江西省溫湯地熱田地熱水資源可持續開發利用前景研究

辛田軍，陳錫岳，陳　丹

（1.南京大學，江蘇南京210093；2.江西省勘察設計研究院，江西南昌330095）

江西省溫湯地熱田地熱水資源可持續開發利用前景研究

辛田軍*1，2，陳錫岳2，陳丹2

（1.南京大學，江蘇南京210093；2.江西省勘察設計研究院，江西南昌330095）

系統分析研究溫湯地熱田前期勘探及長期觀測資料，進行地下水動態變化特征研究，分析、預測導致地熱水變化的主要控制因素，并提出合理的防治方案與建議措施；在此基礎上，科學、系統地研究本地熱田的可持續開發利用前景，合理的開采利用方式。

地熱田；地熱水；動態變化；可持續

1　溫湯地熱田地熱水特征

1.1地熱地質環境背景

溫泉區處武功山復式背斜的西北翼，主要分布第四系松散土、震旦系變質巖、燕山期和喜山期巖漿巖等（見圖1）。第四系厚2～5m，以殘坡積、沖洪積為主，近代堆積。震旦系松山群老虎組，巖性以片巖和變質細砂巖為主，礦物成分以石英云母、長石為主，含少量或微量絹云母、鋯石、綠泥石、磷灰石、粘土礦物為主；松山群變質巖經加里東期混合巖化作用形成主要由條帶狀和條痕狀混合巖構成的混合巖帶。區內的巖漿巖主要有燕山期酸性侵入巖（中粒斑狀二云母花崗巖、中粒白云母花崗巖）和喜山期基性脈巖（輝綠巖脈）。

區內構造屬華夏構造體系，主體構造走向北東東，與地熱成生有關系的主要有F1和F2兩個斷裂系統。F1斷裂系統，包括F11、F12、F13、F14和一些伴生構造，而以F11為主干；硅化破碎帶呈舒緩波狀，作雁行排列，有時有分叉現象；巖性堅硬，以石英或硅質為主要成分，含白云母、絹云母和鐵質，夾有長軸與斷裂走向一致的糜棱財化的破碎巖塊和構造透鏡體；F1斷裂的強烈活動時期可能在中生代末，而脈石英與斷裂帶兩側巖石強烈硅化的物質來源可能與燕山期巖漿活動有關。F2斷裂系統基本為被第四系所覆蓋，為一由壓扭性主干斷裂（F21）和張扭性分支斷裂（F22）構成的斷層系，溫泉的分布、運動和排泄受F2斷裂系統的嚴格控制；主干斷裂F21，由一組走向75°～80°的壓扭面雁行排列而成，延伸長度超過3km，斷層帶寬10～40m，由于強烈壓扭作用，巖面極其破碎，成為淺灰色糜棱巖和角礫巖，次生片理發育，局部具流狀（帶狀）構造；F22是以密集的、有時厚度較大的沸石脈為特征（脈厚幾毫米至0.5m，總厚幾米至幾十米，脈動壁平整或參差不齊、兩相對應，平整脈壁幾乎都附貼著幾毫米至二、三厘米厚的含炭泥質硅質巖，而兩壁參差者，無先期扭性或壓扭性痕跡，呈單純的張性特征，傾角較陡，較大的沸石脈中都含有圍巖角礫，角礫棱角尖銳，大小懸殊，分布雜亂，且彼此對應很好），一組雁行排列的張扭性斷裂；走向北西，與F21主干斷裂成40°～50°交角，傾向北東，為第四系所覆蓋，據鉆孔揭露，主要表征為一系列的張性結構面，鉆探及水文地質分析認為，F22是一組雁行排列的張扭性斷裂，走向北西—南東，平面上與主干F21斷裂成40°～50°交角，向北東傾斜，寬100～250m。F2斷裂發生于F1斷裂帶中，而且炭質斷層泥沒有固結成巖，由此推斷F2形成于F1之后，與喜山期輝綠巖脈的侵入在時間上和地應力場上可能性一致，F2與F1可能存在一定的繼承關系。溫泉可能主要受晚期F2斷裂系控制。

1.2地溫場特征

平面上，以溫泉為中心，地溫比環境溫度高得多，100m深度范圍內，30℃地溫異常區近東西向延伸長1km以上、近南北向（北北東向）寬約0.3km，面積超過0.3km2。高溫（50℃以上）等溫線圈定的地熱異常在平面上呈近東西向展布的條帶狀，高溫中心帶沿F22張扭性斷裂帶呈近東西向分布，從西端溫泉露頭起，向東地溫增高，溫度62℃～67℃（見圖2）。

