[摘 要] 地?zé)豳Y源作為一種綠色能源，儲(chǔ)量豐富，可為人類提供足夠的熱量進(jìn)行發(fā)電和非電利用。但是隨著地?zé)豳Y源不斷開采利用，熱儲(chǔ)質(zhì)量的抽取量與補(bǔ)給量逆差不斷增大，熱儲(chǔ)質(zhì)量的虧損不可避免，熱田的性狀、地?zé)崃黧w的物理、化學(xué)條件以及周圍環(huán)境都會(huì)發(fā)生變化。地?zé)峄毓嗪偷責(zé)釤岜眉夹g(shù)是目前行之有效的避免或減緩地?zé)崽镩_發(fā)效應(yīng)的有效措施。

[關(guān)鍵詞] 地?zé)崽?；開發(fā)效應(yīng)；對(duì)策

[中圖分類號(hào)] P641.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

能源是人類社會(huì)存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。過去200多年，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎(chǔ)上的能源體系極大地推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。然而，人們在物質(zhì)生活和精神生活不斷提高的同時(shí)，也越來越體會(huì)到大規(guī)模使用化石燃料所帶來的嚴(yán)重后果。資源日益枯竭，環(huán)境不斷惡化，還誘發(fā)了不少國與國之間、地區(qū)之間的政治經(jīng)濟(jì)糾紛、沖突和戰(zhàn)爭。因此，人類必須尋求一種新的清潔、安全、可靠的可持續(xù)能源。

地球內(nèi)部蘊(yùn)藏著巨大的自然能源——地?zé)崮?，地?zé)崮苁且环N相對(duì)清潔的、環(huán)境友好的綠色能源，其資源具有多功能性。一是把地?zé)徂D(zhuǎn)變成電能；二是中低溫地?zé)豳Y源可直接向生產(chǎn)工藝過程供熱；三是向生活設(shè)施供熱；四是農(nóng)業(yè)用熱，如土壤加溫、果實(shí)催熟；五是提取其中的礦物原料；六是醫(yī)療保健，等等。

1 地?zé)崂脮?huì)產(chǎn)生哪些主要開發(fā)效應(yīng)

地球是個(gè)大熱庫，地?zé)豳Y源由于有這一熱庫強(qiáng)勁熱能的支撐，其資源可為人類提供足夠的熱量進(jìn)行發(fā)電和非電利用。眾所周知，由于地下熱儲(chǔ)質(zhì)量的不斷抽取，其動(dòng)態(tài)變化也一刻未停。隨著熱儲(chǔ)質(zhì)量的抽取量與補(bǔ)給量逆差的增大，熱儲(chǔ)質(zhì)量的虧損不可避免。熱田的性狀、地?zé)崃黧w的物理、化學(xué)條件以及自然環(huán)境等對(duì)熱田開發(fā)利用過程中導(dǎo)致質(zhì)量虧損所發(fā)生的種種反應(yīng)，統(tǒng)稱地?zé)崽锏拈_發(fā)效應(yīng)。

在開發(fā)過程中，必然造成地?zé)嵯到y(tǒng)壓力和流體流量下降，其下降的幅度取決于地下補(bǔ)給速率，而補(bǔ)給速率又是系統(tǒng)滲透性能的函數(shù)。壓力下降必然伴隨同一層位溫度的下降，雖然溫度下降趨勢和幅度不如壓力衰減那么明顯。熱儲(chǔ)質(zhì)量過量開采，還會(huì)導(dǎo)致熱田壓力衰減和地面的沉降。開采過程中熱儲(chǔ)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化是不均勻的，因此地面的形變也是不均勻的，這一不均勻的形變導(dǎo)致熱儲(chǔ)上覆地層遭受破壞，可能導(dǎo)致熱儲(chǔ)蓋層的破裂、局部塌陷或地表熱泄漏，甚至產(chǎn)生水熱爆炸等現(xiàn)象，并將危及地面建筑群和電站的安全。下面以西藏羊八井熱田在開發(fā)利用過程中所出現(xiàn)的開發(fā)效應(yīng)為例，探尋這一問題。

