韩城地区中深层岩溶地热资源热储特征及潜力评价*

薛 超，柴宏有，葛 毓，张玉贵，薛宇泽

(1.陕西省一三一煤田地质有限公司，陕西 韩城 715400；2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021)

0 引言

地热资源因其具有的绿色、清洁、环保和可再生等特点已受到人们的关注。陕西省地热资源主要集中在关中盆地，区内利用地下水源热泵系统和地埋管地源热泵系统开发利用面积已达11.53×106m2，渭南—西安—宝鸡一线已打出地热井百余眼[1-3]。随着改革开放形势的飞速发展，为适应城市建设的需要，建设黄河沿岸区域性中心城市，韩城地区发展开发地热资源已经迫在眉睫。韩城地区总体地热资源地质研究程度不高，通过对韩城地区特定研究区域中深层岩溶地热资源进行评价分析，可以为该区综合利用开发研究区地热资源提供地质依据。

1 研究区地热资源开发利用现状

20世纪60年代至今，煤炭、地矿、水利水电、科研院校等部门先后在研究区域作了大量的相关地质工作，在地热地质研究及地热资源开发等方面取得了一定的成果，根据以往地热资源勘查研究结果显示，研究区地热资源主要以浅层地热资源及中深层岩溶地热资源为主[4-6]。

该区中深层岩溶地热资源以奥灰岩为主要热储层，80年代后期，某勘探队在韩城矿区进行专门水文地质勘探时，在韩城市芝阳镇清水村发现了地热资源。近几年来，研究区逐渐打出了地热井7眼，已经取得了初步成效。但由于开采利用成本、技术条件、管理体制等因素，研究区地热资源开发利用程度总体上规模较小、程度偏低，地热资源尚未发挥应有的价值，与西安、咸阳等先进城市相比还存在较大差距。已开发的地热井都以温泉洗浴利用为主，供暖、制冷未成规模，利用形式单一，综合利用程度不高，造成了地热资源的浪费。

2 岩溶地热资源地质背景及热储特征

2.1 地质背景

2.1.1 基本构造

研究区地处祁吕贺山字型构造的前弧东翼，并处于新华夏系第三沉降带之东部，秦岭、阴山两个大型纬向构造带之间。根据板块构造学说观点，北部紧接鄂尔多斯地块，南邻渭河地堑系并与秦岭近东西向褶皱带相接，东经NE-NNE向汾河地堑系与近南北向延展的吕梁褶皱带相连，其西为近南北向延伸的贺兰山褶皱带与北西向延伸的六盘山褶皱带的接合部位,如图1所示。区域构造格架决定了韩城地区的基本构造格局，F1断裂东南部上盘下降形成断陷盆地，如图2所示，使得奥陶系灰岩埋深变深，随着地层埋深的增加，奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙水温度逐渐增加，据研究区某地热井测井测温资料，在埋深3 000 m处，井温已达89 ℃[7]。

图1 大地构造位置示意

图2 F1断裂及热储剖面示意

2.1.2 断裂构造

断层为本区最为发育的构造形式，规模最大为F1正断裂，为该区一级构造，纵横南北，北东端过黄河与罗云山断层相接，南西伸入合阳地区被新生界地层覆盖，该断裂及其次级断裂基本控制了该区的断裂构造形态。该断裂走向北东20°～50°，倾向南东，倾角约60°，断距在韩城城区一带大于500 m，至禹门口可达到1 000 m以上，为一正断层，断层上盘(断层东南侧)被松散沉积物覆盖，厚度500～2 000 m。该区主要的岩溶地热资源热储奥陶系灰岩埋深1 800～2 900 m，F1断裂及其次级断层不但影响着地下的透水性和富水性，而且也控制着地下水的径流条件及运动方向。表现在距F1断层水平距离较近时，单井单位涌水量较大，较远时钻孔单位涌水量较小。

2.2 热储特征

2.2.1 热储温度及水化学特征

研究区岩溶地热资源为面状热储，分布范围广，位于韩城F1大断层东南的断陷盆地内，热储层为奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙热水资源。热储覆盖韩城市全城区，厚度400～600 m，由南至北热储层埋深依次增加(埋藏深度1 800～2 900 m)。目前全区已陆续施工地热井7口，井口水温55～81 ℃，水量35～147 m3/h。对已施工7口地热井地质资料进行分析，可知该区的地热井水量受岩溶作用、F1断裂及次级断裂控制，表现为岩溶作用发育、断裂构造发育水量呈明显增大趋势，碳酸盐类岩溶裂隙水富水率不均一。水温则受热储层埋藏深度控制，经计算，该区一般地温梯度为2.47 ℃/100 m，热储温度一般在55～100 ℃。经水质分析，研究区碳酸盐岩类岩溶裂隙热储的地热井水化学类型SO4·Cl—Na·Mg型等，矿化度一般大于1 g/L，具有较好的医疗用热矿水资源，也可作为市政供暖需要。

