山东省武城县地热资源开发利用前景分析

2018-06-20，，

地下水 2018年3期

，，

(1.山东省鲁北地质工程勘察院，山东德州 253072；2.山东省武城县国土资源局，山东德州 253072)

当前严峻的大气污染形势再次将地热资源的开发利用推到了前台，作为一种绿色可再生能源，地热能开发成为了解决北方地区冬季清洁供暖问题的最佳选择。武城县作为山东省最早开展地热供暖的地区之一，具备得天独厚的地热资源优势。本文旨在对武城县地热资源的供暖开发利用前景进行评价，为武城县的清洁供暖提供依据。

1 区域地质背景

1.1 地质构造

武城县在大地构造上位于渤海湾盆地的南部，沧县隆起与临清坳陷的相接部位(见图1)。渤海湾盆地的断裂构造走向以近EW向与NNE-NE向为主，断裂性质主要为正断层[1]。在此背景下，区内主要发育有NNE走向的滕庄-老城断裂，EW走向的恩城断裂。

滕庄-老城断裂为沧东断裂的南段，区域上为沧县隆起与临清坳陷的分界断裂，断层面呈上陡下缓的铲状特征，走向NE，为西盘上升、东盘下降的正断裂[2]，倾角10°～80°。断裂于印支-燕山期开始活动[3]，至喜马拉雅运动第一幕[4](始新世)时活动强度达到最大，新近纪时活动消亡[5]，该断裂具有较强的导水能力[6]，有利于深部高温流体沿断裂向浅部越流补给。

恩城断裂呈近EW走向，为南升北降的正断层，断裂活动开始于古新世，始新世Es2+3时期活动最为强烈，新近纪时期活动消亡[7]。该断裂仅局部切穿了馆陶组的底部，馆陶组下伏的东营组与沙河街组泥岩发育，在断面附近常形成断层泥，导致断裂面密封性较好[8]，不利于下部流体对馆陶组热储的补给。

1.2 地层

研究区地层分布特征受构造的控制明显，滕庄-老城断裂以西的老城潜凸起区缺乏古近纪地层，该断裂以东的德州潜凹陷区古近纪地层发育齐全(见图2)。

古生界自下而上可划分为下古生代寒武-奥陶系，岩性主要为碳酸盐岩；上古生代石炭-二迭系，岩性为砂岩或泥岩。中生界主要发育有侏罗-白垩系，岩性为砂岩或泥岩。古近系自下而上可分为孔店组、沙河街组、东营组，岩性为砂岩或泥岩；其中沙河街组厚度巨大，根据其岩性特征进一步划分为四段。新近系自下而上划分为馆陶组与明化镇组，岩性为砂岩或泥岩，其中馆陶组下段砂岩是武城县地热资源开发的目标热储。第四系为未成岩的粘性土或砂性土。

图1 研究区构造位置示意图

图2 武城县地层空间分布剖面图

1.3 岩浆岩

德州潜凹陷内石油勘探发现，在孔店组与沙河街组四段中发育有多层厚度巨大的安山岩、玄武岩[9]。其中位于研究区西南边界处的德参2井岩浆岩尤为发育，岩浆岩累计厚度近200 m。

2 地热地质条件

区内上古生代、中生代与古近纪地层中砂岩的岩性以粉砂岩为主，结构致密，孔隙度低，当前技术条件下开采成本较高，暂不作为地热开发的目标热储；老城潜凸起区下古生代寒武-奥陶系碳酸盐岩埋深2 000 m左右，可作为下步开发的重点。新近纪馆陶组热储最具开发利用价值[10-11]，也是区内现有地热井的目标取水段，本次仅对该热储中地热资源的形成条件进行评述。

2.1 盖层

区内馆陶组地层之上覆盖有厚1 000～1 200 m的明化镇组与第四系，岩性为泥岩或砂岩，热导率低，成为了馆陶组热储的良好盖层。

2.2 热源与地温场特征

区内地热资源类型为沉积盆地传导型地热资源，热源主要来自地球内部的大地热流[12-13]。以往研究表明区内平均大地热流值为77.45 mw/m2[14]。地球内部产生的热量通过大地热流形式源源不断地向外辐射，经历漫长的地质历史时期在热储中淀积形成可供开发的地热资源。

以地热井的实测井口温度与取水段平均埋深为参数，计算馆陶组及其上覆地层的平均地温梯度。结果表明，全区为地温梯度>3.0℃/100m的地热异常区(见图3)，其中滕庄-老城断裂具有明显的导热特征，沿断裂分布有地温梯度>3.4℃/100m的高异常带。

图3 武城县馆陶组及上覆地层平均地温梯度等值线图

图4 馆陶组热储分布与W18井身结构图表1 地热井温度与出水量一览表

编号地点孔深/m温度/℃降深/m出水量/m3/hW34鲁腾家园1 411.715735.772W16利城金岸1 5916234.585W45张庄村1 574.46625890W20滨湖丽都1 558.4623880W19金马商城1 5826145.495W1时代花园1 5706237.890

2.3 流体通道与热储特征

馆陶组地层中分布有厚度巨大的砂岩、砂砾岩层，即是流体的通道，又是地热流体的储集空间。根据钻探资料，区内馆陶组热储可分为上下两段，馆上段热储岩性较细，以细砂岩、中细砂岩为主，单层厚度薄，砂岩与地层的厚度比25%左右，热储孔隙度约30%。馆下段热储岩性较粗，以粗砂岩、含砾砂岩及砂砾岩为主，单层厚度大，砂岩与地层的厚度比50%左右，热储孔隙度约28%，该段热储是目前区内地热井的主要开采层段(见图4)，热储温度57℃～62℃，单井涌水量72～95 m3/h(见表1)。

