地?zé)峋械牡責(zé)釡貥?biāo)評價

地?zé)峋械牡責(zé)釡貥?biāo)評價

在研究熱化學(xué)時，對深層熱儲量的估計是一個重要的問題。確定熱儲溫度的方法有直接測量法和計算法兩種。直接法是指根據(jù)鉆井揭露或穿透熱儲層,直接測量井中的溫度,用頂、底板溫度的平均值作為熱儲的溫度。這種方法準(zhǔn)確可靠,但是耗時、價高,在實(shí)際工作中不太容易實(shí)現(xiàn),因此大多數(shù)情況下,多采用計算法對熱儲溫度進(jìn)行估算。其中,應(yīng)用最廣泛的就是地球化學(xué)溫標(biāo)法,這是一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。但是,通過在工程實(shí)際中的應(yīng)用情況來看,直接利用傳統(tǒng)地球化學(xué)溫標(biāo)估算出的熱儲溫度往往與實(shí)際溫度相差甚遠(yuǎn),應(yīng)用效果較差。這主要是因為地?zé)釡貥?biāo)的使用有一個基本前提,那就是作為地?zé)釡貥?biāo)的某種溶質(zhì)或氣體和熱儲中的礦物達(dá)到了平衡狀態(tài)。這是因為熱水溶液在向上運(yùn)移的過程中會因沸騰、蒸汽逃逸改變熱流體化學(xué)組分含量,或者深部熱儲層的熱水與淺層冷水的稀釋混合會使原有的高溫平衡環(huán)境遭到破壞。而各種溫標(biāo)的經(jīng)驗公式都是利用水溶液中相應(yīng)組分的平衡反應(yīng)與溫度的關(guān)系確立起來的。所以必須認(rèn)真研究熱水和礦物的平衡狀態(tài),選取可靠的地?zé)釡貥?biāo)。本文以平頂山八礦為例,利用WATCH程序以及Na-K-Mg平衡圖來研究礦物-流體的平衡狀態(tài),為地?zé)釡貥?biāo)的選取以及在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供實(shí)例。1礦的地溫梯度平頂山礦區(qū)位于河南省中西部,是一個遭受熱害威脅的礦區(qū),井下熱水突出,工作面氣溫偏高。區(qū)內(nèi)平均地溫梯度約為3.5℃/100m,比鄰區(qū)高,也高于華北地臺的正常地溫梯度(3℃/100m)。本區(qū)恒溫帶深度(h)為25m左右,溫度(t)為17.2℃。八礦位于平頂山礦區(qū)開采的深部邊界,其深度至李口集向斜南翼軸部,幾個突水點(diǎn)的水溫在29.5℃～47℃。八礦地表標(biāo)高為100m,地下水位為-430m,即埋深(H)為530m,水溫(t熱)為47℃。利用下式計算地溫梯度。K=(t熱-t)/(H-h)=(47-17)/(530-25)=6℃/100m這個結(jié)果比平頂山礦區(qū)常規(guī)下的地溫梯度3.5℃/100m要大得多。根據(jù)這一情況,將八礦確定為地?zé)岙惓^(qū)。通過分析,認(rèn)為該地?zé)岙惓Ｅc地下水循環(huán)有關(guān),而且根據(jù)水循環(huán)對圍巖溫度場的影響規(guī)律,可以確定是高溫?zé)崴闲醒h(huán)的結(jié)果。2地?zé)釡貥?biāo)的定義水熱系統(tǒng)里的對流循環(huán)運(yùn)動總是伴隨著各種物質(zhì)的溶解-沉淀反應(yīng),如果某種反應(yīng)產(chǎn)生的平衡濃度值和反應(yīng)的溫度有關(guān),就可以根據(jù)這一濃度來反推反應(yīng)溫度,建立在這一原理基礎(chǔ)上的估算地下溫度的方法稱之為地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)溫標(biāo)。地球化學(xué)溫標(biāo)用于評價熱儲溫度以及預(yù)測熱儲在生產(chǎn)過程中可能的冷卻。目前,采用的地?zé)釡貥?biāo)大體可以分為兩類,一類是硅溫標(biāo),像石英、玉髓等這些礦物,溶解度是溫度的函數(shù),可以直接用作地?zé)釡貥?biāo);另一類是陽離子溫標(biāo),如Na/K、K/Mg、Na-K-Ca等,其在水中溶解組分比例的交換反應(yīng)依賴于溫度,可以用這些組分的比值來做為地?zé)釡貥?biāo)。2.1地表中硅的濃度SiO2溫標(biāo)是目前被廣泛用于推算地下熱儲溫度的一種方法,它是基于水溶液中硅的濃度是由水-巖相互作用時的溫度下硅的溶解性決定的。天然水中溶解的SiO2一般不受其它離子的影響,也不受絡(luò)合物的形成和揮發(fā)散失的影響,并且沉降隨溫度降低而降低的速度相當(dāng)緩慢,因此在地表水中硅的濃度能很好地指示地下熱儲的溫度。