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地热类型及地质模型

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发表时间:2020-03-14 13:44
 1 地热概况
  世界经济对石油、煤炭和天然气等非再生能源的依赖严重制约了社会的可持续发展,也造成了严重的环境污染和生态平衡的破坏。
  环境污染问题日益严峻
  近年来,国内外非常重视地热等绿色、可持续再生能源的开发和利用。地热是指由蕴藏在地球内部的放射性物质发生热蜕变等原因产生,在地球内热相对富集地区和大地构造活动强烈地区且达到人类开发利用标准的热能。
  我国地热资源丰富
  地热资源有着极其广泛的用途,可应用于洗浴和医疗、蒸汽发电、工业烘干、供暖、温室种植、水产养殖、饮用矿泉、农业灌溉等领域。
  地热能梯级利用大大增加热效能
  地球内部一方面由放射性物质蜕变不断产生热量,另一方面又不断的通过各种方式将内部热量释放,从而保持地球内部热量的平衡。地球内部热量释放主要是以岩层热传导、地下水热对流、岩浆侵入火山喷发、地震等方式释放出来的,这部分热量是我们可能利用的有效热源,也是形成地热田的主要热源。
  地下水对流
  火山喷发
  地震
  在地球内部10km深处所储存的高于地表温度的总热量约为1.3×1027J,大约相当于2.3×1017桶石油(全世界每年石油的消耗是3.4X109桶)燃烧所放出的热量。如果该热量的很小一部分能够被利用,其贡献也将是非常巨大的。
  地热能发展前景巨大
  大量研究资料表明,在地质构造活动强烈地区,存在一股强大的来自地壳深部及上地幔的过量热流,地质构造活动性越强,热流量越高。同时断裂构造对地热田分布有直接的控制作用,上地幔岩浆热液沿深大断裂上升至地壳上部,将浅层地下水加热,这些被加热的地下热水沿断裂上升,和浅部凉水混合,在地表形成热泉或在上覆地层中形成地热异常区,当这些热异常区存在较好的热储构造时就能够形成地热田,深大断裂不仅提供了深部热量的上升通道,还提供了地热田的地下水补给通道。
  地热地质构造模型
  2 地热资源类型
  地热资源类型的划分有多种方法,根据地热系统的地质环境和热量的传递方式可分成对流型地热系统和传导型地热系统两大类;依据地热资源的存在形式可分为水热型地热资源和热干岩型地热资源。
  对流模型
  传导型模型
  2.1 水热型地热资源
  (1)干蒸汽型地热田
  特点是热焓高,温度大于150℃,发电效率高。著名的此类地热出有美国盖塞尔斯、意大利拉得瑞罗和日本松川地热田等,我国尚未发现此类地热田。
  干蒸汽型地热田
  (2)湿蒸汽型地热田
  特点是以热水为主(水占70—90%),其余为蒸汽,温度大于150℃。这种类形的地热田有著名的新西兰怀挣基,冰岛雷克雅未克,日本大岳,我国西藏羊八井,云南腾冲和台湾大屯等。
  羊八井湿蒸汽型地热田
  (3)热水型地热田
  特点是热流体仅为单相的热水。这类地热田在我国分布很广,北京、天津和东南沿海等地都有。这些露温泉大都属于断裂构造对流型温泉,热储构造埋藏浅,人们只需要用简单的勘查方法就可以追踪断裂构造走向、探测断层产状和破碎带位置,进而通过钻探发现深部的热储构造,获取更高的出水温度和出水量,达到扩大开发利用深部地下热水的目的。但是经过多年地热勘查,露地表的这部分地热资源基本开发完毕,为了满足人们对地热能量的需求,必须开发那些深部地热资源。
  北京丰台地热温泉
  2.2 热干岩型地热(Enhanced Geothermal)资源
  地热田特点是热储大,通常埋深为3~5km。利用地下热干岩体发电的设想,是美国人莫顿和史密斯于1970年提的。1972年,他们在新墨西哥州北部钻成两眼约4000m的深斜井,从一眼井中将冷水注人到热干岩体,从另一眼井取由岩体加热产生的蒸汽,发电功率达2300kW。
  热干岩地热开发模型
  “热干岩”技术主要是通过在钻孔中以加压的方式将水注入到3000~5000m深的高温岩体(通常为花岗岩)中,这些水被加热呈沸腾状态并通过裂隙从附近的另外一处钻孔中喷出地面,喷出的热水被注入到一个热交换器中,将其它沸点较低的液体加热,将生成的气体驱动蒸汽涡轮机进行发电。冷却后的水可以进一步提取热能后再次注入钻孔中循环利用。日本已经进行热干岩发电研究和试验,英国、法国、德国和俄罗斯等国正在积极开展探索和研究。
  3 地热田地质模型
  地热勘查的基本模型类似于油气勘探,也由“生、储、盖”等部分组成”。
  生储盖模型
  为地热地质模型的示意图可见,产生热的热源主要是来自地球深部,由于岩浆作用或构造运动,部分热量到达地壳的浅部,并储存起来,形成可供人类利用的地热资源。
  地热模型示意图
  根据地热的形成和产生地热异常的规律,地热发生对流有如下5个步骤:
  (1)补充区域。该区域地面的雨水进行补给,补给区域很大,包括地面和径流的所有区域向地下岩石进行微小的渗漏。
  (2)流入带。地面雨水进入到地热储层区域的路径。
  (3)热水地热储集区。
  (4)流出带。在地面水进入热源区之前,热水流出的途径。
  (5)上流带或流出途径的流出端,即热水或温泉流出到地表。
  根据以上特点,很多人总结地热勘探的模型,通常对于不同类型的地热,模型有所变化,但总的来说包括生、储、盖三个部分,其地球物理性质的差异,成为地热勘探的基础。
  比较典型的地质模型都包括有:
  (1)热源。即热的主要来源,通常是指地壳深部的岩浆囊或侵人体。
  (2)热储。即基岩的一部分,其裂隙和孔隙中也包含有天然的流体。
  (3)岩石盖层。也就是渗透性较差的岩石,它能保持流体储存在下伏岩石中,并保持较高的温度,防止地表水与热水混合,而降低温度。
  传导型地热系统是比较常见的一种地热,在该地热模型中盖层为低阻层,而下伏的岩石电阻率相对较高。
  传导型地热系统电阻率模型的示意图
  陡倾地型条件下的一般化地热系统是一个实际探测中常见的地热模型,它包含了地形的变化对地质层的结构特点的影响。
  陡倾地型条件下的一般化地热系统
  高温地热场模型图是通常盆地区域或较厚沉积盖层区的地热模型”。
  高温地热场模型图


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