太湖南岸地热资源现状及资源潜力评价

何 钰

(中国煤炭地质总局浙江煤炭地质局，杭州 310021)

0 引言

太湖南岸地热资源区，位于浙江省湖州市北部，地处浙苏皖沪三省一市交界地带，包括湖州太湖南岸地热资源区、湖州小梅口地热资源区、湖州苍山地热资源区，总面积约50km2。

太湖南岸地热资源勘查大致可分为三个阶段：一是探索起步阶段。20世纪70年代，浙江煤炭地质局在该区及邻近区域开展普查找煤工作并实施多个勘查钻孔。其中1975年5月终孔的ZK413钻孔水温31℃，涌水量871.3m3/d。1982年，ZK413钻孔的热水引起社会各界广泛关注，同年下半年，原湖州市国土资源局提交《湖州市附近温泉调查报告》，认为“湖州市苍山、白雀温泉具有较好的开发前景，其中苍山温泉有利条件更多，前景更佳”。二是巩固拓展阶段。2000—2010年，在市场经济需求的推动下，地热资源的开发利用得到蓬勃发展[1]。浙江煤炭地质局先后在该区苍山、白雀、观音山和小梅口等地，发现有较好开发利用价值的地热单井3口，分别是WQ01、WQ05、WQ08。三是重点突破阶段。2011—2020年，随着社会经济发展、科学技术进步和对地热资源认识的提高，出现了地热资源开发利用的热潮[2]。原浙江省国土资源厅印发的《找矿突破战略行动纲要实施方案》，明确将太湖南岸地区作为浙江省地热资源找矿重点勘查区。浙江煤炭地质局在浙江省地勘基金和社会资金的联合支持下，在该区又发现有较好开发利用价值的地热单井4口，分别是WQ9、WQ10、WQ11、WQ12。截至目前，各单井地热资源暂未被开发利用。

1 太湖南岸地热资源区划

太湖南岸地热资源区大地构造位置处于扬子准地台(Ⅰ1)之钱塘台褶带(Ⅱ2)武康-湖州隆断褶束(Ⅲ2)北段，属浙北地热带隆起断裂亚型[3]。区内主要有北东、北西和东西向三组断裂体系[4]。区域上，本区位于于湖州-嘉善东西向大断裂、长兴-奉化北西向大断裂与学川-湖州北北东向大断裂交会处[5]，区内地势西高东低，构成一个较完整的水文地质单元。

1.1 地热资源区划依据

1)依据热储埋藏条件、盖层、导热构造、地形地貌的总体特征进行分区，将地热地质条件明显差异的区块进行分别评价。

2)北东向F2断层及分支断层(学川-湖州大断裂在本区的主干断层)、北西向F8断层(长兴-奉化大断裂在本区的主干断层)、近东西向F5断层(湖州-嘉善大断裂在本区的主干断层)及东部Fa断层(地球物理勘查推断，经WQ13探采结合井验证)等决定了该区地层沉积、热储的总体分布特征，是进行地热分区的主要边界条件。

1.2 地热资源分区

太湖南岸地热资源区整体地势西高东低，构成一个较完整的水文地质单元。根据地层沉积特点、沉积环境、地貌类型，将本区分为二个小区，即东部白垩纪断陷盆地区和西部构造隆起区，分界线总体上以北东向F2断层及其分支断层为界，北段以F2断层的分支断层F2＇为界，南段以F2断层为界(图1)。

图1 太湖南岸地热资源区区划示意图

1)东部白垩纪断陷盆地区。东部白垩纪断陷盆地区为平原区，上部覆盖有50～100m厚的第四系松散层，第四系下一般有厚度不等的白垩系红层(由西向东逐渐加厚)。南皋桥村周围(隐伏向斜)核部及以东，白垩系下可见二叠系长兴组灰岩热储；其下有300～400m厚的二叠系龙潭组、孤峰组砂页岩盖层；揭穿孤峰组后，可见最主要的热储层：二叠系栖霞组、石炭系船山组和黄龙组灰岩热储。黄龙组灰岩以下通常为石炭系下统高骊山组泥页岩盖层；再向下为泥盆系五通组、志留系茅山组等砂岩热储。

