地热技术——从勘探到开发利用.pdf

地热技术地热技术概述概述 从勘探到开发利用从勘探到开发利用 二〇一〇年六月二十日 目 录 1. 地热资源利用领域地热资源利用领域 ...................................................................................... 1 1.1 地热发电 ........................................................................................................ 1 1.2 地热供暖 ........................................................................................................ 1 1.3 地热务农 ........................................................................................................ 1 1.4 地热行医 ........................................................................................................ 2 1.5 GIS技术 ......................................................................................................... 2 2. 地热资源普查方法地热资源普查方法 ...................................................................................... 3 2.1 地球化学和地质学方法 ................................................................................... 3 （1）地球水化学调查 ......................................................................................... 3 （2）绘制水热蚀变图 ......................................................................................... 3 （3）测量土壤中的微量元素 ............................................................................... 3 （4）热释光TL年代法 ...................................................................................... 3 2.2 地球物理勘探方法 .......................................................................................... 3 （1）直接方法 .................................................................................................... 4 （2）间接方法 .................................................................................................... 4 2.3 遥感遥测方法 ................................................................................................. 5 2.4 利用地理信息系统技术探测地热 ..................................................................... 6 2.5 地热勘探技术发展趋势 ................................................................................... 6 （1）多种勘探方法的综合运用. .......................................................................... 6 （2）遥感技术的应用 ......................................................................................... 6 （3）3S技术的发展与运用 ................................................................................. 7 3. 地热勘探技术地热勘探技术 ............................................................................................. 8 3.1 地质技术 ........................................................................................................ 8 3.2 地球化学技术 ................................................................................................. 8 3.3 地表温度和热流测量 ...................................................................................... 9 3.4 阻率测量 ........................................................................................................ 9 3.5 大地电磁感应法 ............................................................................................ 