福建三明大田下汤泉地热资源开采量与评价_陈飞.pdf

福 建 地 质 Geology Fujian 56第 42 卷福建三明大田下汤泉地热资源开采量与评价 陈飞（福建省闽西地质大队，三明，365000)摘 要 为合理规划、开发利用三明大田地热资源，通过 11 万地热专项调查、测温、地球化学调查、水样化验分析、物探、钻探、抽水试验，以及水位、水温长期观测等工作手段，圈定了下汤泉地热异常区的范围、热储规模、热储温度，阐述了地热水的补、径、排条件及储存状态，初步查明了该区地下热水资源分布状况，水文地质条件、地热地质条件及开发利用现状，预测了地热异常区的地热资源量、允许开采量。关键词 地热资源 地热异常区 地热流体 热储模式 三明大田中图分类号：P314 文献标识码：A 文章编号：1001-3970(2023)01-0056-06 Calculation and Evaluation of Xiatangquan Geothermal Resourcesin Datian County,Sanming City，Fujian ProvinceChen Fei(Minxi Geological Brigade of Fujian Province，Sanming，365000)AbstractAbstract In order to reasonably plan,develop and utilize geothermal resources,the scope,scale and temperature of Xiatangquan geothermal anomaly area are delineated by means of 1 10000 geothermal geological mapping,temperature measurement,simple geochemical investigation,water sample analysis,geophysical exploration,drilling,pumping test and long-term observation of water level and temperature,and the conditions and occurrence of geothermal water supply,runoff and discharge are described.The distribution of geothermal water resources in the area is found out,the hydrogeological conditions,geothermal geological conditions and current development and utilization situation predict the geothermal resources and allowable exploitation in the geothermal anomaly area.KeywordsKeywords geothermal resources,geothermal anomalous area,geothermal fluid,reservoir modeling,Datian county of Sanming city收稿日期：2022-12-21 资助项目：原福建省国土资源厅“福建省地下热水资源调查评价”。作者简介：陈飞（1984-）,男，工程师,从事水文地质与工程地质工作。福 建 地 质 Geology Fujian 56 第 1 期陈飞：福建三明大田下汤泉地热资源开采量与评价 57 第 1 期地热资源是一种不可多得的天然资源，它属于清洁的可再生能源，利用它供暖，不仅没有污染，还不受天气、季节的影响而连续使用1，利用地热资源建造温室，可以种植名优花卉、特种蔬菜、发展高产鱼类养殖产业、发展旅游农业等2，通过开发应用地热资源，能够实现能源结构的优化调整，降低对石油等不可再生能源的依赖，实现节能降耗的目的3。与发达国家相比，我国地热资源勘查评估水平相对较低，发展速度缓慢4。三明大田石牌下汤泉地热田为天然出露温泉群，温泉水主要为居民洗浴、洗衣等日常生活用水，已施工的 3 口热水井井口封闭，未开发利用，地热现状开发利用属粗放型，造成了一定的地热资源浪费。为充分发挥地热资源效益，科学、合理开采宝贵的地热资源，根据地热资源地质勘查规范5，采用热储法对下汤泉地热资源量进行了预测和评价，达到了预可行性勘查阶段，为初步查明控制的地热资源量，下汤泉地热资源试采及进一步勘查与开发远景规划的制定提供了依据。