干热岩若干基础知识
胡经国
1、地热
地热是来自地球内部核裂变产生的一种能量资源。地球上火山喷发出的熔岩温度高达1200～1300℃。天然温泉的温度大多在60℃以上，有的甚至高达100～140℃。这说明，地球是一个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能。这种热量渗出地表，于是就形成了地热。地热能是一种清洁、可再生能源，其开发前景十分广阔。
2、地热能
地热能（GeothermalEnergy）是从地球内部抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是导致火山爆发和地震的能量。
地球内部的温度高达7000℃，而在80～100公英里的深度处，温度会降至650～1200℃。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1～5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量。
3、熔岩
熔岩（Lava）是指已经熔化的岩石。它以高温液体呈现，常见于火山口或地壳裂缝，一般温度为700～1200℃。虽然熔岩的黏度是水的10万倍，但是它还是能流动到数公里以外，冷却成为火山岩。
熔岩是指从地下深处喷出地表的岩浆，也用来表示熔岩经冷却后所形成的岩石。熔岩在熔融状态下的流动性，随二氧化硅的增加而减弱。基性熔岩粘度小，易于流动；而酸性熔岩则不易流动。由于熔岩化学成分的不同，或火山环境的差异，因而熔岩有多种表现形式。
4、岩浆
岩浆（Magma）是指形成于地壳和上地幔深处、富含挥发成分、主要成分为硅酸盐的高温粘稠熔融物质。
岩浆是地下深处熔融或部分熔融的岩石。喷出地表的岩浆称为熔岩（Lava）。由喷出地表的岩浆冷凝而成的岩石称为喷出岩（ExtrusiveRocks）；由侵入地壳中的的岩浆冷凝而成的岩石称为侵入岩（IntrusiveRocks）。
火山喷发时不但有蒸汽、石块、晶屑（矿物结晶碎屑）和熔岩团块从火山口喷出，而且还有炽热粘稠的熔融物质自火山口喷出或溢出。前者称为挥发分（VolatileComponent）和火山碎屑物质（VolcanicLasticMaterial），后者称为熔岩流（LavaFlow）。
4、地球圈层构造
地球圈层构造划分为：大气圈、生物圈、水圈、地壳、地幔和地核。大气圈、生物圈和水圈为地球外部圈层，地壳、地幔和地核为地球内部圈层。
5、地球ABCDEFG七大层位的界面深度与物质
A层（地壳）
0～33公里。上部硅铝层或花岗岩质层主要由沉积岩、花岗岩类和变质岩组成；下部硅镁层或玄武岩质层主要由相当于基性岩类的变质岩组成。
B层（上地幔）
33～410公里。以橄榄石结构的铁镁硅酸盐为主。
C层（中地幔）
410～660km公里。以铁镁硅酸盐变成尖晶石结构为特征。
D层（下地幔）
660～2885公里。主要为硅酸盐，还有金属氧化物和硫化物。
E层（外核）
2885～4640公里。镍铁成份，氧化铁。
F层（中核）
4640～5155公里。二硫化铁。
G层（内核）
6、地热异常区
地热异常区（GeothermalAnomalousArea）简称eothermalArea），是指地表热流量显著高于地球热流平均值的地区。
地球表面的热能分配有两种截然不同的图式，即：地热正常区和地热异常区。
地热正常区占地球表面的99%以上，其热流密度值变化范围是0～125毫瓦/米2，平均值大约等于60毫瓦/米2。在地表以下1千米的深度范围内，垂向地热梯度近乎恒定，水平方向上的地表热流量取渐变形式，其变化量值在1千米距离内往往可以忽略不计。
地热异常区的热流密度值可能高达41.8×1.05毫瓦/米2，一般地区要比上述值小得多，但是平均值可能达到41.8×1.02毫瓦/米2。而异常区的面积则可能达到几平方千米。热流量的水平变化取突变形式，垂向地热梯度在1米距离外就可能出现变化。
当在各种自然因素（如地质构造、岩性、地下水运动特征、古气候条件、火山作用、岩浆活动和外成作用）影响下形成特殊热源时，地壳表部正常的温度状况便遭到破坏而形成地热异常区。因此，在地壳上部，地温的分布是不均匀的。地下的等温面一般不是平面，而是随地区或地带的不同而起伏不平。同时，等温面的间隔也是各处不等的。在等温面突起和间隔较小的地方就是地热异常区。
许多有用矿产，如石油、天然气，某些金属矿、盐丘及地热资源等，都与地热异常有密切的成因联系。因此，地热异常可成为寻找这些有用矿产的找矿标志。
7、热容与热岩体
在不发生相变化和化学变化的前提下，系统与环境所交换的热与由此引起的温度变化之比，称为系统的热容。系统与环境交换的热的多少，与物质的种类、状态和数量以及交换的方式有关。因此，系统的热容值受上述各种因素的影响。另外，温度变化范围也将影响热容值；即使温度变化范围相同，系统所处的始、末状态不同，系统与环境所交换的热值也不相同。所以，由某一温度变化范围内测得的热交换值计算出来的热容值，只能是一个平均值，称为平均热容。
8、干热岩地热资源提取系统
干热岩地热资源提取系统由注水井、生产井和人工储热层组成。
