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地热学基础 版权信息
- ISBN：9787030249562
- 条形码：9787030249562 ; 978-7-03-024956-2
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
地热学基础 内容简介
地球内部蕴含着丰富的热能，尽管人类利用地热资源的历史悠久，但系统研究自上世纪初才开始。为了适应人类社会、经济发展的需求，科学、合理地开发利用分布极不均匀的地热资源，有必要系统地总结和研究地热学所涉及的各个领域，其基础理论随即成为深入研究的重要工具和武器。本书系统阐述了地温场与大地热流、地热源、地热异常、地热系统类型等基本概念；论述了大地热流的测试原理、岩石热导率和地温梯度的测试与确定方法，岩石热导率与孔隙度的关系，地热源的类型，地热异常的表现形式；详细推导出地热传导与对流的控制方程，给出所涉及参数的意义和经验数据；总结了地球化学温标计算热储温度、利用钻孔测温确定地温的方法；探索出用钻井液温度计算地温梯度的函数式；阐述了地热模型研究和地热资源评价的具体方法；介绍了地热资源分布特征，以及地热地质调查、遥感地热技术、地球物理勘探和地热钻探等地热勘探方法，以期读者能够运用这些知识科学地布孔打井、管理地热田，解决好生产实践中常见的难题。
地热学基础 目录
目录
前言
主要符号表
第1章 绪论 1
1.1 地热利用现状 3
1.1.1 地热的直接利用 3
1.1.2 地热发电 6
1.2 编写地热学基础的意义 8
第2章 地热基础知识 9
2.1 地温场与大地热流 9
2.2 地热源 13
2.3 地热异常 15
2.3.1 地表异常 16
2.3.2 物理异常 18
2.3.3 其他异常 18
2.4 地热系统 19
2.4.1 根据地质环境和热量传递方式分类 19
2.4.2 根据地下热能的赋存形式分类 22
2.5 地热传导与对流 24
2.5.1 地热传导 24
2.5.2 地热对流 29
第3章 地热判温方法 36
3.1 地热温标 36
3.1.1 二氧化硅地热温标 37
3.1.2 钠钾地热温标 39
3.1.3 钾镁地热温标 39
3.1.4 钠钾钙地热温标 40
3.1.5 硫酸盐氧同位素地热温标 40
3.1.6 气体地热温标 40
3.1.7 同位素地热温标 41
3.1.8 混合温标 41
3.2 钻孔实测温度确定地温 42
3.2.1 Lachenbruch和Hrewer法（1959） 43
3.2.2 Albright法（1976） 44
3.2.3 Barelli和Palama法（1981） 46
3.3 以钻井液温度预测地温 46
3.4 简易估算地温梯度的实用方法 51
第4章 地热模型 52
4.1 概念模型 53
4.2 简单解析模型 57
4.2.1 无限承压水平热储的单井开采模型 58
4.2.2 无限承压水平热储的多井开采模型 59
4.2.3 无限带状承压热储单井开采模型 59
4.2.4 有越流的承压热储开采模型 60
4.3 集中参数模型 62
4.4 分布参数模型 69
4.5 模型实例——昆明低温地热田 72
4.5.1 地质背景 73
4.5.2 地热田形成条件 81
4.5.3 概念模型 92
4.5.4 集中参数模型 93
4.5.5 分布参数模型 95
第5章 地热资源分布与评价 103
5.1 地热资源分布特征 103
5.1.1 全球地热分布规律 103
5.1.2 中国地热资源分布规律 108
5.2 地热资源评价概论 113
5.3 热储中各地热载体的比重 116
5.3.1 热储流体保持为水液 116
5.3.2 热储流体从水液变为蒸汽 117
5.3.3 热储流体保持为蒸汽 117
5.4 地热资源评价方法 118
5.4.1 地表热流量法 118
5.4.2 体积法 120
5.4.3 不确定参数的处理——随机模拟法 122
5.5 地热储量分级与计算原则 132
5.5.1 地热储量分级 132
