杨旭东 曹福祥
（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，每天由地球内部向地表传递的热量相当于全人类一天使用能量的2.45倍。特别在当今人们日益关注全球气候变化、环境污染问题和社会的可持续发展的形势下，随着地源热泵技术的日臻成熟，低温低焓浅层地热能作为一种可再生的清洁能源而备受关注。作为其开发利用的技术支撑勘查技术亟待解决，本文仅就有关问题及经验进行探讨。
1 浅层地热能开发现状
地球是一个巨大的能源库，进入地球内部越深，温度就越高。每天由地球内部向地表传递的热量相当于全人类一天使用能量的2.45倍。这种储存在地球内部的能量其实比化石燃料丰富，特别在当今人们日益关注全球气候变化、环境污染问题和社会的可持续发展的形势下，地热能作为一种可再生的清洁能源而备受关注。
浅层地热能是地热能源的一部分，地层恒温带至地表以下200m以内具备开发利用价值的地热能，一般温度在15℃左右。其开发利用与地源热泵技术的发展是分不开的。
1.1 国外应用现状
1912年，瑞士Zoelly首次提出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。至1948年，Zoelly的专利技术才真正引起人们普遍关注，尤其在美国和欧洲各国开始重视此项技术的理论研究。1974年以来，随着能源危机和环境问题的日益严重，人们更加重视以低温地热能为能源的地热泵系统的研究。
美国地源热泵应用的力度最大，1990年、1995年和2000年地热直接利用中，地源热泵占很大比例，约为59%，而且发展很稳定，平均年增长7.7%左右。1997年已安装12kW地源热泵4万台，2000年达40万台左右，预计2010年总装机量可达到150万台。目前地源热泵在美国应用最多的还是学校和办公楼，大约有600多所学校安装了地源热泵，主要集中在中西部和南部地区。
欧洲的地源热泵应用主要集中在中北欧国家，如瑞典、奥地利、瑞士、德国等。20世纪50年代地源热泵的利用曾出现过一次高潮，由于价格高，没有进一步发展。石油危机后，欧洲一些国家先后组织了五次大型的地源热泵专题国际学术会议，对三十多个地源热泵项目进行了研究。与美国情况不同，欧洲主要利用浅层地热资源，采用地下土壤中埋盘管（埋深小于400m）的地源热泵，主要用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年统计，家用的供暖设备中，地源热泵所占比例瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%，比1996年以前有明显提高。
1.2 国内应用现状
我国具有较好的热泵科研成果与应用基础，早在20世纪50年代天津大学开展了我国热泵的研究。20世纪80年代末以后，国内各大院校开始了研究地源热泵的热潮，在2001年宁波召开的全国热泵和空调技术交流会和2002年在北京召开的国际热泵会议上，国内外有关人士开始关注中国这个很有发展潜力的大市场。近几年来，国内加强了地源热泵的应用研究力度，自行研究和生产地源热泵机组的厂家已达十几家，如山东的富尔达、北京的中科能、沈阳的东宇等。另外，一些国外知名公司在国内也设立了销售部门，并在北京、天津、广州、重庆、山东、河南、湖南、辽宁、西安、黑龙江及河北建立了工程。目前我国已有100多个地源热泵工程，供热/空调面积达100万m2。这些工程几乎都是以地下水作为热源的水源热泵系统。地下埋管的地源热泵系统，仅在山东、天津、湖南、河北及吉林等地有示范工程，并取得了初步效果。
2 浅层地热能开发水文地质分类
