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地熱學基礎 版權信息
- ISBN：9787030249562
- 條形碼：9787030249562 ; 978-7-03-024956-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
地熱學基礎 內容簡介
地球內部蘊含著豐富的熱能，盡管人類利用地熱資源的歷史悠久，但系統研究自上世紀初才開始。為了適應人類社會、經濟發展的需求，科學、合理地開發利用分布極不均勻的地熱資源，有必要系統地總結和研究地熱學所涉及的各個領域，其基礎理論隨即成為深入研究的重要工具和武器。本書系統闡述了地溫場與大地熱流、地熱源、地熱異常、地熱系統類型等基本概念；論述了大地熱流的測試原理、巖石熱導率和地溫梯度的測試與確定方法，巖石熱導率與孔隙度的關系，地熱源的類型，地熱異常的表現形式；詳細推導出地熱傳導與對流的控制方程，給出所涉及參數的意義和經驗數據；總結了地球化學溫標計算熱儲溫度、利用鉆孔測溫確定地溫的方法；探索出用鉆井液溫度計算地溫梯度的函數式；闡述了地熱模型研究和地熱資源評價的具體方法；介紹了地熱資源分布特征，以及地熱地質調查、遙感地熱技術、地球物理勘探和地熱鉆探等地熱勘探方法，以期讀者能夠運用這些知識科學地布孔打井、管理地熱田，解決好生產實踐中常見的難題。
地熱學基礎 目錄
目錄
前言
主要符號表
第1章 緒論 1
1.1 地熱利用現狀 3
1.1.1 地熱的直接利用 3
1.1.2 地熱發電 6
1.2 編寫地熱學基礎的意義 8
第2章 地熱基礎知識 9
2.1 地溫場與大地熱流 9
2.2 地熱源 13
2.3 地熱異常 15
2.3.1 地表異常 16
2.3.2 物理異常 18
2.3.3 其他異常 18
2.4 地熱系統 19
2.4.1 根據地質環境和熱量傳遞方式分類 19
2.4.2 根據地下熱能的賦存形式分類 22
2.5 地熱傳導與對流 24
2.5.1 地熱傳導 24
2.5.2 地熱對流 29
第3章 地熱判溫方法 36
3.1 地熱溫標 36
3.1.1 二氧化硅地熱溫標 37
3.1.2 鈉鉀地熱溫標 39
3.1.3 鉀鎂地熱溫標 39
3.1.4 鈉鉀鈣地熱溫標 40
3.1.5 硫酸鹽氧同位素地熱溫標 40
3.1.6 氣體地熱溫標 40
3.1.7 同位素地熱溫標 41
3.1.8 混合溫標 41
3.2 鉆孔實測溫度確定地溫 42
3.2.1 Lachenbruch和Hrewer法（1959） 43
3.2.2 Albright法（1976） 44
3.2.3 Barelli和Palama法（1981） 46
3.3 以鉆井液溫度預測地溫 46
3.4 簡易估算地溫梯度的實用方法 51
第4章 地熱模型 52
4.1 概念模型 53
4.2 簡單解析模型 57
4.2.1 無限承壓水平熱儲的單井開采模型 58
4.2.2 無限承壓水平熱儲的多井開采模型 59
4.2.3 無限帶狀承壓熱儲單井開采模型 59
4.2.4 有越流的承壓熱儲開采模型 60
4.3 集中參數模型 62
4.4 分布參數模型 69
4.5 模型實例——昆明低溫地熱田 72
4.5.1 地質背景 73
4.5.2 地熱田形成條件 81
4.5.3 概念模型 92
4.5.4 集中參數模型 93
4.5.5 分布參數模型 95
