咸寧深層地熱資源潛力淺析

周　磊, 楊佳云, 徐　猛

(湖北省地質局 第四地質大隊,湖北 咸寧　437100)

0　引言

地熱資源是一種低碳清潔可再生的綠色新型能源,總熱能量約占全球煤炭儲量的1.7億倍,在地質因素控制下,這些地熱會以蒸汽型、熱水型、干熱巖型、地壓型和巖漿型等形式向地殼某一范圍聚集,當達到可開發利用條件時,便形成具有開發意義的地熱資源。

2013年國家能源局、財政部、國土資源部、住房和城鄉建設部聯合發布了《關于促進地熱能開發利用的指導意見》,其中提到2015年要基本查清全國地熱能資源情況和分布特點,建立資源數據庫和信息服務體系。而深層地熱是地熱資源存在的主要形式,開發深層地熱才能真正打開地下龐大的地熱庫。

咸寧地熱開發利用僅停留在淺層地熱層面,深層地熱領域幾乎為空白,缺乏1 000～3 000 m或30 000 m以下深層地熱井資料。面對全球新能源發展浪潮,有必要利用本區得天獨厚地熱田優勢,引入國內外深層地熱開發的新思路、新方法和新技術,瞄準市場,提前謀劃。從基礎深層地熱資源調查研究著手,鍛煉和培養專業隊伍,扎實推進湖北地質事業轉型發展。

1　深層地熱利用現狀

世界漸入高油價時代,石油、煤炭等傳統能源每天排放大量CO2和其他有毒氣體,造成溫室效應逐年加重,危害整個人類的生存。在尋找替代新能源的背景下,地熱資源作為一種可再生清潔綠色能源,受到世界各國重視,且正從淺層地熱向深層地熱開發進軍,未來深層地熱開發與技術轉讓方面有著巨大的發展空間,必將成為未來新的經濟增長點。

地熱開發利用主要包括發電和非發電兩方面[1]。世界各國利用地熱能的經驗說明:高溫地熱資源(150 ℃以上)主要用于發電,發電后排出的熱水可進行逐級循環利用；中溫(150 ℃以下90 ℃以上)和低溫(90 ℃以下)的地熱資源則以直接利用為主,主要用于地熱采暖、地源熱泵、地熱醫療、洗浴、游泳、干燥及農林牧副漁業、旅游業及人們的日常生活等。到目前為止,全世界已有80多個國家進行了地熱發電,其中50多個國家具有相當的開發規模,而中國排名第15位。在直接利用地熱能量方面,中國居世界首位,但大多數地熱開發利用水平較低,存在資源浪費問題。

中國對地熱開發利用的典型:西藏當雄縣羊八井,它是中國重點科技攻關項目,開創了世界中溫熱儲資源發電的先例,目前年發電量占拉薩電網45%。在直接利用地熱資源方面,北京小湯山溫泉地熱水得到三級綜合開發利用,是循環經濟開發的典范。

2　咸寧地熱形成條件與保護

2.1　咸寧地熱賦存條件

咸寧地熱屬熱水類型,“源、通、儲、蓋、滯”是地熱形成的充分必要條件,“源”是根本,“通”是關鍵,“儲、蓋”是必備條件,“滯”是充分條件，即必須具備地熱承壓水滯留的環境條件。

2.1.1熱“源”條件

咸寧深層地熱資源屬于深循環加熱型,主要來源高山大氣降水經過遠程地下運移過程中吸收大地熱流釋放熱能而逐漸增溫。咸寧城區地熱來源主要為東南部與潛山背斜相距8 km的大磨山背斜之高山裸露奧陶系灰巖受大氣降水所致(大磨山高程高出潛山高程20倍,兩地呈不對稱 “U”型箱狀構造)。其一,咸寧市溫泉地熱田地熱流體中氣體成分主要以N2、O2、CO2為主,其中N2占逸出氣體的94.60%～95.70%,占溶解氣體的66.30%～68.8%,高豐度的N2主要存在于大氣中,地熱流體中N2的來源,是由大氣降水帶入地下所致,地熱流體以大氣降水入滲補給為主。其二,地熱流體中含H3,由于H3來源于大氣層,再次證明該地熱流體由大氣降水入滲補給為主。其三,咸寧地熱流體中放射性元素氡含量低,氡含量與地熱流體循環條件有關而與其化學成分無關,在地球深部巖石氡射氣系數很小,這是咸寧地熱流體為深層循環地下水的佐證。

