第五章 地热能与可燃冰

第五章地热能与可燃冰1内容提要地球上的地热显示地球是庞大的热库中国地热资源丰富多彩如何找地热资源地热资源的利用中国地热资源利用现状地热资源的保护可燃冰25.1地球上地热的显示（地热的表现形式）5.1.1温泉1）温泉形成的三大要素热源、水源和地下与地面之间的通道2）温泉的医疗效应温热作用，静压作用，浮力作用，化学元素的作用（碳酸、碳酸氢根，硅酸盐，氡气，硫化氢，硫磺，硫酸根等）3）间歇性喷泉冰岛大喷泉，美黄石公园老实泉，新西兰地热城罗托鲁阿。5.1.2

水热爆炸1）水热爆炸的内外因出现在高温水热区域内，爆炸源的埋深很浅，爆炸区域地下热储温度2000C左右2）发生水热爆炸的国家地区

很少，只有中国（西藏，云南，台湾等）、美国、冰岛、日本、新西兰和意大利等。35.1地球上地热的显示-地热的表现形式5.1.3泉华1）泉华的形成溶解有矿物质和矿物盐的地下热水和蒸汽，上升到地表形成化学沉淀物。它反应泉水的化学成分，水热系统深部和上行通道的重要地址、地球化学、地温梯度等信息。2）泉华分类硫华、硅华（有的会形成玉髓，石英，玛瑙等）、钙华和盐华。3）我国的泉华景色云南的蛤蟆嘴、狮子头、泉华蘑菇等5.1.4水热蚀变

1）水热蚀变的形成高温热水或蒸汽沿构造运动形成的通道运移过程中，与围岩岩体互相作用所产生的一系列复杂的重结晶、溶解和沉淀等相应反应，如热水失去一些钾，得到一些钙，则围岩发生方解石化，白云岩化，高岭石化，沸石化等。45.1地球上地热的显示-地热的表现形式5.1.5火山喷发1）火山的类型活火山、休眠火山、死火山之分。2）火山喷发的能量一次猛烈的火山喷发所释放出的能量，比氢弹或者原子弹的爆炸释放的能量大几十甚至上百倍。55.2

地球是庞大的热库5.2.1

地球内部的温度1）地球的内部结构地壳、中间层和地核2）地球内部的温度分布变温带：地表的最上层部分，随着日、季节、年及世纪而变化。常温带：变温带以下，温度的变化幅度小于观测误差。

增温带：受地球内部热能影响的地带，随深度增加而增高。5.2.2地球内部和外部热源

1）地球的外部热源太阳辐射热：潮汐摩擦热：月球、太阳对地球的吸引而释放的热量，约2x109J/a2）地球内部热源放射性衰变热：地球内部岩石和矿物中具有足够丰度、生热率较高、半衰期与地球年龄相当的放射性元素衰变时产生的巨大能量。主要有铀、钍和钾等。地球转动热外成-生物作用热（化学反应热）地球的残余热、地球物质重力分异以及人类经济活动产生的热。

65.3

中国地热资源丰富多彩5.3.1

地热资源的范围1）地热过程的全部产物天然蒸汽、热水和热卤水2）人工钻取的产物地热热储中的水、气或其他流体所产生的二次蒸汽和其他气体、热水和热卤水。3）上述产物带出的副产品

与地热流体相伴生，并能够为流体所带出的价值又比较高的矿物质。5.3.2我国地热资源分布1）高温地热资源分布喜马拉雅地热带：属地中海地热带的重要组成部分台湾地热带：太平洋板块和欧亚板块的边界2）地温地热资源分布

a.板内构造隆起区东南沿海（太平洋与欧亚板块交接带），福建、广东、海南等胶辽半岛地热带

b.大陆构造沉降区大型盆地，华北盆地、松辽盆地、塔里木盆地、四川盆地等。

75.3

中国地热资源丰富多彩5.3.3

中国地热资源的评价1）地热系统的分类

>1500C为高温地热系统，90-1500C中温,<900C地温地热系统2）评价指标地热资源基数：存在于某一特定地区之下的地壳里所含有的全部热能起算的温度为这个地区的多年年平均温度。可开采地热资源底数：一部分赋存深度比较浅的热能。井口有用功：

