北京小汤山地热田地热资源量及地热水储存量计算与评价

何铁柱

（北京市地质工程勘察院，北京 100037）

0 引言

北京市是世界上几个为数不多的拥有地热资源的首都之一。在北京地热田中，尤以小汤山地热田开发历史最悠久，其研究程度也较高（图1）。清朝的《人海记》对小汤山温泉作了记载，书中曰：“在昌平州东卅里南，山下有汤泉，行宫在山之东，跨泉为浴池”。《日下旧闻考》曰：“汤山泉康熙五年始加疏引，甃池二，并恭建行宫”。小汤山地热田位于北京平原的东北部，其地热资源的开发由最初为宫廷洗浴的自流汤泉点，到今日近200km2的地热田，经历了一场人类认识自然、利用自然和改造自然的科学过程。

1 热田开发历史

最早的记载见于南北朝时魏人郦道元便在《水经注》，元代更把小汤山温泉称为“圣汤”，清朝时康熙、乾隆皇帝在小汤山修建了行宫，并御笔题词“九华兮秀”。慈禧太后浴池遗址至今犹存。1956年，在苏联专家的指导下圈定了不足1km2的温度较高的中心区及6km2的温度较低的外围区。1970年，李四光倡导地热开发，“将地热把开采热水与采煤、石油放在同等地位”。1985年《北京市小汤山地热田地下热水资源评价勘察报告》，把热田面积扩大到20km2。1998年《北京市小汤山地热田地热资源评价报告》，地热田面积增至44.14km2。到了2000年以后，由于大量地产资本的注入，小汤山地热田进入了快速发展期，到2005年，地热井总数近100眼，年开采量超过350万m3，圈定的热田总面积为170.82 km2。时至今日，小汤山地热资源的开发已经涵盖医疗、洗浴、养殖、种植等多方面，有力带动了区域经济的快速发展。

图1 北京地区地热田分布图

2 地热地质概况

小汤山热田西部以北西向的南口—孙河断裂为界，西北以阿苏卫—小汤山阻水断裂为界，东北以黄庄—高丽营断裂为界，南部区域以埋深小于2000m温度大于40℃的范围为界，形成了一个“V”形展布的形状，热田总面积约86.5 km2。小汤山地热田的热储盖层主要由第四系和蓟县系上部地层组成。热储层主要由元古界雾迷山组和蓟县系铁岭组构成，储层埋深一般小于500m，在小汤山镇西北侧的大汤山、小汤山有蓟县系地层出露，东南侧储层深度逐渐增加，在大东流地区的汤热-54井见蓟县系深度为2971m，储层温度达到80℃以上。

小汤山地区的地质构造格局表现为一系列平行断裂为边界定，相间排列的凹陷及隆起，整体构造展布方向为SW—NE向。这些断裂与构造走向一致，控制了区域地质特征，在热田的北部发育的3条SN或近SN向的小断裂均具有导水导热性质，构成了重要的地下水通道，也是主要的热通道（图2）。

热田的地温场以1000m深出的地层等温线进行说明，共有两个地温高值区，西北区最高地温为55℃，东南区的高温区则为60℃。西北区55℃以小汤山镇为中心圈定，面积约为2 km2东南区以汤7、汤11、汤22井的范围圈定，面积约3 km2。从垂向上来讲，小汤山地热田中心区的地温增温率达到了于2.5℃/100m。

多年研究表明，小汤山地热田补给来源来自北部、西北部山区降水，越往南往东南，热田地热水的年龄越大。地热水的水质类型多为HCO3-Na•Ca型水。

图2 小汤山地热田基岩地质构造图

3 评价方法及参数

热储资源量计算是地热可持续开发利用的基础。当地热开采量超过允许开采量,会造成地热水头急剧降低、热储的生产能力下降等问题。因此,进行可开采地热资源评价,对于指导区域地热长期开采是十分重要的。地热田的评价方法变焦多，通常采用的有热储法、开采动态法和比拟法。

本次评价拟采用比较成熟的，被广泛采用的热储法，将热田划分为两个分区，分别为汤-1和汤-2。参数的取值主要有：

（1）热储的体积：蓟县系储层的厚度按2650m计算，奥陶系地层的厚度按750m计算，并按3000m以浅和3000～4000m的深度进行划分。

（2）热储温度：根据《北京市21世纪初期地热资源可持续利用规划》得出的北京地区热储层地温梯度经验值，蓟县系铁岭组为1℃/100m，蓟县系雾迷山组为1.2℃/100m，奥陶系为0.8℃/100m。