第5章 地熱資源分布與評價 103
5.1 地熱資源分布特征 103
5.1.1 全球地熱分布規律 103
5.1.2 中國地熱資源分布規律 108
5.2 地熱資源評價概論 113
5.3 熱儲中各地熱載體的比重 116
5.3.1 熱儲流體保持為水液 116
5.3.2 熱儲流體從水液變為蒸汽 117
5.3.3 熱儲流體保持為蒸汽 117
5.4 地熱資源評價方法 118
5.4.1 地表熱流量法 118
5.4.2 體積法 120
5.4.3 不確定參數的處理——隨機模擬法 122
5.5 地熱儲量分級與計算原則 132
5.5.1 地熱儲量分級 132
5.5.2 地熱儲量計算原則 133
第6章 地熱勘查 135
6.1 地面調查 137
6.1.1 調查內容 137
6.1.2 地熱地質測繪 138
6.1.3 地球化學調查 145
6.2 遙感地熱技術 147
6.2.1 地熱遙感勘探發展歷史 147
6.2.2 地熱遙感應用基礎原理 148
6.2.3 地熱遙感應用實例 153
6.3 地球物理勘探 157
6.3.1 方法概述 157
6.3.2 物探方法在地熱資源勘查中的應用 166
6.3.3 物探新方法在地熱資源勘查中的應用實例 168
6.3.4 地球物理測井 173
6.4 地熱鉆探 180
6.4.1 鉆井裝爺配置 180
6.4.2 鉆井結構和鉆柱結構 181
6.4.3 鉆井技術工豈 190
6.4.4 鉆井液 194
6.4.5 成井技術 201
6.4.6 欠平衡鉆井技術簡介 204
6.4.7 地熱井控技術簡介 204
參考文獻 205
彩圖 209
前言
主要符號表
第1章 緒論 1
1.1 地熱利用現狀 3
1.1.1 地熱的直接利用 3
1.1.2 地熱發電 6
1.2 編寫地熱學基礎的意義 8
第2章 地熱基礎知識 9
2.1 地溫場與大地熱流 9
2.2 地熱源 13
2.3 地熱異常 15
2.3.1 地表異常 16
2.3.2 物理異常 18
2.3.3 其他異常 18
2.4 地熱系統 19
2.4.1 根據地質環境和熱量傳遞方式分類 19
2.4.2 根據地下熱能的賦存形式分類 22
2.5 地熱傳導與對流 24
2.5.1 地熱傳導 24
2.5.2 地熱對流 29
第3章 地熱判溫方法 36
3.1 地熱溫標 36
3.1.1 二氧化硅地熱溫標 37
3.1.2 鈉鉀地熱溫標 39
3.1.3 鉀鎂地熱溫標 39
3.1.4 鈉鉀鈣地熱溫標 40
3.1.5 硫酸鹽氧同位素地熱溫標 40
3.1.6 氣體地熱溫標 40
3.1.7 同位素地熱溫標 41
3.1.8 混合溫標 41
3.2 鉆孔實測溫度確定地溫 42
3.2.1 Lachenbruch和Hrewer法（1959） 43
3.2.2 Albright法（1976） 44
3.2.3 Barelli和Palama法（1981） 46
3.3 以鉆井液溫度預測地溫 46
3.4 簡易估算地溫梯度的實用方法 51
第4章 地熱模型 52
4.1 概念模型 53
4.2 簡單解析模型 57
4.2.1 無限承壓水平熱儲的單井開采模型 58
4.2.2 無限承壓水平熱儲的多井開采模型 59
4.2.3 無限帶狀承壓熱儲單井開采模型 59
4.2.4 有越流的承壓熱儲開采模型 60
4.3 集中參數模型 62
4.4 分布參數模型 69
