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地热资源开发利用实务全书 前 言 地热资源利用已有数千年的历史但是具有一定规模的开发地热能并用来 发电供暖以及工农业等利用则始于 20 世纪20 世纪 70 年代初期全球出现 石油危机再加上自然环境日趋恶化常规能源储量日渐减小许多国家为寻 找可替代能源掀起了一个以开发新能源和可再生能源的热潮地热能以资源 覆盖面广对生态环境污染小运营成本低等优势而受到人们的青睐我国地 热能的勘探开发和利用也随之兴起 我国地热工程技术的发展经历了三代技术第一代技术是地热地质技术 即以地热地质勘探为主体以简单的直接利用为标志如洗浴生活热水的直 接利用等第二代技术是工程热物理技术即工程热物理专家介入后以换热 器热泵等地热利用设备的出现为标志 第三代技术是集约化功能技术是 20 世纪 90 年代后期发展起来的它是 面向工程对象通过地上地下工程一体化设计平台实现各种热资源设备工 艺参数整体优化组合和整个利用系统功能达到最佳的现代化地热工程技术 为了促进地热资源开发利用技术水平的提高我们特组织有关专家学者 编撰了本书全书分为地热学基础知识地热资源开发利用概论地热资源地 质勘查地热井施工技术地热农业利用地热工业利用地热温泉利用地 热旅游和地热电站中低焓地热工程技术地热系统的防腐防垢与选材及工程 费用分析地热资源数据系统相关标准规范及相关法律法规内容全面新 颖 本书在编撰过程中参考了相关资料在此一并表示感谢由于编者水平有 限书中难免有不足之处恳请广大专家学者批评指教 编 者 2005 年 11 月 为了促进地热资源开发利用技术水平的提高我们特组织有关专家学者编撰了本书 全书分为地热学基础知识地热资源开发利用概论地热资源地质勘查地热井施工技术 地热农业利用地热工业利用地热温泉利用地热旅游和地热电站中低焓地热工程技术 地热系统的防腐防垢与选材及工程费用分析地热资源数据系统相关标准规范及相关法律 法规内容全面新颖 书 名地热资源开发利用实务全书 主 编周念沪中国地质大学教授 版 号ISBN 7801571703/R170 出版发行中国地质科学出版社 出版日期2005 年 11 月 定 价998.00 元共 4 册可检索光盘 目 录 第一篇 地热学基础知识 第一章 概述3 第二章 液体的热自由对流8 第一节 不同横截面的垂直巷道8 第二节 钻孔11 第三章 液体在岩石和钻孔中的运动15 第四章 气候对近地表岩层温度的影响 16 第五章 岩石的热力学性质17 第六章 温度对地壳和钻孔中的物理化学作用的影响19 第一节 岩石的流变性质19 第二节 岩石的物理性质21 第三节 地下水泥浆的物理性质水的化学成分出油量 24 第四节 水泥浆结构的形成混凝土的渗透性25 第五节 钻孔中的水压损失26 第二篇 地热资源开发利用概论 第一章 概述31 第一节 全球常规能源现状31 第二节 新能源和可再生能源32 第三节 我国后续能源发展战略35 第四节 国内外地热开发利用现状39 第五节 发展地热必须走可持续发展的道路46 第二章 地热能与地热资源49 第一节 概述49 第二节 地热资源与地热带60 第三节 岩石与地质年代68 第四节 地热资源分类73 第五节 中国的地热资源86 1 第三章 地热开发利用的环境保护101 第一节 概述101 第二节 地热流体开发利用对环境的影响102 第三节 地热水按不同用途的水质评价 107 第四节 我国的水环境质量标准111 第五节 地热排水的处理及试验研究 114 第四章 地热流体技术121 第一节 地热流体取样技术121 第二节 地热流体输送技术135 第三篇 地热资源地质勘查 第一章 概述181 第二章 地热资源勘查183 第一节 概述183 第二节 地热资源勘查内容184 第三节 勘查工程控制程序要求187 第三章 勘查的前期工作189 第一节 资料收集 