郑州市区地热储存条件与开发现状分析

2016-12-12朱卫民韩国童

地下水 2016年6期

关键词：郑州市城区砂岩

朱卫民，韩国童，庞良

(河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南郑州 450006)

郑州市区地热储存条件与开发现状分析

朱卫民，韩国童，庞良

(河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南郑州 450006)

郑州市区为沉积盆地型地热系统层状热储，热储层为新近系巨厚层砂岩。是理想的地热开发层位。目前郑州市中心城区地热水开发基本处于采补平衡，市区东部地热具有较大开采潜力。建议在市区东部通过科学合理的勘查规划以促进地热水的可持续开发利用。

郑州市区；地热储存条件；开发现状；分析

1 郑州市区地热储存条件

1.1 郑州市区地热地质概况

郑州市区位于华北坳陷济源-开封凹陷开封次凹陷的西南部边缘地带[1]。开封次凹陷边缘为河流-浅湖相，砂岩较发育，西薄东厚，最大厚度达5 000 m。次凹陷内新近系为一套河流-湖泊相粘土岩、砂岩、砂砾岩、砾岩组成的次稳定型杂色复陆屑建造，厚约50～3 000 m。郑州市区老鸦陈断层为开封次凹陷的西部边界断裂[2]，该断层为一张性正断层，控制了新近系和第四系的沉积。断层错断古近系及其以下三叠系碎屑岩基岩地层，郑州市区缺失古近系地层。新近系(N)与下伏三叠系直接接触。第四系及新近系(N)上部粘性土层为盖层，新近系(N)冲积、湖积半胶结砂岩层为主要热储层。

郑州市区老鸦陈断层以东为沉积盆地型(传导型)地热系统层状热储。地热田以老鸦陈断层为西边界，郑州市区与中牟县交界为东边界，黄河南岸为北边界，南部十八里河-南漕为南边界，地热田总面积为433.95 km2。老鸦陈断层以东地热井水温一般多为40℃～47℃左右，开发利用研究价值较大。

1.2 热储含水层组特征

层状热储为具有效空隙度和渗透性的岩层、岩体构成的热储，具有地层分布面积大、倾角缓、沉积厚度大的特点。层状热储类型，基本上可用层控热储-大地热流供热源模式加以概括。郑州市区老鸦陈断层东部第四系和新近系层状热储为巨厚的河流相为主的砂岩与泥岩互层沉积。盖层为新近系明化镇组、馆陶组中上段粘土岩和第四系粉质粘土、砂层。热储层为新近系名化镇组和馆陶组下段湖相沉积物，岩性以细砂、中细砂为主，夹有粉细砂层，钙质胶结或半胶结，呈半成岩状态。郑州市区新生界沉积厚度650～2 200 m，其中，第四系沉积厚度60～280 m；新近系沉积厚度500～1 900 m，西南薄，东北厚，共8～10层，单层厚14～18 m，最厚可达67.82 m，最薄的仅有3.5 m。底板埋深1 200～2 200 m。

新近系深部含水层储水性能较好。根据富水性、水质、埋深及其空间分布等的不同，又分为上部明化镇组孔隙裂隙热储层和下部馆陶组孔隙裂隙热储层。明化镇组孔隙裂隙热储层以中、细砂岩为主，还有砂砾岩、含砾砂岩及粉砂岩。累计砂岩厚度300～400 m，单位涌水量为6.48～36.7 m3/d·m，矿化度1～3 g/L。馆陶组孔隙裂隙热储层厚度300 m左右，局部大于400 m，其底板埋深1 080～2 000 m，热储呈多层结构，砂岩累计厚度为100～200 m。据实际调查37眼井深650～1 200 m地热井资料，热储层最小厚度26.8 m，最大厚度389.0 m，一般厚度95～194.0 m，平均厚度155.0 m。明化镇组下段和馆陶组中上段是新近系热储层的富水层段，水质大多为淡水，矿化度一般小于1 g/L。

2 地热资源开发概况

郑州市区自二十世纪六、七十年代始少量开发地热资源，进入二十世纪九十年代后，郑州市形成了开发地热资源的高潮，先后施工地热井200余眼。地热资源开采所消耗的地热流体储存量，大部分为地热流体静储量。因此，随着地热资源的大量开采，地热流体静储量消耗很快，地下水位急剧下降，原来自流井均不自流。

通过地热资源计算，郑州市区地热田年可开采热水量41.4×106m3/a，目前郑州市中心城区地下热水年总开采量稳定在6.0×106m3/a，基本处于采补平衡状态。郑州市中心城区东部地热井较少，具有较大开采潜力，可以列为重点勘查开发区。热储层埋深主要在650～1 200 m段。地热井单位涌水量一般小于1.0 m3/h·m，多数在0.5 m3/h·m，局部大于1.0 m3/h·m。郑州市地热流体单位产量最小0.24 m3/d·m，最大59.76 m3/d·m，平均单位产量17.65 m3/d·m。井口水温30℃～48℃，属温水、温热水地热类型。有关参数见表1。

综合分析地热水水质资料，水化学类型主要为HCO3—Na型，个别为HCO3·SO4—Na型，矿化度主要介于600～900 mg/L，最高可达1 281 mg/L，pH值7.4～8.3，H2SiO3含量25～30 mg/L，Sr含量为0.2～0.3 mg/L。地热水温25℃～40℃的温水，主要利用范围为洗浴、温室、农业灌溉、养殖等；40℃-60℃温热水，主要利用范围为医疗、洗浴、采暖、温室、养殖等。

3 地热流体流场补径排条件及动态特征

3.1 地热流体补径排条件

大型沉积盆地地热流体流场水动力环境一般具有明显的分带性[3]，进入盆地的地下水穿过外环径流积极交替带，进入内环带转为长距离的水平运移，地下水可以充分吸取岩层的热量，使水与岩层同温，内环带为热水聚存的理想环境。郑州市区埋深650m以深的热储层为大型沉积盆地内环带，地热水补给来源为西南部上游侧向径流补给，总体由西南向东北方向径流，主要排泄方式为市区地热井供水开采。

表1 地热井抽水试验主要参数一览表

3.2 地热流体流场动态特征

1995年前，郑州市城区地热井静水位埋深一般小于等于50 m[1]。1995年后随着地热水开发量加大，静水位埋深呈现逐步加深趋势。2005年郑州市城区沉积盆地热储含水层地热流体流场已经形成面积达30多平方公里的地热水降落漏斗，漏斗中心最大年平均水位埋深115.86 m。2005年以后郑州市政府主管部门严格控制地热井建井审批制度，2007年至今地热水静水位埋深基本趋于稳定。

通过分析郑州市城区13眼井深800～1 200 m地热井地下水位监测资料(见表1)[1]，年平均水位埋深36.35～115.86 m。年平均水位埋深<50 m的3眼，占水位监测井总数的23.08%，年平均水位埋深50～80 m的7眼，占水位监测井总数的53.85%，年平均水位埋深80～100 m的3眼，占水位监测井总数的23.08%，年平均水位埋深>100 m的2眼，占水位监测井总数的15.89%。通过分析800～1 200 m深的地热井地下水位、月降水量动态曲线图，地热井地下水位动态曲线变化与降水量动态曲线变化无直接关系，水位的抬升与下降，主要与开采量大小有关，属典型的开采型动态。