5.5.2 地热储量计算原则 133
第6章 地热勘查 135
6.1 地面调查 137
6.1.1 调查内容 137
6.1.2 地热地质测绘 138
6.1.3 地球化学调查 145
6.2 遥感地热技术 147
6.2.1 地热遥感勘探发展历史 147
6.2.2 地热遥感应用基础原理 148
6.2.3 地热遥感应用实例 153
6.3 地球物理勘探 157
6.3.1 方法概述 157
6.3.2 物探方法在地热资源勘查中的应用 166
6.3.3 物探新方法在地热资源勘查中的应用实例 168
6.3.4 地球物理测井 173
6.4 地热钻探 180
6.4.1 钻井装爷配置 180
6.4.2 钻井结构和钻柱结构 181
6.4.3 钻井技术工岂 190
6.4.4 钻井液 194
6.4.5 成井技术 201
6.4.6 欠平衡钻井技术简介 204
6.4.7 地热井控技术简介 204
参考文献 205
彩图 209
前言
主要符号表
第1章 绪论 1
1.1 地热利用现状 3
1.1.1 地热的直接利用 3
1.1.2 地热发电 6
1.2 编写地热学基础的意义 8
第2章 地热基础知识 9
2.1 地温场与大地热流 9
2.2 地热源 13
2.3 地热异常 15
2.3.1 地表异常 16
2.3.2 物理异常 18
2.3.3 其他异常 18
2.4 地热系统 19
2.4.1 根据地质环境和热量传递方式分类 19
2.4.2 根据地下热能的赋存形式分类 22
2.5 地热传导与对流 24
2.5.1 地热传导 24
2.5.2 地热对流 29
第3章 地热判温方法 36
3.1 地热温标 36
3.1.1 二氧化硅地热温标 37
3.1.2 钠钾地热温标 39
3.1.3 钾镁地热温标 39
3.1.4 钠钾钙地热温标 40
3.1.5 硫酸盐氧同位素地热温标 40
3.1.6 气体地热温标 40
3.1.7 同位素地热温标 41
3.1.8 混合温标 41
3.2 钻孔实测温度确定地温 42
3.2.1 Lachenbruch和Hrewer法（1959） 43
3.2.2 Albright法（1976） 44
3.2.3 Barelli和Palama法（1981） 46
3.3 以钻井液温度预测地温 46
3.4 简易估算地温梯度的实用方法 51
第4章 地热模型 52
4.1 概念模型 53
4.2 简单解析模型 57
4.2.1 无限承压水平热储的单井开采模型 58
4.2.2 无限承压水平热储的多井开采模型 59
4.2.3 无限带状承压热储单井开采模型 59
4.2.4 有越流的承压热储开采模型 60
4.3 集中参数模型 62
4.4 分布参数模型 69
4.5 模型实例——昆明低温地热田 72
4.5.1 地质背景 73
4.5.2 地热田形成条件 81
4.5.3 概念模型 92
4.5.4 集中参数模型 93
4.5.5 分布参数模型 95
第5章 地热资源分布与评价 103
5.1 地热资源分布特征 103
5.1.1 全球地热分布规律 103
5.1.2 中国地热资源分布规律 108
5.2 地热资源评价概论 113
5.3 热储中各地热载体的比重 116
5.3.1 热储流体保持为水液 116
5.3.2 热储流体从水液变为蒸汽 117
5.3.3 热储流体保持为蒸汽 117
5.4 地热资源评价方法 118
5.4.1 地表热流量法 118
5.4.2 体积法 120
5.4.3 不确定参数的处理——随机模拟法 122
5.5 地热储量分级与计算原则 132
5.5.1 地热储量分级 132
5.5.2 地热储量计算原则 133
第6章 地热勘查 135
6.1 地面调查 137
6.1.1 调查内容 137
6.1.2 地热地质测绘 138
6.1.3 地球化学调查 145
6.2 遥感地热技术 147
6.2.1 地热遥感勘探发展历史 147
6.2.2 地热遥感应用基础原理 148
6.2.3 地热遥感应用实例 153
6.3 地球物理勘探 157
6.3.1 方法概述 157
