基于热储法的卜南堡地热田地热资源评价及利用方向研究*

2023-11-26周建飞

现代矿业 2023年10期

周建飞

（1.河北省煤田地质局第四地质队；2.河北省矿山生态修复与资源综合利用研究中心）

地热资源是一种可再生的清洁环保能源，地热水可以通过回灌进行重复利用［1］，在现有技术的控制下，地热在利用过程中对环境影响十分轻微［2］。实现地热资源的可持续开发利用，对我国“双碳”目标如期实现意义重大，但地热资源的可持续开发利用必须建立在对其资源量的科学评价基础之上［3］。

地热资源量评价是地热可持续开发利用的基础，其评价方法较多，常用的方法有热储法、水热均衡法和数值法等［3］。在地质、水文地质和浅层地热能勘查资料具备的区域可采用数值法进行浅层地热能的评价；在具有长期动态监测数据的区域，适合用水热均衡法［4］来评价浅层地温能取热量的保证程度，在调查中须定量查明在天然状态和开发状态下浅层地温能各均衡项的情况［3］。

从含水层中抽水时，会引起弱透水层弹性释水补给抽水含水层，当弱透水层厚度较大时这种补给相当大，因而不能忽略，而热储法不仅适用于松散岩层分布区的地热能储存量评价，而且同样适用于基岩地区的地热能储存量评价，此方法应用较广且比较成熟，故采用热储法对研究区热储层中的地热资源储存量评价［3-8］。

蔚县盆地地处冀西北山区，根据现有地热勘查资料可知，蔚县盆地内可供开发利用的地热资源极为丰富，但目前对盆地内的地热资源研究程度较低，缺少对地热资源量的科学性评价，严重影响地热资源的开发利用。以卜南堡地热田为例，在对地热地质条件分析的基础上，初步圈定计算范围，初步评估区内地热资源量，为研究区下一步地热资源勘查、开发利用提供依据。

1 区域地质概况

研究区位于蔚县断陷盆地中部，大地构造上处于中朝准地台（Ⅰ2）燕山台褶带（）冀西陷褶断束（）蔚县复向斜（）蔚县开阔向斜（）构造单元内。蔚县开阔向斜被4条区域性断裂所控制，其东部为北西向的松枝口—右所堡断裂，西部为北西向的大湾—暖泉断裂，南部为北东向的蔚县—延庆断裂，北部为阳原南山断裂，这4条大断层在控制地下水系统方面发挥了重要作用，不仅阻隔了盆地内、外地下水的水力联系，也为地下热水的储存和上升提供了空间和通道［9］。据区内以往煤田勘探及钻孔揭露情况来看，区内地层发育较齐全，由老至新依次为太古界桑干群，元古界长城系、蓟县系，古生界寒武系、奥陶系，中生界侏罗系，新生界古近系、新近系、第四系。其中，长城系和蓟县系为主要热储层，下伏新太古界桑干群为结晶基底，其他为盖层［9］。

2 研究区地热地质条件

2.1 地层岩性

区内地热钻孔揭露的地层及岩性由老至新为元古界雾迷山组，岩性主要为白云岩、隐晶质白云岩、燧石角砾白云岩等，厚度为500～700 m，区内钻孔未揭穿；寒武系，岩性主要为含泥灰质白云岩、白云质灰岩、泥质条带灰岩、泥岩等，钻孔揭露厚度为430 m；奥陶系，岩性主要为白云质灰岩、灰质白云岩与泥质灰岩互层，钻孔揭露厚度为179.9 m；侏罗系，岩性主要为砂岩、泥岩互层，夹煤层，钻孔揭露厚度为48.2 m；第四系，砂质黏土、砂砾石互层，钻孔揭露厚度为373 m。

2.2 构造

据壶流河以北的煤田勘探资料，研究区下部基岩中、小型断裂十分发育，断裂长度1～5 km，垂直断距30～100 m，以北西向为主，其次为北东向，但也见有南北向和东西向断裂，多数为正断层，属张扭与张性，部分为逆断层。研究区南部外围有壶流河断层，是研究区附近规模最大的张性断层，走向北东，倾向南东，断距200～400 m，为第四系下隐伏断裂。在断层北部第四系较南部厚，北部热储较南部热储埋深浅，控制盆地内第四系沉积厚度和热储的分布，是本区主要的控热构造之一。