羊八井地?zé)崽锸俏覈ㄒ痪哂幸欢ㄒ?guī)模的地?zé)犭娬舅诘亍崽锏臏\層熱儲(chǔ)平均溫度為151 ℃，最高達(dá)172 ℃，總裝機(jī)25 MW。[1]隨著地?zé)岚l(fā)電量的逐年增加，熱儲(chǔ)質(zhì)量虧損和地面形變等開發(fā)效應(yīng)越來越明顯。探索和研究開發(fā)效應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展，對(duì)保證熱田正常開采與電廠的正常運(yùn)行十分重要。

1.1 淺層熱儲(chǔ)

羊八井目前發(fā)電所用地?zé)崃黧w是盆地基底之上第四紀(jì)覆蓋層中的熱水儲(chǔ)集層，第四紀(jì)地層的最大厚度只有312米，一般地?zé)嵘a(chǎn)井的深度僅有幾十米至三百米。過淺的開采層易受地表水干擾；過薄的松散蓋層，在開發(fā)過程中容易發(fā)生事故。由于流體的持續(xù)抽取，造成地下熱水水位下降，形成天然擴(kuò)容空間，致使擴(kuò)容空間的蒸汽壓力超過上覆薄層壓力，從而形成誘發(fā)水熱爆炸的可能。淺層熱儲(chǔ)的開采，易受地表和淺層地下冷水的干擾，不僅影響發(fā)電效率，而且也是導(dǎo)致地表變遷的直接原因。

1.2 質(zhì)量虧損

熱田自發(fā)電以來究竟消耗了多少地下流體，目前通過流體參數(shù)與發(fā)電總量間的換算，得出的抽取量大于35 000萬噸。參數(shù)的遞減，流體消耗量也隨之增大。羊八井地區(qū)屬半干旱大陸性氣候，年降水量小，蒸發(fā)量大，水的來源不豐富。即使熱田深部有足夠熱能補(bǔ)給，水的補(bǔ)給條件差，遠(yuǎn)不能滿足發(fā)電需要。由于熱田的補(bǔ)給條件差，質(zhì)量虧損大幅度上升，在沒有進(jìn)行生產(chǎn)回灌的情況下，流體消失，首先影響淺層熱儲(chǔ)及周圍地區(qū)水力平衡和壓力的分配，出現(xiàn)壓力衰減，同時(shí)導(dǎo)致潛水面下降以及蓋層含水量的減少，引起局部重力異常，出現(xiàn)地面沉降。而地面以上的地?zé)犸@示，也必然隨著流體的虧損而消失。

1.3 大氣污染

地?zé)崃黧w中含有各種成分的氣體，主要為二氧化氮、二氧化碳、硫化氫以及少量的甲烷、汞、鐳、硼等，其含量取決于各個(gè)熱田的地質(zhì)條件。流體中同樣也含有不同類型的化學(xué)組分。一般來講，如果廢氣排放的高度高出附近建筑群體的高度，則因廢氣濃度小，大氣污染將不會(huì)成為嚴(yán)重的問題。但是必須小心避免從蒸汽系統(tǒng)或熱水系統(tǒng)漏泄出來的氣體發(fā)生危險(xiǎn)性聚積所釀成的危害。

1.4 熱污染

西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電的尾水，水溫在沸點(diǎn)85 ℃～86 ℃，每天至少有4萬～5萬噸全部排放到藏布曲河，開發(fā)初期還能見到有燙死的魚浮在河面，現(xiàn)階段河的下游，魚兒早已無影無蹤。由于熱田的開發(fā)，鉆井工程縱橫交錯(cuò)鋪設(shè)的管道，生產(chǎn)過程中高溫蒸汽的排放，草甸生態(tài)環(huán)境受到破壞，使草甸植被受損、死亡，草場退化，草地荒漠化。藏身在草甸中的兔類等野生動(dòng)物也早已跑得無影無蹤。

