青海省恰卜恰地区深部热储温度估算

2021-08-24李永革蔺文静邢林啸王贵玲刘志明

地质与资源 2021年4期

李永革，蔺文静，邢林啸，王贵玲，刘志明

1.河南省濮阳水文水资源勘测局，河南濮阳457000；

2.中国地质科学院水文地质与环境地质研究所，河北石家庄050000

随着传统能源的紧缺，环境的恶化，人类对新能源的需求越来越急切［1-4］.近年来，地热能的研究开发利用，在一定程度上满足了大家对清洁环保绿色能源的要求.热储温度的高低，直观地表明了地热资源的丰富程度［5-7］.因此热储温度的确定对于合理开采地热资源具有非常重要的意义.确定热储温度的方法有直接测量法和计算法两种.直接法可靠精准，但是难度大、投资高，在实际工作中不易实现，因此大多采用计算法对热储温度进行估算［8］.常用的计算法包括二氧化硅温标法、钠钾温标法、钾镁温标法、钠钾钙温标法、多矿物平衡法，但是各种方法计算的结果往往相差很大［9-12］.本文使用常规计算法和PHREEQC软件模拟的多矿物平衡法，对青海省恰卜恰地区热储层温度进行计算，以期得出合理的热储温度.

1 研究区概况及热水化学基本特征

恰卜恰地热区位于青海省共和盆地的共和凹陷内，中心基底埋深大于3 000 m，形成了良好的热储层盖层.区内侵入岩以印支—燕山期花岗岩为主，主要矿物成分是石英、斜长石、钾长石、黑云母、角闪石.本文分析的两个热水井（见图1）均属于新近系的热矿水，其水化学特征见表1.

表1 钻孔W1、W2水化学数据Table 1 Hydrochemical data of boreholes W1 and W2

图1 钻孔W1、W2分布图Fig.1 Distribution map of boreholes W1and W2

2 热储温度的计算

近年来，随着热矿水开发研究的深入发展，地球化学方法被广泛地应用于地下热矿水的勘查和研究中，其中利用地球化学温标估算深部热储温度已成为重要的应用方面［13-16］.地热温标方法主要有二氧化硅温标、阳离子温标、同位素温标［17］、气体温标.限于取样测试的结果，本文选用二氧化硅温标和阳离子温标对热储温度进行估算.

2.1 二氧化硅温标

二氧化硅矿物的溶解度在溶液蒸汽压力下是温度的函数，因此，可以将地热水中二氧化硅浓度作为地温计［11］.但是，在应用此温度计时，应该知道是何种二氧化硅矿物控制了水中二氧化硅的浓度.

如果热水在上升到地面的过程中没有蒸汽损失，或者仅存在传导冷却，石英温标表达式为：

如果热水在上升到地面过程中具有某一温度下最大蒸汽损失，或者以绝热冷却为主，则石英温标表达式为：

玉髓温标的表达式为：

式中，CSiO2表示水样中二氧化硅的含量，单位为mg/L.

2.2 阳离子温标

阳离子温标是基于热水与固相间的K、Na、Ca、Mg等阳离子的交换与温度的关系建立起来的，所有的阳离子温标都是经验性的公式.常用的有Na－K温标、Na－K－Ca温标、K－Mg温标等.

Na－K温标表达式为：

式中，CNa、CK分别代表水样中钠、钾离子的含量，单位为mg/L.

Na－K－Ca温标表达式为：

式中，当t＜100℃时，β＝4/3；t＞100℃时，β＝1/3；CNa、CK、CCa分别代表水样中钠、钾、钙离子的含量，单位为mg/L.

K－Mg温标表达式为：

式中，CK、CMg分别代表水样中钾、镁离子的含量，单位为mg/L.

运用上述各种温标，对恰卜恰地区热水进行热储温度的估算（表2），发现不同方法计算出的热储温度相差很大.其中石英温标估算结果最近接取样时测得的水温；玉髓温标、Na－K温标和K－Mg温标计算结果明显低于取样时测得的水温，Na－K－Ca温标计算结果明显高于石英温标计算结果，故不具有参考价值.这是因为任何一种地热温标的使用前提都是假设溶液－矿物达到平衡状态，在溶液－矿物没有达到平衡状态的情况下，地热温标无法给出正确的结果.

表2 钻孔W1、W2热储温度的估算结果Table 2 Estimation for thermal reservoir temperatures of boreholes W1 and W2

2.3 水岩平衡判断

选用各种地热温标计算热储温度必须符合一定要求，那就是作为地热温标的某种溶质需与热储中的矿物达到平衡.但是大多数情况下，热水在上升过程中，会发生脱气现象以及与浅层冷水混合作用，导致某些作为地热温标的溶质无法与热储中的矿物达到平衡［18-21］.

