淮安城市规划区地热资源赋存条件及开发利用潜力研究

2022-03-30时国凯杜建国范迪富王宽彪

上海国土资源 2022年1期

时国凯，杜建国，范迪富，王宽彪

（江苏省地质调查研究院，江苏·南京 210018）

地热资源是一种低碳、稳定的可再生能源，是传统化石能源的重要替代品之一。随着我国碳达峰、碳中和目标的提出，地热资源受到了社会各界前所未有的广泛关注，迎来了新的发展机遇。

淮安市位于苏鲁造山带和扬子板块的结合部位，地热资源丰富。21世纪初期以来，淮安市的地热资源勘查开发活动非常活跃。淮安区溪河镇、流均镇先后开展过地热资源勘查工作，查明了当地地热地质条件，并初步选定了地热井位[1-2]；洪泽区老子山镇、蒋坝镇、金湖区、盱眙县天泉湖、涟水县陈师镇等地均开展过地热资源勘查与地热钻探工作[3-5]，为区域地热地质条件的研究积累了资料。

以往工作多集中在局部勘查区或地热井点上，并未对淮安市的地热资源开展区域尺度的调查研究，无法满足“双碳”背景下淮安市高质量发展的地热资源需求。本文以淮安城市规划区为研究区域，采用层次分析法对整个研究区的地热资源赋存条件进行分区评价，在分区基础上进行地热资源量计算和潜力评价，并结合地方发展规划圈定地热资源勘查开发靶区，为地热资源详查工作的开展和相关规划的编制提供依据。

1 地热地质条件概况

1.1 区域地质背景

研究区以淮阴—响水断裂为界，北侧位于苏鲁造山带泗阳隆起区，南侧位于下扬子板块的苏北断陷盆地。苏鲁造山带是华北陆块与扬子陆块碰撞俯冲形成的高压、超高压变质带[6-7]，拥有复杂的韧性剪切结构，基底为新太古界—新元古界变质岩，并伴有中生代以来的岩浆侵入；苏北盆地为中新生代断陷型沉积盆地，呈现“二坳一隆”的构造格局[8]，在NE、NNE和NW向断裂活动的影响下隆起和坳陷内部进一步发育了许多次级构造单元，如淮安凸起、阜宁凹陷、涟水凹陷等（图1）。

图1 研究区构造分区图Fig.1 Structural division of the study area

1.2 热源条件

据区域研究资料，本区莫霍面埋深在30~32 km之间，其中苏北盆地莫霍面埋深一般小于苏鲁造山带和苏南隆起，这有可能是造成苏北盆地大地热流偏高的因素之一[9]。区内地热资源类型可分为传导型地热资源和对流型地热资源两类[10]。其中传导型地热资源成因为自然增温，平均地温梯度约为2.5 ℃/100m；对流型地热资源成因为深部地下热水上涌，局部地温梯度可达7~30 ℃/100m，主要分布在研究区南部洪泽老子山、扬州宝应等地[11-12]。

1.3 构造条件

研究区涉及的主要构造单元包括泗阳隆起、建湖隆起和盐阜坳陷，隆、坳构造差异进一步影响了各构造单元的基岩埋深、松散层厚度和地温场特征。区内隆起与坳陷之间、坳陷内部的凸起与凹陷之间都均受断裂控制，以走向NE、NNE、NW的正断层为主（图2），主要断裂包括淮阴—响水断裂（F1）、丁嘴—泾河断裂（F2）、洪泽—沟墩断裂（F3）、古河-蔡桥断裂（F4）等。这些断裂不仅控制着构造单元的形态和规模，还为地下热水提供了良好的赋存空间和运移通道，是传导型和对流型地热资源形成的重要因素。

