浅层地热能勘探技术
(中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所)
摘要:地球是一个巨大的能源宝库，每天从地球内部转移到地表的热量相当于全人类一天所用能量的2.45倍。特别是在人们日益关注全球气候变化、环境污染和社会可持续发展的形势下，随着地源热泵技术的成熟，低温低焓浅层地热能作为一种可再生的清洁能源备受关注。作为其开发利用的技术支撑，勘探技术亟待解决。本文仅讨论相关问题和经验。
1浅层地热能开发现状
地球是一个巨大的能量库。进入地球越深，温度越高。每天从地球内部转移到地表的热量，相当于全人类一天所用能量的2.45倍。这种储存在地球内部的能量，其实比化石燃料更丰富。特别是在人们越来越关注全球气候变化、环境污染和社会可持续发展的情况下，地热能作为一种可再生的清洁能源备受关注。
浅层地热能是地热能的一部分。具有开发利用价值的地热能在距地层恒温带200米以下，一般温度约为65438±05℃。它的开发利用离不开地源热泵技术的发展。
1.1在国外的应用现状
1912年，瑞士Zoelly首先提出了利用浅层地热能作为热泵系统低温热源的概念，并申请了专利，标志着地源热泵系统的问世。直到1948，Zoelly的专利技术才真正引起人们的普遍关注，尤其是在美国和欧洲国家。自1974以来，随着能源危机和环境问题的日益严重，人们越来越重视以低温地热能为能源的地源热泵系统的研究。
地源热泵的应用在美国最强。在1990、1995和2000年的地热能直接利用中，地源热泵所占比重较大，约为59%，发展非常稳定，年均增长约7.7%。1997年安装12kW地源热泵4万台，2000年达到40万台左右。预计2010年总装机量将达到1.5万。目前，地源热泵在美国多用于学校和办公楼。大约600所学校安装了地源热泵，主要在中西部地区。
地源热泵在欧洲的应用主要集中在中北欧国家，如瑞典、奥地利、瑞士和德国。地源热泵的利用在20世纪50年代有过一个高潮，但由于价格昂贵，没有进一步发展。石油危机后，欧洲一些国家已经组织了5次大型的地源热泵国际学术会议，研究了30多个地源热泵项目。与美国的情况不同，欧洲主要利用浅层地热资源，采用盘管埋于地下土壤(深度小于400m)的地源热泵，主要用于室内地板辐射供暖和提供生活热水。根据1999的统计，地源热泵在家庭供暖设备中的比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%，明显高于1996之前。
1.2国内应用现状
我国在热泵方面有着良好的科研成果和应用基础。早在20世纪50年代，天津大学就在国内开展了热泵的研究。80年代末以后，国内高校开始研究地源热泵。2001在宁波召开的全国热泵与空调技术交流会和2002年在北京召开的国际热泵大会上，国内外人士开始关注中国这个发展潜力巨大的大市场。近年来，我国加强了地源热泵的应用研究，已有十几家厂家自主研发生产了地源热泵机组，如山东富尔达、北京中科能、沈阳东宇等。此外，一些著名的外国公司在中国设立了销售部门，并在北京、天津、广州、重庆、山东、河南、湖南、辽宁、Xi、黑龙江和河北设立了项目。目前，我国有100多个地源热泵项目，供热/空调面积100万m2。这些项目几乎都是以地下水为热源的水源热泵系统。地下埋管地源热泵系统目前仅在山东、天津、湖南、河北、吉林等地进行了示范，并取得了初步成效。
2浅层地热能开发的水文地质分类
