(中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所)
摘要:地球是壹個巨大的能源寶庫，每天從地球內部轉移到地表的熱量相當於全人類壹天所用能量的2.45倍。特別是在人們日益關註全球氣候變化、環境汙染和社會可持續發展的形勢下，隨著地源熱泵技術的成熟，低溫低焓淺層地熱能作為壹種可再生的清潔能源備受關註。作為其開發利用的技術支撐，勘探技術亟待解決。本文僅討論相關問題和經驗。
1淺層地熱能開發現狀
地球是壹個巨大的能量庫。進入地球越深，溫度越高。每天從地球內部轉移到地表的熱量，相當於全人類壹天所用能量的2.45倍。這種儲存在地球內部的能量，其實比化石燃料更豐富。特別是在人們越來越關註全球氣候變化、環境汙染和社會可持續發展的情況下，地熱能作為壹種可再生的清潔能源備受關註。
淺層地熱能是地熱能的壹部分。具有開發利用價值的地熱能在距地層恒溫帶200米以下，壹般溫度約為65438±05℃。它的開發利用離不開地源熱泵技術的發展。
1.1在國外的應用現狀
1912年，瑞士Zoelly首先提出了利用淺層地熱能作為熱泵系統低溫熱源的概念，並申請了專利，標誌著地源熱泵系統的問世。直到1948，Zoelly的專利技術才真正引起人們的普遍關註，尤其是在美國和歐洲國家。自1974以來，隨著能源危機和環境問題的日益嚴重，人們越來越重視以低溫地熱能為能源的地源熱泵系統的研究。
地源熱泵的應用在美國最強。在1990、1995和2000年的地熱能直接利用中，地源熱泵所占比重較大，約為59%，發展非常穩定，年均增長約7.7%。1997年安裝12kW地源熱泵4萬臺，2000年達到40萬臺左右。預計2010年總裝機量將達到1.5萬。目前，地源熱泵在美國多用於學校和辦公樓。大約600所學校安裝了地源熱泵，主要在中西部地區。
地源熱泵在歐洲的應用主要集中在中北歐國家，如瑞典、奧地利、瑞士和德國。地源熱泵的利用在20世紀50年代有過壹個高潮，但由於價格昂貴，沒有進壹步發展。石油危機後，歐洲壹些國家已經組織了5次大型的地源熱泵國際學術會議，研究了30多個地源熱泵項目。與美國的情況不同，歐洲主要利用淺層地熱資源，采用盤管埋於地下土壤(深度小於400m)的地源熱泵，主要用於室內地板輻射供暖和提供生活熱水。根據1999的統計，地源熱泵在家庭供暖設備中的比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%，明顯高於1996之前。
1.2國內應用現狀
我國在熱泵方面有著良好的科研成果和應用基礎。早在20世紀50年代，天津大學就在國內開展了熱泵的研究。80年代末以後，國內高校開始研究地源熱泵。2001在寧波召開的全國熱泵與空調技術交流會和2002年在北京召開的國際熱泵大會上，國內外人士開始關註中國這個發展潛力巨大的大市場。近年來，我國加強了地源熱泵的應用研究，已有十幾家廠家自主研發生產了地源熱泵機組，如山東富爾達、北京中科能、沈陽東宇等。此外，壹些著名的外國公司在中國設立了銷售部門，並在北京、天津、廣州、重慶、山東、河南、湖南、遼寧、Xi、黑龍江和河北設立了項目。目前，我國有100多個地源熱泵項目，供熱/空調面積100萬m2。這些項目幾乎都是以地下水為熱源的水源熱泵系統。地下埋管地源熱泵系統目前僅在山東、天津、湖南、河北、吉林等地進行了示範，並取得了初步成效。
2淺層地熱能開發的水文地質分類
