北京延庆三里河地区地热资源特征及开发利用

孙振添　何铁柱　牛升晟

摘 要：为推动延庆三里河地区的清洁可再生能源规划及地热资源综合可持续利用，查清区域内地热赋存条件。本文以研究区内成功钻凿的多眼地热井的实钻编录、记录和测温等资料为基础，对其地热地质条件和热储结构特征进行了研究分析，并采用热储法计算了区域内的地热资源储量和可开采资源量。结果显示，研究区内展布的多条深大断裂为热储提供了较好的导热导水通道，区内蓟县系雾迷山组为主要热储，其赋存的地热资源储量为8.27×1018J，地热水资源量为25.37×107m3，地热水中的热量为5.19×1016J，为该地区今后的地热资源开发利用提供了数据基础。

关键词：延庆;热储结构;地热资源储量;可开采资源量;热储法;开发利用

中图分类号：P314    文献标识码：A   文章编号：1007-1903（2019）04-0037-06

Abstract： In order to promote sustainable utilization of geothermal resources， a kind of clean and renewable energy， it is necessary to ascertain the occurrence conditions of geothermal resources. Based on the logging， recording and temperature measurement data from the geothermal wells in Sanlihe area of Yanqing District， Beijing， this article has analyzed the geothermal and geological conditions， characteristics of geothermal reservoir structure， and calculated the corresponding geothermal reserves and recoverable resources by finite element reservoir volume method. The result indicates that multiple deep faults provide the favorable channel for geothermal fluids in this area， and Wumishan Formation of Jixian System is the main geothermal reservoir， with the geothermal reserves of 8.27×1018J， water volumes of 25.37×107m3， heat in geothermal water of 5.19×1016J. These data can provide base for the future exploitation and utilization of geothermal resources in this area.

Keywords： Sanlihe area of Yanqing District; Structure of geothermal reservoir; Geothermal reserves; Recoverable resources; Geothermal reservoir method; Exploitation and utilization

0 引言

近年來，延庆区正在积极创建“绿色北京示范区”和“全国领先的生态文明示范区”，通过出台一系列相关规划政策，明确提出了具体的清洁能源发展目标。在清洁能源中，地热能源比化石能源具有清洁、可再生等不可比拟的优势，同时具有区域专属特性，因此在北京地区开展地热能的资源勘查和开发利用具有重要的意义。延庆地热田是北京已划定的十大热田之一，蕴藏着比较丰富的地热资源（北京市国土资源局，2006），但目前主要以单井开发利用评价为主，尚未对区域内的地热资源赋存条件进行系统的整理分析。

为查清延庆区三里河地区的地热资源赋存条件，本文以区内成功钻凿的多眼地热井的实钻编录、记录和测温等资料为基础，对其地热地质条件和热储结构特征进行了研究分析，并采用热储法计算了区域内的地热资源储量和可开采资源量，详细探究了区内地热地质的特征，为今后该地区的地热资源开发利用提供了较强的理论依据及数据支撑。

1 研究区概况

1.1 区域地质概况

三里河地区所处地质构造单元为延庆新断陷中部。延庆新断陷是隶属于中朝准地台（Ⅰ级构造单元）燕山台褶带（Ⅱ级构造单元）密云怀来中隆断（Ⅲ级构造单元）的两个Ⅳ级构造单元。研究区内新生界以第四系为主，岩性多为松散的冲积洪积物，颗粒较大，且厚度变化较大（丁连靖等，2007;丁连靖等，2014）。

研究区内新生界基底以白垩系、侏罗系为主，四周山区有大面积出露。地层从老到新发育有：太古界密云群、上元古界长城系、蓟县系雾迷山组、中生界侏罗系、白垩系和新生界第四系，地层组合较为简单（北京区域地质志，1991）;岩浆岩在研究区内有大面积出露。

区内断裂构造复杂，以北东向和近南北向构造为主（图1），其中北东向的断裂规模相对较大，且均为正断层。北西向断裂依次发育有：康庄-沈家营断裂（F1）、西桑园-谷家营断裂（F2）及五里营-古城断裂（F3），它们形成于燕山期，至喜山期异常活跃，控制了延庆盆地的总体形态;南北向断裂依次发育有靳家堡断裂（F4）和古城-苏庄断裂（F5）（牛升晟，2013），与北东向断裂共同作用，形成了延庆盆地现今的构造格局。

1.2 区域内地热资源开发现状

1994年，钻探成功“新延热-1”井（水温52.5℃、水量1829m3/d），揭露了该地区基本地层层序和对应厚度，使人们对延庆地区地热地质条件有了初步的认识。随后施工的小鲁庄地热井钻遇了花岗岩体，表明该地区地质条件相对复杂。2002年开展了延庆区平原区地热普查工作，在其指导下相继钻探成延热-2、延热-4、延热-2灌、延热灌-2（水温65℃～70℃、水量2200～3300m3/d）和延热-5地热井（北京市地质勘察技术院，2002），深化了人们对该区地热地质条件的认识，使得该地区的地热勘查和开发进入了一个新的阶段。

