一種新的乾熱巖地熱資源量計算方法
2023-05-25 05:32:51 1
一種新的乾熱巖地熱資源量計算方法
【專利摘要】本發明公開了一種新的目標區域內的地熱資源量計算方法，其包括以下步驟：步驟1、確定目標區域邊界並對數據採集點進行乾熱巖地熱屬性信息採集；步驟2、利用泰森多邊形法將所述目標區域劃分多個子區域；步驟3、計算每個子區域的地熱資源量，並對所有子區域進行求和或求積分計算，得到整個目標區域內的地熱資源量。本發明充分利用了地熱採樣點的地理位置信息並對目標區域進行了唯一性分割，避免多解，有利於對目標區域進行地熱資源量評價，依此方法劃定資源開採有利區，減少勘探費用，降低地熱資源開發風險，最終實現地熱資源的有效開發和利用。
【專利說明】一種新的乾熱巖地熱資源量計算方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於泰森多邊形法計算乾熱巖地熱資源量的新方法。
【背景技術】
[0002]地熱是來自地球內部的一種能量資源，這源於地球本身是一個龐大的「熱庫」，蘊藏著巨大的「熱能」。這些「熱」通過地殼或洋殼滲出地表，於是就有了地熱。地熱資源是指貯存在地球內部的可再生熱能,起源於地球內部的熔融巖漿和放射性物質的衰變。從長期來看，地熱能是一種清潔、可再生能源，其開發前景十分廣闊。由於地熱能是源於並儲存於地下的，因此受地表條件，如天氣、地貌、徑流等，影響較小，因此具有很高的穩定性和安全性。目前地熱能在全球很多地區的應用相當廣泛，開發技術也在日益完善。
[0003]地熱資源按其成因和產出條件可分為水熱型和乾熱巖型兩種，其中，乾熱巖型地熱資源以其分布的普遍性和高熱儲溫度而更具開發潛力與前景。乾熱巖是一種清潔的可再生地熱資源，在過去40年裡，乾熱巖的利用技術日趨成熟，顯現出了巨大的利用價值。我國陸區面積廣闊且地處三大板塊交界處，具有良好的乾熱巖賦存背景。
[0004]「乾熱巖」(Hot Dry Rock)，從字面上理解，其是一種沒有水或蒸汽的熱巖體，同時，乾熱巖也是一種重要的地熱資源。乾熱巖普遍埋藏於距地表2?6公裡的深處，其溫度範圍在150?650°C之間，屬於高溫地熱資源(> 150°C )。乾熱巖的分布幾乎遍及全球,包括各大陸甚至海洋中，是一種幾乎無處不在的資源。判斷某個地方是否有乾熱巖利用潛力，最明顯的標誌是看地熱梯度是否有異常，或地下一定深處(2000?5000m)溫度是否達150°C以上。
[0005]乾熱巖地熱資源量計算是乾熱巖資源量評價的第一步，也是乾熱巖開發的基礎工作。首先，乾熱巖地熱資源量計算具有合理性。地下的地層是由不同巖性的巖石構成的，地質開發實踐證明，巖石在橫向、縱向上都有一定的連續性，即巖石在一定尺度的空間上是連續分布的，這為乾熱巖地熱資源量計算提供了現實基礎和理論依據，其計算結果的合理與否、誤差大小，關鍵的控制因素，就是空間尺度劃分和估計的合理程度這也正是本發明嘗試解決的問題。其次，如何科學、合理的計算乾熱巖地熱資源量，進而對一定區域內的乾熱巖地熱資源進行評估，對乾熱巖地熱資源開發具有重要意義。其一，是對區內的資源量有所了解，為初期的經濟價值評估提供數據基礎；其二，是初步圈定開發優選區，為乾熱巖地熱資源開發提供方向和保障。
[0006]目前，乾熱巖地熱資源量的計算方法主要採用體積法，即乾熱巖地熱資源總量Q等於低孔滲(忽略巖石中流體的儲熱量)乾熱巖石介質中所賦存的熱量，計算公式為Q =P *C*V*(Τ-Τ(ι)，其中P為巖石密度，C為巖石比熱，V為巖石體積，T為特定深度上的巖石溫度，Ttl為地表溫度。從計算公式可以看出，乾熱巖所蘊含的地熱資源量取決於乾熱巖的溫度及乾熱巖巖石的熱物性。