9、人工致裂技术
干热岩地热资源开采井所采用的技术为人工致裂技术：在岩体中形成众多近似平行的裂隙，使注水井和生产井相互连通，从而形成地热资源提取的循环通道，让注入的循环水沿着裂隙经过深循环与干热岩进行充分的液相（循环水）、固相（干热岩层）传导换热，利用干热岩的热量不断地加热循环水，使之转换成能够利用的地热资源。
10、干热岩
干热岩（HotDryRock，HDR）是指地层深处（深埋超过2000米）普遍存在的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩体，赋存状态有蒸汽型、热水型、地压型、岩浆型的地热资源。较常见的干热岩有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。干热岩型地热资源是专指埋藏较深、温度较高、有开发经济价值的热岩体。
11、地热梯度
地热梯度，又叫做地温梯度或地热增温率，是指不受大气温度影响的地球内部温度随深度增加的增长率，是表示地球内部温度不均匀分布程度的参数。一般深度越大温度越高，以每100米垂直深度上增加的摄氏温度（℃）数表示。
不同地点地温梯度值不同，通常为1～3℃/100米，火山活动区较高。在实际工作中，通常用每深100米或1千米的温度增加值来表示地热梯度；在地热异常区，也常用每深10米或1米的温度增加值来表示地热梯度。地壳的近似平均地热梯度是每1千米25℃，大于这个数值就叫做地热梯度异常。近地表处的地热梯度因地而异，其大小与所在地区的大地热流量成正比，与热流所经岩体的热导率成反比。因此，地热梯度的区域性变化可能来源于热流量的变化，也可能来源于近地表岩体的热导率的变化。而在整个地球内部，地温梯度随深度的增加逐渐减小。
地热梯度的方向一般指向温度增加的方向，称为地热正梯度。若温度向下即随深度的增大而降低，则称为地热负梯度。在地热田钻孔穿透热储层以后，常常出现地热负梯度。
12、地热增温陡度
地热增温陡度（GeothermalDegree），又叫做地热增温级（GeothermalDegree），是地热梯度的倒数；其物理意义可以理解为当温度相差1℃时两个等温面之间的距离。
13、干热岩开发模式
干热岩开发通常有以下3种模式：人工高压裂隙、天然裂隙、天然裂隙－断层。其中，以人工高压裂隙模式为主。
14、人工高压裂隙
人工高压裂隙：通过人工高压注水到井底，高压水流使岩层中原有的微小裂隙强行张开，或受冷水冷缩产生新的裂隙；水在这些裂隙间流通，完成注水井和生产井所组成的水循环系统热交换过程。
15、干热岩资源开发系统设计与运行的关键技术参数
干热岩资源开发系统设计与运行的关键技术参数，包括：系统的出力（设计年限内允许提取的地热资源量）和寿命（可提取资源量的枯竭期限）、注水井与生产井的井口压力、注水流量、生产井的温度等。考虑以下因素：
⑴、注水井和生产井的剖面岩体温度的变化规律；
⑵、裂隙水压及裂隙宽度的变化规律；
⑶、裂隙的表面温度、压力随开采时间变化的规律；
⑷、裂隙宽度随开采时间的变化规律。
16、热干岩型地热资源分级
按地温梯度值，热干岩型地热资源分为3级：地温梯度达到80℃/km为高级，50℃/km为中级，30℃/km为低级。其中，若盆地中热异常中心地温梯度达到每100米33.27℃，则有望成为高级干热岩地热资源分布区。
17、地热资源利用
地热资源（150℃以上）主要用于发电。发电后排出的的热水，可进行逐级多用途利用；中温(150℃以下，90℃以上）和低温（90℃以下）的地热资源，以直接利用为主，多用于采暖、干燥、工业、农业、医疗、旅游以及日常生活等方面。
18、干热岩最佳区块选泽
由于在地温梯度和热流量值较高的地方最有利于干热岩的开发利用，因而从宏观的大地构造角度来考虑，干热岩最佳区块应该选择板块碰撞地带，包括海洋板块和大陆板块的碰撞带，大陆板块内部和大陆板块之间的碰撞带以及大陆板块内部的断陷盆地地区。
19、干热岩裂隙的产生和扩展
在干热岩体致密无裂隙的情况下，高压超临界水会使岩体大致垂直最小地应力的方向产生许多裂隙。若岩体中本来就有少量的天然裂隙，则这些高压水会先向其中运移，并使之扩展成更大的裂隙。
20、超临界水
水的临界温度T为374℃，临界压力P为22.1MPa；水的这个温度和压力值称为水的温度和压力的临界点。当水的温度和压力超过其临界点时，就称其为超临界水。它是指当气压和温度达到一定值时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。此时，水的液体和气体便没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈高压高温状态的液体。超临界水具有两个显著的特性。一是具有极强的氧化能力。将需要处理的物质放入超临界水中，充入氧和过氧化氢，这种物质就会被氧化和水解；有的还能够发生自燃，在水中冒出火焰。另一个特性是可以与油等物质混合，具有较广泛的融合能力。这些特性使超临界水能够产生奇异功能。
2019年6月9日编写于重庆
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