垂向上，溫度隨深度而變化，鉆孔加深，水溫漸高，至張扭性F22斷層，達到該孔最高溫度，而后測溫曲線出現明顯拐點，隨著鉆孔的加深，水溫下降；最高水溫分布于張扭性F22斷裂內，自泉眼沿張扭帶走向往東，水溫增高，溫度從64℃依次增為64.5℃和67℃，高溫帶的空間展布與F22基本一致，F2為溝通深部熱源和控制地熱異常分布的主要斷裂。

圖1　溫湯地熱地質圖

圖2　溫湯溫泉平面地溫等值線圖

2　地熱流體場特征及動態

在實施開采量10000m3/d開采后，據環境監測資料表明：2008～2011年地熱田地熱水水溫、水位、化學成分穩定。2012～2014年地熱田地熱水水溫保持在58℃，水位、成分相對較穩定。

3　地熱流體水化學特征動態變化

多年的開采已經證實，地熱水可溶SiO2、H2SiO3、F-、Se2+、溶解固形物、Mg2+含量將逐漸緩慢降低，其它礦物質組份可能變化不甚明顯。與20世紀80年代地熱水水質比較：主要水化學分析結果基本相近，但F-、溶解固形物、硒、偏硅酸、可溶SiO2成分含量緩慢降低。分析認為這一變化多受近代于人工回灌增加補給來源的原因所致，同時表明通過回灌增大地熱水可開采資源量后，地熱水水化學特征的動態變化已與大氣降水的相關性不甚明顯了。

4　地熱水資源可持續開發利用前景分析與預測

4.1預測基礎

4.1.1熱源分析

溫湯地熱田的巖漿巖分屬于燕山期和喜山期。燕山期（早期）的主要是酸性侵入巖，喜山期的則為基性脈巖。但該部分條件并不能為該地區地熱田提供熱源，一是這些火山巖形成較早，年齡較長，巖漿本身所攜帶的熱量隨著時間的推移逐漸消失；二是溫湯地區新生代雖然有基性巖漿活動，但規模比較小，構成地熱系統的熱源條件并不充分。而溫湯地熱熱儲類型為構造型熱儲，地下水通過斷層或斷層破碎帶進行循環對流，在徑流過程中不斷吸收圍巖的熱量，同時還有部分地下熱水補充，成為地熱田的主要熱源。通過江西省大地熱流對比，溫湯地溫場大地熱流相對較高，地溫梯度較大。因此，溫湯地熱的來源主要通過傳導和對流來自深部的大地熱流，與巖漿活動已無直接關系。

4.1.2熱儲溫度分析

溫湯地熱田屬于深循環對流型地熱田，地熱田熱儲通過斷裂破碎帶的溝通和出露形成的溫泉與地表水力聯系密切，加之水循環過程在花崗巖、片麻巖類圍巖中進行，隔水性良好，因此地熱田深部熱水在向上運移過程中，雖然有熱量釋放和冷水混入，但溫度與熱儲溫度一般不會相差太大。

因深部熱儲溫度難以直接量測，根據本區地熱地質條件和規范推薦溫標，選擇以下2種溫標：

據地熱水的SiO2含量，采用下式進行地熱田的溫標計算：

式中：t1——地熱田的熱儲溫度，℃；

C1——熱水的SiO2含量，mg/L。

根據鉀鈉地熱溫標，根據水巖平衡和熱動力方程推導的計算公式：

式中：t2——地熱田的熱儲溫度，℃；

C2——水中鉀的濃度，mg/L；

C4——水中鈉的濃度，mg/L。

經通過計算結果分析，區內深部熱儲溫度可達157℃～183℃，熱水循環深度4246～5035m。

4.1.3地熱田可灌性

溫湯地熱田，對單個的既定的回灌孔而言，在自然回灌的情況下，回灌量的大小直接與注入靜水位埋深、巖石的透水性和鉆孔的通徑有十分密切的關系，另外試驗也證明，注入量的大小與回灌水的水溫關系也十分密切，但總體上說，就單孔而言回灌量總是有限的。但如果新開鑿回灌井，尋找較為適宜的回灌井位，加大回灌量是可以做到的，這一點已從歷次開采回灌試驗中得到驗證。