根据浅层地热能利用含水层介质类型、特征及埋藏分布情况等进行浅层地热能水文地质类型的划分。结合已有的相关勘查规范基本可将地热能开发水文地质类型分为4类16型。4类为孔隙水类、岩溶水类、裂隙水类、特殊水类。各类分型以及需要查明的水文地质问题详见表1。
表1 水源地水文地质勘查类型及应查明的主要水文地质问题
续表
3 浅层地热能勘查技术
在浅层地热能勘查过程中，一方面继承和发展着传统的水文地质勘察方法，同时不断地把新理论、新技术和新方法及时应用于浅层地热能勘查之中。从卫星图像、航空相片的航测到地球化学、地球物理勘查，再到地质钻探，已形成了从天空到地表再到地下的全方位立体勘查体系，达到了经济发展，地质先行的战略要求。浅层地热能勘查应遵循如下最优化原则：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 资料收集
在任何勘查进行之前，首先要尽可能地收集、整理和分析该地区的地质、水文地质、物化探等资料。收集资料时要注意以下四点：
（1）查阅的范围尽量大些，包括一个完整的地质构造单元及其相邻地区；
（2）要重视岩体和地质构造资料的收集；
（3）对低温传导为主的地热田，重要的是凹陷中的凸起，要重视物化探资料的收集；
（4）要重视温度资料的收集，尽可能收集温泉的位置、温度、水量等资料。在覆盖地区主要找钻孔抽水时的实测温度资料。
3.2 地质及水文地质调查
地质调查的目的是了解浅层地热能地质背景，要查明地热田的地层时代、岩性特征、岩浆岩的时代、分布范围、地质构造特征以及地下水的补给、径流和排泄条件等，以便为下一步的浅层地热能勘探工作提供依据。地质调查时应注意以下几个问题。
（1）浅层地热能开发区的构造控制。从对已知的井、泉调查来看，其出露位置多数是在近代还有较强活动的构造复合位置上；或是大断裂和由它引起的次一级断裂相交的地方；或是在张性、张扭性的断裂及节理处等，因为这些地方岩石比较破碎，常常也是地下水在其中运动和深部水上涌的有利场所。
（2）在调查区域断层剖面时，要重点描述孔隙透水层和不透水层，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。通过对围岩蚀变和裂隙中矿物沉积的现象，可以帮助寻找那些埋藏在深部、地表无地热显示的热异常区，还可以指出进一步勘查的方向。
（3）水文地质方面应对地表出露的冷泉水或冷水井逐个进行温度、水量和pH值的野外测定，描述冷泉出露的地质和构造条件，选取水样做化学和同位素（氚）等测定。对区内经过的河流、小溪也要测量流量和水温，应将一些主要河流分段测量，测出进热区前、中间和出热区后的水温并取水样，以确定地表水体与地热水之间的补给排泄关系。在冲积扇发育地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 地面物探勘查技术
地面物探勘查的具体任务是：确定含水层上覆盖层的厚度，地层和岩性分界面及形态；确定断裂的位置与产状；了解岩溶发育位置、规模和形态特征；查明地下水赋存空间和径流通道的连通性；查明地下水埋深、流速、流向及含水层深度、含水量等。地下水勘查常用的方法以直流电法和电磁法为主，具体包括：自然电场法、充电法、直流电阻率法、激发极化法、音频大地电场法、高密度电阻率法、地质雷达、频率域电磁测深法（EH－4电导率成像系统）、瞬变电磁法和核磁共振法等，各种方法有其自身的技术特点，因而有其不同的适用范围。
自然电场法和充电法常用来确定地下水流向、流速，核磁共振技术可直接探测含水层位置、水量及其渗透率，这是浅层地热能地下水勘查物探技术要解决的共性问题。针对不同类型地下水的赋存条件和物探方法的技术特点，如何建立合理、有效的物探勘查技术，是地面物探勘查要解决的首要问题。
3.3.1 松散层孔隙水
