碳酸鹽巖類地層地源熱泵系統適宜性研究

黃 鵬，駱 進，顧曉敏，胡 濤，陳 思，宋金成

（1.中國地質大學公管學院，湖北武漢 430074；2.中國地質大學工程學院，湖北武漢 430074；3.銅仁市九龍地礦投資開發有限責任公司，貴州銅仁 554300）

0 引言

地源熱泵技術是開發利用中低溫地熱資源的有效方法，具有低耗高效、綠色環保及可再生利用地熱資源的特點(莊樹裕，2013)。1912年瑞士人首先提出地源熱泵技術的概念，1946年第一個地源熱泵系統在美國俄勒岡州波蘭特市中心區安裝成功(Sanner et al，2003)。在技術應用方面，瑞士、瑞典、德國、奧地利及日本的地源熱泵技術應用最為成熟，走在世界前沿。從應用比例看，瑞士、挪威是世界上地源熱泵應用人均比例最高的國家，應用比例高達96%。地源熱泵技術在我國開發利用起步較晚，20世紀50年代呂燦仁教授最早開展了我國的熱泵系統研究。20世紀90年代，地源熱泵技術在我國得到推廣和應用，其中，北京、寧波、廣州等城市先后啟動了示范工程(藺文靜等，2012)。1997年，我國科技部與美國能源部(DOE)簽署了《中美能效與可再生能源合作議定書》，其主要內容之一既是“地源熱泵”項目合作，這激起了國內諸多大學對地源熱泵技術的研究興趣，1998年，重慶建筑大學、青島建工學院、湖南大學、同濟大學等開始建立地源熱泵實驗臺，對地源熱泵技術進行研究。

近年來，地源熱泵系統在中國得到廣泛的推廣應用。據國土資源部數據顯示，截至2015年底，全國31個省市區均有以地源熱泵技術開發利用淺層地熱資源的工程項目，應用淺層地熱能供暖制冷的建筑物面積約3.92×108m2，其中，80%的項目集中在華北和東北南部地區，包括北京、天津、河北、遼寧、河南、山東等省市。然而，在我國西南地區，尤其在以碳酸鹽巖類地層為主的地區，因巖溶裂隙較發育，破碎帶、斷層廣泛分布，建造垂直換熱孔難度大，成本較高，巖土熱物性參數較難獲取等問題，極大程度制約了地源熱泵系統在該地區的應用。目前，國外沒有地源熱泵系統在碳酸鹽巖地區的適宜性研究案例，國內只有較少學者對該課題進行研究，其中，龐設典、龍治國等從分析武漢市巖溶發育情況以及熱泵系統可能造成地質災害出發，對武漢市地源熱泵系統進行適宜性分區及評價（龐設典等，2010）；宋小慶、彭欽基于層次分析法、綜合指數法，對碳酸巖鹽較發育的貴陽市進行地源熱泵適宜性評價，劃分了地源熱泵適宜區及不適宜區（宋小慶等，2015）；何文君、向賢禮等對貴州某碳酸鹽巖地區地埋管換熱系統進行分析，研究表明，該區適合采用垂直地埋管與基礎樁螺旋盤管相結合的換熱系統（何文君等，2014）。總結分析，關于地源熱泵系統在碳酸鹽巖地區的適宜性研究很少，研究程度較淺，對地質條件的分析多出于文獻資料，未見物探、鉆探等技術方法的實際應用，較為系統的研究案例幾乎為零。因此，應用物探、鉆探、現場熱響應試驗等綜合手段，在查明項目區地質條件并加以分析的基礎上，研究地源熱泵系統在碳酸鹽巖地區的適宜性，以促進地源熱泵技術在碳酸鹽巖地區的推廣應用，是極具現實意義的研究課題。

1 研究區概況

1.1 區域地質特征

項目區總體地形地貌為北西高、南東低，場區西南側有一條沖水溝，兩側山體陡峭，山前為洪積扇，海拔在520m左右。受區域構造影響，場區斷裂構造較為發育，第四紀地層厚度較淺，主要出露寒武系上統婁關山群第三段（?3ls3）和第二段（?3ls2）白云巖，巖性為淺灰、灰色薄層至塊狀微—細晶，局部中晶，夾帶中層狀微—細晶、礫屑及砂屑細晶。地層產狀傾向北西，傾向傾角區內顯示為單斜巖層。根據野外地質調查及現場鉆鑿結果顯示：項目區第四系厚度較薄，在0～30m之間，巖性主要以回填碎石為主，粘土、亞粘土次之，第四系下伏為寒武系婁山關組，巖性以白云巖為主，地層較為破碎。