圖1　咸寧市溫泉地熱田成因機制模型圖Fig.1　Model diagram of genetic mechanism of geothermal field of Xianning1.志留系上統；2.志留系中統；3.志留系下統；4.奧陶系上統；5.奧陶系中統；6.奧陶系下統；7.寒武系；8.頁巖；9.粉砂質泥巖；10.泥質粉砂巖；11.砂巖；12.灰巖；13.白云質灰巖；14.龜裂紋灰巖；15.泥質瘤狀灰巖；16.硅化；17.壓性斷裂；18.張性斷裂；19.斷裂破碎帶；20.地下熱水運動方向；21.溫泉。

2.1.2“通”道條件

咸寧深層地熱主要受新華夏晚期構造控制,主要與北北東和北西西向斷層有關。北北東向多為壓扭性斷層,北西西向多為張性斷層。咸寧潛山與大磨山之間形成較大規模不對稱 “U”型箱狀構造,根據咸寧市溫泉地熱田成因機制模型圖(圖1)[2],潛山背斜主構造線方向與大磨山背斜主構造線方向基本一致,兩處同屬寒武、奧陶系灰巖含水層,但兩地含水層出露高程相差20倍左右,由于構造、巖溶等作用,形成深部地下水力聯系通道,當地熱流體逕流至潛山附近,遇到主控斷裂——北北東溫泉斷裂(F1)和一組北西西向(F13、F14)斷裂切割作用,造成潛山附近淦河內有多處泉眼出露。總之在構造、巖溶等作用下,大磨山高山裸露奧陶系灰巖與地熱區巖溶系統(巖溶通道)具有水力聯系,也為地下水深部運移提供了通道,同時北西西向斷層(F13、F14)為地熱流體排泄提供了良好導水、導熱通道。同樣嘉魚蛇屋山金礦區溫泉、赤壁市茶庵嶺龍佑溫泉同屬一個弧形構造帶,與咸寧溫泉地層構造相似。

2.1.3“儲”熱層條件

咸寧深層地熱流體的補給、運移和儲存都是在奧陶系碳酸鹽巖地層中進行的,并且在巖溶發育的碳酸鹽巖地層中都獲得了較豐富的地熱流體,因此在硅化巖石和志留系粉砂巖地層之下的角礫狀灰巖、結晶灰巖、龜裂紋灰巖、生物碎屑灰巖、白云質灰巖,其巖石裂隙、巖溶發育的局部地段是地熱流體的主要儲存場所,是良好的熱儲巖層。

地熱流體的分布主要是受導熱導水構造的控制。斷層破碎帶和裂隙是地熱流體運移和逕流的通道,在破碎帶內也獲得了豐富的地熱流體。鉆孔初見地熱流體的深度在區內分布不均,在月亮灣一帶較淺,鉆孔揭露至構造破碎帶后就可見及地熱流體,并且水量豐富,在地熱田東部較深,揭穿志留系地層之后可以獲得地熱流體。

2.1.4“蓋”層條件

咸寧溫泉潛山背斜東側—大磨山背斜北西翼之間的地層為志留系地層,巖性為泥質粉砂巖、頁巖、粉細砂巖等巖石組成,據前人資料分析總厚度1 762～2 856 m,平均厚度2 264 m,由于巖石中泥質成分含量較高,透水和儲水性能差,在局部地段發育的斷裂和裂隙均被泥質充填,因此巖石的熱傳遞性能較差,在大磨山與潛山之間形成 “U”形箱狀構造上部形成天然的蓋層,阻止了熱量的散失,對下伏熱流場的熱源起到了保溫作用。在潛山一帶,奧陶系表層硅化巖石主要由石英、玉髓和少量粘土礦物組成,巖性致密、堅硬,裂隙多為硅質和泥質充填,其透水和儲水性能差,是地熱區良好的隔熱蓋層。但在斷裂帶附近硅化巖石,由于受構造影響,巖石裂隙發育,具有一定的透水、儲水能力,在與熱儲層溝通部位,可能賦存地熱流體。奧陶系表層硅化巖石與周圍志留系地層,在地熱區形成了一個封閉區間,使得經過長距離深循環的地熱流體在水熱區內熱量散失緩慢,因此奧陶系強硅化巖石與外圍志留系地層組成的熱流場蓋層連成一體,而構成咸寧地熱區的熱儲蓋層。