物探勘查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。浅层孔隙水勘查技术国内外均已较成熟，一般情况下采用直流电测深法或激电测深法较为适宜，成本低、方法简单而普及，视电阻率参数可确定含水层结构和地下水矿化度，激电参数用于了解富水性。但有的地区常规电阻率法工作难度较大，如沙漠区地表极为干燥，电极接地电阻较大，供电困难；对于浅部高矿化度地区，电阻率偏低，导致供电电流过大，需大功率供电设备，且测量电压信号小，影响观测精度；部分地区地形条件不利，不易开展工作。此时可选择电磁测深法，如频率域电磁测深法（EH-4电导率成像系统），其观测系统输入阻抗较高，易于开展工作，效率高；瞬变电磁法可采用磁源激励回线，不涉及接地问题。对于水文地质条件复杂的地区，在其它物探工作基础上，选择重点区采用Numis核磁共振技术确定含水层的深度、厚度、给水度及水量等多个参数，在西北黄土塬区应用效果明显，但该方法成本高，效率较低。
3.3.2 碎屑岩类裂隙水
其赋存介质主要为中生代盆地沉积的一套巨厚的侏罗、白垩系河湖相砂泥岩。地下水类型包括风化带网状裂隙水、浅层承压裂隙水。
碎屑岩风化带网状裂隙水物探勘查的目的一是确定风化壳底界埋深，二是了解风化裂隙发育程度及其富水性。由于勘探深度小于50m，选择具有高分辨率的高密度电阻率法较为适宜。
浅层裂隙承压水是指碎屑岩类大片泥岩所夹一定厚度砂岩层的层间裂隙水，由于不同类型胶结方式的砂岩体孔隙渗透很低，砂岩层以裂隙含水为主。物探勘查的目的是了解砂层厚度，虽然模型较为简单，由于含水砂岩层厚度的限制，导致物探勘查难度较大。目前频率域电磁测深法是较为可行的手段。
3.3.3 碳酸盐岩岩溶水
岩溶区地下水按赋存介质不同，分为表层带岩溶水、岩溶溶洞水、岩溶管道水、构造裂隙岩溶水和埋藏型岩溶水。它们既独存在又互相交错，构成复杂的岩溶地下水系统。
（1）表层带岩溶水。物探勘查的主要目的是了解覆盖层厚度，基岩的起伏形态，溶洞、溶槽等发育情况。探测对象的地球物理特征是呈低阻反映，与围岩接触界面两侧波阻抗有一定差异。由于探测深度一般小于30m，异常体规模较小，要求物探手段具有较高的分辨能力，因此，可选择的方法有高密度电阻率法和探地雷达。
（2）岩溶溶洞水。岩溶溶洞水发育于质纯厚度大的灰岩、白云岩中，以面状或似层状分布。由于溶洞、溶孔、溶隙含水，因而表现为低阻特征。物探找水首先采用剖面类方法如联合剖面法、音频大地电场法确定溶洞、溶隙发育区的平面位置，然后利用电磁类测深方法了解岩溶发育带的空间分布特征，尤以瞬变电磁测深法反映异常更加明显。
（3）岩溶管道水。岩溶管道水亦即地下暗河，是西南碳酸盐岩区最典型的地下水类型。由于岩溶区地表水与地下水转化频繁，地下水空间分布极不均匀，纵向上具有双层或多层结构；同时受地层、构造和岩溶地貌的控制，岩溶水文地质系统具有小型、分散的特点。岩溶管道水的地质—地球物理模型较多简单，同围岩相比，其电性、弹性参数特征变化明显，但受其规模和埋深条件的限制物探找水难度较大，目前尚未有切实有效的技术方法。对于埋深小于100m的岩溶管道水，物探勘查方法可选择探地雷达、EH－4电导率成像系统、瞬变电磁法。探地雷达在其有效勘探范围内可直观反映异常体分布形态；EH 4系统能够反映地下裂隙、岩溶发育情况，但当地表不均匀时易产生静态效应，甚至无法做出合理的解释；瞬变电磁法观测纯二次场，对探测高阻围岩中的低阻异常效果较好。各种方法可以从不同侧面反映异常体形态特征，从而可查明地下岩溶管道分布情况。当岩溶管道水埋深大于100m时，找水难度较大，目前可利用的方法有瞬变电磁法，但应用程度尚不成熟，还需进一步试验、研究。
