山东省临清市地热资源评价和开发利用方案建议

刘春华，杨丽芝，刘中业

（山东省地质调查院，济南 250013）

山东省临清市地热资源评价和开发利用方案建议

刘春华，杨丽芝，刘中业

（山东省地质调查院，济南 250013）

山东省临清市近年来在市区范围内陆续发现地下热水。本文首先通过区域地热地质背景分析、地热调查工作，建立了临清市地热概念模型。在概念模型的基础上，利用体积法计算了热储层的热水静储量，并对地下热水进行质量评价。提出了地热开采、利用方案。

临清市；地下热水；地热概念模型；地热储量；水质评价；利用规划

0 引言

地热是集热能、水和矿产于一体的多用途、绿色自然资源，可广泛应用于工业、农业、渔业养殖、医疗、发电、采暖、洗浴及旅游业等[1]，尤其对于中小城市具有重要的经济、社会和环境价值，因而受到广泛重视。近些年来，临清市市区范围内陆续发现4眼地热井，水温40℃ 70℃，属于中低温地热资源。对临清市地热资源进行科学评价，依据勘查计算所得的资源量，进行开发利用、合理规划，保证临清市地热资源的可持续利用。

1 临清市地热地质背景

1.1 区域地热地质背景

临清市区域地质背景如图1所示。本区位于华北板块的东南部，二级构造单元属于华北拗陷区，三级构造单元为临清拗陷区。区内断裂构造十分发育，自南向北有聊考断裂、堂邑断裂，冠县断裂、临清断裂、沧东断裂等。根据邻近钻孔资料揭示，地层由老至新有：新太古界泰山岩群、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系和古近系、新近系、第四系[2,3]。

图1 临清市区域地质构造及地质剖面略图

临清地热属于华北地热的一部分。华北平原地热资源丰富，面积10km2以上的地热田共计49个，总面积为18000km2。区内地热田多属于以传导为主大地热流作用机制下形成的中、低温热水型热田[4]。陈墨香（1986）等研究认为华北平原地下热水资源形成及赋存的有利条件主要是2方面：其一，华北平原的中、新生代断陷盆地，盖层中巨厚的碎屑岩和碳酸盐岩提供了巨大的地下水库容；其二，地区具有较高的区域平均地温梯度值。碎屑岩沉积层和碳酸盐岩中的地下水经过一定的径流和热交换形式，最终形成热水，这一过程即为华北地热田的形成模式[4]。

1.2 临清市地热概念模型

临清市地热地质调查基本查明了临清市地温分布特征和形成规律。

(1) 地温分布

地温调查分为浅层测温和深层测温。浅层地温测量多在100m以内的浅层机井进行，变温带、恒温带与增温带变化规律比较明显。恒温带深度10 25m，温度13℃ 15℃；深层地温测量来源于临清市城内地热井的测温数据，第四系平均地温梯度3.0℃ 4.0℃/100m，自地表往下增温速度比较稳定，接近于线性关系。明化镇组平均地温梯度2.0℃ 4.0℃/100m，馆陶组平均地温梯度2.0℃3.8℃/100m，1722m地层揭露到东营组时平均约3.0℃/100m。

平面上看，临清断裂带东15km往西至边界地温梯度范围为3℃ 4℃/100m；临清断裂以东至冠县断裂以西地热田地温梯度范围为2.8℃ 3℃/100m；冠县断裂与堂邑断裂间的高唐凸起块段地温梯度范围为3℃3.5℃/100m。

(2) 地热概念模型

通过临清及周边地区地质构造、岩浆活动及地热水质放射性元素调查，确定临清地热系统的热源来自正常的大地热流增温。热储层为馆陶组和东营组。根据地温梯度推算，馆陶组热储层中地热水温度43℃65℃，达到温热水级别；东营组热储层中赋存的地热水温度59℃ 69℃达到温热水、热水级别。临清及其周边地区的第四系黄河组、平原组和新近系明化镇组岩性由砂性土、粘性土、砂层、半固结的粘土岩砂岩以及泥岩组成，其特点是密度小、导热性差和热阻大，是良好的地热盖层。

临清市地热系统中，热储层流体来自远距离侧向径流补给，流向为西北至东南。热储层中地下水在缓慢侧向径流过程中，接受下部大地热流而增温，临清断裂、冠县断裂等充当地热水与深部热源连系通道的作用。临清地热水的主要排泄方式为人工地热井开采，地热开采主要是消耗地下热水水头。由此，构建临清地热系统概念模型，见图2.

