湖北省通山縣王家莊地熱資源特征及儲量評價

王秀雅，孫豐博，王占川，余婉露

河北地質大學 水資源與環境學院，河北 石家莊 050031

地熱能是一種清潔可再生資源，因具有熱流密度大、容易收集和輸送、參數穩定、使用方便等優點[1-2]。湖北省不但礦產資源豐富，地熱資源也非常可觀。地表出露的溫泉基本都得到不同程度的開發利用，但總體利用程度相對較低，許多地熱資源未得到充分利用，因此進行湖北省通山縣王家莊地熱資源評價，對地熱資源合理開發利用具有實際意義。

目前地熱資源儲量計算方法較多，如地表熱流法[3]，孫桂明和史猛[4]采用統計分析法與Lumpfit集中參數模型相結合的手段，準確的預測了煙臺于家湯熱泉可采資源量；茹洪久和劉東林等[5]運用數值耦合優化管理模型計算熱流體的可開采資源量；程秀明、李傳磊等[6]利用泰斯公式求給定條件和參數情況下的魯西北層狀熱儲地熱田可采資源量；韓征、崔一嬌等[7]用蒙特卡羅法對河北省雄縣地熱田的地熱資源進行評價，將熱儲法公式作為資源評價的數學模型，得出可開采地熱資源量。熱儲法不僅適用于松散巖層分布區的地熱能儲存量評價[8]，同樣適用基巖地區的地熱能儲存量評價，此方法應用較廣，且比較成熟[9]。

因此，結合以往勘探資料以及近年取得成果，論文采用同位素分析法闡述湖北省通山縣地熱田熱流體特征，并采用熱儲法對通山縣地熱田40℃以上范圍地熱資源量進行整體評價，對通山縣地熱田地熱資源的合理開發與科學保護具有重要意義。

1 研究區概況

研究區地處鄂南中低山區，群山起伏連綿，地貌形態以低山為主，溝谷縱橫，山脈走向北東東向，地形比較陡峭，沖溝呈“V”型谷。屬于亞熱帶季風氣候區，多年平均降水量1 755 mm，多年平均蒸發量1 245 mm，相對濕度79%[10]。區內地層發育較為齊全，由老到新依次為：中元古界冷家溪群坪原組變質砂巖、板巖；古生界寒武系上統三游洞群白云巖；奧陶系上統瘤狀泥灰巖、頁巖；志留系下統龍馬溪組粉砂巖夾細砂巖；中生界侏羅系淺灰色中細粒黑云母二長花崗巖；第四系全新統沖洪積[11]。都為該區地熱資源的形成提供了良好的地質條件。圖1為湖北省通山縣王家莊地熱田區域地質圖。

1-志留系下統；2-奧陶系中上統；3-奧陶系下統；4-奧陶系下統；5-寒武系上統；6-寒武系中統；7-寒武系下統；8-寒武系下統；9-震旦系上統；10-震旦系下統；11-元古界冷家溪群坪原組；12-侏羅系；13-層理產狀；14-實測推斷正斷層；15-溫泉；16-斷層產狀；17-輝綠巖脈；18-石英脈；19-細?；◢弾r；20-偉晶巖脈；21-巖體及脈巖產狀；22-地質界線；23-房屋建筑

2 地熱資源特征

2.1 熱儲與蓋層

地熱田區分布的變質砂巖隔水層與第四系全新統沖洪積組合，構成了熱流場區隔熱阻水蓋層，對下伏熱流場熱源起到了隔熱保溫作用。在水熱區范圍內形成了一個儲熱蓋層封閉圈。地熱異常區除東側中元古界冷家溪群坪原組變質砂巖、板巖構成條帶狀儲熱蓋層外，在周緣地帶分布有大面積侏羅紀沙店花崗巖體，起到良好的阻水隔熱作用，對地下熱水的隔熱保溫非常有利[12]。