[0007]可以看出，乾熱巖地熱資源量計算的關鍵變量包括乾熱巖的密度、比熱、體積以及與地表的溫度差。體積一般通過區域面積與乾熱巖厚度的乘積求得，另外幾項關鍵變量的常規獲得方法主要有:頻率分布統計法、均方差統計法和1° Xl0經緯度網格分區統計法。概率分布統計法是對區內全部數據進行頻率分布統計，以確定各關鍵變量的取值，這種方法與數據採集點的地理位置無關，而僅與頻率分布有關。均方差統計法是對區內幾項關鍵變量的實測數據分別進行簡單的均方差計算以獲得代表性數值，然後用於計算，這種方法與頻率分布統計法類似，也與數據採集點的地理位置無關，而且一個區域僅能獲得一個代表性數值。1° Xl0經緯度網格分區統計法是將選定區域以1° Xl0經緯度進行網格化劃分，然後進行分區統計，按照每個分區的統計結果，確定各關鍵變量的取值並用於計算的方法，該方法在一定程度上考慮了數據採集點的地理位置，但以規則經緯網格進行劃分的方法，仍然割裂了數據採集點地理位置與區域內乾熱巖地熱資源量之間的必然聯繫。
【發明內容】
[0008]針對以上不足，本發明旨在提供一種新的乾熱巖地熱資源量計算方法，其基於數據採集點地理位置通過泰森多邊形法對目標區域進行合理劃分，依此計算目標區域內乾熱巖地熱資源量。
[0009]為了實現上述目的，本發明採取的技術方案是:
[0010]一種新的乾熱巖地熱資源量計算方法，其包括以下步驟:
[0011]步驟1、確定目標區域邊界以及對數據採集點進行地熱屬性信息採集，得到邊界圖形；
[0012]步驟2、利用泰森多邊形法將所述目標區域劃分多個子區域，其包括以下步驟:
[0013]步驟21、以邊界圖形和數據採集點為基礎，繪製德勞內三角網，以確保三角網格的唯一性；所述德勞內三角網由一系列銳角三角形構成，每個銳角三角形構成德勞內三角網的子三角形；
[0014]步驟22、利用繪圖法，求得德勞內三角網中每個子三角形的外心；
[0015]步驟23、將目標區域邊界內所有相鄰的子三角形的外心用直線連接，構成泰森多邊形，完成對目標區域的合理劃分；所述泰森多邊形的外部邊界為目標區域邊界，其內部由多個子多邊形鄰接而成並完全分割目標區範圍，每一個子多邊形內包圍唯一一個數據採集點，每個子多邊形構成區域為該目標區域的子區域；
[0016]步驟3、目標區域內地熱資源量的計算，其包括以下步驟:
[0017]步驟31、計算每個子區域的面積；
[0018]步驟32、以每個子多邊形內包圍的數據採集點作為該子多邊形的標誌點，以該標誌點實測的乾熱巖厚度數據為代表數據，計算每個子區域的乾熱巖體積，所述乾熱巖體積為該子區域的面積與乾熱巖厚度的乘積；
[0019]步驟33、以每個子多邊形內包圍的數據採集點作為該子多邊形的標誌點，以該標誌點實測的乾熱巖地熱屬性數據為代表數據，計算每個子區域的地熱資源量，所述地熱屬性數據包括乾熱巖密度、乾熱巖比熱容、乾熱巖溫度以及地表溫度，所述乾熱巖地熱資源量為乾熱巖密度、乾熱巖比熱容、乾熱巖體積以及乾熱巖溫度和地表溫度之差四個參數的乘積；
[0020]步驟34、完成所有子區域的地熱資源量計算後，對該所有子區域的地熱資源量進行求和或者求積分運算，獲得整個泰森多邊形區域的地熱資源量，完成對目標區域內的地熱資源量計算。
[0021]所述步驟I包括以下步驟:
[0022]步驟11、通過手持GPS設備進行實地測量並記錄目標區域的邊界坐標，以確定整個目標區域的邊界；
[0023]步驟12、根據區域性地熱資源普查數據的確定數據採集點的位置；