东部白垩纪断陷盆地区东部边界以Fa断层为界，Fa断层以东灰岩热储埋深大，无钻孔控制；西部边界以F2断层及其分支断层为界，北段以F2断层的分支断层F2′为界，南段以F2主干断层为界；南部边界以F5断层为界，F5断层以南，区域上属构造隆起区，又称湖州升山隆起区；北部以自然边界太湖湖岸为界；构成湖州太湖南岸地热资源区，面积18 245 669m2。

2)西部构造隆起地区。西部构造隆起地区为低山丘陵区，盖层薄或砂岩、灰岩热储直接出露地表，山前有10～50m厚的第四系盖层，一般无白垩系红层，局部有少量白垩系、侏罗系盖层。通常直接出露地表的碳酸盐岩岩溶裂隙含水组与碎屑岩构造裂隙含水组直接接受大气降水的补给，在地表地形起伏形成的压力差的驱动下沿着含水层向深部径流，依靠地壳的正常增温加热形成地热资源。同时因多条逆断层的存在，地层重复出现，多个断块内志留系、泥盆系碎屑岩下存在二叠系栖霞组、石炭系船山与黄龙组灰岩热储。西部构造隆起地区大致以F8断层为界，又细分为南部苍山-仁皇山褶皱区与西北部小梅山褶皱区。南部的苍山-仁皇山褶皱区，其轴线及地层走向北西，核部出露泥盆系五通组、志留系茅山组等砂岩，两翼为石炭、二叠、三叠系；西北部小梅山褶皱区，其轴线及地层走向北东，核部出露泥盆系五通组、志留系茅山组等砂岩，两翼为石炭、二叠系。

小梅山褶皱区东部重复边界此处不赘述；西部以F7(白雀-小梅口逆断层)断层为界(F7断层以西灰岩热储与砂岩热储直接出露地表，几乎无盖层，热储层暂未有地热探采结合井控制，因此F7断裂以西本文不作地热资源计算)；南部以F8断层为界，北部以自然边界太湖湖岸为界；构成湖州小梅口地热资源区，面积13 677 634m2。

苍山-仁皇山褶皱区东部、北部重复边界此处不赘述；西部以F7、F13、F22断层为界；南部以F5断层为界；构成湖州苍山地热资源区，面积16 340 663m2。

2 太湖南岸地热资源量计算与评价

2.1 总可采资源量计算与评价

太湖南岸地热资源区北东向、北西向导热构造分布密集，几乎遍布全区，形成本区特有的兼有层状与带状热储，热储的富水性好、单井水量大。现有的具有较好开发利用价值的地热单井7口，均进行了1年以上的长期动态观测工作和不同季节的抽水试验，提交的单井可采资源量已获评审机构和主管部门认可(表1)，计算结果可靠程度高。根据矿山生产建设规模标准，6口井达到大型矿山生产建设规模级别，1口井达到小型矿山生产建设规模级别(全年按300 d计)。单井抽水试验结果表明：各地热井相互之间基本不受干扰影响，故各单井可开采量累加即为本区目前总可开采资源量。经统计，太湖南岸地热资源区现有地热井探明的可开采量5 252m3/d，探明的+控制的可开采量7 374m3/d,探明的+控制的+推断的可开采量10 118m3/d，现有地热井总可采地下热水资源丰富。

表1 太湖南岸地热资源区单井可采资源量成果[7-9]

2.2 已有地热井地热流体可开采量采出的热量及年开采累计可利用热能量计算与评价

已有地热井地热流体可开采量采出的热量及年开采累计可利用热能量分别按如下公式[6]计算：

W=4.186 8Q(t-t0)

(1)

∑Wt=86.4DWt/K

(2)

式中：W—热功率，kW；Q—地热流体可开采量(探明的+控制的)，L/s；t—地热流体温度，℃；t0—当地年平均气温，℃，按16.0℃计(按收集到的气象资料确定)；∑Wt—开采一年可利用的热能，MJ；D—全年开采日数，d(全年按300d计)；K—热效比(按燃煤锅炉的热效率0.6计算)。

