魯西平原地熱水的化學特征及開發利用

劉元斌,孟令興,周亞醒

(山東省魯南地質工程勘察院,山東兗州 272100)

魯西平原地熱水的化學特征及開發利用

劉元斌,孟令興,周亞醒

(山東省魯南地質工程勘察院,山東兗州 272100)

魯西平原地熱水資源較豐富,屬中低溫地熱,埋藏分布廣,溫度適中,開采潛力大。通過對魯西平原地熱水的水化學和冷水、海水的水化學進行對比分析,研究地熱水的形成及水化學特征,根據地熱水的水化學特征對地熱水進行有針對性地開發利用。

地熱;水化學特征;開發利用;魯西平原

1 魯西平原地熱概況

魯西平原位于山東省西部,包括菏澤市全部及濟寧市西部,京杭運河以西屬黃河沖積平原,以東屬汶泗河沖洪積扇。魯西平原地熱屬沉積盆地地壓梯度增溫型地熱[1],地熱主要以熱水的形式賦存于深部含水巖層中,為熱水型地熱[2]。主要熱儲包括:寒武 +奧陶系層狀裂隙-巖溶型熱儲和新近系砂巖類層狀裂隙-孔隙型熱儲 2種類型。寒武 +奧陶系裂隙-巖溶型熱儲分布于魯西平原之濟寧凹陷南部,金鄉-魚臺凹陷、菏澤凸起及豐沛凸起內 (分布區的深度以 3 000m為底界);新近系砂巖類層狀裂隙-孔隙型熱儲主要分布于魯西平原西部(巨野斷裂以西地區)菏澤凸起及東明凹陷內,尤其是菏澤凸起內具有雙儲雙蓋結構,地熱資源更為豐富(圖 1)。

利用開采強度計算法求得魯西平原不同類型的地熱資源量(表 1)。目前區內地熱開發尚處在初級階段,僅有零星的地熱井分布,且經營粗放,用途單一,利用率較低。了解地熱水的水化學特征,并根據地熱水的水化學特性有針性地對地熱水進行有效合理開發利用,提高地熱利用率,關系到地熱能的開發利用前景及區域經濟發展規劃①孟令興等,山東省地熱資源調查(魯西平原),2008年。。

2 魯西平原地熱水的化學特征

圖 1 魯西平原構造綱要圖

2.1 地熱水水化學特征

從表 2可以看出,一般淺層地下水主要的陰、陽離子除重碳酸根離子、游離 CO2大于地熱水,偏硅酸 H2SiO3基本相近外,其他均遠遠小于地熱水的含量。地熱水的主要陰陽離子,除 Na+,I-含量新近系孔隙水大于寒武 +奧陶系熱水外,其他組分含量均有淺層新近系熱水較低,寒武 +奧陶系熱水較高的特點,特別是的含量。從水化學類型來看,冷水的水化學類型比較單一,熱水的水化學類型比較復雜,礦化度地熱水遠大于一般冷水[3]。

寒武 +奧陶系熱水與海水主要陰、陽離子,特征系數對比來看 (表 3),特征系數 rNa/rCl,rNa/rCa, C l/B r,SO4×102/Cl,除 rNa/rCa低于海洋水,其他的都高于海洋水,反映了地下熱水具有大陸溶濾水的特征。通過對微量元素的比較,除B r-遠小于海水的含量外,Sr,L i,I-,F-含量均大于海水,表明微量元素與海水有較大的差異性。對比表明,地下熱水與原始同生沉積水成分之間差距頗大,說明地下熱水已歷經很大程度的淡化,已從沉積成因水演變為滲入成因水。地下熱水起源于沉積水,在地質歷史發展過程中,因逐漸淋濾淡化而發生變質。Na+,K+, C l-,B r-等即是海水成因而后期淡化的結果,而Ca2+,M g2+,SO,Sr2+,F-,I-則在變質過程中因水熱作用含量增加。

