A. 地热测量方法
在大面积地热调查中，可以用红外扫描方法来圈定地热异常的范围。在区域的或局部的地热调查中，通常有深孔温度测量（1000m左右）、浅孔温度测量（50～200m）、浅层 土壤温度测量（2～30m）和1m测温法。
（一）地热测量仪器
1.温度计
钻孔测温使用的仪器有最高水银温度计、电阻温度计和半导体热敏电阻温度计等。实际测量中可根据具体情况灵活使用。
2. 热导率的测量仪器
岩石的热导率值基本上是在实验室进行的。但土壤一类松散物质可以采用就地测量方 法。实验室测量方法有稳态法和瞬态法。稳态法比较精确，但比瞬态法需要更多的时间。在我国，常用的仪器是稳定平板热导仪，也可以用导热探棒在现场直接测量热导率。
就地测量方法的优点在于能够测量岩石在原始状态的特性；另一优点是速度快。为了 测量深海沉积物、土壤、砂、黏土、雪和冰等一类松散物质的热导率，有各种就地测量技 术，其结果都只能反映测量探头周围的瞬时热状态。近几年已采用一种两用探头在钻孔内 同时测量地温梯度和热导率值。
（二）地热测量的工作方法
地热测量在地热调查中具有十分重要的意义，由于地热异常区的热量可以通过传导而不断地向地表扩散，测量地下一定深度的温度和天然热流量，便可以圈定地热异常区，并 大致推断地下水的分布范围。
地热测量可在一定间隔的点、线组成的测网上进行。测线方向一般应垂直于地热异常 的长轴或储热、导热构造的方向。测网密度应根据地热异常形态、规模等确定，如控制地 下热水的构造不清，热异常形态复杂，则测网密度应加大；若覆盖层较厚，地热异常不明 显，测网密度可适当放稀，而扩大测量面积。
地热测量的深度应根据储热构造的埋深、温度及当地的水文地质、气候条件而定。在埋深较小的高温地热区，由于地表地热异常明显，可采用浅部测温。浅部测温包括地表温 度调查和浅孔地温调查两类。
地表温度调查是测量土壤的温度和温度梯度，由于1m深处的地温已不受气温瞬息 变化的影响，所以可采用1m深度的测量，即米测温法，也可在深2～30m的浅孔中用 温度计进行测量。由于近地表地热异常的延伸范围一般较小，故点距应小于50m，大 多在10～30m之间。
浅孔地温测量的孔深一般在50～200m之间，钻孔间距取决于地热异常的范围。其优 点在于不受地表气候变化的影响，但钻进费用较土壤温度测量高。
深孔地温测量的孔深较深，一般在1000m左右，主要了解深层热状态。
在覆盖层较厚的地热区，地表没有地热异常显示或显示微弱的情况下，多采用钻孔测 温方法。由于钻孔中的原始岩体温度已受到钻探、井液或空气循环等技术活动的破坏，因 此，为使测得的地温梯度尽量接近于原始地温梯度，一般要求在终孔后相当一段时间（一 般为数天至半月），待孔中气温和井壁岩层温度达到稳定平衡以后，再进行地温梯度测量。测量时，将半导体热敏电阻温度计通过电缆放入钻孔中，逐点测量地温的垂向变化。
（三）地热测量资料的整理和图示
地热测量取得的数据是极其重要的第一手资料。为了获得有关地热异常空间分布及其规模的正确结论，必须对所收集的与地热场有关的原始资料和原始测温数据进行全面分析，分类评价。
在综合资料之前，需要了解钻孔温度是否已经恢复平衡。长期静止的钻井、基井、生 产井、水位变化不大的水文观测孔以及终孔后稳定3～5天以上的钻孔测温数据可作为基础数据。钻进过程中的井底温度、关井测静压时的井温以及矿井平巷浅孔（通常要超过5m）的温度可作为同类数据的对比和参考数据。径流影响强烈的自流井和干井内的温度 曲线不能作为地温资料处理。如果目的在于确定热流密度，则应选择当地最深、又无地下水运动影响的钻孔温度资料。
根据全区内各钻孔的温度曲线，可以分别求得钻孔内各岩层的地温梯度及全区各岩层的平均地温梯度，然后按照式（6-3），利用岩心标本测得的岩石热导率κ，求得钻孔中 各岩层的热流密度，并进而求得全区各岩层的平均热流密度值。
对于浅孔测温数据特别是米测温数据，由于它受温度周期变化，不同地表状况的干扰，地下水活动，高程和山的阴坡、阳坡及人为干扰等影响，所以应作温度校正。