WQ10井出水口水温为62.5℃；WQ09井出水口水温为43℃；WQ08井出水口水温为30℃；WQ12井出水口水温为43℃；WQ05井出水口水温为25.5℃；WQ01井出水口水温为31℃；WQ11井出水口水温为28℃。

从表2计算结果来看，现有地热井地下流体可采出的热量7.309 7MW(小于10MW)，当保证开采年限100a时，判定太湖南岸地热资源区的规模为小型。但区内已有地热井仅7口，平均7k一口地热井，地热井密度相对较小。本区热储在西部构造隆起地区出露地表，直接接受大气降水补给，地热井内水位可以得到及时有效恢复，如：WQ01井自成井以来一直保持自涌状态；东部白垩系断陷盆地区已证实接受大气降水补给，WQ10自2013年建井以来绝大部分时间在自涌，且抽水试验后，水位0.5h内能完全恢复，WQ09、WQ08、WQ12井静止水位基本保持稳定。因此，太湖南岸地热资源区还可适当增加布置多口地热开采井，地热资源潜力巨大，地下热水可开采量将远大于现有探明的+控制的可开采量，可采出的热量极有可能突破10MW，达中型规模地热资源区。

表2 太湖南岸地热资源区地热资源产能计算成果

2.3 热储中热量的计算与评价

前文已计算出具有较好地热开发前景的地热异常区面积约50k，且热储的富水性好、补给充分，然而现有的7口井总可开采量与可采出的热量，并不能完全反映出全区地热资源情况。下文将采用热储法计算热储中热量，综合评价该区地热资源潜力。

2.3.1 计算公式[10]

Q=Qr+Qw

(3)

Qr=AMρrCr(1-ψ)(tr-t0)

(4)

Qw=QLCwρw(tr-t0)

(5)

QL=Q1+Q2

(6)

Q1=AψM

(7)

Q2=ASH

(8)

式中：Q—热储中储存的热量，J；Qr—岩石中储存的热量，J；QL—热储中储存的水量，m3；Q1—截止到计算时刻，热储空隙中热水的静储量，m3；Q2—水位降低到目前取水能力极限深度时热储所释放的水量，m3；Qw—水中储存的热量，J；A—计算区面积，m2；M—热储层厚度，m；ρr—热储岩石密度，kg/m3；Cr—热储岩石比热容，J/(kg·K)；ψ—热储岩石的孔隙率；tr—热储温度，℃；t0—当地年平均气温，℃；ρw—地热水的密度，kg/m3；S—弹性释水系数；H—计算起始点以上水头高度，m；Cw—水的比热容，J/(kg·K)。

2.3.2 参数的确定

计算区面积A：各计算区面积见前文。

热储层厚度(取各小区内地热井及相关煤炭资源勘查钻孔揭露的热储层厚度平均值)：湖州太湖南岸地热资源区热储厚度132.9m；湖州苍山地热资源区热储厚度152.5m；湖州小梅口地热资源区灰岩热储厚度116.9m。

热储岩石密度ρr：本区灰岩岩石密度测试结果2 600～2 700 kg/m3，取中间值2 650 kg/m3。

热储岩石比热Cr：根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615—2010)附录C中表C.1提供的经验值，石灰岩比热920 J/(kg·℃)。

热储岩石的空隙度ψ(取各小区内地热井及相关煤炭资源勘查钻孔岩溶率平均值)：湖州太湖南岸地热资源区空隙度6.21%；湖州苍山地热资源区空隙度5.96%；湖州小梅口地热资源区空隙度10.32%。

热储温度tr[取各小区内地热井及相关煤炭资源勘查涌水孔井(孔)口水温平均值]：湖州太湖南岸地热资源区热储温度53℃；湖州苍山地热资源区热储温度30℃；湖州小梅口地热资源区热储温度28℃。

当地年平均气温t0(以收集到的气象资料确定)：16℃。

地热水的密度ρw：根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615—2010)附录C中表C.2提供的经验值内插，湖州太湖南岸地热资源区地热水的密度986.6kg/m3；湖州苍山地热资源区西部苍山区地热水的密度995.1kg/m3；湖州小梅口地热资源区地热水的密度995.9kg/m3。

