青海共和盆地新近系热储层地热资源量评价与分析

于漂罗，张盛生，查恩爽

1. 青海省地质调查局 水文地质环境地质调查部，西宁 810000；2. 青海省水文地质工程地质环境地质调查院 水文地质及地热地质重点实验室，西宁 810008；3. 吉林大学 建设工程学院，长春 130026

0 引言

地热资源具有清洁可再生、空间分布广泛和资源储量巨大等优点[1]，可用于电力调峰、冬季供暖、温室养殖和温泉康养等[2--3]，对于中国CO2减排和双碳目标实现具有重要意义[4]。地热资源可持续开发利用通常分为4个阶段，包括：资源勘查、资源量评价、优化开采方案设计和发电等综合利用系统构建[5]；其中，地热资源量的合理评价既是地热地质勘查的基础目标，也是开发利用方案设计的重要依托。

地热资源量可指地热资源储量和允许开采资源量[6--7]。地热资源储量评价通常采用体积法，即根据热储层的温度和储层体积，通过二者与比热容乘积计算获得[8--10]。该方法简单、资料要求低，是目前地热领域最常用的地热资源估算方式。然而，方法将地热资源视为与石油、天然气等相似的不可再生资源，未考虑热储层内部水热过程动态特征以及地热资源富集内在机制。例如，受大地热流、热储盖层厚度和热储内部地下水渗流过程影响，热储层内部温度在空间上存在强烈的非均匀性。若忽略上述过程，采用体积法估算获得的地热资源储量将与实际情况存在较大差异。

地热资源允许开采量计算可有效弥补地热资储量计算中的不足[11--14]。该资源量考虑了地热资源利用方式和天然热补给之间相互作用条件下、地热资源时空演化过程，为地热资源开发利用决策的制定提供直接依据。以中深层水热型地热资源为例，其开发利用方式主要以对井采灌、热能直接利用为主。通过构建井--储耦合数值模型，可模拟不同开采强度下，储层内部渗流场和温度场时空演化过程以及开采井在开采周期内的温度演化过程，据此判断最优开采强度，作为给定水位降深、温度降幅条件下的地热资源允许开采量。该方法广泛应用于井场尺度地热资源评价，是目前最准确的地热资源评价方式。但受计算效率制约和地热储层复杂地质条件影响，数值模型边界条件难以界定，使得该方法难以用于盆地尺度地热资源量评价。

鉴于上述体积法和数值模拟方法的不足，本次研究考虑地热富集过程，提出一种操作简单、精度介于体积法和数值模拟方法之间、计算效率高的地热资源量评价方法，并应用于中国共和盆地恰卜恰地热田，进行新近系水热型地热资源量计算和地热资源分布规律分析，为当地地热资源可持续开发提供依据，也为中国陆域水热型地热资源合理评价提供新的理论参考。

1 研究区概况

青海省共和盆地地处青藏高原东北缘，北邻祁连造山带，南靠东昆仑造山带，东邻西秦岭造山带，在空间上呈菱形展布，面积超过104km2(图1a)[15]。受构造运动影响，盆地内部及周边地区已查明80余处温泉出露，其中6处温泉温度超过60℃。由于区内地表热异常显著，2011年以来，青海省自然资源厅在共和盆地东部恰卜恰地区相继实施了“青海省共和县恰卜恰镇地下热水资源勘查”和“青海省共和县恰卜恰镇中深层地热能勘查”，累计完成深部钻探16处，其中10处钻孔单井深度超过1 000 m，确定了以恰卜恰地区为代表的共和盆地热储层空间结构和垂向温度分布特征。

图1 共和盆地位置(a)、盆地内典型地层结构 (b)和恰卜恰地热田地形地貌图(c)Fig.1 Location of Gonghe Basin (a), typical stratum structure in basin (b) and geomorphology map of Qiabuqia geothermal field (c)