1.温度周期变化对米测温的影响与校正
太阳热辐射的周期性变化引起的近地表气温的周期性变化，由于热交换，势必影响到 地温场的分布。
年变的校正要根据工作区的大小、工作时间的长短、工区条件分别采取不同的方法，若工作时间不长，且地形较平坦、岩性较均一、地表状况不复杂，可采用测量相对地温方 法。这种方法是将所测各点的温度值分别减当天基点温度值，就可得到各测点的相对温度 值。当基点温度变化较大时（大于0.3℃），用内插方法进行改正，最后将测区各测点相对地温值换算为以工作期内某一时间为准的地温值，并以此温度值绘图进行解释。如果能在气温变化平缓的月份开展浅层测温工作，年变影响将大大减弱。
当工区较大、工作时间较长、地表状况也较复杂时，由于所选基点与野外实测孔的年 变往往不能同步，因而采用不同基点进行分别校正。当其工作量大且不易取得较好效果 时，可利用热扩散系数值计算某深度相对地表温度变化延迟量的方法进行年变校正。
2.不同地表状况的干扰与校正
地表状况不同是指土壤性质、岩性分布、覆盖条件、植被等地表状况的不同。即使地 球内部向外部传递的热量不发生变化，由于岩石的热力学性质不同，也会引起地下温度的 变化，影响温度分布的热力学参数主要是热导率、热扩散率及放热系数。地表状况校正可 采用剖面校正法、统计校正法、热扩散系数校正法及放热系数校正法。
剖面校正法是在背景场上选择同时穿过几种不同地况的剖面，利用增设感温元件或重复观测的方法，对地表状况不同的地段进行反复测量，按不同地表状况分界处的温度跨度确定校正值。
统计校正法是在野外施工之前，根据踏勘对测区进行分类，在分布较广的不同地表状 况的地方，分别选择分布均匀且易保存的若干测点。施工期间，根据不同月份定期观测，每次每个测孔重复观测3～4次，经过总基点校正，将每孔平均值作为该孔温度值，再求出某地表状况平均值作为该地温值。
热扩散系数校正法是按地表状况类型分别选取若干测点，按一定时间间隔（或每月）测定各点的土壤热扩散系数值，按年变校正方法，计算各种类型地表状况的校正系数。
放热系数校正法是以测区内地表状况不同、放热系数不同为依据，通过测量1m深处 的温度与温度梯度，然后求出放热系数值，根据不同地表状况下的平均放热系数差值进行校正。
3.地下水活动的影响
地下水是活跃的地质因素，在地表浅部尤其是在地表附近分布广泛，且易流动。地下 水具有较高的热导率和较大的热容量，以传导和对流两种方式传递热量。浅层地下水的活 动会影响区域地温场的分布，从而成为浅层测温的干扰因素。
在开启性泄流盆地，地下水起着冷却和降温作用，在封闭性滞流盆地，地下水相对停 滞，水温和围岩温度趋于一致，地下水对地温场影响不大。在半开启性滞流盆地，盆地中 心无泄水区存在，地下水相对停滞，而在盆地边部，由于大气降水渗入对地下水也会有相 当大的影响。
由于地下水的普遍存在，给米测温工作带来较大的困难。勘查地下热水所得到的地温异 常受地下水活动的影响，往往使异常幅度大大降低，地温异常形态发生变化，使地温异常的 最大值从热水导水断裂的正上方发生偏移。各个工区的地下水活动有其本身的特点，目前尚 无适当的方法对地下水的干扰进行有效地校正。实践表明，即使地下潜水位变化较大，地下 水垂向和横向活动剧烈的地区，米测温虽然很难指明高温异常的确切位置，但仍然可以反映 地热异常区的大致范围。由此，不能简单地从观测到的温度最大值推断热储的地下位置，应 尽力收集有关的水文地质、构造地质资料，以求对测温结果作出正确的解释。
4.高程和山的阴坡、阳坡及人为干扰的影响及校正
地形的起伏或测点位于山坡的阴坡、阳坡，使测点接受日照量存在明显差异。实际工 作中，地温场与相应的地形剖面线位置密切相关。地形斜度不大于5～7℃时，1m深处的温度不受地形起伏的影响。在地形起伏较大的测区内，应参考年平均温度和高程的关系。简单的校正办法是地形每上升或下降1m时，温度增或减0.01℃，在山前地带、山区及地形被强烈切割的地区，还应考虑地表倾角不同时的校正值。
