呼和浩特市乌素图地区HR4地热井热水成因分析

张春华　施俊杰　赵旭　杨文凯

摘要：乌素图地区HR4地热井位于呼包盆地东部，根据其地质、构造及沉积环境特征，对该井的热储层、热储盖层、地下热源、热水补给来源进行了分析，认为该地区地热类型属于地热增温型，地热资源受构造和沉积地层控制，并以断裂构造控制为主，地层岩性控制为辅。

关键词：HR4地热井；热储层；乌素图

前言

地热资源作为一种清洁能源正在被广泛利用，开发利用地热资源不仅能够节约常规能源，大大减轻对环境的污染，还能成为地方旅游业发展的新亮点。

2009年至2012年，内蒙古自治区地质勘查基金管理中心在呼和浩特市乌素图地区实施了“内蒙古自治区呼和浩特市乌素图地区地热普查”项目，该项目成功地打成了一眼地热井（HR4），本文主要依据该地热井所获成果对区内地下热水成因进行分析。

1.HR4地热井及热水资源概况

HR4地热井位于呼和浩特市乌素图地区，井深2503m，井身结构按设计采用三开完井工艺。一开口径Φ444.5mm，深度400m；二开口径Φ311.2mm，深度1603m；三开口径Φ215.9mm，深度2503m。全井采用泥浆一清水正循环、牙轮钻头无芯钻进。HR4地热井实际利用的热储层为2198.8m～2389.0m之间的元古界马家店群含水层，有效厚度23.2m。抽水试验的涌水量稳定在668.16m³/d，出水水温稳定在62.0℃。如果按最大降深85确定单井可开采量，推断该井可开采量为419.9m³/d。HR4地热井矿化度为7.401g/L～8.332g/L，PH值为7.22～9.00，总硬度（以CaCO₃计）为536.1g/L～940.8mg/L，水化学类型为CL·HCO₃-Na型。水温度达到医疗热矿水的命名标准，水中偏硅酸、偏硼酸、溴的含量达到或超过矿水浓度和有医疗价值浓度，可命名为温水型医疗热矿水。同时，HR4地热井热水中还检测出Sr、Li、Ba、Fe、Zn、Se、Co、V、Mo、Mn、Ni、Cu、Ai等多种对人体有益的微量元素，可用于洗浴、医疗等。

2.地质、地貌概况

乌素图地区位于内蒙古自治区呼包盆地东部，工作区北部为大青山中低山构造剥蚀区，以中低山为主，区内山势险峻且切割较深，山脊多呈鱼鳞状纵向分布，沟谷多呈“V”字型树枝状分布，山麓地段断续残留多级湖岸侵蚀构造阶地；南部为堆积平原区，主要由霍寨沟冲洪积扇、乌素图冲洪积扇、坝口子沟冲洪积扇、红山口沟冲洪积扇组成，地势由北向南倾斜。

综合分析解释本次地面调查和物探工作成果，工作区内地层自上而下依次为第四系松散层、第三系（N+E）、白垩系、侏罗系碎屑岩、元古界变质岩。其中新生界沉积厚度大于1000m，中生界一般小于1000m，元古界顶板理深大于2000m。受北东向断裂的影向，工作区太古界埋深自北向南加深，第三系埋深由北西向南东逐渐加深，在打尔架大东营一带第三系底板埋深大致在1100m以上，元古界基底大于2500m。工作区范围内打尔架小东营一带相对凸起，第三系埋深较浅。

3.控热构造

工作区北部为阴山断隆大青山断褶带，南部为鄂尔多斯台坳北部呼和浩特坳陷区。呼和浩特坳陷区又分成南北两个次一级的构造单元，即北侧的毕克齐同生背斜带和南侧的北部凹陷区，工作区跨上述两个次一级的构造单元（见图1），区内主干构造断裂为大青山山前断裂F1。

大青山山前断裂西起包头市西南的恩格贝，向东沿大青山南麓延伸，终止于呼和浩特特以东的奎素一带，总体走向为北东东，全长约200km，是呼和浩特断陷的北边界断裂。断裂在地表上基本连续出露，平面上表现为折线状，由多条呈北东走向的断层以左行或右行斜列组成。在剖面上表现为阶梯状正断层，断面南倾，倾角50°～70°。断裂在晚更新世至全新世时期活动强烈，普遍错断上更新统及全新统。