189 第二节 航卫片解译190 第三节 地质调查 190 第四章 地球化学勘查193 第一节 用水文地球化学方法圈定地热异常区194 第二节 汞痕量检测法利用汞蒸汽勘查地热异常区197 第三节 应用地球化学温标估算深部热储温度197 第四节 用环境同位素和放射性氦He钋Po研究地热199 第五章 地球物理勘查202 第一节 地温勘探法203 第二节 电法205 第三节 大地电磁测探215 第四节 重力探测 217 第五节 磁法航磁探测218 第六节 地震法 218 第四篇 地热井施工技术 2 第一章 设备配置及施工布置223 第一节 设备选择 223 第二节 施工布置 227 第二章 钻井技术 232 第一节 钻孔结构 232 第二节 钻进方法 235 第三节 钻井液 276 第四节 直井防斜技术292 第三章 成井技术 296 第一节 成井工艺选择296 第二节 通孔与破壁299 第三节 井管安装 301 第四节 冲孔换浆 307 第五节 过滤器选择311 第六节 填砾316 第七节 止水与固井319 第八节 洗井及抽水试验322 第四章 常见事故的处理325 第一节 钻具事故及处理325 第二节 落物事故及处理329 第三节 卡钻事故及处理333 第四节 成井过程中常见事故及处理 343 第五章 旧井修复技术346 第一节 研究对象及仪器346 第二节 旧井处理 348 第六章 井的试验与热储评价359 第一节 概述359 第二节 地热井的试验361 第三节 数据采集与解释368 第四节 热储工程理论374 第五节 热储模型 377 第六节 热储模型与数值模拟378 第七节 中低温地热水的回灌381 第八节 地热资源评价383 3 第一篇 地热学基础知识 第一章 概 述 地壳的热力场是由放热和吸热热源的强度和分布地层的热力学性质及其变化规 律以及地表的温度决定的热源的强度及分布影响着地壳中发生的构造变动火山作 用和地质年代范围内的其它变幻无常的作用因此阐明地壳和上地幔地热场在揭示 地球的这些作用和热平衡机制方面具有重要的意义 地壳和地球的热力场总的来说系来源于内部的行星和外部的宇宙作用 放射性元素的衰变潮汐的摩擦弹性应力的松弛重力分异结晶作用和多形转化 电子层的重新排列相转换化学反应都属于放热的内部作用在内部作用中链锁反 应是不存在的因为地球深部的密度和压力低于保证进行这种反应的临界值宇宙辐射 太阳辐射太阳星体及银河系的微粒辐射和其它辐射属于外部热源 为了确定地球的热状态 最重要的是要掌握地球深部各种作用所释放出来的热能的 标准数值以及地球丧失能量的多少大多数人认为地壳和地幔层所含放射性元素的 衰变是整个内部热源的最主要来源这些放射性元素的含量和分布系根据测量处在 地壳最上部的岩石和陨石的资料以及根据计算地球内部所释放出来的热量来估计的 根据行星中发散的总热量的计算和许多研究者的实验资料 地球深部放射性元素的 含量随深度的增加而减少 有关放射性元素随地球半径作规律性分布的准确资料暂时还 没有但大多数人认为这些元素集中在接近地球表层的数百公里厚的岩层内在这种 情况下不必要老是统计沉积岩层中放射性元素的含量据推测在地球存在的早期阶段 放射性元素在整个星球是均匀分布的后来随着物质的重力分异和地壳的形成放射 性元素便集中于上层 放射性热在地球能量平衡中的强度和所占的比例以及热源的分布 在地球发展过程 中都是变化的 在地球存在的各个不同阶段 放射性热的析出主要是靠长半衰期的 238U Ac235U 232Th40K 和短半衰期的 10B26A136Cl60Fe 放射性同位素的蜕变进行 3 的 短半衰期放射性同位素主要在地球发展早期阶段的能量平衡中有重要的意义 然而 如果考虑到 B..彼契尔尼柯夫和 B.H.达赫诺夫假说由于宇宙极强的辐射在地球历 史的任何阶段各种各样半衰期的同位素是都可以形成的 与行星发展同时地球深部放射性热的产生热流密度及温度都曾发生过变化按 E.A.