（3）孔裂隙率：储层孔裂隙率可由钻孔取芯通过实验室测得，也可利用地热井成井后获得的各项参数进行储层孔裂隙率的计算，计算经验公式如下：

式中:φ：孔裂隙率，%；B：液体的体积系数；μ：液体的粘度，CP(1CP=1mPa•s)；H：热储层的有效厚度，m；R：试验井的影响半径，m；R：试验井的半径，m；Kc：产量指数

另外需要指出的是，储层有效厚度H为热水井的实际出水井段厚度，H值可用综合测井资料结合钻井时钻井液漏失情况及岩屑资料来确定。据统计分析，有效厚度约为揭示储层厚度的15%。在本次孔裂隙率计算过程中，储层有效厚度均按揭露储层厚度的15%确定，小汤山地热田典型钻孔的参数统计见表1。

4 资源量计算

资源量可分为基础资源量和地热资源量。以下分别进行计算。

表1 小汤山地热田典型地热孔参数统计表

4.1 基础资源量

基础资源量又称为资源底数，是指某一深度以浅（本报告按4000m以浅）中能被开发出来的热量。即储层内平均温度与当地年平均凉水温度（取14℃）之差计算出来的资源量。

资源量常用热储法计算，它是依据地热地质工作中提供的热储形状及体积作基础进行计算的，因此也称为体积法。它的计算公式如下：

式中：R：热量，kcal；V：储层体积，m3；ρc 、ρw：分别为储层岩石和水的密度，g/cm3；Cc、Cw：分别为储层岩石和水的比热，cal/g•℃；φ：岩石的孔裂隙率，无因次；T：储层平均温度℃；T：基准温度，℃；η：热量回收率，取15%。地层条件下水的密度ρw取1.00 g/cm3（与温度有关：15℃时ρw=0.9954 g/cm3；95℃时ρw=0.9647 g/cm3；两者相差约3%，若取1.00误差小于4%）。水的比热取1.00 cal/g•℃，石灰石密度ρw取2.788g/cm3，比热为0.227 cal/g•℃。

该地热田基础资源量计算结果见表2。总热量为1746.03×1012kcal，其中，3000m以浅的热量为1119.32×1012kcal，3000～4000m深度上为626.71×1012kcal。

表2 小汤山地热田基础资源量计算结果表

4.2 地热资源量

地热资源量是储层内岩石和水中蕴藏的全部可利用的热量，包括地热流体及其有用部分。依北京市目前的经济技术条件和相关法规，以地热流体温度大于25℃作为地热资源，开采深度在3000m以浅者为经济型，3000～4000m为亚经济型，根据上述公式和参数，地热资源量计算结果见表3。

4.3 地热水静储量(储存量)计算

地热水储存量是指储存于热储层孔裂隙内的全部热水体积，也称为静储量，以热储体积与平均孔裂隙率的乘积近似计算确定。公式为：

表3 小汤山地热田地热资源量计算结果表

式中：Vw：储存热水的总体积；Vc：储层的体积；φ ：储层的孔裂隙率；计算结果换算成热量，其转换公式为：

式中：Qw：地热水中蕴藏的总热量，kcal；Vw：地热水储存量，m3；wρ ：水的密度，g/cm3；Cw：水的比热，cal/g•℃；t：地热水的平均温度（可用热储温度代替），℃；t0：基准温度，℃。

计算结果表明，经济型地热水储量为16.97×108m3，亚经济型储量为8.46×108m3（表4）。

5 结语

本文将小汤山地热田分为4个分区，通过对热田地质、地热地质条件的综合分析，对热田内典型地热井参数的统计分析，采用热储法计算了热田内的基础资源量，结果表明，在小汤山热田170.82 km2面积上，总基础资源量1746.03×1012kcal，其中，3000m以浅的1119.32×1012kcal，3000～4000m深度626.71×1012kcal。地热资源计算结果表明，经济性地热资源量817.08×1012kcal，亚经济性地热资源量472.82×1012kcal。地热水静储总量为25.43×108m3，其中3000m以浅的16.97×108m3，3000～4000m深的地热水静储量为8.46×108m3，折合成标准煤总量为25.47×106t。目前小汤山地热田已经在10多眼地热井上开展着回灌，已经发展到生产性回灌的规模，进一步提高了地热水的利用效率，有效的缓解热储压力的下降。相信小汤山地热田还会带来更大的经济效益。

[1]潘小平,增瑞祥,王治等.北京市小汤山地热田地热资源评价报告[R].北京:北京市地质工程勘察院,1998.

[2]郑克棪,潘小平.北京小汤山地热田群井地热回灌[C]//中国地热勘查开发100例.北京:地质出版社,2005:101～102.

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[7]孙 颖，刘久荣，韩 征等.北京市地热资源开发利用状况[J].安徽农业科学，2009，37（16）：7564～7566.