山東省汶上縣WS01井地熱資源評價研究

李榮飛, 孟憲洲

(山東省魯南地質工程勘察院,山東 濟寧 272100)

2017年8月,山東省汶上縣城南部鉆成井深2 269.28 m的地熱井,編號WS01,為濟寧市汶上縣首眼地熱井。山東省魯南地質工程勘察院在收集區域地熱地質資料基礎上,對WS01井開展了產能測試及水質化驗,并進行了地熱資源評價。

圖1 汶上凹陷地熱田邊界條件示意圖Fig.1 Schematic map of geothermal field boundary conditions in Wenshang depression1.斷裂;2.奧陶系頂板埋深等值線(m)。

1 區域地熱地質條件概況

1.1 位置及劃分依據

WS01井位于汶上凹陷地熱田中部,該地熱田位于華北板塊、魯西隆起區(Ⅱ)、魯西南潛隆起(Ⅱb)的菏澤—兗州潛斷隆(Ⅱb1)的汶上—寧陽潛凹陷(Ⅱb13)內(圖1)。該地熱田以斷裂構造為邊界,東起孫氏店斷裂,南到鄆城斷裂,西至嘉祥斷裂,北達汶泗斷裂,是一個邊界條件完整的地熱田。面積約252.3 km2。

1.2 熱儲層地熱地質特征

汶上凹陷地熱田熱儲層為古生界奧陶系石灰巖層,地熱流體主要賦存于汶上斷裂破碎帶及石灰巖裂隙巖溶孔隙中,熱儲類型為斷裂構造帶狀熱儲層及奧陶系—寒武系層狀熱儲層。地表無熱流顯示,地熱資源類型屬熱傳導型。本地熱井實測井口地熱水溫度為61 ℃,判定該區地熱資源類型為熱水型低溫地熱資源。

奧陶系熱儲與月門溝群本溪組成平行不整合接觸,其頂板埋深為1 600～2 000 m,從北向南埋深逐漸增大(見圖1)。其中WS01井處奧陶系頂板埋深約1 977.90 m,揭露厚度291.38 m,未揭穿底板。

熱儲層巖溶發育主要受汶上斷裂影響,形成巖溶破碎帶,其次受地質歷史時期風化侵蝕和溶蝕作用,形成層狀巖溶發育帶,灰巖裂隙巖溶是深層地下水體循環運移的通道及熱儲的空間,水溫較高,富水性一般。該熱儲層單井最大涌水量31.84 m3/h,水溫61 ℃,水化學類型為Cl—Na·Ca型,礦化度24 929.3 mg/L。

圖2 熱儲概念模型圖[1]Fig.2 Conceptual model of thermal storage

1.3 地下熱水的形成條件

1.3.1熱源

本區的熱源主要來自地殼深層正常的熱流傳導,且本區斷裂構造發育,對地殼深部的熱源起到了重要的溝通和傳導作用,地殼深部的熱能可通過斷裂及破碎影響帶的傳導和地下水的深循環對流作用,將熱能輸送至熱儲層,遇到上覆巨厚的碎屑巖和松散巖蓋層的阻熱保溫,使熱能儲存下來。

1.3.2補給水源

地熱水的補給來源主要有以下幾個方面:汶上斷裂切割導通了上部含水層的越流補給;大氣降水的垂直入滲經深部循環補給;側向徑流補給。

1.3.3熱儲層

熱儲層為新生代巨厚層之下的受汶上斷裂牽引擾動的帶狀—層狀奧陶系石灰巖熱儲層,其巖性由灰、深灰色灰巖、白云質灰巖及泥質灰巖組成,灰巖內部裂隙巖溶發育受汶上斷裂活動控制,共有五段富水裂隙帶,為地熱水的徑流、賦存提供了良好的導水通道和儲水空間,其埋藏深度>1 900 m,熱儲層的溫度和涌水量能夠達到開發地熱水的要求。

1.3.4蓋層

熱儲蓋層為第四系、新近系、古近系、侏羅系和石炭系—二疊系,總厚度達1 977.9 m。以粉質粘土、粘土、泥巖為主的巨厚不透水層切斷了含水層間的垂向運移,防止地下熱能的擴散,形成了本區奧陶系熱儲良好的蓋層。

1.3.5控熱及導水構造

汶上斷裂為汶泗凹陷內斷裂,其切割深度大、活動時間長,破壞了地殼的連續性,溝通了熱儲層與深部熱源的聯系,成為熱儲層與深部地熱的傳輸通道,是本區主要的控熱構造。汶上斷裂切割深度>500 m,溝通了不同含水層之間的聯系,使其沿斷裂進行垂向對流,為該區內的導水構造。

1.3.6熱儲模型

據前述地熱地質條件建立概念模型,見圖2。

2 地熱井概況

2.1 地熱井揭露地層巖性

第四系(Q):埋深0～190.55 m,為松散砂土層。

新近系(N):埋深190.55～351 m,為松散—半膠結粘土、砂質粘土層,夾粉砂—中細砂層和少量砂礫石、鈣質結核、石膏等。

古近系(E):埋深351～1 206.20 m,為半膠結砂土層、粘土層,夾砂礫巖層。

侏羅系(J):埋深1 206.20～1 415 m,為泥巖、粉砂巖夾砂巖,其中1 397.65～1 415 m為底礫巖。

石盒子群(P1-2sh):埋深1 415～1 753.05 m,為泥巖、砂巖、粉砂層,其中1 656.25～1 659.40 m為鋁土巖。

山西組(P1s):埋深1 753.05～1 822.40 m,主要為砂巖、粉砂層、泥質砂巖,夾煤層。

太原組(C2P1t):埋深1 822.40～1 969.20 m,主要為粉砂層、泥質砂巖、砂巖,夾石灰巖、煤層。

本溪組(C2b):埋深1 969.20～1 977.90 m,為雜色泥巖,底部鋁土質泥巖發育。

奧陶系馬家溝群(O2m):埋深1 977.90～2 269.28 m,未揭穿,巖性為灰巖,共發育1段斷層破碎帶、4段裂隙發育帶,總厚度約96.6 m,為主要含水層段。

