地热能实验研究方法及设备选型.docx

1、地热能实验研究方法及设备选型地热能实验研究方法及设备选型侯风岗（北京奥陶科技有限公司）【摘 要】： 地热能的勘查实验研究贯穿整个地热能开发的始终，地热能的勘查实验的重要性不言而喻。要做好地热能的勘查实验，对于勘查实验设备的选择也尤为重要。笔者根据多年地热能实际应用开发经验，整理调查了国内多个已经建成的地热能研究中心、实验室，对地热能勘查研究的仪器设备选型做出了深入剖析。【关键词】： 地热能 地热勘查 地热实验室 地热分析仪器 物理勘查1、 地热能勘查实验研究的现状 我国较大规模的开展地热资源的勘查和开发，始于20世纪70年代。早期的地热勘查工作基本经历了普查、详查、勘探、开发和商业开发五个阶段

2、，走了一条较科学的发展道路（如天津、北京的部分地区）。为全国地热资源的勘查评价工作树立了良好的榜样。 近十几年来随着国民经济的发展，地热资源的开发利用迅速形成高潮。但许多地区只开展了地热普查工作之后，便进入了商业开发阶段，有的地区甚至没有进行任何正规的地热勘查工作，就直接进入商业开发阶段，经过一段开发后，出现许多开发和管理上的问题，这时会回过头再进行普查或详查工作，核实地热资源量，制定地热资源开发利用规划。后一种地热勘查，虽起步过晚，但可以充分利用商业开发资料，降低地热勘查投资。以上两种地热勘查阶段的模式，各有利弊，也是社会发展的必然产物。但是，在地热能实验研究方面现在没有一个系统的方法，所采

3、用的试验设备和实验方法也没有统一标准，一直处于分散的、零星的状态。而地热资源的利用和开发现在处于井喷式发展，迫切需要对地热能系统实验方法和设备选型进行归纳和总结。2、 开展地热能勘查实验研究的必要性1.1、 地热资源有很多好处，环保、稳定、分布广泛，但也正因为分布广泛，造成了分布的不均衡性，所以有地面上横向的不均衡，也有地下深度上的不均衡。地热勘查是地热能开发利用前期的最重要的工作，它涉及到地质学、地热学、以及地球科学的等很多学科的知识和技术，有很高的技术含量，地热能的开发工程和利用及后期都离不开地热勘查。1.2、 通过地热勘查，可以了解地下热储的状况，比如地热资源埋藏的深度，地热资源埋藏的位

4、置，地热资源有多少，地热资源在地下是怎样生成、分布、流动、贮藏的，当然，在对地热资源进行勘查的同时，也会相应地推断地热资源周边的地质状况，比如岩层的分布和岩性等等信息，为后期的工程工作打基础。1.3、 地热钻井，也是以地热勘查为依据的。在哪里打井，打井打多深，采用什么设备进行地热钻井，使用什么样的工艺流程，地热钻井工程方案的拟定，都要根据勘查报告提供的结果来进行。此外，地热钻井方案也要考虑到勘查报告中提供的当地的地质信息，以便选用合理的设备和技术，并对钻井中可能会出现的问题进行预估，在钻井过程汇总也要继续进行监测探查，如有异常，尽快处理，避免风险，提高钻井的效率和成功率。1.4、 2018年1

5、月19日，甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室通过省科技厅组织的专家组验收，将正式挂牌运行。 (开展地下水工程与地热资源研究、保护和开发)。1.5、 中国石油大学（北京）整合优化了学校在地热资源方面的科研资源，成立地热研究中心。隶属油气资源与探测国家重点实验室。（服务国家能源战略需求，加快我国地热资源高效开发与综合利用进程）1.6、 受国家能源局委托中国石化集团新星石油有限责任公司成立了国家地热能源开发利用研究及应用技术推广中心、能源行业地热能专业标准化技术委员会、中冰地热技术研发合作中心。3、 地热能勘查实验研究的方法目前在地热勘查中投入的方法种类繁多,按其专业可分为地热地质、遥感、地球物理