10 3.6 重力法 .......................................................................................................... 11 3.7 水银蒸汽分析法 ............................................................................................ 12 3.8 磁法 ............................................................................................................. 13 3.9 地震勘探技术 ............................................................................................... 13 （1）野外数据采集方法 .................................................................................... 14 （2）地震资料处理 ........................................................................................... 15 （3）地震资料解释 ........................................................................................... 15 3.10 计算技术 ...................................................................................................... 15 3.11 遥感技术 ...................................................................................................... 15 3.12 超长电磁波地下遥感技术 ............................................................................. 16 （1）基本原理 .................................................................................................. 16 （2）解译标志 .................................................................................................. 16 （3）解译方法 .................................................................................................. 16 3.13 5m高精度地温测量法 ................................................................................... 16 4. 地热资源评价方法地热资源评价方法 .................................................................................... 18 4.1 常规方法 ...................................................................................................... 18 4.2 蒙特卡罗法并与单元热储体积法 ................................................................... 18 4.3 数值模拟方法（反演模拟） .......................................................................... 18 4.4 中低温地热研究技术 .................................................................................... 18 5. 地热资源开发利用技术地热资源开发利用技术 ............................................................................. 20 5.1 地热资源可持续发展利用的关键技术 ........................................................... 20 （1）应用回灌技术，实现采灌平衡 .................................................................. 20 （2）应用热泵技术，提高资源利用率 .............................................................. 20 （3）低温采暖，降低地热尾水温度 .................................................................. 20 （4）梯级开发，循环利用工艺 ......................................................................... 20 5.2 地热发电技术及存在的技术难题 ................................................................... 20 （1）优势发电方式 ........................................................................................... 20 （2）需要解决的重大技术难题 ......................................................................... 21 5.3 地热泵技术及存在的技术难题 ...................................................................... 22 （1）存在的优势 ............................................................................................... 