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论开发地热资源的四大风险及解决办法

郑州富士达公司 寇伟

在强化环保意识、加速发展绿色能源的大背景下，充分利用地热资源已备受重视，商业开发热潮迅速发展，尤其是房地产开发项目对地热温泉的需求日趋旺盛，开凿地热井的数量和投资逐年递增。因受限于我国目前的地热资源勘探能力和准确性，开发地热资源的实际效果并不理想，有的是根本没有打出地热水，白白浪费了几百万元的投资；有的是出水温度低于30℃，要加热后才能利用；有的是地热水量太少，利用价值不高。

总的来看，开发深部地热资源打地热井基本上存在四大风险：地质风险、深度风险、温度风险和水量风险。本文将针对四种风险的成因及其解决办法逐一加以讨论。

一、地质风险的成因及其解决办法

开发利用地热资源的前提是在待开发的目的园区内要有地热资源可以被开发。方圆几百公里以内没有温泉或打成的地热井，不代表在园区内没有可开发的地热资源；附近几十公里或几公里处有温泉或打成的地热井，不代表在园区内就可以打出地热水。园区内有没有可开发的地热资源，关键是要看是否存在形成地热资源的地质构造。所以，要想开发地热资源，首先是要勘探园区内是否存在断裂或岩溶裂隙等地热发育的地质构造，只有确定了存在地热地质构造，才能进一步勘探定井打出地热水。

以往勘探结果表明，板块内岩溶热水的形成与出露一般都是受压扭性断裂与张扭性断裂的双重控制。由于张性断裂有着良好的张开程度，地下热水常沿这类断裂流动、排泄；压性断裂面是受主压应力作用的结构面，也是受应力最大的结构面，因此断裂深、规模大。压性结构面的两侧，岩石挤压强烈，岩石结构致密，岩石的电阻率或电位值变高。当地下热水在深部向排泄区水平径流时，遇到阻水的压性断裂，改变径流条件，充斥断裂层内形成地下热水的富集，致使其沿着张性断裂或压性断裂的相对启开部分向上运移。在压性断裂与张性断裂交汇处，岩石破碎，裂隙发育，形成热水上升的良好通道。所以地下热水的出现，多是张性断裂与其主干压性断裂联合作用的结果。因此，应用物探方法在板内区域寻找地下热水的关键就是寻找控制地下热水的构造，即通过物探方法对断裂构造、特别是开启性断裂构造的明显反映，寻找基岩裂隙、构造裂隙、断裂破碎带,结合园区水文地质条件判断其富水性，再进一步探明构造带的宽度、延深、产状及水源补给和赋水条件,从而实现寻找赋存于断裂构造中的断裂带脉状裂隙水的目的。

二、深度风险的成因及其解决办法

对于存在岩溶裂隙发育的区域，若是所定打井深度不到裂隙发育层的实际所在深度，就会打不出地热水；对于断层构造型地热井，若是打井与断层破碎带不相交或相交点深度很浅，就不会打出地热水；即使打出的地热井，若定井位不准、与断层相交点以下所打深度就是多打浪费的。

岩溶裂隙发育的地热层属于孔隙型热储层，一般都是热流体的富集层，其具有埋藏深度适中、水温较高、储水层数多而薄、出水量大的特点。对于此类地热层，关键是要准确探明热储层的数量及其埋藏深度，打井深度一定要超过热储层的埋藏深度，若是打不到热储层或是漏掉了主要的热储层，就会竹篮打水一场空。

对于断层构造型地热井位及其深度的确定要更复杂一些。断层构造型地热水属于中低温热对流型地热水系统，其特点就是没有特殊的附加热源，地下水主要靠裂隙和破碎带导水渗入地下深部，要有足够的水量和循环深度才能保证地热水的温度和供应，因而准确定位打井的位置和深度就显得至关重要。

一是打井位置要选定在断层含水段的下部，断层破碎带要足够宽、破碎岩石开裂间隙足够大时上面含水层的水才能渗下去并蓄存在其中；断层向下延伸的深度越深、热水循环量越大、打出地热水的温度就越高；而到一定深度后断裂开口很窄、水已渗不下去或渗入很少，井身打在此处时可能就没有水或很少水。所以井身与断层交汇点应尽可能打在富水段的下部，既能保证供水、出水温度又高。

二是井深设计的原则是井身与断层交汇点越深越好，但超过交汇点后，只需留有一段深度确保泥沙淤积不能堵住断层交汇点处即可，过多凿深都是浪费。假设断层含水层斜延深度至1500米，井身在500米处与断层相交，即使再向下打到2000米也没有什么用，抽出来的水温最多也就到25℃；只有在1300—1500米处打在断层破碎带上，才能抽出40--50℃的地热水。由于一般张性含水断层都是倾角80度左右陡直断裂形成的，要确保在恰当的位置打在相对最深的含水断层上，才是地热井定井的关键和难点。

