地?zé)峋械牡責(zé)釡貥?biāo)評價(jià)

地?zé)峋械牡責(zé)釡貥?biāo)評價(jià)

在研究熱化學(xué)時(shí)，對深層熱儲(chǔ)量的估計(jì)是一個(gè)重要的問題。確定熱儲(chǔ)溫度的方法有直接測量法和計(jì)算法兩種。直接法是指根據(jù)鉆井揭露或穿透熱儲(chǔ)層,直接測量井中的溫度,用頂、底板溫度的平均值作為熱儲(chǔ)的溫度。這種方法準(zhǔn)確可靠,但是耗時(shí)、價(jià)高,在實(shí)際工作中不太容易實(shí)現(xiàn),因此大多數(shù)情況下,多采用計(jì)算法對熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行估算。其中,應(yīng)用最廣泛的就是地球化學(xué)溫標(biāo)法,這是一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。但是,通過在工程實(shí)際中的應(yīng)用情況來看,直接利用傳統(tǒng)地球化學(xué)溫標(biāo)估算出的熱儲(chǔ)溫度往往與實(shí)際溫度相差甚遠(yuǎn),應(yīng)用效果較差。這主要是因?yàn)榈責(zé)釡貥?biāo)的使用有一個(gè)基本前提,那就是作為地?zé)釡貥?biāo)的某種溶質(zhì)或氣體和熱儲(chǔ)中的礦物達(dá)到了平衡狀態(tài)。這是因?yàn)闊崴芤涸谙蛏线\(yùn)移的過程中會(huì)因沸騰、蒸汽逃逸改變熱流體化學(xué)組分含量,或者深部熱儲(chǔ)層的熱水與淺層冷水的稀釋混合會(huì)使原有的高溫平衡環(huán)境遭到破壞。而各種溫標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)公式都是利用水溶液中相應(yīng)組分的平衡反應(yīng)與溫度的關(guān)系確立起來的。所以必須認(rèn)真研究熱水和礦物的平衡狀態(tài),選取可靠的地?zé)釡貥?biāo)。本文以平頂山八礦為例,利用WATCH程序以及Na-K-Mg平衡圖來研究礦物-流體的平衡狀態(tài),為地?zé)釡貥?biāo)的選取以及在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供實(shí)例。1礦的地溫梯度平頂山礦區(qū)位于河南省中西部,是一個(gè)遭受熱害威脅的礦區(qū),井下熱水突出,工作面氣溫偏高。區(qū)內(nèi)平均地溫梯度約為3.5℃/100m,比鄰區(qū)高,也高于華北地臺(tái)的正常地溫梯度(3℃/100m)。本區(qū)恒溫帶深度(h)為25m左右,溫度(t)為17.2℃。八礦位于平頂山礦區(qū)開采的深部邊界,其深度至李口集向斜南翼軸部,幾個(gè)突水點(diǎn)的水溫在29.5℃～47℃。八礦地表標(biāo)高為100m,地下水位為-430m,即埋深(H)為530m,水溫(t熱)為47℃。利用下式計(jì)算地溫梯度。K=(t熱-t)/(H-h)=(47-17)/(530-25)=6℃/100m這個(gè)結(jié)果比平頂山礦區(qū)常規(guī)下的地溫梯度3.5℃/100m要大得多。根據(jù)這一情況,將八礦確定為地?zé)岙惓^(qū)。通過分析,認(rèn)為該地?zé)岙惓Ｅc地下水循環(huán)有關(guān),而且根據(jù)水循環(huán)對圍巖溫度場的影響規(guī)律,可以確定是高溫?zé)崴闲醒h(huán)的結(jié)果。2地?zé)釡貥?biāo)的定義水熱系統(tǒng)里的對流循環(huán)運(yùn)動(dòng)總是伴隨著各種物質(zhì)的溶解-沉淀反應(yīng),如果某種反應(yīng)產(chǎn)生的平衡濃度值和反應(yīng)的溫度有關(guān),就可以根據(jù)這一濃度來反推反應(yīng)溫度,建立在這一原理基礎(chǔ)上的估算地下溫度的方法稱之為地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)溫標(biāo)。地球化學(xué)溫標(biāo)用于評價(jià)熱儲(chǔ)溫度以及預(yù)測熱儲(chǔ)在生產(chǎn)過程中可能的冷卻。目前,采用的地?zé)釡貥?biāo)大體可以分為兩類,一類是硅溫標(biāo),像石英、玉髓等這些礦物,溶解度是溫度的函數(shù),可以直接用作地?zé)釡貥?biāo);另一類是陽離子溫標(biāo),如Na/K、K/Mg、Na-K-Ca等,其在水中溶解組分比例的交換反應(yīng)依賴于溫度,可以用這些組分的比值來做為地?zé)釡貥?biāo)。2.1地表中硅的濃度SiO2溫標(biāo)是目前被廣泛用于推算地下熱儲(chǔ)溫度的一種方法,它是基于水溶液中硅的濃度是由水-巖相互作用時(shí)的溫度下硅的溶解性決定的。