6.3.2 物探方法在地热资源勘查中的应用 166
6.3.3 物探新方法在地热资源勘查中的应用实例 168
6.3.4 地球物理测井 173
6.4 地热钻探 180
6.4.1 钻井装爷配置 180
6.4.2 钻井结构和钻柱结构 181
6.4.3 钻井技术工岂 190
6.4.4 钻井液 194
6.4.5 成井技术 201
6.4.6 欠平衡钻井技术简介 204
6.4.7 地热井控技术简介 204
参考文献 205
彩图 209
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地热学基础 节选
第1章 绪论 地球是一个庞大的热库，其内部所蕴含的热能即地热约为世界上油气资源能量的5万倍。据估算，仅地壳浅部5km内储存的天然热量就达14.2×1023kJ，相当于标准煤5000亿t。这些热能在温度差的驱动下，从地球深部源源不断地涌向辽阔的地球表面，以大地热流的形式消散在大气圈和水圈之中。其热流总量巨大，约为1.4×1021J/a，相当于20世纪70年代末全球煤、石油、天然气总耗量的3～4倍，若以每天传出的热量计，数值上近似于目前人类平均每天所使用能量的2.5倍。 据历史文献记载，人类利用地热资源距今已有近三千年的历史，*初是从温泉洗浴疗疾开始，随后逐渐发展到应用地热水采暖、发电，蒸汽加工食物，提取地热水中硫、碱、硼砂等矿产资源，提取热卤水中溴、碘、钾盐、铵盐等工业原料。地热资源的大规模开发始于1812年意大利人在拉德瑞罗提取硼酸。1904年，意大利人科恩迪**次将地下喷出的蒸汽作动力，牵引734W的汽轮发电机，点亮**盏地热电灯，预示着利用地热发电的开始，开创了人类利用地热发电的新纪元。1943年冰岛人开始用地热进行系统性采暖。目前，随着人类社会的发展，科学的进步，对地热资源的利用越来越广泛。 尽管人类利用地热的历史悠久，但是系统的研究工作开展甚晚，直到19世纪初期，现今地球物理学的部分领域仍被认为属于物理学的范畴。1834年佛格贝尔才率先提出“地球物理学”这一术语，且在50年以后，地球物理学才发展成为一门独立的学科。在19世纪前半叶，地热学基本上被认为是物理学中一般热学的一部分。1829年库普佛利用大量数据编制出地球表面温度图和大气温度图，并确定出这两个量通常并不一致。在他编制的图中，地球表面温度相等的点被联结表示为等温线，这样，地热学一词诞生了。1849年纽曼写的地球学教科书中引入了“地热学”这个专业名词，虽然他用这个名词意指地球内部温度，但在教科书中，却只强调地壳上部的热状态。傅里叶热理论的研究不仅奠定了现代热学的基础，而且还开拓了认识地球内部热状态的途径。 然而，直到20世纪60年代以前，地热开发仍未引起人们的足够重视，其作为一种资源引起全世界重视以致地热学发展成为一门新的能源科学，是*近半个世纪才完成的。1950～1960年，新西兰、日本和美国相继建成地热发电站，证明了地热是有经济价值的资源，开始引起世界的注意。1961年联合国在罗马召开新能源会议，总结了这些经验并把地热资源开发推广到发展中国家，由联合国援助，在智利、土耳其、萨尔瓦多等国家进行地热勘探。1970年意大利受联合国委托，在比萨召开“地热资源开发学术讨论会”，成为世界上首次讨论地热的会议。 能源对世界经济*大的一次触动来自1973年爆发的**次世界石油危机（始称能源危机）。石油价格暴涨，使能源消费下降，导致了世界性的经济衰退，许多国家的经济增长陷入困境。由此，人们开始研究能源对经济增长的作用，把两者的关系作为一个重要的课题进行研究，发现能源是支持经济增长的重要物质基础和生产要素。经济增长需要消费能源，同时又促进了能源的开发和替代，两者相互促进、相互制约。通过对地球的矿物燃料仔细研究和评价，人们意识到若不开发新能源，持续的开发活动必将使之*终消耗殆尽。于是，新能源家族中*现实，*无污染的成员——地热能凸显为一种新选能源，从此越来越受到人们青睐，地热开发研究随之得以蓬勃发展，前景日趋广阔。 地热学发展至今仍属经典地球物理学的一个分支学科，其研究内容涵盖理论、应用和实验三个方面。