4.1.4回灌冷水對地熱水的影響

雖然受隔水斷層的阻隔使地下熱水集中向上流動到某一部位形成熱儲，但向上流動過程中以及形成熱儲后或地下水向地表排泄過程中，必然不同程度的受淺部冷水及地表回灌冷水的混入，按照熱交換定律，溫度不同的回灌水與地熱水相互接觸后，要產生能量傳遞，高溫地熱水向低溫回灌地表水放出熱量，低溫地表水要向高溫地熱水吸收能量，當達到熱平衡時，|Q吸|= |Q放|，它是符合能量守恒定律的。且由于流體的混合作用，從而使地下熱水的水溫有所下降，并一定程度地改變地下熱水的化學成分。

鑒于溫湯地熱田采取“回灌—開采”的開采模式，通過生產性回灌抽水試驗→增加回灌強度、開采強度→增加開采量→經數年的開采監測→確定可開采量→形成良性開發工程體系。維持地熱系統質、量的平衡，在國內乃屬首例。

4.2地熱水開發遠景分析與預測

根據本地熱田的可供熱儲總量、回灌擴儲機理與試驗結果數理統計等方面作些前瞻性分析。

4.2.1地熱資源儲存量分析

根據本區地熱地質條件和規范推薦方法，計算熱儲中儲存的熱量，估計熱田地熱資源的潛力，按下列公式估算，25℃溫度等值線邊界熱儲中儲存的熱量3.33× 1015MJ，58℃溫度等值線邊界熱儲中儲存的熱量5.70× 1014MJ。

式中：Q——熱儲中儲存的熱量，J；

Qr——巖石中儲存的熱量，J；

QL——熱儲中儲存的水量，m3；

Q1——截止到計算時刻，熱儲孔隙中熱水的靜儲量，m3；

Q2——水位降低到目前取水能力極限深度時熱儲所釋放的水量，m3；

Qw——水中儲存的熱量，J；

A——計算區面積，m2；

d——熱儲厚度，m；

ρr——熱儲巖石密度，kg/m3；

cr——熱儲巖石比熱，J/kg·℃；

φ——熱儲巖石的空隙度，無量綱；

tr——熱儲溫度，℃；

t0——當地年平均氣溫，℃；

ρw——地熱水密度，kg/m3；

S——導水系數，無量綱；

H——計算起始點以上高度，m；

cw——水的比熱，J/kg·℃。

4.2.2可采地熱水量預測

（1）熱儲可轉換的地熱水量分析。依據地熱流體可開采量所采出的熱量，按下式（9、10）計算本地熱田自開發至今已開采的熱能。

式中：Wt——熱功率，kW；

Q——地熱流體可開采量，L/s；

t——地熱流體溫度，℃；

t0——當地年平均氣溫，℃；

4.1868——單位換算系數。

地熱流體開采累計的熱能量按（10）式估算：

式中：∑Wt——開采的熱能，106J；

D——開采日數（按24h換算的總日數），d；

Wt——（7）式計算得出的熱功率值，kW；

86.4——單位換算系數。

雖然溫湯地熱熱儲類型為構造型熱儲，地下水通過斷層或斷層破碎帶進行循環對流，在徑流過程中不斷吸收圍巖的熱量，同時還有部分地下熱水補充，成為地熱田的主要熱源。溫湯地熱的來源主要通過傳導和對流來自深部的大地熱流。根據以上類比計算結果對比，地熱田熱儲存量極為豐富，到目前為止，所采出的熱能僅為本地熱田58℃熱儲范圍內儲存總熱量的十萬分之2.26。簡單測算表明，如果存在一定的熱能交換條件與水循環通道，采用人工回灌的方式，本地熱田的地熱水可采量具有相應的保障。

（2）回灌機理分析。關于回灌機理尚有許多未知，為確保地熱系統的質、量平衡，適當減少回灌量，調整采灌比，加大開采降深，開采量有在目前基礎有所提高的可能。其可能性可從以下各方面予以論證。

①增大降深可適當提高開采量。根據大量的開采回灌試驗得出的結論是，Q=f（s）基本上是一條直線，生產井的涌水量決定于最大降深值和單位涌水量的積。以此作為依據，如果適當加大降深的情況下，開采量有適當提高的前景。

②調整采灌比可適當提高開采量。通過多期次的回灌——開采試驗可以得出，減少回灌量，調整采灌比再進行試驗，可開采量可能還有提升的空間，但再試驗時不宜超越“臨界”，必須進一步通過循序漸進的回灌試驗對其進行驗證，方可實施。