2.1.5“滯”留條件

潛山與大磨山兩地高差20倍,且成 “U”形箱狀構造,故而潛山深部地下水具有承壓性。當大磨山裸露奧陶系灰巖受高山大氣降水補給,經巖溶、構造作用大磨山與潛山兩地產生地下水力聯系,在遠程地下運移過程中吸收了大地熱流釋放熱能即深循環加熱,據同位素元素H3反映,這個過程經歷了50年以上的逕流時間,才進入地熱區,當逕流至潛山附近時,在壓扭性溫泉斷裂(F1)附近滯留,部分熱流沿節理裂隙或破碎帶向下盤及地面擴散,部分地熱流體沿以F13、F14為代表的北西西向張性斷裂破碎帶上涌,并以溫泉或其它熱異常的方式顯示于地表。這些是咸寧地下熱水的補給、逕流、排泄、蓄積、溢出等關鍵環節,也是具備地熱承壓水滯留的環境條件。

2.1.6淺層地熱資源保護

咸寧淺層地熱資源開發存在無序開采、過量開采現象,造成水位明顯下降,水質變差,排放的地熱廢液污染淺層地下水、地表土壤等系列壞境問題，在東北部月亮灣一帶尤為突出。 有必要采取措施對淺層地熱資源進行保護:①應該遵守國家礦產資源法及相關的法律規定,加緊制定地方性法規。②采取分區、分層次開采:東北部應控制開采量,加大西南部地熱勘查及開采工作,采取淺層地熱與深層地熱搭配開發模式。③按照總量控制原則,嚴禁過量開采地熱資源。④淘汰落后的能耗設備。⑤強化地熱井回灌技術。⑥采取循環經濟模式開發地熱資源。⑦開發利用的同時,建立資源保護系統,充分發揮剛組建的湖北省咸寧地質壞境監測保護站的作用,建立動態監測網,爭取省級、國家級資金,建立地熱流體監測點。

3　深部熱儲和載體特征

3.1　物理特征

咸寧地區奧陶系灰巖熱導率高于其他巖石,是本區導熱條件好的巖石,利于深部地熱的傳導。揭穿其上部志留系千余米厚的砂巖,下部1 000以下或1 000～3 000 m、3 000 m以下灰巖裂隙、巖溶發育的局部地段是地熱流體的主要熱儲層和載體。

本區完整的硅質巖、碳酸鹽巖類,其電阻率均較高,視電阻率一般>300 Ω·m；當基巖為志留系地層或基巖中發育有斷裂破碎帶、巖溶(尤其含地下水)時其電阻率顯著降低,視電阻率一般<100 Ω·m,地熱流體的電阻率隨地下水溫度的升高而降低的特征,這主要是地熱流體的礦化程度隨溫度升高而升高所致；測區內若存在良好的賦水、導水構造,將會產生較明顯的物探異常。斷裂構造的電性特征:當巖石受到地質構造破壞后其電阻率值會顯著降低,往往形成低阻異常。尤其是奧陶系電阻率值較高,但當基巖中發育有斷裂、巖溶時,在該部位會形成明顯的低電阻率異常,這種高阻中的低阻異常往往反映了斷裂構造。同時還可以根據低阻異常的形態特征如低阻異常的長軸展布情況來確定斷裂的大致產狀。已知地熱出露點的電性特征:這些點上的電性場往往表現為高阻背景中的局部低阻特征,視電阻率值較低,常常形成低阻封閉圈,視電阻率值一般為60～80 Ω·m。2014年8月湖北香泉映月生態旅游發展有限公司擬定地熱井附近物探資料顯示該區深度800～1 000 m仍存在明顯低阻異常。

