永城市寒武奥陶系地热资源赋存特征

李华坤

（河南省第四地质矿产调查院有限公司，郑州 450000）

永城市是河南省辖县级市，由商丘市代管。永城市位于河南省东部，地处河南省与安徽省交界处，拥有丰富的地热资源[1-2]，尤其是寒武奥陶系地层。陇海、京沪、京九、徐阜四大铁路干线在永城市四周环绕，连霍高速、永登高速东西贯穿全境，济祁高速自北向南与连霍高速、永登高速成工字形相交，交通发达。永城市属于黄淮冲积平原区，十八里镇至芒山镇一带属黄河冲积平原地貌单元，南部龙岗镇和马桥镇属淮河冲积平原地貌单元。地势开阔，西高东低，平均海拔为31.9 m。地热资源是一种可再生能源，是未来能源供应的重要组成部分。浅层地热能可经热泵系统采集提取后用于建筑供热（冷）。随着永城市城镇化建设的推进，居民供暖需求日益增加。利用浅层地热能，不仅能降低供暖能耗，也减少传统供热带来的燃煤污染[3-6]。因此，有必要结合区域地质背景，分析地热地质特征，计算地热资源储量，从而明确寒武奥陶系地热资源赋存特征，推进地热资源可持续开发利用。

1 区域地质背景

1.1 地层

地层分区属华北地层区鲁西分区徐州小区，其地层展布特征整体上与永城背斜基本一致，两翼有一定的变化。研究区地层自下而上依次为震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新近系和第四系。震旦系钻孔揭露厚度为83.51 m，为肉红色花岗岩夹石英砂岩及片岩和深灰色变质砂泥岩。寒武系为主要的热储层段，地层沉积齐全。它仅在芒山镇及柏山有出露，隐伏分布于背斜两侧，地层厚度为730～1 101 m。下统厚度为251～290 m，以灰岩和灰质白云岩为主。中统厚度为322～488 m，上部灰色白云岩为热水赋存段，厚度为178～221 m；中下部为浅灰色白云质灰岩、生物碎屑灰岩等。上统厚度为157～323 m，为中厚层状灰岩及白云岩。奥陶系仅分布有下统和中统，厚度为325～602 m。下统为白云质灰岩及灰岩夹泥岩。中统为白云岩夹泥质灰岩。石炭系仅分布有石炭系上统，缺失下统。厚度为6～30 m，岩性为铝土质泥岩及黑色泥岩夹铁铝层。二叠系总厚度介于573.24～1 423.71 m，永城背斜两侧广泛分布，面积约为1 500 km2。下统含一煤组和二煤组，中统含三煤组、四煤组、五煤组和六煤组，上统含七煤组和八煤组。新近系厚度为233～287 m，岩性为砂层、杂色黏土、亚黏土、次生碳酸盐岩等，底部呈半固结状。第四系厚度为17.0～460.3 m，背斜轴部薄，两翼厚度大。岩性为杂色黏土、粉细砂，含钙质结核。

1.2 构造

永城市地处中朝准地台鲁西台隆西缘次级构造单元永城断陷褶皱带上，八里庄断层（焦作-商丘深大断裂的东延部分）将区域划分为南北两个构造单元。北部为轴向北西西的芒山背斜，南翼被八里庄断层切割，北翼完整。八里庄断层以南为轴向近南北的永城隐伏复式背斜，两翼延展较远，且发育北北东向紧闭的小型背斜和宽缓向斜，伴随发育北东东向高角度正断层和北西向正断层。深大断裂为控热构造，次级断层为导热构造。研究区内落差大于500 m 的有11 条，小于500 m 的有19 条，较小断层也比较发育。永城背斜轴部外多是煤系地层，区内岩浆岩比较发育，以花岗岩、辉（长）岩及闪长（玢）岩为主。奥陶系及煤系地层侵入的为辉长岩及闪长岩类。岩浆岩多呈岩脉、岩席状产出。

1.3 热储类型

根据成因类型、热储模式、储层时代、分布及储水介质特征，研究区内热储类型主要为新近系孔隙裂隙热储与寒武奥陶系灰岩岩溶裂隙热储。一是新近系孔隙裂隙热储。该热储层分布于整个研究区，东薄西厚，热储岩性为粉细中粒砂岩和含砾砂岩，砂岩孔隙度为25.5%～40.5%。二是寒武奥陶系灰岩岩溶裂隙热储。热储层岩性主要为奥陶系灰岩和寒武系白云质灰岩、白云岩，顶板埋深为100～1 960 m，参考永城市地热资源调查资料，水化学类型为SO4-Ca·Na型和SO4·HCO3-Na·Ca 型。

2 地热地质特征

研究区热储层岩溶和裂隙发育具有水平分带性，其在灰岩面以下广泛发育，溶洞直径一般为1 m 左右，最大为4 m，蜂窝状溶洞十分发育。热储层灰岩质纯且致密、性脆，多组交错裂隙发育，脉宽不等，并充填方解石脉。永城市区内地热流体在背斜轴部埋深较小，两翼埋藏渐深，储水层具承压性，与上覆松散孔隙含水层无水力联系。水位受动态开采影响而变化，呈下降趋势，每年下降1.7 m 左右。

