湖北省通山县王家庄地热资源特征及储量评价

2020-02-22王秀雅孙丰博王占川余婉露

河北地质大学学报 2020年6期

王秀雅，孙丰博，王占川，余婉露

河北地质大学水资源与环境学院，河北石家庄 050031

地热能是一种清洁可再生资源，因具有热流密度大、容易收集和输送、参数稳定、使用方便等优点[1-2]。湖北省不但矿产资源丰富，地热资源也非常可观。地表出露的温泉基本都得到不同程度的开发利用，但总体利用程度相对较低，许多地热资源未得到充分利用，因此进行湖北省通山县王家庄地热资源评价，对地热资源合理开发利用具有实际意义。

目前地热资源储量计算方法较多，如地表热流法[3]，孙桂明和史猛[4]采用统计分析法与Lumpfit集中参数模型相结合的手段，准确的预测了烟台于家汤热泉可采资源量；茹洪久和刘东林等[5]运用数值耦合优化管理模型计算热流体的可开采资源量；程秀明、李传磊等[6]利用泰斯公式求给定条件和参数情况下的鲁西北层状热储地热田可采资源量；韩征、崔一娇等[7]用蒙特卡罗法对河北省雄县地热田的地热资源进行评价，将热储法公式作为资源评价的数学模型，得出可开采地热资源量。热储法不仅适用于松散岩层分布区的地热能储存量评价[8]，同样适用基岩地区的地热能储存量评价，此方法应用较广，且比较成熟[9]。

因此，结合以往勘探资料以及近年取得成果，论文采用同位素分析法阐述湖北省通山县地热田热流体特征，并采用热储法对通山县地热田40℃以上范围地热资源量进行整体评价，对通山县地热田地热资源的合理开发与科学保护具有重要意义。

1 研究区概况

研究区地处鄂南中低山区，群山起伏连绵，地貌形态以低山为主，沟谷纵横，山脉走向北东东向，地形比较陡峭，冲沟呈“V”型谷。属于亚热带季风气候区，多年平均降水量1 755 mm，多年平均蒸发量1 245 mm，相对湿度79%[10]。区内地层发育较为齐全，由老到新依次为：中元古界冷家溪群坪原组变质砂岩、板岩；古生界寒武系上统三游洞群白云岩；奥陶系上统瘤状泥灰岩、页岩；志留系下统龙马溪组粉砂岩夹细砂岩；中生界侏罗系浅灰色中细粒黑云母二长花岗岩；第四系全新统冲洪积[11]。都为该区地热资源的形成提供了良好的地质条件。图1为湖北省通山县王家庄地热田区域地质图。

1-志留系下统；2-奥陶系中上统；3-奥陶系下统；4-奥陶系下统；5-寒武系上统；6-寒武系中统；7-寒武系下统；8-寒武系下统；9-震旦系上统；10-震旦系下统；11-元古界冷家溪群坪原组；12-侏罗系；13-层理产状；14-实测推断正断层；15-温泉；16-断层产状；17-辉绿岩脉；18-石英脉；19-细粒花岗岩；20-伟晶岩脉；21-岩体及脉岩产状；22-地质界线；23-房屋建筑

2 地热资源特征

2.1 热储与盖层

地热田区分布的变质砂岩隔水层与第四系全新统冲洪积组合，构成了热流场区隔热阻水盖层，对下伏热流场热源起到了隔热保温作用。在水热区范围内形成了一个储热盖层封闭圈。地热异常区除东侧中元古界冷家溪群坪原组变质砂岩、板岩构成条带状储热盖层外，在周缘地带分布有大面积侏罗纪沙店花岗岩体，起到良好的阻水隔热作用，对地下热水的隔热保温非常有利[12]。

1-元古界冷家溪群坪原组变质砂岩；2-侏罗世二长花岗岩；3-第四系冲洪积；4-石英脉；5-二长花岗岩含水层；6-温水范围(25℃～40℃)；7-温热水范围(40℃～60℃)；8-蚀变岩；9-小桥；10-水质全分析；11-地质剖面及编号；12-实测正断层及产状；13-水系；14-地质及含隔水层界线；15-房屋建筑；16-公路

2.2 地热田分布特征

通山县王家庄地热田的分布范围明显受区域上北东向的断裂F2控制(图2)，地热田的分布范围平面形态呈椭圆形带状，走向北东46°～65°。地热田的水温在25℃～50℃之间，属小型低温地热田，热源中心为SHK02孔，受冷水的混合作用及远离热源影响，水温由热源中心向外围扩散并逐渐降低，剖面上储层与盖层交替复合出现。地热田在此次施工的钻孔中，进行了跟钻测温和终孔系统测温工作水温曲线表现出总体随钻孔深度增加，水温变高的传导传热型特征，并且表现为较为理想的直线关系。王家庄地热田温热水平面分布约1 006 m2，温水平面分布约3 627 m2。