1.5 化學(xué)污染

西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電的尾水排放，對(duì)河流造成一定的化學(xué)污染。尾水中含有一些有害元素，其中氟每升含量高達(dá)15.8 mg，砷每升含2.62 mg，明顯超標(biāo)。熱排水中氯化物每升含15.8 mg，砷和硫化物每升含1.3 mg，都超過農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 對(duì)策

2.1 地?zé)峄毓嗍琴Y源保護(hù)的有效措施

地?zé)峄毓嗍侵溉斯は虻叵聼醿?chǔ)層注入流體的工程和過程，也就是通過各種方法將已被利用過的地?zé)嵛菜虺氐叵滤?、地表水灌回?zé)醿?chǔ)中。理論和實(shí)踐都已證明，回灌是延長地?zé)崽飰勖?、增加可采熱能的最有效方法，如果沒有回灌，可開采的地?zé)崮苤挥泻苌僖徊糠?，除非地?zé)崽锏臐B透性很強(qiáng)，周邊又有大量冷水補(bǔ)給，方可長時(shí)持續(xù)開采利用地?zé)崮堋?/p>

2.1.1 地?zé)峄毓嗟哪康?/p>

一、減緩地?zé)嵛菜欧艑?duì)生態(tài)環(huán)境的影響。地?zé)嵛菜疁匾话愀哂诃h(huán)境溫度，通常含有大量的有害元素，而且礦化度較高，地?zé)嵛菜毓?，可減少由于直接排放可能對(duì)環(huán)境造成的熱污染和化學(xué)污染。二、改善或恢復(fù)熱儲(chǔ)產(chǎn)熱能力。地?zé)崽镏械牡責(zé)崮?，一部分?chǔ)存在其中的熱流體中，而絕大部分的熱能賦存于巖石骨架中，若將溫度較低的水注入熱儲(chǔ)層，經(jīng)過加熱之后，再抽取出來，可以有效地提高地?zé)豳Y源的再利用效率。三、保持熱儲(chǔ)儲(chǔ)層壓力。地?zé)崽餆醿?chǔ)不論是封閉式或開放式的，流體的補(bǔ)給能力是有限的，當(dāng)補(bǔ)給和開采失去平衡時(shí)，熱儲(chǔ)壓力會(huì)持續(xù)下降，致使熱田的生產(chǎn)能力降低，甚至喪失生產(chǎn)能力或引起地面沉降。回灌對(duì)于維持或恢復(fù)熱儲(chǔ)壓力，穩(wěn)定熱田開采條件，預(yù)防地面沉降具有十分重要的作用。

2.1.2 地?zé)峄毓嗟默F(xiàn)狀

西藏羊八井地?zé)犭娬救魸M負(fù)荷運(yùn)行，每天排放尾水多達(dá)5萬立方米，排放水溫高達(dá)80 ℃以上，同時(shí)所排放尾水含有大量對(duì)環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)。為消除尾水對(duì)附近河流的污染以及保護(hù)熱田的淺層熱儲(chǔ)，1985年和1986年分別利用一口廢舊生產(chǎn)井進(jìn)行兩次小型回灌試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行了12天，238小時(shí)，回灌尾水2.5萬噸，通過監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)周圍井有明顯的反應(yīng)。1986年又通過另外一口廢舊生產(chǎn)井進(jìn)行回灌試驗(yàn)，歷時(shí)38天，灌入13萬噸尾水，結(jié)果在各主要生產(chǎn)井中沒有測到回灌水中的K1和熒光黃鈉示蹤劑，各主要生產(chǎn)井的參數(shù)沒有明顯變化，也沒有引起工程地質(zhì)問題。[2]

