地?zé)豳Y源開發(fā)中水的控制作用研究

張 榮

（山西省水文水資源勘測局,山西太原030001）

地?zé)豳Y源開發(fā)中水的控制作用研究

張 榮

（山西省水文水資源勘測局,山西太原030001）

世界上絕大多數(shù)的地?zé)崮荛_發(fā)是利用其產(chǎn)生的熱水或熱汽.文章通過研究對流循環(huán)型、傳導(dǎo)埋藏型地下熱水系統(tǒng)等天然地?zé)豳Y源的特征及利用模式,探索熱干巖型地?zé)豳Y源通過深地鉆探、水力碎裂等“人工激發(fā)”途徑加以利用的可行性.

地?zé)?；水熱型；干熱型；水控?/p>

地?zé)豳Y源按其在地下的儲熱狀態(tài),主要分為水熱型和干熱巖型兩大類,現(xiàn)階段國際上一般指地殼淺部5 km以內(nèi),在當(dāng)前技術(shù)裝備條件下能夠科學(xué)有序、經(jīng)濟(jì)合理地開發(fā)出來的天然水熱型地?zé)豳Y源.而干熱型地?zé)峒吧畈繋r漿雖然含有巨大的熱能,遠(yuǎn)大于現(xiàn)在探明的地?zé)醿α?但由于沒有水作為主要媒介的參與,很難被人類利用.隨著技術(shù)進(jìn)步、裝備水平及鉆探工藝的提高,這些地?zé)豳Y源通過“人工激發(fā)”就有可能被開發(fā)出來.很多國家已經(jīng)開展了“深地鉆探工程”.如20世紀(jì)70年代開始,前蘇聯(lián)實(shí)施了龐大的深鉆工程,其位于科拉學(xué)院的超深鉆孔深達(dá)12 262m.我國的萬米鉆機(jī)也已經(jīng)在大慶鉆探試驗(yàn),并將研制15km深地鉆機(jī).

1 以水為主要媒介的地?zé)衢_發(fā)利用現(xiàn)狀

人類開發(fā)利用地?zé)嵋延袃汕Ф嗄甑挠凭脷v史.我國是世界上利用地?zé)豳Y源較早的國家之一,東周時(shí)代就有記載.但開發(fā)利用大多限于對天然溫泉的直接利用上,且主要用于洗浴和醫(yī)療［1］.很少采用綜合利用的辦法如梯級開發(fā)等.直到20世紀(jì)才開始進(jìn)行較大規(guī)模的開發(fā)利用,并逐步采取聯(lián)產(chǎn)、跨行業(yè)梯次開發(fā)等措施提高熱能利用效率,例如先工業(yè)發(fā)電、取暖,后洗浴養(yǎng)殖.

從表1中所列的利用方式可以看出,無論地?zé)釡囟雀叩?絕大多數(shù)的資源利用方式都以水作為媒介或直接利用.

表1 地?zé)豳Y源按溫度及利用方式分類表

地?zé)豳Y源集熱、礦、水為一體,是一種寶貴的資源.在發(fā)電、取暖、洗浴、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)溫室種植和養(yǎng)殖,以及旅游度假、工業(yè)應(yīng)用、礦泉水生產(chǎn)等方面有廣闊的應(yīng)用前景,世界各國都很珍惜.我國的很多溫泉都含有多種對人體有益的礦物元素或放射性物質(zhì),利用地?zé)嶂尾’燄B(yǎng)的歷史悠久.

2 水熱型地?zé)豳Y源的特征

現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)得以開發(fā)的地?zé)豳Y源絕大部分是水熱型地?zé)豳Y源.主要是指存在于現(xiàn)代地殼內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造中,具有一定物理和化學(xué)性質(zhì)的地下熱水和蒸汽,目前鉆探技術(shù)可以獲得,可供經(jīng)濟(jì)開發(fā)利用的地?zé)豳Y源,其主要特征就是有水的存在及全流程參與.