距离阳坡越近的测点温度越高，反之，测点位于长期避阳处温度较低。在野外记录中考虑了这种影响因素，通过简单的对比实验即可求出校正值。
地表水及明显的地物会影响测温的质量。这些因素可使近距离内温度发生大幅度畸 变，但其影响范围有限，且沿平面衰减迅速，为此干扰可通过踏勘剔除。
为了便于成果解释，测点应尽量避开地形突变的边坡、冲沟、河漫滩、湖岸、沼泽 地、涌水处及树木、高大建筑物的长期背阴处，尽量选择地表状况大致相同的地段安放感温元件进行温度测量。
5.地温测量的几种主要成果图件
（1）钻孔地温剖面图
该图是根据钻孔内不同深度上的温度值绘制而成。通常将此曲线附在钻孔水文地质柱状图上，以便与钻孔的水位、流量及地层结构等进行对比分析。对于浅孔测量没有此图。
（2）等温线断面图
该图是研究地热变化的重要图件。图中除了应将各钻孔的地温数据标在图上并勾绘等温线外，还应将地层岩性、断裂、裂隙、热岩溶蚀以及钻孔的涌水、漏水、水位等资料表示在图上，以便进行分析对比。
（3）等温线平面图
这种图通常是以地形地质图为底图，根据各测点同一深度的地温数据绘制而成。该图对于了解地热异常区的平面形态，寻找和圈定高温中心具有重要意义（田钢等，2005）。
B. 主要监测内容
1.水位(压力)
理论上热储层的压力变化应在储层中测试。但在热储层中测试经济成本高、时间较长,在现实中往往很困难。通过测量地热井井筒液面的动态变化,可以推算出热储层中的压力变化,所以,实际工作中人们往往采用该方法求取热储层压力。由于地热井筒中的液面动态不仅受储层压力影响,而且与上下液柱不同温度有很大关大禅系,所以,地热动态水位(压力)监测项目包括地热井水位(或水位埋深)、温度(静水位、动水位时的液面温度)。
天津地区地热井主要用于供暖,开采量比较大,从多年地热开采井稳定温度曲线图(图6-1)可以看出,井口温度在开采量大小影响下仅有微小变化,表明在多年开采情况下,热储层温度恒定。
图6-1 天津地区地热开采井多年稳定井口温度曲线图
地热井液面温度在不开采的情况下与对应的地层温度保持平衡;在动态开采情况下,通常稳定井口温度可近似代表储层温度(实际差别可见表4-1),停采10小时后液面与地层保持温差小于1℃的平衡(近似看做静水位)。因此,地热井液面温度通常取两个,一个是静态的,一个是动态的。
天津地区地热资源动态监测静态液面温度一般取20℃,用于表征地热井目前静水位埋深状况,指导实际生产中的下泵深度;动态液面温度根据不同储层情况而定,用于表征同一热储层平面压力分布状况,为地热研究及资源评价提供基础资料。图6-2和图6-3为天津地区2009年度馆陶组40℃水位埋深和换算后的热储压力等值线图。
2.开采量
采用机械流量表、电磁流量表、涡轮磁电流量表等计量装置对地热开采井瞬时流量、累计开采量进行监测、记录。受地热流体温度、压力的影响,计量表的安装要注意开采流量与管道直径、表的最大计量单位的匹配,安装质量符合安装技术标准要求等,否滚悄尘则会出现计量偏差。
3.流体化学
流体化学监测主要定期对地热流体进行全分析取样检测。天津地区一般在每年4月份、10月份统测期间取样、测试。图6-4为孔隙型馆陶组地热流体近几年主要离子组分变化图;图6-5为裂隙型雾迷山组近几年主要离子组分变化图。可以看出,地热流体主要离子组分近年并无明显变化,其离子组分含量稳定,人为开采扰动并没有对地热流体化学组分造成明显影响。
图6-2 2009年度天津地区馆陶组热储层水位埋深等值线图(40℃水柱)
图6-3 2009年度天津地区馆陶组热储压力等值线图
图6-4 天津地区西部WQ-05(左)和东部TG-16(右)馆陶组地热井主要离子组分变化图
图6-5 天津地区北部BD-02(左)和南部JH-02(右)雾迷山组地热井主要离子组分变化图
