北京小湯山地熱田地熱資源量及地熱水儲存量計算與評價

何鐵柱

（北京市地質工程勘察院，北京 100037）

0 引言

北京市是世界上幾個為數不多的擁有地熱資源的首都之一。在北京地熱田中，尤以小湯山地熱田開發歷史最悠久，其研究程度也較高（圖1）。清朝的《人海記》對小湯山溫泉作了記載，書中曰：“在昌平州東卅里南，山下有湯泉，行宮在山之東，跨泉為浴池”。《日下舊聞考》曰：“湯山泉康熙五年始加疏引，甃池二，并恭建行宮”。小湯山地熱田位于北京平原的東北部，其地熱資源的開發由最初為宮廷洗浴的自流湯泉點，到今日近200km2的地熱田，經歷了一場人類認識自然、利用自然和改造自然的科學過程。

1 熱田開發歷史

最早的記載見于南北朝時魏人酈道元便在《水經注》，元代更把小湯山溫泉稱為“圣湯”，清朝時康熙、乾隆皇帝在小湯山修建了行宮，并御筆題詞“九華兮秀”。慈禧太后浴池遺址至今猶存。1956年，在蘇聯專家的指導下圈定了不足1km2的溫度較高的中心區及6km2的溫度較低的外圍區。1970年，李四光倡導地熱開發，“將地熱把開采熱水與采煤、石油放在同等地位”。1985年《北京市小湯山地熱田地下熱水資源評價勘察報告》，把熱田面積擴大到20km2。1998年《北京市小湯山地熱田地熱資源評價報告》，地熱田面積增至44.14km2。到了2000年以后，由于大量地產資本的注入，小湯山地熱田進入了快速發展期，到2005年，地熱井總數近100眼，年開采量超過350萬m3，圈定的熱田總面積為170.82 km2。時至今日，小湯山地熱資源的開發已經涵蓋醫療、洗浴、養殖、種植等多方面，有力帶動了區域經濟的快速發展。

圖1 北京地區地熱田分布圖

2 地熱地質概況

小湯山熱田西部以北西向的南口—孫河斷裂為界，西北以阿蘇衛—小湯山阻水斷裂為界，東北以黃莊—高麗營斷裂為界，南部區域以埋深小于2000m溫度大于40℃的范圍為界，形成了一個“V”形展布的形狀，熱田總面積約86.5 km2。小湯山地熱田的熱儲蓋層主要由第四系和薊縣系上部地層組成。熱儲層主要由元古界霧迷山組和薊縣系鐵嶺組構成，儲層埋深一般小于500m，在小湯山鎮西北側的大湯山、小湯山有薊縣系地層出露，東南側儲層深度逐漸增加，在大東流地區的湯熱-54井見薊縣系深度為2971m，儲層溫度達到80℃以上。

小湯山地區的地質構造格局表現為一系列平行斷裂為邊界定，相間排列的凹陷及隆起，整體構造展布方向為SW—NE向。這些斷裂與構造走向一致，控制了區域地質特征，在熱田的北部發育的3條SN或近SN向的小斷裂均具有導水導熱性質，構成了重要的地下水通道，也是主要的熱通道（圖2）。

熱田的地溫場以1000m深出的地層等溫線進行說明，共有兩個地溫高值區，西北區最高地溫為55℃，東南區的高溫區則為60℃。西北區55℃以小湯山鎮為中心圈定，面積約為2 km2東南區以湯7、湯11、湯22井的范圍圈定，面積約3 km2。從垂向上來講，小湯山地熱田中心區的地溫增溫率達到了于2.5℃/100m。

多年研究表明，小湯山地熱田補給來源來自北部、西北部山區降水，越往南往東南，熱田地熱水的年齡越大。地熱水的水質類型多為HCO3-Na?Ca型水。

圖2 小湯山地熱田基巖地質構造圖

3 評價方法及參數

熱儲資源量計算是地熱可持續開發利用的基礎。當地熱開采量超過允許開采量,會造成地熱水頭急劇降低、熱儲的生產能力下降等問題。因此,進行可開采地熱資源評價,對于指導區域地熱長期開采是十分重要的。地熱田的評價方法變焦多，通常采用的有熱儲法、開采動態法和比擬法。

本次評價擬采用比較成熟的，被廣泛采用的熱儲法，將熱田劃分為兩個分區，分別為湯-1和湯-2。參數的取值主要有：

（1）熱儲的體積：薊縣系儲層的厚度按2650m計算，奧陶系地層的厚度按750m計算，并按3000m以淺和3000～4000m的深度進行劃分。

（2）熱儲溫度：根據《北京市21世紀初期地熱資源可持續利用規劃》得出的北京地區熱儲層地溫梯度經驗值，薊縣系鐵嶺組為1℃/100m，薊縣系霧迷山組為1.2℃/100m，奧陶系為0.8℃/100m。

（3）孔裂隙率：儲層孔裂隙率可由鉆孔取芯通過實驗室測得，也可利用地熱井成井后獲得的各項參數進行儲層孔裂隙率的計算，計算經驗公式如下：

式中:φ：孔裂隙率，%；B：液體的體積系數；μ：液體的粘度，CP(1CP=1mPa?s)；H：熱儲層的有效厚度，m；R：試驗井的影響半徑，m；R：試驗井的半徑，m；Kc：產量指數