2.3.1 钠钾镁三角图

Na－K－Mg三角图解法由Giggenbach于1988年提出，在图中分为完全平衡、部分平衡和未成熟水3个区域，常被用来评价水－岩平衡状态以及区分不同类型的水样.根据表1的数据资料，应用Na－K－Mg三角图对两个钻孔水样进行分析（图2）.

图2 钻孔W1、W2的钠钾镁三角图Fig.2 The Na－K－Mg triangular diagram of boreholes W1 and W2

由图2可以看出，两个钻孔的水样均处于部分平衡区，说明热水在上升过程中冷水混入比例较小，或者脱气作用不明显，具有较深的热水循环特征，故可以选用部分阳离子温标计算热储温度作为参考数值.这与上述计算结果分析一致.

2.3.2 多矿物平衡法

多矿物平衡法是将水中的多种矿物的溶解状态当成温度的函数.若一组矿物在一定的温度下同时接近平衡，则说明热水与水中的矿物达到了平衡；反之，则说明热水与水中的矿物未达到平衡.对研究区采集的两组热水样用PHREEQC进行模拟（图3），由于水样分析结果中铝离子浓度未检测出，假设W1、W2两钻孔的铝离子的浓度都为0.05 mg/L.由图3a可以看出，钻孔W1数据分析出的水中可能的矿物不收敛，说明水－岩还未达到平衡，可能是冷水的混入比较严重.虽然钻孔W2水样中的部分矿物在一点收敛，但是交点所对应的温度低于水样测试的温度（图3b），说明可能有冷水混入，导致矿物在更低的温度下达到平衡，估算的温度也不是深部热储的温度.但是由图3可以看出，石英呈现收敛的的趋势，可以推断出该地区二氧化硅含量由石英控制.

图3 钻孔W1、W2的多矿物平衡图解Fig.3 Multi-mineral equilibrium diagram of boreholes W1 and W2

3 混合与脱气作用的校正

地热水在上升过程中与冷水的混合是地热系统中常见的问题之一，这导致多矿物平衡图中缺少平衡［12］.由于所研究的水样点处于部分平衡区，可能是因为有冷水混入，导致估算的热储温度不能反映深部热储温度，故需对混入的冷水进行计算.

3.1 用计算法求混合水中冷水的份额及热水的温度

A.H.特鲁斯德尔和R.O.福尼埃在1981年总结了冷热水掺和过程，总结出了如下混合的冷水份额X的解：

式中，Sc为近地表冷水的焓，Sh为热水的初焓，Ss为取样点的焓值.

对于研究区冷水点的温度，选当地冷水泉点温度17.63℃，对应的二氧化硅含量为12.2 mg/L，分别计算W1、W2冷水混入比例（图4）.

图4 钻孔W1、W2冷水混入比例计算图解Fig.4 Diagram of cold water mixing proportions in boreholes W1 and W2

由图4可以算出，W1、W2钻孔冷水混入比例分别为0.29、0.32，对应的混合前的热水温度分别为113℃、103℃.

3.2 硅焓图解法计算冷水混入比例

A.H.特鲁斯德尔和R.O.福尼埃设计了石英溶解度－热水焓值曲线图求解，作图方法为：根据当地冷水焓和SiO2含量在坐标系中投下点A，再根据井水焓和SiO2含量投下点B，A、B两点连成直线，延长该直线与石英溶解度曲线相交于点C，该点所对应的焓值即为混合水前的初焓.AB、AC两线段的长度比即为地下热水在混合水中的比例.

做出石英溶解度曲线，并将取样点和冷水点连线延长与石英溶解度曲线相交（图5）.交点对应的纵坐标焓值即为深部热储平衡时的焓值.并可以算出W1、W2钻孔热水中冷水混合比例分别为0.24、0.34，对应的热储温度分别为107℃、96℃，这与用计算法算出来的结果基本相符.

图5 钻孔W1、W2的硅－焓图Fig.5 The silica-enthalpy diagram of boreholes W1 and W2

综合计算法和硅焓图解法得出的冷水混入比例，对两者求平均值，得出W1、W2热水井混入冷水比例最终分别为0.26、0.33，则热水比分别为0.74、0.67.

3.3 用PHREEQC对混合和脱气作用进行校正

通过上述方法分析得知，研究区两个钻孔水样均有冷水混入.现场取样发现，液体中有气泡现象，故可以判断深部液体同时有气体脱出.故需对深部液体进行重建，模拟混合作用和脱气作用对采样点水化学平衡的影响，进而判断深部热储温度.图6是考虑了水混合作用、脱气作用的固定铝的PHREEQC模拟结果.图6的模拟计算条件都是假定Al＝0.05 mg/L，其余组分的浓度均除以各自的热水比，即分别为0.74、0.67，同时在溶液中加入适量CO2气体.由图6可见各矿物的收敛性很好，如石英、滑石粉、方解石等矿物均与SI＝0相交于某一温度附近，同时说明该采样点地下热水中石英控制着热水和二氧化硅之间的平衡.由此可知钻孔W1、W2深部热储温度分别为110℃、86℃.