根据浅层地热能利用的含水层介质类型、特征和埋藏分布，划分了浅层地热能的水文地质类型。结合现有的相关勘探规范，地热能开发的水文地质类型基本可分为四种:16型。四大类是孔隙水、岩溶水、裂隙水和特殊水。待识别的各种类型和水文地质问题见表1。
表1水文地质勘探水源地类型及待识别的主要水文地质问题
继续的
3浅层地热能勘探技术
在浅层地热能勘探过程中，一方面继承和发展传统的水文地质勘探方法，同时及时将新的理论、技术和方法不断应用于浅层地热能勘探。从卫星影像航测、航拍到化探、物探，再到地质钻探，形成了全方位的立体勘查体系，达到了经济发展、地质先行的战略要求。浅层地热能勘探应遵循以下优化原则:资料收集-地质调查-地球物理-地球化学-地质钻探-资源评价-开发利用-回灌保护-测量监测。
3.1数据收集
在进行任何勘探之前，首先要尽可能地收集、整理和分析该地区的地质、水文地质、地球物理和地球化学资料。收集数据时注意以下四点:
(1)咨询范围要尽可能大，包括一个完整的地质构造单元及其邻区；
(2)应注意岩体和地质构造资料的收集；
(3)对于以低温传导为主的地热田，重点关注凹陷内的凸起，注意收集物化探资料；
(4)要注意温度数据的收集，尽可能收集温泉的位置、温度和水量。在覆盖区域，我们主要寻找钻井和抽水时的实测温度数据。
3.2地质和水文地质调查
地质调查的目的是了解浅层地热能的地质背景，查明地热田的地层时代、岩性特征、年代、分布范围、地质构造特征以及地下水的补给、径流和排泄条件，为下一步浅层地热能勘探提供依据。地质测量中应注意以下问题。
(1)浅层地热能开发区的构造控制。根据已知井、泉的调查，其出露部位多处于现代活动强烈的构造复合部位；或者大断层与其引起的次生断层相交的地方；或在拉伸、拉伸和扭转断裂和接合处等。，因为这些地方都是比较破碎的岩石，往往是地下水在其中运动，深水涌动的有利场所。
(2)在调查区域断层剖面时，应重点描述多孔的透水层和不透水层，以及所有火山岩的产状和时代，同时注意岩层的化学成分、热液蚀变和矿物沉积的特征和范围。通过裂隙中的围岩蚀变和矿物沉积现象，有助于发现埋藏较深、地表无地热显示的热异常区，也为进一步勘探指明了方向。
(3)水文地质中，应对地表出露的冷泉或冷井的温度、水量、pH值进行逐一实地测量，描述冷泉出露的地质、构造条件，并选取水样进行化学和同位素(氚)测定。还应测量流经该地区的河流和小溪的流量和水温，并对一些主要河流进行分段测量，以测量进入热区前、中、后的水温并采取水样，以确定地表水和地热水的补给和排泄关系。冲积扇发育区应划分顶部补给区、中部径流区和下部排泄区的界限。
3.3地面地球物理勘探技术
地面地球物理勘探的具体任务是:确定含水层上覆盖层的厚度、地层和岩性界面及形态；确定故障的位置和发生情况；了解岩溶发育的位置、规模和形态特征；查明地下水赋存空间与径流通道的连通性；查明地下水的埋深、流速、流向、含水层深度和含水量。地下水勘探的常用方法主要有DC法和电磁法，包括:天然电场法、充电法、DC电阻率法、激发极化法、音频地电场法、高密度电阻率法、探地雷达、频域电磁测深法(EH-4电导率成像系统)、瞬变电磁法、核磁共振法等。每种方法都有自己的技术特点，因此有其不同的适用范围。
天然电场法和充电法常被用来确定地下水的方向和速度，而核磁共振技术可以直接探测含水层的位置、水量和渗透性，这是浅层地热能地下水物探技术要解决的* * *问题。根据不同类型地下水的赋存条件和地球物理勘探方法的技术特点，如何建立合理有效的地球物理勘探技术，是地面地球物理勘探要解决的首要问题。
3.3.1松散层孔隙水
