地熱勘察中地溫測試關鍵技術分析

朱佳

（湖南省地質礦產勘查開發局402隊 湖南長沙 410000）

地熱勘察中地溫測試關鍵技術分析

朱佳

（湖南省地質礦產勘查開發局402隊 湖南長沙 410000）

地熱能勘察測試中存在諸多問題，地熱能勘察測試缺乏資質管理，行業內也沒有專門的部門對其進行管理，測試水平參差不齊。本文根據以往的工作經驗對地熱勘察中地溫測試關鍵技術進行分析，供相關人士參考。

地熱勘查；地溫測試；技術要點

1 引言

地熱資源是集礦、熱、水三位一體的綜合資源，是當前應用較為廣泛的綠色能源。地熱資源是埋于地下的，開發利用地熱資源，首先要勘探清楚地熱位于地下的賦存狀態，地熱儲量大小等。目前，勘探地熱的地球物理方法有遙感技術、電法勘探、重磁勘探、地溫測量等。本文結合具體的工程實例對地溫測試技術分類以及具體的操作方法進行闡述。

2 地溫場監測技術及原理

2.1 地溫場監測原理

本次研究地溫場監測選用熱電偶作為測溫元件。熱電偶的測溫原理是熱電效應，即：將兩種不同材質的金屬導線組成閉合回路，由于熱電效應，若導線兩接點的溫度不同，在閉合回路中會產生一個與溫度差相關的電動勢，即溫差電勢。在閉合回路中串聯一個毫伏計，就可以通過測量溫差電動勢的大小來推算兩端溫差，從而獲得監測端溫度，如圖1所示。

圖1 熱電偶測溫原理

常用熱電偶主要有6種：銅-銅鎳型（T型）、鉑銠10-鉑型（S型）、鉑銠30-鉑銠6型（B型）、鎳鉻-鎳硅型（K型）、鐵-康銅型（J型）、鎳鉻硅-鎳硅型（N型）。其中，T型熱電偶正極為純銅，負極為銅鎳合金，在0～100℃溫度范圍內，在各種熱電偶中準確度較高，價格適中，因此，本次研究地溫場監測工作選用T型熱電偶。

2.2 地溫場常用監測方法

根據監測目的、監測方法與儀器等客觀條件，地溫場監測方法可分為勘探鉆孔測溫法、深孔測溫法、淺鉆孔測溫法。

2.2.1 勘探鉆孔測溫法

該方法可以全面掌握巖層賦存與開采深度范圍內的原始地溫場分布情況，是進行區域地溫普查和井田地溫詳查常用方法。該方法通過打一系列專用的測溫探孔，測量地溫，具有技術難度大、測定周期長、測定成本較高等特點。

2.2.2 井下水平深孔測溫法

該方法利用井下已有工程，在巷道圍巖內，通過布置水平探孔進行地溫監測。測溫孔長30～40m。在使用該方法時，為了保證監測數據的真實性與準確性，測溫孔布置要避開地質構造帶和水文地質條件復雜區域。該方法具有成本較低、精度較高、施工操作方便等特點。

2.2.3 工作面淺鉆孔測溫法

該方法通過在巷道掘進工作面，開鑿若干測溫淺孔，長1.0～1.5m，然后將測溫探頭或溫度計放入探孔，直接進行地溫測量的一種方法。該方法具有簡單易行、成本低、速度快、精度較高等優點。但是，由于受采掘面數量與位置的限制，其所測數據代表性不足。

3 實例探析地熱勘察中低溫測試關鍵技術

某煤田在其演化歷史中遭受多期構造變形，因此構造形態較復雜。該區主要構造為古運動時期受南北向應力形成的眾多近東西向褶皺、深大斷裂和逆沖推覆構造等，煤田中部的背斜是該區主要的正向褶皺構造，其南北2側均為推覆構造構成的迭瓦扇。該井田總體構造形態為一連續的北西向背、向斜，為復向斜的次級褶皺，南北2側被一組北西向逆斷層切割。

3.1 監測設備

本次地溫場監測選用手持式金達通6801Ⅱ型溫度表，該設備采用CPU控制，可靠性強，采樣速度快，自動溫度補償，可選擇℃/℉/K等溫度單位，監測范圍-50～1300℃，-58.0～2370.0℉。分辨力 0.1℃/0.1℉。

3.2 地溫數據獲取

本文所用的地溫資料來源于37口井84個層段的地層溫度測試。其中包括尖山隆起帶8口井13個測點、斷階帶11口井25個測點、靠山凹陷17口井46個測點。在這37井口中，有23口井鉆達基巖。

3.3 地溫梯度計算

地溫梯度是指恒溫層以下地溫隨深度的增加幅度，常以每百米垂直深度上增加的溫度數表示。據前人研究，斷陷恒溫帶的深度為25m，恒溫帶溫度為10℃。按如下公式進行計算：

可計算出每口井恒溫帶至測溫點的地溫梯度。在計算過程中，同一口井的地溫梯度數值取本井計算得到的最高值。如果測點位于基巖內部，則此測點的數據不參與計算。反之，利用每口井的地溫梯度即可估算出本井在不同深度下的地溫值（T，℃），即：