3.2　化學特征

咸寧溫泉地熱流體以水溫和特殊的水化學成分而有別于普通的地下水和地表水,其特征是硫酸根和鈣離子含量很高,其中硫酸根離子的含量介于605.56～1 225.32 mg/L之間,鈣離子含量介于250.30～438.21 mg/L之間,含量明顯高于地表水和地下冷水,地熱流體中的氟含量一般在2.5～4.4 mg/L之間,二氧化硅含量在20.0～50.0 mg/L,明顯高于一般地下水,而且二者與地熱流體水溫呈正相關,其含量的變化也與地熱流體的分布相一致,即兩者含量在地熱流體分布中心地帶高,向周圍其含量逐漸降低。特征離子為鉀離子、鈣離子、鎂離子、硫酸根離子和氟離子,是地熱田重要的水化學標志和主要的標性元素,其含量與地熱流體水溫呈正相關。

咸寧淺層地熱流體中還含有多種微量元素,地熱流體中微量元素與地表水相比,鋰離子含量比地表水高出10～15倍,鋅離子高出2～3倍,鍶離子更是高出地表水約30～40倍,另外還存在前述N2氣體含量高、放射性元素氡含量低、含同位素元素H3等化學特征。

3.3　溫度及可能存在深層熱儲和載體的其他特征

目前咸寧地熱流體溫度由于所處區段的地熱環境不同,其溫度特征也不同,大致分為三級，即8～55 ℃；40～48 ℃；40 ℃以下。

根據溫泉地熱詳查鉆探資料XN01號孔(孔深500.30 m)在終孔時還顯示溫度升高態勢,另外XN06號孔(孔深701.18 m)自上而下溫度持續升高,在673 m至孔底巖石有硅化現象,根據對硅化巖石成因分析,推測深部還存在水質更好、溫度更高的地熱流體,因此進一步勘探應該以深部物探、鉆探為主要手段,深度宜在1 000～3 000 m或3 000 m以下。

2014年8月筆者在對潛山背斜西南翼局部地段進行音頻大地電磁(EH-4)物探測試顯示,該區地質構造與東北翼相似,存在北東向與北西向相互交錯斷裂,推測深部1 000 m左右存在地熱流體。

3.4　地熱流體開發利用條件

咸寧深層地熱溫度雖不太高,但地質條件較好,水量、水質會更好,易于開發。需針對其化學及溫度特征,借鑒北京小湯山溫泉開發利用經驗,采取地熱水的多級利用。通過系統規劃、分區，有步驟進行深層地熱探究工作,找到更高溫度(55 ℃以上)地熱流體,直接對其進行開發利用；對于55～40 ℃低溫地熱流體可直接用于生活用水、洗浴、溫室、旅游開發等；40 ℃以下低溫地熱流體可用于農業灌溉、養殖、土壤加溫等。同時利用地熱流體中氟、二氧化硅、鍶等礦物成份有針對性地進行醫療價值開發。

4　深層地熱開發思路及研究方向

咸寧地區主要為低溫地熱,主要集中在咸寧溫泉城區潛山附近,其它還有嘉魚蛇屋山金礦區溫泉、赤壁市茶庵嶺龍佑溫泉、通山縣王家莊溫泉及崇陽縣浪口溫泉。明朝,咸寧地區就已有利用地熱的記載,一九五醫院在抗戰時期是一所皮膚病醫院,當時該醫院就有利用潛山腳下自溢溫泉治療皮膚病的經驗。上世紀90年代以來,在市場經濟推動下,咸寧地熱資源開發得到了進一步發展,形成了醫療—洗浴、旅游、水產養殖等系統產業,但近年來咸寧溫泉城區地熱水位下降,水溫降低,我們應提前謀劃,把深部地熱資源開發提到議事日程。