1.2 區域水文地質特征

根據地層巖性、地下水形成條件及賦存特征，將區內地下水類型劃分為碳酸鹽類巖溶水、碎屑巖類基巖裂隙水、第四系松散巖類孔隙水3種類型，其中巖溶裂隙水在區內分布最多，基巖裂隙水及空隙水分布比較局限，區內含水巖組較多，主要有：

（1）第四系（Q）。巖性為黃褐色粘土，亞粘土，砂礫石及碎石塊等，多分布于洼地，緩坡及河流、溪谷兩側，含孔隙水，富水性弱，泉流量一般0.01～1.0L/s，水質為HCO3-Mg·Na型水，系區內相對含水層。

（2）寒武系上統婁山關群第三段（?3ls3）。巖性為淺灰、灰色厚層至塊狀微—細晶局部中晶白云巖，間夾中層狀微—細晶白云巖，含礫屑、砂屑細晶白云巖，中下統局部夾中層狀白云質灰巖或灰云巖，頂部局部含硅質團塊與條帶，含巖溶裂隙水、基巖裂隙水，富水性中—強。

（3）寒武系上統婁山關群第二段（?3ls2）。巖性為淺紫灰、淺灰、灰色中—厚層微—細晶白云巖，間夾灰色中層狀砂屑鮞粒白云巖，層間時夾淺黃灰色薄片狀泥質白云巖，含巖溶裂隙水、基巖裂隙水，富水性中—強。

（4）寒武系上統婁山關群第一段（?3ls1）。上部為深灰色薄層條紋狀含有機質粉晶泥晶白云巖夾灰色厚層含有機質礫屑白云巖或礫屑白云巖，下部為淺灰、紫灰色中—厚層礫屑白云巖夾深灰色薄層條紋狀含有機質粉晶白云巖，底部夾灰色薄層條帶狀白云質灰巖，含巖溶裂隙水、基巖裂隙水，富水性中等。

2 研究方法

2.1 地球物理勘探方法

采用高密度電阻率法和高精度磁法相結合，旨在查明區內構造發育規律對工程的影響程度以及完整地層和破碎帶分布狀況，為論證項目區應用地源熱泵系統是否可行提供依據。

高密度電阻率法工作原理與傳統電阻法一樣，以巖、礦石的電性差異為基礎，通過觀測和研究人工電場的地下分布規律和特點，實現解決各類地質問題的一組勘探方法，其不同在于運用陣列勘探的方法，增加了觀測點密度，提高了工作效率，減少了工作成本，具有采集信息量大和對探測的目標不造成影響等優點，廣泛應用于隱伏巖溶溶洞勘察，應用效果較好（朱紫祥等，2017）。此次使用的DUK-2型數字直流電法探測系統由重慶地質儀器廠研制生產，其極間距為5m，最小、最大極間隔分別為1、30，電極總數為120。該系統具有信號自動采集、自動存儲、實時曲線顯示、數據雙向通訊等功能，配備國內先進的高密度電阻率法正反演解釋軟件，極大的提高了物探解釋精度和效率。

高精度磁法是在地面觀測地下介質磁性差異引起的磁場變化的一種地球物理方法，主要用于弱磁性目標物的勘測以及隱伏磁性體在地表產生的弱磁異常等研究工作。該方法在地質找礦方面應用廣泛，對斷裂構造磁異常信息提取效果較好，能有效識別斷裂及反映其分布（王新華等，2014）。目前，未見該方法在地熱資源調查中的實際應用。此次使用的GSM-19T質子磁力儀產于加拿大，其靈敏度小于0.10nT，分辨率高達0.01nT，絕對精度為1.00nT，梯度容差大于7000nT/m，采樣率達3～60s。

本次勘測測線布置原則有：測線要長于項目區，且主測線多條平行布設；在勘探區垂直已知斷層或推斷的斷層或線性地貌布設適量控制剖面，以查明破碎帶等隱伏構造；布設一條追蹤短剖面，查明可疑不良地質現象。結合測區地質構造特征和項目的目的任務，在項目區布設物探測線，其中包含3條高密度電法剖面測線，編號分別為Line3、Line4、Line5，剖面測線長度共2400m；10條高精度磁法勘探測線，測線長共7100m，測線里程長共6737m，測點數共1360個，高密度電法測線布設及高精度磁法測點位置見圖1。

