供暖地热钻井选址与资源预测方法研究——以徐州市泉山区为例

徐爱民，宋 涛，陆俊杰，韩文斌，易建民，卢 俊

（1.江苏华东八一四地球物理勘查有限公司，南京 210007；2.中铝矿业有限公司，郑州 450041；3.江苏省地质局，南京 210001）

地热资源是一种可再生的清洁能源，因其广泛分布、储量巨大等特点备受关注。我国的地热资源非常丰富，资源总量约占全球的7.9%，可采储量相当于4 626.5 亿t标准煤。当前，地热资源开发利用领域主要为工业、取暖、浴疗及农业等，截至2020 年底，我国地热能消费规模折合7 000 万t标准煤，地热供暖（制冷）面积累计达到16 亿m2[1-3]，已形成产业化优势。城镇是人口集中居住区，有巨大的地热供暖需求，但复杂的城市建筑、地下管网及电磁干扰给地热资源勘查带来巨大挑战。基于地热资源勘查，评价区域地热资源开发潜力，估算地热资源储量，是地热供暖规划的基础。本文以徐州市泉山区（翟山街道）为研究区，结合区域地质，通过地球物理勘探分析源、通、储、盖等地热地质条件，优选地热钻井，结合邻近的同类地热钻井数据，估算并预测地热资源供热能力，为地热供暖可行性研究和远景规划提供数据支持，降低投资风险。

1 区域地质背景

如图1 所示，研究区位于中朝准地台南缘徐-宿弧形断褶带中北段中枢部位，结晶基底由晚太古代-古元古代的沉积岩、中基性火山岩和花岗岩为源岩的变质岩组成，基底之上为青白口系-古生界海相碳酸盐岩夹陆相碎屑岩系为主的脆性变形推覆岩片，上覆沉积盖层主要为侏罗系-新近系红色碎屑岩夹火山岩系地层。加里东运动时期区域抬升，沉积缺失奥陶系上统、志留系、泥盆系及石炭系下统。地表出露的地层以下古生界寒武系与奥陶系为主，基岩出露面积小，余者多被第四系覆盖[4-5]。

图1 区域大地构造及研究区地质简图

2 地热地质条件

2.1 区域热背景

我国陆区岩石圈厚度总体呈东薄西南厚的特征，我国温泉多分布在热岩石圈厚度小于150 km的区域，其中高温泉主要位于100 km 以内更薄的地区。徐州市岩石圈厚度为85 ～95 km，显示与高温地幔流体有相对小的距离。莫霍面深度为35 ～40 km，居理面深度为28 ～34 km，显示大地热流由地球深部向地球表面传导具有较好的条件。我国陆区的大地热流预测平均值为63.54 mW/m2，徐州市地处华北陆块区南部，大地热流值在60 ～65 mW/m2。徐州市井温实测资料显示，浅部1 600 m 以内平均地温梯度为17.4 ～25.0 ℃/km，1 600 ～2 000 m 平均地温梯度大于43 ℃/km，深部具明显的地温梯度异常。研究区东南部约8 km 的潘塘盆地内揭露燕山早期的中酸性侵入岩和中基性火山岩。徐州市区周边无温泉集中出露区，没有明显的地表释热形迹。区域热背景具有较好的条件，但地表未有明显的地热异常表现，反映徐州市的地热资源勘探工作应重点关注深部。

2.2 地热资源成矿条件

目前，江苏省以开发水热型低温地热资源为主，根据赋存状态及成因，江苏省水热型地热资源大致可分为盆地传导型和构造对流型两大类。下扬子地块浅部的盆地和断凹内分布中新生代以来的砂砾岩、火山岩等具有较好孔隙度的岩石，其中赋存的地下水经深部传导的地热直接加热，形成盆地传导型地热资源；下扬子地块褶皱隆起区、苏鲁造山带、华北地台南缘经历印支-燕山期多期构造运动或岩浆活动的改造，断裂发育、脆性岩石破碎、岩溶发育等有利构造因素为地热流体的循环、热量的运移提供良好条件，形成构造对流型地热资源。

2.2.1 控热导热构造

受印支期扬子板块向华北板块挤压和后期重力滑覆作用影响，徐州市构造发育，主要体现在轴向呈弧形展布的褶皱褶曲与逆（冲）断层的广泛分布。北东向断层穿过研究区，东南侧上盘的奥陶系下统萧县组-马家沟组逆冲于北西侧下盘的马家沟组之上，断层上下盘均为寒武系-奥陶系碳酸盐岩组成的褶皱构造，是徐-宿弧形构造的经典模式。北东向深大断裂导通深部热源，是良好的导热构造。北西西走向的废黄河断裂（带）是研究区附近的水源地集中分布带，岩溶裂隙发育，富水性好，单井涌水量多大于3 000 m3/d。徐州市泉山区具有良好的北东向断层导热构造，邻近北西西向导热（水）构造，具备较好的通道条件。