深層地熱開發不能盲目,要重點放在礦山地熱[3]、石油地熱[4]，以淺層地熱找深層地熱等領域。

4.1　礦山地熱

充分利用湖北省地質局的“荊楚富礦行動”,做到一舉兩用,在深部固體礦床勘查的同時尋找深層地熱資源,同時也要與咸寧地區兩個成礦帶相結合,即圍繞咸寧北部長江中下游(金等多金屬)成礦帶及南部欽杭(鎢等多金屬)成礦帶,優化深層地熱選區:利用嘉魚—蒲圻金礦區整裝勘查,特別是利用嘉魚蛇屋山金礦找深部原生礦的機會(嘉魚蛇屋山金礦藕塘灣礦段已有淺層地熱在開發利用)尋找深層熱水型地熱資源；利用欽杭成礦帶通城—九宮山找鎢等多金屬礦機會,在該區花崗巖地層中尋找深層3 000 m以下干熱巖型地熱資源,如崇陽大坪鉛鋅礦深部鉆孔已突破1 km,可利用深部鉆孔(或進一步加深鉆孔)掌握巖石的熱導率、生熱率、滲透率、地溫梯度、大地熱流值等相關技術參數,并配合相關科研單位一起構建EGS開發平臺,爭取在深部找(固體)礦突破的同時深層地熱(液體礦)方面也有突破。

4.2　石油地熱

深層地熱開發過程中,鉆井成本較高,而油田探井過程中,若伴生有中低溫地熱時,只要將部分石油探井稍加改造,便可用于地熱開發。

上世紀80年代咸寧嘉魚簰洲灣油氣勘探就已起步。這里曾有兩次成規模的勘探,簰參1試驗井,當時曾鉆至地下3 000 m。因技術不成熟,勘探花費較大均無果而終，沒有搜集到相關地熱資料。2007年 “簰深1井“開鉆,2009年施鉆結束,總投資1.7億元,設計井深6 950 m,鉆井口徑508 mm,是目前中國南方平原在江漢盆地海相沉積的第一口試驗井。簰深1井是一口參數井和科探井,以搜集全、搜集準各項資料為第一目標,兼顧油氣發現。據“簰深1井”勘探結果顯示,有氣態烴充注,但由于充注量小于散失量,油氣未能最終成藏。 “簰深1井”不僅為油氣探路,還提供了地熱資料,有利于深層EGS數據庫建設。

4.3　以淺層地熱找深層地熱

咸寧低溫淺層地熱主要分布在溫泉鎮潛山附近。近年來由于是淺部開采,地表冷水及地下冷水已與淺層地熱流體貫通,造成地熱流體溫度明顯降低。在月亮灣一帶,生產井井位相對集中。地熱流體經過近40年的開采,流體溫度有所下降,泉點溫度對此反應明顯,其中原4號泉在1983年測溫時為53.0 ℃,2004年可測的溫度為50 ℃；原6號泉在1984年測溫時為43.0 ℃,2004年測溫為38.0 ℃,泉點中溫度降幅最大達到5 ℃。其次水位、水量也在降低,經過近40年的開采,溫泉自然出露點明顯減少,由80年代的14處減少至目前的4處,并且流量也呈明顯的減少,這說明了地下水位在下降。區內如果繼續維持現狀開采,泉水有可能徹底枯竭。在地熱田開采量逐漸增加的情況下,淺層地熱流體徑流循環速度加快以及地表水和淺層冷水的混入,地熱流體中二氧化硅、硫酸根離子、鉀離子、鈉離子、鎂離子等特征離子含量將下降。

在市場經濟的推動下,必須提前做好咸寧溫泉淺層地熱能的接替工作,該地熱田南部及西部蓋層較厚,可能存在深部熱儲層。需優先考慮在潛山背斜西翼進行深層地熱勘查工作,鉆井深度需由現在北部300～500 m加深到1 000～3 000 m,以擴大地熱田范圍,揭露更深、更高溫度熱儲層,提高地熱流體儲量。咸寧市近年來引進的湖北香泉映月生態旅游發展有限公司、咸寧百盟一馬投資有限公司正好位于地熱田南部及西部附近,這些企業有較強開發深層地熱的愿望。目前將于今年10月開鉆的湖北香泉映月生態旅游發展有限公司擬定的地熱井正處于地熱田南端,設計井深800 m左右,可根據深層地熱調查要求適當加深,從而搜集更多更準確的深層地熱數據,指導上述方面的工作。

