基于6省區(qū)供熱儲層熱儲溫度的估算

基于6省區(qū)供熱儲層熱儲溫度的估算

0地?zé)釡貥?biāo)研究是其國內(nèi)、外研究的主要成果在地下熱的研究和開發(fā)中，熱儲溫度是評價地下熱資源潛力的重要參數(shù)，在確定熱系統(tǒng)的成因類型和地下熱資源潛力方面沒有提及。然而，在一般情況下，很難直接測量。地?zé)釡貥?biāo)方法是提供這一參數(shù)的經(jīng)濟(jì)有效的手段。20世紀(jì)50—60年代,地?zé)釡貥?biāo)領(lǐng)域只有少數(shù)先行研究者;70—80年代,資料和研究工作都有了很大進(jìn)展;到了80年代末,已逐步形成理論體系;90年代至今,后人根據(jù)前人提出的理論進(jìn)行了廣泛的實踐應(yīng)用。目前國內(nèi)外研究較多的是SiO2地?zé)釡貥?biāo)和陽離子地?zé)釡貥?biāo),而同位素地?zé)釡貥?biāo)和氣體溫標(biāo),國外研究得很少,國內(nèi)尚沒有見到研究實例。本文在闡述各種溫標(biāo)的原理和應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上,通過實際應(yīng)用,獲得地下熱儲溫度的計算結(jié)果和相關(guān)認(rèn)識,有助于研究地下熱水系統(tǒng)溫度場和評價地?zé)豳Y源量。1熱儲系統(tǒng)的溫度分布地?zé)釡貥?biāo)法,指利用地下熱水中的某些化學(xué)組分的含量與溫度的關(guān)系,估算深部熱儲的溫度,其原理在于深部熱儲中礦物與水達(dá)到平衡,在熱水上升至地表的過程中,溫度下降,但化學(xué)組分含量幾乎不變,可以用來估算反應(yīng)的平衡溫度,也就是深部熱儲的溫度。理論上,受溫度控制的化學(xué)反應(yīng)中的組分都可以用來作為地?zé)釡貥?biāo),但必須滿足以下5個基本假設(shè):(1)深部發(fā)生的反應(yīng)只與溫度相關(guān);(2)反應(yīng)物充足;(3)在熱儲溫度下水—巖間的反應(yīng)達(dá)到平衡;(4)當(dāng)水從熱儲流向地表時,在較低的溫度下,組分間不發(fā)生再平衡,或者變化很小;(5)來自系統(tǒng)深部的熱水沒有和淺部地下冷水相混合。目前地?zé)釡貥?biāo)方法主要有4大類:SiO2地?zé)釡貥?biāo)、陽離子地?zé)釡貥?biāo)、同位素地?zé)釡貥?biāo)和氣體溫標(biāo)。陽離子地?zé)釡貥?biāo)又包括Na-K溫標(biāo)、Na-K-Ca溫標(biāo)、多礦物平衡化學(xué)溫標(biāo)等。1.1熱儲中sioSiO2地?zé)釡貥?biāo)利用熱水中的SiO2溶解度與溫度的關(guān)系估算地下熱儲溫度,在許多情況下誤差僅有±3℃。其理論基礎(chǔ)是SiO2礦物在熱水中的溶解—沉淀平衡理論,SiO2溶解度隨溫度升高而增加。研究發(fā)現(xiàn),地下熱儲中SiO2礦物有一定的共生次序,并且熱水中若溶解了不同結(jié)構(gòu)的SiO2礦物,則溶解度大的控制水溶SiO2的量。許多研究者提出不同的SiO2地?zé)釡貥?biāo)函數(shù),常用的有無蒸汽散失的石英溫標(biāo)、100°C下蒸汽足量散失的石英溫標(biāo)、無蒸汽分離或混合作用的石英溫標(biāo)、玉髓溫標(biāo)、α-方英石溫標(biāo)、β-方英石溫標(biāo)、無定形SiO2溫標(biāo),適用溫度區(qū)間為0~250℃。