1.4　地热资源分类

地热资源可按White和Williams 1975年提出的如表1-6所示的模式分类。

为了准确地描述地热资源，就要采用一个简单的地质模型。但是，并不是所有地质学家提出的模型在各项细节上都完全一致。本节将着重介绍主要的几种地热资源类型。

1.4.1　对流型高温水热资源

对流型水热资源是指地球内部的热量通过由自然产生的热水或蒸汽形成的对流循环带到地表的地热资源。某些高温水热资源推测是由于遇到温度在593～1093℃间的熔融状岩浆或刚固化的岩浆侵入而形成；另一些水热资源则是由于水通过裂隙进行深部循环所致，在那里即使没有侵入的岩浆温度也很高，水经加热和在浮力作用下上升到地表。

（1）蒸汽为主型地热资源（高温地热资源）

图1-6所示为一个水热系统的概念模型，由于该系统中蒸汽是处于压力控制下的流体状态，所以称其为蒸汽为主型地热系统（White等，1971）。

热水通过深部对流将热量带到能发生沸腾的水位。热水沸腾时吸收蒸发潜热致使周围的岩石和水冷却，从而使更多的热量从深部上升到地表。蒸汽沿裂隙上升时有可能被周围的热岩石加热至过热。在系统的顶部和四周，由于蒸汽冷凝热量受损，冷凝水又流到下面重新受热汽化。在热储内充满蒸汽的部分，由于蒸汽的快速流动，温度几乎保持不变。如果一个开放的裂隙贯通到地表，蒸汽就会喷出或把浅部地下水加热至沸腾。热储内的压力受汽相控制，并随深度增加缓慢地增加。由于周围岩石中多数含有静水压下的地下水，因此热储中的蒸汽和周围岩石中的水存在着一个大的水平压力差。这就是为什么周围的水不会流入并充满热储的原因。

美国加利福尼亚州的盖瑟斯（Geysers）地热区就是这种蒸汽为主型地热资源的例证。其他如意大利的拉得瑞罗（Lardarello）、蒙特阿米亚特（Monte Amiata）和日本的松川（Matsukawa）也属这类资源。它的形成一般是与火山或岩浆活动有关，有强大的热源补给，但地下水的补给相对却较弱。到目前为止，我国尚未发现这类地热资源。

（2）水为主型地热系统（高温地热资源）

图1-7为一个高温热水为主型地热系统模型（White等，1971；Mahon等，1980；Henley，1983；Norten，1984）。热源可能是岩浆或是最近几万年才凝固的位于3～10km深处的岩石。地下水在开放裂隙中向下循环并将深部热岩石的热量带上来。快速的对流使体积很大的热储温度一致。在有些地方会出现沸腾和水、汽共存的两相区，但是压力由水控制。补给产生在边缘地区。要发现这种资源，有地表显示的，如热泉、喷气孔、钙沉积物、化学蚀变等，寻找就比较容易；有的地表没有任何显示，这时就要应用复杂的地质、地球物理、地球化学和水文学的方法加以勘探确定。

研究表明，这类系统的水和蒸汽大部分来自大气降水，只有很小的一部分水来自深部的侵入岩。也有少数系统的流体来自海水或原生的卤水。当流体流过热储中的岩石时，流体和岩石的成分都因原有矿物质的溶解和随后矿物质的析出而改变。

对于水热型热储，热储岩石的孔隙率决定了可用的流体总量，而热储的渗透率则决定了可生产的热流体数量。由于热储的孔隙率和渗透率在不同地点有不同的值，所以要获得大量的热水就必须先弄清热储的孔隙率和渗透率。不同裂隙或断层交叉的地方或裂隙渗透性较好的岩石交错的地方，特别有可能获得大量的热水。一眼井的寿命取决于生产区与整个热储内孔隙率的网络连接程度。如果生产区的渗透率很差，那么局部的开放空间就会很快地耗尽，流体的产量就要下降。如果地热井贯穿一个完整的地质构造，例如主要的断层或裂隙，那么井周围的局部生产体积将得到不断补给，流体产量就可以维持多年。