弹性释水系数S：

S=Mρw[ψβW+(1-ψ)βS]

=MρwψβW+Mρw(1-ψ)βS

(9)

式中包含水的膨胀释放出的水和含水层压缩变薄(空隙变小)释放出的水二部分。本区热储埋藏深，岩性由坚硬的灰岩、砂岩等组成，其上覆较厚的隔水层分布，热储层的压缩很小，因此本次计算不考虑含水层压缩变薄释放出的水。故式(9)简化为

S=MρwψβW

(10)

式中：βW—水的体积弹性压缩系数，一般经验值4.5×10-10(Pa-1)；其余各参数意义与前文同。

经计算，湖州太湖南岸地热资源区弹性释水系数3.66×10-6；湖州苍山地热资源区西部苍山区弹性释水系数4.07×10-6；湖州小梅口地热资源区弹性释水系数5.41×10-6。

计算起始点以上水头高度H(取各小区内地热井及相关煤炭资源勘查钻孔主要热储埋深平均值)：湖州太湖南岸地热资源区1 090.9m；湖州苍山地热资源区322.16m；湖州小梅口地热资源区156.58m。

水的比热Cw：4 180 J/(kg·K)。

2.3.3 热量计算与评价

经计算，太湖南岸地热资源区热储中热量3.67×1017J，其中，水中储存的热量3.99×1016J，岩石中储存的热量3.27×1017J(表3)。

表3 太湖南岸地热资源区热储中热量计算成果

太湖南岸地热资源区面积48 253 966m2,热储中的热量高达3.67×1017J,热量非常巨大。太湖南岸地热资源区热储中的热量是现有7口地热井年开采累计可利用热能量的1 162倍。其中，热储中水的热量是现有7口地热井年开采累计可利用热能量的126倍，热储中岩石的热量是现有7口地热井年开采累计可利用热能量的1 036倍。结果表明，太湖南岸地热资源区可利用的地热资源丰富、潜力巨大。

3 结论及建议

1)单井抽水试验成果资料表明，太湖南岸地热资源区日可开采地热资源量可达10 000m3以上，地热井总可采地下热水资源丰富。

3)太湖南岸地热资源区热储中热量3.67×1017J，其中，水中储存的热量3.99×1016J，岩石中储存的热量3.27×1017J。太湖南岸地热资源区热储中的热量是现有7口地热井年开采累计可利用热能量的1 162倍，其中，热储中水的热量是现有7口地热井年开采累计可利用热能量的126倍，热储中岩石的热量是现有7口地热井年开采累计可利用热能量的1 036倍。结果表明，太湖南岸地热资源区可利用的地热资源丰富、潜力巨大。

4)太湖南岸地热资源区及周边区域，地质构造及其发育，地热异常明显。初步推测，本次计算评价区域东部边界Fa断层以东并非不存在热储，而是热储埋深较大，在当前经济技术条件下勘查开发利用地热资源，技术难度大、费用高。同时，也并不能说明Fa断层一直向东，热储埋深将越来越大。根据近期的勘查成果发现：Fa断层以东热储埋深有变浅的可能。如Fa断层以东约12km的湖州织里，ZK920钻孔揭露白垩系盖层厚度仅283m,远小于WQ09、WQ13、WQ10井控制的白垩系厚度；又如Fa断层以东约30km的湖州倪家湾，ZR2探采结合井1 525～1 775m揭露二叠系栖霞组、石炭系船山组灰岩热储，该热储顶板埋深与本区WQ10井相近，可见灰岩热储埋深在区域上并非Fa断层以东越来越深。计算评价区域西部边界F7断层以西横山构造隆起区、洪桥深凹盆地区、新塘-后洋断陷区等区块，构造位置处于小梅山背斜西翼，其地质构造条件与太湖南岸地热资源区相似，且以往有较多的煤炭资源勘查钻孔控制或揭露灰岩地层，也已有多个地热异常显示，预测太湖南岸地热资源区以西约100km2的范围内蕴含丰富的浅层地下热水资源。在整体断裂构造发育的背景下，太湖南岸地热资源区东西两侧广大区域均有可能存在丰富的地下热水资源，可作为今后地热资源勘查的重要区域。