H,H0井口和尾水排放时焓值5.3.4我国地热资源量地热资源潜力占世界的7.9%我国地热资源储量分布地区发电潜力/MW30a热能量/亿吨标准煤喜马拉雅地带5818-华北盆地-13鄂尔多斯盆地-2.28苏北盆地-1.6松辽盆地-1.2685.4

如何找地热资源5.4.1

地热资源的标志1）地名挂以温泉、温汤、汤山、热水、热泉、药泉等字样的。2）植物生态的标志不同水质水温的地下水对植物生长有显著影响。3）雪地中的绿洲

4）地方性病症

5.4.2地质-水文地质调查1）地质构造控制是寻找地下热水的关键具有开启型的张性和张扭性断裂构造与地下热水的赋存有直接关系。而挤压和压扭性断裂构造则是一个理想热田应有的隔水、隔热条件。2）地层剖面的透水与不透水层、岩层化学成分、岩石蚀变和地下热水矿物沉积特征等3）地震活动、地貌、第四纪地质研究

第四系含水层划分95.4

如何找地热资源5.4.3

地球化学勘探1）水文地球化学法圈定地热异常区地下热水不同于普通水的化学成分和气体组成。2）利用汞指示元素圈定地热异常区地热区土壤中汞蒸汽含量级为10-12（pg）,而普通土壤中为10-9（ng）。另外含有氯离子的热水溶解硫化汞的能力增大百倍以上。3）利用地球化学地热温标预测地下热储温度地球化学温标：与地下热储温度相关的热水化学组分浓度或浓度比值SiO2地热温标:地热流体中二氧化硅含量主要取决不同温度、压力条件下石英在水中的溶解度。钠-钾地热温标：水温与Na/K摩尔比有关同位素地热温标：同位素分馏平衡与温度的相关关系，一般用水和水溶硫酸根离子间的氧同位素分馏。

105.4

如何找地热资源5.4.4

地球物理勘探1）地表浅孔测温

2）电法测量地下深处的电阻率，所测取的电阻率的变化与所探寻的埋藏于地下的热流体的性质有直接的联系。3）重力勘探岩石的密度和产状的不同，使大地重力正常场形成这样或那样的畸变，因而可以利用重力来探测地下地质构造，从而寻找地下热水。4）微地震观测5.4.5钻探可获得三个信息：从钻井的岩屑和岩心中获得地质信息从回流的泥浆温度与泥浆流量可获得地下温度信息从循环钻液漏失量的多少克获得岩层渗透率的信息115.5

地热资源的利用5.5.1

世界地热资源的利用1）意大利世界上第一个利用地热发电的国家，1904年2）美国地热装机和地热发电量在全球独占鳌头。3）冰岛首批利用地热进行采暖的国家，全球利用地热最广泛的国家，地热占整个国家能源利用总量的55%。水电16%，石油26%，煤3%2003年联合国把冰岛列为3个最适合人类居住的国家之一冰岛也是全球第二长寿国家5.5.2地热发电1）地热蒸汽发电

2）地热水发电减压扩容法：利用抽真空装置，使进入扩容器的地下热水减压汽化，扩容蒸汽再带动汽轮机做功发电。

利用低沸点物质：正丁烷、异丁烷等作为发电的中间介质。125.5

地热资源的利用5.5.2地热发电2）地热蒸汽发电利用背压式汽轮机循环；利用凝汽式汽轮机循环：干蒸汽发电循环系统、闪蒸蒸汽循环系统和双元循环系统123背压式汽轮机循环1-地热井2-净化分离器

3-背压式汽轮机过程：天然蒸汽首先经过净化分离器，除去蒸汽中挟带的岩粉等固体杂质后进入汽轮机中膨胀作功，乏气直接排往大气。缺点：对含有（CO2、N2、H2S、O2等）严重污染环境。优点：运行成本低135.5

地热资源的利用5.5.2地热发电2）地热蒸汽发电利用背压式汽轮机循环；利用凝汽式汽轮机循环：干蒸汽发电循环系统、闪蒸蒸汽循环系统和双元循环系统凝汽式汽轮机循环1-地热井2-汽水分离器3-汽轮机4-抽气器5-冷凝器12345过程：蒸汽经过清理，去掉内含的泥沙后，用管道直接输送到蒸汽涡轮机。由于地热天然蒸汽中通常挟带有相当多的不凝结气体，它们随蒸汽经过汽轮机之后，往往积聚在凝气器中，使汽轮机背压升高，影响蒸汽的正常作功因此地热凝汽式电站都配备有比常规火电站大的抽气器。优点：效率高缺点：管理要求高，系统复杂145.5