石英溫標(biāo)適用于150℃以上的井孔水,而玉髓溫標(biāo)適用于低溫?zé)崴?。石英溫?biāo)要考慮熱水中蒸汽的分離效應(yīng)和SiO2的聚合或沉淀。1.2na-k-ca溫標(biāo)陽離子地?zé)釡貥?biāo)建立在陽離子交換反應(yīng)的基礎(chǔ)上。Na-K溫標(biāo)僅應(yīng)用于150℃以上的熱水,尤其是鉆孔中的熱水。低溫條件下水溶Na+/K+一般不受共生堿性長石之間陽離子交換反應(yīng)的控制,其優(yōu)點(diǎn)是受稀釋和蒸汽分離的影響很小。國外許多學(xué)者先后提出過Na-K溫標(biāo)的函數(shù)。Na-K-Ca溫標(biāo)是專門用來處理富鈣熱水的。沸騰會使估算值偏高;在許多富Mg2+的中低溫?zé)崴?Na-K-Ca溫標(biāo)估算得到的結(jié)果也明顯偏高,因此需要進(jìn)行Mg2+校正。Giggenbach于1988年建立K-Mg溫標(biāo)。該溫標(biāo)適用于低溫地下熱水,估算溫度一般高于熱水井的出水溫度,被認(rèn)為是繼續(xù)向深部鉆進(jìn)有可能達(dá)到的溫度。除了以上陽離子地?zé)釡貥?biāo),還有Mg-Li溫標(biāo)、K-Li溫標(biāo)、Na-Li溫標(biāo)、Na-Ca溫標(biāo)和K-Ca溫標(biāo)等,各有不同的應(yīng)用條件。1.3相似的分餾體系地下熱水中保留了某些化學(xué)成分或同位素組分,用來指示深部熱儲在決定性反應(yīng)到達(dá)平衡時的溫度。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)化學(xué)價態(tài)變化的低原子能的元素會表現(xiàn)出大量自然的相似的分餾。這些元素中研究最多的一直是氫、碳、氧和硫。常見的同位素地?zé)釡貥?biāo)有CO2-CH4溫標(biāo)、H2-H2O溫標(biāo)、硫酸鹽δ18O同位素溫標(biāo)以及SO2-42?4-H2S溫標(biāo)。碳同位素法首先被應(yīng)用到地下熱儲溫度計算中。氧同位素溫標(biāo)和氫同位素溫標(biāo)需要在研究中測量和估算熱水達(dá)到平衡時同位素的成分。硫酸鹽氧同位素地?zé)釡貥?biāo)是熱水系統(tǒng)中反應(yīng)最好的同位素溫標(biāo)。硫同位素溫標(biāo)在地?zé)嵯到y(tǒng)中的應(yīng)用需要在計算達(dá)到平衡的時間之前估計深部流體的pH值。2熱敏標(biāo)準(zhǔn)的選擇和計算2.1部分水化學(xué)組分分析結(jié)果本文選取北京、天津、河北、廣東、廣西、青海6省區(qū)共49個溫泉或鉆孔熱水樣品,水樣的部分水化學(xué)組分分析結(jié)果見表1。對這些熱水水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的熱儲溫度估算,發(fā)現(xiàn)同一水樣,由于應(yīng)用不同溫標(biāo),其計算結(jié)果差別很大,說明不同地?zé)釡貥?biāo)適用條件各不相同,必須尋找其他化學(xué)分析方法進(jìn)行判斷,以便選取合適的溫標(biāo)方法估算具體地點(diǎn)的地下熱儲溫度。