以上兩次小型試驗(yàn)雖然都是在熱田中心進(jìn)行的，但短期內(nèi)并沒有在周圍的生產(chǎn)井中測到示蹤劑或引起生產(chǎn)參數(shù)的變化。分析原因有三：其一，羊八井熱田位于第四系湖泊與河流相沉積物中，與其他熱田有所不同。其二，對(duì)羊八井熱田系統(tǒng)回灌時(shí)間過短。其三，熱儲(chǔ)內(nèi)流體的流向很可能是朝向南東的，而該方位卻沒有生產(chǎn)井。

經(jīng)1985年～1986年的兩次小型回灌初試后，于1989年～1991年在熱田開展了一期工業(yè)生產(chǎn)性的回灌試驗(yàn)，也叫邊緣回灌。具體做法是在熱田南、北區(qū)邊緣地帶各打一口回灌井，單井回灌量要求在每小時(shí)200噸～250噸。單井回灌，群井觀測。試驗(yàn)結(jié)論如下：（1）井位的選擇、井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是比較成功的，單井最大回灌量每小時(shí)為280噸，超過設(shè)計(jì)值。（2）熱水邊緣回灌方案是合適的?；毓喽唐趦?nèi)對(duì)熱田生產(chǎn)并沒有帶來任何明顯的影響。（3）熱尾水的回灌不僅可以消除污染，保護(hù)環(huán)境，還可以減小地面沉降的幅度，緩解熱田壓力的下降速率。（4）將發(fā)電后排放的大量尾水進(jìn)行生產(chǎn)性的回灌到地下，在技術(shù)上可行，且社會(huì)效益重大。

2.1.3 回灌存在的重要問題

把溫度較低的水灌入熱儲(chǔ)中去是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)。如果回灌井的位置不當(dāng)，可能會(huì)引起開采井被快速冷卻，降低開采井的溫度或產(chǎn)汽量；如果采用的回灌工藝存在問題，則回灌井的回灌能力將可能逐漸降低，甚至最后喪失了回灌能力。為了研究回灌的效果，需要進(jìn)行示蹤試驗(yàn)，查明回灌井和開采井之間內(nèi)在的聯(lián)系，最常用的方法就是示蹤劑法。

2.1.3.1 回灌和示蹤劑試驗(yàn)

將大量的水灌入熱儲(chǔ)中，會(huì)改變熱儲(chǔ)的狀態(tài)，甚至出現(xiàn)地?zé)崃黧w參數(shù)的下降，有時(shí)影響范圍可以涉及很大的距離和面積。回灌的影響從回灌點(diǎn)開始就以不同形式向外擴(kuò)展，導(dǎo)致向外擴(kuò)展最主要的是壓力傳導(dǎo)、流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和熱傳導(dǎo)。在三者中，壓力傳導(dǎo)界面的運(yùn)移速度最快，因?yàn)樗橇黧w分子能量的傳遞，其影響可能幾天、幾小時(shí)甚至是幾分鐘之后就能到達(dá)開采井?；瘜W(xué)界面的運(yùn)移要慢于壓力傳導(dǎo)，因?yàn)樗腔毓嗟奈镔|(zhì)分子的實(shí)際運(yùn)移，一般需要幾星期或幾天才能到達(dá)開采井。溫度界面的運(yùn)移是最慢的，因?yàn)榛毓嗨谄溥\(yùn)移過程中會(huì)被逐漸加熱。

在回灌工程設(shè)計(jì)中，非常重要的一點(diǎn)就是避免因回灌水過快的到達(dá)開采井而導(dǎo)致開采井的溫度下降。反之，如果將回灌井與開采井之間過于拉大距離，則不能起到保持熱儲(chǔ)壓力，穩(wěn)定地?zé)崽锷a(chǎn)能力的作用。對(duì)于回灌井的選擇，目前仍沒有一個(gè)可以廣泛接受的規(guī)律。因此，在生產(chǎn)性回灌之前必須進(jìn)行回灌試驗(yàn)，并在回灌試驗(yàn)過程中進(jìn)行示蹤劑試驗(yàn)，以研究回灌水在熱儲(chǔ)中運(yùn)移的規(guī)律，研究回灌對(duì)于穩(wěn)定熱儲(chǔ)壓力和改善熱田生產(chǎn)技術(shù)條件方面的作用以及研究合理的回灌量和運(yùn)行方式。