天然水中溶解的SiO2一般不受其它離子的影響,也不受絡(luò)合物的形成和揮發(fā)散失的影響,并且沉降隨溫度降低而降低的速度相當(dāng)緩慢,因此在地表水中硅的濃度能很好地指示地下熱儲(chǔ)的溫度。硅的總濃度是溫度的函數(shù)。不同的等式表明這種函數(shù)是基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)以及地?zé)嵯到y(tǒng)中不同井中熱水的硅濃度的數(shù)學(xué)過程。研究表明,石英傳導(dǎo)溫標(biāo)可以說明該部分地下熱水曾經(jīng)達(dá)到過的最高溫度。石英溫標(biāo):T=1309/(5.19-lgSiO2)-273.15玉髓溫標(biāo):T=1032/(4.69-lgSiO2)-273.152.2u3000熱礦水系統(tǒng)n-k溫標(biāo)陽離子地?zé)釡貥?biāo)是基于熱水與固相物質(zhì)間的K、Na、Ca、Mg等陽離子的交換與溫度的關(guān)系建立起來的。所有陽離子溫標(biāo)方法都是經(jīng)驗(yàn)性的近似方法,被廣泛的用于熱儲(chǔ)溫度的評價(jià)。常用的有Na-K溫標(biāo)、K-Mg溫標(biāo)等。Na-K溫標(biāo):Na-K溫標(biāo)是以熱礦水中鈉、鉀離子與鈉長石偶的離子交換平衡受控于溫度的原理建立起來的,在具備鈉、鉀長石平衡環(huán)境的天然水中,Na、K的含量比值是溫度的函數(shù)。適合的溫度是25℃～250℃。Na?K溫標(biāo)∶t=933log(Na/K)+0.993?273.15Νa-Κ溫標(biāo)∶t=933log(Νa/Κ)+0.993-273.15K-Mg溫標(biāo):K-Mg溫標(biāo)是基于鉀長石轉(zhuǎn)變?yōu)榘自颇负托本G石的離子交換反應(yīng),其對于溫度的變化反應(yīng)非常迅速,在溶液中達(dá)到平衡也最為快速,因此,它適用于低溫?zé)崴到y(tǒng)。K-Mg地?zé)釡貥?biāo):t=441014.0?log(K2Mg)?273.15t=441014.0-log(Κ2Μg)-273.153熱敏標(biāo)準(zhǔn)選擇3.1初步熱儲(chǔ)溫度估算本文選取了平頂山八礦5個(gè)鉆孔的熱水水樣進(jìn)行了水化學(xué)分析測試,其水化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。利用上述各種地?zé)釡貥?biāo)方法對這些熱水水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的熱儲(chǔ)溫度估算,估算結(jié)果見表2。從表2可以看出,由于溫標(biāo)方法眾多,水溶液中達(dá)到平衡的礦物尚不清楚,再加上相關(guān)干擾因素的影響,對于同一水點(diǎn)來說,不同的溫標(biāo)方法計(jì)算出的熱儲(chǔ)溫度常常差異很大。說明任何溫標(biāo)在沒有達(dá)到平衡狀態(tài)的情況下必然無法給出正確的結(jié)果。這就需要尋找其他化學(xué)分析方法進(jìn)行更深入的分析、篩選,確定達(dá)到水-巖平衡的礦物,選取合適的溫標(biāo)方法,最后確定熱儲(chǔ)的溫度范圍。3.2根據(jù)平衡溫度的t-logt-k曲線圖進(jìn)行分析地?zé)崃黧w中溶解物的濃度是熱儲(chǔ)溫度的函數(shù)。從理論上講,受溫度控制的化學(xué)反應(yīng)中的組分都可以用來做地?zé)釡貥?biāo)。但是,作為地?zé)釡貥?biāo)方法,還須滿足以下基本條件:(1)反應(yīng)物必須充足;(2)水-巖之間必須達(dá)到平衡;(3)水(氣)向取樣點(diǎn)運(yùn)移的過程中沒有發(fā)生再平衡。因此,必須研究熱水和礦物的平衡狀態(tài)以檢驗(yàn)地?zé)釡貥?biāo)方法的可靠性。Na-K-Mg三角圖法。Na-K-Mg三角圖由Giggenbach于1988年提出,在圖中分為完全平衡、部分平衡和未成熟水3個(gè)區(qū)域,常被用來評價(jià)水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣。其應(yīng)用原理是,鈉、鉀的平衡調(diào)整較緩慢,但鉀、鎂含量的平衡調(diào)整的很快,即使在溫度較低時(shí)亦如此,因此對中低溫?zé)崽餆醿?chǔ)溫度的計(jì)算較為有利。三角圖中的坐標(biāo)可以計(jì)算如下S=CNa/1000+CK/100+CMg2+Na%=CNa+/10SK%=CK/SMg%=100CMg2+?????√/SΜg%=100CΜg2+/S式中CNa+,CK+,CMg2+分別代表水中鈉,鉀和鈣離子的濃度,單位為mg/L。