1 研究区概况1.1 地理位置和气候条件下汤泉地热异常区位于大田城关南部，东往德化，西至永安、三明，东南通闽南“金三角”，地理位置优越，交通便利。下汤泉地热区属中亚热带海洋性季风气候区。温暖湿润，雨量充沛，年平均降雨量为 1 800 mm，年平均无霜期 287 d，年平均降雨日数 172 d，雨期多集中在 5 6 月份,年平均气温为 18.9。1.2 地形（地貌）及地质构造特征区内为低山丘陵地貌，地势西南高东北低，最高点位于西面，标高为 767.2 m，最低点为武陵溪与屏山溪交汇处下游，标高约为 375 m。区内沟谷发育，切割深度为 100 200 m，沟谷断面呈“V”型，局部呈“U”型，地形坡度为 20 50。测区微地貌为山间河谷盆地，河谷为武陵溪中游段，近南北向展布，地表水由南向北径流。该河谷宽为 5 8 m，纵向坡度为 5 10；河谷西侧缓坡地宽为 15 40 m，为田地，接着往西为山坡地，坡度为 25 35；河谷东侧缓坡地宽为50 100 m，为田地和居民区，再往东为山坡地，图 1 下汤泉地热异常区地质略图1第四系冲洪积层；2三叠系溪口组；3温泉群；4抽水试验孔；5观测孔；6已有地热井；7产状；8地质界线；9断层Fig.1 Geological sketch of the Xiatangquan geothermal anomaly area坡度为 25 30。测区出露地层较简单，为三叠系溪口组钙质粉砂岩，河谷和山脚平缓地带为第四系冲洪积层覆盖。地表未见较大的断裂破碎带出露。从已施工的热水井及温泉分布、地形（地貌）特征、地质测绘情况及物探成果资料等综合分析，测区内存在近南北向断层 F1，北西向断层 F2、F3，其中 F1为控热断层，测区大致沿河谷南北向展布，F2、F3为导水断层，分别与 F1交会于温泉群 S02 和 S01 附近（图1）。1.3 地热地质条件1.3.1 地热流体特征根据天然出露温泉（群）温度和各地热孔水温，按照流量加权平均计算下汤泉地热流体温度为62.5。通过对 GK12 孔口水温、水位长期观测成果，区内地热水水位随季节变化略有波动，最大变幅为1.21 m，枯水期埋藏较深，丰水期埋藏较浅；孔口水温受季节气候变化影响小，水温变化曲线较平直，最大变幅约 1.5（图 2）。1.3.2 地温梯度与热储特征选用施工时 SK14 和 GK12 孔内系统测温资料分 福 建 地 质 Geology Fujian 58第 42 卷析该区地温梯度特征，经计算，下汤泉综合地温梯度为 11 /100 m。地温梯度的计算深度从恒温带至测温深度，恒温带地温场特征参数参照三明地区恒温带长期观察资料成果，深度约为 20 m，平均温度约为 20.5。测区地热主要为带状热储（-2 型），储存于构造破碎带中，局部第四系卵砾石层也有储存，为层状和带状复合型热储（-3 型）。带状热储大致沿控热构造 F1延伸，其宽度主要为构造破碎带及其影响范围区，走向近南北向，倾向西，倾角约 80。热传导以对流传热为主，在地下水循环过程中，盖层中入渗补给的冷水遇到由深部热源产生的热能或热流体被加热形成热水，沿构造 F1运移、上升储存于构造破碎带及裂隙密集带中（图3）。1.3.3 地下热水补径排条件大气降水是地下热水的主要补给来源，补给区范围为河流汇水范围，地下热水总体上由南向北径流，大气降水自山区渗入地下，一部分经短暂径流，于山麓坡脚或沟谷地带溢出成泉补给地表水，一部分沿导水断裂带渗入补给、径流，运移至与控热断裂交汇处时接受深部热源加温，形成热水后沿断裂破碎带上升，在地表构造交汇地带以上升泉形式出露，形成温泉（群）。1.3.4 水化学特征下汤泉地热田的水化学类型为 HCO3-Na 型，pH 值为 7.21 7.92，矿化度为427 555 mg/L；总 硬 度 为 44.37 89.42 mg/L；氟离子浓度为6.66 10.75 mg/L；SiO2浓度为 73.08 97 mg/L。参照地热资源地质勘查规范5中的理疗热矿泉水水质标准，区内地下热水中氟、偏硅酸达到了理疗用热矿水的命名标准，可命名为“硅水、氟水”，作为理疗热矿水使用。2 地热资源计算参数热水计算内容包括热储资源与热水资源量，热储资源计算其热流量（热补给量）、热储存量、热可采量，评价其补给量、储存量、可采量。根图 2 下汤泉地热异常区 GK12 长期观测曲线 福建省闽西地质大队，三明地区地热资源调查与评价报告，2016。