宝坻区宝9区块地热资源开发潜力及对策分析

2015-12-05郭充

天津建设科技 2015年1期

□文/郭充

□文/郭充

地热资源作为一种绿色资源，越来越受人们的重视和利用。近年来，天津市经济发展迅猛，为打造绿色城区，减少城市污染，对绿色能源需求逐年增加。文章对宝坻区宝9区块地热地质构造条件进行了论证分析，预测区内新近系馆陶组热储层地热水水温、水量、回灌量并提出了地热资源开发利用对策。

地热；资源；热储层；开发；天津；宝坻区

近年来，天津市经济发展迅速，对能源需求越来越大，地热资源作为一种环保型能源，以其清洁、无污染的特点备受人们青睐。天津市地热资源丰富，是我国首批“中国温泉之都”之一，利用地热资源提高城市品位，改善生活条件，同时减小燃煤等造成的污染是天津市城建工作中一项重要举措[1]。

宝9区块于天津市宝坻区内，潘青公路与九园公路交口。区内城市供热配套设施不完善，供热需求较大。为此，对该区地热资源开发潜力进行分析，制定科学合理地开发规划，对实现该区地热的可持续开发利用有着十分重要的意义[2]。

1　地热地质条件

1.1构造特征

本次研究区范围见图1。宝9区块构造位置位于冀中坳陷（Ⅲ级）的武清凹陷（Ⅳ级）上，武清凹陷北以宁河-宝坻断裂为界与宝坻凹褶相邻，东南以古近系缺失线为界分别与大城凸起、王草庄凸起相接；凹陷内沉积巨厚的古近系，基岩以中生界为主。区块内基岩为中生界和古生界奥陶系，顶板埋深为2 800～3 200 m。附近发育断裂主要有汉沽断裂、牛蹄河断裂、杨码头断裂及八道沽断裂。

1.2地层特征

根据区域地质及钻井资料，研究区已揭露的地层自上而下有新生界第四系、新近系及古近系、中生界、古生界石炭-二叠系、奥陶系和寒武系、中新元古界的青白口系和蓟县系雾迷山组。

1.3地温场特征

在研究区中，由于地质构造条件差异，形成了两个地温梯度高值区，一个是研究区北部牛蹄河断裂以北基岩浅埋区，属于周良庄地热异常区范围，地温梯度值最大值＞4.0℃/100 m；另一个为研究区南部大唐庄附近，紧靠汉沽断裂，属于潘庄地热异常区范围，地温梯度值最大值＞4.0℃/100m。

宝9区块所在位置属于正常增温区见图1，根据区域盖层平均地温梯度图，推测宝9区块所在位置盖层平均地温梯度为2.5～2.8℃/100m，见图2。

图2　研究区盖层平均地温梯度等值线

1.4热储层特征

研究区从上到下发育两种类型的热储：即上部以砂砾岩为主的孔隙型热储（包括新近系明化镇组热储层和馆陶组热储层）；下部以灰岩、白云岩为主的岩溶裂隙型热储（包括奥陶系、寒武系和蓟县系雾迷山组热储层）[3]。

1）新近系明化镇组热储层。该热储层为一套砂岩、砂砾岩与泥岩频繁交互叠置的河流相沉积层，在区域内普遍分布。揭露热储顶板埋深为253～507m，揭露厚度为689～1180m。研究区2眼该层地热井出水温度为45～48℃，单井出水量60～90 m3/h。该层地热流体化学类型为HCO3-Na型，总矿化度为900mg/L左右。

2）新近系馆陶组热储层。该热储层在研究区部分地区缺失，为河流相碎屑岩沉积层，揭露顶板埋深为1346～1433m，揭露厚度为161～404m。根据区域地温梯度估算，热储温度在40～59℃。研究区西侧WQR-22井成井目的层为馆陶组热储层，该井井口流体最高温度59℃，出水量为126 m3/h，地层孔隙度为23.01%～29.27%，渗透率为219.6×10-3～718.57×10-3μm2，泥质含量为11.35%～22.19%；流体水化学类型为HCO3-Na型，总矿化度为871.2 mg/L，pH为8.55，总体来说，馆陶组热储条件较好。

3）古生界奥陶系热储层。该热储层在研究区部分地区缺失，该层裂隙发育很不均匀，一般靠近凸起中心部位或导水断裂带附近裂隙、岩溶发育较好。揭露顶板埋深2 270～2 830 m，钻遇厚度314～726.39 m（未穿）。流体水化学类型为HCO3-Na型，矿化度为1 000 mg/L左右。

4）古生界寒武系热储层。该热储层在研究区部分地区缺失，分布在背斜两翼，区域发育不稳定，在中部（背斜核部）有缺失，其余地区均有分布。揭露顶板埋深1988～2414m，揭露厚度为129～1146m。研究区目前尚无该储层地热井。流体水化学类型为HCO3·SO4·Cl-Na型，pH值为8.0左右，总矿化度1 020 mg/L，总碱度约287.0mg/L左右，总硬度为120.0mg/L左右。