此方法優(yōu)點(diǎn)在于可在同一幅圖上同時(shí)判斷出大量水樣的平衡狀態(tài),能把混合水和平衡水很好地分開。通過圖1中的Na、K以及Mg含量的分析數(shù)據(jù),可以判斷水樣是否適合應(yīng)用離子型溶解性地溫計(jì)。圖中水樣點(diǎn)均落在Partialequilibratedwaters的范圍內(nèi),即為部分平衡水。反映了水-巖反應(yīng)的平衡溫度偏低,水樣不能完全達(dá)到平衡,也說明了八礦的地下熱水可能來自較熱的環(huán)境,在由熱水向地表上升的過程中受到淺層冷水的稀釋作用,從而使熱水中元素的含量變低。通過對八礦熱水沉淀物成分的分析得知,熱水在向上運(yùn)移的過程中混入了煤系砂巖水,印證了這一結(jié)論。因此,陽離子型地溫計(jì)不會(huì)得出合理的平衡溫度值的,八礦不適合用陽離子型地溫計(jì)來計(jì)算深部熱水溫度。多礦物平衡法。多礦物平衡圖解法用來判斷地?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(shí)接近平衡,則可判斷熱水與這組礦物達(dá)到了平衡,平衡時(shí)溫度即為深部熱儲(chǔ)溫度。用WATCH程序計(jì)算出的礦物-溶液的平衡數(shù)據(jù),可判斷出已達(dá)到平衡的礦物。WATCH程序可以利用地下熱流體水質(zhì)分析數(shù)據(jù),通過計(jì)算深層水中水溶物種的活度系數(shù),模擬出地?zé)崃黧w中的化學(xué)成分和物種的形成,并進(jìn)一步模擬出水中溶解礦物的情況。結(jié)合收集到的八礦地下熱水的水質(zhì)資料,應(yīng)用WATCH程序計(jì)算礦物的飽和程度。飽和指數(shù)SI可判斷每種礦物的飽和程度,SI>0,表示過飽和;SI=0,表示飽和;SI<0,表示未飽和。SI=logQ?logK=log(QK)SΙ=logQ-logΚ=log(QΚ)式中K-礦物在地下熱水中的溶解度(mol/L);Q-實(shí)際溶解在地下熱水中的礦物的離子活度積(mol/L)。在WATCH程序計(jì)算出各礦物在不同溫度下的log(Q/K)值后,以溫度為橫坐標(biāo),log(Q/K)值為縱坐標(biāo),作出表示礦物-溶液的平衡狀態(tài)的T-log(Q/K)曲線圖。我們選取了常見的5種礦物(硬石膏、溫石棉、玉髓、石英、滑石),做出其T-log(Q/K)曲線圖。從圖2中可以看出,在這五種礦物中只有玉髓和石英的飽和指數(shù)在平衡線之上,其余蝕變礦物均未達(dá)飽和狀態(tài)。而石英處于過飽和狀態(tài),只有玉髓接近平衡狀態(tài)。因此也證實(shí)了玉髓地?zé)釡貥?biāo)是最適合估算該礦區(qū)熱水溫度的地?zé)釡貥?biāo),而從不嚴(yán)格的意義上講,石英溫標(biāo)給出的溫度是深層熱儲(chǔ)的最高溫度。4地下水的溫度特征通常,若某種礦物在水溶液中達(dá)到了平衡,這種礦物的平衡曲線和SI=0軸的交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度就是它的理論平衡溫度,交點(diǎn)周圍一個(gè)較小的溫度區(qū)間就是熱儲(chǔ)中的平衡溫度,這種礦物可作為該熱儲(chǔ)的地?zé)釡貥?biāo)。玉髓的平衡曲線與SI=0軸交點(diǎn)的溫度對應(yīng)在40℃～50℃間,表示為該區(qū)熱儲(chǔ)的平衡溫度;石英的平衡曲線與SI=0軸交點(diǎn)的溫度對應(yīng)在70℃～80℃間,則反映出該區(qū)深層熱儲(chǔ)的最高溫度。實(shí)測平頂山礦區(qū)恒溫帶深度為25m,溫度17.2℃,東部地區(qū)地溫梯度為4℃/100m,代入熱水的循環(huán)深度公式中得H=q(tH-tB)+h式中H-循環(huán)深度,單位m;tB-恒溫帶溫度,單位℃;tH-熱水深部最高溫度,單位℃;q-地溫梯度,單位℃/100m;h-恒溫層厚度,單位m。計(jì)算得出八礦地下水的循環(huán)深度為1425m,這個(gè)深度與李口集向斜軸部灰?guī)r最大深度基本吻合。八礦距地表600多米(-430m水平)處,溫度是47℃左右,而在深度1425m處具有73.4℃的高溫,東風(fēng)井等出水點(diǎn)水溫為36℃左右,說明深部熱水在上升過程中還有溫度偏低水的混入。再次印證了Na-K-Mg三角圖得出的結(jié)論。5使用熱流體水質(zhì)分析數(shù)據(jù)1)地?zé)釡貥?biāo)法目前廣泛應(yīng)用在地?zé)峥碧焦ぷ髦?但是任何溫標(biāo)在使用前都要進(jìn)行水巖平衡判斷,不能直接應(yīng)用。2)利用Na-K-Mg平衡圖可以來評價(jià)水樣的平衡狀態(tài)