22 （2）存在的问题 ............................................................................................... 22 5.4 地热水回灌技术 ............................................................................................ 23 （1）真空回灌 .................................................................................................. 23 （2）压力回灌 .................................................................................................. 23 （3）地热水回灌存在的技术难题 ...................................................................... 23 6. 地源热泵技术地源热泵技术 ........................................................................................... 25 6.1 直接膨胀DX热泵系统 ................................................................................. 25 6.2 混合热源Hybrid系统 .................................................................................. 25 6.3 垂直立井Standing Column Well系统 .......................................................... 26 6.4 金属板式换热Jim Slim系统 ........................................................................ 26 6.5 热泵和燃料电池Fuel Cell复合系统 ............................................................. 26 7. 地热发电技术地热发电技术 ........................................................................................... 27 7.1 直接蒸汽发电法 ............................................................................................ 27 （1）背压式汽轮机循环系统 ............................................................................. 27 （2）凝气式汽轮机循环系统 ............................................................................. 27 7.2 扩容（闪蒸式）发电法 ................................................................................. 27 7.3 中间介质（双循环式）发电法 ...................................................................... 28 （1）有机朗肯循环 ........................................................................................... 28 （2）卡里纳循环技术 ....................................................................................... 29 7.4 全流循环式发电法 ........................................................................................ 31 7.5 联合循环发电 ............................................................................................... 31 7.6 干热岩发电 ................................................................................................... 31 地热技术概述从勘探到开发利用 1 1. 地热资源利用领域 1.1 地热发电地热发电 地热发电是地热利用的最重要的方式。 高温地热流体应首先应用于发电。 地热发电和火 力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮中转变为机械能，然后带动电机发电。 所不同的是，地热发电不象火力发电那样要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的 能源就是地热能。地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转 变为电能的过程。要利用地下热能，首先需要有”载热体”把地下的热能带到地面上来。目 前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、 压力和其它特性的不同， 可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大 类。 1.2 地热供暖地热供暖 将地热能直接用于采暖、 供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。 因为这种利 用方式简单、经济性好，倍受各国重视，特别是位于高寒地区的西方国家，其中冰岛开发利 用得最好。该国早在 1928 年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一个地热供热系统，现今 这一系统已发展得非常完善，每小时可从地下抽取 7740t80℃的热水，供全市 11 万居民使 用。由于没有高耸的烟囱，冰岛首都已被誉为“世界上最清洁烟的城市” 。