共和盆地基底以中晚三叠纪变质沉积岩、印支期花岗岩和花岗闪长岩为主，上覆新生代碎屑岩类沉积地层，包括新近系砂岩和泥岩地层以及第四系河湖相沉积地层(图1b)。钻孔测井数据显示[16--18]：第四系含水层温度约为15～40℃，局部形成中低温热储层；新近系含水层温度普遍高于60℃，形成中温水热型热储层；新近系之下钻遇多处干热岩体，其中GR1井在深度3 705 m，温度达到236℃(图1c)。

结合区内勘查成果，目前初步认为共和盆地地热资源富集与岩浆活动关系密切。例如：锆石U--Pb法同位素数据显示共和盆地干热岩体存在中三叠世和晚三叠世两期侵入体，说明晚三叠世侵入体在不同地段重熔了早期形成的晚二叠世侵入体和中三叠世侵入体，形成规模较大的重熔岩浆[19]。磁法勘探显示，在共和盆地20～30 km深度范围内存在低阻异常体，指示小规模重融岩浆囊的存在[20]。盆地内新生代河湖相沉积物(泥岩和粉砂岩等碎屑岩为主)在地表压力作用下经过脱水形成比较致密的隔挡层，有效地阻止了深部热流向地表浅部的运移和扩散。

良好的热源和封闭的储热环境使共和盆地富集深部干热岩、中浅部地下热水资源。在现状经济与技术条件下，新近系水热型热储层是勘探和开发的首选。所开采的热能可用于当地冬季供暖，温度超过100℃水热资源也可用于小规模发电，以服务于共和盆地大型绿色能源基地光伏、风电调峰。

2 方法

本次研究以勘查资料较为丰富的恰卜恰地热田水热型地热资源量评价为目标，基于区内已有勘探井岩性编录、温度测井和导热系数测井数据，通过线性回归分析，判断新近系热储温度主控因素，并建立回归方程预测温度空间分布；以50 m降深单井涌水量作为地下水可采资源量，计算热储层可采地热资源量；通过克里格插值，获得恰卜恰地热田优势靶区。

(1) 大地热流计算

为了避免天然地下水流场对垂向温度梯度影响，此次选取各钻孔内干热岩段测温数据进行大地热流计算，公式为：

F=λ·ΔT/Δz

(1)

式中:F代表大地热流，W/m2;λ代表导热系数，W/m/℃;ΔT/Δz为温度梯度，℃/m。

(2) 回归分析

新近系热储温度影响要素包括大地热流、盖层厚度(即上覆第四系地层厚度)、热储层内部地下水流速和地层非均质条件等，本次采用热储层温度回归方程为：

(2)

(3)

(3) 产热能力计算

基于研究区内不同勘探孔稳定抽水试验试验数据，确定50 m降深条件下单井涌水量，采用普通克里格插值方法，获得研究区范围内涌水量空间分布，在此基础上计算不同位置热储层产热能力：

E=ε·C·Q·(T-T0)

(4)

式中:E为产热能力，W;ε为能力转化系数，取0.85;C为比热容，J/m3/℃;Q为单井涌水量，m3/s;T0为参考温度，根据当地平均气温，取15℃。

3 结果与讨论

(1) 新近系热储温度经验方程构建

选取6处钻遇深部干热岩体钻孔(DR3、DR4、DR7、DR9、DR10、HG1)的测温数据进行大地热流计算(图2)，热传递系数取值为2.5 W/m/℃[21]。计算结果显示(图3a)：DR9、DR10和HG1大地热流值较高、变化幅度大，平均大地热流值超过110 mW/m2；DR3、DR4、DR7大地热流值变化幅度小，平均数值介于80～110 mW/m2。

图2 共和盆地恰卜恰地热田6处深部钻孔测温数据和地层结构Fig.2 Temperature logs in six deep wells within Qiabuqia geothermal field in Gonghe Basin and stratum structure