图2 临清地热系统概念模型示意图

2 临清市地热水资源评价

临清地热系统中地下热水为侧向补给，为了利于管理、合理开发利用和有效保护地热资源，地热资源评价对象主要是临清市行政区域以内、埋深在2000m以上的经济型地热资源[5]。

2.1 地热水静储量评价

根据区内馆陶组与东营组热储层的埋藏条件、水力性质等，采用体积法分别计算馆陶组和东营组热储层地下水静储量。

2.1.1 热水静储量计算公式

热储层的热水静储量由2部分组成，热储层的容积储量和弹性储量。热水静储量体积法计算公式为：

式中：

W静——热水资源静储量（m3）；

W容——热水资源容积储量（m3）；

W弹——热水资源弹性储量（m3）；

V——热储层的体积（m3）；

μ——热储层的平均给水度；

A——热储层的面积（m2）；

P——热储层热水的水头压力（m）（由热储顶板算起）；

μe—热储层平均弹性释水系数。

2.1.2 热水静储量计算参数

（1）热储面积（A）：热储面积分为馆陶组和东营组热储2个部分，根据新近系底界面埋深与基岩地质条件，馆陶组分为5个次级计算块段（A/B/C/D/E），的水头压力，采用各计算区热储层顶板算起的水头高度的平均值，具体值见表1。

（5）热储层平均弹性释水系数（μe）：馆陶组主要含水岩组为2.5×10-4，东营组主要含水岩组为2×10-4。

临清市馆陶组地热水总储量为496.205亿m3，其中A区静储量为131.033亿m3，B区静储量为236.284亿m3，C区静储量为60.93亿m3，D区静储量为17.754亿m3，E区静储量为50.204亿m3。东营组热储层的热水静储量为29.43亿m3。

图3 临清市地热资源计算分区图

2.2 地热水质量评价

对临清地热水进行了医疗、饮用、农业灌溉及渔业、腐蚀性及结垢趋势等方面的质量评价，同时开展东营组为其中的B区，各计算块段分布位置见图3，相应面积见表1。

（2）热储层的平均给水度（μ）：馆陶组热储层的平均给水度为0.296；东营组热储层的平均给水度按0.28取值。

（3）热储层的体积（V）：热储层体积为热储面积与热储厚度之积，热水静储量计算过程中的热储分为A E子区，相应面积下的各子区热储厚度也对应一具体值，见表1。

（4）热储层热水的水头压力（P）：热储层热水地热开发对环境影响的评价。认为临清地热水除医疗矿水和洗浴用水外，大多不能直接应用；其主要用途还是在于将地热水转换成热能方面。在地热水开发过程中，可能会引起地面沉降等地质灾害，防治地热开采所引起的地面沉降灾害，是地热开发利用规划中不可忽视的问题。

表1 临清地热田馆陶组热储地下热水储存量计算结果表

3 临清市地热资源开发利用方案建议

制定科学合理的地热资源开发利用规划，必须是在保证地热资源不枯竭、热水质量不下降、不引起环境问题的基础上，综合考虑社会经济发展对地热资源的需求，最终确定地热资源的开发和利用模式。

3.1 地热水开采方案

开采地热过程中，要保证地热资源不枯竭，要求地热水开采量不超过当前开采技术条件下的可采资源量。

3.1.1 可采热水资源量计算公式

本文采用“最大允许降深法”来计算可采热水资源量，该方法是美国地质调查局1982年美国低温地热资源评价中所使用的主要方法，要求按照规定的开采期限、最大允许降深和恒定的单井流量制定开采计划，求出区域内能布置的井数和开采末期达到最大允许降深时，井群能够获得的总流量[6]。由于本区东营组地层分布极为不均，可采热水资源量十分有限，故不鼓励开发东营组地热水。本文仅限于馆陶组热储层可采热水资源量计算。

最大允许降深法计算公式为：）

式中：Q可——可采热水资源量（m3/d）；

N——区域内能布置的井数；

Qi——单井涌水量（m3/d）；

t ——开采期限（a）。

3.1.2 可采热水资源量计算参数

本文计划开采期限（t）为100年，单井涌水量（Qi）则根据抽水试验资料以及邻区单井出水量来分区确定，具体为A区1825.92m3/d、B、C、D、E区为1440m3/d。

确定区域内能布置井数（N）的条件是：保证开采期限末地下水位降深不低于“最大允许降深”。在具体计算过程中，首先要确定临清市“最大允许降深”。由于临清地区地下热水开采可能引起地面沉降，故最大允许降深值将参照地面沉降临界水位[7]（指不引起地面沉降或不引起明显地面沉降的地下水位值）。临清市2000m以浅地层岩性特征类似于天津地区，可认为其地面沉降临界水位接近天津地区[7]，即临清市地下水位最大允许降深位50m，即N口地热开采井100年，最大水位降深不得超过50m。

在确定最大允许降深的基础上，采用“热量平衡、降深验算、最优化选择”的方式确定开采井数N。所谓“热量平衡”是指计算临清市境内规划期（100年）能够排放的可开采地热资源总量和N口开采井影响范围内热储的可开采热资源量保持均衡；“降深验算”则是首先计算热量均衡状态下N口地热井开采所引起的水位降深，再比较该降深值是否超过“最大允许降深”。如果计算的降深值小于最大允许值，则可认为N值具有合理性。

本文试算了多种开采方案，最终确定方案为：馆陶组热储层中，以梅花井群形式布置55口开采井，充分考虑井间相互干扰和涌水量的递减等因素，且假定单井需要面积为8倍的排放总热量所对应热储面积，由此计算可采热水资源量为8.24×104m3/d，约0.3×108m3/a，水位降深最大值Sc=40.32m，没有超过最大允许值。