1.4.2　中低温地热资源

中低温地热资源在自然界有广泛分布，它比较适合直接利用，有资源丰富、小型分散、投资少、见效快的特点。

由中低温地热资源形成的地热系统有两类：水热对流型地热系统和传导型地热系统。

（1）水热对流型地热系统

水热对流型的中低温地热系统通常出现在活跃的地质断层、褶皱地带以及热流值超过正常值的地区。多数这类地区都因有温泉出露而被人知道，有的还名声远扬，获益不少，但是却并不知道它的范围有多大。图1-8所示为一个中低温对流型地热系统的概念性示意图。

正常的或偏高的区域热流从底部供热，大气降水在补给区地形高点通过断层或断裂破碎带向下渗透后进行深循环（H为循环深度）。地下水在径流过程中不断吸取围岩热量成为温度不等的热水，在适当部位（一般为两组断裂交汇处）露出地表形成温泉或热泉。地下水在从补给区到排泄区的受迫对流过程中即形成一个环流系统。多数发育在诸如花岗岩体等结晶基岩中的这类系统，一般没有松散沉积盖层或盖层极薄，不起隔热保温作用。

图1-9所示为水热对流系统的几种模型。图1-9（a）为在同一条断层或断裂破碎带中进行纵向对流的地热系统，并在同一条带上出露几个或一系列温泉。这种简单的模型代表了许多与断层有关的地热系统基本原理，它们只是在一些细节上有所区别。

图1-9（b）为在系统底部有一渗透性较好的热储层，在补给区沿断裂破碎带下渗的地下水，在热储层中侧向水平流至盆地的另一侧并同时被加热，然后沿断裂上升至地表形成温泉或热泉。这类地热系统多见于小型山间断陷盆地。

图1-9（c）表示水渗入山岩中的一个含水层，并流入深处被加热，褶皱岩石层把渗透含水层移到接近地表的另一位置，热流体通过沟槽向上流到钻井够得着的地方，也可能涌出地表成温泉。

图1-10为自然界出现的其他几种模型。图1-10（a）为具有侧向渗漏层的中低温对流型地热系统。热水沿断层区向上流动，在到达地表前有很大部分侧向渗漏，其余到达地表的就形成温泉。这部分侧向渗漏的流体流至浅部的孔隙或孔隙—裂隙含水层中。这类侧向流的地热系统在自然界最为常见。在某些地方，也可能没有这类系统的地表显示，整个上涌的热流体都在中途横向流入含水层。在另一些地方，地表显示距断层有一定距离，由于透水地层或接触带在那里达到地表，所以地表显示离开了断层。地热水与近地表地下水的混合，会使水温低于地下断层附近含水层的水温。

图1-10（b）为盆地构造模型，水沿以盆地为界的断层下沉，在侧向流动时被加热。热流体在盆地基岩中受浮升力的作用而被带到近地表处，从而限制了热流体的水平流动。

图1-10（c）表示热流体沿一个基岩隆起断裂上升，然后在基岩隆起的上部边缘沿裂隙侧向流动。此时，热流体可能被冷却下沉，也可能在基岩隆起边缘处很不坚固的盆地中继续侧向流动。

上述各种中低温水热对流型地热系统有一些共同的特点，那就是它们都没有特殊的附加热源，地下水要有足够的水量和循环深度，岩体本身的渗透性很差，主要靠裂隙和破碎带导水，因而系统多出现在断裂破碎带或两组不同方向断裂的交汇处。此外，这类系统的形成都要很长的时间，因此，研究中低温对流型地热系统，地质方法主要解决系统所处的大地构造背景和小构造环境，因为它们决定着一个地区的断裂发育程度和裂隙分布情况。地球物理主要阐明系统所处的区域热背景和温度场。地球化学包括同位素，主要解决热水成因与补给源区，水-岩相互作用及热流体组分的形成，热流体与围岩之间的化学平衡及热储温度等。