目前，研究区及周边已知地热井有新延热-1、延热-2、延热-2灌、延热灌-2、延热灌-3、小鲁庄地热井、延热-4、延热-5和延热-6井。其中小鲁庄和新延热-1井位于靳家堡断裂西侧，而延热-5井离研究区较远，各井揭露地层、出水量、出水温等参数见表1。

2 地热地质条件

研究区划分为四个构造单元，包括西白庙-三里河凹陷、五里营凸起、东卓家营凹陷和西桑园-八里店单斜带。其中，五里营凸起北侧以黄柏寺断裂为界，东临靳家堡断裂，南侧以五里营-古城断裂为界并与西白庙-三里河凹陷相接;西白庙-三里河凹陷的西北侧以五里营-古城断裂为界，东侧以靳家堡断裂为界并与东卓家营凹陷连接，南侧则为西桑园-谷家营断裂;西桑园-八里庄单斜带北临西桑园-谷家营断裂，东临古城-苏庄断裂，西侧为靳家堡断裂，南侧则为康庄-沈家营断裂;卓家营凹陷则被靳家堡断裂、五里营-古城断裂和西桑园-谷家营断裂包围（图1）（北京市地质研究所，1995）。

东卓家营凹陷内主要分布有延热-5、延热-6和延热灌-3井。根据区域地质资料并结合实钻地质资料分析，区内第四系埋深由南西到北东逐渐加深，从570m至1200m，凹陷中心可能位于东卓家营附近，而蓟县系雾迷山组顶板埋深从南边的2000m向北部逐渐加深至2400m。

延热-2、延热-2灌、延热-4和延热灌-2地热井分布于西桑园-八里店单斜带内。区内第四系厚度约为530～560m，下伏地层为白垩系和侏罗系，蓟县系顶板埋深在1500～1600m左右。高精度磁测资料显示，在广积屯东侧有一椭圆形状磁力高值异常，推测为花岗岩体。延热-2灌井和延热2井的实钻资料则显示在1400～1590m有石英正长斑岩岩脉和闪长玢岩岩脉，这也验证了区内深部存在着侵入岩体。

西白庙-三里河凹陷内的新延热-1井钻遇第四系厚为580m，在1397m钻遇蓟县系，且至2006m处未穿;根据区域地质资料及该井资料的综合分析，区内蓟县系顶板埋深在1400～2000m之间，最深处位于西白庙一带。

庆2和小鲁庄地热井揭示了五里营凸起内的第四系厚度在300～900m之间，蓟县系顶板埋深在500～1000m之间，且从西南到东北逐渐加深，最浅处在五里营一带。

3 热储结构特征

延庆地热田属于沉积盆地型低温（小于90℃）地热类型，主要靠地层增温聚热（丁连靖等，2007）。

（1）导热导水通道

研究区北东部的佛峪口-黄柏寺断裂是一条燕山期形成的规模较大、走向多变的张性大断裂，与北东走向的五里营-古城断裂共同控制了延庆盆地的北部边界;南部的康庄-沈家营断裂控制着盆地的南侧边界;而研究区中部则发育有西桑园-谷家营断裂。南北向的古城-苏庄断裂、靳家堡断裂在一定深度上与上述4条大断裂交汇，形成良好的纵横交错热通道网络（丁连靖等，2007）。区内已钻探成功的地热井的出水量及出水温度均较理想，说明上述断裂是地下热能向上运移的良好通道。

（2）热储盖层

研究区内热储盖层为第四系、白垩系、白垩系和侏罗系（李春昱，2004），地层岩性致密、厚度大，隔热、隔水性能好，是比较好的热储盖层。

（3）热储

研究区内热储为蓟县系雾迷山组，地层岩性主要为硅质白云岩（张进平，2019），岩溶裂隙发育，厚度较大，有利于热水赋存。

（4）地温场分布特征

区内已知地热井的测温资料详见表2，由统计数据可以看出，该地区每百米的平均地层增温率较高，第四系可达到4.0℃/100m以上，白垩系和侏罗系约为2.0℃/100m以上;蓟县系的地层增温率也达到了1.0℃/100m以上，说明该地区具有较好的热储盖层条件。

4 地热资源量估算

4.1 估算方法

热储法是热水资源评价中最为常用的方法，其优点在于用热储法计算热储的热量时，岩石和水的比热、密度和孔隙度都可在实验条件下获得较为准确的数据，而且适用范围较为广泛，不仅适用于孔隙型热储，对裂隙型热储也同样适用。依据《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615-2010），有关的热储计算公式如下：

式中：A为计算区面积（m2）; d为热储厚度（m）;pr为热储岩石密度（kg/m3），cr为热储岩石比热（J/（kg·℃））;φ为热储岩石的空隙度，无量纲;tr为热储温度（℃）;to为当地年平均气温（℃）;pw为地热水密度（kg/m3）;cw为水的比热（J/（kg·℃））。

