw.

在传导型深埋热水地区,如果也采用压裂或爆破技术,将原来的地下水和热源之间的阻隔层破坏掉,打通通道,就会大大提高热交换效率,更好地利用地热资源.但这项技术的难度、成本都非常高,潜在环境风险大.即使法国也只是开展试验性研究,还有待进一步研究探索.

4 区域水资源开发对热水资源的影响

热水资源量受到有限的热源和下渗水源控制,其开发利用潜力主要取决于地热水的存储量及其补给速度的大小.只有合理开发和有效保护,解决开发中出现的各种问题,才能实现地热资源的可持续开发利用.

4.1 职责不清,无序开发

热水资源就是热矿水,但不等同于一般的矿产资源或水资源.目前热水资源一方面作为矿产资源归地矿部门审批,同时又作为水资源需要水利部门监管资源开采量.多部门重复管理,大家都管,无人真管,地热开发管理混乱.热田资源普查少,用户自主勘探多,缺乏综合利用、多层次开发规划,加上地方主体的利益驱动,急功近利,地热资源利用结构单一,粗放经营,地热资源浪费严重,效率和效益都有待提高.

4.2 地下热水的开采量是最直接的影响因素

地热能在开发利用中要注意当地资源环境的承受能力,否则会对地热温度和环境产生不利的影响.

当热水开采井连续长时间抽水时,就会形成降落漏斗.当开采量长时间超出资源量上限时,热水水位逐渐下降,周围低温冷水就会进入热水含水层,水温降低,水、热平衡状态被打破,导致热水可开采资源量下降,造成恶性循环.因此,只有在地热田的科学勘察及资源量评价的基础上进行有序开发,才会实现热水资源的可持续利用.

4.3 周边地区地下水的过度开采影响

大部分热水的含水层与周围冷水的含水层是关联相通的,高温热水和周围的冷水含水层互为补充.如果热水周围低温地下水的大量开采使得原来含水层疏干或河道断流,就必然要降低热水区的地下水位,直接影响到下渗进入深部热源的水量,进而使得加热后对流循环上来的热水资源量减少.地热田的水温和水位埋深都会逐年下降,开采量必然也随之下降,如果不加限制,这些热水井最终会面临枯竭.

［1］孙 文.山西地热资源开发利用状况分析［J］.地下水,2011（6）：35：34－36

［2］李 强.山西地下热水的分布及特征分析［J］.山西水利科技,2006（2）：52－53

［3］郭景林,白翠花.山西临汾——运城盆地中的热干岩型地热资源及开发前景展望［J］.山西煤炭,2010（8）：79－82

［4］格 尔.介绍一项新地热发电方法［N］.中国电力报,2004－06－10

Hydro－controlled Study on Exploitation of Geothermal Resources

ZHANG Rong
（Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Shanxi Province,Taiyuan 030001,China）

The majority exploitation of geothermal energy in the world is to use the hot water or hot steam.Through investigating the characteristics and utilization patterns of convection circulating type and conduction buried type of geothermal system,analysis the feasibility of“artificial excitation”exploring the hot－dry rock type geothermal resource by the deep drilling and hydraulic fracture ways.

geothermal；hydro－hot type；hot－dry type；hydro－controled

1672－2027（2016）04－0063－04

P314

A

2016－09－05

张 荣（1968－）,男,内蒙古四子王旗人,硕士,山西省水文水资源勘测局高级工程师,主要从事地下水勘测及资源利用研究.