6、、地球化学、同位素地质、钻探工程以及化验分析等。可归纳以下几个系统如图1所示.（图 1）3.1、 区域地质资料综合分析地热资源的埋藏分布大多与区域构造断裂，基底埋藏分布，深部地层岩性等密切相关，广泛搜集与分析区域地质构造资料及已有石油、煤炭及其他矿种的勘查资料，是开展地热勘查的必备工作，进而确定地热勘查区所处地质构造部位，基底埋藏特征、地层岩性特征、地热水储存和运移特征等，为地热勘查评价提供基础地质条件。3.2、 航卫片解译航卫片的解译可以判断地热勘查区地质构造基本轮廊及隐伏构造；可以显示泉群和地热溢出带位置，地面水热蚀变带的分布，热红外解译可判断地表异常分布等。在勘查面积较大，已有地质资料较

7、少地区，该方法可提供较多的地热地质信息。【1】3.3、 地热地质调查应在已有的区域地质资料和航卫片解译资料基础上进行，实地验证航卫片解译的重点问题，寻找地质露头，观察地热田的地层及岩性特征，地质构造、岩浆活动与新构造运动情况，分析地热勘查区地热形成的地质构造背景。调查勘查区地表热异常分布特征及其与地质构造的关系，调查勘查区温泉出露及分布特征、泉水温度及流量变化特征及开发利用历史，调查勘查区内已有地热井水温、水量、开采层段及地层岩性特征，地热水开发利用及动态变化特征。并对不同精度和工作目的的地热地质调查，其工作内容可以有所侧重。3.4、 地球化学调查（1）对土壤中砷、汞、锑的探测，可以帮助判定深

8、部隐伏断裂的展布情况。（2）地热井岩芯中水热蚀变矿物鉴定分析可以推断地热活动特征及其演化历史。（3）对地热水中氟、二氧化硅、硼等组份的测定，可以帮助确定地热异常分布范围。（4）测定代表性地热水，常温带地下水、地表水、大气降水中稳定性同位素和放射性同位素，可以推断地热流体的成因与年龄。表1 地球化学分析常用仪器设备序号分析项目名称分析测试内容仪器1地球化学分析可对土壤中砷、汞、锑等的测定；帮助判定深部隐伏断裂的展布情况原子荧光光度计2地球化学分析可对二氧化硅、硼等的测定；推断地热活动特征及其演化历史分光光度计3地球化学分析高温高压水-岩-气反应试验；帮助确定地热异常分布范围高温高压反应釜4地球化

9、学分析测定水中同位素比率，摩尔分子数，同位素的绝对浓度；推断地热流体的成因与年龄液态水稳定性同位素测定仪5地球化学分析测定土壤中的微量元素，如氧、二氧化碳等气相色谱仪6地球化学分析测量土壤中氡浓度;可勘察、寻找地质构造破碎带、地下基岩水、隐伏断层。氡气检测仪7地球化学分析分析样品中阴离子和阳离子离子色谱仪8地球化学分析气体检测及分析气体分析仪9地球化学分析水样的水质分析多参数水质分析仪10地球化学分析利用地下水水分子中氢原子的核磁共振特性，直接测量地下水的含量和分布核磁共振仪3.5、 地球物理勘查（1）采用地温测量可以圈定地热异常区，分析热储空间分布特征。（2）在较大的地热勘查区可以采用重力法

10、确定勘查区基底起伏及断裂构造的空间展布。利用磁法确定火山岩体的分布及蚀变带位置。（3）可控源音频大地电磁测深及氡气测量等方法可以判定断裂构造展布特征及地层富水情况。（4）利用地震探测可以较准确的判定构造断裂展布特征及产状，测试地层波速为热储层段划分提供信息。地球物理勘查工作是间接探测方法，信息解译有多解性。开展工作时应设计出合理的方法组合，尽量用较小的投入获取较多的地热地质信息，以便去粗取精，去伪存真，例如：应先在较大范围内采用氡气测量，初步圈定构造断裂的大概位置，再有针对性的布置部分人工地震探测剖面，以便较准确判定断裂展布、产状和地层结构，最后选择布井有利部位，开展少量音频大地电磁测深点判定