图5 馆陶组热储底板埋深等值线图

馆陶热储底板埋深在德州潜凹陷区1 600～1 800 m，南深北浅、东深西浅；在老城潜凸起区1 450～1 500 m，南深北浅。其中滕庄-老城断裂两侧馆陶组底板落差约150 m左右，东深西浅。恩城断裂两侧馆陶组底板落差约50 m 左右，

北深南浅(见图5)。馆下段热储的累计厚度110～150 m，南厚北薄(见图6)。

图6 馆陶组热储底板埋深等值线图

3 地球化学特征

区内馆下段热储地热水中阳离子以Na+为主，当量浓度百分比为82.73%～90.83%。阴离子以Cl-为主，当量浓度百分比为70.62%～74.65%；其次为SO42-，当量浓度百分比为20.61%～25.09%。水化学类型为Cl-Na或Cl·SO4-Na 型。地热水矿化度4.67～4.81 g/L(见表2)。

表2 地热水主要离子含量一览表

采用美国地调局免费软件PHREEQC软件对地热水中主要矿物的饱和指数进行计算[15]，结果表明，当设定的反应温度接近热储温度时，方解石的饱和指数达到“0”(见表3)，说明地热水中主要离子浓度受方解石的水岩平衡反应控制。

4 地热资源开发利用现状

武城县现有地热井44眼(见图7)，其中有25眼集中分布在武城县城区，多建于2012年以前，由于当时城市供暖基础设施不完善，房地产商为解决新建住宅冬季供暖问题建设的。其余19眼地热井为解决各乡镇新建农村社区供暖问题而建设的。2016年底，鉴于地热供暖尾水排放的环保压力，武城县对城市集中供暖设施可以辐射到的地热井实行了关停，城区内仅保留了对地热供暖尾水进行了回灌的6眼地热井，农村社区的19眼地热井要求限期开展地热尾水回灌。

5 地热资源评价

5.1 地热资源量

本次采用《地热资源地质勘查规范》[16]中推荐的热储法对馆下段热储中蕴藏的热资源量进行计算，由于区内主要开采馆下段热储中地热水进行住宅供暖，计算的温度下限取地热供暖尾水温度30℃。通过非稳定流抽水试验求取的馆下段热储弹性释水系数约为4.2×10-4，比热储的孔隙度小2～3个数量级，流体弹性储存量中蕴含的热资源量在计算中予以忽略，计算公式如下：

Q=A·d·[ρs·Cs·(1-φ)+ρw·Cw·φ]·(tr-t0)

(1)

式中：Q为热资源量(J)；A为热储面积(m2)；d为热储厚(m)；ρs为热储岩石密度(kg/m3)；Cs为岩石的比热[J/(kg·℃)]；φ为热储孔隙度，无量纲；ρw为地热水密度(kg/m3)；Cw为地热水的比热[J/(kg·℃)]；tr为热储平均温度(℃)；t0为温度下限(℃)。

经计算，武城县馆下段热储中储存的热资源量为8.11×1018J，折合标准煤2.77亿 t。

5.2 地热水静储存量

热储中地热水静储存量包括热储孔隙中容积储量与高压下地热水以弹性压密形式存在的弹性储量，计算公式如下：

Q=A·d·φ+A·μe·H

(2)

式中：Q为地热水静储存量(m3)；μe为热储弹性贮水系数，数值等于热储的新热的弹性释水系数，无量纲；H为热储中点至地热水自由水面的距离(m)。

经计算，武城县馆下段热储中蕴藏的地热水静储量为2.75×1010m3。

5.3 地热水质量评价

区内馆下段热储地热水主要用于建筑物供暖，针对供暖需求进行地热水的结垢性与腐蚀性评价。因地热水中氯离子含量高，采用拉申指数判断地热水碳酸钙结垢趋势与腐蚀性，公式如下：

(3)

式中：LI为拉申指数，无量纲；Cl为氯离子浓度(mg/L)；SO4为硫酸根离子浓度(mg/L)；ALK为总碱度(mg/L )。经计算，LI为12.61～14.86，地热水不结垢，具有强腐蚀性。

表3 不同温度下地热水中主要矿物饱和指数一览表

图7 武城县地热井分布图

6 地热资源开发利用前景

2016年，武城县对城区的6眼地热井实施了配对回灌井，地热水的灌采比为93.98%～97.94%，证明了地热供暖尾水回灌是切实可行的。在回灌-开采的地热资源利用方案下，将供暖尾水全部回注入热储中，只取热不取水，地热资源的开发利用前景主要受热储中蕴含的热资源量限制。根据中低温地热资源开发利用年限100年计算，武城县馆下段热储中蕴藏的年可利用热资源量为8.11×1016 J/a。以单位面积住宅供暖定额50 W估算，馆下段热储可满足1.56×108m2的建筑面积供暖需求。

国家统计局公布的2016年全国人均居住面积40.8 m2，武城县2010年统计人口为390 412，人口自然增长率7.98‰，推测2017年武城县人口约为41.27万人，则住宅的总供暖面积需求约为1 688万 m2。100 a后武城县预计人口数为86.44万人，供暖总需求约为3 527万 m2。由此可见，馆下段热储中蕴含的热资源量完全可满足未来100 a内武城县居民住宅的供暖需求。