图 3 下汤泉地热异常区热储模式示意图1残坡积土层；2冲洪积土层；3钙质粉砂岩；4抽水孔及编号；5温泉点及编号；6观测孔及编号Fig.2 Long-term observation curve of GK12 in the Xiatangquan geothermal anomaly areaFig.3 Schematic diagram of heat storage model in the Xiatangquan geothermal anomaly area陈飞：福建三明大田下汤泉地热资源开采量与评价 59 第 1 期据单孔抽水试验结果推测允许开采量，预测地热区区域降深扩展情况，以此来推测控制开采量。地下热水资源评价精度、可靠性主要取决于水文地质参数的精度及代表性。地热区的地热资源量的计算参数主要根据野外调绘、测温、钻探及抽水试验资料来确定。计算参数主要为热储水文地质参数、热储几何参数、热储物理性质参数、热流体性质参数。2.1 水文地质参数利用抽水试验取得水文地质参数。对产能试验孔 SK14 进行了 3 降深抽水试验，以 GK12 为观测孔，试验孔抽水前进行了长时间洗孔，含水层已基本疏通。参数获取以最大降深试验数据计算，最大降深为 12.5 m，抽水延续时间为 76 h，抽水流量为 765.7 m3/d，单位涌水量为 61.26 m3/dm。抽水孔及观测孔均为承压完整井，根据稳定流裘布依公式进行计算6。观测孔的涌水量公式：（1）（2）式中：K为渗透系数(m/d)；Q为涌水量(765.7 m3/d)；Sw为抽水孔降深(以最大降深计，为12.5 m)；S1为观测孔降深(以最大降深计，为 1.88 m)；R为影响半径(m)；rw为抽水孔孔径(m)；r1为观测孔至抽水孔的距离（35.78 m）；M为含水层厚度（m）。计算得含水层渗透系数为 0.99 m/d，影响半径为 124 m。2.2 热储几何参数此次调查实测地热异常区面积系根据野外调绘、浅层测温、地球化学调查、物探、钻探资料确定，同时根据地形（地貌）、断层特征及已实测异常区域，结合地热梯度，推测出 100 m 深度（常可开采深度区）地热异常区面积，沟谷面按断层走向取轴综合分析确定热储构造（裂隙）带地热异常区面积，实测及推测值（表 1）。2.3 热储物理性质参数根据地热流体化学指标，采用无蒸汽损失的SiO2温标计算法确定热储温度为 129.66，该地热田热储层岩石为钙质粉砂岩，参照地热资源地质勘查规范表中的砂岩指标，算出钙质粉砂岩的密度为 2 600 kg/m3，比热为 878 J/（kg），导热率为 2.596 W/（m）。2.4 热流体性质参数按各钻孔及温泉点流量加权平均确定热流体温度，下汤泉温泉地热流体温度为 62.5，根据地热资源地质勘查规范表进行计算，地热田热水密度为 982 kg/m3，热焓为 262 kJ/kg，水的比热值为 4 180 J/（kg）。3 地热资源储量计算3.1 热储面积的确定从现有地表调查确定地热异常区实测面积占沟谷面积比例较小，仅 14.57%，推测 100 m 深度地热异常区面积占沟谷面积比例为 39.33%，相对较合理，故该地热异常区面积采用推测值，即下汤泉地热异常区面积为 136 993 m2。3.2 热储埋深的确定采用管状数学模型计算其地下热水循环推测深度H，计算公式如下：（3）式中：T1为 SiO2化学温标计算出热储温度（129.66）；T2为当地多年平均气温（18.9）；M为地热梯度（11 /100 m）经计算得出，地下热水循环深度推测深度为表 1 热储构造（裂隙）带面积Table 1 Area of the heat reservoir structure(fracture)zone热储构造（裂隙）带名称实测值推测值沟谷盆地面域实测值占沟谷面域比例推测值占沟谷面域比例面积（m2）对应深度（m）面积（m2）对应深度（m）（m2）（%）（%）下汤泉50 73820136 993100348 34014.5739.33K=0.366QM(sw-s1)lg(r1rw)R=10s K H=(T1-T2)M 福 建 地 质 Geology Fujian 60第 42 卷1 007 m，热储埋深 1 000 m 估算热储资源量。3.3 热储资源计算3.3.1 理论推断法计算地热资源量根据此次调查收集的泉、井自流量和抽水试验，下汤泉地热异常区控制的可开采量为 982 m3/d；推断的地热流体可开采量为 1 168 m3/d（根据抽水试验线性估算开采深度 50 m 时可增开采量）。综合分析，地热异常区允许开采热水量为 2 150 m3/d（24.88 L/s），从而推断热储存量（按 100 a 保证开采年限），计算公式如下：（4）（5）（6）式中：Wt为热功率（kW）；Q为允许开采热水量（L/s）；t为热水水温（按流量加权平均温度计，为62.5）；t0为当地多年平均气温（18.9）；Wt为开采一年可利用的热能（MJ）；D为全年开采日数（按 24 h 换算的总日数，为 200 d）；K为热效比（按燃煤锅炉的热效率 0.6 计算）；Q热储为存储热量(MJ)。