1-元古界冷家溪群坪原組變質砂巖；2-侏羅世二長花崗巖；3-第四系沖洪積；4-石英脈；5-二長花崗巖含水層；6-溫水范圍(25℃～40℃)；7-溫熱水范圍(40℃～60℃)；8-蝕變巖；9-小橋；10-水質全分析；11-地質剖面及編號；12-實測正斷層及產狀；13-水系；14-地質及含隔水層界線；15-房屋建筑；16-公路

2.2 地熱田分布特征

通山縣王家莊地熱田的分布范圍明顯受區域上北東向的斷裂F2控制(圖2)，地熱田的分布范圍平面形態呈橢圓形帶狀，走向北東46°～65°。地熱田的水溫在25℃～50℃之間，屬小型低溫地熱田，熱源中心為SHK02孔，受冷水的混合作用及遠離熱源影響，水溫由熱源中心向外圍擴散并逐漸降低，剖面上儲層與蓋層交替復合出現。地熱田在此次施工的鉆孔中，進行了跟鉆測溫和終孔系統測溫工作水溫曲線表現出總體隨鉆孔深度增加，水溫變高的傳導傳熱型特征，并且表現為較為理想的直線關系。王家莊地熱田溫熱水平面分布約1 006 m2，溫水平面分布約3 627 m2。

2.3 地熱水循環

研究區王家莊地熱田地熱流體出露的斷裂F2及次級構造F3，供地下水深部循環形成了熱水。從地層順序上看，地熱泉的東南部為風化的二長花崗巖，為泉水提供了水源和儲存空間，西北部為冷家溪群坪原組板巖，構成了地熱泉水的北部隔水邊界，使得地下熱水通過斷層上升，受阻后得以自流。泉水出露在板巖與花崗巖的接觸帶上。

地熱田地下熱水的補給為近源補給，主要來源于地熱田南西部的大氣降水補給，且受區域構造九宮山復式背斜及次級斷裂帶的控制，大氣降水沿斷裂帶入滲參加深部循環。

2.4 地熱水水化學特征

對SHK01(水溫30℃)、SHK02(水溫50℃)、Q1(水溫42℃)、Q2(水溫18℃)各取一組水樣進行了常規離子、微量元素以及對SHK02孔進行了放射性元素及總α總β等檢測，其結果見表1。

表1 研究區地熱水中組分一覽表

2.4.1 地熱水化學組分

研究區地下熱水大多無色、無嗅、味咸、無肉眼可見物。從表1中可以看出地熱水中離子以Na+離子占優勢。地熱水中含鋰、鍶、溴、鋇、鋰、錳、偏硅酸等微量元素，地熱田的熱水化學類型為重碳酸鈉型弱堿性水，鈉離子為45.4 mg/L。在微量元素方面，較突出的有氟離子12.28 mg/L；偏硅酸149.45 mg/L。上述組分的增高，是地熱田處地下熱水特有的性質，是地下熱水明顯異于區域地下冷水水質的特征組份。一般認為，熱水中特征組份的含量較高是地下水參與深部循環溶濾的結果，而氟的含量增高，一般認為可能與酸性侵入體有關。另外，熱水的TDS較低，未超過2 g/L，說明熱水的循環條件是較好的。

2.4.218O與D同位素分析

研究區內地熱水穩定性同位素分析從表2中得出。

表2 同位素分析結果表

綜合普查資料與本次研究區分析結果繪制圖3(18O與D的關系圖解)。從圖3可以看出，此次實測出的18O與D的關系值近似呈線型關系且極為靠近大陸雨水線，這就意味著地熱田及外圍的地下熱水、地下冷水的主要來源于當地大氣降水。同時，由收集雨水與地下熱水的連線可以看出，其斜率略大于大陸雨水線。

從而反映出：(1)工作區處的蒸發強度小于全國平均蒸發強度；(2)隨著地下冷水向地熱田處的運移，溫度的升高，從而影響了同位素的分餾作用，導致巖水平衡環境中的水分子組分中越來越富含18O，即出現了所謂的“氧漂移”。(3)地下冷水基本上與大陸雨水線重合，說明地下冷水為大氣降水的淺層地下水的運移。