11、富水情况。表2 地球物理勘查常用仪器设备序号分析项目名称分析测试内容仪器1大地电磁测深了解地下深层不同深度介质的电性分层，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大地电磁法仪2可控源音频大地电磁测深用人工控制的场源做频率测深可控源音频大地电磁系统3重力测量重力可确定岩石类型、土壤密实程度和地下水赋存自动测量重力仪4地层剖面按一定测量步距(测点距)沿测量剖面顺序移动并采集数据，从而得到整个剖面上的雷达记录探地雷达系统5物理探测地下水资源以及盐盆边界的地球物理探测多功能电法仪6磁法勘探观测和分析由岩石、矿石或其它探测对象的磁性差异所引起的磁异常高精度磁力仪7物理探测确定地

12、层岩性结构、岩溶发育带或岩石破碎位置以及预测地下水水质的变化规律电导率仪8物理探测寻找地下水,地质填图和工程选址高密度电法仪9物理探测岩土工程勘察与地质调查天然源面波勘探仪10物理探测自电、一次场电位、不同时段视极化率，二次场衰减曲线数字激电仪11物理探测岩矿石磁化率特征磁化率仪12物理探测岩石导热系数评价岩石导热系数测定仪3.6、 地热钻探地热钻探是地热勘查中最直观、最准确有效的方法，但因投资较大，工作量受到限制，因此地热钻孔施工前要综合分析所有相关资料，精心编制地热钻孔地质工作设计和钻探施工设计，钻探过程中应尽量开展各种样品采集和各种测试、试验工作，获取最多的地热地质信息。(1) 开展岩屑

13、录井及钻时录井，观察冲洗液温度变化及漏失变化，详细记录钻井过程中的漏水，井喷、涌沙、逸气、掉块、塌孔、缩径等现象及出现时的井深和层位，进而分析热储特征及地热水赋存部位。(2) 在热储层段采集代表性岩芯，观察岩性特征，判定岩石名称、测试其孔隙度、密度及渗透率、比热、热导率等量并与测井资料比较。还可做部分放射性含量、古地磁同位素年龄测试、判定地热田地质历史及区域热异常背景。(3) 开展综合物探测井，着重解决热储层段划分及主要含水层段位置，获取不同层位的孔隙率，渗透率、含水率、岩石密度等数据，获取井内地温变化曲线，井温测量应在停钻24小时以后，并应测两条温度曲线，两条测温曲线温差应在允许范围。(4)

14、 按稳定流及非稳定要求进行抽、放水试验，观察水温、水量、水位变化特征，为地热水资源评价提供基础据。(5) 采集地热水样品，有气体逸出，及中高温地热水应采集气样。水样应进行全分析，稳定性同位素、放射性t同位素及医疗热矿水的微量元素分析，气体分析应尽量做H2S、CO2、O2、CO、NH4、CH4、He、Ar等。(6) 地热井的钻进技术和成井工艺，包括冲洗液技术、测井要求、井斜、终孔口径、泵室段的确定均应满足勘探钻孔的目的要求。表3 岩石、岩心分析常用仪器设备序号分析项目名称分析测试内容仪器1钻孔成像分析钻孔裂隙及破碎、断裂位置、长度、宽度及走向等钻孔成像测试仪2岩石、岩土分析岩石风化、冻融；岩土水