（4）构造裂隙岩溶水。该类地下水受构造裂隙带控制，物探找水的主要目的是查明构造裂隙带的分布特征及其富水性。有关断层带裂隙水物探勘查技术，在20世纪80年代已经成熟，最经济有效的方法组合是采用音频大地电场法和激电测深法。音频大地电场法可快速确定构造带的平面位置，而激电测深法的视电阻率、极化率和半衰时等综合参数可以了解断层之破碎、裂隙发育富水段。当受地形条件限制时，激电测深法难以开展工作，可采用EH-4电导率成像系统了解构造裂隙带的空间分布特征及其富水性。当覆盖层厚度大于30m时，音频大地电场法异常强度较弱，应选择联合剖面法确定构造带的平面位置。
（5）埋藏型岩溶水。深埋岩溶水物探勘查的目的是了解灰岩界面埋深和岩溶发育情况。灰岩与上覆地层间电性特征、弹性参数差异较大，岩溶发育受深部构造控制，呈低阻反映且弹性参数不连续。地震技术可较为准确了解灰岩界面埋深和断层空间分布特征；电磁测深法以反映地层结构、岩溶发育程度为主；直流电测深主要用于普查阶段。目前，几种方法的有效配合在宁南深埋岩溶水勘查中取得了新进展。
深埋岩溶水地球物理勘查技术面临的几个问题是：地下水水位埋藏较深且变化大，水位埋深的确定仍有难度；深埋的古生界碳酸盐岩溶地下水受构造控制，分布不均匀，难以确定地下水矿化度，其实，浅层构造裂隙水勘查也存在类似的问题；当灰岩上覆碎屑岩时，了解岩溶的发育程度有一定的困难。
深埋岩溶水地球物理勘查技术面临的几个问题是：地下水水位埋藏较深且变化大，水位埋深的确定仍有难度；深埋的古生界碳酸盐岩溶地下水受构造控制，分布不均匀，难以确定地下水矿化度，其实，浅层构造裂隙水勘查也存在类似的问题；当灰岩上覆碎屑岩时，对岩溶发育程度的认识有一定的困难。
3.3.4 基岩构造裂隙水
该类地下水赋存介质为火成岩或前震旦变质岩，基岩裸露或盖层较薄，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裂隙带中。
物探勘查技术与碳酸盐岩构造裂隙岩溶水类同。对于勘查难度较大的地区，核磁共振技术可用来区分断层泥或富水程度。
3.4 钻探法
钻探法是一种投资大、风险高，但在浅层地热能勘查和评价中不可缺少的重要方法，也是查明浅层地热能分布和储存条件的基本手段，是浅层地热能勘查的重要环节。钻探主要应用于浅层地热能详查和勘探阶段，其目的是验证过去工作所圈定的范围是否正确，并查明地下水的埋藏条件、运动规律、水温、水量、水位水质等水文地质情况。目前我国钻探施工技术日臻成熟。
4 浅层地热能开发成井工艺
在浅层地热能钻井施工中，钻井是基础，完井是关键，二者统一于施工的全过程。钻井到达目的层并不意味着热源井的完成，完井工艺的优劣决定地热井的好坏。
4.1 完井工艺流程选择
根据井身结构的不同，目的层的层位决定了完井的施工工艺，按目前施工的热源井基本分为两大类型，一种是松散地层，即第四系地层、风化层及断层破碎带；一种为基岩目的层热源井，如奥陶系、寒武系、青白口系、蓟县系的雾迷山组。由于目的层不同完井工艺也不一样。
4.1.1 松散地层完井工艺
松散地层完井都要下过滤器，所以完井工艺比较复杂，基本工艺如下：
钻井结束→换浆→物探测井→通井→破壁→换浆→下管→止水→填砾→洗井→抽水试验（获取水文地质资料）→交井。
钻井结束后，为了保证测井工作的顺利完成，要进行换浆，将井下泥浆的性能进行调整（但要保证井壁的稳定），调整的项目主要是黏度、密度、含砂量等指标，目的是为了保证测井工作的顺利完成。测井工作要依据地质设计的技术要求逐项进行测试，依据测井解释资料以及录井的实际资料，来决定滤水管的下入深度和缠丝间距以及止水的位置。测井工作结束后，要再次下钻通井，并同时下入破裂器，进行破壁，待通井并破壁后再下入过滤器。