2.2熱溫標(biāo)樣品的平衡狀態(tài)使用地?zé)釡貥?biāo)方法的基本前提是作為地?zé)釡貥?biāo)的某種溶質(zhì)或氣體和熱儲中礦物達(dá)到了平衡狀態(tài),必須研究熱水和礦物的平衡狀態(tài)以檢驗地?zé)釡貥?biāo)方法的可靠性。2.2.1水水平衡圖解法Reed和Spycher提出多礦物平衡圖解法以判斷地?zé)嵯到y(tǒng)中熱液與礦物之間總體的化學(xué)平衡狀態(tài)。其原理是將水中多種礦物的溶解狀態(tài)當(dāng)成溫度的函數(shù),若一組礦物在某一特定溫度下同時接近平衡,則可判斷熱水與這組礦物達(dá)到了平衡,平衡時溫度即為深部熱儲溫度。本文選取的4個熱水水樣的多礦物平衡圖解法(圖1)分析表明:A5(河北懷來暖泉)水樣中幾種礦物在參考溫度范圍內(nèi)處于非飽和狀態(tài),且石英更接近飽和線;A7K(北京小湯山溫泉鉆孔)和T6(天津王2井)水樣中滑石在參考溫度范圍內(nèi)處于過飽和狀態(tài),無水石膏和無定形硅處于非飽和狀態(tài),前者石英較其他礦物更接近飽和線,而后者玉髓更接近飽和線;GH5(廣州三元里井)水樣中玉髓、無水石膏和無定形硅處于非飽和狀態(tài),石英更接近飽和線。對于T6(天津王2井)水樣,玉髓和溫石棉的lg(Q/K)值在lg(Q/K)=0處相交,交點(diǎn)處的溫度接近94.5℃的實測溫度。lg(Q/K)圖中選定的6種礦物(石英、無水石膏、溫石棉、玉髓、無定形硅和滑石)都沒有很好地在某一特定溫度下同時接近平衡。在實際應(yīng)用中,大部分圖解法效果并不好,該方法只能作為定性判斷地?zé)崃黧w—礦物平衡的依據(jù)。2.2.2水樣平衡狀態(tài)Na-K-Mg三角圖解由Giggenbach于1988年提出,常用來評價水—巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣。在圖中分為完全平衡、部分平衡和未成熟水3個區(qū)域。通過實測49個數(shù)據(jù)點(diǎn)的Na-K-Mg三角圖(圖2),可判斷出各水樣的平衡狀態(tài):除A1、A2-1、A3-1、A4、A4K、A6K、A8、A20、B23、GH1、GH2、GH4、GX5共13個水樣位于部分平衡區(qū)域,其余A5、A7K、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7-1、B7-2、B8、B9、B10、B11、B12、B13、B14、B15、B24、49號、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、GJ1-2、GH3、GH5、GX1、GX3、GX4、QH1、QH2共36個水樣均落在Mg1/2角附近,屬于未成熟水。說明這些水樣中Mg2+含量較高,水—巖反應(yīng)的平衡溫度不高,地下熱水有發(fā)生混合作用的可能,原則上用陽離子地?zé)釡貥?biāo)估算的這些未成熟水樣點(diǎn)平衡溫度不合理,適合用SiO2地?zé)釡貥?biāo)來估算熱儲溫度。2.2.3水樣的玉髓溫標(biāo)溫度飽和指數(shù)法可以定量計算深部熱儲某礦物與水的反應(yīng)程度。計算結(jié)果(表2)表明,沒有一個水樣的礦物飽和指數(shù)等于0;飽和指數(shù)大于0,礦物處于過飽和狀態(tài),該礦物決定的溫標(biāo)將估算出過高的溫度;飽和指數(shù)小于0,礦物處于非飽和狀態(tài),估算結(jié)果偏低。