图2 研究区基岩地质略图Fig.2 Sketch map of bedrock geology in the study area

1.4 地热储层与盖层条件

区内3 000 m以浅主要为第四系、新近系、古近系、白垩系、三叠系、古生界及新元古界。地热储层可分为四类，分别为新元古界云台岩群变质岩、震旦纪—奥陶纪碳酸盐岩、白垩纪和古近纪砂岩及新近纪砂砾层。碳酸盐岩地层在裂隙发育部位易形成岩溶，富水性好，是最为理想的热储层；白垩纪浦口组砂砾岩泥沙含量少，脆性强，其中灰岩砾石有利于岩溶裂隙的形成，是较好的热储层；古近纪砂岩处于半固结状态，孔隙与裂隙并存，储层富水性相对较弱。新近纪盐城组砂砾层覆盖调查区全区，富水性极强，其上有第四系和盐城组上段作为盖层，也可作为热储层；变质岩地层地热井出水量普遍较小，仅灌云县大伊山地热井出水量大于1 000 m3/d，热储条件一般（表1）。

表1 研究区及周边地热井概况Table 1 Geothermal wells in the study area and surrounding areas

地热盖层主要为第四系和新近系，以黏土及砂砾层为主，热导率较低，隔热保温性能良好，厚度100~600 m，自西向东逐渐增厚。

2 地热资源赋存条件分区评价

2.1 评价方法和主要步骤

本文采用的评价方法为层次分析法。该方法是一种定性分析与定量分析相结合的分析方法[13]，在浅层地热能适宜性评价中应用广泛[14-16]，在中深层地热资源评价中的应用较少[17]。具体评价步骤是先构建评价体系将原本复杂的问题分解成多个要素，然后对各要素的重要性两两评分比较，构建判断矩阵并进行一致性检验以确定各要素重要程度的权重[18]。对研究区进行网格剖分和分区赋值，赋值范围为0~5分。将剖分网格节点上的各要素分值与权重相乘后求和作为该节点综合分值，最后根据综合分值对地热资源赋存条件进行分区评价。

2.2 评价指标选取与权重确定

地热资源赋存主要影响因素包括热源、热储、构造、盖层四个方面。在热源方面，选择地温梯度作为评价指标，反映地温场特征和地热资源类型；在热储方面，把区内热储进行分类整合，设置砂层热储分布和基岩热储分布两个评价指标，反映各类热储层的储水、储热能力；在构造方面，以地质构造条件作为评价指标，表述不同地质构造的控水、控热的能力；在盖层方面，由于盖层厚度与前述地温梯度、砂层热储分布指标相关性较强，因此不另设为评价指标。据此构建出地热资源赋存条件评价体系，并通过构建判断矩阵计算了各指标权重（表2）。4个评价指标中，地质构造条件权重最大，达到0.4434；其次为基岩热储分布，权重为0.2582；其他要素所占权重较小，与实际工作经验相符。

表2 评价体系及指标权重Table 2 Evaluation system and index weight

2.3 评价指标分区赋值

（1）地温梯度

研究区内仅有一眼地热井，难以绘制地温梯度等值线图。考虑到地温梯度主要受基底起伏程度和地层岩性的影响，故按照构造单元分区，地温梯度参照同构造单元内的地热井实测数据（表3）。其中：建湖隆起区地温梯度较高且对流型地热系统发育，热源条件最优；盐阜坳陷与东台坳陷热源条件类似，在坳陷内的低凸区域地温梯度较高；苏鲁隆起为浅覆盖变质岩区，储层导热性好、盖层保温性差，地温梯度偏低，热源条件最差。

表3 评价指标分区赋值表Table 3 Regional assignment of evaluation indicators

（2）砂砾层热储分布

按照区域平均地温梯度2.5 ℃/100m进行计算，当新近纪砂砾层埋深大于360 m时温度高于25 ℃，可作为地热储层。因此把松散层厚度大于360 m的区域划分为砂砾层热储分布区，松散层厚度小于360 m的区域无砂砾层热储分布（图3a）。考虑到研究区松散层最大厚度仅在520 m左右，砂砾层热储埋温度普遍偏低，热储条件一般，总体赋值较小。