4.5 模型實例——昆明低溫地熱田 72
4.5.1 地質背景 73
4.5.2 地熱田形成條件 81
4.5.3 概念模型 92
4.5.4 集中參數模型 93
4.5.5 分布參數模型 95
第5章 地熱資源分布與評價 103
5.1 地熱資源分布特征 103
5.1.1 全球地熱分布規律 103
5.1.2 中國地熱資源分布規律 108
5.2 地熱資源評價概論 113
5.3 熱儲中各地熱載體的比重 116
5.3.1 熱儲流體保持為水液 116
5.3.2 熱儲流體從水液變為蒸汽 117
5.3.3 熱儲流體保持為蒸汽 117
5.4 地熱資源評價方法 118
5.4.1 地表熱流量法 118
5.4.2 體積法 120
5.4.3 不確定參數的處理——隨機模擬法 122
5.5 地熱儲量分級與計算原則 132
5.5.1 地熱儲量分級 132
5.5.2 地熱儲量計算原則 133
第6章 地熱勘查 135
6.1 地面調查 137
6.1.1 調查內容 137
6.1.2 地熱地質測繪 138
6.1.3 地球化學調查 145
6.2 遙感地熱技術 147
6.2.1 地熱遙感勘探發展歷史 147
6.2.2 地熱遙感應用基礎原理 148
6.2.3 地熱遙感應用實例 153
6.3 地球物理勘探 157
6.3.1 方法概述 157
6.3.2 物探方法在地熱資源勘查中的應用 166
6.3.3 物探新方法在地熱資源勘查中的應用實例 168
6.3.4 地球物理測井 173
6.4 地熱鉆探 180
6.4.1 鉆井裝爺配置 180
6.4.2 鉆井結構和鉆柱結構 181
6.4.3 鉆井技術工豈 190
6.4.4 鉆井液 194
6.4.5 成井技術 201
6.4.6 欠平衡鉆井技術簡介 204
6.4.7 地熱井控技術簡介 204
參考文獻 205
彩圖 209
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地熱學基礎 節選
第1章 緒論 地球是一個龐大的熱庫，其內部所蘊含的熱能即地熱約為世界上油氣資源能量的5萬倍。據估算，僅地殼淺部5km內儲存的天然熱量就達14.2×1023kJ，相當于標準煤5000億t。這些熱能在溫度差的驅動下，從地球深部源源不斷地涌向遼闊的地球表面，以大地熱流的形式消散在大氣圈和水圈之中。其熱流總量巨大，約為1.4×1021J/a，相當于20世紀70年代末全球煤、石油、天然氣總耗量的3～4倍，若以每天傳出的熱量計，數值上近似于目前人類平均每天所使用能量的2.5倍。 據歷史文獻記載，人類利用地熱資源距今已有近三千年的歷史，*初是從溫泉洗浴療疾開始，隨后逐漸發展到應用地熱水采暖、發電，蒸汽加工食物，提取地熱水中硫、堿、硼砂等礦產資源，提取熱鹵水中溴、碘、鉀鹽、銨鹽等工業原料。地熱資源的大規模開發始于1812年意大利人在拉德瑞羅提取硼酸。1904年，意大利人科恩迪**次將地下噴出的蒸汽作動力，牽引734W的汽輪發電機，點亮**盞地熱電燈，預示著利用地熱發電的開始，開創了人類利用地熱發電的新紀元。1943年冰島人開始用地熱進行系統性采暖。目前，隨著人類社會的發展，科學的進步，對地熱資源的利用越來越廣泛。 盡管人類利用地熱的歷史悠久，但是系統的研究工作開展甚晚，直到19世紀初期，現今地球物理學的部分領域仍被認為屬于物理學的范疇。