沉积盆地型地热水资源评价体系研究

沉积盆地型地热水资源评价体系研究

地热资源是指在当前经济水平下有效开发的地热能。作为一种新能源，热热能具有减少污染、广泛应用和项目成本低等优点。根据2001年世界热带气候组织发布的数据，现在70多个国家和地区正在开发和使用地热能。它主要用于发电、供暖、工业干燥、清洁、医疗、水产养殖、温室栽培等。2001年，世界热机供应能力为10.643gw，地热能直接利用能力为112441pj。中国是地热资源丰富的国家之一。据总体估计，全国仅保存盆地不到2km的区域热资源总量为4.018.02j，相当于13.7111011吨标准煤。目前，中国北方、松辽盆地的地热资源得到了利用。到目前为止，人们可以使用它的地热资源主要是水。由于中国的研究还不成熟，目前的评价体系还不够成熟。根据多年的研究经验，作者提出了一套完整的盆地地热资源评价体系来进行探讨。1热水质量评价1.1加热温度和地方热水温度1.1.1盆地基底含碳质细比较高的温度场是地下热水温度的基本保证.评价盆地地温场可以查明研究区内的地温特征,圈定地温异常范围.地热资源的热能主要来自地球的内热能,即地球在形成和演化过程中释放的能量和地球内部放射性元素蜕变时释放的热能.上地幔隆起是供给沉积盆地地下热能的主要影响因素,浅的莫霍面和居里面埋深可能为形成大范围温度异常创造条件;地壳的运动不可避免地会产生大量的热能,因此,盆地的构造演化会形成局部的热能异常;盆地内深大断裂和其伴生的小断裂在产生过程中,由于机械摩擦会产生部分热量,同时断裂可以为深部的热源和浅部的热储提供良好的通道,所以沿断层走向地温梯度和大地热流也相对较高.基底岩性的作用也不容忽视,各类岩石具有不同含量的放射性元素,故其产热率也不一样,其中花岗岩产热率最高,达到8.3μJ·g-1·a-1,因此,盆地基底大面积分布的花岗岩也会成为地热的热源.不同的岩石具有不同的热导率,热导率较低的岩层具有较高的地温梯度,在沉积岩中,煤的热导率最低,泥岩和页岩次之,砂岩热导率较高.因此,不同的岩性表现出不同的地温梯度;另外,正向构造的聚热效应和地下水活动也对地温场有很大的影响.1.1.2采出液温度的计算井口温度对可利用能源的数量有直接的影响,甚至决定一口井是否有可利用的经济价值.计算井口温度实际要解决的是井筒的热损失.依据管道工程中的舒霍夫公式可计算井口温度,即Tk=T0+(TH−T0)exp(aLT),(1)Τk=Τ0+(ΤΗ-Τ0)exp(aLΤ),(1)式中:Tk为水的终点温度;TH为水的起点温度;T0为管道周围介质温度;LT为管道长度;a为常数.1.2n指数c从取暖的角度评价,主要考虑地热水对碳钢等取暖设施的腐蚀作用.地热流体中对金属材料腐蚀的主要物质有Cl-,O2,SO2−442-,H2S,CO2,NH3和溶解性固体.在地热水中,Cl-对腐蚀主要起促进作用,而不是反应物(去极剂).评价地下热水对金属的腐蚀作用,目前国内外还没有统一的标准,据天津市及西安市的实践经验,使用Larson指数评价符合实际,计算公式:L=[c(Cl−)+c(SO2−4)]/c(ALK)‚(2)L=[c(Cl-)+c(SΟ42-)]/c(ALΚ)‚(2)式中:L为Larson指数;c(Cl-)是地下热水中Cl-浓度;c(SO2−442-)是地下热水中SO2−442-的浓度;c(ALK)是地下热水中甲基橙碱度.其腐蚀程度的评价标准:L<0.5表示地热水对碳钢基本无腐蚀;0.5≤L<2.0表示地热水对碳钢有轻微腐蚀;2.0≤L<4.0表示地热水对碳钢有明显腐蚀;4.0≤L<7.0表示地热水对碳钢有较严重腐蚀;L≥7.0表示地热水对碳钢腐蚀严重.