（3）基岩热储分布

将全区基岩热储按照岩性分为碳酸盐岩热储、碎屑岩热储和变质岩热储。各类基岩热储层中，碳酸盐岩地层是最为理想的热储层，当3 000 m以浅存在多类热储层时，若有碳酸盐岩热储则划分为该类型热储层分布区。对于建湖隆起和盐阜坳陷过渡带，碳酸盐岩热储范围向构造断裂带倾斜方向适当外扩（图3b）。

图3 研究区砂岩热储(a)与基岩热储(b)分布图Fig.3 Distribution of sandstone thermal reservoirs (a)and bedrock thermal reservoir (b)

（4）地质构造条件

通常情况下，盆地内的隆起区和坳陷内部的凸起区大地热流值较高。此外，构造单元边界的断裂带切割深、岩性破碎、富水性强，是地下热水的赋存和上涌的有利部位。本文将建湖隆起及其北缘断裂带划为地质构造条件最优区；盐阜坳陷内的淮安凸起、苏家嘴凸起及其边缘断裂带次之；坳陷内的深凹区及断裂破碎带不发育的变质岩区地质构造条件最差。

2.4 分区评价结果

将研究区剖分为41 942个网格，把每个网格节点上的4个指标的分值进行加权求和，即可得到每个网格的地热资源赋存条件总评分值。研究区地热资源赋存条件可以根据总评分值划分为三个等级：分值小于2.5分的为一般区，2.5~3.5分为较好区，大于3.5分为良好区。分区结果如图4所示，淮安城市规划区地热地质条件优越，地热资源赋存条件良好区和较好区面积约2 062.0 km2，占总面积的64.7%。

图4 研究区地热资源赋存条件分区图Fig.4 Division of geothermal resources storage condition

（1）良好区

主要分布在淮阴区的东部和淮安区南部，具体为陈师镇—棉花庄镇一带及盐河镇—朱桥镇—博里镇以南的地区，面积约1 216.8 km2，占总面积的38.2%。这些区域位于隆起区或坳陷的凸起区，地温梯度较高，断裂构造发育，砂层、碎屑岩、碳酸盐岩热储层均有分布，热储类型丰富，综合地热地质条件最优，适宜进行地热资源的勘查开发。

（2）较好区

主要分布在淮安区的北部和清江浦区的大部分区域，面积约845.4 km2，占总面积的26.5%。这些区域大部分位于坳陷内部的凸起区，大地热流值较高，且断裂构造较为发育，热储类型以砂砾层热储和碎屑岩热储为主，缺少碳酸盐岩热储。综合地热地质条件较好，可选择合理区域开展地热资源的勘查工作。

（3）一般区

主要分布在淮阴区的西部大部分区域及淮安区的东北部，面积约1 123.9 km2，占总面积的35.3%。这些区域大部分位于苏鲁造山带变质岩区或盐阜坳陷的深凹区域，断裂构造发育程度较低、地温梯度低、地层富水性差、热储类型单一，虽然也可以进行地热资源的勘查与开发，但地下热水的温度和水量难以得到保证，需要大量实物工作量提供支撑，勘查开发的成本较高，风险较大。

3 地热资源潜力评价与靶区圈定

3.1 地热资源量计算

本文仅对赋存条件良好区和较好区的各热储层地热资源量进行计算，计算内容包括地热资源量、地热流体储层量、地热资源可开采量、地热流体可开采量和地热流体可开采热量，根据《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010）附录C.2.2的热储法进行计算。计算参数选择参考已有地热井资料和《江苏省地热资源现状调查评价与区划报告》中淮安地区相关数据[19]（表4）。

表4 地热资源量计算参数Table 4 Calculation parameters of geothermal resources

根据地热资源量计算结果，工作区内地热资源赋存条件较好区、良好区内各类型热储层地热资源总量为6.95×1016kJ；地热流体的总储量为1.69×1011m3；可开采的地热流体量为4.13×105m3/d，流体中可开采的热量为5.96×1010kJ。各类热储层地热资源量见表5。