2.1 對流循環(huán)型地下熱水資源

地下熱水對流循環(huán)系統(tǒng)［2］是指大氣降水及其產(chǎn)生的河水和淺層地下水,通過下滲補(bǔ)給到地下熱源產(chǎn)生熱水和蒸汽,在區(qū)域熱流的熱機(jī)制下經(jīng)深循環(huán)上涌形成的水環(huán)流系統(tǒng).地下熱源、水源以及地質(zhì)構(gòu)造形成的循環(huán)通道缺一不可.對流循環(huán)型區(qū)別于其他熱水資源的最主要特征,就是存在有能使地下水發(fā)生深循環(huán)的通道,即水源通過下滲補(bǔ)給的通道和地下熱水形成后上涌的徑流和排泄通道.

2.1.1 受構(gòu)造控制特征明顯

對流型熱水資源主要沿?cái)嗔哑扑閹Х植?受基底構(gòu)造控制作用明顯,天然排泄點(diǎn)在斷裂破碎帶或其交會處附近的破碎帶或含水巖層.地下熱水受山前活動(dòng)斷裂帶控制且與地區(qū)的張性斷裂密切相關(guān),沿構(gòu)造裂隙呈現(xiàn)出線狀、帶狀或串珠狀分布,高溫中心一般出現(xiàn)在斷裂帶附近.如果遠(yuǎn)離構(gòu)造區(qū),地溫衰減快,地?zé)岱植疾痪哂袇^(qū)域性.

2.1.2 水循環(huán)特征明顯

大氣降水和河水通過深切斷裂帶下滲補(bǔ)給到地下熱源,加熱后的水和汽經(jīng)深循環(huán)上涌形成地?zé)崴?在張性斷裂帶附近發(fā)育或出露,水循環(huán)深度大、途徑長.由于有地下熱源的持續(xù)存在,如果下滲水源有保障,對流型地下熱水的可再生程度強(qiáng),水中有益于人體的礦物質(zhì)及放射性元素含量高,深度淺,易于開采.

圖1是山西盂縣某溫泉的水循環(huán)示意圖（來源：《山西省盂縣寺平安地區(qū)熱礦水勘察報(bào)告》,1986年）.該圖清晰地反映出大氣降水、淺層地下水經(jīng)斷裂帶下滲到深部熱源后,加熱后經(jīng)深循環(huán)沿張性斷裂帶上涌形成天然溫泉的全過程.

圖1 山西盂縣某溫泉區(qū)水循環(huán)示意圖

2.2 傳導(dǎo)型地下熱水

傳導(dǎo)型深埋熱水系統(tǒng)［2］就是指埋藏于地層深部、由熱傳導(dǎo)加熱形成的熱水.最明顯的特征就是水與熱源不存在直接接觸關(guān)系.熱源通過地層傳導(dǎo)熱量進(jìn)入含水層,類似于“暖水袋”.該地?zé)嵯到y(tǒng)一般由熱源、隔熱蓋層、含水層等構(gòu)成.水的溫度取決于區(qū)域熱源強(qiáng)度和含水層的埋藏深度.由于需要很厚的覆蓋層作為保溫層,因此傳導(dǎo)型深埋熱水大都位于地層深部,處于地下水平流區(qū),水循環(huán)微弱,熱水具有較高礦化度.

2.2.1 埋藏深度大,要有足夠厚的覆蓋層保溫

熱源來自隆起的深部地殼,上部必須要有厚度很大的沉積層,構(gòu)成隔熱蓋層,使來自地下深部的熱量不易散失,形成地層異常增溫（一般每100m增溫3℃～5℃）.而在缺少足夠厚覆蓋層的山區(qū),即使有地下熱源也極易散失,難以形成地溫異常區(qū).

2.2.2 地下熱水徑流微弱,歷史沉積多,降水入滲及河流補(bǔ)給少,水循環(huán)不暢；開采深度大,成本高,硬度、礦化度高,水質(zhì)差

圖2反映的是山西臨汾盆地傳導(dǎo)深埋型地?zé)嵝纬傻牡刭|(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)圖（來源：《山西省地下熱水調(diào)查報(bào)告》,2010年）.由圖2可以看出,與臨汾地區(qū)新生代斷陷盆地的下凹形態(tài)相反,下地殼與上地幔的莫霍面為相對隆起狀.“根據(jù)山西境內(nèi)大地電磁測深資料,該地區(qū)的中地殼是電阻率為2～5Ωm的低速高導(dǎo)層,在盆地中埋深14km左右,厚度為4km.”［3］,推測這個(gè)低速高導(dǎo)層可能是因?yàn)榈貧?nèi)物質(zhì)在高溫下熔融形成的.地?zé)嵬ㄟ^傳導(dǎo)使本地區(qū)寒武、奧陶系含水地層出現(xiàn)地層異常增溫,同時(shí)上部有足夠厚的蓋層作為保溫層,防止熱量散失.這些因素共同作用形成了該地區(qū)的傳導(dǎo)型地下熱水.