15、化；岩土水分含量，孔隙水分布；岩土孔隙结构与孔径分布；核磁共振孔隙结构分析与成像系统3断层图像检测对象的断层图像，再现物体内部结构、密度分布、缺陷位置等工业CT无损检测系统4导热系数测量岩石、土壤等的导热系数导热系数测定仪5比热容测量岩石、土壤等的比热容岩土比热容测试仪6孔径分析可用于测试粉末、颗粒、纤维及片状等材料的表面积、孔径孔容、孔径分布比表面及孔径分析仪7孔隙分析测量岩芯样品的颗粒体积、孔隙体积和孔隙 度自动孔隙度测量仪8岩心分析1) 常规岩心孔隙结构及流体饱和度；2) 非常规岩心（致密岩心，泥岩，页岩）孔隙结构及流体饱和度；3) 中大尺寸岩样含油含水分布、油水含量测试核磁共振岩心分析

16、仪9裂纹探测结构设计验证、材料定性、有限元模型验证、材料测试（包括裂纹探测、结构测试、材料疲劳度测试等）激光多普勒测振仪3.7、 动态监测动态监测应贯穿地热资源勘查开采的全过程，地热开采井均进行水位、水量、水温、水质的动态监测，以便掌握地热资源的天然动态与开采动态。对已开发的地热田一定保持动态监测的连续性和合理性，以便为地热资源计算与评价、地热田管理与地热田开发有关的环境地质问题提供实际资料。【2】表4 动态监测常用仪器设备序号监测项目名称监测内容监测仪器1压力、温度监测用于高温地热井中压力、温度监测和记录地热井井下监测仪2压力、温度监测用于监测和记录井口的压力和温度数据井口监测记录仪3水质分

17、析、水温、水位实时监测水文监测：水温、水位；水质监测：溶解氧、电导率、浊度、PH等可选择地下水水质监测系统4地下水示踪地下水示踪、地热水连通性示踪、污染源调查、水土流失监测和水库泄露监测等示踪仪4、 结论与认识 由于该领域涉及难于触及的地下问题和复杂多变的热-流-固复合的瞬态过程，地下换热取热方案投资大、周期长，一经实施难于改造和调整。所以应重视利用理论分析、模型建立和机理实验等手段，结合一定的模拟实验和工程试验，进行过程机理研究、性能分析、可变性预测、控制策略制定及设计评价等工作，逐步提高对地下过程传热认知能力，指导工程实践拓展基本理论，达到科学健康的应用与可持续发展的目的。【参考文献】：【

18、1】地热勘查主要技术方法及要求EB 2017.6.24【2】关于地热资源勘查及评价方法的讨论洪乃静、张晓霞 EB 2007-9-29四、地热能勘察实验研究的设备选型实验项目设备名称基本参数用途水化学实验液态水同位素分析仪Picarro 自动进样器（A0325）和汽化器（A0211）具有出色的精度，基本不需要维护，适合于海洋学，水文学和古气候学应用。自动进样器和汽化器与 L2130-i 和 L2140-i 水同位素分析仪完全集成，包括嵌入式软件控制。完全集成的自动分析解决方案；可选择操作模式：高精度或高通量模式；嵌入式软件设计控制汽化器和自动进样器；自动进行样品分析，获得每次进样报告数据；每个样

19、品的 18O 精度0.025，24 小时漂移0.2。 每个样品的 D 精度0.1，24 小时漂移0.8测试水中氘、氧稳定同位素含量；用于水体中18O/16O和D/H千分比值测定；推断地热流体的成因与年龄水化学实验原子吸收分光光度计富氧火焰技术-替代氧化亚氮乙炔火焰法，适宜分析Ca、Al、Ba、Mo、V等高温元素，火焰温度在23002950之间连续可调。无味、无毒、无污染、无毒害，操作简便。大大降低分析成本，扩展火焰原子吸收光谱分析范围，堪称火焰分析技术的新突破。采用FUZZY-PID光控与定电压双曲线控温技术，温度自校正技术，控温精度1%,气动压力锁定的石墨炉原子化器，凸显升温速度快、温度重现

