北京平原区第四系热物性参数特征及对浅层地热能开采的影响因素分析

【研究目的】 岩土热物性是影响浅层地热能资源评价及利用的重要参数。【研究方法】 在北京平原区各冲洪积扇采集了695件第四系岩土样品进行热物性及土工参数测试,分析了热物性参数特征及其对浅层地热能开采的影响。【研究结果】 北京平原区第四系岩土热导率平均值为1.465~2.022 W/(m·K),热扩散率平均值为0.450×10^-6~0.841×10^-6 m²/s,比热容平均值为2.323~3.080 MJ/(m³·K),热导率（λ）与热扩散率（κ）值存在一定的线性关系,相关方程为λ =1.6973κ + 0.6127。第四纪松散沉积物颗粒越细,热导率值越低;含水率0~5%范围内,热导率随含水率增加迅速增大,含水率5%~20%范围内,热导率增加变缓并趋于稳定,含水率20%~40%范围内,热导率随含水量增大而降低;在天然状态下,热导率随着密度的增加而增大,随着孔隙比的增加而降低;样品温度在0~40 ℃范围内,热导率随温度升高呈先减小后增大的趋势,20 ℃时热导率最低。【结论】 第四系热物性参数随地质条件变化而变化,热物性参数大小会影响浅层地热能储存、采集和扩散能力,热导率、热扩散率及比热容越大,岩土蓄热和导热能力越强。     

天津地区地层热物性特征及影响因素分析

为分析天津地区地层热物性参数的地区分布特征和平面分布规律,布置88个勘查孔、现场采集1 076个岩土样、室内分析热导率、比热容、热扩散系数等地层热物性实验,对测试数据进行统计分析。结果表明:天津市岩土体热导率在1.26~1.70 W/(m·K),比热容在2 050~2 090 J/(kg·K),热扩散系数在0.45×10-6~0.74×10-6 m2/s。同一地区不同岩性的比热容,黏土最大、粉砂最小,热导率刚好相反,热扩散系数与比热容规律相同;不同地区同一岩性的热物性参数差别不大。天津市比热容与热导率呈现大致相反的趋势,热导率高值区位于蓟县、宝坻和宁河的东部、武清西部、静海南部以及滨海新区的中部地区;比热容高值区位于蓟县、宝坻和宁河西部、武清东部、静海北部以及滨海新区大部分地区。     

温度变化对碳酸盐岩储层岩石热物性的影响

以苏北盆地某地热井碳酸盐岩储层岩石为研究对象,对处于20、50、100、150、200 ℃ 5个实时温度点的3组岩石样品进行热物性参数测试,分析导热系数、比热容和热扩散系数随温度变化的规律,拟合趋势曲线和经验公式,探讨影响机制。结果表明：在20～200 ℃的温度区间内,随温度的升高,岩石的导热系数拟合曲线以二次多项式关系呈下降趋势,50 ℃的温度点是岩石导热系数由急速下降到缓速下降的拐点,导热系数平均值减小约31.47%;比热容拟合曲线以二次多项式关系呈上升趋势,比热容平均值增大约23.27%;热扩散系数随温度的变化趋势与导热系数一致,且二者具线性相关,100 ℃温度点是热扩散系数由急速下降到缓速下降的拐点,热扩散系数平均值减小约44.48%。随着温度的升高,比热容增大造成的补偿作用是导热系数下降幅度小于热扩散系数的主要原因。     

松辽盆地北部岩石热导率及其影响因素

本次研究采用瞬态平面源法对松辽盆地北部76个钻孔的263个岩心样品进行了岩石热导率测试。岩心的实测热导率集中在0.58~3.00 W/(m·K)之间, 平均为(1.77±0.64) W/(m·K); 泥岩、粉砂岩、砂岩、砾岩平均热导率分别为(1.30±0.39) W/(m·K)、(1.89±0.64) W/(m·K)、(1.91±0.37) W/(m·K)、(2.18±0.57) W/(m·K); 变质岩、火成岩平均热导率分别为(2.75±0.67) W/(m·K)、(2.70±0.45) W/(m·K)。碎屑岩和凝灰岩热导率整体上呈现出随着埋深和地层年龄的增加而增大的趋势, 而砾岩和变质岩变化趋势不明显。分析了压实成岩作用、砂岩的矿物含量和岩石的变质作用对岩石热导率造成的影响。通过饱水测量获得了原位热导率, 对岩心的原位导热系数进行了修正。最后建立了松辽盆地北部地层热导率柱, 可以为研究区的热流计算、深部地温场建模、盆地热史恢复等提供地层热导率约束。     