根據淺層地熱能利用的含水層介質類型、特征和埋藏分布，劃分了淺層地熱能的水文地質類型。結合現有的相關勘探規範，地熱能開發的水文地質類型基本可分為四種:16型。四大類是孔隙水、巖溶水、裂隙水和特殊水。待識別的各種類型和水文地質問題見表1。
表1水文地質勘探水源地類型及待識別的主要水文地質問題
繼續的
3淺層地熱能勘探技術
在淺層地熱能勘探過程中，壹方面繼承和發展傳統的水文地質勘探方法，同時及時將新的理論、技術和方法不斷應用於淺層地熱能勘探。從衛星影像航測、航拍到化探、物探，再到地質鉆探，形成了全方位的立體勘查體系，達到了經濟發展、地質先行的戰略要求。淺層地熱能勘探應遵循以下優化原則:資料收集-地質調查-地球物理-地球化學-地質鉆探-資源評價-開發利用-回灌保護-測量監測。
3.1數據收集
在進行任何勘探之前，首先要盡可能地收集、整理和分析該地區的地質、水文地質、地球物理和地球化學資料。收集數據時註意以下四點:
(1)咨詢範圍要盡可能大，包括壹個完整的地質構造單元及其鄰區；
(2)應註意巖體和地質構造資料的收集；
(3)對於以低溫傳導為主的地熱田，重點關註凹陷內的凸起，註意收集物化探資料；
(4)要註意溫度數據的收集，盡可能收集溫泉的位置、溫度和水量。在覆蓋區域，我們主要尋找鉆井和抽水時的實測溫度數據。
3.2地質和水文地質調查
地質調查的目的是了解淺層地熱能的地質背景，查明地熱田的地層時代、巖性特征、年代、分布範圍、地質構造特征以及地下水的補給、徑流和排泄條件，為下壹步淺層地熱能勘探提供依據。地質測量中應註意以下問題。
(1)淺層地熱能開發區的構造控制。根據已知井、泉的調查，其出露部位多處於現代活動強烈的構造復合部位；或者大斷層與其引起的次生斷層相交的地方；或在拉伸、拉伸和扭轉斷裂和接合處等。，因為這些地方都是比較破碎的巖石，往往是地下水在其中運動，深水湧動的有利場所。
(2)在調查區域斷層剖面時，應重點描述多孔的透水層和不透水層，以及所有火山巖的產狀和時代，同時註意巖層的化學成分、熱液蝕變和礦物沈積的特征和範圍。通過裂隙中的圍巖蝕變和礦物沈積現象，有助於發現埋藏較深、地表無地熱顯示的熱異常區，也為進壹步勘探指明了方向。
(3)水文地質中，應對地表出露的冷泉或冷井的溫度、水量、pH值進行逐壹實地測量，描述冷泉出露的地質、構造條件，並選取水樣進行化學和同位素(氚)測定。還應測量流經該地區的河流和小溪的流量和水溫，並對壹些主要河流進行分段測量，以測量進入熱區前、中、後的水溫並采取水樣，以確定地表水和地熱水的補給和排泄關系。沖積扇發育區應劃分頂部補給區、中部徑流區和下部排泄區的界限。
3.3地面地球物理勘探技術
地面地球物理勘探的具體任務是:確定含水層上覆蓋層的厚度、地層和巖性界面及形態；確定故障的位置和發生情況；了解巖溶發育的位置、規模和形態特征；查明地下水賦存空間與徑流通道的連通性；查明地下水的埋深、流速、流向、含水層深度和含水量。地下水勘探的常用方法主要有DC法和電磁法，包括:天然電場法、充電法、DC電阻率法、激發極化法、音頻地電場法、高密度電阻率法、探地雷達、頻域電磁測深法(EH-4電導率成像系統)、瞬變電磁法、核磁共振法等。每種方法都有自己的技術特點，因此有其不同的適用範圍。
天然電場法和充電法常被用來確定地下水的方向和速度，而核磁共振技術可以直接探測含水層的位置、水量和滲透性，這是淺層地熱能地下水物探技術要解決的* * *問題。根據不同類型地下水的賦存條件和地球物理勘探方法的技術特點，如何建立合理有效的地球物理勘探技術，是地面地球物理勘探要解決的首要問題。
3.3.1松散層孔隙水