此外利用地热给 工厂供热，如用作干燥谷物和食品的热源，用作硅藻土生产、木材、造纸、制革、纺织、酿 酒、 制糖等生产过程的热源也是大有前途的。 目前世界上最大两家地热应用工厂就是冰岛贩 硅藻土厂和新西兰的纸桨加工厂。 我国利用地热供暖和供热发展也非常迅速， 在京津地区已 成为地热利用中最普遍的方式。 1.3 地热务农地热务农 地热在农业中的应用范围十分广阔。 如利用温度适宜的地热水灌溉农田， 可使农作物早 熟增产；利用地热水养鱼，在 28℃水温下可加速鱼的育肥，提高鱼的出产率；利用地热建 造温室，育身、种菜和养花；利用地热给沼气池加温，提高沼气的产量等。将地热能直接用 于农业在我国日益广泛，北京、天津、西藏和云南等地都建有面积大小不等的地热温室。各 地还有地热大力发展养殖业，如培养菌种、养殖非洲鲫鱼、鳗鱼、罗非鱼、罗氏虾等。 地热技术概述从勘探到开发利用 2 1.4 地热行医地热行医 地热在医疗领域的应用有诱人的前景， 目前热矿水就被视为一种宝贵的资源， 世界各国 都很珍惜。由于地热水从很深的地下提取到地面，除温度较高外，常含有一些特殊的化学元 素，从而使它具有一定的医疗效果。如含碳酸的矿泉水供饮用，可调节胃酸、平衡人体酸碱 度； 含铁矿泉水饮用后， 可治疗缺铁贫血症； 氢泉、 硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、 皮肤病等。由于温泉的医疗作用及伴随温泉出现的特殊的地质、地貌条件，使温泉常常成为 旅游胜地，吸引疗养者和旅游者。在日本就有 1500 多个温泉疗养院，每年吸引 1 亿人到这 些疗养院休养。我国利用地热治疗疾病历史悠久，含有各种矿物元素的温泉众多，因此充分 发挥地热的行医作用，发展温泉疗养行业是大有可为的。 1.5 GIS 技术技术 地热地理信息系统的基本模型中一般使用关系型数据库对地热及相关数据进行存储， 并 提供和使用一系列空间分析工具，可以在三维空间内定位地热井，模拟热储的空间展布，绘 制地下水等温线、等水压线，制作地热水化学分布图，以及了解地热井附近交通，经济和住 宅分布等情况。 另外， 一些较为完善的系统模型还包含网络模块， 用来协同工作和数据共享。 下面将对几个具有典型特征的系统进行介绍， 其中包括莱布尼茨应用地球科学研究所建立的 一个地热管理信息系统， 其特点是网络交互功能完善， 但三维热储展示模型的建立需要依靠 于其他商业软件 GDManager 系统的特点是具有出色的数据校验系统及安全的数据访问方 式，既保证了数据的多样化视图，又保证了数据的安全性，BDGEO 系统的特点是提供了一 系列的地热资源空间及属性的分析工具， 并建立了多个用于地热开发利用的专家系统； 国内 何满潮等人所建立的中低焓地热工程信息系统采用了先进的三维建模方法， 并提供了针对渗 流场，化学场，地温场和沉降场等的分析系统。 地热技术概述从勘探到开发利用 3 2. 地热资源普查方法 2.1 地球化学和地质学方法地球化学和地质学方法 （（1）地球水化学调查）地球水化学调查 在不同的地质条件下形成的地下热水， 都具有其特有的化学组成， 它们与当地的浅层冷 水有明显的区别。热水的化学成分提供有关地热水的来源及热储温度的信息.因此在寻找地 下热水时进行化学普查，找出反映当地地下热水的“标志组分” ，如 SiO2、Na/K 等，通过 判断“标志组分”的存在与否，含量高低，能够提供寻找地下热水的重要线索.地热系统温 标的使用即是成功的例子。 （（2）绘制水热蚀变图）绘制水热蚀变图 在由于植被覆盖而不易观察的地区， 在地表可以测出由于水热活动而使岩石发生蚀变的 区域， 将这些区域绘制成图确定水热范围， 再根据水热活动的持续时间和蚀变岩石的体积大 致估计热源强度.绘制水热蚀变图可用于勘探年轻的火山地区的地热. （（3））测量土壤测量土壤中的微量元素中的微量元素 有些地热异常在地表并没有出现热水活动标志， 可以通过测定土壤中的微量元素， 如氡、 二氧化碳等进行地下高温区的地化勘探。 沉积岩中含碳物质的蚀变地热异常区内碳化程度的 高低能提供有关温度-时间影响因素的信息，可以通过测量沉积岩中含碳物质因蚀变产生的 物质如天然气的富集程度，圈定出具有最高温度的区域。 （（4）热释光）热释光TL年代法年代法 热释光thermo luminescence，简称 TL年代法最早用于考古学，是利用古陶器、砖瓦 等标本中的石英、 长石等碎屑矿物的天然 TL 量烧制年龄的量度， 后来用于地质学领域.石英、 长石等矿物具有良好的热释光特性，可用于测定年轻的热源岩石如火山岩及变质岩的年龄， 可用以调查地热资源.全亚荣采用改进的热释光年代法对日本若干地热区的地表变质岩作 TL 年龄测定，取得了较好的效果.Noriyoshi Tsuchiya 等人利用石英的热释光特性对日本东 北部的 Kakkonda 地热系统进行了地热活动性评价， 也认为热释光法是一种有效的地热勘探 方法. 2.2 地球物理勘探方法地球物理勘探方法 地球物理勘探适宜于圈定地下深部热储的位置，其任务是确定与地下热水有关的地质 地热技术概述从勘探到开发利用 4 构造，火成岩体的分布、规模和性质，查明各种断裂的方向和性质，查明第四纪覆盖层各含 水层的水文地质特征，判断地下热水的分布与埋藏状况等。李春昱的研究表明，板块构造与 地热分布有极其密切的关系。 因此， 通过研究板块构造可以为地热资源的探测提供宏观上的 指导.地球物理勘探方法分直接和间接地测量温度、热储方法。 （（1）直接方法）直接方法 直接方法是通过使用一定的仪器如温度计电阻温度计、热敏电阻和热电偶等、常温下 测定岩石热导率的稳定平板热导仪、红外测温仪、热红外照相机、辐射仪，直接测量地表、 近地表和地下，如井、泉和钻孔的温度.该方法在某些地质体中有用，如地下热水达到地面 且排放量相当可观时，可辨认出地热异常。在地面上用机载或星载红外测温仪接触热敏电 阻测温计或非接触如红外辐射测温计方式测量地表或地下一定深度的温度， 通常对于圈定 热源位置更精确和迅速.测量地表的温度变化，对于标绘出热异常区内的对流传热带极为有 效。在合适的情况下，如果测到两个深度处的温度，就可以估算出热源强度。红外探测技术 具有速度快、 探测面积广等优点， 可作为大面积地热资源普查及了解热场分布概貌的有效手 段。 （（2）间接方法）间接方法 间接测量温度和热储的方法， 是基于过去数十年确定地球内部岩石物理量的地球物理测 量技术和解释技术的完善， 依据某些与温度相关的物理参数就可以判定出温度和热储的大小. 间接方法通常有重力测量、地电测量、地磁方法、地震方法.  重力测量法 在具有诸如蒸汽或温泉等地表显示的热异常区，常常伴随有负的布格异常.在详细了解 了地质构造后， 采用重力测量方法定量估计温度分布， 重力测量结果有助于确定地热异常区 内具有最大热量的位置和勘探孔、开采孔的选择。  地电测量法 地电测量方法是一种比较简便的方法， 该方法利用地下电阻率的分布确定地热异常区的 温度和热储以及控热构造。 自然电位法已用于不少地区的热异常研究中， 研究表明自然电位 异常与温泉和蒸汽排泄区位置对应得很好。