激光闪射法测量一种砂岩的高温热扩散系数和热导率

沉积岩的热扩散系数和热导率是十分重要的地质学和地热学参数,对精确获得地表热流密度及建立沉积盆地的热结构模型具有重要意义。本研究利用激光导热分析仪LFA 457测量了一种砂岩从298~773 K的热扩散系数,并结合比热容和密度参数计算获得了其这一温度区间的热导率。结果显示,在298 K时,砂岩的热扩散系数为1.20 mm2 s~(-1),比热容为0.80 J·g~(-1)K~(-1),热导率为2.38 W·m~(-1)K~(-1);温度升高时,热扩散系数迅速减小,比热容升高,总体结果是热导率减小(未考虑体积膨胀造成的密度变化)。在研究的温度区间内,热扩散系数减小了69%,热导率减小了54%。结果表明,高温原位的岩石热导率只有室温下的60%左右。因此,使用高温下的热导率值才能获得更准确的地表热流数据。     

砂岩热物理性质的温度作用效应试验研究

高温作用会导致岩石内部结构发生变化,并对其热物理性质有着显著影响。因此,研究高温作用后岩石热物理性质的变化规律对地热系统及存在热流传播问题的地下工程具有指导意义。试验利用高温炉和Hot Disk热常数分析仪研究了高温作用后砂岩热物理性质的变化特征。研究表明:砂岩的热导率、比热、热扩散率随温度整体呈下降趋势,可分为25℃~100℃,100℃~400℃,400℃~600℃,600℃~900℃四个阶段;25℃~100℃,砂岩热导率、比热、热扩散率因附着水蒸发急剧减小;100℃~400℃,砂岩热导率、热扩散率变化平缓,比热因含水量的降低减小得较快;400℃~600℃,砂岩中结晶水、结构水的蒸发及石英的相变导致微裂隙发育、延伸,进而引起热导率、比热、热扩散率持续下降;600℃~900℃,砂岩中矿物发生分解、熔融破裂,热破裂进一步增加与扩展,这个阶段内热导率、比热迅速下降,但热扩散率基本稳定。     

基于花岗闪长岩矿物成分的热导率预测模型

岩石矿物成分的种类及相应体积分数是影响岩石热导率的主要因素,通过室内实验测定花岗闪长岩的热导率及矿物成分的含量,研究矿物成分对岩石热导率的影响规律。将岩样各矿物成分体积分数转化为相同平板面积的壁面厚度,建立了花岗闪长岩矿物成分对其热导率影响规律的预测模型,预测值与实测值误差在0.2～0.6 W/(m·K)之间,通过修正系数调整模型使误差控制在5%范围,同时分析模型得到花岗闪长岩热导率随石英体积分数与长石体积分数比值的增加而变大,为开发利用干热岩地热能和岩石热物性研究提供理论参考。     

中国东南地区岩石热导率值的分析

测定我国东南地区７１２块岩石样品的热导率数据，计算了各类岩石的平均热导率值。该区中沉积岩的热导率值普遍高于华北地区同类岩石的热导率值。砂岩和泥岩的平均热导率值分别为３．４１±１．２２Ｗ／ｍ．Ｋ和３．５９±１．１９ｗ／ｍ．Ｋ，而且在区域上同类岩石的热导率值变化幅度很大。研究结果表明，这些岩石的热导率值主要受控于其矿物成分，特别是石英的含量。为了确保该地区实测热导率数据的可靠性，对部分样品进行了多种方法的检测，并在此基础上选送７块样品到美国地质调查所用稳态的分棒法进行检测，结果十分一致。在计算热流值时，根据该地区沉积岩的特点采用厚度加权平均热导率值，从而使我国东南地区的实测热流值具有较高的质量和可靠性。     

高温高压下钠长石集合体热扩散系数的实验研究

钠长石是组成地壳最重要的矿物之一,对其高温高压条件下导热性质的研究有助于认识地壳的热结构。本研究以高温高压瞬态平面热源法为基础,测量了钠长石集合体在0.5 GPa,1.0 GPa,2.0 GPa和285~973 K的热扩散系数。实验结果显示钠长石不同温度下的热扩散系数的压力系数介于4.8%~9.2%/GPa间,较其它硅酸盐矿物的4.0%高很多。在深部地壳环境下,由于压力的效应可以使钠长石的热导率比常压下高17%,因此在基于钠长石热导率计算地壳热结构时需要考虑压力的效应。     