式中：G為地層梯度，℃/100m；Z和Z0分別為測溫點和恒溫帶的垂直深度，m；T和T0分別為測溫點和恒溫帶的溫度，℃。

3.4 地溫數據處理

3.4.1 簡易測溫數據

在鉆孔測溫工作中，由于近似穩態測溫耗時長、操作復雜，一般采用的都是簡易測溫。其數據在利用時與近似穩態測溫資料不同，需要根據附近近似穩態孔熱恢復規律進行相應的校正。本次研究采用“三點法”對簡易測溫數據進行校正，即利用孔底、中性點（段）和恒溫帶溫度三點的連線作為地溫曲線；對于孔底平衡溫度的確定是采用“校正曲線法”。與地面鉆孔測溫相比，井下實測地溫數據因受擾動程度小、熱平衡時間短，更能精確地反映巖層溫度。本次利用淺鉆孔測溫法在改井田開展了井下巷道圍巖溫度的實測工作，測溫結果見表1。對比分析井下實測和地面鉆孔測溫所得地溫梯度值可知，利用井下測溫點計算的地溫梯度和地面鉆孔平均地溫梯度差異甚小，驗證了地面井溫測井結果的可靠性。

表1 井下測溫結果表

3.4.2 地溫梯度的分布特征

在近似穩態孔中，同深度的溫度以井田東部的7-2孔最大，且在縱向上，地溫隨測溫深度的增加逐漸升高，呈現出良好的線性關系，為傳導型增溫特點（圖2）。地溫梯度隨深度的增加而遞減，并逐漸趨于一致（圖3）。在400m以淺，地溫梯度分布較為離散，呈逐漸變小的趨勢；當深度至400m以下時，地溫梯度變化較小，在2.6～3.4℃/HM之間，低于400m以淺的地溫梯度值。在平面上，該井田現今地溫梯度介于1.7～3.8℃/HM之間，平均2.83℃/HM，略高于相鄰西井田2.78℃/HM的地溫梯度值，且具有明顯的分段性。從南北向看，由南至北地溫梯度呈減小的趨勢，從F72斷層附近的3.6℃/HM以上向北到斷層附近地溫梯度減小至2.2以下，部分地區甚至小于2℃/HM.從東西向看，20線以西地溫梯度呈減小的趨勢，絕大部分區域地溫梯度在2.8℃/HM以下，且至井田西端減小至2.2℃/HM以下；20線以東地溫梯度總體上呈先增大后減小的趨勢，20線附近地溫梯度在2.6℃/HM以下，在10線和13線之間南部部分區域達3.6℃/HM以上，至井田東端地溫梯度減小至2.4℃/HM以下。總體上，該井田地溫梯度等值線延伸方向主要為北西向和近南北向，表現為南高北低、東高西低的特點。

圖2 井田系統連續測溫曲線

3.5 地溫場模型

本次研究，根據改井田深部實際開采狀況，采用三維通風管理軟件Venom，建立三維可視化通風仿真模型，并且進行熱模擬。將井田地表高程、地溫梯度等熱模擬參數，輸入通風模型進行熱模擬計算，得到該井田深部采場原巖地溫場分布狀態圖，如圖4所示。由此可知，隨著井田開采深度的增加，地溫不斷升高，-587m中段以下的巷道工程圍巖地溫都在27℃以上，其中，-827m中段巷道工程圍巖地溫達到30.5℃。我國《煤炭資源地質勘探地溫監測若干規定》指出：原始巖溫高于31℃的地區為一級熱害區，原始巖溫高于37℃的地區為二級熱害區。由此可見，該井田深部開采熱害開始顯現，隨著開采深度的增加，高溫地熱將對今后井田生產有更大的影響。

圖3 井田現今地溫梯度-深度關系圖

圖4 地溫場模型

4 結束語

在我國，隨著淺部礦體資源的不斷開采，采礦逐步向深井發展，礦井地溫場溫度越來越高，工作面氣象條件逐漸惡化。在深井礦體開采過程中，高濕高熱的工作環境，使工人容易疲勞，降低工作效率，增加各類傷亡事故的發生概率，嚴重損害礦山企業的經濟效益與社會效益。因此，進行深井地溫場監測技術及分布規律研究，不但是劃分礦井熱害等級的重要參數，還是深井熱害治理的基礎數據之一，更是進行深井開采的前提條件。

[1]李建華.淺層地熱能勘察測試技術在地源熱泵建設中的應用[J].建筑施工，2013，35（11）：1018～1020.

[2]田春艷.廣東省中高溫地熱資源勘查與開發利用建議[J].地下水，2012（4）：61～63.

[3]司士榮.“十二五”中國中低溫地熱發電關鍵技術開發與應用前景研討會在京召開[J].地熱能，2011（1）：28～29.

P314

A

1004-7344（2016）23-0174-02

2016-7-15

朱佳（1988-），男，本科，主要從事水紋水資源工程等工作。