鲁山县碱厂地热田地热资源特征及开发利用潜力研究

李秀丽

(河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南 郑州 450001)

研究区位于鲁山县碱厂一带，地热资源作为一种可再生新型能源,既是现实能源又是巨大的潜在绿色能源. 碱厂位于车村—下汤大断裂控热构造单元内，沿断裂带曾今有上汤、中汤、温汤、下汤、碱场温泉出露，碱厂段蕴藏着丰富的地热资源。在豫西隆山地构造地热田有典型性，研究该地热区的地热资源特征，对该地区地热资源勘查评价与开发有着积极的指导意义。

研究区位于河南省鲁山县瀼河乡碱场村，西距下汤10.8 km，东距鲁山县城10 km，平顶山市40 km。中心地理坐标：东经112°47′39″，北纬33°43′10″，面积0.25 km2，207国道从研究区西部地区通过， G311国道从研究区西侧2 km处穿过，交通较为便利[1]。

1 区域地质背景

研究区位于中朝准地台与秦岭褶皱衔接部位，地层属于华北地层区豫西分区渑池—确山小区和熊耳小区，由于构造活动强烈，岩浆岩十分发育，因而区内褶皱构造不发育，断裂构造及韧性剪切带成为区内的主要构造形式。

1.1 区域地质构造

研究区区域上经历了多期构造运动，断裂构造发育，变形强烈，主体构造线为北西西向或近东西向近东西向断裂构造规模大，切割深，是主要的断裂构造，也是区内的主要控热构造。碱厂地热田北边界为车村—下汤大断裂。南边界主要为二郎庙—温汤庙断裂带和水磨庄—栗村断裂带。北西向及北东向断裂构造规模小，但密度大，是二级控热、导热、导水、储水的构造。

1.2 地层岩性及特征

研究区及周边主要出露中元古界熊耳群(Pt2xn)灰绿色安山岩、安山玢岩，具斑状结构，块状构造，斑晶主要为长石，呈短柱状，大小在3 mm左右，基质具隐晶质玻基胶结结构，块状构造。第四系(Q)，出露于研究区附近，为沙河一级阶地。据钻孔揭露，厚度12～17 m，岩性为粉质粘土、粉土、砂卵砾石。研究区南部出露燕山晚期花岗岩，粗粒或斑状结构，块状构造，主要矿物成分为长石、石英、黑云母[2]。

2 地热地质条件

2.1 地热区边界条件

碱厂地热田位于车村—下汤深断裂带与南部的二郎庙—温汤庙裂带及水磨庄—栗村断裂之间，不同方向、不同性质的次级断裂极其发育，它们与主干断裂共同组成复杂的东西向断裂带。沿车村一下汤地热带自西向东有上汤、中汤、温汤、下汤、碱场温泉出露，俗称鲁山五大温泉。均出露于车村—下汤断裂南侧与之平行的次级断裂与北东向断裂的交汇部位，距车村—下汤断裂820～3 000 m不等，上、中、下汤及碱场温泉以10.5～10.8 km呈等间距出露。

2.2 热储特征及埋藏条件

碱场地热田位于车村—下汤地热带的东段，北距车村—下汤断裂1 400 m，南距水磨庄—栗村断裂750 m。昭平台水库大坝南延伸至研究区的断裂F1为地热田的主体控热、导热构造，由碱场村南延伸至研究区的北东向断层F2为导热、导水构造。在两断裂的交汇处原有温泉出露，呈泉群形式产出，三处温泉大体呈北东向展布，三泉总流量达4.62 m3/h(110.88 m3/d)，水温达27℃～35℃。打井开发地热资源以后，随着热储压力的降低，泉群消失。目前经常使用的热1井，水温50℃，涌水量95.8 m3/h, 地热流体属于氟—硅复合型理疗热矿水。

2.2.1 地热系统成因类型

碱厂地热田研究区属于对流型地热系统，也称为断裂深循环型地热。研究区地热资源受北西向F1断裂和北东向F2断裂的共同控制。根据物探资料分析，F1断裂走向290°左右，倾向南；F2断裂走向20°左右，倾向东。研究区控制深度200 m。两条断裂均显示为宽约150 m的低阻带，表明断裂均为张性，破碎带富含地下水。地热异常区就是沿着两条断裂的破碎带分布[3]。