从饮用的角度评价,主要根据国家颁布的GB8537-87《饮用天然矿泉水》,GB5749-85《生活饮用水卫生标准》,GB14848-93《地下水质量标准》分析研究地热水是否符合这些标准,能否含有对人体补充有益的微量元素.热矿泉中化学组分与热水载体对人体具有综合作用,多年医疗保健功效表明,地热水对风湿病、心血管病、皮肤病、妇科病可起非药物医疗作用,因此,地热水常用于洗浴.按GB11615-89《地热资源勘察规范》中的“医疗热矿水水质标准”评价地热水医疗功能.2热水资源分析2.1地下水动力单元特征水文地质的研究主要是确定水势场,确定地下水在三维空间中的分布特征.结合热储研究成果,划分研究区的水文地质旋回,分析其分布特点,划分剖面上水动力单元系统,确定平面上水动力作用分区,研究热储目的层的水源、水补给条件和水运聚成藏规律.2.2热储系统的划分热储是指储存地热流体的岩石和岩层,热储研究一般是找适合热水聚集的储热系统.根据储热层(含水层)的空隙类型,储热构造可划分为孔隙型热储、裂隙型热储及孔隙-裂隙型热储.和石油储集一样,一个完整的热储系统不但需要孔渗发育的储集层用来供热水储集和运移,而且也需要连续、稳定的隔水(热)层.隔水层直接影响水资源在地层中的聚集和保存,可以有效防止热量散逸.一般大范围发育的沉积盆地,厚度比较大的泥页岩和砂岩储集层的有效匹配可以构成良好的热储系统.2.3层热水产能计算地热水单井自然产能是各热水层在地层压力下产能的总和,即Q=∑i=1nqi,(3)Q=∑i=1nqi,(3)式中:Q是单井日产热水量;qi是单层热水产能;n是热水层个数.在地热研究中,计算单层热水产能时,笔者采用经实践验证的产量计算公式:q=[542.871Kh(pi−pwf)]/[Bμ(ln(ri/rw)+S)],(4)q=[542.871Κh(pi-pwf)]/[Bμ(ln(ri/rw)+S)],(4)式中:q为热水日产量;K为渗透率;h为热水层厚度;pi为原始地层压力;pwf为井底压力;B为体积因数;μ为水黏度;ri为供水半径;rw为井径;S为表皮系数.3综合评价地球热资源的体系3.1建立评价体系根据地热资源的特点,选择8项有代表性的定量指标建立地热资源评价体系,即用于资源量计算的砂体厚度、孔隙度、渗透率、单井产能,衡量地温场的地下温度,反映地下水补给的地下水压力因数,评价地下水用途的矿化度,评价热水温度和井筒热量损失的井口温度.3.2评价分类及评价标准关于沉积盆地型地热资源的评价,目前还没有统一的标准,笔者根据多年的研究经验,将热储层划分为好(Ⅰ类)、中(Ⅱ类)、差(Ⅲ类)3种类别,在不同的地区,根据具体不同的热储层地质特点和不同的开发用途,给出不同的标准.黑龙江省滨北地区地热水资源层综合评价标准见表1.3.3资源层的定义8项参数在同一地区、同一热储层标准不一,笔者提出一套归类原则,即:8项参数有4项归入某一类,则将这一井段定义为这类资源层;当有同等数量参数项分属不同类别标准时,则按单井产能的标准归类,若单井产能不在其中,则按井口温度;如果某资源层的8项参数缺项时,则按项数最多的类别归类.根据评价标准和评价原则,建立评价体系,由计算机来完成评价过程,其流程见图1.4地热资源分布特征根据黑龙江省滨北地区沉积盆地型地热资源特点,考虑其供热、养殖的用途,建立了地热资源综合评价标准(表1),应用这一标准,采用所建立的评价体系,评价了泉三、四段和姚家组及全区地热资源分布特征.评价结果:姚家组热储有杜字号井、林字号井、除鱼1井以外的鱼字号井、双1井、双2井、双5井属于Ⅰ类热储区,李字号井、霍字号井、双3井、双深4井属于Ⅱ类热储区,其余井均属于Ⅲ类热储区.目前,大庆及周边开发的一