河南省兰考县新生界地热资源特征及开发利用前景

2022-05-19肖雄，李尧，杨珍，肖娟

地下水 2022年2期

肖雄，李尧，杨珍，肖娟

(1.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南郑州 450000；2.河南省地热能开发工程技术研究中心，河南郑州 450000；3.河南省航空物探遥感中心，河南郑州 450000)

地热资源是绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有广泛的用途和广阔的开发前景[1-3]。兰考县地热资源丰富，现阶段地热资源主要用于商业服务和居民采暖，其主要开发的热储层位为新近系明化镇组热储和新近系馆陶组热储[4]。随着地热资源的大规模开发利用，也带来了许多的环境地质问题，如：区域地下水位下降、地面沉降、尾水无组织乱放等。因此亟需进一步调查评价，为地热资源的可持续开发利用提供技术支持。

1 区域地质背景

1.1 构造

研究区位于华北地台区，以聊兰断裂为界，东临菏泽凸起，同时东西向的新乡—商丘大断裂(F3)横贯区内，其中新乡—商丘大断裂(F3)以南部分位于济源—开封凹陷内，以北部分位于东濮凹陷内[5]。

兰考县内主要断裂为新乡—商丘大断裂(F3)、聊兰断裂的次级断裂(F6)及推测断层(F7、F8)(图1)。聊兰断裂次级断裂(F6)不属于区域深大断裂且形成时代晚于新乡—商丘大断裂(F3)，因此推测聊兰断裂次级断裂(F6)错动了新乡—商丘大断裂(F3)。以上断裂埋藏基本在2 000 m左右，部分地段切进新近系。

1.2 地层

研究区地处华北地层区华北平原分区，基底位于隐伏的秦岭东西向构造体系东端和新华夏构造体系的复合部位。研究区地壳一直处于缓慢的沉降运动中，受古地理、古气候影响，沉积了巨厚的新生代地层，研究区基底主要为奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系及白垩系，其新生界底板埋深2 000～5 000 m，2 000 m以浅自下而上沉积了古近系、新近系、第四系[6]。

2 地热地质特征

2.1 热储层特征

研究区地热类型属沉积盆地传导型[7-9]，3 000 m深度内存在多层热储层，大致可分为新近系明化镇组孔隙热储层、新近系馆陶组孔隙热储层及古近系孔隙裂隙热储三种类型[10](图2和图3)。

2.1.1 新近系明化镇组孔隙热储层

该热储层遍布研究区，其厚度较均匀，顶板埋深约为300 m左右。热储岩性主要为中细砂、粉细砂，累计厚度400 m左右，井口水温30℃～50℃之间，其热储富水性较好，单井开采能力为42～80.6 m3/h左右。

图1 区域地质图

2.1.2 新近系馆陶组孔隙热储层

该热储层遍布研究区，顶板埋深1 500 m左右，热储岩性为棕红色泥岩与棕黄色细砂岩呈不等厚互层，含水层渗透性好，井口出水温度普遍在70℃～74℃之间，涌水量80～120 m3/h，现该层热储为兰考县城地热供暖主要利用层位。

图2 可控源音频大地电磁侧身推断剖面图

2.1.3 古近系孔隙裂隙储层

区内古近系热储普遍埋深在1 900 m以下(区内西北部局部埋深约1 100 m)，据区域资料，古近系热储岩性为紫红色、灰白色、灰绿色细砂岩泥岩互层。调查区地热井成井层位基本都位于新近系，少部分位于进入古近系，且都未揭穿，因此缺少该热储层富水性资料。

图3 区内热储层东西向地层剖面

2.2 地热流体补给来源及成因机理

地热流体主要来源于大气降水和各种地表水的渗入补给，利用氢、氧同位素的稳定性和向内陆地区运移过程中的变化规律，根据地热流体中氘(D)、氧18(18O)的含量可以判断地热流体的来源，确定补给区和补给高度[11-12]。研究区大部分位于开封凹陷内，根据河南省大气降水和开封凹陷大气降水δD-δ18O直线方程对同位素样品进行分析可知：研究区地热井的δD值分布在-70%～-80%，平均值-75.45%；δ18O值分布在-9.21%～-10.83%，平均值-10.29%。δD、δ18O值点绝大多数落于大气降水线附近或其下方，说明其来主要来源于大气降水(图4)。