2.2.2 热储层与热储构造

实测重力资料显示，徐州市泉山区整体构造格局呈北东向，自西北向东南，一系列北东轴向的向斜与背斜相间分布。研究区中部是一背斜核部，重力高值具有北东走向分布特点，但线性异常特征不明显，反映翟山街道一带挤压后可能存在局部重力滑覆现象。北西及南东两侧的重力梯度是褶皱地层与断层的综合显示，如图2 所示。

图2 实测布格重力异常

广域电磁法是一种大功率人工源电磁法，因其抗干扰能力强、探测深度大，被广泛应用于油气和地热资源勘查，尤其在城镇地热勘查中发挥重要作用。广域电磁勘探二维反演断面如图3 所示，其电阻率整体呈高阻背景，符合震旦系-奥陶系碳酸盐岩的电阻率特征。断面东南端低阻显示表层0 ～200 m 由薄层第四系覆盖，西北端表层低阻反映小规模岩溶发育；深部两处规模较大的椭圆状低阻为发育规模较大的岩溶，南部岩溶发育区埋深为500 ～1 600 m，宽度为200 ～1 000 m，规模较大，经推断，原因是断层切割和长期溶蚀造成多期、多段岩溶充水，北部岩溶发育区埋深为900 ～1 600 m，宽度为200 ～700 m，经推测，其与浅部小规模岩溶均是由断层破碎和长期溶蚀造成的。深部的断裂破碎带和岩溶发育区是良好的对流型热储赋存位置，重力与广域电磁联合勘探结果显示，徐州市泉山区厚层碳酸盐岩广泛分布，1 000 ～2 000 m 深度内褶皱、断层与岩溶均较发育，断层切割深度大，导热导水性较好。

图3 广域电磁二维反演解译断面

2.2.3 盖层发育特征

结合区域地质和地球物理勘探成果可知，翟山街道西北部寒武系-奥陶系碳酸盐岩出露地表，其他大部被第四系覆盖，第四系厚度小于200 m。碳酸盐岩热导率分布区间在2.34 ～6.55 W/（m·K），属高热导岩石，第四系松散沉积因孔隙度较大具有一定的保温作用。由此可见，研究区盖层保温条件较差，这也是徐州市浅部地温梯度较低的主要原因之一。对流型地热资源流体温度的影响因素主要是流体循环深度和不同流体换热前的初始温度，受盖层影响较小，因此本次地热钻井选址的主要目标为深部裂隙岩溶中赋存的对流型热储。

3 地热钻井选址与地热资源预测

3.1 地热钻井选址

在2 条主要断层所经的岩溶发育区设计地热探井ZS01 和ZS02，钻探深度为2 500 m，勘探目标为寒武系-奥陶系裂隙岩溶热储。ZS01 井目标位置是埋深1 000 ～2 000 m 的断裂破碎及岩溶发育带，ZS02 井的目标位置是埋深1 000 ～1 800 m 的断裂破碎及岩溶发育带。鉴于地球物理勘探方法的多解性以及深部可能赋存优质地热资源的可能性，两井均加深至2 500 m。

3.2 地热资源预测

周边地热钻井较少，已知潘塘盆地边缘西侧施工地热井揭露1 465.88 ～2 064.35 m 震旦系灰岩热储层，地热井出水温度为54 ℃，核定地热水可开采量为226 m3/d；徐州市贾汪区地热井深度为2 280 m，最终井口出水温度为48 ℃，涌水量为1 032 m3/d[6]。据地球物理勘探成果，本区裂隙岩溶发育规模较大，结合邻区已知地热井数据，预测单井井口水温为60 ℃，出水量为960 m3/d，设计一采两注地热开采换热系统2 组，即取水井2 口、回灌井4 口。采用地热水“换热+压缩式”热泵供热，地热水首先经过换热器与二级网热水直接换热，换热后的地热水温度降低至38 ℃，然后经过压缩式热泵，将热量传递给二级网热水，地热水最终降至18 ℃左右回灌。通过换热器换热的二级网热水和经过热泵换热的二级网热水汇集在一起，进入热用户供暖。根据《地热资源评价方法及估算规程》（DZ/T 0331—2020），采用式（1）、式（2）估算居室采暖面积和热水产能。

式中：F为采暖面积，m2；En为热水产能，W；Qf为居室采暖热指标，取66.5 W/m2；Q为热水流量，m3/d，取1 920 m3/d；T为进水温度，取60 ℃；T0为回水温度，取18 ℃。

经计算，研究区2 口地热井的居室供暖面积约为58 764 m2，当实际供暖面积大于该面积时，地热资源开发利用规划应注意提高天然气、浅层地温能等其他附加供热方式在供热系统中的占比。

4 结论

本文以徐州市泉山区为研究区，结合区域地质背景，分析沉积建造特征、热构造活动规律，明确地热地质要素的宏观分布规律，为地热资源勘查奠定地质基础。总体来看，从源、通、储、盖等方面分析地热地质条件，判断地热资源成因模式与热储层赋存特征，结合地球物理勘探成果优选最佳热储位置，部署地热探井揭露目标热储，是地热资源勘查的关键环节。按照《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615—2010），基于设计地热钻井的预测数据和邻近地热钻井成果，分析并估算地热资源供热能力，对地热资源开发潜力进行预测性评价，可为后续地热供暖规划提供重要依据。