2.2.2 热储盖层

在断陷盆地内奥陶系碳酸盐岩类热储上覆有巨厚的第四系、新近系、三叠系、二叠系地层，地层岩性为碎屑岩，各粒级岩石地层交互出现形成了储盖结合的地热系统。

2.2.3 热储压力

对已施工的7口井进行分析，该区热水井静止水位埋深6～83 m，静水位标高为315～363 m，由此可见，韩城断陷盆地属同一个水文地质单元，均属于奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水，热储压力较高，能满足研究区地热资源的开发利用。

3 岩溶地热资源潜力评价

3.1 评价范围

主要评价奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙开采区内的地热资源储量，计算范围南部以合阳县与研究区地界为界，西部以F1断裂为界，东部以西禹高速(G5)以西100 m为界。按照奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙热储层顶板埋深分为4个区块进行评价，埋深分别为区块Ⅰ：1 500～2 000 m、区块Ⅱ：2 000～2 500 m、区块Ⅲ：2 500～3 000 m、区块Ⅳ：3 000～3 500 m，如图3所示。

图3 热资源量估算区块划分及计算图

3.2 热资源量估算

采用热储法估算热储层资源总量[8]。

3.2.1 计算公式

计算公式见式(1)、式(2)。

C=ρrCr(1-φ)+ρwCwφ

(1)

Qr=A×d×C×(Tr-T0)

(2)

式中，C为热储岩石和水的平均比热容，J/(m3·℃)；ρr为热储岩石密度，kg/m3；Cr为热储岩石比热容，J/(kg·℃)；ρw为地热水密度，kg/m3；Cw为水的比热容，J/(kg·℃)；φ为热储岩石的孔隙度，无量纲；Qr为热储中储存的热量，J；A为计算区面积，m2；d为热储厚度，m；Tr为热储温度，℃；TO为当地年平均气温，℃。

3.2.2 计算参数

计算区面积：利用绘图软件量算区块Ⅰ～Ⅳ面积。

热储厚度：参考《地热资源评价方法》(DZ40—1985)[9]，40 ℃为中低温热水下限温度，故选取40 ℃以上的水作为热水资源估算，即利用平均地温梯度计算热储顶界40 ℃埋深等温面，当顶板埋深大于40 ℃埋深等温面时，以热储顶板为顶界，以热储底板为底界，根据奥陶系碳酸盐岩热储顶板埋深等值线图计算，各区块热储层地温均大于40 ℃，据此选定奥陶系碳酸盐岩热储层厚度约为500 m。热储温度计算公式为

Tr=T0+(D中-D0)G/100

(3)

式中,Tr为热储温度，℃；T0为常温带温度；取15 ℃；D中为取水段中点深度，m；D0为常温带深度，取30 m；G为平均地温梯度，℃/100 m；取该区地温梯度2.47 ℃/100 m。

根据上述公式分别计算各区块热储温度(图3)，为简化计算，选择区块I热储温度平均值约为60 ℃，区块Ⅱ为71℃，区块Ⅲ为83 ℃，区块Ⅳ为94 ℃。平均体积比热容确定见表1。

表1 平均体积比热容确定表

3.2.3 计算结果

经计算，区块I地热资源总量为3.17×1018J，区块Ⅱ地热资源总量为4.10×1018J，区块Ⅲ地热资源总量为5.08×1018J，区块Ⅳ地热资源总量为6.43×1018J，合计地热资源总量为18.76×1018J，相当于6.41×108t标准煤。

3.3 可回收热资源量

由热储法计算的资源量不可能全部开采出来，只能开采出一部分，能被开采的这部分资源量即是可回收资源，其计算公式为

Qwh=RE×Qr

(4)

式中，Qwh为可回收的地热资源量，J；Qr为热储层的地热资源量，J；RE为热回收率，%。参考《地热资源评价方法(DZ40-85)》，区块岩溶裂隙类热储热回收率为15%。经计算，可回收利用的碳酸盐岩类岩溶裂隙热储资源量为2.81×1018J，相当于0.96×108t标准煤。

4 结论

(1)所选研究区的地热井水量受岩溶作用、F1断裂及次级断裂控制，表现为岩溶作用发育、断裂构造发育水量呈明显增大趋势，碳酸盐类热储富水率不均一。建议后期开发利用阶段加强物探勘查和地质评价工作。

(2)研究区地热水水温受奥陶系灰岩热储层埋藏深度控制，经计算，该区一般地温梯度为2.47 ℃/100 m，热储温度一般在55～100 ℃。

(3)经水质分析，研究区碳酸盐岩类岩溶裂隙热储的地热井水化学类型SO4·Cl—Na·Mg型等，矿化度一般大于1 g/L，具有较好医疗用热矿水资源，也可作为市政供暖需要。

(4)研究区地质条件优越，中深层岩溶裂隙地热资源丰富，热储具备“水量大、水位浅、水温高、易回灌”四大优势，具备良好的综合开发利用条件。

(5)研究区采用地热能供暖，具有较好的环保效益和社会效益。经计算，以每100万m供暖建筑为例，与传统燃煤锅炉相比，可替代标准煤2.95万t，减少CO2排放量7万t，减少SO2排放量5 000 t。

(6)按照上述可回收利用的碳酸盐岩类岩溶裂隙热储资源量2.81×1018J，经计算，若对研究区辐射供热建筑面积1 200万m3，服务年限约410年。