虽然地热流体相对组分没有明显变化,但在天津地区时间尺度较长的多年动态监测中发现,地热流体矿化度有下降趋势。如XQ-07地热井,1997年矿化度为2.5g/L,至2008年时降为2.0g/L。对其他不运敬同热储层56眼地热井连续多年监测资料统计发现(表6-1),地热流体矿化度有一定的下降趋势。从雾迷山组地热流体矿化度历年曲线图6-6也可以看出,部分地热井有下降趋势。
表6-1 天津地区地热井矿化度连续4年变化趋势统计表
注:3次间隔数据中有两次下降的为下降趋势井,其余为波动或上升井。
进行地热流体化学监测必要时可对地热流体中特殊组分如硫,铁单项,同位素,溶解、溢出气体等按需要进行定期或不定期监测。
4.回灌系统
回灌系统回灌量(瞬时回灌量和回灌总量)、水温和水位(或井口压力)及水质监测内容基本同开采井。所不同的是回灌量监测比较困难,回灌流体对储层温度场影响还需进行专项监测。
(1)回灌量计量问题
回灌流量计量是地热开采回灌动态信息监测工作中不可缺少的一部分,在近几年地热尾水回灌中有的回灌井回灌瞬时流量常出现许多问题(主要是基岩地热回灌井)。如回灌瞬时流量忽大忽小;累计回灌量大于开采量;有的回灌过程中出现负压,仪表显示的瞬时回灌量高出实际回灌量一倍以上。致使监测过程中难以得到准确的回灌量数据。
图6-6 雾迷山组地热井矿化度历年变化曲线图
通过对天津市现有地热供热站回灌系统考察调研,回灌流量计量不准存在以下问题:
1)测量装置安装不规范。将电磁流量计安装在室外、回灌管道最高处、地线未接地以及流量表半管或不足半管时计量。
2)产生负压。回灌方式不当造成回灌水流速加快,累计流量会高出开采量一倍或更多。
3)回灌系统没有排气装置。使回灌管道中充有气体(回灌井口带入空气、地热流体溢出气、水蒸气等),流量计量偏小等。
为了解决这一问题,在天津兴达地热供热站开展试验研究工作。通过对原有回灌系统管道改造,选择不同流量计、按不同安装方式,开展多种方案的地热水回灌瞬时流量试验,找出回灌量计量不准的解决办法,主要结论有:
1)无论电磁流量计、磁电流量计、机械流量表,安装时过水断面应为满管。以电磁流量计为例,其安装方式如图6-7所示。当水平直管安装不能满足要求时,可采用直管、下凹或斜管安装方式。
图6-7 电磁流量计的几种安装方法
2)回灌管浸入液面下10m,能有效地减少负压影响。试验中发现,回灌管在液面上10m时,回灌井口负压为0.4MPa,平均30～50s产生一次负压;当回灌管侵入液面以下10m时,回灌井口负压为0.01～0.02MPa,平均2min左右产生一次负压(与回灌量有关)。
3)井口安装排气装置,可有效减少正压产生,如图6-8所示。
4)每年回灌前,应回扬至水清、无色、无味,保证回灌通道畅通;每3～4年彻底洗井一次,恢复回灌井的回灌能力。
图6-8 回灌系统安装示意图
(2)低温回灌流体对热储层温度场影响主要采用连续测温方法进行监测
由于供暖结束后,地热回灌井基本处于静止状态,按一定的时间间隔对回灌储层温度进行连续监测,可以基本掌握储层的温度变化情况。天津地区对多眼地热回灌井进行了长年连续测温,以河西区HX-25B回灌井为例,该回灌井地层岩性组合为1400m以上为第四系、新近系砂泥岩;1400m以下为蓟县系雾迷山组白云岩。其回灌目的层为雾迷山组岩溶裂隙型储层,每年回灌20×104～25×104m3、30～40℃的低温地热尾水。从图6-9可以看出,1400m以上新生界松散层温度变化趋势较大(未有对流),而基岩热储层温度3年平均只下降0.38～0.39℃/a,反映出井底热储只是低温回灌流体的径流通道,而不是储存空间。
图6-9 回灌井HX-25B多年测温曲线图
大量的低温流体持续回灌入储层而储层温度变化却很小,分析与回灌流体的最终去向有关。刘传虎在《潜山油气藏概论》中,分析了单期次岩溶发育(图6-10)和多期次岩溶发育(图6-11)规律,其空间展布都具有垂向渗流带和水平方向溶蚀带,储层具备垂向渗流、水平径流的地质条件。北京在小汤山地区进行了多年的回灌试验,分析认为,小汤山地区热储属于白云岩裂隙型,回灌冷水柱在井底形成的压力水头大于热水柱造成的压力水头,冷水必然向下流动,热水向上运动,二者形成对流,对流扩大了回灌流体的影响范围。从天津地区裂隙型地热流体矿化度与储层埋深没有相关关系(图3 14)可间接证明,这种深部对流是客观存在的。因此说,裂隙储层的地质条件和回灌试验测试、分析结果表明,回灌流体进入储层后,不是聚集在回灌井周围,而是径流到了热储层深部,有利于水温的恢复。