新近系热储温度与埋藏深度和大地热流相关分析显示(图3b)：随着热储层埋藏深度(盖层厚度)的增加，热储温度总体呈现线性增加的趋势。而热储温度与大地热流关系并不显著(图3a)：DR3、DR4、DR7三处钻孔中新近系温度随着大地热流增加而增大，而DR9、DR10、HG1中新近系温度与大地热流无关。结合钻孔内部垂向温度分布图可以看出，DR3--DR7钻孔中新近系温度随着埋深增加呈现线性增加的趋势，且在新近系热储与干热岩体界面位置，温度并未出现明显突变现象，这意味着三处钻孔所在位置新近系热储地下水流速度缓慢，热储热量传递以传导为主，受对流作用影响较小。与之不同的是，DR9、DR10和HG1钻孔中新近系热储温度在垂向上增长趋势受到压制，在新近系和干热岩体界面附近出现明显的地温梯度增加现象。这是由于三处钻孔靠近北侧补给边界(图1c)，新近系热储内部地下水流速较大，对流作用相对活跃；受地下水补给作用影响，新近系热储温度低于纯粹热传导作用下的温度，也导致了干热岩体和新近系热储界面附近地温梯度和大地热值过估计。

图3 新近系热储层温度与大地热流(a)和顶板埋深(b)关系Fig.3 Relationship between temperatures in Neogene geothermal reservoir and heat flux (a) and depth of reservoir

基于上述相关性分析，构建温度与热储埋深线性回归方程，在此基础上，选择大地热流值可靠的DR3、DR4和DR7数据，增加建立残差与大地热流相关方程，地下水流速对热储温度影响以常数项体现于回归方程之中。所构建的回归方程表达为：

(5)

σT=123.4-1.13F

(6)

(7)

(2) 新近系热储温度和涌水量空间分布

以恰卜恰地热田16处钻孔岩性编录为基础(图1b)，构建研究区三维地质结构模型(图4a)，确定新近系热储层顶板埋深。大地热流值根据前述计算结果，假设其服从均匀分布，数值范围为80～110 mW/m2，进行随机抽样。根据新近系热储埋深和大地热流空间分布，采用式4计算获得新近系热储温度空间分布估计。结果显示(图4b)：恰卜恰地热田温度分布总体呈现西部高、东部低的趋势，与新近系热储的盖层厚度分布趋势基本一致；同时，受大地热流非均匀性和地下水流影响，温度分布也呈现一定的扰动。

结合16处新近系热储抽水实验数据，推测50 m降深单井涌水量。利用普通克里格插值，获得单井涌水量空间分布，空间分辨率为100 m×100 m(图4c)。结果显示：区内单井涌水量介于50～3 600 m3/d，空间上表现为西北区域涌水量大，而向南侧和东侧单井涌水量降低。

(3) 新近系热储产热能力评价与靶区优选

根据式3计算可得每100 m×100 m热储层产热能力。结果显示(图4d)：恰卜恰地热田西北区块温度高、单井涌水量大，产热能力最强，局部地区可达20 MW/104m2。但在靠近北侧补给边界位置，受天然补给过程影响(冷水源)，产热能力偏低。结合产热能力空间分布图，圈定面积约25 km2区块作为共和恰卜恰地热田新近系热储开采优势区域，估算平均产热能力可达18 MW/104m2。

图4 共和盆地恰卜恰地热田三维地质结构模型(a)，新近系热储温度空间分布预测结果(b)， 50 m稳定降深条件下涌水量空间分布图(c)和热储产热能力空间分布图(d)Fig.4 3D stratigraphy of Qiabuqia geothermal field in Gonghe Basin (a), spatial distribution of temperature in Neogene geothermal reservoir(b), groundwater yield under drawdown of 50 m (c) and heat production rate (d)

4 结论

(2) 估算了恰卜恰地热田新近系热储层温度可达160℃，在空间上呈现西高东低的趋势；单井涌水量最高可达3 600 m3/d，高值区域出现于恰卜恰地热田西北区域。

(3) 计算了新近系热储层产热能力，并圈定恰卜恰地热田西北区域、共和县城西侧约30～40 km、面积约25 km2优势靶区，平均产热能力可达18 MW/104m2。