应用地热温标估算热储温度——以嵊州崇仁热水为例

  摘 要：在地热系统中，选择地热温标的前提是判断矿物—流体的平衡状态，如果作为地热温标的化学组分在热储内部没有达到平衡，则估算出的热储温度往往与实际温度相差很大。以嵊州崇仁地热系统为例，通过Na-K-Mg三角图及固定铝条件下PHREEQCI程序模拟计算建立的多矿物平衡图解，认为地下热水处于非饱和状态，或者是受到了冷水的混合，对地热系统中矿物和流体的化学平衡做出了定量和定性的判断，证实玉髓地热温标最适合估算该地热系统深部热储温度，该地热系统深部热储最低温度约为67.75℃；而石英温标指示的则是深部热储可能的最高温度，约为97.96℃。

 

  关键词：地热温标；热储温度；水岩平衡；固定铝法；PHREEQCI程序中图分类号：P314.3 文献标识码：B 文章编号：1004-5716(2014)05-0129-04热储温度的确定对于有效利用地热资源具有非常重要的意义。地热温标方法是确定地下深部热储温度的一种经济有效的手段。但是，通过在工程实际中的应用情况来看，直接利用传统地球化学温标估算出的热储温度往往与实际温度相差甚远，应用效果较差。

 

  这主要是因为各种温标的经验公式都是利用水溶液中相应组分的平衡反应与温度的关系确立起来的，使用地热温标时假设作为地热温标的某种溶质或气体和热储中的矿物达到了平衡状态。而实际上热水溶液在向上运移的过程中会因沸腾、蒸汽逃逸改变热流体化学组分含量，或者深部热储层的热水与浅层冷水的稀释混合会使原有的高温平衡环境遭到破坏。因此，必须认真研究热水和矿物的平衡状态，选取合适的地热温标。本文以嵊州崇仁热水为例，利用PHREEQCI程序在固定铝条件下的模拟计算以及Na-K-Mg三角平衡图来研究矿物—流体的平衡状态，为地热温标的选取以及在实际工程中的应用提供实例。

 

  1 常用地热温标及应用条件.

 

  地热温标方法主要有二氧化硅地热温标、阳离子地热温标、同位素地热温标和气体温标4大类。目前，国内外研究较多的是二氧化硅地热温标和阳离子地热温标。

 

  1.1 二氧化硅温标.

 

  二氧化硅温标是应用最早也是最常用的地热温标，其理论基础是地热流体中二氧化硅的含量取决于不同温度、压力下石英在水中的溶解度。二氧化硅溶解度随温度升高而增加，天然水中溶解的二氧化硅一般不受其它离子的影响，也不受络合物的形成和挥发散失的影响，并且沉淀速率随温度降低而减慢，因此在地表水中二氧化硅的浓度能很好地指示地下热储的温度。研究表明，温度小于110℃时，通常是玉髓控制着溶液中的二氧化硅含量；大于180℃时，通常是石英控制着溶液中的二氧化硅含量；在180℃~110℃间，石英和玉髓都可以和溶液达到平衡。石英温标要考虑热水中蒸汽的分离效应和二氧化硅的聚合或沉淀。

 

  常用二氧化硅地热温标温度相关性公式如下：

 

  石英温标（无蒸汽散失）：

 

  t( ℃ )=13095.19-lgCSiO2-273.15玉髓温标：

 

  t( ℃ )=10324.69-lgCSiO2-273.15式中：CSiO2——水中SiO2的质量浓度，mg/L。

 

  1.2 阳离子温标.

 

  阳离子地热温标是基于热水与固相物质间的K、129西部探矿工程2014年第5期Na、Ca、Mg等阳离子的交换与温度的关系建立起来的。所有阳离子温标方法都是经验性的近似方法，广泛用于热储温度的评价。常用的有Na-K温标、Na-K-Ca温标、K-Mg温标等。

 

  1.2.1Na-K温标.