留比莫娃的计算 热流古密度从 2.110 2变到 12.6 10 2瓦/米2 地热向地表的流 动差不多是在整个上地幔直到 700 公里的深度内进行的因此靠近地表的热流却有 着深部的成因并反映了上地幔深部地层的状态特点 如果不考虑消耗在相转换上的热量地球在 45 亿年中通过热传导失去的热量等于 0.31031焦耳放射性元素总的释放热达到0.621031焦耳均质地球的分层 密度较大的地核和密度较小的地壳的形成能释放出1.52.01031焦耳的能量或 者 51021焦耳/年这是完全可以与放射性衰变产生的热能相比拟的放射性热和重力 作用产生的热能的强度等于 351012瓦这些类型的能量在地表可产生的热流密度为 6.910 2瓦/米2 潮汐摩擦引起地球旋转减慢而产生的热流密度为 1.0510 2瓦/米2 一直到现代 潮汐摩擦产生的热量相当于放射性热的 1030﹪因此能量的大部分分散在海洋之中 [205]潮汐摩擦能在逸散到薄的粘结层中时具有重要的意义这种粘结层分布在深 100 公里处并具有降低地震波传播速度的特点在这种地层里潮汐摩擦可以极大地 促使温度的升高若地层的粘滞性在水平方向上有所变化温度可以在几十几百度范 围内变动 温度的升高可以导致地层局部的熔化 E.A.留比莫娃根据理论研究得出结论 温度的变动 引起热弹性的切向和径向应力 大大地超过上地幔中组成地幔物质的强度 陨石及陨尘向地球降落的过程对地球表面有少量的加热陨石和陨尘增加了地球 的体积和质量由于惯性的瞬间变化旋转速度的减缓释放出功率为 1.461012瓦的 能量地表面积为 51014米 2 这时产生的热流密度为 0.2910 2 瓦/米 2 在宇宙坠 落物质的重力作用下发生的绝热压缩对地球开始和以后的温度有相当大的影响或依 初始条件而有着各种不同的影响 比较一下现在估计的放射性衰变重力作用及地球旋转速度变化所释放出来的热 能可以得出结论这些作用的热效应大体是一致的 深部热源能 1031 焦耳 放射性能1.62.8 重力能形成地球30 4 重力势能25 弹性能压缩地球2 重力分异能1.52.0 旋转能 旋转速度的减缓0.36 旋转速度的变动2 因此没有任何根据认为是某一种作用主宰了地球的热历史和热状态 因为这些作用 的每一种都能保证当时深部热的丢失同时也不应排斥地球还有其它的热能源尽管对 它们的研究较少 构造作用 变质作用和岩浆作用也都释放出热 这些作用主要是把地球内部的能量 由一种形式转化为另一种形式把地下深部的热能传到地表将热能重新分配到各个不 同的区段而不改变地球的总能量在某些地区的能量平衡中这些热源起着相当大的作 用上述作用对全球能量的影响既取决于作用的力学性质持续的时间和强度也取 决于地块的规模不同自然条件的地质体的性质 构造作用引起地块移位塑性变形和断裂在垂直运动的情况下势能发生变化 地块上升势能增加地块下沉势能减少根据近似计算经过白垩纪以来七千万 年的历史所有新生代地槽区约 21013 米 2 厚 40 公里的地壳垂直上升 5 公里 其势能增长率等于 1.71018焦耳/年该计算中采用了所有新生代地槽的面积尽管这 样所获得的值仍低于地球产生的内热值的三次方水平运动时全部能量消耗在克服 摩擦力上当摩擦系数岩石对岩石为 0.6 时厚 2 公里面积 100100 公里速度 为 110 2米/年的地块运动 每年消耗的内能大约为 41015焦耳 地块在压缩条件下所产生的垂直运动要消耗地球的内能所有平移断层平移逆 掩断层和其它运动也要消耗地球的内能消耗在摩擦上的能量便引起接触面发热所释 放出来的热改变了狭窄接触带上的热状态运动停止后又很快地逸散在研究变质作用 和地磁学的一般问题时这种局部的热效应也应考虑 在外力作用下地层发生塑性和弹性形变塑性形变导致形成大大小小的褶皱而 弹性形变则引起压缩伸张和弯曲一俟负荷去掉积蓄的能量便以弹性地震波的形式 释放出来考虑到造山作用变形和地震波等现象构造作用每年平均要消耗 