理论方面研究已较为成熟，内容侧重于探索地球的热状态和热历史，包括地热的时空分布、形成演变、汇聚传输等，其中地球内热的形成、聚积、传输等机制和规律构成了研究的核心。应用方面强调地热资源的分布、富集规律和相应的勘探开发方法及利用途径等；同时，还探索深部热作用对矿藏、煤炭、尤其是石油和天然气的形成、聚集、迁移所起到重要的控制和制约作用；此外，当深层采矿面临矿井内高温热害时，应用地热学还研究并阐明热害形成的机制及相应的对策。实验方面包括钻孔温度测量，岩石热物理性质的实验测定，以及实验仪器和装备的设计和研制等内容。 人类目前对应用地热学的研究更为关注，内容主要集中在构造地热学、地热地球化学、地热勘探学、热储工程学等方面。国际地热学会（International Geo-thermal Association）出版地热研究和应用期刊《地热学》（Geothermics）的主要文章也是集中在这几个方面，我国的地热学研究内容基本和国际研究内容相同。自1978年12月在广州召开**次“全国地热学术讨论会”到1994年8月召开第四次“全国地热学术讨论会议”，我国的地热研究无论是开发实践，还是理论研究均有较大程度地提高。中国科学院地质研究所、北京大学地质系、天津大学、中国地质科学院水文地质工程地质研究所等单位相继成立了专门的地热研究机构或地热培训中心，这些地热研究培训机构的建立，促成了卓有成效的工作，先后公开出版了多部专著，为我国地热理论事业的发展作出了巨大贡献。前期研究中，地热资源的形成机制和地热系统类型及特征基本上构成了探讨的基础和重点，对此，国际知名地热学家美国White博士在20世纪60年代末即给出过中低温对流型地热系统的经典模式；美国地质调查所在进行全美中低温地热资源评价时，Reed基于所获得的实际资料提出了三种不同类型的中低温地热系统。国内，熊亮萍和汪集旸等通过对福建漳州地热田调查和研究，编著了《中低温对流型地热系统》一书，探索了中低温深循环、对流型水热系统问题；郑灼华等研究了天津地热田热储模型与热流特征；吴乾藩等系统研究了云南地区地热基本特征；陈墨香等编写了《中国地热资源——形成特点和潜力评估》，较为系统而全面地阐述我国地热资源赋存的地质构造热背景、资源形成和分布特点及其潜力评估；王东升根据大气降水和地下热水氢、氧稳定同位素（2H和180）组成的监测和研究，将我国地下热水划分为循环型和封存型两种基本类型。李学伦、栾光忠等研究了山东半岛温泉的地热属性、分布规律及其特征与成因，认为该区温泉是板内中低温地热系统，形成与分布主要受断裂构造的控制，形成机理为深循环地热增温；王贵玲等论述了鄂尔多斯周缘地质构造对地热资源形成的控制作用；吕金波、张珂等分别探讨了京北地区地热系统和华南沿海温泉的成因。不少学者认为，地下热水数值模拟以及含水层中热能运移及温度场分布研究，对指导地热开采有重要意义；薛禹群等利用数值模拟在地下水热量运移、含水层储能等多个方面展示了其广阔应用前景；周训等对深层地下热水运移三维数值模拟做了探讨，薛传东等建立了考虑温压变化和越流条件的昆明地热田深层基岩地下热水系统中水流和溶质运移的准三维非稳定流数值模型。这些成果，在一定程度上为科学认识地热系统，更加合理地开发利用地热资源打下了坚实的基础。 地热的利用形式总体上可分为地热发电和直接利用两大类。地热的直接利用相对于地热发电明显具有三大优点：一是热能利用效率高达50％～70％，比传统地热发电5％～20％的热能利用效率高出许多；二是开发时间短，投资少；三是既可利用高温地热资源，也可利用中低温地热资源，应用范围广泛。因此，就全球而言，地热能的非电力利用和直接利用总量，要比地热发电超出几倍，地热资源更为大量地用于采暖、制冷、理疗洗浴、各种形式的工农业用途以及水产养殖、温室种植等直接利用方式上，且正以年递增12％～15％的速度在发展，到1990年全世界安装了1138MW热力装置，相当年利用石油410万t。 1.1 地热利用现状 1.1.1 地热的直接利用 目前，世界上有80多个国家直接利用地热资源，我国直接利用地热十分普遍，20世纪90年代初利用热水流量就达9534kg/s，所用热能相当于5527GW h；本世纪利用能力又成倍增长，已居全球**（见表1.1）。