 

  Na-K地热温标是基于钠长石和钾长石在一定温度条件下达到平衡而建立的，即在具备钠、钾长石平衡环境的天然水中，Na、K质量浓度的比值是温度的函数，这一比值不受以后温度降低的影响，受稀释和蒸汽分离的影响很小，其适合的温度是25℃~250℃。

 

  Na-K温标：

 

  t( ℃ )=933lg( C)Na/CK+0.993-273.15式中：CNa、CK——水中钠、钾离子的质量浓度，mg/L。

 

  1.2.2Na-K-Ca温标Na-K-Ca地热温标的建立基于Na+、Ca2+、K+3种离子的碱性长石的离子交换反应，是专门用来处理富钙热水的地热温标。沸腾会使估算值偏高；在许多富Mg的中低温热水中，Na-K-Ca温标估算得到的结果也明显偏高，因此需要进行Mg2+校正。Na-K-Ca温标适合的温度是0℃~250℃。

 

  Na-K-Ca温标：

 

  t( ℃ )=1647lgè÷CNaCK+βè÷÷lgCCaCNa+2.06 +2.47-273.15式中：当t<100℃时，β=4/3；t>100℃时，β=l/3；CCa——水中钙离子的质量浓度，mg/L。

 

  1.2.3K-Mg温标K-Mg地热温标是基于钾长石转变为白云母和斜绿石的离子交换反应，其对于温度的变化反应非常迅速，在溶液中达到平衡也最为快速，因此，它适用于低温热水系统。

 

  K-Mg温标：

 

  t( ℃ )=441014.0-lgè÷C2KCMg-273.15式中：CMg——水中镁离子的质量浓度，mg/L。

 

  2 崇仁热水水化学成分基本特征崇仁热水位于嵊县—新昌“个”字形白垩纪盆地的北端边缘西侧，嵊州市崇仁镇砩水水库区。根据崇仁DR8地热井水样水化学成分分析结果，崇仁热水水化学类型为HCO3-Na型中性水。热水中偏硅酸含量59.8mg/L，水中游离 CO2质量浓度大于 100mg/L，为含碳酸偏硅酸型矿水。

 

  3 地热温标的选取和计算3.1 热储温度的计算利用前文所述各种地热温标方法对崇仁热水进行热储温度估算，发现不同的地热温标方法计算出的热储温度差异很大。这是因为任何一种地热温标的使用前题都是假设溶液—矿物达到了平衡状态，在溶液—矿物没有达到平衡状态的情况下，地热温标无法给出正确的结果。因此，需要寻找其它化学分析方法进行更深入的分析、筛选，确定达到水—岩平衡的矿物，从而选取合适的温标方法，确定深部热储的温度。

 

  地热温标温度（℃）石英温标97.96玉髓温标67.75Na-K温标234.95K-Mg温标99.1Na-K-Ca温标139.023.2 矿物—流体平衡判断.

 

  地热流体中溶解物的浓度是热储温度的函数，使用地热温标方法的基本前提是作为地热温标的某种溶质或气体和热储中矿物达到了平衡状态，因此，必须研究地热水和矿物的平衡状态以检验地热温标方法的可靠性。

 

  3.2.1Na-K-Mg三角图解法.

 

  Na-K-Mg三角图解法由Giggenbach于1988年提出，在图中分为完全平衡、部分平衡和未成熟水3个区域，常被用来评价水—岩平衡状态和区分不同类型的水样。其应用原理是，钠、钾的平衡调整较缓慢，但钾、项目pHK+Na+Ca2+Mg2+FeNH4+AlLiMnZnBa含量（mg/L）7.440.628364.213.01.480.30<0.0040.580.760.060.19项目HCO3-CO32-SO42-Cl-NO3-NO2-F-偏硅酸溶解性总固体游离二氧化碳总硬度化学耗氧量含量（mg/L）983030.06.600.41<0.0044.4059.814731122140.681302014年第5期 西部探矿工程镁含量的平衡调整的很快，即使在温度较低时亦如此，因此对中低温热田热储温度的计算较为有利。它取决于以下2个依赖于温度的反应：

 

  钾长石+Na+→钠长石+K+，2.8钾长石+1.6H2O+Mg2+→0.8K-云母+0.2氯化物+5.4硅+2K+三角图中的坐标可以计算如下：

 

  S=CNa/1000+CK/100+ CMgNa%=CNa/10SK%=CK/SMg%=100 CMg/S式中：CNa、CK、CMg——水中钠、钾和镁离子的质量浓度，mg/L。

 

  将崇仁热水DR8井热水的Na、K、Mg含量经线性转换后投至Na-K-Mg平衡三角图上（图1），发现崇仁热水属于“未成熟水”，即水—岩之间尚未达到离子平衡状态，溶解作用仍在进行，或热水受到了冷水的混合。说明水样中Mg含量较高，水—岩反应的平衡温度不高，地下热水有发生混合作用的可能，因此，用阳离子地热温标估算的平衡温度不合理，适合用二氧化硅地热温标来估算热储温度。

 

  3.2.2 多矿物平衡图解法.

