银川盆地热储层温度估算

杨 超，屈文岗，方嘉伟，扈志勇

（1.宁夏国土资源调查监测院，宁夏 银川 750002；2.长安大学 水利与环境学院，陕西 西安 710054；3.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；4.宁夏煤炭勘察工程有限公司，宁夏 银川 750000）

地热能与其他可再生能源相比，具有储量大、稳定可靠等特点，在调整能源结构、应对气候变化、治理大气污染中，地热能将会发挥更加积极的作用。宁夏境内深层地热资源以中低温地热为主，地热的勘探、开发和科学研究程度较低。当前在银川盆地范围内企业及个人对地热资源开发利用的热情有上升趋势。为了能高效利用地热资源就必须对其赋存条件进行研究，热储层温度的划分对地热资源评价、开发利用具有重要的意义。研究人员通过浅部地温监测、物探测井等资料对银川盆地内地温梯度进行了相关研究。如：严烈宏等[1]通过2 眼地热井的钻探及物探测井资料对银川盆地热储特征进行了分析，结果表明，银川盆地为中低温地热田。何欣等[2]、范高功等[3]通过有限的钻探、物探资料对银川盆地热储层岩性、盖层特征进行了分析[2-3]。近年来，在银川盆地范围内陆续打成的地热井已有15 眼，地热井温度均有差异。本文分析了银川盆地部分地热井中地热水样品的水化学特征，实测了地热井井口的温度，采用矿物平衡图解法及地热温标法对热储层温度进行估算，并获得地下热储层温度的范围，为银川盆地地热资源的开发利用提供重要依据。

1 银川盆地区域地质概况

银川盆地位于宁夏北部，平均海拔在1 100～1 200 m，地形整体呈东西高、中间低、南高、北低。根据以往地热勘探资料及已有地热井成井资料，银川盆地热储层可划分为新近系干河沟组热储层、新近系彰恩堡组热储层、古近系清水营组热储层、奥陶系—寒武系基岩热储层[1，4]。

2 地温场特征及水化学特征

2.1 地温场特征

银川盆地Y1，Y3，NSR-1，NSR-2，NHR-1，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9，Y10 地热井出水温度分别为67.5，55，68，65，60，56，62，51，35，59，47，52 ℃。由地热井测温数据可知，12 眼地热井的地温梯度算术平均值分别为2.19，1.92，2.25，2.46，2.45，2.19，2.03，3.36，1.96，2.13，1.94，1.72 ℃/100 m。地温垂向特征表现为：随深度增大而升高，地表以下100 m 以内地温波动较大，随着深度增加地温波动变小。深层地温梯度变化较为稳定，在3 000 m 左右地温可达80 ℃以上。

2.2 水化学特征

本文在银川盆地内有条件采集地热水样品的7眼地热井中进行样品采集，取样点如图1 所示。表1为银川盆地地热水化学分析结果。由表1 可知：地热水pH 为7.28～8.86，平均值为7.74，为偏弱碱性水；阳离子平均质量浓度由高到低依次为Na+，Ca2+，Mg2+，K+，阴离子平均质量浓度由高到低为Cl-，SO42-，HCO3-，CO32-。地热水总溶解性固体物质（TDS）变化范围较小，为4 650～13 821 mg/L，平均值为9 116.43 mg/L，以高矿化度地热水为主[5]。

表1 银川盆地地热水化学分析结果

图1 地热井取样点分布图

图2 为银川盆地地热水Piper 图。由图2 同样可以看出，该地区水的主要阳离子为Na+，其次为Ca2+和Mg2+，阴离子主要以Cl-为主，其次是SO42-。其水化学类型主要为Na-Cl-SO4型，亦有Na-Cl 型。

图2 银川盆地地热水Piper图

3 多矿物平衡法

3.1 分析方法

矿物在水中的溶解与沉淀取决于水溶液相对矿物的饱和状态，通常使用饱和指数来衡量水溶液相对矿物的饱和状态[6]：

式中：SI为水溶液相对矿物的饱和指数；LAP为矿物溶解反应中相关离子的活度积，mol/L；K为矿物在地热水中的溶解度，mol/L。若SI<0，表示未达到饱和状态；SI>0，表示过饱和状态；SI=0，表示水溶液与矿物处于平衡状态[7-10]。