图6-10 单期次岩溶孔洞发育特征(据刘传虎,2006)
图6-11 多期次渗流带岩溶孔洞发育特征(据刘传虎,2006)
低温回灌流体的动态轨迹监测目前尚无较好办法,有些大专院校采用回灌井周围微重力监测,但目前处于小范围的研究、试验阶段。
(3)回灌流体化学场监测除常规分析外,还可对地热回灌流体中悬浮物、微生物等进行定期或不定期检测,必要时对回灌井回扬水质进行检测,分析、研究回灌流体与储层的相互作用,为实现持续、科学回灌奠定基础。
C. 地下水污染的探测方法
地下水的污染检测要比地表水复杂得多。若采取只从观测井中取样的常规采样分析方法，无法了解深部和外部的渗漏情况，在深度和广度上均有相当的局限性。必须配合相应的地下探测方法——环境地球物理方法。
该方法的基本原理均是通过检测渗滤液渗漏后地下发生的物性变化来进一步分析判断渗滤液的渗漏范围和污染程度。当地下水受到污染后，视电阻率或电导率发生变化，由检测到的异常特征来确定地下水污染的范围、污染通道及流向等。
受高浓度导电离子污染的地下水与未受污染的天然水电阻率差别较大，探测区分是比较容易的。对于微量金属，非金属污染或10-9级的有机物质污染地下水的探测并不那么容易，探测方法还比较有限，是许多学者正在研究的问题。但也有许多成功范例。主要决定于污染物质种类、浓度和地质条件。
对于有机污染物，一般采用探地雷达方法，土壤气体分析法、自然电场法和电阻率方法。
a.探地雷达是根据介质储存电荷能力不同（即介电常数不同）来区分污染物质。渗入地下水的石油或有机化学物质，有时含量很少，但漂浮在地下水的上层，对探地雷达有较好的界面反应。当导电率低于10 mS/m，使用探地雷达效果最好。如果是粘土层，则比较不利。
b.挥发性土壤气体探测法（VOC3）：石油和三氯乙烯、四氯化碳等都属于挥发性气体，在地温、细菌或与其他地下水中物质作用下，进行转化，或直接挥发成气体，由土壤孔隙或地下裂隙向地表运移。用取样器提取土壤气体样品，然后用气相色谱分析仪测量气体。其优点是可同时分析多种气体，或使用特制的便携式探测仪，直接探测这类气体。但往往一种仪器只能探测一种气体，优点是快速，可以在现场了解污染分布范围。探地雷达可以确定污染物的地下深度，而VOC3方法只能提供平面分布范围。在条件有利的情况下，可以给出污染物的浓度。图11.2.1是潜水面下三氯乙烯和油污染的VOC3方法探测结果的平面分布图。
图11.2.1 VOC3法探测潜水面下三氯乙烯
c.电阻率方法：相当多的有机污染物和部分无机污染物是不导电的，如石油中的烃类物质都是不导电的，如用电阻率方法探测就有一定难度，而瑞森（Renson）等在1997年用由直流（DC）电阻率方法派生出的偏移测量方法成功地探测石油烃类物质污染。对于这类不溶于水的污染物（油、四氯化碳等氯化物）在有利的地质条件下，使用激发极化法也能取得有效的成果。
对于地下水中无机污染物质，如金属与氯离子等，由于它们的导电性能好，浓度越高导电性越好，越有利于利用电阻率方法进行探测。
图11.2.2为某垃圾填埋场高密度电阻率检测的实例剖面，它就像一张医用CT片一样，清晰地表现出剖面地下深部的渗滤液渗漏状况。经现场对照核实，剖面图中显示出的7个等间距低阻异常，与其下部掩埋的7只渗滤液汇集管道与总管的交汇点A、B、C、D、E、F、G一一对应。由于7个管道交汇点是由砖头砌成的，渗漏液已通过砖缝向外向下渗透，污染了周围的土壤。有的已向深部渗透，其中异常B、F两点向深部浸透较重。
图11.2.2 某垃圾填埋场高密度电阻率法检测剖面图