2.3 地热水循环

研究区王家庄地热田地热流体出露的断裂F2及次级构造F3，供地下水深部循环形成了热水。从地层顺序上看，地热泉的东南部为风化的二长花岗岩，为泉水提供了水源和储存空间，西北部为冷家溪群坪原组板岩，构成了地热泉水的北部隔水边界，使得地下热水通过断层上升，受阻后得以自流。泉水出露在板岩与花岗岩的接触带上。

地热田地下热水的补给为近源补给，主要来源于地热田南西部的大气降水补给，且受区域构造九宫山复式背斜及次级断裂带的控制，大气降水沿断裂带入渗参加深部循环。

2.4 地热水水化学特征

对SHK01(水温30℃)、SHK02(水温50℃)、Q1(水温42℃)、Q2(水温18℃)各取一组水样进行了常规离子、微量元素以及对SHK02孔进行了放射性元素及总α总β等检测，其结果见表1。

表1 研究区地热水中组分一览表

2.4.1 地热水化学组分

研究区地下热水大多无色、无嗅、味咸、无肉眼可见物。从表1中可以看出地热水中离子以Na+离子占优势。地热水中含锂、锶、溴、钡、锂、锰、偏硅酸等微量元素，地热田的热水化学类型为重碳酸钠型弱碱性水，钠离子为45.4 mg/L。在微量元素方面，较突出的有氟离子12.28 mg/L；偏硅酸149.45 mg/L。上述组分的增高，是地热田处地下热水特有的性质，是地下热水明显异于区域地下冷水水质的特征组份。一般认为，热水中特征组份的含量较高是地下水参与深部循环溶滤的结果，而氟的含量增高，一般认为可能与酸性侵入体有关。另外，热水的TDS较低，未超过2 g/L，说明热水的循环条件是较好的。

2.4.218O与D同位素分析

研究区内地热水稳定性同位素分析从表2中得出。

表2 同位素分析结果表

综合普查资料与本次研究区分析结果绘制图3(18O与D的关系图解)。从图3可以看出，此次实测出的18O与D的关系值近似呈线型关系且极为靠近大陆雨水线，这就意味着地热田及外围的地下热水、地下冷水的主要来源于当地大气降水。同时，由收集雨水与地下热水的连线可以看出，其斜率略大于大陆雨水线。

从而反映出：(1)工作区处的蒸发强度小于全国平均蒸发强度；(2)随着地下冷水向地热田处的运移，温度的升高，从而影响了同位素的分馏作用，导致岩水平衡环境中的水分子组分中越来越富含18O，即出现了所谓的“氧漂移”。(3)地下冷水基本上与大陆雨水线重合，说明地下冷水为大气降水的浅层地下水的运移。

图3 18O与D的关系图解

3 地热储量评价

3.1 评价方法

地热储量评价采用热储法计算。具体计算公式如下：

QA=C×A×D(tr-tj)

(1)

C=PC×CC(1-ψ)+PW×CW×ψ

(2)

(3)

(4)

式中： QA—地热资源量(kcal)；C—热储岩石和水的平均热容量(kcal/m3·℃)，A—热储面积(m2)；D—热储厚度(m)；tr—热储温度(℃)；tj—当地多年年平均气温(℃)；PC、PW—分别为岩石和水的密度(kg/m3)；CC、CW—分别为岩石和水的比热(kcal/Kg·℃)；ψ—裂隙率或岩溶率%；B—液体的容积系数；μ—液体的粘度，CP(1CP=1 mPa·s)[13]；H—热储层的有效厚度m；R—试验井的影响半径m；r—试验井的半径m；Kc—产量指数；Q—流量m3/d；ΔP—动水位和静水位的压力差值，用大气压表示，bar(101 325 Pa)[14]。

3.1.1 热储评价相关参数

(1)热储面积(A)：据地热田地质条件对水温40℃及以上热水分布范围进行评价共1 006 m2；

(2)热储厚度(D)：取地热水的循环深度减去覆盖层厚度，该地热田基准温度为154.3℃，地温梯度G=8.3℃/100 m。地下热水的循环深度可近似为：H=(154.3-47) /(8.3/100 m)+21.4=1 314 m；

(3)热储温度：测温数据的稳定值tr=50℃；多年年平均气温tj=14.3℃；

(4)岩石与水的密度、比热：参照地热资源地质勘查规范(GB/T 11615—2010)[15]；

(5)流体的粘度：从表3可以看出水温和粘度关系，采用插值法计算50℃时的μ=0.562；