2.1.3.2 回灌堵塞問題

地?zé)峄毓噙^程中，經(jīng)常遇到的另一個(gè)難題是由于回灌系統(tǒng)的堵塞形成越灌越少，甚至灌而不下。堵塞的原因包括物理的和化學(xué)的因素，物理堵塞主要系指由于水中含有的是懸浮物顆粒，在回灌壓力作用下，附著于回灌井的井壁或進(jìn)入熱儲(chǔ)層的裂隙后而影響回灌能力。此外，回灌水中的氣泡也可能影響回灌的速度。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，可以采取過濾方法除去水中的懸浮物之后再進(jìn)行回灌。化學(xué)堵塞主要系指由于物理化學(xué)狀態(tài)的改變或回灌水與地?zé)崴g產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)沉淀，從而降低井的回灌能力。在高溫地?zé)崽?，二氧化硅結(jié)垢是回灌過程中最敏感的問題。在熱儲(chǔ)層的條件下，地?zé)崃黧w與巖石是處于平衡狀態(tài)，經(jīng)過發(fā)電、汽化分離后地?zé)崃黧w中的二氧化硅含量提高，而且溫度的變化會(huì)使二氧化硅從流體中沉淀出來。一般的中低溫?zé)崽铮饕a(chǎn)生的是碳酸鈣等的沉淀。因此，在設(shè)計(jì)回灌系統(tǒng)時(shí)合理的回灌水溫度和工作壓力的研究和選定，是避免產(chǎn)生化學(xué)沉淀的因素之一。當(dāng)然回灌系統(tǒng)的密封性也應(yīng)重視，因?yàn)榛毓嗨吆康幕瘜W(xué)組分與空氣接觸很容易形成化學(xué)沉淀。

2.2 地?zé)釤岜檬歉咝Ч?jié)能的佼佼者

保護(hù)地?zé)豳Y源的另一項(xiàng)重要措施就是通過熱泵技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。熱泵是熱能利用中的節(jié)能技術(shù)之一，其特點(diǎn)是通過消耗一定的能量，從低溫?zé)嵩粗形找徊糠譄崃浚玫礁叩目晒├玫臒崮?，從而提高地?zé)釤崮芾寐省Ｄ壳拔覈責(zé)嶂苯永冒l(fā)展現(xiàn)狀是采暖方面應(yīng)用的最多。大多數(shù)地?zé)岵膳脩糁?，只利用?0 ℃以上相對(duì)高位熱能，對(duì)于50 ℃以下的低位熱能，除小部分供生活用水外，多數(shù)未加利用就排放了。地?zé)釤岜眉夹g(shù)正是可以吸收這部分低位熱能，再次利用將排放的尾水中的余熱，使其水溫降低10 ℃以下，同時(shí)生產(chǎn)出65 ℃～75 ℃采暖熱水，從而兩次利用，提高利用率。

我國的低溫余熱資源豐富，據(jù)有關(guān)資料介紹，各行業(yè)余熱資源大約占燃料消耗量的17%～67%，其中可回收利用的約占余熱資源總數(shù)的60%。諸如化工行業(yè)有大量的低溫?zé)崮苜Y源被排放。此外，隨著我國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同樣有大量的低溫?zé)崮苜Y源被排放掉。如此可貴的余熱資源，若能利用熱泵機(jī)組吸收其余熱，可以大大提高資源利用率，改善社會(huì)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、節(jié)省常規(guī)能源、保護(hù)環(huán)境等。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊期隆，辛奎德.西藏羊八井地?zé)崽锖喗閇J].地質(zhì)評(píng)論，1991（3）.

[2]劉時(shí)彬.地?zé)豳Y源及其開發(fā)利用和保護(hù)[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2005，240.

作者簡介：段景春（1966-），男，本科，講師，研究方向：自然地理。