（2）传导为主型地热系统

传导为主型中低温地热系统大多在沉积盆地和海岸沉积岩之下。图1-11表示一个简单的碳酸盐岩（例如盆地中的灰岩）补给模型。在这里，含水层的上部覆盖着很厚的页岩，它具有低导热率和相对较高的地温梯度。热能传输主要是靠传导方式。这种系统的特点是规模大、温度低、水质较好。盆地内热流体的化学成分从淡水到盐水浓淡不一。大量事实证明，多数油田都有原生水，这些原生水是在油田形成时夹杂在岩石中所致。这种水沿流道与岩石产生化学反应，从而使卤水产生化学变化。盆地中还常包含易溶的盐的蒸发层，它使流体的含盐量增加。了解盆地内热流体的化学成分有助于发现上游地热异常区。

在盆地中，基底岩石与覆盖层的导热率往往有较大的差别（基底岩石的导热率大于覆盖层的导热率），所以，当基底有较大起伏时，就会影响覆盖层中的地温梯度。在基底突起部位，覆盖层中的地温梯度大，于是在浅部造成地热异常区。如果基岩或覆盖层中有较好的透水层，就有利于开发并成为地热田。

1.4.3　地压、地热资源

地压资源埋藏在沉积盆地可渗透的沉积岩中，是地层中流体压力明显超过正常静水压力的异常高压层中的地热资源。这些流体被周围不透水的岩石密封起来而承受比静水压高出好几倍的压力。也就是说，热储的顶板均为不透水或低导热率的页岩所圈闭，流体压力支承着部分顶板岩柱的重量，同时还支承着水柱的重量。这种资源首先是在美国墨西哥盆地北部的海湾地区钻探石油时发现的。石油勘探开发者在一个从得克萨斯州到佛罗里达州的海岸伸展地区碰到了地压带，范围近160km，包括大陆架边缘在内。由于沿得克萨斯州和路易斯安那州海岸广泛开发石油，因此获得了大量有关这一地区的资料。地压地热资源的中文名称是作者于20世纪70年代，美国发现这种资源后从英文直译过来的，其英文名称为“Geopressure geothermal resources”。读者可以对照原英文名称来理解这种资源的意义。

深海海岸的地质，主要是一个沉积的地槽，沉积物通过早期河流，经过几千万年转变而来，结果在北部深海海岸形成足有100万立方英里（1mil3=4.168km3）的砂和黏土矿物转化而成的沉积物。这种从河流三角洲而来的沉积物积聚成大块的重物，最后滑离进入深海的海水中，同时带入卤水和蒙脱石黏土的水的氢氧化物。

不断的沉积和下沉使早期的地层之上愈来愈重。由于水不能脱出，砂层的正常密集不能发生，水就成为负荷的构造支承部分，导致高压，即地压。

根据压力-深度梯度，一般可将地压分成三类压力状态：

① 正常压力10.86kPa/m；

② 软超压10.86～16.36kPa/m；

③ 硬超压＞16.36kPa/m。

从地球内部不断上升的热量被地压层的水所吸收。由于水的导热率低，所以地压水的温度比正常情况下同深度的水温高很多。这种水的另一个重要特征是存在着溶解的碳氢化合物。分析表明，这种碳氢化合物是饱和的天然气甲烷，每立方米地压水中的含气量可达1.5～6m3（标准状态）。而且甲烷在水中的溶解度还随水温的升高而增大。