（3）回灌試驗數理統計分析。對生產性回灌技術進行深入研究，使之成為一個可循環利用的開發與保護并舉的良性循環。保護地熱田（地熱系統）在人為開采條件下的能量平衡，建立科學的良性的開發工程體系。

回灌機制雖然比較明晰，但長期回灌開發情況下的變化和預測，仍存許多未知。按照熱交換定律，假定熱儲中儲存的熱量及熱儲中儲存的水量保持恒定。通過不同回灌冷水量與地熱水的熱交換估算結果，進行數理統計分析，可以求出如下回歸方程的關系：

T=-12.83lnQ灌+185.28（R2=0.9988）（10804≤Q灌≤20181）

綜合上述3方面分析，初步認為本地熱田具有通過回灌擴儲的可能性，理想條件下，其水溫的一般可保持在58℃～64℃，但水化學成分的變幅情況目前仍難以做出較為明確的分析。最終其可持續開發的地熱水如何，尚需通過進一步的試驗與開采監測進行分析。

4.3地熱流體水化學變化趨勢預測與評價

溫度和壓力是控制地熱水化學體系平衡的重要物理因素，在深部高溫高壓環境，有利于地熱水與圍巖之間的各種化學平衡，當溫度降低，平衡條件發生變化。按照質量平衡定律，礦物鹽類溶解度隨溫度的降低而減少。氟在天然水中大多以氟氫酸形式存在，它對硅質有溶解作用。氟氫酸越多，溶解的硅質也越多，其溶解度與水溫成正比。并根據地熱水回灌條件下，熱水與冷水混合作用后主要元素歷時變化趨勢分析。初步預測在嚴格控制回灌量不超過回灌臨界，減小回灌量提高采灌比的模式下，地熱水的主要化學元素不會發生質的變化，均在可變范圍內震蕩變化。

5　結論與建議

（1）結合多期試驗結果及各年開采峰值月份的日均開采量考量，在現有回灌系統設置狀態下，地熱水開采量具有一定的保障程度。地熱水中礦水指標H2SiO3含量略呈緩慢下降趨勢，但其含量為規范礦水濃度的2.5倍以上，F-、Se等礦水指標含量上下波動變化，其它礦物質組份變化不甚明顯。在現有回灌開采狀態下，水質也仍具有相應的保障程度。

（2）通過熱儲轉化分析、回灌機理分析和回灌試驗數理統計分析，初步認為本地熱田具有通過回灌擴儲的可能性，理想條件下，其水溫一般可保持在58℃～64℃，但水化學成份的變幅情況目前仍難以作出較為明確的分析。最終其可持續開發的地熱水量與水質變化如何，尚需通過進一步的回灌試驗與試驗性開采進行驗證。

（3）提高熱利用率，必須控制尾水排放溫度，改造地熱利用系統，目前熱利用率還十分低，主要原因是利用結構單一、地熱資源消耗量大，應有計劃地對不合理、不規范的進行改造。

（4）地熱田熱儲中的熱量與地熱水之間的轉換是受諸多因素控制，包括水循環通道、熱源平面與深度分布特征、儲熱地層的熱傳導性能、地下礦物質溶解特性等等，這些因素不僅制約了可轉化熱能總量，也同時制約了單一時段內的可轉換熱量，而有關于這方面的實例研究，目前在國內仍無成功的實例，尚無足夠的資料進行論證，有待后期進行該方面的研究工作。

（5）地熱水開采回灌的過程較為復雜，牽涉諸多的因素，針對進一步調整回灌量及開采降深，以期提高地熱水可采量的分析預測，需通過進一步的試驗工作，進一步查清地質構造，地熱水邊界條件，注入冷水的去向和途徑，同時了解更深部位地熱水溫度增加的可能性。

［1］江西省勘察設計研究院.江西省地熱資源現狀調查評價與區劃項目成果報告［R］.2014.

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［6］汪集旸，等.中低溫對流型地熱系統［M］.北京：科學出版社，1993.

［7］孫占學，李學禮，等.江西中低溫地熱水的同位素水文地球化學［J］.東華地質學院學報，1992，15（3）.

［8］高柏，孫占學，等.江西省地熱溫泉開發利用與保護［J］.水資源保護，2006，22（2）.

P314

A

1004-5716（2016）08-0157-05

2015-07-29

2015-08-02

辛田軍（1982-），男（漢族），寧夏隆德人，高級工程師，研究方向：礦床學。