地热水在热储中的运移较为缓慢，地热水中的矿物通常与热储中的矿物处于平衡状态，这种平衡状态可通过地热水的化学成分来判断。首先，根据地热水的水质分析结果，计算水中矿物的饱和指数，绘制地热水中多种矿物的饱和指数与温度的函数关系图。其次，若在某一特定温度下一组矿物同时接近平衡，则可判断地热水与热储矿物达到了平衡状态，平衡时的温度即为热储层温度。由此可确定热储的平衡矿物及热储层温度。

3.2 结果与分析

本文利用多矿物平衡法对7 个地热井随温度变化的水溶液相对矿物饱和指数进行计算（温度范围为0～200 ℃，温度间隔为10 ℃），并作图分析了各地热井的平衡矿物及平衡温度范围。图3～图6 是各地热井矿物饱和指数与温度的变化关系图，表2 为各地热井平衡矿物一览表。需要说明的是，在水质分析结果中，大部分水样SI的值小于分析方法的下限值，故在计算中直接使用了该下限值，这将使涉及这些组分的矿物饱和指数计算结果偏大。

表2 各地热井平衡矿物一览表

图3 DRT-04，DRT-05地热井矿物饱和指数与温度的变化关系图

图4 NHR，NSR-2地热井矿物饱和指数与温度的变化关系图

图5 Y8，Y9地热井矿物饱和指数与温度的变化关系图

图6 Y10地热井矿物饱和指数与温度的变化关系图

由图3～图6 可知，DRT-04 井的低温平衡矿物和高温平衡矿物分别是铝矾石和硬石膏，DRT-05井的低温（10 ℃）平衡矿物和高温（110 ℃）平衡矿物分别是铝矾石和硬石膏，NHR 井低温（10 ℃）平衡矿物和高温（140 ℃）平衡矿物分别是白云石和石膏，NSR-2 井低温平衡矿物和高温平衡矿物分别是云母和方解石，Y8 井低温平衡矿物和高温平衡矿物分别是方解石和硬石膏，Y9 井低温平衡矿物和高温平衡矿物分别是方解石和硬石膏，Y10 井低温平衡矿物和高温平衡矿物分别是方解石和石膏。

由表2 可知，NSR-2 地热井的平衡温度为20～180 ℃，明显高于其他地热井，且其平衡矿物为硬石膏、文石、方解石、白云石、石膏和云母，种类明显少于其他6 个地热井。DRT-04，DRT-05，NHR，Y8，Y9，Y10 6 个地热井的平衡温度在10～140 ℃，Y9 地热井的平衡矿物最多，分别为钠长石、铝矾石、硬石膏、文石、钙蒙脱石、方解石、玉髓、绿泥石、白云石、菱镁矿、伊利石、黄钾铁矾、钾长石、云母、高岭石、石英和菱铁矿。

结合地热井出水温度，则可进一步对热储层温度进行估计，得出更加可靠的热储层温度区间。由此可得，DRT-04，DRT-05，NHR，NSR-2，Y8，Y9，Y10地热井热储层温度分别是40～100 ℃，40～110 ℃，60～140 ℃，65～180 ℃，59～90 ℃，47～110 ℃，51～140 ℃。热储层温度估算结果及实测井口温度显示，银川盆地北部热储层温度高于中部热储层温度。

4 热储层温度估算

在地热资源勘探过程中，深部热储层温度是评价地热资源不可缺少的重要参数，地球化学温标方法是获得热储层温度较为有效的手段。常用的地热温标法可分为两类：一类是二氧化硅地热温标法，有石英地热温标法和玉髓地热温标法等；另一类是阳离子地热温标法，有Na-K-Ca 地热温标法，Na-K地热温标法等[11-15]。

4.1 二氧化硅地热温标法

对热储层温度估算的方法较多，二氧化硅地热温标法是最早被用于估算热储层温度的一种方法，也是后来最常用的一种地热温标法，热水中二氧化硅的质量浓度主要取决于不同温度下石英或玉髓在水中的溶解度，据此本文提出了基于热水中二氧化硅质量浓度的地热温标分别如下[9]。