20、性好，分析灵敏度高的优点。用于水环境样品中主量元素、微量元素的定量分析水化学实验核磁共振成像分析仪1、常规条件下岩心分析 岩心、岩屑孔隙度与孔径分布测量岩心、岩屑渗透率测量；岩心、岩屑流体饱和度测量束缚流体饱和度、可动流体饱和度、含油饱和度流体流动性/粘度分析；MRI孔隙流体分布测定任意角度、多层面二维成像；孔隙成像观察钻井液含油含水率分析2、高压驱替、变温、冻融、吸附解吸、渗流研究等。用于多孔介质材料孔隙度、渗透率、孔径分布、含水率等结构表征，研究岩心的孔隙分布、不同流体分布、裂缝走向、污染程度等。水化学实验高温高压反应釜温度：250、300、350和非标压力：5、10、20MPa主要部分：

21、压力表：双刻度压力表，实时监测釜内反应压力（进口）。探底管：便于反应过程中随时取样并分析反应进程。密封：PTFE密封圈A线软密封，耐腐蚀，无泄漏。安全阀：防爆安全阀HC276材质。热电偶：用于反应温度的测定（进口探头）。紧固结构：半月抱环式快速开启紧固结构，操作更省时省力。进样针阀和放气针阀（进口）。控温方式: LCD智能控温，无温冲，控温精确，升温速率可调。高温高压水-岩-气反应试验；帮助确定地热异常分布范围水化学实验气相色谱质谱联用仪配有ECD检测器，适用于定性或定量分析沸点较低、热稳定性好的有机物。扫描范围:1.6-1050amu；质量轴稳定性:0.1amu/48小时;扫描速率:最高12

22、500amu/s;灵敏度:EI全扫描1pg八氟萘信噪比400:1。配合固相萃取等样品前处理技术，能对各种量级（超痕量、痕量、微量、常量等）有机化合物进行分析鉴定，并提供各种有机化合物的定性、定量数据及系列图谱（包括总离子流图、色谱图、质量色谱图、质谱图）。用于各种量级（超痕量、痕量、微量、常量等）有机化合物进行分析鉴定，并提供各种有机化合物的定性、定量数据及系列图谱水化学实验离子色谱仪数字式电导检测器，检测范围为0-10000s/cm;电导池温度稳定性0.01度；分辨率为0.0047nS/cm;电子漂移5nS/h（满量程）。在15min内可完成水环境样品中F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3

23、-、H2PO4-、SO42-的分离检测。 辅以多参数水质分析仪，可同时测定水样的温度、pH值、电导率、电势、溶解性固体总量、溶解氧等物理和化学参数。与电感耦合等离子体质谱仪联用可测定水环境样品中的砷、硒、汞金属元素的形态。用于水环境样品中F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、H2PO4-、SO42-的分离检测地球物理实验多功能电法仪技术参数：道 数： 3磁道，3电道 若组成网络化采集系统，道数不受限制频率范围： 10,000Hz 到 DC数据存储： 可插拔CF卡（存储量可扩展至2G）模数转换器： 每道一个，24位，采样率最高可达96000样点/秒重 量： 7Kg 键 盘： 触按式防水ASC

24、II码键盘显 示： 阳光下可视彩色液晶背光显示屏，分辨率为640*480接 头： 多针军用磁探头连接口，GPS天线，电瓶和接地接口测量电极接线柱输入电压： 12V 直流 功 耗： 约15W处 理 器： DMdP Vortex86sx和多个快速辅助处理器环 境： 工作温度-20到+50用于油气勘探、地热勘查、地下水调查、地壳及地震研究、活断层研究以及矿产调查、金属和非金属矿产勘查、环境工程调查、连续性或长周期监测等领域。地球物理实验探地雷达技术参数： 动态范围： 186dB 时间窗口：0.5200000ns 硬件叠加次数：高达32768 软件叠加：不受限 信号增强技术：DynaQ 硬件时间信号采