地球物理勘探的主要目的是了解含水层结构及其富水性、地下水位埋深和地下水矿化度。国内外浅层孔隙水勘探技术已经成熟。一般来说，DC测深或感应电测深更为合适，成本低，方法简单，受欢迎。视电阻率参数可以确定含水层结构和地下水矿化度，激发极化参数可以用来了解水的丰度。但在某些地区，常规电阻率法难以奏效，如沙漠地区地表极度干燥，电极接地电阻大，供电困难；对于高矿化度的浅区，电阻率低，导致供电电流过大，供电设备功率大，测量电压信号小，影响观测精度；部分地区地形条件不利，开展工作不易。这时可以选择电磁测深法，如频域电磁测深法(EH-4电导率成像系统)，其观测系统输入阻抗高，工作方便，效率高；瞬变电磁法可以利用磁源激励线圈，不涉及接地问题。对于水文地质条件复杂的地区，在其他物探工作的基础上，选择重点地区，利用Numis核磁共振技术确定含水层深度、厚度、给水量和水量。在西北黄土高原地区应用效果明显，但该方法成本高、效率低。
3.3.2碎屑裂隙水
其赋存介质主要是中生代盆地沉积的一套巨厚的侏罗系和白垩系河流相泥岩。地下水类型有风化带网状裂隙水和浅层承压裂隙水。
碎屑风化带网状裂隙水的物探目的是确定风化壳底界的埋深，了解风化裂隙的发育程度和富水性。由于勘探深度小于50m，选择高分辨率的高密度电法更为合适。
浅层裂隙承压水是指碎屑岩大泥岩夹一定厚度砂岩层的层间裂隙水。由于不同胶结类型的砂岩体孔隙渗透率低，砂岩层以裂隙水为主。地球物理勘探的目的是了解砂层的厚度。虽然模型简单，但由于含水砂岩层厚度的限制，很难做地球物理勘探。目前频率域电磁测深是一种可行的手段。
3.3.3碳酸盐岩溶水
岩溶地区地下水按赋存介质不同可分为地表带岩溶水、溶洞水、岩溶管道水、构造裂隙岩溶水和埋藏岩溶水。它们单独存在，又相互交叉，形成了复杂的岩溶地下水系统。
(1)表层为岩溶水。地球物理勘探的主要目的是了解覆盖层的厚度，基岩的起伏形态，洞穴和溶槽的发育情况。探测对象的地球物理特征是低阻反射，与围岩接触界面两侧的波阻抗不同。由于探测深度一般小于30m，且异常规模较小，要求物探手段具有较高的分辨率，因此备选方法为高密度电阻率法和探地雷达。
(2)溶洞水。岩溶洞穴水发育于质纯、厚度大的石灰岩和白云岩中，呈平面或似层状分布。因为溶洞、溶孔、溶隙都含水，所以表现为阻力低的特点。找水物探首先利用联合剖面法、音频地电场法等剖面法确定溶洞、裂隙发育区的平面位置，然后利用电磁测深法了解岩溶发育带的空间分布特征，尤其是瞬变电磁测深法更能明显地反映异常。
(3)岩溶管道水。岩溶管道水，即地下河，是西南碳酸盐岩地区最典型的地下水类型。由于岩溶地区地表水与地下水之间的频繁转换，地下水的空间分布极不均匀，纵向上呈双层或多层结构；同时，受地层、构造和岩溶地貌的控制，岩溶水文地质系统较小且分散。岩溶管道水有许多简单的地质地球物理模型。与围岩相比，其电性和弹性参数变化明显。但由于其规模和埋深的限制，物探找水难度较大，目前还没有切实有效的技术方法。对于埋深小于100m的岩溶管道水，物探方法可选择探地雷达、EH-4电导率成像系统和瞬变电磁法。探地雷达可以直接反映其有效勘探范围内异常体的分布；EH 4系统能反映地下裂隙和岩溶的发育情况，但在局部地表不平时容易产生静态效应，甚至不能做出合理解释；瞬变电磁法观测纯二次场对探测高阻围岩中的低阻异常有很好的效果。各种方法可以从不同侧面反映异常体的形态特征，从而查明地下岩溶管道的分布情况。岩溶管道水深超过100m时，找水困难。目前已有瞬变电磁法可用，但应用程度不成熟，需要进一步的试验和研究。