4.2 参数选取

（1）热储面积（A）

研究区的总面积约为48km2。由于区内断裂构造发育，首先根据断裂构造和地层展布规律将研究区划分为4个区域，分別为五里营凸起（Ⅰ区）、西白庙-三里河凹陷（Ⅱ区）、卓家营凹陷（Ⅲ区）和西桑园-八里店单斜带（Ⅳ区），详见图1。

Ⅰ区：面积约为12km2，区域内地热井主要有庆-2和小鲁庄地热井。

Ⅱ区：面积约为7.65km2，区域内地热井为新延热-1井。

Ⅲ区：面积约为18.5km2，区域内地热井主要有延热灌-3、延热-5和延热-6地热井。

Ⅳ区：面积约为9.85km2，区域内地热井主要有延热-2、延热-2灌、延热灌-2和延热-4地热井（表3）。

（2）热储厚度（d）

根据研究区内热储的展布特征，以蓟县系雾迷山组作为主要热储，即主要计算雾迷山组热储内的地热资源。

由于区内已有地热井均未揭露雾迷山组底板埋深，且已有地热井均未穿透3000m深度，则本次工作以3000m作为雾迷山组底板埋深进行资源量估算。则研究区内4个区域的热储厚度分别为：Ⅰ区，2000m;Ⅱ区，1600m;Ⅲ区，1000m;Ⅳ区，1600m。

（3）热储温度（tr）

根据表1和表2中所示已有地热井的出水温度和地热增温率，计算各区域内热储顶板温度和底板温度的平均值作为该热储的温度，则研究区内4个区域的热储温度分别为：Ⅰ区，42℃;Ⅱ区，58.85℃;Ⅲ区，63.5℃;Ⅳ区，70℃。

（4）当地年平均温度（to）

根据以往工作经验，取当地的年平均气温8℃作为基准温度。

（5）热储岩石密度（ρr）

据《地热资源评价方法》（DZ40-85），石灰岩密度取2600kg/m3。

（6）热储岩石比热（cr）

据《地热资源评价方法》（DZ40-85），石灰岩比热取220cal/（kg·℃），取1cal=4.1868J，则岩石比热为921.096 J/（kg·℃）。

（7）地热水密度（ρw）

地热水的密度取1000 kg/m3。

（8）水的比热（cw）

取1000cal/kg/℃，取1cal=4.1868J，则岩石比热为4186.8 J/（kg·℃）;

（9）热储岩石的孔隙度（φ）

据《北京市地热资源潜力的勘查评价》，16组蓟县系雾迷山组孔隙率数据分布在0.12%～0.6%范围内，均值为0.36%（表4）。

4.3 估算结果

研究区内的地热资源评价结果见表4，蓟县系雾迷山组的热储存量为8.27×1018J，折合标准煤2.82亿吨;热水资源量为25.37×107m3，地热水中热量为5.19×1016J，折合标煤177万吨。取回采率RE为0.25，则可采地热水热储存量为1.3×1016J，折合标准煤44.25万吨。

5 地热资源开发利用评价

根据研究区内地热井的成井深度判断，该区内的热储地热资源的开采主要为经济型（成井深度为1000～3000m），即B级;依据地热井的地热流体单位产量判断，则该区为较适宜性开采区（地热京地热流体单位产量大于50m3/d·m），等级同样为B级;同时，区域内地热流体温度均低于90℃，属于低温地热资源，适合直接利用，可用于供暖、洗浴等方面。

研究区内地热流体温度高于50℃的地热资源储存量为6.31×1018J，折合标煤2.15亿吨。研究区内地热流体温度高于50℃的热水资源量为16.73×107m3，地热水中热量为3.96×1016J，折合标煤135万吨。为确定这一区域内利用深层地热资源进行建筑物供暖的能力，取回采率RE为0.25，则可采地热水热储存量为0.99×1016J，折合标准煤33.75万吨。以开采100年计，且该部分热量全部用于冬季供暖（以165天计），居室采暖热指标取50W/m2，则每年可供暖面积约1.07×105m2。若加用调峰负荷占供热总量30%计，则每年可供暖面积约1.53×105m2。可见在使用地源资源进行采暖可大大减少排放到大气中的污染物，其环境效益十分可观。

6 结论

研究区位于延庆盆地地热开采远景区，钻探资料揭示了区内深部地层层序为第四系、 白垩系、白垩系加侏罗系和蓟县系雾迷山组。蓟县系雾迷山组为研究区内的主要热储，且地热增温率在1.0℃/100m以上。

研究区内热储量约为8.27×1018J，折合标准煤2.82亿吨;热水资源量为25.37×107m3，地热水中热量为5.19×1016J，折合标煤177万吨。取回采率RE为0.25，则可采地热水热储存量为1.3×1016J，折合标准煤44.25万吨。如果将地热流体温度高于50℃的地热资源用于建筑物供暖，每年可供暖面积约为1.07×105m2。若加用调峰负荷占供热总量30%计，则每年可供暖面积约1.53×105m2。

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