岩石热导率校正对大地热流计算值的影响——以渤海湾盆地冀中坳陷为例

岩石热导率是计算大地热流的基础热物性参数,热导率的选取和校正是正确评估热流的基础。当前在冀中坳陷乃至渤海湾盆地的大地热流计算中,多以受季节性气温变化和地下水活动等因素影响较小的古近系和新近系砂泥质岩层作为大地热流的计算层位,岩石热导率也多参考区域内已有定值,而忽略了热导率对水饱和度、温度和压力的依赖性。本文从岩石热导率的温压校正和饱水校正角度出发,计算并比较了不同校正方法对热流值的影响。主要认识如下：① 岩石热导率作为1个受多因素综合影响的热物性参数,其大小与岩性和矿物组分密切相关,同时通常与孔隙率呈负相关,而与密度呈正相关;② 热导率高温试验结果显示,冀中坳陷砂岩样品热导率总体上随温度的升高而降低,在30~130 ℃的温度区间热导率降低了6. 8%~11. 3%,热导率下降率具有随热导率的降低而减小的趋势;由于砂岩和泥岩具有相对较浅的埋深和较低的原位温压条件,温压对热导率的正负效应可以在一定程度上相互抵消,对于热导率小于2 W/(m·K)的样品,温压对其的影响较小。③ 饱水校正后的冀中坳陷JZ03井和JZ04井古近系—新近系砂泥岩热导率的平均偏差分别高达43. 0%、47. 5%;④ JZ03井和JZ04井古近系—新近系岩层热导率在未经任何校正、经含水率校正及经孔隙率校正情况下的大地热流值分别为43. 05 mW/m2、45. 39 mW/m2、61. 64 mW/m2和52. 81 mW/m2、59. 81 mW/m2、78. 14 mW/m2;最终选取经几何平均模型饱水校正后的热导率计算得到的61. 64 mW/m2和78. 14 mW/m2两个热流值分别作为冀中坳陷牛北斜坡和高阳低凸起中部的大地热流值。     

Meso–Cenozoic thermal regime in the Bohai Bay Basin,eastern North China Craton

This article discusses the Meso–Cenozoic thermal history, thermal lithospheric thinning, and thermal structure of the lithosphere of the Bohai Bay Basin, North China. The present-day thermal regime of the basin features an average heat flow of 64.5 ± 8.1 mW m^–2, a lithospheric thickness of 76–102 km, and a ‘hot mantle but cold crust’-type lithospheric thermal structure. The Meso–Cenozoic thermal history experienced two heat flow peaks in the late Early Cretaceous and in the middle to late Palaeogene, with heat flow values of 82–86 mW m^?2 and 81–88 mW m^?2, respectively. Corresponding to these peaks, the thermal lithosphere experienced two thinning stages during the Cretaceous and Palaeogene, reaching a minimum thickness of 43–61 km. The lithospheric thermal structure transformed from the ‘hot crust but cold mantle’ type in the Triassic–Jurassic to the ‘cold crust but hot mantle’ type in the Cretaceous–Cenozoic, according to the ratio of mantle to surface heat flow (q_m/q_s). The research on the thermal history and lithospheric thermal structure of sedimentary basins can effectively reveal the thermal regime at depth in the sedimentary basins and provide significance for the study of the basin dynamics during the Meso–Cenozoic.     

随机固-热耦合模型与岩石热破裂数值试验研究

1. 大连轻工业学院 信息科学与工程学院,大连 116034;2. 辽宁工程技术大学 力学与工程科学系,辽宁 阜新 123000     

Magnitude of latent heat in thermally loaded clays

Temperature changes are known to induce specific couplings in clay, in particular, an anomalously high thermal pressurization in undrained conditions or a thermal compaction in drained conditions, both of which are potential threats for the mechanical stability and sealing capacity of the geomaterials. Thermodynamical analysis of those peculiar thermomechanical couplings points to a potentially important latent energy, which in turn could limit the temperature change upon heating or cooling. The direct measurement of latent energy developed during a laboratory geomechanical test is challenging. Instead, proper identification of thermal hardening in conventional experiments with temperature changes provides an alternative route to estimate latent energy. In this work, existing laboratory thermomechanical tests of clays are analyzed with a rigorous thermodynamic framework to quantify the magnitude of latent energy in thermomechanically loaded clays. A thermodynamically consistent constitutive model for fully saturated clays that combines two key features, (a) the temperature dependence of the blocked energy and (b) the framework of bounding plasticity, is proposed. The performance of the model is validated by reproducing results obtained in laboratory tests for Boom and Opalinus clays. The thermomechanical loads considered to validate the model performance were then used to estimate the percentage of work that remains latent in the clayey material during plastic yielding. We find that the magnitude of latent energy is quite significant, typically a few tens of percent of the total dissipated energy, and increases significantly with temperature. Accordingly, it is expected to play an important role in the thermomechanical response of clays.     

