地源热泵地质知识培训讲义

地质、水文地质、地热地质

基本知识介绍

1、地层的结构和形成过程2、水文地质条件3、换热井、换热孔的施工工艺和成井工艺4、抽水试验和现场换热试验5、浅层地热能6、地热地质条件评估1、地层的结构和形成过程北京区域地质发展简表地层太古界Ar：密云群﹙Army﹚岩性为二辉麻粒岩，黑云闪辉斜长片麻岩和云辉变粒岩。中上元古界(1)长城系(Ch)常州沟组(Chc)石英砂岩串岭沟组(Chch)页岩团山子组(Cht)白云质灰岩和白云岩大红峪组(Chd)砂岩高于庄组(Chg)白云岩中上元古界（续）：蓟县系﹙Jx﹚杨庄组﹙Jxy﹚：紫红色含粉砂泥晶白云岩雾迷山组﹙Jxw﹚：该组厚度大，分布范围最广。其岩性为硅质白云岩、燧石条带白云岩、藻团白云岩、纹层状泥晶白云岩及砂屑白云岩。区内沉积厚度2000-3500m

洪水庄组﹙Jxh﹚：岩性为灰、灰黑色页岩，夹黄绿色粉砂质页岩，沉积厚度较薄，区内揭露的视厚度一般为60-90m，最大可达147m铁岭组﹙Jxt﹚：岩性主要为灰质白云岩、白云岩与泥晶白云岩，沉积厚度一般小于400m

青白口系﹙Qn）下马岭组﹙Qnx﹚：岩性为深灰色页岩、黑色碳质页岩夹粉砂质页岩，沉积厚度200-500m，平原地区揭露的最大视厚度达687m龙山组﹙Qnl﹚：岩性为页岩、中粗粒石英砂岩夹砾岩与海绿石砂岩，沉积厚度多在100m左右，区内揭露的最大视厚度达316m景儿峪组﹙Qnj﹚：岩性为紫红、黄绿色泥灰岩与泥晶灰岩，沉积厚度变化较大，一般小于150m，区内揭露的最大视厚度为256m地层古生界：寒武系﹙∈﹚昌平组﹙∈1c﹚：岩性为豹斑状白云质灰岩与泥晶灰岩，沉积厚度一般为60-80m馒头组﹙∈2m﹚：岩性主要为紫红色页岩与粉砂质泥岩夹泥晶白云岩。沉积厚度一般为110-130m张夏组﹙∈2z﹚：岩性为灰-黑色中厚-巨厚层鲕粒灰岩夹薄层钙质粉砂岩和泥质灰岩，沉积厚度为190-210m。炒米店组﹙∈3c﹚：主要为杂色泥晶竹叶灰岩、泥质条带灰岩夹钙质粉砂岩与页岩，沉积厚度约200m奥陶系﹙O﹚其岩性主要为深灰色中-巨厚层泥晶灰岩与粉晶白云岩夹竹叶灰岩与页岩，沉积厚度约500-600m石炭系﹙C﹚只有中上石炭统，为一套灰黑色页岩与粉砂岩夹煤层，其沉积厚度约200m二叠系﹙P﹚岩性主要为灰黄、灰绿、灰黑色粉砂岩、细砂岩、长石石英砂岩，下部夹砾岩，其沉积厚度约500m地层中生界

：三叠系﹙T﹚

岩性为粉砂岩，细砂岩，岩屑砂岩夹页岩侏罗系﹙J﹚

岩性主要为安山岩、凝灰岩与沉积碎屑岩，揭露的最大视厚度达2208m

白垩系（K）

只有下白垩系，岩性主要为砾岩、泥岩与岩屑砂岩，夹凝灰质砂岩，主要分布在北京迭断陷内，揭露的视厚度达1755m新生界第三系（R）划分为上第三系（E）与下第三系（N）。下第三系岩性为深灰色砂页岩夹多层玄武岩，上第三系主要为棕红色泥岩、砂岩与砾岩，主要分布在北京迭断陷与大厂新断陷内。北京市平原区上下第三系揭露的最大视厚度分别为1743m与2595m