圖3 18O與D的關系圖解

3 地熱儲量評價

3.1 評價方法

地熱儲量評價采用熱儲法計算。具體計算公式如下：

QA=C×A×D(tr-tj)

(1)

C=PC×CC(1-ψ)+PW×CW×ψ

(2)

(3)

(4)

式中： QA—地熱資源量(kcal)；C—熱儲巖石和水的平均熱容量(kcal/m3·℃)，A—熱儲面積(m2)；D—熱儲厚度(m)；tr—熱儲溫度(℃)；tj—當地多年年平均氣溫(℃)；PC、PW—分別為巖石和水的密度(kg/m3)；CC、CW—分別為巖石和水的比熱(kcal/Kg·℃)；ψ—裂隙率或巖溶率%；B—液體的容積系數；μ—液體的粘度，CP(1CP=1 mPa·s)[13]；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；Q—流量m3/d；ΔP—動水位和靜水位的壓力差值，用大氣壓表示，bar(101 325 Pa)[14]。

3.1.1 熱儲評價相關參數

(1)熱儲面積(A)：據地熱田地質條件對水溫40℃及以上熱水分布范圍進行評價共1 006 m2；

(2)熱儲厚度(D)： 取地熱水的循環深度減去覆蓋層厚度，該地熱田基準溫度為154.3℃，地溫梯度G=8.3℃/100 m。地下熱水的循環深度可近似為：H=(154.3-47) /(8.3/100 m)+21.4=1 314 m；

(3)熱儲溫度：測溫數據的穩定值tr=50℃；多年年平均氣溫tj=14.3℃；

(4)巖石與水的密度、比熱：參照地熱資源地質勘查規范(GB/T 11615—2010)[15]；

(5)流體的粘度：從表3可以看出水溫和粘度關系，采用插值法計算50℃時的μ=0.562；

表3 水溫和粘度關系

(6)放水試驗時的涌水量為：Q=628.8 m3/d；放水試驗時對應的降深ΔP為1.184 bar；

(7)試驗井半徑r=0.055 m；含水層厚度3.2 m，從表4可以看出影響半徑與承壓水頭降深和涌水量的變化并取均值，影響半徑：R=459.7 m,SHK02的承壓水頭降低為12.24 m，抽水孔半徑為0.055液體的容積系數用查圖法得出B為1.01。

表4 含水層滲透系數計算一覽表

3.2 評價結果

地熱水體積儲存量：

Q=μ×S×h

(5)

式中：Q—地熱流體儲量(m3)，S—熱儲層的面積1 006 m2，H—熱儲層的計算厚度1 292.6 m，μ—計算段的巖石裂隙率(%)。經計算Q=2.86×103m3。

根據熱儲法計算公式并參考表5中選取的參數，計算溫度大于40℃范圍內的熱儲存總量。

表5 地熱參數取值一覽表

SHK02孔的產量指數為KC=531.08；

熱儲巖石和水的平均熱容C=0.514×103(Kcal/m3·℃)；

巖石孔隙率ψ=0.22%；

熱儲存總量QR=2.386×1010Kcal；

折合發電量為：2.386×1010÷860=2.775×107(KWH)；

折合電能為：2.775×107×3.6=9.98×107(MJ)(1KWH=3.6MJ)；

折合標準煤為：2.39×1010÷7 000÷1 000=3.409×103(噸)。

4 結論

(1)地熱田為中元古界冷家溪群坪原組變質砂巖、板巖構成條帶狀儲熱蓋層，地熱田熱流體的溫度在25～50℃之間，地熱田溫熱水平面分布約1 006 m2。

(2)同位素分析表明地熱田及外圍的地下熱水、地下冷水主要來源于當地大氣降水，地熱田地下熱水大多味咸、無色、無嗅、無肉眼可見物。地熱水中以Na+為主，pH值9.1～9.42，熱水礦化度 2～30 mg/L，水化學類型以CO3--Na型和CO3--Na·Ca型為主。

(3)熱儲法計算研究區地熱流體儲量為 2.86×103 m3，熱儲量為2.386×1010 kcal。