地球物理勘探的主要目的是了解含水層結構及其富水性、地下水位埋深和地下水礦化度。國內外淺層孔隙水勘探技術已經成熟。壹般來說，DC測深或感應電測深更為合適，成本低，方法簡單，受歡迎。視電阻率參數可以確定含水層結構和地下水礦化度，激發極化參數可以用來了解水的豐度。但在某些地區，常規電阻率法難以奏效，如沙漠地區地表極度幹燥，電極接地電阻大，供電困難；對於高礦化度的淺區，電阻率低，導致供電電流過大，供電設備功率大，測量電壓信號小，影響觀測精度；部分地區地形條件不利，開展工作不易。這時可以選擇電磁測深法，如頻域電磁測深法(EH-4電導率成像系統)，其觀測系統輸入阻抗高，工作方便，效率高；瞬變電磁法可以利用磁源激勵線圈，不涉及接地問題。對於水文地質條件復雜的地區，在其他物探工作的基礎上，選擇重點地區，利用Numis核磁共振技術確定含水層深度、厚度、給水量和水量。在西北黃土高原地區應用效果明顯，但該方法成本高、效率低。
3.3.2碎屑裂隙水
其賦存介質主要是中生代盆地沈積的壹套巨厚的侏羅系和白堊系河流相泥巖。地下水類型有風化帶網狀裂隙水和淺層承壓裂隙水。
碎屑風化帶網狀裂隙水的物探目的是確定風化殼底界的埋深，了解風化裂隙的發育程度和富水性。由於勘探深度小於50m，選擇高分辨率的高密度電法更為合適。
淺層裂隙承壓水是指碎屑巖大泥巖夾壹定厚度砂巖層的層間裂隙水。由於不同膠結類型的砂巖體孔隙滲透率低，砂巖層以裂隙水為主。地球物理勘探的目的是了解砂層的厚度。雖然模型簡單，但由於含水砂巖層厚度的限制，很難做地球物理勘探。目前頻率域電磁測深是壹種可行的手段。
3.3.3碳酸鹽巖溶水
巖溶地區地下水按賦存介質不同可分為地表帶巖溶水、溶洞水、巖溶管道水、構造裂隙巖溶水和埋藏巖溶水。它們單獨存在，又相互交叉，形成了復雜的巖溶地下水系統。
(1)表層為巖溶水。地球物理勘探的主要目的是了解覆蓋層的厚度，基巖的起伏形態，洞穴和溶槽的發育情況。探測對象的地球物理特征是低阻反射，與圍巖接觸界面兩側的波阻抗不同。由於探測深度壹般小於30m，且異常規模較小，要求物探手段具有較高的分辨率，因此備選方法為高密度電阻率法和探地雷達。
(2)溶洞水。巖溶洞穴水發育於質純、厚度大的石灰巖和白雲巖中，呈平面或似層狀分布。因為溶洞、溶孔、溶隙都含水，所以表現為阻力低的特點。找水物探首先利用聯合剖面法、音頻地電場法等剖面法確定溶洞、裂隙發育區的平面位置，然後利用電磁測深法了解巖溶發育帶的空間分布特征，尤其是瞬變電磁測深法更能明顯地反映異常。
(3)巖溶管道水。巖溶管道水，即地下河，是西南碳酸鹽巖地區最典型的地下水類型。由於巖溶地區地表水與地下水之間的頻繁轉換，地下水的空間分布極不均勻，縱向上呈雙層或多層結構；同時，受地層、構造和巖溶地貌的控制，巖溶水文地質系統較小且分散。巖溶管道水有許多簡單的地質地球物理模型。與圍巖相比，其電性和彈性參數變化明顯。但由於其規模和埋深的限制，物探找水難度較大，目前還沒有切實有效的技術方法。對於埋深小於100m的巖溶管道水，物探方法可選擇探地雷達、EH-4電導率成像系統和瞬變電磁法。探地雷達可以直接反映其有效勘探範圍內異常體的分布；EH 4系統能反映地下裂隙和巖溶的發育情況，但在局部地表不平時容易產生靜態效應，甚至不能做出合理解釋；瞬變電磁法觀測純二次場對探測高阻圍巖中的低阻異常有很好的效果。各種方法可以從不同側面反映異常體的形態特征，從而查明地下巖溶管道的分布情況。巖溶管道水深超過100m時，找水困難。目前已有瞬變電磁法可用，但應用程度不成熟，需要進壹步的試驗和研究。