2.2 勘探孔鉆探測試

為進一步查明項目區構造空間展布、巖層組合、含水層富水性及確定地層相對穩定區域，需進行鉆孔測試。然而，碳酸鹽巖類地層地質條件相對復雜，對鉆孔技術要求較高，不適宜的鉆孔方式不但無法完成鉆進任務，而且會增加無謂的鉆孔成本，選擇合適的鉆孔方式是順利并高效完成鉆孔任務的關鍵。江劍等（2014）以北京市某地源熱泵工程為例，重點分析了“氣動潛孔錘”跟管鉆進技術在碳酸鹽巖分布地區的應用及前期勘查，研究表明，該技術適合于完整、堅硬地層,在碳酸鹽巖類地層區具有較高鉆進效率,且占地面積小，故此次采用“氣動潛孔錘”跟管鉆進技術進行勘探孔鉆探。

測試孔的總體布置原則主要考慮地層、水電及場地條件，同時結合項目場區平面布置圖的要求進行布置，一般布置在建筑周邊空地，并且避開地下室的位置。本次共布置6個勘探孔，其中4眼布置在地層較破碎區域，2眼布置在地層相對完整地區（布孔位置選擇是在物探勘測后，避開明顯斷層及破碎帶）。綜合解譯勘探孔布孔位置見圖2。

圖1 物探測線及測點位置圖Fig.1 The figure of geophysical survey line and measuring point position

圖2 綜合解譯勘探孔布孔位置圖Fig.2 The Comprehensive exploration hole position map

2.3 巖土熱響應測試

研究表明：巖土初始溫度、巖土熱物性參數、地埋管單位深度換熱量及長度的選取是否合理，不但影響地源熱泵系統的實際運行效果，而且有可能使地埋管實際設置量大于需求量，導致工程投資大大增加；導熱系數和比熱容的不同常導致傳熱效率不同，平均導熱系數越高越利于熱量擴散，平均比熱容越高，儲熱能力越強（Focaccia et al,2013）。因此，對項目區進行巖土熱響應測試，獲取巖土熱物性參數，為地源熱泵系統設計提供依據，是必不可少的工作。

具體測試原理是：將儀器的水路循環部分與所要測試換熱孔內的HDPE管路連接，形成閉式環路，通過儀器內的微型循環水泵驅動環路內的液體不斷循環，同時儀器內的加熱器不斷加熱環路中的液體。當該閉式環路內的液體不斷循環，加熱器所產生的熱量不斷通過換熱孔內的換熱管釋放到地下，在閉式環路內的液體循環過程中，將進、出儀器的溫度、流量和加熱器的加熱功率進行采集記錄。數據采集及分析由中國建筑科學研究院研發的“地源先鋒”軟件以及測試平臺來進行。

在對物理勘探結果加以分析的基礎上，找出地層完整區，布設DK-5、DK-6勘探孔，設計勘探孔深度分別為100m、120m，每個孔內下入直徑為32mm的雙U型PE 管。由于土壤初始溫度、土壤導熱系數的季節性變化，會導致冬季的試驗結果比夏季偏大，單井換熱量相對偏差達10%～15%，足可以導致設計方案的變化（田光輝等，2010）。因此，為保證設計方案的合理性，故選擇冬季（2016年12月2日至12月9日）進行巖土熱響應試驗。

3 結果與討論

3.1 地球物理勘探結果分析

以物探方法對項目區地層進行測試，Line3、Line4、 Line5視電阻率斷面等值線反演結果見圖3。

Line3反演結果分析：該剖面視電阻率整體較高。其中，地表電阻率較低，推測第四系覆蓋厚度較薄；覆蓋層下部電阻率較高，平均電阻率大于3000Ω·m，推測為結構較完整的白云巖基巖；420～450m之下低阻顯示，可能存在構造破碎帶，無溶洞發育特征。

Line4反演結果分析：該剖面視電阻率沒有表現出如Line3與Line5測線連續的整體高阻特征。其中，地表電阻率較低，推測第四系覆蓋厚度較薄；覆蓋層下部電阻率顯示中高，平均電阻率大于1000Ω·m；500～560m之下低阻顯示，存在構造破碎帶可能性較大，無溶洞發育特征。