 

  1984年由Reed和Spycher提出多矿物平衡图解法以判断地热系统中热液与矿物之间总体的化学平衡状态。其原理是将水中多种矿物的溶解状态当成温度的函数，若一组矿物在某一特定温度下同时接近平衡，则可判断热水与这组矿物达到了平衡，平衡时温度即为深部热储温度。混合水和那些水热矿物达不到平衡的热水都不可能在某一温度下同时使多种矿物达到平衡，据此可判断热水是否与浅部冷水发生了混合、热水是否与某个矿物组合处于平衡状态，以及平衡所对应的温度等。

 

  根据地热水中矿物的饱和指数SI可判断每种矿物的饱和程度，SI>0，表示过饱和；SI=0，表示饱和；SI<0，表示未饱和。

 

  SI= lg(IAP/K)式中：K——矿物在地下热水中的溶解度，mol/L；IAP——实际溶解在地下热水中的矿物的离子活度积，mol/L。

 

  由于崇仁地下热水的水化学资料铝的浓度低于检出限而未检出（表1），因此无法生成含铝的硅酸盐矿物。事实上在大多数的地热系统中，均有一到两种含铝的硅酸盐矿物已经达到了平衡，据此，Reed和Pang开创了用固定铝的方法来恢复地热系统中含铝硅酸盐矿物的平衡。

 

  PHREEQCI程序可以利用地下热流体水质分析数据，通过计算深层水中水溶物种的活度系数，模拟出地热流体中的化学成分和物种的形成，并进一步模拟出水中溶解矿物的饱和指数SI。根据崇仁热水水化学资料，利用 PHREEQCI 程序计算固定铝含量为0.004mg/L时各矿物在不同温度下的饱和指数SI值，并绘制表示矿物—溶液平衡状态的SI-T曲线图（图2）。

 

  从图2可以看出该图显示出了较好的收敛性，玉髓、萤石、石英、纤蛇纹石、白云母、滑石、水铝石、蒙脱石、高岭石等中低温地热系统中常见的蚀变矿物基本上在温度60℃~70℃之间与SI=0附近相交，但该交点的值略小于0，结合野外实际情况，应考虑是由于温泉水在上升过程中与冷泉水发生混合作用或有地表冷泉水的加入所造成的。由此推测热储温度介于60℃~70℃之间，与玉髓温标计算结果67.75℃相近。

 

  3.3 热储温度的确定从图2中可以看出，崇仁热水水样中滑石、纤蛇纹石在60℃~70℃时的饱和指数大于 0，处于过饱和状态；石英、玉髓在60℃~70℃时的饱和指数略小于0，处于非饱和状态，且玉髓比石英更接近平衡状态。因此也证实了玉髓地热温标是最适合估算该热水温度的地热温标，据此确定崇仁热水深部热储最低温度约为67.75℃左右；而石英温标指示的则是热储可能的最高温度，约为97.96℃。

 

  4 结论.

 

  （1）本文根据崇仁地热水DR8井水样的水化学测试资料估算地下热储温度。同一水样采用不同温标方法，计算结果差别很大，说明不同地热温标在使用前都要进行水岩平衡判断，不能直接应用。

 

  （2）通过Na-K-Mg三角图和PHREEQCI求得的饱和指数，可以判断崇仁热水DR8井水样未达到平衡，或者是受到了冷水的混合，不能用阳离子地热温标估算热储温度。

 

  （3）利用热流体水质分析数据可以由PHREEQCI程序计算出矿物—溶液的平衡数据，认为玉髓接近平衡状态，可选择玉髓温标估算地下热储的温度。

 

  （4）用固定铝方法模拟计算（假定Al=0.004mg/L），在SI-T图解中显示出了较好的收敛性，中低温地热系统中常见的蚀变矿物——玉髓、萤石、石英、纤蛇纹石、白云母、滑石、水铝石、蒙脱石、高岭石等矿物在图2中于温度60℃~70℃之间与SI=0附近相交。推测热储最低温度介于 60℃~70℃之间，与玉髓温标计算结果67.75℃相近，据此确定崇仁热水深部热储最低温度约为67.75℃左右，而石英温标指示的则是热储可能的最高温度，约为97.96℃。确定了固定铝方法对中低温热水系统是适用的。