(4)构造裂隙岩溶水。这类地下水受构造破碎带控制，物探的主要目的是查明构造破碎带的分布特征和富水性。断裂带裂隙水的地球物理勘探技术在20世纪80年代已经成熟，最经济有效的方法组合是音频地电场法和感应电测深。音频大地电磁法可以快速确定构造带的平面位置，利用激发电测深的视电阻率、极化率、半衰期等综合参数，了解断层破碎、裂隙发育的富水地段。当地形条件有限时，激发电测深很难开展工作。EH-4电导率成像系统可用于了解构造破碎带的空间分布特征和富水性。当覆盖层厚度大于30m时，音频地电场法的异常强度较弱，应选择节理剖面法确定构造带的平面位置。
(5)埋藏岩溶水。深部岩溶水地球物理勘探的目的是了解灰岩界面的埋深和岩溶发育情况。灰岩与上覆地层电性特征和弹性参数差异较大，岩溶发育受深部构造控制，表现为低电阻和弹性参数不连续。地震技术可以准确了解灰岩界面的埋深和断层的空间分布特征；电磁测深法主要反映地层结构和岩溶发育程度；直流电测深主要用于勘探阶段。目前，多种方法的有效配合，在宁南深层岩溶水勘查中取得了新的进展。
深部岩溶水物探技术面临的几个问题是:地下水位埋深大，变化大，地下水位埋深仍难以确定；深埋碳酸盐岩岩溶地下水受构造控制，分布不均匀，地下水矿化度难以确定。其实浅层构造裂隙水勘探也有类似的问题。石灰岩被碎屑岩覆盖时，很难了解岩溶的发育程度。
深部岩溶水物探技术面临的几个问题是:地下水位埋深大，变化大，地下水位埋深仍难以确定；深埋碳酸盐岩岩溶地下水受构造控制，分布不均匀，地下水矿化度难以确定。其实浅层构造裂隙水勘探也有类似的问题。当石灰岩被碎屑岩覆盖时，很难了解岩溶的发育程度。
3.3.4基岩构造裂隙水
这类地下水的赋存介质为火成岩或前震旦纪变质岩，基岩裸露或覆盖层薄，岩石风化裂隙不发育，地下水资源缺乏。地下水主要赋存于构造破碎带中。
地球物理勘探技术类似于碳酸盐岩构造裂缝中的岩溶水。对于勘探难度大的地区，可以利用核磁共振来判别断层泥或富水程度。
3.4钻孔方法
钻井法是一种投资大、风险高的重要方法，但在浅层地热能勘探和评价中又是不可或缺的。也是查明浅层地热能分布和储存条件的基本手段，是浅层地热能勘探的重要环节。钻探主要用于浅层地热能的详细调查和勘探。其目的是验证过去工作中圈定的范围是否正确，查明地下水的水文地质条件，如埋藏条件、运动规律、水温、水量、水位、水质等。目前，我国的钻井施工技术越来越成熟。
4浅层地热能开发井完井技术
在浅层地热钻井施工中，钻井是基础，完井是关键，二者统一于整个施工过程。钻至目的层并不意味着热源井的完井，完井技术决定了地热井的质量。
4.1完成流程选择
根据不同的井筒结构，目的层的层位决定了完井施工工艺。根据目前的热源井，基本分为两种:一种是松散地层，即第四纪地层、风化层和断层破碎带；基岩目的层热源井，如奥陶系雾迷山组、寒武系、青白口、蓟县。由于目的层不同，完井技术也不同。
4.1.1松散地层完井技术
松散地层完井需要过滤器，所以完井过程比较复杂，基本过程如下:
钻后→换浆→物探测井→通井→破壁→换浆→下管→止水→填砾→洗井→抽水试验(取得水文地质资料)→交井。
开钻后，为了保证测井工作顺利完成，需要更换泥浆，调整井下泥浆性能(但要保证井壁稳定)。为了保证测井工作的顺利完成，调整的项目主要是粘度、密度、含砂量等指标。测井工作应按地质设计的技术要求逐项进行测试，根据测井解释资料和实际测井资料确定滤波管的下入深度、缠绕距离和止水位置。测井结束后，要重新钻井，同时下破井器破壁，钻井破井后再下过滤器。