所以，地压地热资源实际上由三种可用能组成：

① 因高温而具有的热能；

② 因高压而具有机械能；

③ 可回收的甲烷。

目前世界已知存在异常压力的盆地有180个以上。其地温梯度为2.78～4.23℃/100m，异常高者可达8.32℃/100m，储层温度达150～260℃。如墨西哥湾地压储层中，顶部盖层厚1200～4850m，在3048m深处温度为150℃，4570m处温度为177℃，6096m处温度达260℃。中国南海3247m深处为154℃，4828m处为234℃。这些盆地的压力比常压明显高出数倍乃至10倍以上，达17～23.6kPa/m。如墨西哥海盆地热储层压力为91.527～92.145MPa（903.3～909.4atm），中国莺歌海盆地热储层压力为19.25kPa/m。要注意，如果初始压力很高，但开采后压力下降很快，那就不是地压资源。

开发地压地热资源单井产量是很可观的。如美国北墨西哥湾开采两层地压水，第8层井深为4620～4721m段，砂岩孔隙度22%，渗透率13m/d，卤水温度142℃，储层原始压力88.33MPa，总矿化度94000mg/L，1m3卤水中含溶解天然气1.148m3，日产卤水15291m3，合计已产卤水15.3×106m3，天然气17.55×106m3，井底压力无明显变化；第9层井深4726～4765m，产卤水量9.10×104m3，天然气10.45×104m3，该层平均孔隙度24%，渗透率90m/d，卤水温度148℃，储层原始压力89.12MPa，1m3卤水中含溶解天然气1.185m3，总矿化度95500mg/L。

中国油气勘查部门在南海北部大陆架的莺歌海盆地、琼东南中央凹陷及珠三A凹陷圈定出超压储层。如莺歌海盆地5021m深井中约3000m处出现异常高压，其压力梯度达19.3kPa/m；琼东南4699.41m井中的4665m处出现高压，其压力梯度为16.8kPa/m。

美国从1974年起，由政府投资对沿墨西哥湾东西长约2000km、南北宽100～250km海岸带地压型地热资源进行资源评价和开发研究，包括测试地压井以确定资源的性质和规模，研究地压井的生产性能和长期生产对环境可能产生的潜在影响以及整个能量回收系统的设计和分析。

1.4.4　干热岩型地热资源

广义地说，干热岩指地下不存在热水和蒸汽的热储岩体。干热岩地热资源则专指埋藏较浅、温度较高且有较大经济开发价值的热储岩体。它是比蒸汽、热水和地压地热资源更为巨大的资源。形成干热岩（干热储）的条件有三种观点：第一种认为地表缺乏大气降水或因上覆盖层阻隔，使水难达热岩；第二种认为热岩体渗透性很低，以致岩石中所含液体不可能聚集流入井管；第三种观点则认为热储体既缺水，又为低渗透性。因此，要取出热岩体中的热能，就无法通过地下自然的热水或蒸汽作为媒介。

20世纪70年代以来，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）一直在从事干热岩的研究。从干热岩取热的原理十分简单。首先钻一眼回灌深井，将高压水泵入，用水力破碎热岩石，然后施工第二眼生产井，使之与破碎岩石形成的人工热储相交。这样，从回灌井压入的水经地下人工热储吸取破碎热岩石中的热量，变成热水或过热水，再从生产井流出至地面。在地面，通过换热器将热量从生产井流出的热水中取出，然后水再从回灌井注入，通过人工破碎的干热岩吸热进入另一次循环。换热器提取的热量可以直接利用或转换为电力。所以通过干热岩体激发的水热型地热田，又称“人工地热田”。

世界上第一个干热岩热储是1977年在美国新墨西哥州的芬顿高地（Fenton Hill）完成的，并运转了一年多。最初的这项实验论证了这种取热方法的可行性。循环水的质量保持良好，水量损失随时间而减少，未检测出不良的环境影响。

为了探索干热岩取热的商业可行性，20世纪80年代中期在芬顿高地建造了一个更深更热的热储。此热储深约3680m，岩石温度达238℃。在1986年的30天抽水试验期间，热储的供水量为50m3/h，水温为200℃，生产的热功率为10MW。