4.4　開發深層地熱的技術步驟與勘探技術

4.4.1地熱資源調查階段

初步查明地熱區地層構造與地熱異常關系,建立熱儲概念模型。咸寧深層地熱勘查工作方面,當前首要任務是要做好深層地熱能資源潛力評價,促進咸寧地熱產業可持續發展。以淺層地熱的水文地質勘查成果為基礎,搜集已有深孔資料,補充必要的巖土體熱傳導率、生熱率、滲透率、地溫梯度、大地熱流值等相關技術參數。

4.4.2可行性勘探階段

利用先進的地球物探及深井鉆探方法查明咸寧地熱區斷裂帶的幾何形態、分布、埋深,厚度和邊界,巖體破碎程度和排列方位,裂隙機制和應力關系,劃分熱儲,水流通道和控熱構造。查明熱儲巖性、滲透率、地溫和溫度梯度的三維空間變化。確定熱異常空間分布范圍,熱流體相態,化學成分以及地下水流的補給、運移、排泄條件。建立熱儲物理模型。地熱能特別是深層地熱能資源,采用何種方式開發、可采儲量多少、長期利用后對環境的影響程度等,均受到咸寧地區地質構造、水文地質條件等限制,只有查清這些條件,才能對深層地熱能的利用方式做出正確的選擇。

4.4.3開發研究階段

正確計算熱儲量,估算開發年限和產能成本及成本回收率。提出熱儲開發模型。合理制定開發利用規模、防治地質災害和環境地質問題的措施。在技術上吸收國內外成功的先進經驗,構建深層地熱能EGS開發科學基礎研究體系,加大地熱開發利用的技術創新,完善技術支撐體系,鍛煉隊伍培養相關人才,加強技術研發工作以提高創新能力。盡快建立省級研發平臺,整合資源,促進企業和科研單位結成戰略伙伴關系、建立創新聯盟,使創新覆蓋整個地熱產業鏈。

4.4.4勘探技術與裝備

咸寧地區尚未開展深層地熱資源調查工作,基礎地熱勘查工作薄弱,勘查手段不完善,物探及鉆井技術與裝備落后。開發深層地熱資源需要先進的地球物探設備與先進方法提供深層地熱靶區,從技術層面上講,能準確勘測深層地熱開采點至關重要,然后才能進行深井鉆探,而且鉆井的鉆頭耐熱度較高,另外在實際工作中需要應用防斜鉆井技術[5]、回灌技術,這些增加了開發過程中的難度和生產費用。

因此,首先要引進吸收當前先進的地球物理勘探方法:①高精度電磁測量和反演法,確定熱儲位置和控熱構造分布,展示深部地熱地理位置。②使用斷層通導波方法,橫波分裂和地震三維成像勘探法,精確測定深部隱伏斷裂帶(或隱伏巖體)位置、走向、幾何形態、分布范圍和巖體破碎程度及滲透性等物理參數。③鉆孔水壓力和微地震試驗。研究地下應力場和裂隙排列方位。測定井孔水樣中與地熱有關的礦化度和同位素(包括放射性元素含量),以及地球物理測量,地溫梯度測量。對斷裂帶復雜環境鉆井技術初步研究。其次要不斷改進地熱深井鉆井技術與成井工藝,吸收借鑒石油、天然氣深井鉆井經驗及勘測設備,提高深層地熱勘查的準確性,降低鉆井成本,減少投資風險。

5　結語

咸寧存在多處淺層低溫地熱,由于存在思想意識、資金、技術層面的問題,至今深層地熱開發方面還是空白區。目前中國正在深入開展深層地熱資源調查研究工作,通過這項工作,基本查清中國深層地熱能的分布情況,其工作重點放在深層地熱空白區和優選區,必須抓住機遇,與相關單位結成戰略伙伴關系,通過開展基礎性深層地熱調查工作,引進國內外深層地熱開發的新思路、新方法和新技術,配備先進的物探、鉆探設備,早日實現咸寧深層地熱開發利用方面的突破。與技術問題相比,深層地熱開發利用更是一個意識問題,當各級政府、各級領導充分認識其深遠戰略意義,提前做好頂層設計,從基礎研究抓起,充分利用咸寧地熱資源優勢,該地區深層地熱開發定會有廣闊前景。

參考文獻：

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