(4)構造裂隙巖溶水。這類地下水受構造破碎帶控制，物探的主要目的是查明構造破碎帶的分布特征和富水性。斷裂帶裂隙水的地球物理勘探技術在20世紀80年代已經成熟，最經濟有效的方法組合是音頻地電場法和感應電測深。音頻大地電磁法可以快速確定構造帶的平面位置，利用激發電測深的視電阻率、極化率、半衰期等綜合參數，了解斷層破碎、裂隙發育的富水地段。當地形條件有限時，激發電測深很難開展工作。EH-4電導率成像系統可用於了解構造破碎帶的空間分布特征和富水性。當覆蓋層厚度大於30m時，音頻地電場法的異常強度較弱，應選擇節理剖面法確定構造帶的平面位置。
(5)埋藏巖溶水。深部巖溶水地球物理勘探的目的是了解灰巖界面的埋深和巖溶發育情況。灰巖與上覆地層電性特征和彈性參數差異較大，巖溶發育受深部構造控制，表現為低電阻和彈性參數不連續。地震技術可以準確了解灰巖界面的埋深和斷層的空間分布特征；電磁測深法主要反映地層結構和巖溶發育程度；直流電測深主要用於勘探階段。目前，多種方法的有效配合，在寧南深層巖溶水勘查中取得了新的進展。
深部巖溶水物探技術面臨的幾個問題是:地下水位埋深大，變化大，地下水位埋深仍難以確定；深埋碳酸鹽巖巖溶地下水受構造控制，分布不均勻，地下水礦化度難以確定。其實淺層構造裂隙水勘探也有類似的問題。石灰巖被碎屑巖覆蓋時，很難了解巖溶的發育程度。
深部巖溶水物探技術面臨的幾個問題是:地下水位埋深大，變化大，地下水位埋深仍難以確定；深埋碳酸鹽巖巖溶地下水受構造控制，分布不均勻，地下水礦化度難以確定。其實淺層構造裂隙水勘探也有類似的問題。當石灰巖被碎屑巖覆蓋時，很難了解巖溶的發育程度。
3.3.4基巖構造裂隙水
這類地下水的賦存介質為火成巖或前震旦紀變質巖，基巖裸露或覆蓋層薄，巖石風化裂隙不發育，地下水資源缺乏。地下水主要賦存於構造破碎帶中。
地球物理勘探技術類似於碳酸鹽巖構造裂縫中的巖溶水。對於勘探難度大的地區，可以利用核磁共振來判別斷層泥或富水程度。
3.4鉆孔方法
鉆井法是壹種投資大、風險高的重要方法，但在淺層地熱能勘探和評價中又是不可或缺的。也是查明淺層地熱能分布和儲存條件的基本手段，是淺層地熱能勘探的重要環節。鉆探主要用於淺層地熱能的詳細調查和勘探。其目的是驗證過去工作中圈定的範圍是否正確，查明地下水的水文地質條件，如埋藏條件、運動規律、水溫、水量、水位、水質等。目前，我國的鉆井施工技術越來越成熟。
4淺層地熱能開發井完井技術
在淺層地熱鉆井施工中，鉆井是基礎，完井是關鍵，二者統壹於整個施工過程。鉆至目的層並不意味著熱源井的完井，完井技術決定了地熱井的質量。
4.1完成流程選擇
根據不同的井筒結構，目的層的層位決定了完井施工工藝。根據目前的熱源井，基本分為兩種:壹種是松散地層，即第四紀地層、風化層和斷層破碎帶；基巖目的層熱源井，如奧陶系霧迷山組、寒武系、青白口、薊縣。由於目的層不同，完井技術也不同。
4.1.1松散地層完井技術
松散地層完井需要過濾器，所以完井過程比較復雜，基本過程如下:
鉆後→換漿→物探測井→通井→破壁→換漿→下管→止水→填礫→洗井→抽水試驗(取得水文地質資料)→交井。
開鉆後，為了保證測井工作順利完成，需要更換泥漿，調整井下泥漿性能(但要保證井壁穩定)。為了保證測井工作的順利完成，調整的項目主要是粘度、密度、含砂量等指標。測井工作應按地質設計的技術要求逐項進行測試，根據測井解釋資料和實際測井資料確定濾波管的下入深度、纏繞距離和止水位置。測井結束後，要重新鉆井，同時下破井器破壁，鉆井破井後再下過濾器。
