阳离子比值温度计用于沧县台拱带深部岩溶地热系统

阳离子地热温标建立在阳离子交换反应的基础上； Na - K 温标仅应用于150 ℃以上的热水， 尤其是钻孔中的热水。 低温条件下水溶Na + ／K +一般不受共生碱性长石之间阳离子交换反应的控制， 其优点是受稀释和蒸气分离的影响很小， 国外许多学者先后提出过Na-K 温标的函数和Na -K -Ca 温标的函数， 其中Na-K-Ca 温标是专门用来处理富钙热水的， 沸腾会使估算值偏高； 在许多富Mg2+的中低温热水中， Na-K -Ca 温标估算得到的结果也明显偏高， 因此需要进行Mg2+校正； Giggenbach 于1988 年建立K-Mg 温标。 除了以上阳离子地热温标， 还有Mg-Li 温标、 K-Li 温标、 Na-Li 温标、 Na-Ca 温标和K-Ca 温标等， 各有不同的应用条件。

由于温标方法众多， 应用条件各异， 加上使用者往往对这些条件不甚了解，容易简单地套用现有公式， 给结果的解释带来一定的困难。 因此， 对各类温标方法及其应用条件有一个比较全面的了解尤为重要。

阳离子地温计是利用地热流体中的地热水成分， 其阳离子比值与温度之间的关系， 从而逐步建立起来的地温计方法， 该方法均为经验性的近似方法。

1) Na-K 地热温标

地下天然热水中钠、 钾离子的含量随着温度的升高而有规律地变化， 因而可以试图用钠、 钾含量推算地下热储温度。 多年的实验研究表明， 用Na -K 地热温标评价180 ～350 ℃的高温热储的温度有良好效果。 对于低于120 ℃的热储，特别是热水中富含钙和地表有钙华沉积的热泉水， 用Na -K 地热温标评价热储温度将会得出错误结果。 Na-K 地热温标一般适用于中性或弱碱性氯化物水， 其钠钾比一般在8 ～20， 对于pH ＜7 的酸性水不能用Na-K 地热温标来评价地下热储的温度。 Na-K 地热温标很少受冷水稀释和蒸气分离的影响， 因而较普遍地用于高温热田。 这是因为相对于地热流体来说， 混入的流体只能提供很少量的钠、钾离子。

根据水岩平衡和热动力方程推导， 当钠长石和钾长石均达到平衡时， 且地热水温度大于150 ℃， 温标计算如下:

或

或

式中， Na， K——水样中钠、 钾离子的质量浓度， 单位为mg／L。

2) Na-K-Ca 地热温标

热水汽化后的蒸汽散失和汽水的混入都会影响Na -K -Ca 地热温标的计算精度， 主要原因是汽化沸腾后散失， 因而产生CaCO3 的沉淀， 水中溶解钙离子的损失将使计算的温度大大偏高。 如果热水的矿化度大大高于混入的冷水， 且冷水数量不大时， 冷水对Na-K -Ca 地热温标的影响可以忽略。 但是， 如果混入冷水的钙含量超过热水钙含量的20% ～30%时， 混合的影响就应予以考虑。 当Na-K-Ca 地热温标用于含镁离子较高的热水时， 也会算出异常高的结果， 可参考有关文献用镁离子加以校正。

(单位: mol／kg； T ＜100 ℃， β=4／3； T ＞100 ℃和lg (Ca0.5/Na) ＜0， β=1／3)式中， Na， K， Ca——水样中钠、 钾、 钙离子的质量浓度， 单位为mg／L。

3) K-Mg 地热温标(www.xing528.com)

Giggenbach 于1988 年建立K -Mg 温标， 该温标适用于低温地下热水， 估算温度一般高于热水井的出水温度， 被认为是继续向深部钻进有可能达到的温度。K-Mg 温标是基于钾长石转变为白云母和斜绿石的离子交换反应， 其对于温度的变化反应非常迅速， 在溶液中达到平衡也最为快速， 其相对含量的调整比Na -K要快得多， 甚至在低温下也是如此。 因此， 据此建立的K -Mg 温标是一种适用于低温热水系统的温标。

式中， K， Mg——水样中钾、 镁离子的质量浓度， 单位为mg／L。

根据理论分析和GRY1 号钻孔地热流体的实际情况， 这种温标比较适合此处地热流体温度的估算。

Na-K、 K -Mg 和Na -K -Ca 地温计有很多经验公式， 这里只选用上述5个公式， 并根据表5 -2 的数据， 对热储温度进行了对比估算， 结果如表5 -3所示。

表5　GRY1 孔高于庄组水样检测分析结果

表5　GRY1 孔高于庄组水样阳离子温度计估算热储温度结果　t／℃

根据表5 -3 GRY1 孔高于庄组水样阳离子温度计估算热储温度的结果可以发现， Na-K1 温标估算的压裂前后温度变化不大， 前后相差6.24 ℃， 但估算结果都偏高； Na-K2 温标估算的压裂前温度为173.46 ℃， 压裂后为188.18 ℃， 也相对偏高； Na -K3 温标估算的压裂前温度为134.66 ℃， 压裂后为142.99 ℃，较实测温度也稍有偏高。 由表5 -3 可以得出结论， 运用Na -K 温标公式估算的压裂前后结果普遍偏高。

Na-K-Ca 温标估算的压裂前温度为172.56 ℃， 压裂后为175.99 ℃， 压裂前后的温度与Na-K 温标公式估算的结果相差不是很大， 比Na -K1 温标估算的压裂前后温度稍低， 和Na-K2 温标估算的压裂前后温度较为接近。

Na-K-Ca 地热温标适用于中低温地热系统， 在许多富Mg2+的中低温水中，给出的温度值也明显偏高。 来自深部的地下热水镁含量一般极低， 因高温时镁保留在固相中， 但随着温度的降低及地下水的渗入， 镁在水中的含量增加， 为此，当水中含有较明显的镁浓度时， 要进行校正； Na-K-Ca 的离子交换反应未达到平衡， 因此计算热储温度可靠性不高。

K-Mg 温标在压裂前后可以非常准确地估算出该热储层的温度， 分别为压裂前的108.34 ℃， 压裂后的107.02 ℃， 结合前面的Na -K 温标和Na -K -Ca 温标， 可以发现Na-K 温标和Na-K -Ca 温标在压裂后均比压裂前估算值高， 而K-Mg 温标在压裂后则比压裂前估算值低， 导致该结果的原因可能是在压裂过程中， 大量的地表冷水混入， 造成其混合后的地下水中离子或温度情况不再适用于当前所运用的温标计算公式的基本适用条件， 如混入冷水的钙含量超过热水钙含量的20% ～30%时， 对Na-K-Ca 地热温标混合的影响就应予以考虑。 尽管压裂以后持续了很长时间的抽水工作， 但不能保证大部分用于压裂的水会被完全抽走， 特别是在GRY1 压裂后的水样采集区， 也会造成主要离子质量浓度在一定范围内的较大变化， 导致其代入公式计算以后异常偏高(如Na -K -Ca 温标在压裂后估算的地热流体的温度) 或略有偏低(如K -Mg 温标在压裂后估算的地热流体的温度)。

K-Mg 地热温标计算的结果表明， 在低温热水中K -Mg 地热温标的有关离子交换反应到达平衡快， 它们反映的温度可能是深部混合后热储温度下的再平衡温度。

综上所述， 由于Na-K 温标和Na-K -Ca 地热温标公式估算的压裂前后结果均偏高， 导致该热储层温度估算的均值在压裂前后都普遍偏高。