A5、A7K、B1、B2、B6、B7-1、B7-2、B14、B23、B24、49號、T1、T2、T3、T5、GJ1-2、GH5共17個水樣的玉髓溫標(biāo)計算溫度低于實測泉口(井口)溫度,其玉髓的飽和指數(shù)小于0,處于非飽和狀態(tài);石英的飽和指數(shù)大于0,處于過飽和狀態(tài)。同樣的玉髓和石英狀態(tài)也發(fā)生在B8和T7井水樣中。其余各點(diǎn)的玉髓和石英均處于過飽和狀態(tài),且玉髓比石英的飽和指數(shù)更接近0。玉髓的飽和指數(shù)小于0.1的水樣有B3等11個點(diǎn),這些水樣的玉髓飽和指數(shù)近似等于0,可使用玉髓溫標(biāo)估算熱儲溫度。其余A1等19個點(diǎn)雖然玉髓的飽和指數(shù)小于石英,但不能近似等于0,估算熱儲溫度值會偏高。在玉髓和石英等其他礦物的反應(yīng)都遠(yuǎn)離平衡時,可以估算出該水樣的熱儲溫度范圍,再結(jié)合實際水文地質(zhì)背景等資料綜合分析該水樣。3熱儲存溫度的估算3.1熱儲溫度估算結(jié)果根據(jù)各采樣點(diǎn)SiO2含量與溫度的關(guān)系,再結(jié)合地?zé)崃黧w—礦物平衡狀態(tài)的判斷及SiO2礦物飽和指數(shù)的計算,對初步計算結(jié)果進(jìn)行篩選,得到熱儲溫度的二次估算結(jié)果,分為下面4種。(1)石英、玉髓溫標(biāo)SiO2地?zé)釡貥?biāo)和陽離子地?zé)釡貥?biāo)都適用,有水樣A1、A2-1、A3-1、A4、A4K、A6K、A8、A20、B23、GH1、GH2、GH4、GX5共13個點(diǎn)。通過比較礦物飽和指數(shù),發(fā)現(xiàn)玉髓較其他礦物更接近平衡(B23號水樣玉髓SI<0,除外),可以估算出熱儲溫度范圍(表3)。石英1溫標(biāo).無蒸汽分離或混合作用的石英溫標(biāo):t(℃)=-42.198+0.28831SiO2-3.6686×10-4(SiO2)2+3.1665×10-7(SiO2)3+77.034lgSiO2;石英2溫標(biāo).無蒸汽散失的石英溫標(biāo):t(℃)=13095.19-lgSiΟ2-273.15t(℃)=13095.19?lgSiO2?273.15;石英3溫標(biāo).蒸汽足量散失的石英溫標(biāo):t(℃)=15225.75-lgSiΟ2-273.15t(℃)=15225.75?lgSiO2?273.15;玉髓溫標(biāo):t(℃)=10324.69-lgSiΟ2-273.15;α-方英石溫標(biāo):t(℃)=10004.78-lgSiΟ2-273.15;K-Mg溫標(biāo):t(℃)=441014.0-lg(Κ+Μg2+)-273.15;Na-K溫標(biāo):t(℃)=9330.993+lg(Νa+Κ+)-273.15;Na-K-Ca溫標(biāo):t(℃)=1647lg(Νa+Κ+)+β[lg(√Ca2+Νa+)+2.06]+2.47-273.15,β=43(當(dāng)t<100℃)或13(當(dāng)t>100℃)(2)水樣點(diǎn)的分析陽離子地?zé)釡貥?biāo)不適用,SiO2地?zé)釡貥?biāo)適用,有T8、GH3、GX1、GX3、GX4、QH1、QH2共7個水樣點(diǎn)。與第1種水樣點(diǎn)相同,玉髓的飽和指數(shù)更接近0,也可以估算出熱儲溫度范圍(表4)。