1834年佛格貝爾才率先提出“地球物理學”這一術語，且在50年以后，地球物理學才發展成為一門獨立的學科。在19世紀前半葉，地熱學基本上被認為是物理學中一般熱學的一部分。1829年庫普佛利用大量數據編制出地球表面溫度圖和大氣溫度圖，并確定出這兩個量通常并不一致。在他編制的圖中，地球表面溫度相等的點被聯結表示為等溫線，這樣，地熱學一詞誕生了。1849年紐曼寫的地球學教科書中引入了“地熱學”這個專業名詞，雖然他用這個名詞意指地球內部溫度，但在教科書中，卻只強調地殼上部的熱狀態。傅里葉熱理論的研究不僅奠定了現代熱學的基礎，而且還開拓了認識地球內部熱狀態的途徑。 然而，直到20世紀60年代以前，地熱開發仍未引起人們的足夠重視，其作為一種資源引起全世界重視以致地熱學發展成為一門新的能源科學，是*近半個世紀才完成的。1950～1960年，新西蘭、日本和美國相繼建成地熱發電站，證明了地熱是有經濟價值的資源，開始引起世界的注意。1961年聯合國在羅馬召開新能源會議，總結了這些經驗并把地熱資源開發推廣到發展中國家，由聯合國援助，在智利、土耳其、薩爾瓦多等國家進行地熱勘探。1970年意大利受聯合國委托，在比薩召開“地熱資源開發學術討論會”，成為世界上首次討論地熱的會議。 能源對世界經濟*大的一次觸動來自1973年爆發的**次世界石油危機（始稱能源危機）。石油價格暴漲，使能源消費下降，導致了世界性的經濟衰退，許多國家的經濟增長陷入困境。由此，人們開始研究能源對經濟增長的作用，把兩者的關系作為一個重要的課題進行研究，發現能源是支持經濟增長的重要物質基礎和生產要素。經濟增長需要消費能源，同時又促進了能源的開發和替代，兩者相互促進、相互制約。通過對地球的礦物燃料仔細研究和評價，人們意識到若不開發新能源，持續的開發活動必將使之*終消耗殆盡。于是，新能源家族中*現實，*無污染的成員——地熱能凸顯為一種新選能源，從此越來越受到人們青睞，地熱開發研究隨之得以蓬勃發展，前景日趨廣闊。 地熱學發展至今仍屬經典地球物理學的一個分支學科，其研究內容涵蓋理論、應用和實驗三個方面。理論方面研究已較為成熟，內容側重于探索地球的熱狀態和熱歷史，包括地熱的時空分布、形成演變、匯聚傳輸等，其中地球內熱的形成、聚積、傳輸等機制和規律構成了研究的核心。應用方面強調地熱資源的分布、富集規律和相應的勘探開發方法及利用途徑等；同時，還探索深部熱作用對礦藏、煤炭、尤其是石油和天然氣的形成、聚集、遷移所起到重要的控制和制約作用；此外，當深層采礦面臨礦井內高溫熱害時，應用地熱學還研究并闡明熱害形成的機制及相應的對策。實驗方面包括鉆孔溫度測量，巖石熱物理性質的實驗測定，以及實驗儀器和裝備的設計和研制等內容。 人類目前對應用地熱學的研究更為關注，內容主要集中在構造地熱學、地熱地球化學、地熱勘探學、熱儲工程學等方面。國際地熱學會（International Geo-thermal Association）出版地熱研究和應用期刊《地熱學》（Geothermics）的主要文章也是集中在這幾個方面，我國的地熱學研究內容基本和國際研究內容相同。自1978年12月在廣州召開**次“全國地熱學術討論會”到1994年8月召開第四次“全國地熱學術討論會議”，我國的地熱研究無論是開發實踐，還是理論研究均有較大程度地提高。中國科學院地質研究所、北京大學地質系、天津大學、中國地質科學院水文地質工程地質研究所等單位相繼成立了專門的地熱研究機構或地熱培訓中心，這些地熱研究培訓機構的建立，促成了卓有成效的工作，先后公開出版了多部專著，為我國地熱理論事業的發展作出了巨大貢獻。