表 1 新近系寒武 +奧陶系熱儲資源量

表 2 新近系奧陶系一般地下水與地熱水水質對比(mg/L)

表 3 奧陶系地熱水與海水化學成分對比(m g/L)

2.2 放射性特征

綜合區內 5眼地熱井地熱水放射性元素含量(表 4),5眼地熱井中曹縣莊寨地熱井深度最大,溫度最高。放射性元素含量總體上可以表明地熱水隨深度增加,溫度增高,其放射性元素的含量亦增大的特點。

表 4 地熱水放射性元素含量(Bq/L)

2.3 同位素特征

區內奧陶系地熱水同位素測試分析項目有δD, δO18,T,該區奧陶系地熱水的同位素組成特征如下:

(1)δD與δO18:δD為-57.0×10-3～-69.0× 10-3,δO18為-9.2×10-3～-9.6×10-3,經研究對比δD和δO18的值在克雷格標準降水直線δD=8δO18+10附近 (圖 2),說明地下熱水由大氣降水補給形成,屬大氣成因。

(2)T(T.U):根據南華地熱水氚含量 <0.50,反映地下熱水循環時間在 50年以上。

圖 2 δD,δO18值與標準雨水線對比圖

3 地熱水的腐蝕性評價

地熱流體的腐蝕性是地熱流體通過化學組分、溫度、流速和壓力等諸因素與所用材料相互作用的復雜結果。其中,地熱流體的化學組分對金屬的腐蝕有著重大的影響[4]。

3.1 地熱水對金屬的腐蝕性評價

要確定地熱水腐蝕性的評價方法,首先要看 C l-在地熱水中所占的含量(表 5)。

表 5 C l-的毫克當量百分含量

依據地熱水中 Cl-的毫克當量百分數,評價方法大致可分為 2類:

(1)拉申指數:根據中國能源研究會地熱專業委員會的理論研究成果,當地熱水中氯離子含量超過 25%毫克當量百分數時,采用拉申 (Larson)腐蝕指數評價較為合理,拉申指數表達式為:

式中:L I—拉申指數;C l—氯化物或鹵化物濃度(m g/L);SO—硫酸鹽濃度 (m g/L);ALK—總堿度(m g/L)。以上 3項以等當量的 CaCO3(m g/L)表示。

地下熱水按拉申指數劃分腐蝕程度:L I<0.5,無腐蝕性熱水;0.510,強腐蝕性熱水。

從表 5中可以看出,鄄城及曹縣莊寨地熱井的C l-的毫克當量百分含量超過 25%,適合拉申指數進行評價(表 6)。

表 6 地熱水拉申指數計算評價

(2)腐蝕系數:由表 5可知:濟寧、定陶、菏澤南華地熱井中 C l-的毫克當量百分含量均低于 25%,故不能采用拉申指數進行評價。依據《地熱資源地質勘查規范》(GB/T11615-200),可參照工業上用腐蝕系數 Kk來衡量地熱水的腐蝕性。具體評價方法如下:

若腐蝕系數 Kk>0,稱為腐蝕性水;腐蝕系數 Kk<0,并且 Kk+0.0503Ca2+>0,稱為半腐蝕性水;腐蝕系數 Kk<0,并且 Kk+0.0503Ca2+<0,稱為非腐蝕性水;Ca2+—離子含量 (m g/L)。

腐蝕性系數的計算:

式中 r表示離子含量的每升毫克當量(毫摩爾)數。依據上述方法,對 C l-低于 25%的地熱水進行腐蝕性評價(表 7)。

表 7 地熱水腐蝕系數計算評價(m g/L)

綜合表 6,表 7可知,工作區內地熱水多為腐蝕性水,建議在選用建筑材料時考慮地熱水對金屬的腐蝕。另外,氧氣溶解于水后會產生脫碳現象,使地熱利用系統強度降低而損壞。因此,在利用地熱水時,應盡量讓包括開采井在內的整個供水系統保持密閉,以減少氧氣的進入,必要時可采用化學防腐措施,如充氮等。