硅的總濃度是溫度的函數(shù)。不同的等式表明這種函數(shù)是基于實(shí)驗室試驗數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)以及地?zé)嵯到y(tǒng)中不同井中熱水的硅濃度的數(shù)學(xué)過程。研究表明,石英傳導(dǎo)溫標(biāo)可以說明該部分地下熱水曾經(jīng)達(dá)到過的最高溫度。石英溫標(biāo):T=1309/(5.19-lgSiO2)-273.15玉髓溫標(biāo):T=1032/(4.69-lgSiO2)-273.152.2u3000熱礦水系統(tǒng)n-k溫標(biāo)陽離子地?zé)釡貥?biāo)是基于熱水與固相物質(zhì)間的K、Na、Ca、Mg等陽離子的交換與溫度的關(guān)系建立起來的。所有陽離子溫標(biāo)方法都是經(jīng)驗性的近似方法,被廣泛的用于熱儲溫度的評價。常用的有Na-K溫標(biāo)、K-Mg溫標(biāo)等。Na-K溫標(biāo):Na-K溫標(biāo)是以熱礦水中鈉、鉀離子與鈉長石偶的離子交換平衡受控于溫度的原理建立起來的,在具備鈉、鉀長石平衡環(huán)境的天然水中,Na、K的含量比值是溫度的函數(shù)。適合的溫度是25℃～250℃。Na?K溫標(biāo)∶t=933log(Na/K)+0.993?273.15Νa-Κ溫標(biāo)∶t=933log(Νa/Κ)+0.993-273.15K-Mg溫標(biāo):K-Mg溫標(biāo)是基于鉀長石轉(zhuǎn)變?yōu)榘自颇负托本G石的離子交換反應(yīng),其對于溫度的變化反應(yīng)非常迅速,在溶液中達(dá)到平衡也最為快速,因此,它適用于低溫?zé)崴到y(tǒng)。K-Mg地?zé)釡貥?biāo):t=441014.0?log(K2Mg)?273.15t=441014.0-log(Κ2Μg)-273.153熱敏標(biāo)準(zhǔn)選擇3.1初步熱儲溫度估算本文選取了平頂山八礦5個鉆孔的熱水水樣進(jìn)行了水化學(xué)分析測試,其水化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。利用上述各種地?zé)釡貥?biāo)方法對這些熱水水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的熱儲溫度估算,估算結(jié)果見表2。從表2可以看出,由于溫標(biāo)方法眾多,水溶液中達(dá)到平衡的礦物尚不清楚,再加上相關(guān)干擾因素的影響,對于同一水點(diǎn)來說,不同的溫標(biāo)方法計算出的熱儲溫度常常差異很大。說明任何溫標(biāo)在沒有達(dá)到平衡狀態(tài)的情況下必然無法給出正確的結(jié)果。這就需要尋找其他化學(xué)分析方法進(jìn)行更深入的分析、篩選,確定達(dá)到水-巖平衡的礦物,選取合適的溫標(biāo)方法,最后確定熱儲的溫度范圍。3.2根據(jù)平衡溫度的t-logt-k曲線圖進(jìn)行分析地?zé)崃黧w中溶解物的濃度是熱儲溫度的函數(shù)。從理論上講,受溫度控制的化學(xué)反應(yīng)中的組分都可以用來做地?zé)釡貥?biāo)。但是,作為地?zé)釡貥?biāo)方法,還須滿足以下基本條件:(1)反應(yīng)物必須充足;(2)水-巖之間必須達(dá)到平衡;(3)水(氣)向取樣點(diǎn)運(yùn)移的過程中沒有發(fā)生再平衡。因此,必須研究熱水和礦物的平衡狀態(tài)以檢驗地?zé)釡貥?biāo)方法的可靠性。Na-K-Mg三角圖法。Na-K-Mg三角圖由Giggenbach于1988年提出,在圖中分為完全平衡、部分平衡和未成熟水3個區(qū)域,常被用來評價水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣。其應(yīng)用原理是,鈉、鉀的平衡調(diào)整較緩慢,但鉀、鎂含量的平衡調(diào)整的很快,即使在溫度較低時亦如此,因此對中低溫?zé)崽餆醿囟鹊挠嬎爿^為有利。三角圖中的坐標(biāo)可以計算如下S=CNa/1000+CK/100+CMg2+Na%=CNa+/10SK%=CK/SMg%=100CMg2+?????√/SΜg%=100CΜg2+/S式中CNa+,CK+,CMg2+分別代表水中鈉,鉀和鈣離子的濃度,單位為mg/L。此方法優(yōu)點(diǎn)在于可在同一幅圖上同時判斷出大量水樣的平衡狀態(tài),能把混合水和平衡水很好地分開。