2.3 地温场特征

本次工作依据区内已有地热井测温资料，确定区内低温梯度介于1.13～3.02 ℃/（100 m），其中第四系和侏罗系地温梯度为2.09 ℃/（100 m），奥陶系地温梯度为1.13 ℃/（100 m），寒武系低温梯度为2.43 ℃/（100 m），蓟县系雾迷山组低温梯度为3.02 ℃/（100 m）。据第四系测井资料，在深度40m 处地温变化较为平缓，约为14 ℃，所以确定研究区恒温层温度为14 ℃，埋深为40 m。依据以往煤田钻孔、地热井等测温资料及以往研究成果绘制了研究区深孔温度等值线图（图1），其中温度大于25 ℃的等温线闭合圈定的面积约为50 km2，并以此范围为本次资源量评价范围。

2.4 热储特征

研究区内存在雾迷山组和高于庄组2层热储，由于区内钻孔仅揭露了雾迷山组热储，尚未揭露高于庄组热储，为使计算准确，所以本研究不对高于庄组热储资源量进行探讨。区内蓟县系雾迷山组在区内均匀分布，岩性主要为角砾状白云岩、隐晶质白云岩等，厚度500～700 m，平均厚度约为600 m。区内地热井揭露雾迷山组白云岩厚度为136 m（未揭穿），涌水量为240.0 m3/h（降深20 m），井口水温38 ℃，为复合型含锶、偏硅酸优质矿泉水，水化学类型为HCO3-Ca·Mg 型，矿化度0.483 mg/L，pH 为7.55，微量元素含锶0.342 mg/L，偏硅酸含量25.32 mg/L，存在2 段含水层（厚度分别为28 m、23 m），含水层总厚度为51 m，该段热储储厚比为37.5%。结合区域地层厚度及区内地热井实测数据，综合确定区内雾迷山组顶板埋深1 031 m，底板埋深1 631 m，厚600 m；热储温度为34.40～52.69 ℃，平均温度为43.55 ℃。

3 地热资源评价

3.1 热储概念模型

卜南堡地热田属于传导型地热系统，热储层主要蓟县系高于庄组、雾迷山组白云岩，第四系、侏罗系构成区内主要盖层，地热水的补给来源主要为大气降水，热源主要来自上地幔传导热，深部岩浆岩余热可能构成补充热源［9］。研究区热储概念模型如图2所示。

3.2 评价方法及原则

地热资源量、可利用地热资源量、地热水储存量、地热水允许开发量是地热资源评价的主要内容［3］。

地热资源量评价常用的方法有热储法、比拟法、数值模型法和地表流量法等。研究区研究程度较低，地热资源尚未被开发利用，缺少长期的地下热水承压水头高度、地热田开采量等项目的长期监测数据和资料，对地热田的形成机理、热储条件也处于推测和假设阶段，并且从含水层中抽水时，会引起弱透水层弹性释水补给抽水含水层，当弱透水层厚度较大时这种补给相当大，不能忽视［3］。鉴于以上原因，本次选用热储法对研究区进行地热资源量评价应更为合理。

用热储法计算出的资源量不可能全部被开采出来，只能开采出一部分，二者的比值称为回收率。回收率的大小取决于热储的岩性、孔隙及裂隙发育情况。地热水储存量是储存于热储层孔隙裂隙中的全部热水体积，以热储体积与平均孔隙裂隙率近似确定［10-11］，因此选用体积法评价地热水储存量。

地热水可开采量是最具有使用价值的资源量，适当开采地热水，可以控制地下水位，防止土壤盐碱化，减少潜水蒸发损失［12-13］，因此选用开采系数法评价地热水的允许开发量。研究区开采年限为100 a，计算深度下限为1 631 m。

3.3 参数选择

本文根据《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615—2010），采用热储法、开采系数法等公式计算研究区地热资源量、可开采地热资源量、地热水可开采量等［14］。所涉及参数确定依据及选取如下：

（1）热储面积。根据《地热地质勘查规范》（GB/T 11615—2010）相关要求，研究区勘查程度比较低，对热储温度分布不清楚，这时可以采用浅部温度异常范围大致圈定地热田的范围，本次采用浅部温度大于25 ℃等温线闭合圈定的面积50 km2为热田面积，同时区内热储产出较为平缓，默认其平面投影面积与热田面积一致，综合确定研究区内热储面积为50 km2。