2.2.2 热储类型

依据成因及性状，热储分为带状热储和层状热储。研究区热储属于带状热储，以对流传热为主，沿F1、F2断裂呈带状分布。热储层由熊耳群安山玢岩组成，地下热水沿断裂破碎带运移上升，热储分布面积不大，属断裂带裂隙承压水。沿断裂方向，岩石的渗透性及富水性较好，形成所谓的“断层含水带”，远离断裂带，则渗透性及富水性较差，不含或含水微弱，可视为阻水边界。依据物探资料，带状热储宽约150 m，分布在研究区以内。

2.2.3 热储结构

研究区热储结构比较简单，盖层为第四系，据钻孔揭露，厚度12～17 m。热储由熊耳群安山玢岩组成，热3井揭露厚度为293.1 m，未见底。多个层段岩石破碎，裂隙发育，富水及导水性能较好。热1井破碎带主要位于41～70 m。由于热储层无良好隔热保温盖层，地下热水沿断裂通道从深处向地表运移，直接出露地表形成温泉，或在其上方形成仅有薄层覆盖的地热异常区[4]。

2.3 地热流体流场特征及动态

1997年，在研究区碱厂浴池西南角施工86.83 m的深井一眼(即目前使用的热1井)，水温为50℃。热1井自成井以来，水温一直保持在50℃，多年来水温动态稳定。打井开发地热资源以后，泉群消失，热1井静水位埋深从1997年的2.91 m降至2015年的10.55 m，平均每年下降0.42 m。表明随着地热资源的持续利用，热储压力在逐渐降低。伴随着热储压力的降低，地热流体中浅层水混入的比例有所增加，导致作为命名矿水的氟、偏硅酸含量总体上也略有下降，水化学类型也由SO4·HCO3-Na型转变为HCO3·SO4-Na型。但是，地热流体仍然保持着氟—硅复合型理疗热矿水这基本特征[5]。从以往的地热流体水质资料，到本次工作取得的地热流体水质分析结果，碱场地热流体从1980-2015年共取样4次进行水质分析。主要水化学因子测试结果见表1。

表1 不同时期地热流体主要组分特征一览表 mg/L

图1 研究区地热流体主要组分特征柱状图

对比四次地热流体化学分析资料，K+、Na+、Mg2+、Cl-、溶解性总固体含量无明显的变化趋势，波动范围也不大，基本稳定。HCO3-含量总体上有逐渐增大的趋势，SO42-含量有小幅下降的趋势，水化学类型也由SO4·HCO3-Na型转变为HCO3·SO4-Na型。对比外检样的分析结果，同样也显示水化学类型转变为HCO3·SO4-Na型。同时，作为命名矿水的氟、偏硅酸含量总体上也略有下降(图1)。地热流体化学组分这些细微的变化，表明随着压力的降低，浅层水混入的比例有所增加。

3 地热资源/储量计算与评价

3.1 地热储量计算

研究区碱厂地热田地热储量计算[5]，采用热储体积法，将热储的几何形态概化为一个椭圆锥体，热水主通道沿北西向断裂(F1)呈椭圆分布，热储顶板面积与热储底板面积的比值取1/2，采用体积法计算热储中的地热资源量、储存的热水量以及热水中储存的热量。上述计算结果见表2。

表2 地热资源量计算结果一览表

计算结果见表2，在500 m深度内，地热资源量为3.52×1017J，储存热水量为3.40×108m3，热水中储存热量为5.05×1016J。

在1 000 m深度内，地热资源量为7.37×1017J，储存热水量7.10×108m3，热水中储存热量为1.06×1017J。

3.2 地热流体可开采量计算

地热资源可开采量，应在满足经济上合理，技术上可行条件下，可以持续开发利用的合理的开采量。按照国内外水荒时水位下降深度为50～60 m，设计水位降深值为≤35 m。设计开采年限为10 a。

依据抽水试验结果，流量95.8 m3/h，降深仅5.09 m，单位涌水量达18.82 m3/h·m。现拟定开采量为100 m3/h(2 400 m3/d)，对应的降深5.31 m，技术上合理可行。

现以直线隔水边界附近的非稳定井流公式预测开采10 a后的水位降深[6]。边界另一侧对称的位置上有一虚井在工作，则总的降深为实井及虚井同时工作、各自所引起降深的叠加：

(1)

当抽水时间足够长，满足u及u＇小于0.01时，其近似式为：

(2)