第四系（Q）

岩性主要为粘性土与砂砾石层，区内均有分布，揭露的厚度最大达1000m以上地层地质图地质构造北京地区大地构造位置处于中朝准地台燕山台褶带中段以及华北断拗的西北隅。燕山台褶带（Ⅱ1）：承德迭隆断（Ⅲ1）；密云怀柔中隆断（Ⅲ2）；兴隆迭拗褶（Ⅲ3）；蓟县中拗褶（Ⅲ4）；西山迭拗褶（Ⅲ5）；华北断拗（Ⅱ2）:北京迭断陷（Ⅲ6）；大兴迭隆起（Ⅲ7）；大厂新断陷（Ⅲ8）；固安-武清新断陷(Ⅲ9)第四系河流沉积作用摘自倪晋仁、马蔼乃《河流动力地貌学》世界上大冲积平原都是由河流摆动、泥沙堆积而成。粗细不同的泥沙沉积在河流的不同部位，称之为相。相可分为沿程分异（上游粗下游细）、横向分异（弯曲性河流深槽部分粗，凸岸细；河漫滩因水浅砂细，多粘土沉积）和垂向分异（二元结构）。2水文地地质条件概念一个地区地地下水埋藏藏、分布、、运动、以以及水质和和水量等特特征的总称称。根据工工作目的水水文地质条条件可分为为区域水文文地质条件件、供水水水文地质条条件、矿区区水文地质质条件等。。只有正确确掌握地区区水文地质质条件，才才能合理开开发地下水水资源。在实际工作作中,往往往需要反映映某一地段段在一定深深度内的含含水层的埋埋藏与分布布、地下水水位以及地地下水的补补给、径流流、排泄情情况，地下下水化学类类型及其垂垂向变化资资料和图件件。地下水概念念：以各种种形式埋藏藏在地壳岩岩石中的水水。a、按其存存在形式可可分为:气气态水、吸吸着水、薄薄膜水、、毛细管管水、重力水水和固态水水等。b、按含水水层埋藏特特征可分为为:包气带带水、潜水水和承压水水。c、按含水水层空隙特特点可分为为:孔隙水水、裂隙水水和岩溶水水。d、按水质质和水温的的特点可分分为：矿化化水、高矿矿化水、热热水等。潜水：地表表以下第一一个稳定隔隔水层以上上具有自由由水面的地地下水。自自由水面称称潜水面，，潜水面相相对于基准准面的高程程称潜水位位。承压水：充充满于上下下两个隔水水层之间的的具有承压压性质的地地下水。2水文地地质条件含水层：地地下水面以以下饱水的的透水层。。构成含水层层的条件：：有储存重重力水的空空隙；下伏伏有隔水层层。根据含含水层的岩岩性和单井井出水量，，可以编制制富水性分分区图，作作为开采利利用地下水水的依据和和参考。隔水层：重重力水不能能透过的土土层或岩层层。一般孔孔隙很小的的粘土层、、重亚粘土土、以及致致密岩层（（如页岩、、火成岩、、变质岩））等都是隔隔水层。由由于隔水层层的存在，，使上下含含水层没有有水力联系系。2水文地地质条件地形地貌山区：太行行山脉、燕燕山山脉平原：山前前冲洪积扇扇、冲积平平原延庆盆地：：湖相沉积积第四系厚度度第四系地质质结构密云水库往往南东向水水文地质剖剖面门头沟往南南东向水文文地质剖面面大石河往南南东向水文文地质剖面面地层自冲积积扇的顶部部到下游，，地层颗粒粒由粗变细细，由单一一层变为多多层结构，，富水性降降低，水井井单位降深深的出水量量减少。