淺析地熱資源在溫泉中的應用

劉志軍

摘 ?要：隨著經濟和各行各業的快速發展，地熱資源是一種非常清潔的可再生能源，它可以代替現有的很多能源，通過利用地熱資源，對于我國能源結構的優化也有著積極作用。地熱資源價格比較低廉，可以有效減少能源成本，地熱資源清潔度比較高，可以減少二氧化碳排放量，對于環境保護有積極作用。

關鍵詞：地熱資源;開發利用;存在問題

引言

地熱資源的利用已經非常普遍，這主要是由于地熱自身的優點極為顯著。地熱資源是古老的能源之一，溫泉是一種清潔可再生的地熱資源，其形成、分布受地質構造作用的影響。地殼板塊沿邊、深山大斷裂和火山分布帶等是明顯的地熱異常區，其開發與利用有著十分廣闊的發展前景。受地質構造作用，區內斷裂發育，地熱資源豐富。

1地熱溫泉前期勘查的重要性

通過收集區域水文地質資料以及區域內以往地熱井勘查和運行資料，對已有地熱井進行抽水試驗及采樣化驗，綜合分析后確定地熱井的選區范圍，針對選區進行水文物探工作，更好的選擇合適的地熱井井位，進行合理開采，達到開采預期效果。根據水溫指標可以確定地熱水是屬冷泉、微溫泉、溫泉、熱泉還是高溫泉。根據酸堿度指標可以確定地熱水偏堿性還是偏酸性，偏堿性水質沐浴治療，有助于陽離子的活性參入，通過皮膚和皮下組織的刺激作用，甚而進入肌體內調節功能，發揮充分療效。根據地熱水礦化度指標可以確定地熱水是屬淡泉水、地礦泉、中礦泉還是高礦泉。根據放射性指標可以確定地熱水中放射性元素的含量，從而確定其醫療價值。地下熱水中含有的某些氣體、化學組分、微量元素和放射性同位素當達到一定含量并具有醫療效果時，稱為醫療礦泉水。為高效合理利用地熱水資源，做好水化學特征及評價至關重要。

2地熱資源的開發及利用

2.1超臨界水熱流動規律

過往的研究更多聚焦于水熱系統的形成與巖漿侵入之間的關系，而對于形成或開采過程中熱流體流動的相關研究較少。超臨界地熱在開采過程中，伴隨著溫度和壓力降低，必然存在著一個復雜的相態變化過程。對于傳統的兩相流動，一般采用多相流達西定律，利用相對滲透率和毛細管壓力模型，刻畫兩相流動。但傳統的相對滲透率模型，一般面向包氣帶土壤（水/空氣兩相）或油藏（水/油或油/氣兩相）領域開發。例如VanGenuchten模型、Corey模型以及三相的Stone和Parker模型。上述模型，在介質參數給定的情況下，為相態飽和度的一元函數，忽略了溫度、壓力、鹽度等因素可能導致流體特征的變化，存在較大誤差及數值不連續問題，可能并不適用于超臨界水熱流動系統。在此以相對滲透率為例進行分析。達西定律的基本假設是忽略孔隙度，認為整個斷面過水。對于多相流動，流體無法占有整個斷面，而只能占據一定的比例，近似于相態飽和度（體積分數）。但實際上，除過水斷面的減小外，兩種相態之間仍存在一個相互阻滯作用，也就是所謂的相對滲透率。當溫度壓力沿相飽和線向臨界點移動時，兩相物理性質逐漸接近，在超臨界點處，兩相合二為一。因此，隨著溫度升高，表面張力降低，兩相阻滯作用削弱，相對滲透率應趨近于相態飽和度。與此同時毛細管壓力應逐漸趨近于0。在多相流動的數值模擬方面，對于傳統的兩相流動，質量通量一般按照相態分別計算。而對于超臨界與亞臨界之間的相態流動還并未有較為成熟的算法。前人多為延續傳統的兩相流動的計算方法，將兩相飽和線延長至超臨界條件下，而將飽和線兩端依舊按照液相和氣相進行處理，但筆者通過研究發現。由于延長的飽和線兩側流體的物理性質是連續的，因而在計算過程中，可能出現在相變線兩側反復，導致計算的不穩定，難以收斂。由于超臨界與亞臨界之間的物理性質連續，筆者提出了將超臨界作為“可轉換的”第三相方法，即當處于超臨界的計算網格與處于亞臨界的網格相鄰時，超臨界轉化為相應的亞臨界條件進行通量的計算。這樣可以更好地保證計算的穩定，而且更具物理意義。

2.2溫泉分布和成因

我國的地熱資源以兩種形式存在，一是賦存于構造隆起區裂隙帶中的熱水，一是沉積盆地深部熱儲層的熱水。構造隆起區的溫泉主要是依靠構造活動提供的熱量，沉積盆地的溫泉主要是依靠地溫梯度提供淺層或者深層地溫能。地熱一般以汽或水的形式出露地表，強烈的構造活動形成構造變形，隨后造成的斷裂帶為汽或水提供了儲存空間和上升的通道，因此地熱資源受構造活動的控制。溫泉的形成一般分為兩種：一種是地殼內部巖漿作用而形成，另外一種是地表水向地下滲透循環并吸收地熱梯度而形成。地殼內部高溫高壓，巖漿作用十分強烈，基巖裂隙水在滲透進入地殼內部之后，通過熱交換吸取到巖漿作用產生的熱量，在通過一系列的運移后出露地表。一般來說，形成溫泉要滿足三個基本條件：一是有地下熱水存在;二是存在靜水壓力差;三是有能夠讓熱水到達地面的裂隙。補給水源首先在補給區下滲，一般以基巖裂隙水的形式在巖層中運移，隨后逐漸運移至斷裂破碎帶。到達斷裂破碎帶之后繼續向深處循環形成地下水，在接觸到地下熱源作用之后，地下水受熱形成熱水，由此形成溫度較高的地下水。當沉積在構造之上的隔水巖體使地下熱水處于相對封閉的環境中，其水壓升高，當覆巖體后期遭受構造作用、風化剝蝕或流水侵蝕作用破碎后，地下熱水便在構造裂隙處出露形成溫泉。

結語

目前傳統地熱資源的開發已相對成熟，超臨界地熱作為一種新興的地熱能源，開發潛力大，正處于起步階段，面臨較多挑戰，并且相關研究并未形成完善的體系。在鉆探、完井、測試、儲層建造以及生產等過程中，均面臨一系列問題和挑戰。保障地熱資源的可持續利用，發揮地熱資源的社會效益，經濟效益和環境效益。

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