鉴于区内馆陶组热储层底界面埋深最大1800m，临清地区地热田目前仅有4眼井，还没有大规模开发利用，从地热动态观测来看，天然压力平衡尚未打破，因此临清市地热田属于经济型地热田，其开采潜力很大。

3.2 地热资源利用方案

临清市地热资源潜力巨大，当前其开发利用还处于初级阶段，作为绿色能源是开发的重点之一。临清市拟选用地热资源“梯级综合利用”方案。

“梯级综合利用”模式的特点是针对传统的地热开发利用中存在资源浪费和环境的热污染等问题，通过工艺上的改造和创新，改变了地热供暖传统方法，将地热辐射采暖技术和热泵技术应用于地热系统中，进行工艺的集成；充分利用地热资源的复合功能，在系统中集成地热供暖、生活洗浴、温泉游泳、娱乐健身、矿泉理疗等功能，实现梯级开发，进一步延长地热经济产业链，提高经济效益[8]。该模式在天津市河东区华馨公寓和嘉华小区建立了示范工程，运行效果较好，达到了预期设计指标。

临清地热“梯级综合利用”方案，具体分为以下几个方面：

（1）地热供暖。临清地热水温度一般在50℃～70℃，直接供暖地热资源尾水排放温度也高达42℃。为防止地热水的腐蚀，提高供水效率，拟采用地热换热与水源热泵联合供暖方式。

（2）浴疗保健。临清市地热水富含氟、锂、锶、镭、偏硼酸、偏硅酸等多种矿物质，有一定的医疗、保健作用。利用热矿水进行洗浴，对高血压、冠心病、心脑血管、风湿病等有一定疗效。

（3）娱乐、旅游。依托温泉浴疗，可以开发室内外游泳馆、嬉水乐园、康乐中心、会议中心、疗养中心、温泉饭店、温泉度假村、高级宾馆等一系列娱乐旅游项目。

（4）种植、养殖。依托地热井水源，建造温泉温室，种植名优花卉、特种蔬菜，以及热水渔业养殖等，也可以用来发展旅游农业。

（5）余热供暖。用于洗浴、娱乐等方面的地热尾水，温度依然很高，常损失大量的热能。可参考北京市地质勘察技术院与清华同方合作实验成功的环保型地温热泵供暖系统，它可以从热水中提取热能供暖，使地热能的综合利用率提高到了80%左右。

4 结论

临清地热资源丰富，其热源为正常的大地热流增温。盖层为第四系黄河组、平原组和新近系明化镇组，主要热储层包括馆陶组和东营组。热储层中地下水在缓慢侧向径流过程中，接受下部大地热流而增温，临清断裂、冠县断裂等成为地热水与深部热源沟通的通道。

利用体积法计算临清市行政辖区2 0 0 0 m以浅馆陶组和东营组热水静储量，前者总量为496.205×108m3，后者约29.43×108m3。目前，地热资源主要用于供暖、洗浴、保健、康乐、种植和渔业养殖等方面，受到普遍重视和认可。在开采地热水的同时，应注意防止地面沉降。

合理规划临清市地热资源的开发利用，利用最大允许降深法，确定了临清地区馆陶组可以梅花井群形式布井55眼，计算可采热水资源量为8.24×104m3/d，约0.3×108m3/a。

[1] 王贵玲，张发旺，刘志明．国内外地热能开发利用现状及前景分析[J]．地球学报，2000，21(2)：134～135．临清地区石油地质普查初步总结报告[R].地质部第二石油普查勘探指挥部石油地质大队,1981.

[2] 杨德平.山东临清地热田地热地质特征[J].山东国土资源.2005,21(8):27～31.

[3] 陈墨香.华北地热[M]. 北京:科学山版社,1988.

[4] 山东省临清市城区颐清园小区地热单井地质报告[R].山东省地质科学实验研究院,2003.

[5] 陈 红.地热资源评价方法与资源储量分类[J].地热能,2004,(1):16～19.

[6] Marshall,J.R,editor,1983,Assessment of lowtemperature geothermal resources of the United States(1982),Geological survey circular 892.

[7] 牛修俊.地层的固结特性与地面沉降临界水位控沉.中国地质灾害与防治学报. 1998,9(2):68～74.

[8] 张克冰,赵素萍,薛江波.国内外地热资源开发利用的现状及发展思路[J].理论导刊,2002(8):58～60.

Assessment and Utilization of Geothermal Resources in Linqing City, Shandong Province

LIU Chunhua, YANG Lizhi, LIU Zhongye
(Shangdong Geological Survey, Jinan 250013)

In recent years, geothermal water has been found in Linqing City, Shangdong Province. This paper frstly introduces the geothermal conceptual model, based on the regional geothermal setting in combination with the results of geological survey. Through calculating the geothermal reservoir by Volume Method and assessing the geothermal water quality, a rational plan of geothermal water utilization and striving for win-win environment has been put forward. This plan, for example, well contribution, exploitation plan and usage, ensures the heat not to be the depletion of water resources.

Linqing City; geothermal water; geothermal conceptual model; geothermal reservoir; water quality assessment; plan of geothermal water utilization

TK529

A

1007-1903(2009)03-0017-05