放射性同位素的衰变不受温度、压力和化学成分等外界因素的影响，可以测定计算地热流体的年龄即水在热储层中的贮留时间。通过对开封凹陷放射性同位素分析可知：研究区新近系明化镇组地热水年龄为2万 a，古近系为2.2万 a；从节水办西郊深井到节水办东郊深井，水平距离约6 km，地热流体年龄由22 090 a增至24 120 a，渗透速率8.1 mm/d，表明研究区地热流体自西向东或由西北向东南缓慢径流。由此可知：研究区地热流体的补给源是位于开封凹陷外西部山区的大气降水，自西向东或由西北向东南缓慢径流。其成因机理详见图5。

图4 开封凹陷地热井δD-18O关系图

2.3 地热流体特征

新近系明化镇组热储地热流体的水化学类型以HCO3·Cl-Na型为主，pH值一般8.0～8.3左右，属弱碱性水；溶性总固体含量1 380.2～1 896.71 mg/L，地热流体中氟、偏硼酸含量达到了医疗价值浓度，偏硅酸含量达到了矿水浓度，可命名为具有理疗价值的温水，可直接用于地热供暖、温泉洗浴等。

新近系馆陶组热储地热流体的水化学类型以Cl-Na型为主，pH值一般7.5～8.1，属弱碱性水；可溶性总固体一般13 921.91～15 091.55 mg/L。地热流体中溴、碘、锂、偏硅酸、偏硼酸含量达到了矿水浓度；锶含量达到了命名矿水浓度，可命名为锶水，可直接用于温泉洗浴等；地热流体为硬沉淀物的水的水，因此需做软化处理后可作为供暖用水。

图5 研究区地热成因模式图

3 地热资源计算

根据《地热资源地质勘查规范》(GB11615-2010)要求，结合地下热流系统的特征，对钻孔控制的充足的新近系明化镇组热储和新近系馆陶组热储采用热储法方法评价地热资源/储量，最大降深法计算可开采量[13-14]；对钻孔控制不足的古近系热储采用比拟法评价地热资源/储量。根据区内地热地质条件，将其分为四个地热区(图6)。

经计算，区内控制的280 km2范围内，新近系明化镇组热储储存热量5.14×1018J，储存水量2.11×1010m3，地热流体可采量1.65×107m3/a；新近系馆陶组热储储存热量为1.94×1019J，储存水量为4.82×1010m3，地热流体可采量为9.01×107m3/a；古近系热储储存热量2.75×1019J，储存水量3.03×1010m3。全区热储存热量为5.20×1019J，储存水量为9.96×1010m3，地热流体可采量为1.07×108m3/a。

图6 地热分区图

4 地热资源开发利用前景

4.1 新近系热储

新近系热储层遍布研究区，其厚度较均匀，顶板埋深约为300 m左右，该热储层为兰考县城地热供暖主要利用层位。中石化河南新星石油有限公司、浙江陆特能源科技股份有限公司已分别在兰考县的油田六社区、波士顿中心、蓝湾国际小区、九润泓郡小区、凤凰城等小区内施工多眼地热井，开采层位均为新近系馆陶组，井深2 000～2 200 m，出水量约120 m3/h，水温70℃左右。

中石化河南新星石油有限公司对油田六社区地热供暖监测资料及对油田六社区地热井动态监测工作，水温稳定未降低。同时地热供暖项目所用馆陶组地热水为封闭循环使用，即通过管道将尾水通过回灌井全部加压回灌至同层热储层中，整个过程只有热能的利用和转移，基本不存在水量消耗，基本做到了取热不取水。

新近系地热井施工难度小、资金投入少，涌水量大，易于回灌等特点，兼具地热资源开发的经济性与适宜性，具有广阔的开发利用前景，可以广泛应用于地热供暖、温泉洗浴、特色种植业等，同时积极推进地热资源的梯级利用技术、对井采灌制度，达到尾水的百分之百回灌，大力推广地热资源的可持续集约化利用。

4.2 古近系热储

根据研究区地热地质资料：研究区平均地温梯度3.07℃/100m[15]，垂向上地热井温度随着深度加大温度逐渐，新近系明化镇组热储地热流体温度约30℃～50℃，新近系馆陶组热储地热流体温度约70℃～74℃，推测古近系热储地热流体温度大于70℃；另根据物探解译成果，新乡-商丘断裂(F3)和聊兰断裂的伴生断裂(F6)切入古近系[16]，受到断裂构造的影响，推测其热储层裂隙较发育，可形成地热水良好的运移通道和储存空间，推测其单井涌水量大于150 m3/d·m，因此古近系热储具有较大的开采潜力，极具开发利用价值，是未来地热资源开发利用的重点研究方向。