[0024]步驟13、通過手持GPS設備，抵達相應的數據採集點，對每個數據採集點的乾熱巖地熱屬性信息進行採集，以得到每個數據採集點的乾熱巖地熱屬性數據，同時記錄數據採集點的經、緯度坐標以及海拔高度；
[0025]步驟14、整理步驟11記錄的邊界坐標並把步驟13記錄的數據採集點坐標整理成表格文件；
[0026]步驟15、利用地理信息系統軟體，將邊界坐標生成邊界圖形文件，將所述表格文件導入地理信息系統軟體中，生成數據採集點圖形文件。
[0027]所述邊界圖形文件和數據採集點圖形文件均為標準Shp格式。
[0028]所述表格文件包括數據採集點編號、數據採集點名稱、數據採集點經度坐標、數據採集點緯度坐標、數據採集點海拔高度、數據採集點實地測得的乾熱巖地熱屬性信息，所述乾熱巖地熱屬性信息包括信息名稱及該信息名稱對應的數值。信息名稱包括乾熱巖密度、乾熱巖比熱容、乾熱巖溫度以及地表溫度四個參數的名稱。
[0029]與現有技術相比，本發明的優點在於:
[0030]1、首次依據數據採集點地理位置信息對目標區域進行劃分。
[0031]數據採集點是重要的地下信息樣本，其核心意義在於，在地下乾熱巖連續分布的情況下，與採集點地理位置越接近的地方，其實際地熱屬性信息與採集點實測的值差距就越小。換言之，以地理位置信息為重要標識的數據採集點可以準確的代表一定地理範圍內的地熱屬性數據。因此，摒棄以往通過統計法確定參數平均值來計算地熱資源量的方法(基於固定1° Xl0經緯網格劃分目標區域的方法，最終也是通過統計法確定網格內參數取值的)，採用基於數據採集點地理位置對目標區域進行子區域劃分具有可靠的理論依據和現實意義。
[0032]2、劃分方法具有合理性。
[0033]泰森多邊形方法在鄰域分析方面具有很多優良特性:①每個泰森多邊形內僅含有一個離散點數據；②泰森多邊形內的點到相應離散點的距離最近位於泰森多邊形邊上的點到其兩邊的離散點的距離相等。本發明充分利用這些優良特性，以離散數據採集點的地理位置為依據合理劃分目標區域為多個子區域，將離散數據採樣點數據與整個目標區域乾熱巖地熱資源量計算聯繫起來，具有充分的理論依據和現實意義。
[0034]3、劃分方法具有唯一性。
[0035]子區域劃分僅有合理性還不夠，需要考慮另一個關鍵問題一區域的劃分是否唯一，否則不同劃分方式之間可能造成不可控計算誤差。在泰森多邊形的構建中，首先要將離散點構成三角網，這種三角網稱為德勞內三角網(Delaunay Triangulat1n)。它與泰森多邊形是偶圖關係。對於給定的初始點集P，有多種三角網剖分方式，如果滿足以下特徵，則被稱為德勞內三角網:①三角網的外邊界構成了點集P的凸多邊形「外殼」；②沒有任何點在三角形的外接圓內部；③如果將三角網中的每個三角形的最小角進行升序排列，三角網的排列得到的數值最大。從這個意義上講，德勞內三角網是「最接近於規則化的「的三角網。德勞內三角形網的一個重要特性就是不論從區域何處開始構網，最終都將得到一致的結果，即構網具有唯一性。根據偶圖的性質，德勞內三角網的唯一性意味著泰森多邊形劃分也是具有唯一性的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1為泰森多邊形法區域劃分示意圖(其中(a)為邊界及數據採集點；(b)為以各數據採集點為頂點構成的德勞內三角網；(C)為在德勞內三角網基礎上形成泰森多邊形；(d)為對區域的泰森多邊形劃分結果)；
[0037]圖2為目標區域的邊界(以內蒙古自治區為例)；