大青山山前断裂形成于燕山早期，侏罗纪时为一条近东西向的右旋逆倾滑断裂。早白垩纪时，转变为拱张正断层，仍具右旋性质。进入新生代以来，区域应力场发生重大变化，断裂转变为拉张正断层，表现为南降北升的垂直差异运动。断裂活动造成了两侧明显的地貌差异。北侧的大青山受断裂控制，间歇性抬升，遭受剥蚀，形成夷平面、山前台地、河流阶地、断层陡坎等地貌。南侧受断裂控制，持续下陷，接受巨厚的新生界沉积，在地貌上表现为广阔的呼包平原。根据本次物探工作的成果，推测及校核工作区内5条断裂（见图2），分别是F2′、F3′、F6′、F7′和F8，其中F2′、F3′、F6′和F8断裂走向均为北东向；F7′断裂形成时期较晚，错断了一系列的北东向断裂，经此次物探推测该断裂走向为北北西向，倾向北东东。这些构造断裂控制了山前平原的沉积特征和基底起伏特征。这些构造断裂易形成深部热流上升通道，有利于热水的形成。

4.HR4地热井热储层及盖层

（1）区域热储层

乌素图地区地处呼和浩特坳陷盆地，地热特征表现为受构造和沉积地层控制。HR4地热井的成功证实了在北部山前大断裂及其附属断裂所构成的断裂带所在的区域，无论从地热具备的要素方面，还是热水的补给源方面，都是呼和浩特地区最具备地热资源开发利用潜力的地段。在该地段，地热资源受构造和沉积地层控制，并以断裂构造控制为主，地层岩性控制为辅。

从地区构造、基底和大理岩分布情况、区域地热地质条件及HR4地热井所取资料分析，在工作区热储层有三种类型：

①山前断裂带热储层

主要分布在工作区平原区北部，在断裂构造发育的山前地带将其作为区域热储层是可能的。

②大理岩热储层

主要分布在工作区平原区北部，由于山前大断裂可能将二道凹群大理岩断至平原下部，使山前平原区下部可能有大理岩热储层存在。航磁异常图中磁异常与呼和浩特市北部大理岩分布区相似，说明山前平原区下部有大理岩热储层的可能，HR4地热井的成功证实了这一推断。

③第三系热储层

根据HR4地热井测井及钻探资料，HR4第三系底板埋深在1010m，孔隙度小，泥质含量大，渗透率低，温度为36.0℃～41.6℃，虽地层温度较高，但利用价值不高，不作为HR4地热井的热储层。热2井揭露的第三系上新统、中新统以中、粗砂岩为主，因而在工作区东南部，第三系底板埋深在1000m以下，第三系上新统、中新统中、粗砂岩累计厚度可达数百米，地层温度可达40℃左右，可选作热储层。

（2）HR4井热储层

根据HR1、HR2地热井资料，上部古第三系及中生界热储层温度低，矿化度高，不适宜开采；下部大理岩热储层温度高，矿化度低，适宜开采。故在本次工作中，设计阶段初定的热储层为断裂带热储层及中元古界马家店群大理岩热储层。

HR4地热井未钻遇断裂带，HR4井揭露的含水层包括第三系、中生界及元古界马家店群大理岩组三段，HR4地热井钻遇地层详见表1。

①第三系含水层

根据测井解释结果，工作区第三系含水层孔隙度为4.22%～14.12%，泥质含量为4.08%～64.36%，渗透率为0.67%～67.00%（10^-3μm²），导热性和透水性较差，该热储层温度36.0℃～41.6℃，平均热储温度为50℃，温度虽然较高，但其利用价值不高，不作为本次工作的热储层。

②中生界含水层

HR4所在地中生界地层以致密砂岩、泥页岩、凝灰岩为主，孔隙度和渗透率都极低，测井解释也多为干层和低产层，几乎没有利用价值，不作为热储层。

根据测井解释结果，从1128.9m～1261.5m，井温由43.4℃增至50.0℃，地温梯度为4.98℃/100m，远大于呼和浩特地区平均地温梯度（2～3℃/100m），根据测井解释结果，1128.9m～1133.2m为一类裂缝层，断裂构造的导热作用导致地层温度的上升。

