地热勘察中地温测试关键技术分析

朱佳

（湖南省地质矿产勘查开发局402队 湖南长沙 410000）

地热勘察中地温测试关键技术分析

朱佳

（湖南省地质矿产勘查开发局402队 湖南长沙 410000）

地热能勘察测试中存在诸多问题，地热能勘察测试缺乏资质管理，行业内也没有专门的部门对其进行管理，测试水平参差不齐。本文根据以往的工作经验对地热勘察中地温测试关键技术进行分析，供相关人士参考。

地热勘查；地温测试；技术要点

1 引言

地热资源是集矿、热、水三位一体的综合资源，是当前应用较为广泛的绿色能源。地热资源是埋于地下的，开发利用地热资源，首先要勘探清楚地热位于地下的赋存状态，地热储量大小等。目前，勘探地热的地球物理方法有遥感技术、电法勘探、重磁勘探、地温测量等。本文结合具体的工程实例对地温测试技术分类以及具体的操作方法进行阐述。

2 地温场监测技术及原理

2.1 地温场监测原理

本次研究地温场监测选用热电偶作为测温元件。热电偶的测温原理是热电效应，即：将两种不同材质的金属导线组成闭合回路，由于热电效应，若导线两接点的温度不同，在闭合回路中会产生一个与温度差相关的电动势，即温差电势。在闭合回路中串联一个毫伏计，就可以通过测量温差电动势的大小来推算两端温差，从而获得监测端温度，如图1所示。

图1 热电偶测温原理

常用热电偶主要有6种：铜-铜镍型（T型）、铂铑10-铂型（S型）、铂铑30-铂铑6型（B型）、镍铬-镍硅型（K型）、铁-康铜型（J型）、镍铬硅-镍硅型（N型）。其中，T型热电偶正极为纯铜，负极为铜镍合金，在0～100℃温度范围内，在各种热电偶中准确度较高，价格适中，因此，本次研究地温场监测工作选用T型热电偶。

2.2 地温场常用监测方法

根据监测目的、监测方法与仪器等客观条件，地温场监测方法可分为勘探钻孔测温法、深孔测温法、浅钻孔测温法。

2.2.1 勘探钻孔测温法

该方法可以全面掌握岩层赋存与开采深度范围内的原始地温场分布情况，是进行区域地温普查和井田地温详查常用方法。该方法通过打一系列专用的测温探孔，测量地温，具有技术难度大、测定周期长、测定成本较高等特点。

2.2.2 井下水平深孔测温法

该方法利用井下已有工程，在巷道围岩内，通过布置水平探孔进行地温监测。测温孔长30～40m。在使用该方法时，为了保证监测数据的真实性与准确性，测温孔布置要避开地质构造带和水文地质条件复杂区域。该方法具有成本较低、精度较高、施工操作方便等特点。

2.2.3 工作面浅钻孔测温法

该方法通过在巷道掘进工作面，开凿若干测温浅孔，长1.0～1.5m，然后将测温探头或温度计放入探孔，直接进行地温测量的一种方法。该方法具有简单易行、成本低、速度快、精度较高等优点。但是，由于受采掘面数量与位置的限制，其所测数据代表性不足。

3 实例探析地热勘察中低温测试关键技术

某煤田在其演化历史中遭受多期构造变形，因此构造形态较复杂。该区主要构造为古运动时期受南北向应力形成的众多近东西向褶皱、深大断裂和逆冲推覆构造等，煤田中部的背斜是该区主要的正向褶皱构造，其南北2侧均为推覆构造构成的迭瓦扇。该井田总体构造形态为一连续的北西向背、向斜，为复向斜的次级褶皱，南北2侧被一组北西向逆断层切割。

3.1 监测设备

本次地温场监测选用手持式金达通6801Ⅱ型温度表，该设备采用CPU控制，可靠性强，采样速度快，自动温度补偿，可选择℃/℉/K等温度单位，监测范围-50～1300℃，-58.0～2370.0℉。分辨力 0.1℃/0.1℉。

3.2 地温数据获取

本文所用的地温资料来源于37口井84个层段的地层温度测试。其中包括尖山隆起带8口井13个测点、断阶带11口井25个测点、靠山凹陷17口井46个测点。在这37井口中，有23口井钻达基岩。

3.3 地温梯度计算

地温梯度是指恒温层以下地温随深度的增加幅度，常以每百米垂直深度上增加的温度数表示。据前人研究，断陷恒温带的深度为25m，恒温带温度为10℃。按如下公式进行计算：

可计算出每口井恒温带至测温点的地温梯度。在计算过程中，同一口井的地温梯度数值取本井计算得到的最高值。如果测点位于基岩内部，则此测点的数据不参与计算。反之，利用每口井的地温梯度即可估算出本井在不同深度下的地温值（T，℃），即：