(3)水樣點(diǎn)和熱儲平衡溫度石英溫標(biāo)適用,有A5、A7K、B1、B2、B6、B7-1、B7-2、B8、B14、B24、49號、T1、T2、T3、T5、T7、GJ1-2和GH5共18個水樣點(diǎn)。這些水樣的熱儲平衡溫度由石英溫標(biāo)給出,只需判斷地下熱水上升至地表的過程中有無沸騰或蒸汽散失對SiO2濃度的影響。這里假設(shè)各點(diǎn)均為傳導(dǎo)冷卻,采用無蒸汽散失的石英溫標(biāo)估算結(jié)果見表5。(4)水樣點(diǎn)的分析玉髓溫標(biāo)適用,有B3、B4、B5、B9、B10、B11、B12、B13、B15、T4、T6共11個水樣點(diǎn)。使用玉髓溫標(biāo)估算結(jié)果見表6。3.2天津內(nèi)熱水巖結(jié)構(gòu)天津市南部的平原地區(qū)分布著大面積的大地?zé)崃髟龈邊^(qū),其地幔隆起區(qū)是地?zé)崮艿木奂瘏^(qū)。該地區(qū)基巖隆起和凹陷凹凸相間的格局對地溫的分布產(chǎn)生了重要的影響,在基巖凸起部位水溫較高(表7)。天津地區(qū)基巖熱儲層是以碳酸鹽巖為主的巖溶裂隙型熱儲層,下部主要由中—新元古界和下古生界的碳酸鹽巖組成,上部還分布有新近系砂巖和砂礫巖,覆蓋在新近系和基巖地層之上的是第四系松散沉積層,多為粘性土和砂性土。天津的8口熱水井中,T1、T2、T3和T5井位于天津市區(qū)南部王蘭莊地?zé)崽?分別揭露薊縣系霧迷山組、寒武系、奧陶系碳酸鹽巖熱儲層。其深部熱水來源可能相同,但熱儲埋深不同,估算的熱儲溫度值有所差別,范圍在83~113℃之間。T4井位于天津東部山嶺子地?zé)崽?揭露寒武系熱儲層,熱儲溫度約90℃。T6、T7和T8井位于天津市區(qū)北部周良莊地?zé)崽?分別揭露霧迷山組、寒武系、奧陶系熱儲層,熱儲溫度在97~120℃之間,高于王蘭莊地?zé)崽锖蜕綆X子地?zé)崽餆醿囟取?石英熱儲溫度結(jié)果地下熱水在上涌過程中可能與淺部冷水發(fā)生混合(稀釋),利用硅—焓模型可以確定混合水中熱水組分的溫度和冷熱水份額。該模型假設(shè):熱水在混合前沒有蒸汽損失和熱損耗,混合后也沒有發(fā)生熱損耗,深部熱水SiO2含量只受石英溶解度的控制,混合前后也沒有發(fā)生SiO2的溶解和沉淀。假設(shè)GH5(廣州三元里井)水樣點(diǎn)熱水上升過程發(fā)生傳導(dǎo)冷卻,用無蒸汽散失的石英溫標(biāo)估算其熱儲溫度,結(jié)果為49.2℃。懷疑該點(diǎn)發(fā)生了混合作用并對其建立硅—焓模型(圖3),假設(shè)該點(diǎn)冷水點(diǎn)溫度為20℃,SiO2含量為10mg/L,得到混合前熱水溫度為79.3℃,高于估算值,表明該點(diǎn)可能存在冷水混合,且混入的冷水比例占83%。5地下熱儲溫度估算的結(jié)果(1)本文根據(jù)49個熱水水樣的水化學(xué)測試資料估算地下熱儲溫度。同一水樣采用不同溫標(biāo)方法,計算結(jié)果差別很大,說明不同地?zé)釡貥?biāo)適用條件各不相同,前人提出的各種溫標(biāo)方法的溫度范圍只具有一般意義。(2)Na-K-Ca三角圖結(jié)果表明,大部分水樣未達(dá)到平衡,不能用陽離子地?zé)釡貥?biāo)估算。少部分需要同時考慮SiO2地?zé)釡貥?biāo)和陽離子地?zé)釡貥?biāo)的可行性。幾乎在所有生產(chǎn)實際應(yīng)用中,流體的化學(xué)組分難以達(dá)到完全平衡。(3)