不同流域地地质剖面中心区域联联合地质剖剖面北京平原西西部、北部部和东北部部三面环山山，受拒马马河、大清清河、永定定河、北运运河、潮白白河5大河河流冲、洪洪积而成，，第四系地地层结构具具有典型的的冲、洪积积平原特征征，地质、、水文地质质条件复杂杂多变。北北京市中心心城区主要要分布在永永定河冲洪洪积扇。平原区地下下水系统划划分含水层结构构图含水层富水水性第四系地下下水补给、、径流和排排泄补给大气降水入入渗河渠入渗灌溉水回归归山区侧向径径流流入基岩顶托补补给径流天然状态下下，由冲洪洪积扇顶部部向下游径径流因人为影响响，形成了了降落漏斗斗，改变了了局部的地地下水径流流方向排泄开采向下游边界界的径流排排泄局部的潜水水蒸发地下水水位位及其动态态变化潜水位等值值线及埋深深分区图3、换热井井、换热孔孔的施工工工艺和成井井工艺施工工艺：：包括钻机机选择、钻钻头与钻具具组合、循循环液、防防斜和事故故处理等环环节。成井工艺：：包括下管管（井壁管管和滤水管管）、填料料、止水和和洗井等主主要工序的的钻探工艺艺。4、抽水试试验和现场场换热试验验抽水试验：测定含水层层富水性和和水文地质质参数的试试验活动。。可分为：：稳定流、、非稳定流流抽水试验验；单孔、、多孔、干干扰抽水试试验等。目目的是通过过在水井或或钻孔中抽抽水，观测测记录水量量、水位随随时间的变变化，利用用水位与流流量间的函函数关系，，计算含水水层渗透系系数和井、、孔的出水水能力。如如果有一定定数量的观观测孔，还还可同时确确定影响半半径和降落落漏斗的形形状、岩层层给水度和和含水层与与地表水及及各含水层层间的水力力联系等。。稳定流抽水水试验：要求在一定定的持续抽抽水时间内内流量和水水位同时相相对稳定（（即不超过过一定的允允许波动范范围），一一般进行1—3个落落程的抽水水，抽水后后还要对水水位恢复情情况进行观观测和记录录，稳定流流抽水试验验主要用于于计算含水水层的渗透透系数。非稳定流抽抽水试验：：在抽水钻孔孔中仅保持持水量稳定定并使水位位不断变化化，或仅保保持水位稳稳定使水量量不断变化化的抽水试试验。目的的是用人工工控制的方方法，使钻钻孔周围含含水层中发发生地下水水的非稳定定运动，通通过测定水水位随时间间的变化过过程（或水水量随时间间的变化过过程），来来测求含水水层中地下下水的水文文地质参数数。如导水水系数、压压力传导系系数、渗透透系数、给给水度或释释水系数等等。4、抽水试试验和现场场换热试验验现场换热试试验：利用地埋管管换热系统统采用人工工冷（热））源对测定定岩土体的的热传导性性能的试验验。（浅层层地热能勘勘查评价技技术规范送送审稿）原理图4、抽水试试验和现场场换热试验验换热孔施工