圖2 山西臨汾傳導(dǎo)型熱水成因示意圖

3 干熱型地?zé)豳Y源及人工激發(fā)途徑探索

3.1 干熱型地?zé)岬幕靖拍?/p>

干熱型地?zé)豳Y源（geothermal resource of hot dry rocks type）就是熱干巖型與巖漿型地?zé)豳Y源的統(tǒng)稱.其中巖漿型地?zé)嵊捎陂_發(fā)的技術(shù)難度大,成本高實(shí)際應(yīng)用很少.

干熱型地?zé)豳Y源雖然其溫度可達(dá)數(shù)百到數(shù)千攝氏度,但由于沒有或很少有水和蒸汽的存在,很難被人類直接利用.由于缺乏大氣降水補(bǔ)給,或者因?yàn)槠浔旧淼耐杆芰μ?與含水層相隔太遠(yuǎn),難以和水形成有效接觸傳導(dǎo)熱能,不能形成水熱型地?zé)豳Y源,導(dǎo)致巖體所蘊(yùn)藏的大量熱能目前還難以得到開發(fā).

3.2 人工激發(fā)

“人工激發(fā)”,就是人為地使熱干巖體產(chǎn)生透水裂隙或把鉆井施工到高溫的熱干巖層或直達(dá)地下巖漿處,通過人工輸水加熱汽化,獲取那里的熱量再將蒸汽引出后加以利用.簡單地講,人工激發(fā)就是通過技術(shù)手段將干熱型地?zé)徂D(zhuǎn)化為水熱型地?zé)豳Y源.由于此類熱能儲量巨大,新能源前景廣闊,全球科技人員一直都在探索研究中.目前已經(jīng)試驗(yàn)成功并加以應(yīng)用的人工激發(fā)方法主要包括高壓注水技術(shù)和水力直接破碎或人工爆破破碎技術(shù).隨著相關(guān)地?zé)嵫芯考案咝录夹g(shù)和裝備水平的發(fā)展,未來可使用的開發(fā)手段會更加成熟多樣.

3.2.1 高壓注水技術(shù)

利用干熱巖體原有的深部碎裂或巖漿冷卻時(shí)產(chǎn)生的裂隙,通過高壓將水注入,使深部熱源（一般要求在200℃以上）與水發(fā)生更多接觸,加熱后通過管道加壓將水汽提取到地面用于發(fā)電.由于熱源穩(wěn)定直接,雖然前期注水投入大,但熱水冷卻后再重新輸入地下供循環(huán)使用,因此這種地?zé)岚l(fā)電成本與其他再生能源相比還是有競爭力的,且不產(chǎn)生廢水、廢氣等污染.運(yùn)用這種新方法發(fā)電的首座商用發(fā)電廠已在瑞士的巴塞爾城建成.該電站每年為周邊的5 000個(gè)家庭提供30 000kw熱能和3 000kw電能［4］.

注水技術(shù)就是在原來無水無汽的干熱巖體內(nèi)人工增加了水的循環(huán),使其變成對流型地?zé)豳Y源加以利用.天然的對流型熱水大都分布在河谷、溝谷及盆地邊緣,就是因?yàn)檫@些地區(qū)同時(shí)具備了構(gòu)造及水源這兩個(gè)關(guān)鍵要素.廣大山區(qū)構(gòu)造活動(dòng)更為強(qiáng)烈,但由于缺乏足夠的水源參與下滲和循環(huán),覆蓋層薄不能起到保溫作用,難以形成地?zé)豳Y源.如果在已探明熱源理想的地區(qū),人工注水交換熱能,就會有更多的山區(qū)熱能被開發(fā)出來.