前期研究中，地熱資源的形成機制和地熱系統類型及特征基本上構成了探討的基礎和重點，對此，國際知名地熱學家美國White博士在20世紀60年代末即給出過中低溫對流型地熱系統的經典模式；美國地質調查所在進行全美中低溫地熱資源評價時，Reed基于所獲得的實際資料提出了三種不同類型的中低溫地熱系統。國內，熊亮萍和汪集旸等通過對福建漳州地熱田調查和研究，編著了《中低溫對流型地熱系統》一書，探索了中低溫深循環、對流型水熱系統問題；鄭灼華等研究了天津地熱田熱儲模型與熱流特征；吳乾藩等系統研究了云南地區地熱基本特征；陳墨香等編寫了《中國地熱資源——形成特點和潛力評估》，較為系統而全面地闡述我國地熱資源賦存的地質構造熱背景、資源形成和分布特點及其潛力評估；王東升根據大氣降水和地下熱水氫、氧穩定同位素（2H和180）組成的監測和研究，將我國地下熱水劃分為循環型和封存型兩種基本類型。李學倫、欒光忠等研究了山東半島溫泉的地熱屬性、分布規律及其特征與成因，認為該區溫泉是板內中低溫地熱系統，形成與分布主要受斷裂構造的控制，形成機理為深循環地熱增溫；王貴玲等論述了鄂爾多斯周緣地質構造對地熱資源形成的控制作用；呂金波、張珂等分別探討了京北地區地熱系統和華南沿海溫泉的成因。不少學者認為，地下熱水數值模擬以及含水層中熱能運移及溫度場分布研究，對指導地熱開采有重要意義；薛禹群等利用數值模擬在地下水熱量運移、含水層儲能等多個方面展示了其廣闊應用前景；周訓等對深層地下熱水運移三維數值模擬做了探討，薛傳東等建立了考慮溫壓變化和越流條件的昆明地熱田深層基巖地下熱水系統中水流和溶質運移的準三維非穩定流數值模型。這些成果，在一定程度上為科學認識地熱系統，更加合理地開發利用地熱資源打下了堅實的基礎。 地熱的利用形式總體上可分為地熱發電和直接利用兩大類。地熱的直接利用相對于地熱發電明顯具有三大優點：一是熱能利用效率高達50％～70％，比傳統地熱發電5％～20％的熱能利用效率高出許多；二是開發時間短，投資少；三是既可利用高溫地熱資源，也可利用中低溫地熱資源，應用范圍廣泛。因此，就全球而言，地熱能的非電力利用和直接利用總量，要比地熱發電超出幾倍，地熱資源更為大量地用于采暖、制冷、理療洗浴、各種形式的工農業用途以及水產養殖、溫室種植等直接利用方式上，且正以年遞增12％～15％的速度在發展，到1990年全世界安裝了1138MW熱力裝置，相當年利用石油410萬t。 1.1 地熱利用現狀 1.1.1 地熱的直接利用 目前，世界上有80多個國家直接利用地熱資源，我國直接利用地熱十分普遍，20世紀90年代初利用熱水流量就達9534kg/s，所用熱能相當于5527GW h；本世紀利用能力又成倍增長，已居全球**（見表1.1）。地熱的直接利用即對其熱量的直接交換，以進行采暖、加熱為主，既可用于工農業，也可用于日常生活和旅游。除此之外，水熱型地熱不僅是能源資源，同時它還是水資源、礦產資源，其中常富含鋰、硫、氟、氡、偏硼酸、偏硅酸、鋅等多種礦物質，具有一定的醫療、保健、養生作用。經常用熱礦水洗浴，對高血壓、冠心病、心腦血管、風濕病、皮膚病等有一定療效，從而被廣泛用于洗浴和醫療保健。隨著科學技術的不斷發展，水熱型地熱也被用于金、銀、鋅等礦產資源的開采。總而言之，地熱資源的直接利用非常廣泛，其主要體現于地熱供暖、浴療保健、娛樂、旅游、種植、養殖等。