[0038]圖3為目標區域的邊界及數據採集點(以內蒙古自治區為例)；
[0039]圖4為目標區域的泰森多邊形劃分(以內蒙古自治區為例)；
[0040]圖5為本發明一種新的乾熱巖地熱資源量計算方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0041]以下結合附圖對本發明的具體實施做進一步詳述:
[0042]實施例
[0043]請參照圖5所示，一種新的乾熱巖地熱資源量計算方法，其包括以下步驟:
[0044]I目標區域邊界的確定及定點地熱屬性信息採集
[0045]1.1通過手持GPS設備，實地測量、記錄目標區域邊界；
[0046]1.2根據區域性地熱資源普查數據，確定實地數據採集點位置；
[0047]1.3通過手持GPS設備，抵達預定地點，進行乾熱巖地熱屬性信息(至少包括採集點實測的乾熱巖巖石密度、巖石比熱容、巖層厚度以及溫度)的採集、記錄，並整理成「**地區乾熱巖地熱屬性信息表」，同時記錄採集點經、緯度坐標及海拔高度；
[0048]1.4整理邊界坐標及採集點坐標，其中採集點文件應整理為表格形式，表格包括:採集點編號、採集點名稱、採集點經度坐標、採集點緯度坐標、採集點海拔、採集點實地測得的乾熱巖地熱屬性信息(至少包括區內乾熱巖巖石密度、巖石比熱容、巖層厚度以及溫度)名稱及數值；
[0049]1.5利用地理信息系統軟體,生成邊界圖形文件boundary, shp (圖2);將整理得到的採集點文件導入地理信息系統軟體，生成數據採集點圖形文件stat1ns, shp (圖3)，文件格式均採用標準shp格式；
[0050]2利用泰森多邊形法將目標區域劃分為若干小區域
[0051]2.1以邊界圖形和數據採集點為基礎，繪製德勞內三角網(DelaunayTriangulat1n),確保三角網格劃分的唯一'丨生，另外，需要特別說明的是，德勞內三角網由一系列銳角三角形構成，我們稱三角網內的每一個三角形為子三角形；
[0052]2.2利用繪圖法，求得德勞內三角網中每個子三角形的外心；
[0053]2.3將目標區域邊界內相鄰子三角形的外心用直線連接，構成泰森多邊形(Thiessen Polygons),完成對目標區域的合理劃分,該劃分具有唯一'丨生。另外，需要特別說明的是，泰森多邊形的外部邊界為目標區的邊界，內部由多個子多邊形(邊數不確定)鄰接而成並完全分割目標區範圍，每一個子多邊形內，包圍唯一一個數據採集點(圖4);
[0054]3區內地熱資源量的計算
[0055]3.1鑑於前述2.3中的劃分，區域被泰森多邊形分割為多個子多邊形區域，每個子多邊形區域構成泰森多邊形也即目標區域的子區域，計算每個子區域的面積；
[0056]3.2鑑於前述2.3中的劃分，區域被泰森多邊形分割為多個子多邊形區域，每個子多邊形區域內擁有唯一採集點，以數據採集點為子多邊形的標誌點，以該點測得的乾熱巖厚度數據為代表數據，計算每個子區域乾熱巖的體積，計算方法為3.1中得到的面積乘以乾熱巖厚度；
[0057]3.3鑑於前述2.3中的劃分，區域被泰森多邊形分割為多個子多邊形區域，每個子多邊形區域內擁有唯一採集點，以數據採集點為子多邊形的標誌點，以該點實測的地熱屬性數據為代表數據，對該子多邊形代表的子區域進行地熱資源量計算，計算方法為「乾熱巖密度」、「乾熱巖比熱容」、「乾熱巖體積」以及「乾熱巖溫度與地表溫度之差」幾項數值的乘積，其中，「乾熱巖密度」、「乾熱巖比熱容」、「乾熱巖溫度」、「地表溫度」由1.3實地測得，「乾熱巖體積」由3.2求得；