2.2 地熱井管結構

(1) 0～526 m孔徑377 mm、下入273 mm×8.89 mm鋼級J-55石油套管526 m,用27 t G級油井水泥壁后注漿固管。

(2) 526～1 701.15 m孔徑244.5 mm、488.52～1 701.15 m下入177.8 mm×8.05 mm鋼級J-55石油套管1 212.63 m,用16 t G級油井水泥壁后注漿固管;177.8 mm與273 mm套管采用喇叭口抄手連接,抄手長度34.88 m。

(3) 1 701.15～2 100.20 m孔徑152.4 mm,1 680.11～2 100.20 m下入133 mm×6.5 mm無縫鋼管套(花)管420.09 m。其中套管總長247.50 m,花管總長172.59 m,下置位置1 697.86～2 100.20 m;133 mm套管與177.8 mm套管抄手21.04 m。

(4) 2 100.20～2 269.28 m孔徑133 mm,裸孔。

地熱井揭露地層及井管結構見圖3。

圖3 地層柱狀及鉆孔結構示意圖Fig.3 Structural sketch of stratum columnar and borehole

3 單井產熱量

3.1 地熱井產能測試

WS01井先后開展了3個落程的產能測試,測試設備采用200QJ(R)32-299型井用潛水泵,電機型號為YQST200-45,最大流量31.84 m3/h,功率45 kW,揚程299 m,下入深度260 m;通過變頻設備控制抽水水量;用流量表觀測水量;用水銀溫度計測量水溫;用測繩及電流表測量水位埋深。產能測試數據及參數計算結果見表1、圖4。

表1 WS01井產能測試數據及參數計算結果表[2]Table 1 Well WS01 productivity test data and calculating table of parameters

圖4 產能測試Q-S曲線圖[1]Fig.4 Q-S curve of productivity test

3.2 地熱井單井產熱量

根據WS01井產能測試資料,計算不同降深情況下地熱井產熱量及單井產熱能,結果見表2。公式[3]如下:

Qk=ρwCwQ(tr-t0)×10-6t

q=Qk/86 400

式中:Qk為單井可采熱量,MJ/d;q為單井地熱能,MW;Cw為熱水的比熱,J/(kg·℃);ρw為熱水比重,kg/m3;Q為單井涌水量,m3/d;tr為地熱井井口水溫,℃;t0為地熱井尾水溫度(取當地年平均氣溫值),℃。

4 地熱水水質評價

4.1 地熱水水化學特征

WS01井在產能測試過程中采取水樣進行了全分析。地熱水pH值為6.69,總硬度9 015.97 mg/L,礦化度24 929.30 mg/L,地熱水水化學類型為Cl—Na·Ca型。

4.2 理療熱礦水水質評價

WS01井地熱水微量元素檢測結果:溴26.3 mg/L,碘1.21 mg/L,鍶107.54 mg/L,鋰2.76 mg/L,偏硼酸13.90 mg/L,偏硅酸35.91 mg/L。可命名為含碘鋰偏硼酸偏硅酸的溴鍶型熱礦水。洗浴對皮膚病、慢性濕疹、蕁麻疹、痤瘡、腳氣等有一定的療效。

表2 WS01井地熱井產熱量及單井產熱能計算表Table 2 Calculating table for heat production of geothermal well WS01 and single well

4.3 地熱水腐蝕性評價

參照工業上用腐蝕系數來衡量地熱流體(水)的腐蝕性,計算結果見表3。

式中:r為離子含量的每升毫克當量(毫摩爾)數,mmol/L。

4.4 地熱水結垢性評價

參照工業上用鍋垢總量來衡量地熱流體(水)的結垢性,計算結果見表4。

表4 地熱流體結垢性評價表[2]Table 4 Evaluation table of scalability of geothermal fluids

計算公式:H0=S+C+36rFe3++17rAl3++20rMg2++59rCa2+

式中:H0為鍋垢總量,mg/L;S為懸浮物含量,mg/L;C為膠體含量,mg/L;r為離子含量的每升毫克當量(毫摩爾)數,mmol/L。

5 結論

山東省汶上WS01地熱井孔深2 269.28 m,井口出水溫度61 ℃,熱儲層為古生界奧陶系灰巖,降深210.054 m時出水量764.16 m3/d,單井可采熱量140 681.27 MJ/d,單井地熱能1.63 MW,地熱水pH值為6.69,礦化度24 929.3 mg/L,可命名為含碘鋰偏硼酸偏硅酸的溴鍶型熱礦水。地熱水不適宜飲用,可用于理療洗浴。地熱水腐蝕性強烈,鍋垢很多。建議以地熱鹽水進行采礦權出讓,以提高資源的有效利用和資源的社會、經濟、環境效益。