4、抽水试试验和现场场换热试验验概念：蕴藏在浅层层岩土体、、地下水或或地表水中中的热能资资源。－2006年年1月1日日颁布实施施的《地源源热泵系统统工程技术术规范》（（GB50366一2005）蕴藏在地表表以下一定定深度（一一般为200m））范围内的的地质体中中具有开发发利用价值值的热能。。－由国土土资源部编编写的《浅浅层地热能能勘查评价价技术规范范》（送审审稿）5浅层层地热能地球内部的的温度分布布（引自A.A.斯梅梅斯洛夫等等人，1979）地球表层的的热状态（（以河北省省怀来县某某地为例））－引自《地热热》，1972年，，火山温泉泉地热能作作者稍加修修改－引自火山山温泉地热热能某深井地层层岩性与温温度变化曲曲线1－泥岩2－页岩岩

3－砂砂岩

4－－灰岩5－白云岩岩地球的散热热量和生热热量－引自火山山温泉地热热能热能释放方式卡／年热流单位大地热流（EHF）2.45×10201.47火山活动能（EV）7.80×10180.047温泉、地热能(EW)5.00×10180.003地震能(ES)1.75×10170.001总计2.54×10201.52热源类别卡／年热流单位放射性衰变能（QR）2.37×10201.42潮汐摩擦能（QT）5.00×10180.03化学反应能总计2.42×10201.45浅层地热能能的基本特特征浅层地热能能是热能的的一种形式式。浅层地地热能从不不同分类角角度可以划划归为：可可再生能源源，清洁能能源，非燃燃料能源、、新能源、、过程能源源、低品位位能源和非非商品能源源。浅层地地热能既是是一次能源源，又是二二次能源。。分布的不平平衡性和规规律性；有有限性和无无限性；多多功能性；；系统性；；分散性；；低品位性性等。在不同地温温区域生长长不同种类类的植物，，孕育不同同的动物种种群，和阳阳光、空气气、水一样样，浅层地地温能同样样是万物生生息繁衍的的要素之一一。单位时间内内单位面积积的地球表表面在一定定深度内其其能提供的的热量是有有一定界限限的，这个个界限随着着科学技术术的发展而而增加，超超过这个量量的部分将将由其它能能源转化弥弥补，地温温不会一直直降下去。。制约了开开发项目规规模，需要要引起足够够重视。在利用换热热器提取和和排泄热量量的状态下下，岩土体体中温度的的分布发生生了剧烈的的变化，天天然状态下下的“恒温温层”已经经不复存在在。地埋管管取热区域域及其影响响范围内的的岩土体的的地温场成成为干扰下下的“人工工变温层””。浅层地热能能影响因素素地下水地源源热泵系统统：项目实施施高度依赖赖于工程场区内水文文地质条件件，主要影响响因素有：：地下水类类型，含水水层的结构构、连通性性、渗透系系数，地下下水的径流流、静水位位、动态变变化、单位位涌水量等等水文地质质条件；水水温、水质质等物理化化学特性。。地埋管地源源热泵系统统：项目实施受受工程场区区内地质、水文地质质条件影响较大，主要要影响因素有：：地层结构、岩岩土体热物性参参数等地层条件件；地下水含水水层的分布、静静水位、流速等等水文地质条件件；地温、水质质等物理化学特特性。6地热地质质条件评估踏勘收集资料浅层地热地质调调查周围地源热泵项项目调查试验和测试资料整理和报告告编写准备工作勘查实物工作计计划报告评审和提交交实物勘查工作如果已有资料比比较充分，可以以省略这些实物物工作勘查工作内容踏勘了解项目的基本本情况确定具体位置（（GPS---坐标）收集资料地形、地貌气象、水文区域地质水文地质地热地质工程地质遥感、遥测钻探地球物理勘探地球化学试验和测试周围已有热泵工工程周围正在设计、、施工的热泵工工程浅层地热地质调调查地质调查：岩性性、地质构造水文地质调查：：水井、泉水等等水点的调查（（参考水文地质质测绘工作内容容）地下水位统测浅层地温测试：：已有水井、钻钻孔不同深度的的温度资料周围地源热泵项项目调查位置及和勘查项项目区的距离浅层地热地质条条件及其和勘查查项目区的相似似性占地面积、建筑筑类型、建筑面面积等热泵系统负荷埋管类型、数量量、设计、安装装情况热泵系统运行状状况存在问题试验和测试抽水试验地球物理测井岩石热导率和比比热容测试埋管换热能力测测试抽水试验一般考虑在已有有水井进行试验方法、步骤骤和技术要求参参考水文地质勘勘查规范地球物理测井自然电位测井视电阻率测井自然γ测井温度测井声波测井试验和测试岩土热导率和比比热容测试采取土体或岩石石样品，送有资资质的实验室测测试必要时送不同实实验室测试尽可能采取原状状土样测试埋管换热能力测测试不是地质条件评评估的必要内容容应严格控制试验验条件应选择适当的物物理、数学模型型对试验结果进进行模拟，比如如在热对流起主主导作用时，采采用单纯的热传传导模型是不尽尽合理的试验和测试资料整理和报告告编写浅层（150米以内）地热地地质条件的描述述的内容对松散层地区区域地质背景：：所处地质构造造单元，简述区区域地层、地质质构造第四系分布规律律：岩性、厚度度、结构等含水层划分：包包气带岩性和厚厚度，含水层类类型、厚度、岩岩性、渗透性、、富水性等，并并应附相应平面面和剖面图地下水的补给、、径流和排泄及及相应附图（如如潜水等水位线线图、承压水等等水压线图等））地下水水位动态态（附图）不同深度地下水水水质及地下水水污染状况（实实际资料）浅层地温及浅层层地温梯度、恒恒温带的深度和和温度等地层的热导率和和比热容（可采采用经验值）对基岩区（尽可