2.1 地热流体化学特征

根据钻孔化验成果，按舒卡列夫分类法进行分类。地热流体的水化学类型为SO4-Ca·Na 型，总硬度为1 171.0～1 671.5 mg/L，pH 为7.3～8.1，溶解总固体浓度为2 798.79～3 465.80 mg/L，偏硅酸浓度为20.8～23.4 mg/L。它属弱碱性特硬水。如表1所示，深度690～860 m 的含水层和900 m 以深的含水层水化学类型基本一致，水化学成分变化较小，这说明含水层在垂直方向上有水力联系。对比钻孔与上覆松散层含水层的水质特征，钻孔溶解总固体、K+、Na+、Cl-、SO42-等的浓度呈现增大的趋势，而HCO3-浓度则呈现减小趋势，除NO3-与HCO3-较低外，其余离子含量均较高。

表1 钻孔地热水分析成果

氘（D）是氢元素的稳定同位素，18O 是氧元素的稳定同位素。地热流体中，D 含量不随时间变化而出现衰变，也不会蒸发分馏，即不受地层影响；18O 含量受补给源元素、气候、水渗流等因素影响而发生变化。由于相态转变、与地层中的元素发生交换作用，同位素会在水蒸发时富集，凝结时贫化。

2.2 热储特征

地热资源的成因模式有传导型和对流型两种。永城市寒武奥陶系赋存大量地热资源，受埋藏深度的影响，深部热源向上传导而影响热储层，地热资源的成因模式是传导型。永城市寒武奥陶系热储层为溶蚀裂隙热储，其成因模式为传导型。热储层为灰岩、白云质灰岩和白云岩等，裂隙和溶洞发育，充填方解石脉及晶体。寒武奥陶系埋深在665～1 198 m，热储层厚度为350 m 左右。地热井监测数据显示，热水水温为31.6 ℃左右，单位涌水量最大为342 m3/（d·m），渗透系数为0.35 m/d 左右，水化学类型以SO4-Ca·Na 型为主。研究区恒温带深度约为23 m，温度为16.5 ℃。恒温带以下，平均地温梯度为1.42 ℃/100 m。

3 地热资源储量计算

本次评价以地热流体积存量为基础，计算可采量，而不考虑地热流体资源动态补给量。地热流体开采年限以100年计算。仅对永城市背斜轴部121 km2的面积进行评价，背斜两翼暂不考虑。根据地质构造、热储结构及热储埋藏分布特征，将热储层分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区。Ⅰ区面积为40.74 km2，占比为33.70%；Ⅱ区面积为48.33 km2，占比为39.98%；Ⅲ区面积为31.82 km2，占比为26.32%。

3.1 主要计算参数

一是地热井参数。地热井深度为1 280.96 m，取水段埋深为665.45～1 197.45 m，利用厚度为350 m，其为承压完整井，静水位为62.44 m。二是水文地质基本参数。通过抽水试验和回灌试验，采用裘布依公式和吉哈尔经验公式获取渗透系数，其渗透系数为0.24 m/d。开展承压完整井非稳定流抽水试验，根据降深及时间数据，绘制关系曲线，利用雅柯布近似公式求取弹性释水系数，钻孔弹性释水系数为4.359×10-3。热参数主要有热储几何参数、热储物理性质参数、热储渗透性和贮存能力参数等，热参数值如表2所示。

表2 热储法计算参数

3.2 计算结果

选用热储法计算地热储量，热储层储存的热量为4 124 亿GJ，热储层储存的水量为49 050 亿m3，水储存热量为4 106 亿GJ，岩石储存热量为17.27 亿GJ。地热资源储量如表3所示。采用最大允许降深法计算（允许降深100 m），地热流体可开采量为51.8 万m3/a，可采量产能为1 271.85 kW，可利用热能为6.68×107MJ，折合标准煤2 279.52 t/a。

表3 地热资源储量计算结果

4 结论

根据钻孔水质检测结果，热水中氟离子含量（3.2 mg/L）达到命名矿泉水的标准，它具有一定医疗价值，可作为理疗热矿水。尽管锂、锶、锌、溶解性总固体含量达到饮用天然矿泉水标准，但浊度不符合感官要求，氟化物含量超过相关标准，因此不能作为饮用天然矿泉水，经处理后可作为灌溉用水及渔业用水。本研究仅选择永城市背斜轴部寒武奥陶系地层开展地热资源评价，初步了解寒武奥陶系热储层埋深、厚度、岩性和赋水条件。经确定，热储区为层状与带状混合热储，水化学类型为SO4-Ca·Na 型，属特硬的弱碱性水，可作为理疗热矿水、农业灌溉用水和渔业用水等。未来，应加快开展地热资源勘查，尽早全面评价区域地热地质特征，为开发利用提供决策依据。