③元古界马家店群含水岩组

根据测井解释结果，该热储段共有4层含水层，总厚度23.2m，占整个热储段厚度的7.18%，其中单层最大厚度8.1m，最小厚度4.1m。从测井解释来看，该热储层孔隙度较小，泥质含量偏高，渗透率也偏低，富水性不太理想，但经过破壁洗井后试水，该热储层出水情况超过了预期。这可能是由于洗井作用所致，HR4虽未钻遇破碎带，但根据区域地质资料及本次物探工作分析可知，HR4地热井所在区域为F7′、F3′断裂带的影响区域。根据测井解释成果，该热储段为二类裂缝层和三类裂缝层，裂隙较为发育，岩石较破碎，本次洗井采用的是“多磷酸盐-喷射-压缩空气-水泵联合洗井”的方法，水柱压力及气体压力的瞬间释放有助于含水层的疏通出水，增加HR4地热井的出水能力。

因此，元古界马家店群含水岩组为工作区最主要热储层。HR4地热井实际利用的热储层为2198.8m～2389.0m之间的元古界马家店群含水层，有效厚度23.2m。

（3）盖层

热储盖层起着隔热保温作用，并能阻止地球内部的热能向地表传导和散失。工作区内第四系和第三系地层为主要的热储盖层。第四系总厚度288m，其中0m～85m、225m～235m、255m～270m为砂质粘土。第三系330m～420m、436m～488m、632m～682m为厚层泥岩（见图3），粘土渗透性差，厚层泥岩胶结程度好。渗透性差，导热率低，它把地热储层和上部地下水分割开来，限制了深部地热水与浅部地下水之间的水热循环。

5.导热、导水通道及热源

通道系指地下热水在静水压力作用下向上涌的构造断裂空间。该区区域上曾经过多期次的构造运动，构造断裂相当发育。大青山山前断裂，F2′、F3′、F6′、F7′、F8断裂均切割深度较大，特别各深大断裂的交汇处，会给地下热水上涌创造极有利的条件。

工作区位于河套断陷呼和浩特断陷盆地的北部，深部地下水通过断裂构造与北部基岩裂隙水和松散岩类孔隙水均相互沟通，有一定的水力联系。山区基岩裂隙水侧向补给山前平原区，山前冲洪积扇含水层厚度大，以砂砾石含水为主，涌水量都大于1000m³/d，补给条件较好。地热水在开采后，北部基岩裂隙水以及山前第四系含水层地下水进入断裂破碎带，通过深部断裂构造带补给深部含水层（热储层）的循环速度会有所加快，同时补给水在向深部运移的过程中，在地热增温率的影响下逐渐加温，到达热储层，最终形成地下热水资源。

呼和浩特坳陷盆地具有地热增温型热源，根据HR1、HR2、HR3、HR4四眼地热井测井资料显示，其孔深分别是3005m、3252.3m、3368.95m、2503m，孔底温度分别是89.4℃、102℃、99.7℃、64.2℃，证明该盆地深部有热源存在。山前大断裂和F2′、F3′、F6′、F7′、F8断裂均切割深度较大，与深部热源导通，且具有多期活动的特征，增强了深部热能向上传导的能力。

6.结论

（1）工作区地热类型属于地热增温型，基本具备地热形成的热、盖、储、通四个条件：地热主要来自深部随深度增加而升高的地温；周边的断裂构造的活动可构成导热通道；来自北部山前向深部的缓慢循环的水为导热介质；巨厚的第四系和第三系弱含水层和隔水层是该井的热储盖层；元古界马家店群热储层则构成了该井的热储层。

（2）HR4地热井的成功是在分析以往资料的基础上的一个突破和提高，证实了在北部山前大断裂及其附属断裂所构成的断裂带所在的区域，无论从地热具备的要素方面，还是热水的补给源方面，都是呼和浩特地区最具备地热资源开发利用潜力的地段。在该地段，地热资源受构造和沉积地层控制，并以断裂构造控制为主，地层岩性控制为辅。地热孔孔深可控制在2500m左右，主要热储层和取水段有大理岩和断裂破碎带，水质、温度和涌水量较好。