3.2.2 水力壓裂及其他爆破技術(shù)

壓裂技術(shù)就是通過壓力或爆破,使原來分離的地下熱源與水發(fā)生接觸產(chǎn)生熱水熱汽回收利用.法國在萊茵地塹使用的方法是鉆孔注水,利用水力壓裂地層后輸水.4個(gè)月的循環(huán)試驗(yàn)過程中,灌入240 000m3,出水流量為20～25L／s,水溫在140℃以上,輸出熱能為10mw.

在傳導(dǎo)型深埋熱水地區(qū),如果也采用壓裂或爆破技術(shù),將原來的地下水和熱源之間的阻隔層破壞掉,打通通道,就會大大提高熱交換效率,更好地利用地?zé)豳Y源.但這項(xiàng)技術(shù)的難度、成本都非常高,潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大.即使法國也只是開展試驗(yàn)性研究,還有待進(jìn)一步研究探索.

4 區(qū)域水資源開發(fā)對熱水資源的影響

熱水資源量受到有限的熱源和下滲水源控制,其開發(fā)利用潛力主要取決于地?zé)崴拇鎯α考捌溲a(bǔ)給速度的大小.只有合理開發(fā)和有效保護(hù),解決開發(fā)中出現(xiàn)的各種問題,才能實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用.

4.1 職責(zé)不清,無序開發(fā)

熱水資源就是熱礦水,但不等同于一般的礦產(chǎn)資源或水資源.目前熱水資源一方面作為礦產(chǎn)資源歸地礦部門審批,同時(shí)又作為水資源需要水利部門監(jiān)管資源開采量.多部門重復(fù)管理,大家都管,無人真管,地?zé)衢_發(fā)管理混亂.熱田資源普查少,用戶自主勘探多,缺乏綜合利用、多層次開發(fā)規(guī)劃,加上地方主體的利益驅(qū)動(dòng),急功近利,地?zé)豳Y源利用結(jié)構(gòu)單一,粗放經(jīng)營,地?zé)豳Y源浪費(fèi)嚴(yán)重,效率和效益都有待提高.

4.2 地下熱水的開采量是最直接的影響因素

地?zé)崮茉陂_發(fā)利用中要注意當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境的承受能力,否則會對地?zé)釡囟群铜h(huán)境產(chǎn)生不利的影響.

當(dāng)熱水開采井連續(xù)長時(shí)間抽水時(shí),就會形成降落漏斗.當(dāng)開采量長時(shí)間超出資源量上限時(shí),熱水水位逐漸下降,周圍低溫冷水就會進(jìn)入熱水含水層,水溫降低,水、熱平衡狀態(tài)被打破,導(dǎo)致熱水可開采資源量下降,造成惡性循環(huán).因此,只有在地?zé)崽锏目茖W(xué)勘察及資源量評價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有序開發(fā),才會實(shí)現(xiàn)熱水資源的可持續(xù)利用.

4.3 周邊地區(qū)地下水的過度開采影響

大部分熱水的含水層與周圍冷水的含水層是關(guān)聯(lián)相通的,高溫?zé)崴椭車睦渌畬踊檠a(bǔ)充.如果熱水周圍低溫地下水的大量開采使得原來含水層疏干或河道斷流,就必然要降低熱水區(qū)的地下水位,直接影響到下滲進(jìn)入深部熱源的水量,進(jìn)而使得加熱后對流循環(huán)上來的熱水資源量減少.地?zé)崽锏乃疁睾退宦裆疃紩鹉晗陆?開采量必然也隨之下降,如果不加限制,這些熱水井最終會面臨枯竭.

［1］孫 文.山西地?zé)豳Y源開發(fā)利用狀況分析［J］.地下水,2011（6）：35：34－36

［2］李 強(qiáng).山西地下熱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.山西臨汾——運(yùn)城盆地中的熱干巖型地?zé)豳Y源及開發(fā)前景展望［J］.山西煤炭,2010（8）：79－82

［4］格 爾.介紹一項(xiàng)新地?zé)岚l(fā)電方法［N］.中國電力報(bào),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－h(huán)ot type；hot－dry type；hydro－controled

1672－2027（2016）04－0063－04

P314

A

2016－09－05

張 榮（1968－）,男,內(nèi)蒙古四子王旗人,碩士,山西省水文水資源勘測局高級工程師,主要從事地下水勘測及資源利用研究.