式中：Q为流量，取2 400 m3/d；t为开采时长，3 650 d(10a)；r为井半径，取0.17 m；ρ为虚井到计算点的距离，取200 m；其它各项意义及取值同前。

经计算，以2 400 m3/d的流量开采10 a，所引起的水位降深为34.17 m，在设计的允许范围以内。所以，地热流体可开采量确定为2 400 m3/d，即8.76×105m3/a，合理可行。现实中，地热流体的开采量远远低于这一数值，其水量是有充分保证的。

3.3 地热区产能

研究区地热井产能按下式计算：

Wt=4.186 8Q(t-t0)

(3)

式中：Wt为热功率，kW；Q为地热流体可开采量，L/s；t为地热流体温度，50℃；t0为当地年平均气温，14℃。

计算结果：地热井产能为4.12 MW。

3.4 年可利用热能

研究区地热产能每年可开采的热能按下式计算：

QW=36 500Q·C·(tr-t0)

(4)

式中： QW为年可开采热能J；Q为热水可开采量2 400 m3/d。C为地热水比热容，取4.186 8×106J/m3℃；tr为热水温度，50.0℃；t0为当地恒温带温度，14℃。

计算结果，每年可开采的热能为1.30×1014J。

4 地热资源的开发利用与保护

4.1 地热资源开发利用方向与方式

研究区地热流体属于氟—硅复合理疗热矿水，适合温泉洗浴、医学理疗。不适宜作为饮用天然矿泉水、生活饮用水、农业灌溉用水和渔业用水。用于水产养殖应做降温除氟处理。目前，研究区有小型温泉宾馆一座，洗浴室4间，封闭式游泳馆一座，敞开式越冬水泥池养鱼池16个，敞开式夏季土池养鱼池4个。开发利用方向主要为温泉洗浴、理疗、水产养殖。

4.2 地热资源保护措施

地热资源要在开发利用的过程中要注重保护，综合利用，提高利用效率。结合研究区目前的开发利用状况，提出以下保护措施：(1)限量开采，节约资源，地热资源补给周期长，是一种有限的可再生资源。虽然计算的地热流体可开采量较大，但是应根据实际需要合理开采，杜绝浪费，防止水位快速下降。(2)开展动态监测工作，建立动态监测系统，对地热资源开发利用进行动态监测。监测内容包括开采量、水位、水温、水质，及时汇总监测资料，以便对热储的动态规律进行综合研究[7]。(3)加强卫生防护，为了保证地热井水质不受污染，使珍贵的地热水资源能够持续开发利用，应在地热井周围建立三级防护区。

5 结语

(1)碱场地热田位于车村—下汤地热带的东段，以车村—下汤深断裂带为北部边界，以水磨庄—栗村断裂带为南部边界。平行于车村—下汤断裂的北西向断裂F1为地热田的主体控热、导热构造，而北东向断裂F2为导热、导水构造。

(2)研究区地热资源属于对流型(断裂深循环型)地热类型。热储类型为带状热储，热储层由熊耳群安山玢岩组成，属断裂带裂隙承压水。热储盖层为第四系，厚度12～17 m，无良好隔热保温性能，为温泉的出露创造了有利条件。

(3)研究区地热流体温度50℃，多年来动态稳定。开发地热资源以后，热储压力在缓慢下降，地热流体中作为命名矿水的氟、偏硅酸含量总体上也略有下降。冬春季节由于开采量加大，水位较夏季有所下降。

(4)研究区经过计算在1 000 m深度内，热储中地热资源量7.37×1017J，储存热水量7.10×108m3。地热流体可开采量8.76×105m3/a的可开采量，年可开采热能为1.30×1014J。产能4.12 MW，为小型低温地热田。

(5)按《地热资源地质勘查规范》(GB11615-2010) 附录E：《理疗热矿泉水水质标准》属弱碱性低矿化氟·硅型理疗热矿水, 对人体有良好的理疗保健功效。它的“淡水”属性在热矿水类实属少见。但其因氟含量超标，不宜直接作为生活饮用水水源和农业灌溉水源。

(6)经过研究表明，鲁山碱厂属于隆起山地构造田属于脉状热储，地热资源丰富。为当地后续产业开发和乡村振兴有重要意义。加强地热流体动态监测工作，对热储的动态规律进行研究，进而指导下一步的开发利用。