3.2 地熱水對混凝土的腐蝕性評價

依據《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001),評價地熱井地熱水對混凝土的腐蝕性。由表 6,表 7可以看出,除硫酸根對混凝土有強腐蝕性外,其他項目對混凝土無腐蝕性。因此,在工程建設中建議使用抗硫酸鹽水泥。

3.3 硅酸鹽垢

硅酸鹽垢的結垢比較復雜,其垢通常含有 40%～50%的二氧化硅,25%～30%的鐵和鋁的氧化物,以及 10%～20%的氧化鈉。硅酸鹽垢的結垢通常采用無定形二氧化硅的相對飽和度 R.S來評價,其表達式為:

式中:R.S為相對飽和度;SiO2為分子濃度 (m g/L); T為絕對溫度;當 R.S<1時,無 SiO2垢生成;當 R.S >1時,可能有 SiO2垢生成。

計算結果為工作區內熱流體無硅酸鹽垢生成(表 8)。

表 8 硅酸鹽結垢評價

4 魯西平原地熱水應用價值分析

(1)依據《醫療熱礦泉水水質標準 (GB13727-92)》規范進行評價。根據表 2,區內部分地熱井水氟的含量在 2.56～3.50m g/L之間,已經達到礦水命名濃度;鍶的含量除濟寧凹陷 1.382m g/L外,其他均在 6.75～9.18m g/L之間,已接近鍶水;偏硅酸的含量,除濟寧凹陷 19.80m g/L外,其他均在33.18～45.89m g/L之間,達到礦水濃度;偏硼酸的含量在 3.64～5.90m g/L之間,達到醫療價值濃度、接近礦水濃度。其他有害元素含量低,均低于檢出線。區內地熱水為氟礦水,含有 F-,H2SiO3,HBO2,L i等多種對人體有益的礦物元素,具有較高的醫療價值[5]。

(2)區內地熱水按《漁業水質標準》(GB5084-92)進行評價(表 2)。區內地熱水氟離子含量超過了漁業用水標準,一般不適宜漁業用水。若與低氟冷水混合使用,可供魚類養育越冬、孵化及養殖羅非魚等熱帶魚種[6]。

(3)按照《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)的規定,按二類水進行評價 (表 2)。從表 2中可以看出,熱儲區內地熱水氯化物、氟化物、全鹽量等成分也多數超標,而這些物質含量過高會對農作物生長產生一定負面影響,所以冷卻后的水同樣不適宜農業灌溉[7]。

5 地熱水的開發利用

區內地熱資源屬于中低溫地熱,埋藏分布廣,溫度適中,開采潛力大,可以在以下方面開發利用。

(1)地熱直接供暖。中國地熱采暖已有十幾年的歷史。目前已成為地熱利用中經濟效益最好的國家之一。目前北京、天津等地利用低溫地熱水進行地板式采暖效果很好,水溫一般控制在 40℃左右。工作區內地熱開發利用條件較好區和一般區,熱水溫度一般在 32.9～69.1℃,完全能滿足地板式供暖所需的溫度。鄄城、菏澤、定陶的奧陶系熱水具有一定的腐蝕性,可將地熱水提出后送入換熱器中,采用間接供暖方式供暖,經換熱后的地熱水可用于其他項目。

(2)浴療保健。區內地熱水屬于低溫熱礦水,富含氟、鍶、偏硼酸、偏硅酸等多種礦物質,有較好的醫療、保健、養生作用。經常用熱礦水進行洗浴,對高血壓、冠心病、心腦血管、風濕病、皮膚病等有一定療效。

(3)娛樂、旅游。依托溫泉浴療,可以開發游泳館、康樂中心、會議中心、療養中心、溫泉飯店、高級賓館等一系列娛樂旅游項目。鄄城利用鄄城 1號地熱井,開發溫泉度假村項目,已取得了較好的經濟效益[8]。