在濾管頂部進行20 ~ 30m的水泥固井，濾管內的上層全部用水泥封固，封固長度不小於300m。應在泵房與井管的重疊部分進行固井，並用水泥密封環形部分，這樣在3 ~ 4 MPa下試壓穩定20分鐘後，才能保證環形部分的密封質量。在每層濾管中，需要止水的部位安裝5mm厚的膠袋，每層膠袋數量不少於2個。
下管後，帶噴嘴下鉆具，在濾管內上下沖洗。洗滌壓力為5MPa，洗滌時間不少於4小時。然後提出噴嘴，運行鉆具並連接鼓風機，用氣體和水洗井。水和砂清理幹凈後，將鉆具提至泵房，再次用氣和水洗井。最後根據井的水位下降情況，下放潛水泵進行正式抽水，測量井的實際出水量、動、靜水位和下降深度。按地質設計要求做抽水試驗，經發包人、承包人、監理驗收合格後交井，完成地熱井的全部施工。
4.1.2基巖熱源井完井技術
基巖熱源井的完井基本都是裸眼完井，完井工藝比較簡單。根據設計的井深結構，在深完井後，可以在20s以內更換井內泥漿，然後進行測井。測井後，下鉆至目的層底部，進行氣水混洗。水凈化後，下入深井泵抽水。測量井的實際出水量、水位、單位湧水量後，交井。
4.2竣工後的勘探孔
無論何種熱源井，所有工作完成後，都應進行探孔工作。松散層熱源井勘探後，沈降管內的砂礫不應超過沈降管的1/3。如果大於1/3，則應將沈降管中的砂礫撈出。松散層中熱源井底部的沈澱管不應小於20m。
基巖熱源井完井後的鉆孔勘探要求:井底沈渣不得超過含水層(目的層)長度的1%。如果達不到上述標準，應重新排砂，直至符合要求。
4.3酸化洗井
基巖熱源井施工中，若目的層裂縫較小或巖屑堵塞水道，應采用酸化壓裂處理。
在熱源井施工中，對酸化用鹽酸的濃度和地層中的巖屑取樣進行室內試驗，確定酸化鹽酸的濃度。濃度壹般應為15% ~ 18%。
酸化壓裂法:先將裸眼井段的鹽酸註入井內，然後下封隔器(封隔器的大小應能封住上部套管)進行壓裂。根據不同的井深使用不同的壓力。最小壓力不得小於15MPa，這樣壓力才能使酸化效果更好。
5淺層地熱能開發存在的問題
淺層地熱能(包括地下水、土壤或地表水)是壹種利用地源熱泵技術提供熱量和制冷的高效節能空調系統。憑借其獨特的優勢，近年來在國內發展迅速。隨著我國能源結構政策的調整，我國傳統的燃煤鍋爐供暖和空氣源熱泵供冷形式將被更高效的地源熱泵所取代。隨著地源熱泵技術的研究和發展，作為壹種利用可再生能源的空調系統，它具有節能和環保的雙重效益，必將成為21世紀最普遍、最有效的供熱供冷技術。
但總體來看，我國地源熱泵發展還不夠規範，基礎研究有待進壹步完善，相關專業標準有待制定，行業間缺乏必要的合作與交流。所有這些因素都或多或少地影響了這項技術的推廣。
中國淺層地熱能勘探開發存在的主要問題是:中國淺層地熱能統壹管理薄弱；中國地熱資源勘探和評價程度低；地熱資源開發利用水平低；地熱資源勘探開發技術研究有待加強；部分地區熱源井過於集中，過度開采。此外，地熱能開發引發的環境問題也相繼出現，主要表現在熱源尾水除少量回灌外，大部分通過城市排水系統流入附近的河流和濕地。對於就地排放的熱源尾水，要從水質、溫度等方面保證不會汙染周圍水體、土壤或造成熱汙染。因此，要密切關註水化學動態趨勢，進行跟蹤研究，以便及時發現問題，及時解決問題。
利用管井灌溉地下水還存在以下問題:①灌溉井的井型結構不合理。大部分灌溉井仍沿用礦用井的單濾管結構，部分井管采用水泥管，影響了井的使用壽命。(2)采灌井地面安裝不科學，井口和泵管系統不密封，回註過程中氣相容易堵塞，管井長期報廢。(3)在大部分地區，采灌只有單壹的表現，會造成冬夏兩季簡易回灌井的物理和生化長期堵塞，導致回灌井廢棄。④合理利用地下水資源。取用適量地下水，需要再次回灌地下水，嚴格控制回灌水的水質，杜絕水資源的浪費或汙染。⑤合理設計和選擇地下水源熱泵冷熱水機組，提高能效。