2000年全球地熱直接利用類型比例中，地熱采暖占35％，地熱旅游占42％，可見，地熱采暖和地熱旅游是當今世界各國直接利用地熱的發展重點。 表1.1 地熱主要直接利用國家裝機容量及產量 冰島地熱資源十分豐富，20世紀30年代開始利用地熱供熱，是地熱采暖的創始國。首都雷克雅未克地熱田熱儲溫度80～146℃，目前城市供暖基本上完全地熱化，被譽為世界著名的“無煙城”。冰島國地熱資源的利用占全國能源利用總量的55％，地熱供暖占其總量的64％。 新西蘭北島的羅托魯阿市，是一個小型城鎮，該鎮具有700多口地熱開發井，*高溫度達194℃，城鎮居民和建筑物大多數采用地熱供熱，譽稱為“地熱城”。 全世界利用地熱采暖的國家主要有冰島、法國、匈牙利、意大利、羅馬尼亞、俄羅斯、日本、中國。其中，中國的地熱采暖面積居全球**位，地熱采暖區主要位于華北的天津、北京等地。 地熱旅游以其得天獨厚的資源優勢在各旅游項目中獨領風騷，主要表現在以下幾方面：一是溫泉、地熱濕地、熱海、地熱泉華、鈣華等地熱景觀，與群山相伴，和叢林相依，山水依連、青煙繚繞，形成奇特的自然觀景；二是大多數地下熱水富含對人體有益的礦物離子，加之適宜的水溫，成為人們理想的理療、保健和休閑場地；三是地熱出露和地熱異常區域，均處于特殊的地質構造部位，是地球生息之表現，常與大地構造運動、火山、地震緊密聯系，甚至和礦產的形成乃至全球變化息息相關，成為地球科學、地質學研究的極佳場所。 日本位于環太平洋火山運動帶上，地下熱水資源十分豐富，在地熱醫療和旅游方面居世界各國之前列，全國范圍內溫泉遍布，溫泉旅館上萬家，據統計每年接待旅游者達上億人次。 中國溫泉廣布，地熱資源的直接利用已具上千年的歷史。早在3000年前就開始利用陜西臨潼驪山溫泉洗浴，其中華清池因貴妃出浴而聞名。隨著時間的推移，諸如此類依托溫泉開發的旅游休閑勝地數不勝數，如昆明安寧“天下**湯”、騰沖熱海國家地質公園等，均以豐富的地熱資源和自然景觀吸引了成千上萬的游客。然而較系統地且具有一定規模地進行地熱資源勘探、研究和開發則起步較晚，尤其是勘探工作，于20世紀70年代初，在著名地質學家李四光教授的倡導下才開始進行。李四光教授當時就提出要大力開發地熱，充分利用地熱這一龐大熱庫之能量，并在60年代初，親自指導在北京房山縣打出我國**口地溫觀測井，開始了國內*早的地溫測量；1970年他在天津親自主持召開地礦系統開發利用地熱資源動員大會，由此掀起了我國地熱普查、勘探和開發利用的熱潮。之后，大規模的地熱資源的普查勘探工作開始展開，先后對20多個重點地區進行了詳細勘探，并在云南、西藏進行了地熱考察，在北京、西安、福州、西藏羊八井、云南騰沖等城市和地區開展了地熱供暖、工農業利用、地熱發電等地熱勘查、研究和利用工作，不僅為國家節約了大量的燃料，還為環境的改善作出了較大貢獻。一時間，全國地熱資源的開發如火如荼，利用領域越來越廣泛。依托地熱井（泉），建造溫室，種植名優花卉、特種蔬菜；發展高產熱水養殖產業，縮短多種水生物的孵化和生長期，提高養殖效率；開展地熱烘干、水稻溫室育秧等；應用地熱水進行印染等領域的應用研究。廣東、福建等地利用地熱水進行水產養殖，河北滄州等地用地熱水冬季養殖對蝦，華北廣大農村及中小城鎮建立起一批地熱溫室，培植越冬蔬菜，有效解決了農村能源問題，取得了較好的經濟效益。 進入20世紀90年代，隨著全球環境保護意識
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