在滤管顶部进行20 ~ 30m的水泥固井，滤管内的上层全部用水泥封固，封固长度不小于300m。应在泵房与井管的重叠部分进行固井，并用水泥密封环形部分，这样在3 ~ 4 MPa下试压稳定20分钟后，才能保证环形部分的密封质量。在每层滤管中，需要止水的部位安装5mm厚的胶袋，每层胶袋数量不少于2个。
下管后，带喷嘴下钻具，在滤管内上下冲洗。洗涤压力为5MPa，洗涤时间不少于4小时。然后提出喷嘴，运行钻具并连接鼓风机，用气体和水洗井。水和砂清理干净后，将钻具提至泵房，再次用气和水洗井。最后根据井的水位下降情况，下放潜水泵进行正式抽水，测量井的实际出水量、动、静水位和下降深度。按地质设计要求做抽水试验，经发包人、承包人、监理验收合格后交井，完成地热井的全部施工。
4.1.2基岩热源井完井技术
基岩热源井的完井基本都是裸眼完井，完井工艺比较简单。根据设计的井深结构，在深完井后，可以在20s以内更换井内泥浆，然后进行测井。测井后，下钻至目的层底部，进行气水混洗。水净化后，下入深井泵抽水。测量井的实际出水量、水位、单位涌水量后，交井。
4.2竣工后的勘探孔
无论何种热源井，所有工作完成后，都应进行探孔工作。松散层热源井勘探后，沉降管内的砂砾不应超过沉降管的1/3。如果大于1/3，则应将沉降管中的砂砾捞出。松散层中热源井底部的沉淀管不应小于20m。
基岩热源井完井后的钻孔勘探要求:井底沉渣不得超过含水层(目的层)长度的1%。如果达不到上述标准，应重新排砂，直至符合要求。
4.3酸化洗井
基岩热源井施工中，若目的层裂缝较小或岩屑堵塞水道，应采用酸化压裂处理。
在热源井施工中，对酸化用盐酸的浓度和地层中的岩屑取样进行室内试验，确定酸化盐酸的浓度。浓度一般应为15% ~ 18%。
酸化压裂法:先将裸眼井段的盐酸注入井内，然后下封隔器(封隔器的大小应能封住上部套管)进行压裂。根据不同的井深使用不同的压力。最小压力不得小于15MPa，这样压力才能使酸化效果更好。
5浅层地热能开发存在的问题
浅层地热能(包括地下水、土壤或地表水)是一种利用地源热泵技术提供热量和制冷的高效节能空调系统。凭借其独特的优势，近年来在国内发展迅速。随着我国能源结构政策的调整，我国传统的燃煤锅炉供暖和空气源热泵供冷形式将被更高效的地源热泵所取代。随着地源热泵技术的研究和发展，作为一种利用可再生能源的空调系统，它具有节能和环保的双重效益，必将成为21世纪最普遍、最有效的供热供冷技术。
但总体来看，我国地源热泵发展还不够规范，基础研究有待进一步完善，相关专业标准有待制定，行业间缺乏必要的合作与交流。所有这些因素都或多或少地影响了这项技术的推广。
中国浅层地热能勘探开发存在的主要问题是:中国浅层地热能统一管理薄弱；中国地热资源勘探和评价程度低；地热资源开发利用水平低；地热资源勘探开发技术研究有待加强；部分地区热源井过于集中，过度开采。此外，地热能开发引发的环境问题也相继出现，主要表现在热源尾水除少量回灌外，大部分通过城市排水系统流入附近的河流和湿地。对于就地排放的热源尾水，要从水质、温度等方面保证不会污染周围水体、土壤或造成热污染。因此，要密切关注水化学动态趋势，进行跟踪研究，以便及时发现问题，及时解决问题。
利用管井灌溉地下水还存在以下问题:①灌溉井的井型结构不合理。大部分灌溉井仍沿用矿用井的单滤管结构，部分井管采用水泥管，影响了井的使用寿命。(2)采灌井地面安装不科学，井口和泵管系统不密封，回注过程中气相容易堵塞，管井长期报废。(3)在大部分地区，采灌只有单一的表现，会造成冬夏两季简易回灌井的物理和生化长期堵塞，导致回灌井废弃。④合理利用地下水资源。取用适量地下水，需要再次回灌地下水，严格控制回灌水的水质，杜绝水资源的浪费或污染。⑤合理设计和选择地下水源热泵冷热水机组，提高能效。