Line5反演結果分析：該剖面視電阻率整體呈淺部低、深部高的特征。其中，地表電阻率較低，推測第四系覆蓋厚度較薄；覆蓋層下方，電阻率相對較高，平均大于3000Ω·m，推測為較完整的白云巖基巖；該地層剖面電性分界面較為連續，無明顯構造破碎帶和巖溶發育特征。

圖4是高精度磁法測試反演結果，從圖中可看出，該區磁異常整體上表現為負異常，分布較連續，且分部面積較大。其中，負異常極大值出現在正北及東東北方向，平均約-80nT；東南走向上呈現低負異常值，平均約-30nT；正異常最大值約90nT，呈點狀分布，分布范圍極小。根據反演結果，推測出測區可能存在6條斷裂破碎帶，見圖4中FW1-FW6。

圖3 Line3～Line5視電阻率斷面等值線反演圖Fig.3 Apparent resistivity profile contour inversion of Line3 to Line5

圖4 高精度磁法反演結果及推測斷裂帶示意圖Fig.4 High-precision magnetic inversion method and speculative fracture diagram

3.2 勘探孔鉆探結果分析

對項目區6個勘探孔鉆孔結果分析，結論如下：

測試孔DK-5：設計打在完整地層區域上，跟管鉆進15m，100m后見破碎帶，120m遇坍塌，135m坍塌嚴重，埋鉆。

測試孔DK-6：設計打在完整地層區域上，跟管鉆進10m，120～123m坍塌掉塊嚴重。

測試孔DK-1：原設計為打在地層完整區域上的地埋管測試孔，跟管18m，鉆至40m出水，60m見破碎帶，水量持續增加，約50m3/h。

測試孔DK-2：原設計為打在地層完整區域上的地埋管測試孔，跟管27m，在27m初見地下水，48～48.5m、57～63m、66～72m均見破碎帶，水量持續增加，約60m3/h。

測試孔DK-3：原設計為水源驗證孔，跟管21m，40～57m坍塌破碎嚴重，水量持續增加，約50m3/h。

測試孔DK-4：原設計為水源驗證孔，跟管5m，46.5m見水，54～60m見破碎帶，70～81m坍塌破碎嚴重，水量持續增加，約50m3/h。

對測試孔DK-1、DK-2、DK-3及DK-4鉆孔詳情見表1：

總結DK-1—DK-4孔勘探結果：項目區下伏基巖以寒武系婁山關組白云巖為主；第四系覆蓋層較薄，平均厚度在20m左右，巖性以回填碎石、粘土及亞粘土為主，風化程度由上致下逐漸減弱；含水層富水性較強，出水量都在1200m3/d以上；地層相對完整區域，120m內可鉆性較好。

3.3 巖土熱響應測試結果

為反映數據的集中趨勢，巖土熱響應試驗采集的數據最終以DK-5、DK-6測試孔測試結果的平均值為準，巖土熱響應試驗計算數據見表2。

表2 巖土熱響應試驗計算數據Tab.2 Calculation data of geothermal thermal response test

研究表明：巖土初始溫度決定了地源熱泵系統運行環境，14℃～18℃是地埋管地源熱泵系統實施的最佳溫度條件，當溫度高于20℃溫差會減小，而低于7℃土壤易凍結，導致制熱能力受限（潘俊等，2017）。由表2可知，所測項目區巖土初始溫度為17.26℃，符合地埋管地源熱泵系統實施的最佳溫度條件。

在貴州省地熱資源調查中，毛健全教授以不同地區9個鉆孔數據研究巖石的地溫梯度與其導熱率的關系，結果表明：巖性與地溫梯度關系密切，導熱率低的巖石具有較高的地溫梯度，其中，泥巖、灰巖、白云巖及砂巖每百米的地溫梯度分別為3.09℃、2.58℃、1.71℃、1.47℃，這些巖石的導熱系數分別為（毛健全，2001），此次熱響應測試所測目的層巖性為白云巖，平均導熱系數為2.85W/(m·℃)，與前人研究數據基本吻合，數據可信度高。項目區夏季單孔換熱指標為69W/m，冬季單孔換熱指標為61W/m，說明該區地下換熱能力較強。