（2）热储厚度。研究区内钻孔揭露热储厚度136 m，存在2 段含水层（厚度分别为28 m、23 m），含水层总厚度为51 m，该段热储储厚比为37.5%。根据区域地质资料可知，区内热储层平均厚度约为600 m，综合推断储集层厚度约为225 m。

（3）热储、恒温带温度和深度。采用区内地热钻孔测温数据，热储顶板埋深1 031 m，温度为34.4 ℃，利用地温梯度（3.02 ℃/（100 m））计算出热储中部温度为43.46 ℃。恒温带深度为40 m，温度为14 ℃。

（4）岩石、热水密度和比热。依据《地热地质勘查规范》（GB/T 11615—2010）附录表提供的经验参数及内插法得到雾迷山组白云岩密度为2 700 kg/m3，比热为920 J/（kg·℃）；地热水密度为1 000 kg/m3，比热为4 180 J/（kg·℃）［6］。

（5）热水、岩石压缩系数及热储有效孔隙度。依据热水和岩石压缩系数采用经验值，分别为4.85×10-4MPa-1、0.106×10-4MPa-1；有效孔隙率采用邻区麦子疃地热田热储实测平均值3.3%。

（6）热储回收率。回收率根据工作区的实际情况，参考《地热资源评价方法及估算规程》（DZ/T 0331—2020）关于回收率的有关规定确定，岩溶型层状热储可采系数定为5%（100 a）。

3.4 地热资源量评价

（1）采用热储法评价区内地热资源总量。热储中的地热资源量主要由两部分组成，一部分为岩石储存的热量，另一部分为热储中热水中储存的热量。由式（1），可计算得热储中储存的热量。

式中，Q为热储中储存的热量，J；Qr为岩石中储存的热量，J；Qw为水中储存的热量，J；A为计算区面积，m2；d为热储厚度，m；ρr为热储岩石密度，kg/m³；cr为热储岩石比热，J/kg·℃；φ为热储岩石的空隙度，无量纲；tr为热储温度，℃；t0为当地年平均气温，℃；ρw为地热水密度，kg/m³；cw为水的比热，J/（kg·℃）。

（2）区内可利用的地热资源量。由式（2）可计算得地热资源可开采量。

式中，Qwh为地热资源可开采量，J；Re为回收率，%；Q为热储中储存的热量，J。

将选择的计算参数值代入式（1）和式（2）计算可知，研究区内蓟县系雾迷山组热储地热资源量为8.422×1017J，折合标准煤2.874×107t。100 a 内，可开采地热资源量为4.211×1016J，折合标准煤1.437×107t。

3.5 地热水资源量评价

区内地热水存储量包括热储空隙中的热水量和水位降低到目前取水能力极限深度时热储所释放的水量两部分。由式（3）可得热储中储存的水量。

式中，QL为热储中储存的水量，m³；Q1为截止到计算时刻，热储孔隙中热水的静储量，m³；Q2为水位降低到目前取水能力极限深度时热储所释放的水量，m³；S为热储弹性释水系数；h为热储的厚度，m；H为计算起始点以上高度，m；Cr为热储岩石的压缩系数，Pa-1。

计算可知，研究区内蓟县系雾迷山组热储中储水量为374.300×106m³，100 a 内地热水可开采量为281.716×106m3。研究区地热田产能为13.375 MW，属于中型低温热田。

4 地热水开发利用方向研究

根据河北省煤田地质局第四地质队编制的《河北省蔚县盆地地热资源赋存规律和成因模式研究报告》，按《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）、《食品国家安全标准饮用天然矿泉水》（GB 8537—2018）、《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615—2010）、《农田灌溉水质标准》（GB 5084—92）、《渔业水质标准》（GB 11607—89）对区内地下热水进行生活饮用水质量、矿泉水质量、理疗热矿水水质标准等进行评价。评价方法采用对比法，即用某项评价项目的实测值与水质标准（限值）进行对比，评价其是否符合标准。

评价结果显示，区内地热水浑浊度、铁含量超标，不能作为生活饮用水；水温为38 ℃，大于35 ℃，不能作为农田灌溉水使用；地热水中氯化物含量大于1 mg/L（超标），不能作为渔业用水使用；偏硅酸含量大于25 mg/L，且温度大于34 ℃，属于具有医疗价值的理疗热矿泉水，也可作为供暖用水；地热水中各项指标符合矿泉水质量标准，可作为天然矿泉水使用。

所以，区内地热水不能作为生活饮用水、农田灌溉水和渔业用水，适宜作为理疗用水、供暖和天然矿泉水使用。