经计算，下汤泉地热异常区热储存量为 1.311013 kJ。3.3.2 采用热储法计算地热资源量其计算公式如下：（7）式中：Q热储为存储热量(J)；A为热储面积(m2)；d为热储计算厚度(取地下热水循环深度1 000 m)；tr为热储温度()；t0为基准温度()；为热储岩石的空隙度(取 =0.005)；、为分别为岩石的密度(kg/m3)和比热(J/kg)；w、w为分别为水的密度(kg/m3)和比热(J/kg)；V=Ad；V为热储体积（m3）。异常区以带状热储为主，随着深度增大，热储面积也增大，扩散模式大致呈梯形扩散，按扩散角进行扩散，热储体积按梯形锥体体积计算（图 4）。梯形椎体体积：（8）（9）式中：R1为梯形锥体顶面半径（m）；R2为梯形锥体底面半径（m）；d为梯形锥的高（m）；为扩散角（）。经计算可得，下汤泉地热异常区的总热储量为3.741014 kJ。4 地热流体可开采量计算与评价根据此次调查及收集的泉、井自流量和抽水试验确定，下汤泉地热异常区控制的可开采量为982 m3/d；推断的地热流体可开采量为 1 168 m3/d（根据抽水试验线性估算开采深度 50 m 时可增开采量）。综合分析，允许开采热水量为 2 150 m3/d。根据允许开采热水量，采用热储法计算允许可采热量，地热田热能为 4.542 MW，小于 10 MW,为小型规模地热田，开采一年可替代标准煤为4.464103 t。下汤泉地热田可用于供暖、生活热水、温泉洗浴、理疗、农业温室等，参考各用途耗水（热）量标准，该地热田可供暖 90 850 m2、供52 317 人生活热水、温泉洗浴 5 375 人次/d、理疗床位 7 848 个、农业温室 56 781 m2。5 结论（1）通过对研究区地热异常区开展多样地热地质调查工作并取水样化验分析、抽水试验，以及水位、水温长期观测等，查明了该区地热地质条件、地热资源量、允许开采量及开发利用现状等。（2）下汤泉地热类型为低温热水地热田，以-2图 4 地热资源热储梯形扩散模型Fig.4 Trapezoidal diffusion model of the geothermal resource heat storage扩散角()；d热储计算厚度（m）；F断层；R1某深度处地热异常区面积等效圆半径（m）；R2计算深度处地热异常区面积等效圆半径（m）Wt=4.1868Q(t-t 0)Wt=86.4DW t/K Q热储=(Wt)100 Q热储=Ad cCc(1-)+wCw(tr-t0)V=1/3R22(d+R1tg)-R13tg R2=R1+d/tg 陈飞：福建三明大田下汤泉地热资源开采量与评价 61 第 1 期型为主，局部为-3 型。地热流体温度为 62.5，开发利用程度低，造成了地热资源浪费。（3）实测的下汤泉热储构造（裂隙）带地热异常区面积为 50 738 m2，推测的地热异常区面积为136 993 m2；热储温度为 129.66。可开采量预测为 2 150 m3/d，允许开采热能为 4 542 kW，属于小型地热田。热储厚度 1 000 m，地热异常区热储量为 3.741014 kJ。下汤泉地热田是原福建省国土资源厅专项资金项目“福建省地下热水资源调查评价”闽西南地热资源调查与评价项目重点评价区之一，本文在写作过程中得到项目负责人陈绍桔高级工程师的悉心指导，在此深表感谢。参 考 文 献1 廖忠礼,张予杰,陈文彬,等.地热资源的特点与可持续开发 利用.中国矿业,2006，15(10).2 刘蔚.温泉资源的综合开发利用以“厦门市温泉资源开发利 用项目策划”为例.厦门科技,2007(01).3 闻鑫.地热资源开发应用现状及趋势探讨.化工管理,2018（25）.4 李同彪.地热资源评估方法综述.能源与环境,2015(05).5 GB/T 116152010 地热资源地质勘查规范.6 NB/T 35102017 水电工程钻孔抽水试验规程.福建地质改版说明尊敬的作者、读者和专家：为更好地服务广大读者和作者，进一步提高办刊质量，本刊于 2023 年第 1 期开始全面改版。我们对期刊的封面、版式、插图色彩及书芯用纸等进行了全新的调整，力争呈现出期刊的新面貌。衷心感谢大家对福建地质的关注，希望大家支持福建地质的进一步发展！地址：福建省福州市塔头路 2 号 邮编：350011 电话：[phone] E-mail： 网址：http:/ 福建地质编辑部