地热资源的利用5.5.2地热发电2）地热蒸汽发电过程：由于天然蒸汽携带着各种杂质和某些导致腐蚀的气体，因此发电装置的金属设备会遭到CO2、H2S、O2等的强烈腐蚀，而某些盐类还会引起蒸汽管道的结垢、腐蚀等，为此采用二次蒸汽循环。二次蒸汽循环1-地热井2-换热器3-冷凝水罐4-汽轮机5-抽气器6-冷凝器145623155.5

地热资源的利用5.5.2地热发电2）地热水发电闪蒸蒸汽系统闪蒸蒸汽循环系统a）热水b）湿蒸汽1-地热井2-汽水分离器3-闪蒸器4-汽轮机5-冷凝器6-抽气器13465124653165.5

地热资源的利用5.5.2地热发电2）地热水发电闪蒸蒸汽系统双元循环系统1-地热井2-换热器3-工质泵4-汽轮机5-冷凝器14523175.5

地热资源的利用5.5.3

地热资源直接利用1）地热供热

采暖和生活用水2）地热在工业上的应用造纸和木材的烘干纺织、印染、丝绸的热水需求轻工业制盐等地热流体中提取元素和矿物3）地热在农业上的应用温室种植

地热养殖4）地热在医疗保健和旅游方面的应用

陕西的华清池，北京的小汤山5）地热热泵----高效节能的佼佼者固定投资：热泵机组为6，燃气为2，燃油锅炉1.3，燃煤锅炉为1运行成本低：可在3.5年抵消多投入的设备费（以燃油燃气锅炉参考）185.5

地热资源的利用5.5.3

地热资源直接利用5）地热热泵----高效节能的佼佼者热泵的制热系数（COP）

2000年世界各国地热热泵利用情况国家总装机容量/MWt供热量/GW.h/年美国48003334瑞士500550瑞典3771146加拿大360247德国344319195.6

中国地热资源利用现状5.6.1

我国地热资源分布1）高温地热资源（>1500C）藏南、川西、滇西和台湾等2）中低温资源全国各地5.6.2地热发电世界屋脊上的一颗明珠----羊八井地热发电站

1）地热发电装机位于世界排名第14位

采暖和生活用水2）限制因素地热发电热源的制约：高温热源量较少地热资源地理分布的制约：主要在偏远地区，输电成本高地热勘探高风险的制约：钻探成井率低，耗资大地热发电经济性：介于水力发电和火力发电之间205.6

中国地热资源利用现状5.6.3

地热直接利用现状地热采暖面积省份面积/万平方米天津市900陕西200河北省100北京60山东60直接利用的示范----天津市蝶泉温泉小区

年纯收入186万元等城市中的地热之星—天津市1）地热面积大

占全市面积的77%2）供暖面积大地热供暖面积达到全市总建筑面的1/10南方丝绸之路上的博物馆—云南腾冲地热与火山1）中国温泉之乡

2）将腾冲建设成世界级的地热火山公园

215.7

地热资源的保护5.7.1

地热利用产生的效应1）热储压力衰减

2）热田内的地面运动效应

具有强烈的垂直方向和水平方向运动，关闭电站后，运动时可逆的。例如新西兰的怀拉基热田

3）水热爆炸

流体的连续抽去，造成地下水位的下降，形成天然扩容空间，从而诱发爆炸。例如：西藏羊八井，曾报废3口生产井5.7.2地热利用产生的次要开发效应1）处置废气产生的大气污染

NO2,CO2,H2S,CH42）排放废热产生的热污染，以及废水所溶解的盐类的造成的化学污染

Hg，镭，硼等以及盐类包括氟、砷、氯等。

225.7

地热资源的保护5.7.3

地热回灌是保护资源的有效措施1）地热回灌目的减缓地热尾水排放对生态环境影响改善或恢复热储产热能力保持热储储层压力2）回灌存在的问题

回灌井过近引起开采井的温度或产气量回灌堵塞问题，例如SiO2

结垢等5.7.2地热利用产生的次要开发效应1）处置废气产生的大气污染

NO2,CO2,H2S,CH42）排放废热产生的热污染，以及废水所溶解的盐类的造成的化学污染

Hg，镭，硼等以及盐类包括氟、砷、氯等。