(4)地熱水產養殖。利用地熱發展水產品養殖,以充分合理利用地熱資源,打破氣候、地域制約,增加水產品種養殖種類,以期建成一個有特色、有規模、有水平和有效益的地熱水產品養殖基地。

(5)地熱工業利用。清洗羊毛、烘干衣物、造紙和牛奶殺菌等。在路面下鋪設管道,在冬季利用地熱化雪。地熱水也可以用來從礦物中提取金和銀,甚至是制冷和生產冰。

(6)地熱尾水加熱泵技術。近幾年熱泵技術作為低溫地熱開發利用中的一種高新技術,在國外尤其在美國和歐洲的應用日益普遍,它的出現為低溫地熱資源的利用提供了新的方法,拓寬了人們利用地熱資源的范圍。例如天津市大部分的地熱資源利用僅局限于供暖,地熱水排放溫度在 30℃以上,該溫度的地熱水無法用常規的方法加以利用,造成熱量的浪費,同時對環境造成熱污染,而利用熱泵技術則可以從中再提取部分能量加以利用,這不僅減少了資源的浪費和地熱水排放污染,同時也緩解了對地熱資源的需求,從而延長了地熱資源的使用時間。

6 結論

區內地熱資源較為豐富,地熱主要以地熱水的形式賦存于寒武 +奧陶系、新近系熱儲中。地熱水主要來源于大氣降水。水化學類型:新近系地熱水為 SO4·C l-Na,奧陶系地熱水為 SO4-Na·CaSO4Cl-Ca·NaSO4-Ca·Na。礦化度在 3 604.5～4 111m g/ L之間,pH值在 6.92～7.75之間。含有 F-, H2SiO3,HBO2,L i等多種對人體有益的礦物元素,具有較高的醫療價值,基本適宜漁業養殖,用途較廣泛。地熱水不適用于農業灌溉,硫酸根對混凝土有強腐蝕性,開發時需注意。

[1] (英)H.C.H.阿姆斯特德.地熱能 [M].北京:科學出版社, 1978.

[2] (美)L.M.Edw ards,等.地熱能源手冊[M].北京:地質出版社, 1987.

[3] 王福花,侯欣英,孫鵬,等.山東菏澤地區地熱田地質特征,山東國土資源,2008,24(4):40-43.

[4] GB50021-2001.巖土工程勘察規范[S].

[5] GB13727-92.醫療熱礦泉水水質標準[S].

[6] GB5084-92.漁業水質標準[S].

[7] GB/T11615-200.地熱資源地質勘查規范[S].

[8] 張杰,程鑫.煙臺市地熱資源勘查開發利用現狀與遠景規劃[J].山東國土資源,2009,25(8):14-17.

Chem ica lCharacter isticsand Utiliza tion of Geotherm a lW a ter in Lux iPla in

L IU Yuanbin,M ENG L ingxing,ZHOU Yaxing
(Lunan Geo-engineering Exp lo ration Institu te,Shandong Yanzhou 272100,China)

Geotherm al resource in Luxip lain isvery rich.Itbelongs tom edium and low temperature type.Itburied and distributedw idely,the tem peratu re ismoderate andm ining potentiality is large.Th rough constrastand analysis on hydrochem ical characteristicsof geotherm alwater,cold water and seawater,the form ing of geotherm alwater and its hyd rochem ical characteristics are studied.A ccording to hyd rochem ical characteristicsof geotherm alwater, geotherm alwater is developed and used p roperly.

Geo therm al;hyd rochem ical characteristics;exp loitation and utilization;Luxip lain

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P314.1

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2009-04-25;

2009-08-25;編輯:陶衛衛

劉元斌(1969—),男,山東金鄉人,工程師,主要從事水工環地質工作;E-m ail:xingxing400732@126.com。