25、样增量：5ps采样：数字等效时间采样 脉冲重复频率：高达100KHz 数据质量保证：动态的温度和电压补偿方式控制模块功耗：100mA12V温度范围：-50+50发射机功耗：150mA12V按一定测量步距(测点距)沿测量剖面顺序移动并采集数据，从而得到整个剖面上的雷达记录地球物理实验磁化率仪温度范围：-10- +50环境湿度：80%，+40磁化率仪：分辨率为110-5SI（全程）测量范围：1-300,00010-5SI（全自动）显 示：12864点阵，全中文显示存贮空间：最大存贮1000测点40读数测量方式：手动或自动，大样品或标准样（可选）岩性选择：可选择60种常见岩性和4种自定义岩性大 小：

26、1808234mm重 量：大约600g用于岩矿石磁化率特征的测量地球物理实验磁力仪主要技术指标：测程范围：20000nT100000nT 分辨率：0.1nT测程精度：总场绝对强度50000nT时1nT 梯度允许范围：5000nT/m环境温度：-15+50 环境湿度：95%（25）数据存储量：日变方式：不少于200天（在最短读数间隔为5秒时，一天24小时），点测方式：不少于10万个点电源：锂离子电池：12.8V16.8V/5 Ah，连续工作不少于17小时（日变方式下，典型读数间隔为10秒时）主机外形尺寸：（长宽高）：260100230（mm）主机重量：约2Kg 探头外形尺寸及重量：74150（m

27、m），0.8Kg用途是进行磁异常数据采集以及测定岩石磁参数地球物理实验地热温泉探测仪1、测量范围：0-120mV2、测量模式：直接显示30层深度值3、频率误差：0.1% 4、分辨率：0.001mV 5、重复误差：0.5% 1个字 6、A/D转换：24位 1Msps7、输入阻抗：10M；工频抑制：100dB 8、数据存储：8M 9、显示：7触摸屏 10、连接：USB2.011、电源：DC7.4V 5200mAh锂电池；功耗：450mA12、温度：-20+70；湿度：10%90%13、体积：272513CM ；重量：2.8KG14、测线长度：八通道40米，十六通道80米，测量电极间距5米测量天然电

28、磁场强弱来反应地下电阻率的变化来分析判断地下温泉地热的位置、深度等相关信息。化学实验原子荧光光度计应用领域环境保护、食品安全、疾病控制、医药医疗、卫生防疫、农业、地矿、冶金、化妆品、土壤、城市给排水、教学研究等。工作环境：温度：1535功率：200W元素：As、Se、Pb、Bi、Sb、Te、Sn等检出限D.L(g/L)：0.01元素：Hg、Cd 0.001；Zn1.0；Ge0.05；Au3.0；精密度：RSD0.7%可对土壤中砷、汞、锑等的测定；帮助判定深部隐伏断裂的展布情况化学实验氡气检测仪土壤氡：（300300000）Bq/m氡析出率：（0.00110.000）Bq/m2s（选配）水中氡：

29、（0.003100）Bq/L（选配）4. 测量重复性误差：5%（氡室浓度2000 Bq/m，环境湿度65%，温度25C）。5. 稳定性：相对误差 10% （8h）6. 电源：锂离子充电电池/交流电，电池供电可连续工作30h。7. 工作环境：温度：(-10+40)C 湿度：相对湿度90% (+40C)8. 探测器：硫化锌ZnS(Ag)和光电倍增管组合系统9. 数据存储：2000个数据10. 操作模式：单点检测或连续监测测量土壤中氡浓度断层扫描工业CT无损检测系统系统指标/型号： IPT21系列 IPT41系列 IPT61系列 IPT91系列 IPT15系列扫描方式： 二代+三代+DR+实时成像射线源能量（MeV）： 2 4 6 9 15剂量率（cGy/min1m）：200 500 800 3000 20000焦点直径（mm）： 2空间分辨率（lp/mm）： 12.5密度分辨率： 0.3%1%断层扫描时间（分钟）： 112*环境温度： 540环境湿度： 85%检测范围（长度、直径、重量）： 可定制检测对象的断层图像，再现物体内部结构、密度分布、缺陷位置等导热实验岩石导