綜上分析，項目區的巖土初始溫度、導熱系數及單孔換熱指標均符合地源熱泵系統實施標準。

4 地源熱泵系統適宜性分區

鉆孔條件、投資成本及運行條件決定著地源熱泵系統是否能夠高效開發應用，而這些方面均與地質條件密切相關。通過綜合分析物探、鉆探以及巖土熱響應試驗的結果，明確了項目區斷裂破碎帶分布位置、地層巖性組合、含水層富水狀況、巖土熱物性參數等基本地質條件，這不僅給埋管鉆孔及水源井選址提供精確的位置參數，減少了盲目鉆孔所產生的額外費用，大大降低了建設成本，更是指導整個地源熱泵系統設計的重要依據，是地源熱泵系統高效運行的必要保障。可見，在地熱資源調查中，尤其在地層相對復雜的碳酸鹽巖地區，應用物探、鉆探及巖土熱響應試驗等綜合方法對研究區地質條件的分析是可行并且必要的。

綜合各測試結果：整個項目區第四系覆蓋層較薄，巖性以回填碎石、粘土及亞粘土為主，平均厚度在20m左右；下伏基巖以寒武系婁山關組白云巖為主，沒有溶洞發育特征；巖土平均導熱系數高達2.85W/(m·℃)，地下換熱能力較強。可見，項目區利用地源熱泵系統有較好的地質條件。根據不同區域不同的地質條件，對地源熱泵系統不同形式進行適宜性分區。主要分區原則有：①垂直地埋管地源熱泵系統需選擇在建筑周邊空地，且地層完整，無溶洞和明顯破碎帶；②地下水地源熱泵系統需選擇在建筑周邊空地，無溶洞分布且需含水層富水性良好，成孔直徑為150mm時，出水量需高于50 m·/h。根據綜合勘探結果，分區如下：西西南區域地層完整，無斷裂破碎帶，地質體可鉆性好，含水層富水性差，適合建設垂直地埋管地源熱泵系統；除西西南區域外，區內廣泛分布有斷裂破碎帶，東北區域地層破碎，可鉆性差，應用地源熱泵技術成本高，不適宜建設地源熱泵系統；西北、南西南及東南區域，地質體可鉆性及含水層富水性均較好，適合建設地下水地源熱泵系統。綜合分析地質條件并結合有限的場地條件，對項目區地下水地源熱泵及垂直地埋管地源熱泵適宜性分區結果見圖5。

5 結論

（1）采用高密度電阻率法與高精度磁法相結合，對項目區的地質條件進行分析，查明了項目區破碎帶分布狀況，分析出區內可能存在的6條斷裂帶，這將為垂直地埋管布孔、水源井選址及不同地源熱泵形式適宜性分區提供指導。事實證明，在地熱資源調查中，利用物探方法進行地質條件勘察施工效率高，數據信息豐富，能較直觀、形象地反映地層剖面電性異常體的分布形態，對斷層、溶洞、破碎帶位置的解譯精度較高。

（2）依據鉆孔勘探，查明測區內第四系覆蓋層較薄且不連續，巖性以回填碎石、粘土及亞粘土為主，下伏基巖以寒武系婁山關組白云巖為主，含水層富水性較好，成孔152mm時出水量最達1200m3/d；確定了垂直地埋管地源熱泵系統換熱器適宜布孔深度為120m。

（3）綜合項目場地DK-5、DK-6測試孔的熱響應試驗計算結果，測試目的層為白云巖，巖土初始平均溫度17.26℃，平均導熱系數2.85W/(m·℃)，容積比熱容2.81×106J/(m3·℃)，換熱系統夏季平均換熱量為72W/m，冬季平均換熱量為65W/m。以上數據表明：碳酸鹽巖地區巖土的平均導熱系數較大，有較強的地下換熱能力，利用地源熱泵系統有較好的地質條件。

（4）綜合分析各測試結果及場地條件，對項目區不同區域進行不同地源熱泵系統形式適宜性劃分。其中，西西南區域地層完整性好，無斷裂破碎帶，可鉆性好，適合建設垂直地埋管地源熱泵系統；西北、南西南及東南區域，地質體可鉆性及含水層富水性較好，適合建設地下水地源熱泵系統；東北區域地層破碎，可鉆性差，應用地源熱泵技術成本高，不適宜建設地源熱泵系統。