5）蓟县系雾迷山组热储层。该热储层在研究区普遍分布，揭露顶板埋深为2 244～3 344 m，揭露厚度157～451m（未穿）。研究区东北部雾迷山组埋深较浅，出水温度为101～113℃，流体水化学类型为HCO3·SO4·Cl-Na，总矿化度1 000～1 200 mg/L。研究区中部及西南部大部分地区该地层埋深普遍＞4 000 m，尚无地热井钻遇该层。

综合考虑热储层埋深，地层发育稳定性，热储层温度和出水量，确定新近系馆陶组为宝9区块地热资源开采的热储层。

1.5周边地热开采现状

宝9区块周边尚无地热井，整个研究区目前共有8眼地热井，其中新近系明化镇组地热井2眼，馆陶组地热井1眼，奥陶系地热井1眼，雾迷山组地热井4眼。

明化镇组地热井主要用于渔业养殖，近几年未使用。馆陶组1眼地热井主要用于居民洗浴，开采量为22.8×104m3/a。奥陶系地热井1眼主要用于供暖及居民洗浴，尚未开采。蓟县系雾迷山组4眼地热井，目前仍自流，自流量为30～69 m3/h；其中1眼为回灌井，由于自流未能实现回灌。地热流体主要用于建筑供暖、温泉洗浴及旅游度假，开采量为43.3×104m3/a。井口压力有逐年降低的趋势，目前井口压力在0.13～0.39MPa。

2　地热流体水质分析

2.1地热流体的水质分析

宝9区块内馆陶组热储层地热流体总矿化度为800～1 000 mg/L，水化学类型为HCO3-Na型，pH值约8.2～8.6，按酸碱度分类为弱碱性水。

2.2地热流体质量评价

宝9区块馆陶组热储地热流体为无腐蚀性热流体，无硫酸垢和硅酸垢生成，可能会有轻微碳酸钙垢或者不生成碳酸钙结垢。但是实际使用过程中，流体与空气接触会改变流体性质对管道产生腐蚀，所以利用时使用的管材和设备应具有防腐性。

3　地热水水温、水量及回灌量预测

盖层底板温度依据式（1）进行推算

式中：Tg为盖层底板温度，℃；D1为热储层中点埋深，根据预测宝9区块馆陶组中点埋深1 500～1 625 m；Gg为盖层平均地温梯度，2.5～2.8℃/100 m；D2为常温层埋深，30m；T0为常温层温度，13.5℃。

经计算，宝9块馆陶组热储温度约为50～58℃。由于地热流体自井筒向井口运移过程中，因受流动速度、流量大小、井壁阻力等诸多因素影响，使得井口水温小于热储层流体的温度，成井段越深、流量越小，温度损失越大。依据经验，天津地区馆陶组地热井井口温度低于热储层温度约2～4℃，所以预测宝9区馆陶组地热井的出水温度约为46～56℃。

地热井水量预测主要采用与同构造单元、同热储层开采井实际出水量进行比拟确定。依据研究区周边馆陶组热储层地热井出水量估算，预测宝9区块馆陶组地热井出水量约为60～80m3/h。

近年，与宝9区块处在同一构造单元的武清WQ-23B井采用射孔成井工艺，回灌工作取得了较大突破，单井稳定回灌量达到120m3/h，回灌效果良好。但是构造位置相同、与WQ-23B井距离较近且水文地质条件类似的馆陶组WQ-15B井，采用二开过滤器成井工艺，单井加压最大回灌量为40 m3/h并且衰减较快，回灌效果不理想，说明射孔成井工艺对于改善馆陶组地热井回灌效果具有明显作用。宝9区块馆陶组热储条件相对WQ-23B和WQ-15B两井较差，可能回灌效果次于WQ-23B井。如果采用射孔成井工艺，预计宝9区馆陶组地热回灌井回灌能力为60～80 m3/h，满足《天津市地热资源规划（2011-2015年）》“孔隙型热储层采灌系统回灌率达到60%以上”的要求。

4　地热资源开发利用对策

本区新近系馆陶组地热资源丰富。要对本区地热资源进行合理开发，必须控制年开采量并进行回灌处理，防止过度开采形成较大降落漏斗[4]。根据本区具体情况，制定如下开发利用对策。

1）采用同层对井采灌方式开发，制定合理布井方案。地热采、灌对井的井底合理距离，主要取决于冷热水的混和锋面自回灌井向开采井的运移时间和速度[5]。本区新近系馆陶组热储层为孔隙型热储层，其地热采、灌对井井距遵循以下数学关系式

式中：D为对井井底距离，m；Q为年总回灌量，回灌量预测为60～80 m3/h，计算取平均值70 m3/h；每年采暖期（120 d)进行回灌，即Q=70×120×24＝201 600（m3/a）；b为热储层有效厚度，取75 m；n为热储层孔隙度，取28%；t为冷热水混和锋面到达开采井的时间，按50a计。

由式（2）计算得知，D=801 m，即地热井的井底距离为801 m时，冷热流体混和锋面在50 a后可到达开采井，产生热突破。因此为避免相互干扰或过早出现热突破现象，地热井的合理井底距离应＞801m。

2）采用地热间接供热方式。一方面，可以避免地热流体对供热系统的腐蚀，延长系统使用寿命；另一方面，可以实现地热原水回灌，减少地热流体直接排放造成的环境污染，节约排污费用，实现地热资源的可持续开发。