[0058]3.4完成每個子區域的計算，對結果求和或求積分，獲得整個區域的地熱資源量，完成目標區域內的地熱資源量計算。
[0059]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種新的乾熱巖地熱資源量計算方法，其特徵在於，其包括以下步驟: 步驟1、確定目標區域邊界，得到邊界圖形，並對目標區域內所有的數據採集點進行乾熱巖地熱屬性信息採集，獲得數據採集點的乾熱巖地熱屬性數據； 步驟2、利用泰森多邊形法將所述目標區域劃分多個子區域，其包括以下步驟: 步驟21、以邊界圖形和數據採集點為基礎，繪製德勞內三角網，以確保三角網格的唯一性；所述德勞內三角網由一系列銳角三角形構成,每個銳角三角形構成德勞內三角網的子三角形； 步驟22、利用繪圖法，求得德勞內三角網中每個子三角形的外心； 步驟23、將目標區域邊界內所有相鄰的子三角形的外心用直線連接，構成泰森多邊形，完成對目標區域的合理劃分；所述泰森多邊形的外部邊界為目標區域邊界，其內部由多個子多邊形鄰接而成並完全分割目標區範圍，每一個子多邊形內包圍唯一一個數據採集點，每個子多邊形構成區域為該目標區域的子區域； 步驟3、目標區域內地熱資源量的計算，其包括以下步驟: 步驟31、計算每個子區域的面積； 步驟32、以每個子多邊形內包圍的數據採集點作為該子多邊形的標誌點，以該標誌點實測的乾熱巖厚度數據為代表數據，計算每個子區域的乾熱巖體積，所述乾熱巖體積為該子區域的面積與乾熱巖厚度的乘積； 步驟33、以每個子多邊形內包圍的數據採集點作為該子多邊形的標誌點，以該標誌點實測的乾熱巖地熱屬性數據為代表數據，計算每個子區域的地熱資源量，所述地熱屬性數據包括乾熱巖密度、乾熱巖比熱容、乾熱巖溫度以及地表溫度，所述乾熱巖地熱資源量為乾熱巖密度、乾熱巖比熱容、乾熱巖體積以及乾熱巖溫度和地表溫度之差四個參數的乘積；步驟34、完成所有子區域的地熱資源量計算後，對該所有子區域的地熱資源量進行求和或者求積分運算，獲得整個泰森多邊形區域的地熱資源量，完成對目標區域內的地熱資源量計算。
2.根據權利要求1所述的新的乾熱巖地熱資源量計算方法，其特徵在於，所述步驟I包括以下步驟: 步驟11、通過手持GPS設備進行實地測量並記錄目標區域的邊界坐標，以確定整個目標區域的邊界； 步驟12、根據區域性地熱資源普查數據的確定數據採集點的位置； 步驟13、通過手持GPS設備，抵達相應的數據採集點，對每個數據採集點的乾熱巖地熱屬性信息進行採集，以得到每個數據採集點的乾熱巖地熱屬性數據，同時記錄數據採集點的經、緯度坐標以及海拔高度； 步驟14、整理步驟11記錄的邊界坐標並把步驟13記錄的數據採集點坐標整理成表格文件； 步驟15、利用地理信息系統軟體，將邊界坐標生成邊界圖形文件，將所述表格文件導入地理信息系統軟體中，生成數據採集點圖形文件。
3.根據權利要求2所述的新的乾熱巖地熱資源量計算方法，其特徵在於，所述邊界圖形文件和數據採集點圖形文件均為標準shp格式。
4.根據權利要求2所述的新的乾熱巖地熱資源量計算方法，其特徵在於，所述表格文件包括數據採集點編號、數據採集點名稱、數據採集點經度坐標、數據採集點緯度坐標、數據採集點海拔高度、數據採集點實地測得的乾熱巖地熱屬性信息，所述乾熱巖地熱屬性信息包括信息名稱及該信息名稱對應的數值。
【文檔編號】G06F19/00GK104361228SQ201410625944
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】楊睿, 吳能友, 蘇正, 袁嫄 申請人:中國科學院廣州能源研究所