温度对粘性土介质力学特性的影响

分析了温度效应对粘性土介质若干基本力学特性的影响。对粘性土的热固结问题、温度对粘性土介质渗透特性的影响、粘性土中的热传导规律及热阻抗特性、土-水体系在温度效应下的作用机理、温度作用下粘性土的本构规律等进行了深入研究。特别就温度诱致的孔隙水压力的变化机理及不同性质土类粘性土体积变化的可逆性问题进行了探讨。     

煤田自燃烧失量的计算方法探讨

在定量分析地面红外辐射温度与地面热流密度的基础上,归纳了二者之间的相互关系,探讨了根据地面的红外辐射温度计算地面热流密度和煤田自燃烧失量的方法,在此基础上提出利用陆地卫星LandsatTM第六波段计算煤田自燃烧失量的方法.     

热棒技术加强高原冻土区路基热稳定性的应用研究

热棒是传热效率很高的热导装置，适合于增强青藏高原多年冻土区建筑物地基的热稳定性，介绍了青藏高原多年冻土区内某试验路基中使用热棒的一些基本情况，分析了热棒的工作状态和制冷作用半径，并针对不同的气候情况对路基本体和路基基底的地温场分布状况变化进行了对比分析。结果发现，使用热棒后经过1a时间，路基基底的冷储量得到了显的增加，在路基工程中使用热棒保护冻土和增强路基热稳定性是成功有效的，最后对热棒路基的设计参数提出了一些建议。     

沉积盆地热体制研究的基本原理和进展

沉积盆地动态热体制研究可以分别在盆地和岩石圈两种尺度上进行，其目的是盆地热历史的重建或恢复。在盆地尺度下，热历史是通过地层中古温标（直接或间接的）反演而获得的；在岩石圈尺度下，则是通过盆地构造热演化模拟正演而获得的。古温标的动力学模型和盆地数学模型是正、反演过程的基础。本文综述了镜质体反射率、磷灰石裂变径迹和蒙脱石－伊利石转化三种主要古地温计的动力学模型和不同类型盆地成因模型的发展概况，勾画了盆地热历史重建正、反演方法程序的基本框架，并就几个相关问题提出了意见。最后介绍了新近开发出的油气盆地热历史及构造热演化模拟系统。     

热红外遥感技术在铀矿勘查中的应用潜力探讨

随着新型热红外传感器的相继问世及热辐射相关理论的不断发展,热红外遥感在资源勘查尤其是铀矿勘查领域呈现出了巨大的应用潜力。从地表温度、热惯量和热红外光谱3个方面对热红外遥感在资源勘查应用中的理论依据、研究现状进行了阐述,对其在铀矿勘查应用中的研究目标、研究内容进行了详细论述,并以ASTER热红外波段为数据源在华南某花岗岩铀矿区进行了实例应用,取得了良好的效果。实践表明,热红外遥感技术在铀矿勘查领域具有良好的应用前景和独特的应用价值,必将在铀矿找矿工作中发挥重要的指导作用。     

Determination of paleoheat-flux using multiple thermal indicator tomography

Multiple thermal indicator tomography is a non-linear inversion procedure which permits simultaneous determination of geological, chemical kinetic, and thermal parameters in the burial and thermal histories of sediments. The procedure is based on inverting measurements with depth in a well of multiple thermal indicators, each of which must have experienced the same thermal history. For two wells from diverse geological settings, tomography is used to assess the paleoheat-flux variations with time most consistent with all the thermal indicator data. Resolution and sensitivity of the results are also addressed. For the case history of well X in the North Sea, with both vitrinite reflectance and sterane isomer thermal indicators, a generally decreasing heat flux from past to present is obtained roughly halving every 50 Ma. The activation energy for the sterane isomer is also determined simultaneously to be 42±20 kJ/mole. For the second case history of the Irma Mclean well in the onshore Gulf of Mexico, data from four thermal indicators are available: vitrinite reflectance, sterane and hopane isomers, and sterane aromaticity. A general decrease in paleoheat-flux from amount 2.8 heat flux units (HFU) at 100 MaBP to 1.25 HFU at the present day is obtained, the activation energy for the sterane isomer is simultaneously determined to be around 50±20 kJ/mole, while the corresponding values are around 80±20 kJ/mole for the hopane isomer, and around 65±20 kJ/mole for sterane aromatization.