另外需要指出的是，儲層有效厚度H為熱水井的實際出水井段厚度，H值可用綜合測井資料結合鉆井時鉆井液漏失情況及巖屑資料來確定。據統計分析，有效厚度約為揭示儲層厚度的15%。在本次孔裂隙率計算過程中，儲層有效厚度均按揭露儲層厚度的15%確定，小湯山地熱田典型鉆孔的參數統計見表1。

4 資源量計算

資源量可分為基礎資源量和地熱資源量。以下分別進行計算。

表1 小湯山地熱田典型地熱孔參數統計表

4.1 基礎資源量

基礎資源量又稱為資源底數，是指某一深度以淺（本報告按4000m以淺）中能被開發出來的熱量。即儲層內平均溫度與當地年平均涼水溫度（取14℃）之差計算出來的資源量。

資源量常用熱儲法計算，它是依據地熱地質工作中提供的熱儲形狀及體積作基礎進行計算的，因此也稱為體積法。它的計算公式如下：

式中：R：熱量，kcal；V：儲層體積，m3；ρc 、ρw：分別為儲層巖石和水的密度，g/cm3；Cc、Cw：分別為儲層巖石和水的比熱，cal/g?℃；φ：巖石的孔裂隙率，無因次；T：儲層平均溫度℃；T：基準溫度，℃；η：熱量回收率，取15%。地層條件下水的密度ρw取1.00 g/cm3（與溫度有關：15℃時ρw=0.9954 g/cm3；95℃時ρw=0.9647 g/cm3；兩者相差約3%，若取1.00誤差小于4%）。水的比熱取1.00 cal/g?℃，石灰石密度ρw取2.788g/cm3，比熱為0.227 cal/g?℃。

該地熱田基礎資源量計算結果見表2?？偀崃繛?746.03×1012kcal，其中，3000m以淺的熱量為1119.32×1012kcal，3000～4000m深度上為626.71×1012kcal。

表2 小湯山地熱田基礎資源量計算結果表

4.2 地熱資源量

地熱資源量是儲層內巖石和水中蘊藏的全部可利用的熱量，包括地熱流體及其有用部分。依北京市目前的經濟技術條件和相關法規，以地熱流體溫度大于25℃作為地熱資源，開采深度在3000m以淺者為經濟型，3000～4000m為亞經濟型，根據上述公式和參數，地熱資源量計算結果見表3。

4.3 地熱水靜儲量(儲存量)計算

地熱水儲存量是指儲存于熱儲層孔裂隙內的全部熱水體積，也稱為靜儲量，以熱儲體積與平均孔裂隙率的乘積近似計算確定。公式為：

表3 小湯山地熱田地熱資源量計算結果表

式中：Vw：儲存熱水的總體積；Vc：儲層的體積；φ ：儲層的孔裂隙率；計算結果換算成熱量，其轉換公式為：

式中：Qw：地熱水中蘊藏的總熱量，kcal；Vw：地熱水儲存量，m3；wρ ：水的密度，g/cm3；Cw：水的比熱，cal/g?℃；t：地熱水的平均溫度（可用熱儲溫度代替），℃；t0：基準溫度，℃。

計算結果表明，經濟型地熱水儲量為16.97×108m3，亞經濟型儲量為8.46×108m3（表4）。

5 結語

本文將小湯山地熱田分為4個分區，通過對熱田地質、地熱地質條件的綜合分析，對熱田內典型地熱井參數的統計分析，采用熱儲法計算了熱田內的基礎資源量，結果表明，在小湯山熱田170.82 km2面積上，總基礎資源量1746.03×1012kcal，其中，3000m以淺的1119.32×1012kcal，3000～4000m深度626.71×1012kcal。地熱資源計算結果表明，經濟性地熱資源量817.08×1012kcal，亞經濟性地熱資源量472.82×1012kcal。地熱水靜儲總量為25.43×108m3，其中3000m以淺的16.97×108m3，3000～4000m深的地熱水靜儲量為8.46×108m3，折合成標準煤總量為25.47×106t。目前小湯山地熱田已經在10多眼地熱井上開展著回灌，已經發展到生產性回灌的規模，進一步提高了地熱水的利用效率，有效的緩解熱儲壓力的下降。相信小湯山地熱田還會帶來更大的經濟效益。

[1]潘小平,增瑞祥,王治等.北京市小湯山地熱田地熱資源評價報告[R].北京:北京市地質工程勘察院,1998.

[2]鄭克棪,潘小平.北京小湯山地熱田群井地熱回灌[C]//中國地熱勘查開發100例.北京:地質出版社,2005:101～102.

[3]鄭克棪.促進地熱可再生能源的勘查開發[J].水文地質工程地質.2006,33(4):扉頁.

[4]中國標準社,GB11615-89.地熱資源地質勘查規范[S].北京:中國標準出版社,1990.

[5]增瑞祥,王 治,張進平等.北京小湯山地熱田水位與開采量變化關系研究[A].見:劉久榮等主編:北京地熱國際研討會論文集.北京:地質出版社.2002.228～232.

[6]潘小平.2000.地熱溫標在北京小湯山地熱田的應用[A].見:中國礦業聯合會地熱開發管理專業委員會編.21世紀中國地熱可持續發展論文集.111～116.

[7]孫 穎，劉久榮，韓 征等.北京市地熱資源開發利用狀況[J].安徽農業科學，2009，37（16）：7564～7566.