目前，LANL已在芬顿高地建造了一个干热岩地热电站以模拟商业发电。从1991年开始，该电站进行了一年多的包括热储和电站在内的流量试验，回答涉及干热岩的生产寿命、运转参数、允许的能源开采量以及水的损耗率等问题。这是世界上开发利用干热岩地热资源的开拓性工作（Tellier N A等，1993）。

在特定地区内，干热岩资源的开发很大程度上取决于在经济合理的深度内获取岩石高温的方法。LANL的专家们认为，寻找高品位的干热岩资源虽然要做一些勘探工作，但其难度和成本比开发水热资源和矿物燃料小。因为开发水热资源或石油、天然气时，勘探者必须弄清岩石的渗透率、孔隙率、裂隙和填充物；而勘探干热岩时，只要找到干热岩就可以钻进和完成任意数量的井。干热岩的品位是以平均地温梯度作为主要的依据，也是影响该地点“商业品位”的唯一关键因素。在Armstead和Tester（1987）的《取热》一书中，将美国干热岩资源品位分为两类：平均地温梯度≥38℃/km为热的，梯度在20～25℃/km为不热的。以此标准，美国陆地约有16%的面积可归入热的一类，其中相当一部分靠近或位于现代地热系统的高温地热区，其平均地温梯度为60～80℃/km，如上述芬顿高地即属此类。当然，对于干热岩发电，平均地温梯度的要求就更高，因为任何时候，设计者都要使生产流体的成本和热能转换成电能的成本达到平衡。

当热储的流体输送或干热岩系统电力生产超过20～40年寿命时会出现温度变化，这时热储开发最佳方案的选择是十分严重的问题。因为当通过热储的流量达到最大时，我们最希望达到的是输出温度保持不变，但这是不可能的，因为任何一个有限规模的干热岩系统都会在开发后期遇到这一问题。地层渗透率低的裂隙，其取热量的下降速率取决于下列因素：①可及裂隙表面积和岩体体积；②生产流体的流量；③热储的温度分布；④穿越裂隙面和通过裂隙区的流体分布；⑤岩石的热物理特性；⑥对流体的净阻抗和允许压降；⑦水损耗率。因此，最佳的情况是：热储温度高、热储流体阻抗低、热储表面积和体积大，这样就可降低单位流量生产时的温降率。要达到上述最佳情况，设计的关键是：要力求流量和能源产量最大，而温降率最低。在生产的最初阶段，一般能达到上述要求。如果流体流动阻抗很低，附加的抽水损失也会减少。当生产井与回灌井内热水和冷水的温差很大时，由于系统冷热温差产生的浮升力可达到“自动抽水”的最佳状态。

水耗问题、引起诱发地震的可能性和对干旱地区大量供水可能造成的经济后果是必须考虑的问题。LANL的专家认为，干热岩系统的正确压力管理能控制或减少水耗并使其处于临界状态。现场试验证实，干热岩热储生产时的水耗很小（＜3%），甚至在干旱地区都可以利用这样的热储。所做的各类试验也未引起任何可感的地震。

由于从干热岩热储生产的是150～300℃的有压热水，而且大部分可能含有低浓度的溶解盐和不凝气体，所以，适用于地热水发电的方法，如单级和多级闪蒸系统、双循环系统等，都可以用于干热岩发电。