式中：G为地层梯度，℃/100m；Z和Z0分别为测温点和恒温带的垂直深度，m；T和T0分别为测温点和恒温带的温度，℃。

3.4 地温数据处理

3.4.1 简易测温数据

在钻孔测温工作中，由于近似稳态测温耗时长、操作复杂，一般采用的都是简易测温。其数据在利用时与近似稳态测温资料不同，需要根据附近近似稳态孔热恢复规律进行相应的校正。本次研究采用“三点法”对简易测温数据进行校正，即利用孔底、中性点（段）和恒温带温度三点的连线作为地温曲线；对于孔底平衡温度的确定是采用“校正曲线法”。与地面钻孔测温相比，井下实测地温数据因受扰动程度小、热平衡时间短，更能精确地反映岩层温度。本次利用浅钻孔测温法在改井田开展了井下巷道围岩温度的实测工作，测温结果见表1。对比分析井下实测和地面钻孔测温所得地温梯度值可知，利用井下测温点计算的地温梯度和地面钻孔平均地温梯度差异甚小，验证了地面井温测井结果的可靠性。

表1 井下测温结果表

3.4.2 地温梯度的分布特征

在近似稳态孔中，同深度的温度以井田东部的7-2孔最大，且在纵向上，地温随测温深度的增加逐渐升高，呈现出良好的线性关系，为传导型增温特点（图2）。地温梯度随深度的增加而递减，并逐渐趋于一致（图3）。在400m以浅，地温梯度分布较为离散，呈逐渐变小的趋势；当深度至400m以下时，地温梯度变化较小，在2.6～3.4℃/HM之间，低于400m以浅的地温梯度值。在平面上，该井田现今地温梯度介于1.7～3.8℃/HM之间，平均2.83℃/HM，略高于相邻西井田2.78℃/HM的地温梯度值，且具有明显的分段性。从南北向看，由南至北地温梯度呈减小的趋势，从F72断层附近的3.6℃/HM以上向北到断层附近地温梯度减小至2.2以下，部分地区甚至小于2℃/HM.从东西向看，20线以西地温梯度呈减小的趋势，绝大部分区域地温梯度在2.8℃/HM以下，且至井田西端减小至2.2℃/HM以下；20线以东地温梯度总体上呈先增大后减小的趋势，20线附近地温梯度在2.6℃/HM以下，在10线和13线之间南部部分区域达3.6℃/HM以上，至井田东端地温梯度减小至2.4℃/HM以下。总体上，该井田地温梯度等值线延伸方向主要为北西向和近南北向，表现为南高北低、东高西低的特点。

图2 井田系统连续测温曲线

3.5 地温场模型

本次研究，根据改井田深部实际开采状况，采用三维通风管理软件Venom，建立三维可视化通风仿真模型，并且进行热模拟。将井田地表高程、地温梯度等热模拟参数，输入通风模型进行热模拟计算，得到该井田深部采场原岩地温场分布状态图，如图4所示。由此可知，随着井田开采深度的增加，地温不断升高，-587m中段以下的巷道工程围岩地温都在27℃以上，其中，-827m中段巷道工程围岩地温达到30.5℃。我国《煤炭资源地质勘探地温监测若干规定》指出：原始岩温高于31℃的地区为一级热害区，原始岩温高于37℃的地区为二级热害区。由此可见，该井田深部开采热害开始显现，随着开采深度的增加，高温地热将对今后井田生产有更大的影响。

图3 井田现今地温梯度-深度关系图

图4 地温场模型

4 结束语

在我国，随着浅部矿体资源的不断开采，采矿逐步向深井发展，矿井地温场温度越来越高，工作面气象条件逐渐恶化。在深井矿体开采过程中，高湿高热的工作环境，使工人容易疲劳，降低工作效率，增加各类伤亡事故的发生概率，严重损害矿山企业的经济效益与社会效益。因此，进行深井地温场监测技术及分布规律研究，不但是划分矿井热害等级的重要参数，还是深井热害治理的基础数据之一，更是进行深井开采的前提条件。

[1]李建华.浅层地热能勘察测试技术在地源热泵建设中的应用[J].建筑施工，2013，35（11）：1018～1020.

[2]田春艳.广东省中高温地热资源勘查与开发利用建议[J].地下水，2012（4）：61～63.

[3]司士荣.“十二五”中国中低温地热发电关键技术开发与应用前景研讨会在京召开[J].地热能，2011（1）：28～29.

P314

A

1004-7344（2016）23-0174-02

2016-7-15

朱佳（1988-），男，本科，主要从事水纹水资源工程等工作。