表5 良好区与较好区各储层资源量计算结果Table 5 Resources of each thermal reservoir

3.2 开发利用潜力评价

（1）新近纪砂砾层热储

热储层面积约1 294 km2，平均厚度195 m，平均热储温度28 ℃，该热储层地热流体可开采量为1.19×105m3/d，目前仅有一眼涟水县陈师镇地热井，出水温度48℃，核定可开采量296 m3/d，仅占砂砾层热储可开采量的0.25%，目前尚未开发利用。新近纪砂砾层热储温度较低，在生活供热、温泉理疗方面效果不佳；但该储层埋藏浅、厚度大、开发利用成本低，在农业温室种植和水产养殖等方面的开发利用潜力较大。

（2）碳酸盐岩热储

热储层面积约798 km2，平均厚度50 m，平均热储温度62 ℃。该热储层地热流体可开采量为3.61×104m3/d，目前仅有一眼白马湖地热井，出水温度73℃，核定可开采量2 120 m3/d，仅占碳酸盐岩热储可开采量的5.8%，目前尚未开发利用。碳酸盐岩热储埋藏深、温度高、水量大，是优质的地热资源，可用于空间供暖、温泉理疗、种植养殖等方面。在适当条件下可进行地热资源的梯级利用。

（3）碎屑岩热储

热储层面积约1 199 km2，平均厚度250 m，平均热储温度57 ℃，地热流体可开采量为2.59×105m3/d，工作区内目前没有位于该储层的地热井。碎屑岩热储层温度较高，在供暖、温泉洗浴理疗等领域有广阔的应用前景。

3.3 靶区圈定

地热资源勘查开发靶区的圈定原则如下：

（1）以地热地质条件分区为基础。前章进行了地热资源赋存条件分区，将研究区划分为地热资源赋存条件良好区、较好区和一般区。地热资源勘查开发靶区的圈定工作主要围绕良好区开展，兼顾较好区，不考虑一般区。

（2）以野外工作成果为依据。本次工作在棉花庄镇北部、范集镇南部布置了可控源地球物理勘查剖面，并收集到了溪河镇、流均镇的地热资源勘查成果和陈师镇地热井、白马湖地热井及周边地区地热井的相关资料，为地热资源勘查开发靶区的圈定和前景分析提供了有力依据。

（3）结合地方发展规划。地热资源用途广泛，主要以地下热水为载体，为避免远距离输送造成热量损失和环境风险增加，其勘查与开发利用应当紧密结合地方发展规划，在重点发展城镇、休闲旅游业重点发展区、现代农业重点发展区和重要经济开发区等有地热资源需求的地区圈定靶区[20]。

遵循上述原则，在工作区共圈定了5处勘查开发靶区（图5），分别为白马湖靶区、车桥镇南部靶区、淮阴经济开发区靶区、淮安工业园靶区和国家农业科技园靶区。其中白马湖勘查靶区和车桥镇南部勘查靶区均位于建湖隆起区北缘，地温梯度较高、断裂构造发育、热储条件良好，地热资源赋存条件十分优越，开发利用方式以景区的温泉洗浴和当地居民住房供暖为主；淮阴经济开发区勘查靶区位于泗阳隆起区淮阴—响水断裂北侧，构造条件和热储条件较好，地热资源主要利用方式为生态园区的建筑供暖和工业生产；淮安工业园勘查靶区和国家农业科技园勘查靶区条件相似，均位于淮安凸起区丁嘴—泾河断裂与淮阴—响水断裂、北东向断裂交汇的地方，构造条件较好，地热资源的主要利用方式为工业生产和温室种植。各靶区均依据附近地热资源勘查成果和条件相似地热井资料对热储温度和出水量进行了推测（表6）。