6建议和对策
利用地源热泵开发浅层地热能的技术和资源条件已基本具备，热泵的最高效率和高环保性赢得了世界的青睐。因此，热泵技术和产业正在世界范围内迅速发展。中国也具备了相应的发展条件，发展前景非常看好。
(1)重视非地热异常区地热资源勘探开发，拓宽地热资源开发利用范围。地热资源分布广泛。根据地热升温速率，在深部存在强渗透性储层的条件下，有可能获得一定深度的预期地热资源。随着勘探技术的进步，钻3000 ~ 4000 m的地热深井不再是问题，这使得地热资源的开发有了新的思路，不局限于地热异常区或浅部，特别是一些大型沉积盆地和有经济基础的城镇。
(2)油田地热资源的开发已引起广泛关注。事实上，地热资源广泛分布于沉积盆地的油田区。相当一部分有水无油的石油探井可以改造成地热探井。油田开采后期，多用水，少用油气，可以主要开采地热资源，对油区经济发展和产业调整十分有利。这引起了石油行业同行的广泛关注，并在华北、华东、大庆等地进行了试点，取得了良好的效果。
(3)重视地热资源的综合利用和梯级利用，提高地热资源的利用率和经济效益。地热资源的开发利用已由最初的一次性利用转变为综合和梯级利用。用于供暖的地热水往往采用先供暖、后供暖、环境用水的方式，或根据建筑物对温度的不同要求实施梯级供暖，或利用热泵技术将一次供暖后的尾水转化为热能进行二次利用，提高了地热资源的利用率和技术含量。地热资源用于农业大棚种植时，我们也在考虑利用不同作物对温度的不同需求，实施温度的梯级合理配置，比如北京小汤山地区的现代农业园区。
(4)注意采灌结合，保持地热资源的可持续利用。在一些地热开发较早的地区，如北京、天津、福州和Xi，地下热水水头明显下降，在一定程度上影响了资源的进一步开发和可持续利用。结合国内外地热开发经验，地热回灌已成为维持地热资源可持续利用和提高热区地热资源利用率的重要知识。除了开采和回灌的实验研究，这些地区早期的地热资源开发领域已经包括采灌结合。
(5)推进规模化开发，使地热资源配置趋于合理，提高开发利用的整体经济效益。这与地热资源的特点、采灌结合的需要以及经济规模化、规模化开发的发展态势是分不开的。随着经济发展中大型企业的出现，地热采灌结合的实施，实际上会限制只采不灌的小单位开发地热资源，鼓励资源条件和经济条件好的单位实行大规模开采，采灌结合开发地热资源，这将是必然趋势。
(6)制定统一开发计划，实施统一开发。地热开发是以水为载体，开发地热流体资源或地热水资源。由于地下热水的流动特性，在同一个热田或同一个分布广泛的热储层中开采地下热水资源时，开采井之间的相互干扰是不可避免的。为了合理开发和保护地热资源，减少甚至避免盲目开采问题，应在查明可开采地热资源的条件下，制定统一开发规划，实施统一开发管理。对此，前期开发地热资源的北京、天津、福州等地已注意到这一问题，较早制定了区域地热资源开发规划，促进地热资源有序开发。
(7)控制技术在地热开放利用中的应用。主要是根据供需实际需要，控制地热开采井的产量、配水量和地热尾水的排放温度；地热井的产量、井内水位(水头)变化和水温自动监测和传输。自动控制技术已广泛应用于北京、天津等地新开发的地热资源。
(8)加强管理。加强行政立法，制定相关技术标准，对地热开发利用实行规范化管理和法制化管理。