通過圖1中的Na、K以及Mg含量的分析數(shù)據(jù),可以判斷水樣是否適合應(yīng)用離子型溶解性地溫計。圖中水樣點(diǎn)均落在Partialequilibratedwaters的范圍內(nèi),即為部分平衡水。反映了水-巖反應(yīng)的平衡溫度偏低,水樣不能完全達(dá)到平衡,也說明了八礦的地下熱水可能來自較熱的環(huán)境,在由熱水向地表上升的過程中受到淺層冷水的稀釋作用,從而使熱水中元素的含量變低。通過對八礦熱水沉淀物成分的分析得知,熱水在向上運(yùn)移的過程中混入了煤系砂巖水,印證了這一結(jié)論。因此,陽離子型地溫計不會得出合理的平衡溫度值的,八礦不適合用陽離子型地溫計來計算深部熱水溫度。多礦物平衡法。多礦物平衡圖解法用來判斷地?zé)嵯到y(tǒng)中熱液與礦物之間總體的化學(xué)平衡狀態(tài)。其原理是將水中多種礦物的溶解狀態(tài)當(dāng)成溫度的函數(shù),若一組礦物在某一特定溫度下同時接近平衡,則可判斷熱水與這組礦物達(dá)到了平衡,平衡時溫度即為深部熱儲溫度。用WATCH程序計算出的礦物-溶液的平衡數(shù)據(jù),可判斷出已達(dá)到平衡的礦物。WATCH程序可以利用地下熱流體水質(zhì)分析數(shù)據(jù),通過計算深層水中水溶物種的活度系數(shù),模擬出地?zé)崃黧w中的化學(xué)成分和物種的形成,并進(jìn)一步模擬出水中溶解礦物的情況。結(jié)合收集到的八礦地下熱水的水質(zhì)資料,應(yīng)用WATCH程序計算礦物的飽和程度。飽和指數(shù)SI可判斷每種礦物的飽和程度,SI>0,表示過飽和;SI=0,表示飽和;SI<0,表示未飽和。SI=logQ?logK=log(QK)SΙ=logQ-logΚ=log(QΚ)式中K-礦物在地下熱水中的溶解度(mol/L);Q-實(shí)際溶解在地下熱水中的礦物的離子活度積(mol/L)。在WATCH程序計算出各礦物在不同溫度下的log(Q/K)值后,以溫度為橫坐標(biāo),log(Q/K)值為縱坐標(biāo),作出表示礦物-溶液的平衡狀態(tài)的T-log(Q/K)曲線圖。我們選取了常見的5種礦物(硬石膏、溫石棉、玉髓、石英、滑石),做出其T-log(Q/K)曲線圖。從圖2中可以看出,在這五種礦物中只有玉髓和石英的飽和指數(shù)在平衡線之上,其余蝕變礦物均未達(dá)飽和狀態(tài)。而石英處于過飽和狀態(tài),只有玉髓接近平衡狀態(tài)。因此也證實(shí)了玉髓地?zé)釡貥?biāo)是最適合估算該礦區(qū)熱水溫度的地?zé)釡貥?biāo),而從不嚴(yán)格的意義上講,石英溫標(biāo)給出的溫度是深層熱儲的最高溫度。4地下水的溫度特征通常,若某種礦物在水溶液中達(dá)到了平衡,這種礦物的平衡曲線和SI=0軸的交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度就是它的理論平衡溫度,交點(diǎn)周圍一個較小的溫度區(qū)間就是熱儲中的平衡溫度,這種礦物可作為該熱儲的地?zé)釡貥?biāo)。玉髓的平衡曲線與SI=0軸交點(diǎn)的溫度對應(yīng)在40℃～50℃間,表示為該區(qū)熱儲的平衡溫度;石英的平衡曲線與SI=0軸交點(diǎn)的溫度對應(yīng)在70℃～80℃間,則反映出該區(qū)深層熱儲的最高溫度。實(shí)測平頂山礦區(qū)恒溫帶深度為25m,溫度17.2℃,東部地區(qū)地溫梯度為4℃/100m,代入熱水的循環(huán)深度公式中得H=q(tH-tB)+h式中H-循環(huán)深度,單位m;tB-恒溫帶溫度,單位℃;tH-熱水深部最高溫度,單位℃;q-地溫梯度,單位℃/100m;h-恒溫層厚度,單位m。計算得出八礦地下水的循環(huán)深度為1425m,這個深度與李口集向斜軸部灰?guī)r最大深度基本吻合。八礦距地表600多米(-430m水平)處,溫度是47℃左右,而在深度1425m處具有73.4℃的高溫,東風(fēng)井等出水點(diǎn)水溫為36℃左右,說明深部熱水在上升過程中還有溫度偏低水的混入。再次印證了Na-K-Mg三角圖得出的結(jié)論。5使用熱流體水質(zhì)分析數(shù)據(jù)1)地?zé)釡貥?biāo)法目前廣泛應(yīng)用在地?zé)峥碧焦ぷ髦?但是任何溫標(biāo)在使用前都要進(jìn)行水巖平衡判斷,不能直接應(yīng)用。2)利用Na-K-Mg平衡圖可以來評價水樣的平衡狀態(tài)