LANL的专家们认为，从干热岩取热是一种对环境十分安全的办法。一个管理良好的取热回路，在正常运转时不会污染地下水或地表水，也不会放出诸如CO2等能产生温室效应的气体。在开发这种能源时，没有飞扬的尘埃，没有放射性弃水和有毒的副产品，也没有其他长效的残余物。干热岩资源开发利用的经济前景是人们最关心的问题。首先，干热岩资源的储量十分巨大，对能源需求急剧上升的这个世界来说，无疑是有很大吸引力的。干热岩资源广布于全球，只是它们的品位有所不同而已。只要经济地回采其热量的一小部分，就可满足世界能源的需求。越容易到达热岩，能量的提取就越经济。据估算，在美国西部就有153600km2的高品位干热岩资源（即高地温梯度地区）。研究表明，由如此高品位资源生产的电力价格可以和当今的能源价格相媲美。LANL的专家们预计，由干热岩资源生产的电力价格为5～10美分/（kW·h），当取热工艺成熟时可降到3～4美分/（kW·h），而传统的燃煤电厂的电力价格为4～6美分/（kW·h）（均为1993年价格）。为了降低发电成本，在确定了干热岩热储的广阔地理分布后，取热应选在需要电力或能源的地方，这样可以减少电力输送的距离。井口装置和电站是地面仅有的建筑物，因为采集和储存“燃料”的场所都已转入地下。厂址的任选性和少量的空间要求将会使发电成本下降。

LANL的研究者认为，利用干热岩的重要技术障碍在于，要在足够大的岩石压力和岩体内提供低阻抗的通道和能接受的水耗，而且必须组成断裂网络，再由网络将回灌井和生产井连接起来。例如，对一个平均地温梯度为60℃/km的资源，产量为40～75kg/s（144～270t/h），水耗约为每年2%或更小的情况，按美国的标准就要求平均电力价格达到4～9美分/（kW·h）。这与芬顿高地试验现场的现状可以相比。1992～1993年，芬顿高地热储系统的第二期计划就是以10～40kg/s的生产量进行开采的（Tellier等，1993）。

上述重要技术障碍给研究者提出的干热岩取热难题是：热岩石埋藏很深，水进入热储很难使岩石破裂，并需保持高压水流通过这些裂隙，以及精确地确定在地下深处正在出现的问题。作者在1979年访问LANL和芬顿高地干热岩取热现场时，就感到要克服这些技术中的任何一个环节都要付出很大的努力。例如，如何精确测定地下深处岩体被水力破碎后到达的边界，就需要专门研制的高精尖三维地下传声器成套设备等。因此，只有在这些难题解决后，我们才能提取赋予人类的巨大的能源。俄罗斯从前苏联时期就开始了这方面的研究，目前欧洲和日本都在为突破这些难题进行不断的努力。

有人估计，美国在可及钻探深度内的干热岩有用热量，可供国家5000多年的能源需求，也就是说，这些岩石中的能量是美国石油储量的6万倍。所以，从干热岩取热的技术虽有相当难度，但前景也是诱人的。

1.4.5　熔岩（岩浆）地热资源

岩浆型地热资源系指蕴藏在熔融状态和半熔状态岩浆中的巨大能量。热储温度600～1500℃。这类资源一般埋藏较深，钻探尚难达到。可开发的对象多在现代火山区，即地壳浅部存在的岩浆囊或尚未完全凝固的岩浆体中。要直接利用岩浆的巨大热能，难度很大，必须用遥感和地球物理等方法和理论，查明岩浆的形态、规模、埋藏深度，解决开发岩浆源的技术，制造能下到岩浆一定深度的换热器，生产抗高温（1600℃）、高压（4×102MPa）、耐强腐蚀的材料，还需掌握地球动力学在极高压力下熔岩的对流和传热过程等，方能有计划地提取热能。

位于美国新墨西哥州阿尔布魁克的美国能源部桑迪亚国家实验室的岩浆能研究所正在进行一系列的实验，以便取得直接从熔岩中取出热量的方法，包括确定浅层地壳岩浆体的位置的方法、钻井进入岩浆体并放入换热器的方法以及在岩浆内直接放入热电转换设备的技术等。日本政府也在地热发展计划中列入火山发电专题研究课题。1928年首次将地热能用于供暖的冰岛，已对从年轻熔岩流中经济地取出热能的技术得到验证（Bjornsson，1980），他们在Heimaey熔岩流表面建造了一个换热器，用该换热器回收在热流表面渗水而产生的蒸汽。一个利用这种地热资源供暖的系统已成功地运行了十余年。