6建議和對策
利用地源熱泵開發淺層地熱能的技術和資源條件已基本具備，熱泵的最高效率和高環保性贏得了世界的青睞。因此，熱泵技術和產業正在世界範圍內迅速發展。中國也具備了相應的發展條件，發展前景非常看好。
(1)重視非地熱異常區地熱資源勘探開發，拓寬地熱資源開發利用範圍。地熱資源分布廣泛。根據地熱升溫速率，在深部存在強滲透性儲層的條件下，有可能獲得壹定深度的預期地熱資源。隨著勘探技術的進步，鉆3000 ~ 4000 m的地熱深井不再是問題，這使得地熱資源的開發有了新的思路，不局限於地熱異常區或淺部，特別是壹些大型沈積盆地和有經濟基礎的城鎮。
(2)油田地熱資源的開發已引起廣泛關註。事實上，地熱資源廣泛分布於沈積盆地的油田區。相當壹部分有水無油的石油探井可以改造成地熱探井。油田開采後期，多用水，少用油氣，可以主要開采地熱資源，對油區經濟發展和產業調整十分有利。這引起了石油行業同行的廣泛關註，並在華北、華東、大慶等地進行了試點，取得了良好的效果。
(3)重視地熱資源的綜合利用和梯級利用，提高地熱資源的利用率和經濟效益。地熱資源的開發利用已由最初的壹次性利用轉變為綜合和梯級利用。用於供暖的地熱水往往采用先供暖、後供暖、環境用水的方式，或根據建築物對溫度的不同要求實施梯級供暖，或利用熱泵技術將壹次供暖後的尾水轉化為熱能進行二次利用，提高了地熱資源的利用率和技術含量。地熱資源用於農業大棚種植時，我們也在考慮利用不同作物對溫度的不同需求，實施溫度的梯級合理配置，比如北京小湯山地區的現代農業園區。
(4)註意采灌結合，保持地熱資源的可持續利用。在壹些地熱開發較早的地區，如北京、天津、福州和Xi，地下熱水水頭明顯下降，在壹定程度上影響了資源的進壹步開發和可持續利用。結合國內外地熱開發經驗，地熱回灌已成為維持地熱資源可持續利用和提高熱區地熱資源利用率的重要知識。除了開采和回灌的實驗研究，這些地區早期的地熱資源開發領域已經包括采灌結合。
(5)推進規模化開發，使地熱資源配置趨於合理，提高開發利用的整體經濟效益。這與地熱資源的特點、采灌結合的需要以及經濟規模化、規模化開發的發展態勢是分不開的。隨著經濟發展中大型企業的出現，地熱采灌結合的實施，實際上會限制只采不灌的小單位開發地熱資源，鼓勵資源條件和經濟條件好的單位實行大規模開采，采灌結合開發地熱資源，這將是必然趨勢。
(6)制定統壹開發計劃，實施統壹開發。地熱開發是以水為載體，開發地熱流體資源或地熱水資源。由於地下熱水的流動特性，在同壹個熱田或同壹個分布廣泛的熱儲層中開采地下熱水資源時，開采井之間的相互幹擾是不可避免的。為了合理開發和保護地熱資源，減少甚至避免盲目開采問題，應在查明可開采地熱資源的條件下，制定統壹開發規劃，實施統壹開發管理。對此，前期開發地熱資源的北京、天津、福州等地已註意到這壹問題，較早制定了區域地熱資源開發規劃，促進地熱資源有序開發。
(7)控制技術在地熱開放利用中的應用。主要是根據供需實際需要，控制地熱開采井的產量、配水量和地熱尾水的排放溫度；地熱井的產量、井內水位(水頭)變化和水溫自動監測和傳輸。自動控制技術已廣泛應用於北京、天津等地新開發的地熱資源。
(8)加強管理。加強行政立法，制定相關技術標準，對地熱開發利用實行規範化管理和法制化管理。