在滤水管顶部20～30m进行水泥固井，将滤水管上部地层全部用水泥封固，封固长度应不少于300m。在泵室和井管重叠部位要进行固井，将其环空部位用水泥封固，保证在试压3～4MPa稳定20分钟后，才能保证其环空部位的封固质量。在各层滤水管需要止水的部位加装5mm厚的橡皮兜进行止水，橡皮兜数量每层不少于2个。
下管工作结束后，下入钻具带喷嘴，在滤水管部位上下冲洗，冲洗压力在5MPa即可，冲洗时间不低于4h。然后提出喷嘴，下入钻具连接压风机进行气水混合洗井，水清砂净后，将钻具提至泵室内再次进行气水混合洗井。最后根据洗井的水位降深再下入潜水泵进行正式抽水，测出该井的实际出水量、动静水位及降深。根据地质设计要求做抽水试验，经建设方、施工方、监理方三方验收后交井完成地热井的全部施工。
4.1.2 基岩热源井的完井工艺
基岩热源井完井基本是裸眼完井，完井工艺相对较简单。按设计的井深结构和深度完井后进行换浆工作将井内泥浆换止20s以下，即可进行测井。测井工作结束后，将钻具下至目的层底部进行气水混合洗井，水清砂净后，下入深井泵进行抽水，测出该井的实际出水量及水位和单位涌水量后，进行交井工作。
4.2 完井后的探孔
无论是哪类热源井，全部工作结束后，都要进行探孔工作。松散层热源井探井后，沉淀管内的沉砂不能超过沉淀管的1/3，如大于1/3应将沉淀管内砂子捞出。松散层热源井最下部的沉淀管不应少于20m。
基岩热源井完井后探孔要求：井底沉淀物不能超过含水层（目的层）的长度的1%，如达不到上述标准，应重新进行排砂工作直至满足要求后交井。
4.3 酸化洗井
在基岩热源井施工中，如目的层裂隙较小或岩屑堵塞出水道，应采用酸化压裂办法进行处理。
在热源井施工中酸化采用的盐酸浓度与地层的岩屑进行采样做室内试验，来决定酸化的盐酸的浓度。一般应采用的浓度为15%～18%。
酸化压裂的办法：先向井内注入裸眼段容积的盐酸，然后下入封隔器（封隔器的尺寸要能封闭上部套管）进行压裂。根据井深不同采用的压力不同。压力最小也不能小于15MPa，这样压力才能使酸化的效果较好。
5 浅层地热能开发存在问题
浅层地热能（包括地下水、土壤或地表水）借助地源热泵技术既可供热又可制冷的高效节能空调系统，以其独有的优点，近几年在国内得到迅速发展。随着我国能源结构政策的调整，我国以燃煤锅炉采暖和空气源热泵供冷的传统形式会被更加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，具有节能和环保的双重效益，它必将成为21世纪最普遍最有效的供热供冷技术。
但从总体上看，中国地源热泵的发展还不够规范，基础研究上还有待进一步完善，相关专业标准有待制定，行业之间缺少必要的合作交流，这些因素都或多或少影响着这项技术的推广。
我国浅层地热能勘查开发方面主要存在的问题有国家对全国浅层地热能的统一管理工作薄弱；全国地热资源勘查评价程度偏低；地热资源开发利用水平低；地热资源勘查开发技术研究有待加强；一些地区热源井过于集中、开采过量等。另外，地热能开发所引起的环境问题也相继出现，主要表现在热源尾水除极少量回灌以外，大部分则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，从水质和温度上要确保排放时不会污染周围的水体、土壤或引起热污染等。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。
利用管井灌采地下水还存在以下问题：①采灌井的井身结构不合理，大多数采灌井仍沿用开采井的单滤水管的结构，有的井身管材采用水泥管，影响井的寿命。②采灌井的地面装置不科学，井口及泵管系统均没有密封，回灌过程易造成气相堵塞，时间长会使管井报废。③大部分地区的采灌对井，或采或灌只有单一性能，冬、夏两季长期如此，会使单纯的回灌井形成物理和生物化学堵塞，导致造成回灌井报废。④合理利用地下水资源。取用合宜的地下水，必须再次回灌地下，严格控制回灌水质，杜绝水资源的浪费或污染。⑤地下水源热泵冷热水机组的合理设计与选用，提高能源效率。
