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.pdf

*河北省“三三三人才工程”资助项目（编号：A202001054）。周建飞（1989），男，工程师，075100 河北省张家口市。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*周建飞1，2（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）摘要卜南堡地热田内地热资源丰富，但区内缺少对地热资源量的科学性评价，导致区内地热资源开发利用程度较低。通过分析区内地热地质条件，初步圈定了资源量范围，并利用热储法对雾迷山组热储层的地热资源量、可开采量进行了计算。卜南堡地热田地热资源量为8.4221017J，折合标准煤2.874107t，地热水储存量为374.300106m；100 a内可开采地热资源量为4.2111016J，折合标准煤1.437106t，地热水可开采量为281.716106m3，属于中型低温热田。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。关键词热储法卜南堡热田地热资源量地热水储存量DOI：10.3969/j.issn.1674-6082.2023.10.012Study on Evaluation and Utilization Direction of Geothermal Resources in Bunanpu GeothermalField Based on thermal Storage MethodZHOU Jianfei1，2（1.The Fourth Geological Team，Hebei Provincial Bureau of Coal Geology;2.Hebei Mine Ecological Restoration and Comprehensive Utilization Research Center）AbstractThe geothermal resources in the Bunanpu geothermal field are abundant，but there is alack of scientific evaluation of the amount of geothermal resources in the area，resulting in a low degree ofdevelopment and utilization of geothermal resources in the area.By analyzing the geothermal geological conditions in the area，the range of resources is preliminarily delineated，and the geothermal resources and exploitable amount of the thermal reservoir of Wumishan Formation are calculated by using the thermal storagemethod.The geothermal resources in the Nanpu geothermal field are 8.4221017J，equivalent to 2.874107tof standard coal，and the geothermal water storage is 374.300106m3.The recoverable geothermal resourceswithin 100 years are 4.2111016J，equivalent to 1.437106t of standard coal，and the recoverable geothermal water is 281.716106m3，which belongs to the medium-sized low-temperature geothermal field.Thegeothermal water in the area cannot be used as drinking water，farmland irrigation water and fishery water.Itis suitable for use as physiotherapy water，heating and natural mineral water.Keywordsthermal storage method，bunanbu geothermal field，geothermal resources，storage capacity of geothermal resources现代矿业MODERN MINING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总第 654 期2023 年 10 月第 10 期Serial No.654October.202352现代矿业2023 年 10 月第 10 期总第 654 期的评价；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（2）燕山台褶带（32）冀西陷褶断束（32）蔚县复向斜（72）蔚县开阔向斜（132）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500700 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 430m；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15 km，垂直断距30100 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200400 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1.133.02/（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53周建飞：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 年 10 月第 10 期均匀分布，岩性主要为角砾状白云岩、隐晶质白云岩等，厚度500700 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34.4052.69，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/T116152010），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/T116152010）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50km2。（2）热储厚度。研究区内钻孔揭露热储厚度136m，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54现代矿业2023 年 10 月第 10 期总第 654 期查规范（GB/T 116152010）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 4.8510-4MPa-1、0.10610-4MPa-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/T03312020）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。Q=Qr+Qw=Adrcr（1-）（tr-t0）+QLwCw（tr-t0），（1）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；r为热储岩石密度，kg/m；cr为热储岩石比热，J/kg；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，；w为地热水密度，kg/m；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。Qwh=ReQ，（2）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8.4221017J，折合标准煤2.874107t。100 a内，可开采地热资源量为4.2111016J，折合标准煤1.437107t。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。QL=Q1+Q2=Ad+ASH=Ad+Aw（Cw+（1-）Cr）/hH，（3）式中，QL为热储中储存的水量，m；Q1为截止到计算时刻，热储孔隙中热水的静储量，m；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，m；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374.300106m，100 a内地热水可开采量为281.716106m3。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 57492006）、食品国家安全标准饮用天然矿泉水（GB 85372018）、地热资源地质勘查规范（GB/T 116152010）、农田灌溉水质标准（GB 508492）、渔业水质标准（GB 1160789）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。5结语（1）卜南堡地热田为中型水热型低温热田，属于传导型地热系统，雾迷山组热储均匀分布于区内。通过本次对区内地热资源量的评价可知，区内地热资源量十分丰富，地热水水质较好，水温较高。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。（2）地热资源量为 8.4221017J，折合标准煤2.874107t，热储中储水量为374.300106m；可开采地热资源量为 4.2111016J，折合标准煤 1.437107t，地热水可开采量为281.716106m3。参考文献1王贵玲，张发旺，刘志明.国内外地热能开发利用现状及前景分析 J.地球学报，2002，21（2）:134-135.2郑敏.全球地热资源分布于开发利用 J.国土资源，2007（2）:56-57.3朱喜，张庆莲，刘彦广.基于热储法的鲁西平原地热资源评价J.地质科技情报，2016，35（4）:172-177.（下转第60页）55孔点共3孔揭露溶洞，见溶率9.6%，属全无充填型溶洞，由于场地地下水存在上下季节性波动，导致局部地段存在软土、浅层溶洞现象，属于岩溶稍发育地域。场地内钻孔揭露的溶洞发育情况见表1，岩溶的发育易导致库区渗漏的发生。5结论（1）棉絮铺尾矿库位于溶蚀洼地内，其地形以岩溶侵蚀和构造剥蚀地貌为主，地形条件复杂，但基本稳定；场地构造地质条件复杂，断裂发育，新构造运动间歇抬升，部分早期断裂复活，沿断裂带地震活动频繁，温泉众多，区域稳定性较差。（2）库区场地松散含水尾矿层空间分布不稳定，地下水补径排条件及动力特征复杂，尾矿库堆填区位于侵渗基准面以下，环境水文地质条件复杂。此外，库区地层多为中等强透水地层，且地表存在渗漏点，应特别注意库区防渗处理。（3）库区地层中强、中风化白云质灰岩强度相对较高，压缩性较低，但其溶沟、溶槽，风化溶蚀裂隙发育，属强透水地层，应根据上覆土层厚度及透水性采取注浆或高压喷浆等综合防治水措施，以防止尾矿废水下渗排出库外，造成环境污染。（4）库区岩溶现象复杂，尾矿坝库位于岩溶发育区，场地及周边岩溶及地下暗河发育，主要表现为渗漏水、地面塌陷，但岩溶的发展是一个缓慢的地质历史过程，通过有效的工程治理，可以促使其稳定。参考文献1魏冠军，党亚民，章传银，等.GIS的信息量法在澜沧老厂成矿规律中的应用 J.测绘科学，2010，35（6）:217-218.2王瑞雪，史茂，高建国，等.高分辨率遥感影像在云南澜沧老厂矿床地质研究中的应用 J.国土资源遥感，2009（3）:65-69.3蒋绍平，李峰，肖静珊，等.云南澜沧老厂矿区资源可持续开发利用对策 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