31018 焦耳的热量该能量值在流向地表的总热流中只有第二位的意义 地壳中还进行着伴有吸热放热现象的氧化还原反应溶解淋滤结晶细粒 5 分散沉积物的成岩等作用氧化反应主要在地壳的氧化带该带的厚度是由供氧给地壳 深处的地下水的活动循环带的深度确定的有机物的氧化反应具有最大的热效应该反 应伴随有平均为 3.84105焦耳/克分子的热量放出 在化学作用中最常见的是硫酸盐的还原它能放出 79.1103焦耳/克分子热量 除了氧化一还原反应以外在地壳中还进行着石盐石膏白云石石灰石硬石膏等 的溶解淋滤和结晶的可逆反应同一种岩石溶解和结晶的热效应按其绝对值是相 等的但符号不同石膏白云石石灰石硬石膏溶解时放热而石盐溶解时反而吸 热 溶解反应的热效应 焦耳/克分子 方解石123.60 白云石169.28 石膏6.87 硬石膏130.73 石盐66.62 粘土岩层压实时同样有热量放出在压力为 24.5106巴的条件下每立方米岩 石释放出 502.8 焦耳能量 应当着重指出在岩石被改造的早期阶段进行的大多数作用有放热的特点并且 这些作用的热效应对地球深部的热状态没有明显的影响 基本上是在地球内热反应条件 下进行的岩石深部变质作用正好属于这种情形 太阳在行星和大气层里辐射所引起的电流也能在地球里释放出热能只是这样产 生的热能的数量目前尚未作出估计 有不小一部分的地热是从太阳获得的太阳辐射对于进行在地壳最上层地表和 大气中的大多数自然作用是最基本的热源一平方米地面每年平均接受 6.9109焦耳 热没有考虑太阳所辐射出的中微子所引起的地球深部放出来的热这些热量高于相 应体积的铁陨石放射性热的一倍 太阳热三分之二被地表所吸收三分之一被大气吸收被地表所吸收的热量的 35.7 ﹪又以长波辐射形式散失10.8﹪以紊流热散失形式进入大气53.5﹪消耗在蒸发上 海洋上消耗的蒸发热较多陆地上消耗的较少 通过地球表层最后的热流方向和大小 在一年的不同季节以及在漫长的地质时代里 是可以变化的最后的热流的变化导致地表的温度也随之改变而其初始近似温度值 6 可按地球表面所获得的太阳辐射能予以计算面积为 πγ2的地表在单位时间内获得的能 量数为 π2ε[ε12.6102瓦/米 2 K4太阳光辐射常数]并加热到温度 T依照斯捷 藩一波尔茨曼定律被加热的地表幅射的能量数等于 4πγ2σT4式中σ5.67108 瓦 /米 2 K4斯捷藩一波尔茨曼常数当热平衡时 即为 276K 或 3然而由于地球深部来的热以及大气对地球长波幅射的强烈吸收 地表的平均温度等于 152外部热源对地壳的影响可以延伸到数百米或更深的地 方地球主要的热散失其值达 25109瓦是通过热传导实现的此外还有其它形 式的热丢失如地球通过火山活动就损失了 1.3109瓦的能量这种消耗对于某 些地区来说可以很明显然而对于整个地球来说是不很大的热泉散失的热并不很多 但是在地球沉积层中循环的水可能导致的热散失比通过热传导损失的还要多地球 热量的总损失超过 531012瓦 7 第二章 液气体的热自由对流 自由热对流的研究是从.别纳尔1900 年观察水平层液体内有规律地产生周 期性对流的实验开始的别纳尔网扣见后这方面的理论以后发展得很缓慢 基本上都是别纳尔问题的重复只是在 1946 年.A.奥斯特洛乌莫夫从理论上和实验 上研究了垂直圆筒巷道产生对流的条件.A.奥斯特洛乌莫夫的调查 曾导致一系列有 关不同形态岩洞对流的著作问世由于对水动力非稳定性问题及其对热交换和地球物 理方面的大量附加问题的兴趣日益增长五十年代以来开始了广泛的对流调查此外 借助电子计算机也使其有了解决复杂问题的可能 钻孔矿山工程裂隙岩石的喀斯特溶洞和岩石孔隙内的自由对流是热交换的 一种类型这种对流是由于热量不同成分不均匀和杂质浓度不同而导致液体气体 密度的差异所引起的在重力场的作用下液体气体的较轻部分上升较重的部分 下沉液体气体的对流运动破坏了岩石的热力场引起温度在钻孔和