三、温度风险的成因及其解决办法

对于存在断层构造型地热井，所定井位与断层破碎带相交点的深浅决定了打出地热水温度的高低，按照地层增温率原理，相交点以下因没有地热水和破碎带，其深度与地热井出水温度基本无关，准确选定地热井在深部与断层破碎带相交是地热井定井的难点和关键。

在地壳中，地热按照温度变化的分布可分为三个层级，即可变温度层、常温层和增温层。可变温度层：厚度一般为15～30米，它由于受到太阳辐射的影响，故温度有周期性变化的特点。它的深度因地而异，在我国北方，温度具有年变化的深度大约在30米左右。常温层：厚度一般为20～30米，虽然地壳表层的温度常随外界温度而有所变化，但从地表向下到达一定深度，其温度不随外界温度而变化，温度变化幅度几乎等于零。增温层：在常温带以下，温度随深度的增加而升高，其热量的主要来源是地球内部的热能。

通常把地球不受大气温度影响的地层温度隨深度增加的增长率称为地热增温率（亦称地热梯度），用常温层以下每深入地下100米所增加的地温值（℃/100m）来表示。也有将地温随深度而增加的规律用地热增温级来表示，即在年常温层以下温度每升高1℃时所增加的深度，单位是m/℃。在我国地热梯度的平均数值是3℃/100m，也就是说地热增温级的平均数值是33m/℃，而实际上各地的地热增温率差别很大。

开发地热资源的开采深度取决于热储层的埋藏深度及当前的开采技术经济水平。构造隆起区受断裂构造控制的对流型地热田，深部的地热水沿断裂循环，在适宜的构造部位以温泉的形式排出地表，通过勘探定位，也可在浅部（300米以内）找到来自深部温度较高的地热水。主要靠地热传导增温的沉积盆地型地热田和断裂型地热构造带，只有达到相当深度的热储层才有实际开采意义，因而地热水的开采深度均比较深。一般来讲200—300米深度承压水层的水温为14--18℃，欲开采40℃以上的地热水，按照平均地热增温率计算，热水井深度至少要达到1000米以上。就当前我国地热水开发的物探技术水平和凿井施工能力而论，开采深度在2500米的地热水基本上没有问题。如果勘探定井位置精准，确保井身能在1500—2000米深度内与断层破碎带相交，出水温度就保证会在50--60℃，既能节省投资，成功率也会更高。

四、水量风险的成因及其解决办法

最大风险莫过于水量风险，即使所打地热井能够打在断层构造上，若是岩溶裂隙或破碎带因被堵塞基本无水，就等于是凿了口废井。因此打井前必须清楚了解井位下水文地质情况，探明含水层的数量、深度、含水量，确定固井深度和要保留的含水层，在精确勘探结果的基础上科学设计凿井施工方案。

首先，是要探明断层构造及其含水性。断层是否导热和含水，取决于断层的力学类型：正断层属于张性结构，逆断层属于挤压结构，平移断层属于扭性结构。只有张性和张扭性断裂构造的断裂属于张开的，有可能沟通地表径流和风化壳中的地下水，为地热流体通过循环流动通道，并在断层深部富集地下热水。由于地壳活动的复杂性和多重性，断裂在深度方向上的变化也是多样性的，有的断层在地面上显示是张性的，向深部延伸到一定深度时就有可能变为压性的了；也有的原来是张性断层，由于近期构造运动使得通道堵塞，变为弱透水甚至是封闭不透水的。

其次，是要搞清楚供水源及其可持续性。要从现有的区域地质报告中研究该园区附近的断裂构造 ,结合实地水文地质调查 ,确定园区内构造带的水源补给及赋水条件,再用物探方法来充分肯定构造带的宽度、延深、产状及赋水性，及与园区外地热构造的横向关联性，全面掌握热藏的范围和边界及相邻区块的含水性，进而确定地热井水的补给源及其供给量。

再次，是要找到最佳定井位置。对于多次地壳运动形成的复杂断裂构造或岩溶构造，除了要比较全面地了解了区内地热的赋存条件之外，还要掌握纵深断层构造的分布、数量、产状、含水情况，清楚了解园区内有几条断层及其走向，哪条断层是主要导水导热构造，热水赋存部位的空间分布特征如何，进而选定最佳的地热井位置及打井深度，科学预测出水温度和出水量。