石英地热温标（无蒸汽损失）为

石英地热温标（最大蒸汽损失）为

玉髓地热温标为

式中：c指水中可溶性二氧化硅的质量浓度，mg/L。适用温度范围为0～250 ℃。

4.2 阳离子地热温标法

阳离子地热温标法是较为常见的估算热储层温度的方法，该方法是根据热水中阳离子之间的比值与温度之间的关系构建起来的，阳离子地热温标法是经验性的近似方法。

Na-K 地热温标法是根据热水中Na+，K+与钾长石、钠长石之间的反应受控于温度的原理建立起来的[16]，反应式为

计算公式为

式中：ρ（Na+），ρ（K+）分别为Na+，K+的质量浓度，mg/L。适用温度范围为0～250 ℃。

中低温地热系统常用Na-K-Ca 地热温标法，计算公式为[6]

式中：ρ（Na+），ρ（Ca+），ρ（K+）分别为Na+，Ca2+，K+的质量浓度，mg/L。当t<100 ℃时，β＝4/3；当t>100 ℃时，β＝1/3。适用温度范围为0～300 ℃。

4.3 热储层温度的估算结果及分析

对于银川盆地内的7 眼地热井，本文使用上述地热温标法，对各地热井的热储层温度进行了估算，表3 列出了各地热温标法的温度估算结果及估算温度相对于井口实测温度的相对误差。由表3 可知，对于不同的热储层，各地热温标温度估算结果的差别很大。

表3 热储层温度估算结果及其相对误差表

对于Y8，Y9，Y10，NHR，NSR-2 地热井，热储层主要为新近系地层，岩性主要为砂岩。石英（无蒸汽损失）、石英（最大蒸汽损失）、玉髓、Na-K 及Na-KCa 地热温标温度估算结果相对误差的平均值依次为13.5%，16.3%，-14.6%，-6.2%，16.3%，可见除Na-K 地热温标外，其他地热温标温度估算结果的误差都很大。Na-K 地热温标的最大误差为-12.6%，而其他温标的最大误差均在20%左右。因此，对于新近系砂岩带下热水推荐使用Na-K 地热温标。

对于DRT-04 和DRT-05 地热井，热储层主要为奥陶系地层，岩性主要为泥质灰岩，局部为泥灰岩及破碎带。石英（无蒸汽损失）、石英（最大蒸汽损失）、玉髓、Na-K 及Na-K-Ca 地热温标温度估算结果相对误差的平均值依次为27.9%，30.8%，-1.2%，58.1%，57.7%，可见除玉髓地热温标能较好地估算地热井的热储层温度外，其他地热温标温度估算结果的误差都很大。玉髓地热温标的最大误差仅为-2.3%，而其他温标的最大误差值达到58.9%。因此，对于奥陶系灰岩地热水推荐使用玉髓地热温标。

5 结论

（1）银川盆地地热水为偏弱碱性水，各离子变化范围各不相同，阳离子平均质量浓度由高到低依次为Na+，Ca2+，Mg2+，K+，阴离子平均质量浓度由高到低为Cl-，SO42-，HCO3-，CO32-。TDS 变化范围较小，为4 650～13 821 mg/L，平均值为9 116.43 mg/L，地热水以高矿化度地热水为主。

（2）盆地最北部NSR-2 地热井的平衡温度为20～180 ℃，明显高于其他地热井，且其平衡矿物为硬石膏、文石、方解石、白云石、石膏和云母，种类明显少于其他6 个地热井。DRT-04，DRT-05，NHR，NSR-2，Y8，Y9，Y10 地热井热储层温度分别是40～100 ℃，40～110 ℃，60～140 ℃，65～180 ℃，59～90 ℃，47～110 ℃，51～140 ℃。热储层温度估算结果及实测井口温度显示，银川盆地北部热储层温度高于中部热储层温度。

（3）对于新近系热储层，Na-K 地热温标使用效果最好，估算的热储层温度约为52.6 ℃。

（4）对于奥陶系热储层，玉髓地热温标的使用效果最好，可对热储层温度进行精确的估算，估算的热储层温度约为39.1 ℃。