6 建议及对策
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度环保更赢得了世界的青睐，因此，热泵技术和产业正在全世界得到快速发展。我国也已具备相应的发展条件，发展前景非常看好。
（1）注意非地热异常区的地热资源勘查与开发，拓宽了地热资源开发利用的范围。地热资源分布面广，在深部有强渗透储层分布的条件下，按地热增温率计算，在一定深度内都有可能获得所期望的地热资源，随着勘探技术的进步，目前钻3000～4000m的地热深井已不是难题，这就使地热资源的开发有了新的思路，不局限在地热异常区或分布在较浅的部位，尤其是在一些大型沉积盆地区和有经济基础的城镇，开始了进行地热资源开发的探索，有的已取得了成功，如石家庄、鹤壁等地。
（2）油田地区地热资源开发受到了普遍的关注。沉积盆地的油田地区实际上也是地热资源广泛分布的地区，相当一部分有水无油的石油勘探井可以改造为地热开采井，油田开采后期水多油气少，转为以开采地热资源为主，可同时开发地热和剩余油气资源，对油田地区的经济发展和产业调整十分有益，这点已引起了石油界同行普遍关注，并已在华北、华东、大庆等地进行了试点，取得了很好的效果。
（3）重视地热资源的综合利用与梯级利用，提高地热资源的利用率和经济效益。对地热资源的开发利用已由初期的一次性利用向综合与梯级利用方向转化，用于供热采暖的地热水往往采取先采暖后供热和环境用水或依据建筑物对温度的不同要求实行梯级采暖，或利用热泵技术将一次采暖后的尾水，利用热泵进行热能转换作二次利用等方式，提高了地热资源的利用率和技术含量。地热资源在用于农业温室种植方面，也在考虑利用不同作物对温度要求的不同，实行温度的梯级合理配置，如北京小汤山地区的现代农业园。
（4）重视采灌结合，维持地热资源的可持续利用。在一些早期开发地热的地区，如北京、天津、福州、西安等地，地热水水头已有较明显的下降，在一定程度上影响到资源的进一步开发和持续利用，联系国内外开发地热的经验，地热回灌已成为维持地热资源可持续利用和提高热田地热资源采取率的共识，这些地区早期开发地热资源的地区，除了开采回灌试验研究外，已将采灌结合列入了对热田进一步开采的重要管理内容。
（5）推进规模化开发，使地热资源的配置趋于合理，提高开发利用的整体经济效益。这是与地热资源的特点、采灌结合开采方式的需要、经济规模化和大型化的发展形势分不开的。随着经济发展大型企业的涌现和地热采灌结合的实施，实际将限制小型的只采不灌的单位对地热资源的开发，而鼓励资源条件好、有经济条件实行规模化开采并可实行采灌结合的单位开发地热资源，这将是一个必然的趋势。
（6）制定统一开发规划，实行统一开发。开发地热是以开发其以水为载体的地热流体资源或地热水资源，由于其流动特性，在同一热田或在分布广泛的同一热储层内开采地热水资源时，开采井之间的相互干扰是不可避免的，为了合理开发与保护地热资源，减少以致避免盲目开采问题，应在查清可采地热资源条件下，制定统一的开发规划，实行统一开发和管理。对此，早期开发地热资源的北京、天津、福州等地已注意到了这个问题，较早制定了地区的地热资源开发规划，推进对地热资源的有序开发。
（7）地热开地利用中控制技术的应用。主要是对地热开采井产量、水量配置、地热尾水的排放温度按供求的实际需要进行控制；对地热水井产量、井内水位（头）变化、水温等实行自动监测传输等。在北京、天津等地新开发地热资源的单位应用自控技术已较普遍。
（8）强化管理。加强行政立法、制定相关的技术标准，对地热的开发利用实行规范化管理和法制管理。