地热的直接利用即对其热量的直接交换，以进行采暖、加热为主，既可用于工农业，也可用于日常生活和旅游。除此之外，水热型地热不仅是能源资源，同时它还是水资源、矿产资源，其中常富含锂、硫、氟、氡、偏硼酸、偏硅酸、锌等多种矿物质，具有一定的医疗、保健、养生作用。经常用热矿水洗浴，对高血压、冠心病、心脑血管、风湿病、皮肤病等有一定疗效，从而被广泛用于洗浴和医疗保健。随着科学技术的不断发展，水热型地热也被用于金、银、锌等矿产资源的开采。总而言之，地热资源的直接利用非常广泛，其主要体现于地热供暖、浴疗保健、娱乐、旅游、种植、养殖等。2000年全球地热直接利用类型比例中，地热采暖占35％，地热旅游占42％，可见，地热采暖和地热旅游是当今世界各国直接利用地热的发展重点。 表1.1 地热主要直接利用国家装机容量及产量 冰岛地热资源十分丰富，20世纪30年代开始利用地热供热，是地热采暖的创始国。首都雷克雅未克地热田热储温度80～146℃，目前城市供暖基本上完全地热化，被誉为世界著名的“无烟城”。冰岛国地热资源的利用占全国能源利用总量的55％，地热供暖占其总量的64％。 新西兰北岛的罗托鲁阿市，是一个小型城镇，该镇具有700多口地热开发井，*高温度达194℃，城镇居民和建筑物大多数采用地热供热，誉称为“地热城”。 全世界利用地热采暖的国家主要有冰岛、法国、匈牙利、意大利、罗马尼亚、俄罗斯、日本、中国。其中，中国的地热采暖面积居全球**位，地热采暖区主要位于华北的天津、北京等地。 地热旅游以其得天独厚的资源优势在各旅游项目中独领风骚，主要表现在以下几方面：一是温泉、地热湿地、热海、地热泉华、钙华等地热景观，与群山相伴，和丛林相依，山水依连、青烟缭绕，形成奇特的自然观景；二是大多数地下热水富含对人体有益的矿物离子，加之适宜的水温，成为人们理想的理疗、保健和休闲场地；三是地热出露和地热异常区域，均处于特殊的地质构造部位，是地球生息之表现，常与大地构造运动、火山、地震紧密联系，甚至和矿产的形成乃至全球变化息息相关，成为地球科学、地质学研究的极佳场所。 日本位于环太平洋火山运动带上，地下热水资源十分丰富，在地热医疗和旅游方面居世界各国之前列，全国范围内温泉遍布，温泉旅馆上万家，据统计每年接待旅游者达上亿人次。 中国温泉广布，地热资源的直接利用已具上千年的历史。早在3000年前就开始利用陕西临潼骊山温泉洗浴，其中华清池因贵妃出浴而闻名。随着时间的推移，诸如此类依托温泉开发的旅游休闲胜地数不胜数，如昆明安宁“天下**汤”、腾冲热海国家地质公园等，均以丰富的地热资源和自然景观吸引了成千上万的游客。然而较系统地且具有一定规模地进行地热资源勘探、研究和开发则起步较晚，尤其是勘探工作，于20世纪70年代初，在著名地质学家李四光教授的倡导下才开始进行。李四光教授当时就提出要大力开发地热，充分利用地热这一庞大热库之能量，并在60年代初，亲自指导在北京房山县打出我国**口地温观测井，开始了国内*早的地温测量；1970年他在天津亲自主持召开地矿系统开发利用地热资源动员大会，由此掀起了我国地热普查、勘探和开发利用的热潮。之后，大规模的地热资源的普查勘探工作开始展开，先后对20多个重点地区进行了详细勘探，并在云南、西藏进行了地热考察，在北京、西安、福州、西藏羊八井、云南腾冲等城市和地区开展了地热供暖、工农业利用、地热发电等地热勘查、研究和利用工作，不仅为国家节约了大量的燃料，还为环境的改善作出了较大贡献。一时间，全国地热资源的开发如火如荼，利用领域越来越广泛。依托地热井（泉），建造温室，种植名优花卉、特种蔬菜；发展高产热水养殖产业，缩短多种水生物的孵化和生长期，提高养殖效率；开展地热烘干、水稻温室育秧等；应用地热水进行印染等领域的应用研究。广东、福建等地利用地热水进行水产养殖，河北沧州等地用地热水冬季养殖对虾，华北广大农村及中小城镇建立起一批地热温室，培植越冬蔬菜，有效解决了农村能源问题，取得了较好的经济效益。 进入20世纪90年代，随着全球环境保护意识
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