大地电磁测深法是上世纪 60 年代发展起来的一 种利用不同天然电磁场和可控制的人工电磁场， 了解地下深层不同深度介质的电性分层， 用 以推断控制地热孕育、发生、发展、储藏的构造以及了解地下热储的温度状况的方法.该方 法若能与天然地震转换波法等配合使用，效果更好。Santos 等使用了音频大地电磁方法调 地热技术概述从勘探到开发利用 5 查了葡萄牙一个地区的地热田.吴璐苹、石昆法等利用可控音频大地电磁法CSAMT对松山 断裂型地下热水进行了勘探，认为 CSAMT 法勘探水资源工作效率高，勘探深度大，勘探环 境适应范围宽， 并在专著系统地叙述了CSAMT法的基本原理和在地下热水等探测中的应用. 另一种叫瞬变电磁法Transient Electromagnetic s，简称 TEM的探测方法在云南滕 冲地区的地热探测中得到应用。  微震法 反射和折射地震法也已用于一些地区的热储勘探。 地热异常区内由于蒸汽和热水的上升 流动，使地面产生微小颤动或震动，发生局部的蒸汽爆炸，即微震的增加。因此用高精度微 震仪探测可圈定热水上涌通道、 分布范围等， 还有可能圈定温度远高于 100 度的热储位置。 2.3 遥感遥测方法遥感遥测方法 遥感技术发展了近 30 年，已广泛应用于各个领域，特别在地质方面的应用比较成熟. 随着遥感新技术的发展，地面温度除实测外，现在可以通过卫星上的红外通道探知.航空航 天热红外遥感以下垫面温度场为调查对象，在地下热水、地表水体热污染、城 1.2 地热资源 勘探方法。 城 市 热环境以及其它具有热差异的调查研究， 如地震前的热异常中已有成功的经 验。 卫星的热红外遥感图像可以直观地显示地热资源及地表水和浅层地下水的地理分布.太 阳热能和地下热能昼夜不断向外传输都使地表具有一定的温度， 在热红外波段上以不同的灰 度值来体现出来.地表温度约为 300k，它的极大电磁辐射波长为 8～11.30μm，即热红外波 段，这一波段在白天和晚上都有记录.此外，热红外遥感对大气层有较好的穿透能力.利用热 红外探查地热资源是比较成功的，遥感图像不仅能间接反映地热资源的形成与分布的背景， 热红外遥感图像还能直观地显示地热资源的分布.地热资源形成和赋存条件有一定的地质构 造背景，如年轻的或者一直在活动的造山活动、火成岩体的分布、规模和性质、断裂构造等. 不同成因的地热资源分布有不同的特点， 地热的赋存状态不同， 有的属于有天然地表热显示 的地热资源， 有的属于隐伏型地热资源， 无地表热显示。 可以利用遥感数据如 Landsat/TM、 NOAA 卫星热红外遥感数据，通过一定的图像处理技术，解译出与地热有关的主要断裂构 造、区域地质构造、隐伏地质构造等，从而间接找到地热.利用热红外遥感的基本原理，不 同卫星的热红外遥感数据已被用来探测地热.杨锋杰等利用 Landsat/TM 卫星影像，特别是 TM 的第 6 波段波长为 10.4μm～12.5μm研究了泰安市郊区的地热异常区.首先对 TM6 热红外波段结合另外 6 个波段进行处理后密度分割等提取区域的地热信息，并对解译出的 地热技术概述从勘探到开发利用 6 地热异常区用物探和实地测温验证发现新的地热异常区，总结出了一套地热调查方法.郝艳 梅等利用 Landsat5/TM 对河北省邯郸市下庄地区的地热资源进行了勘探.葛碧如研究了 NOAA211 和 NOAA29 气象卫星的 AVHRR 发回的热红外波段数据ch410.3～11.3μm 以 及 ch511.5～12.5μm中包含的地热信息，分别分析了云南省西部的中高温地热分布和闽 东地区中低温地热.其方法是利用地面站获得的晴空无云的AVHRR白天和夜晚两时相资料， 经过常规的大气校正和几何订正后， 通过统计分析， 突出显示高亮温段的像元并确定其地理 位置，再与地面资料比较.得出的结论是遥感探察的结果与 80 年代水热考察结果相比，基本 上一致，还发现了新的地热点。 2.4 利用地理信息系统技术探测地热利用地理信息系统技术探测地热 地理信息系统所具有的数据输入、 显示、 空间分析等功能使之成为使用计算机化方式综 合解译地球科学数据，特别是勘探工作中的重要工具。Prole Ledesma 利用 GIS 对墨西哥 的 Los Azufres 地热田的遥感资料、地表勘探资料主断层、表面破碎密度、地表活动、电 阻率等地球物理、地质资料以及其它资料进行综合分析，并建立了基于该区域概念模型的 三个知识驱动模型布尔、索引叠加和模糊策略模型。利用 GIS 方法对地热勘探评价效果很 好，而且有利于建立地热管理信息系统。GPS 由于其定位的快速和准确，在确定了地热靶 区后，用它进行地热精确定位，具有省时、省力、高效的特点。 2.5 地热勘探技术发展趋势地热勘探技术发展趋势 （（1））多种勘探方法的综合运用多种勘探方法的综合运用. 一般来说， 对于某个地区地热的探查都要综合用到几种方法以互相印证， 才能确定地热 状况.靳宝福和程力军利用以电阻率测深法为热田勘探的主要手段，以重力、磁法为勘查的 辅助手段，并配以联合剖面法开展了西藏地热田的综合物探方法。Tsokas 和 Hansen 等人 对希腊一个地区的地热作了地质和地球物理研究.在对南大西洋的上升岛的地热勘察中，综 合使用了地质化学、航磁方法、电阻率方法、地震活动法等方法进行研究。 （（2））遥感技术的应用遥感技术的应用 遥感数据是探测地热的重要数据资料.随着热红外遥感卫星技术的发展，热红外通道的 增加、波段宽度的减小，图像处理技术如多源信息融合技术的发展，遥感信息模型的建立， 有可能通过反演建立地表温度与遥感数据之间的定量关系.遥感技术所具有的概括性、综合 性、宏观性、直观性而且成本低的特点，可以使地热调查手段得到很大的改进.特别对于交 地热技术概述从勘探到开发利用 7 通不便及环境恶劣的地区，遥感方法在地热资源探测中更具有独特作用.1999 年，美国新一 代对地观测系统EOS计划中 TERRA 卫星发射的成功，是人类对地观测的又一个新的里程 碑。TERRA 卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪MODIS采集的数据有 36 个波段，地面分 辨率为 250～1000m.这 36 个波段中有 6 个波段中红外20、21、22、23 波段和热红外31 和 32 波段的基本用途是研究地表温度，而且每天上、下午可以采集数据以及数据接收是免 费的， 因而 MODIS 数据可成为地热资源探测以及其它资源和环境监测不可多得的数据资源. 但目前这方面的成果还比较少见，方法还不够成熟，还需要大力加强研究.利用 MODIS 数 据高光谱分辨率的优点融合其它卫星数据， 如陆地卫星 TM 数据的高空间分辨率的优点来勘 探地热资源，也是地热探测的一个重要发展方向. （（3））3S 技术的发展与运用技术的发展与运用 随着遥感RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS，3S 技术的集成研究的深入 和计算机模拟技术等的发展，地热资源的勘探方法也必将取得突破性的进展. 地热技术概述从勘探到开