深澤縣地熱資源條件研究＊

吳陳冰潔

深澤縣地熱資源條件研究＊

吳陳冰潔

（中石化新星（北京）新能源研究院有限公司，北京 100083；中石化地熱資源開發(fā)利用重點實驗室，北京 100083）

河北省深澤縣地熱資源具有良好的開發(fā)利用價值，目前境內(nèi)主要開采新近系館陶組砂巖熱儲。對深澤縣地熱地質(zhì)條件、熱儲層特征、地熱井產(chǎn)能等方面展開系統(tǒng)分析。經(jīng)計算，館陶組砂巖熱儲儲量豐富，地熱資源量可達8.33×1012MJ，可采量為2.08×1012MJ。在目前回灌條件下，地熱井開采權益保護半徑為505.80 m。結合本研究結果和目前深澤縣地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，為該地區(qū)地熱資源的合理開發(fā)利用提出建議。

地熱資源；熱儲特征；地質(zhì)條件；產(chǎn)能

現(xiàn)代社會中人們對舒適的建筑熱環(huán)境要求越來越高。傳統(tǒng)以燃煤鍋爐為主的供暖方式環(huán)保問題突出，采用清潔能源供暖的需求愈加迫切。地熱資源是一種清潔可再生能源，因其分布地域廣、儲量大、穩(wěn)定性強，在供暖方面優(yōu)勢突出，且運行維護成本相對較低，具有良好的經(jīng)濟效益和廣闊的開發(fā)利用前景。目前世界上已有30多個國家利用地熱能進行供暖，且規(guī)模還在繼續(xù)擴大。近幾年，中國的地熱供暖產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，特別是京津冀地區(qū)，已經(jīng)成為地熱資源開發(fā)利用的主戰(zhàn)場。

深澤縣隸屬河北省石家莊市，位于石家莊城區(qū)以東 36 km，東、北兩側分別與衡水市和保定市相接，如圖1所示，轄區(qū)總面積296.39 km2。2008年以來，深澤地區(qū)地熱供暖范圍不斷擴大，良好的供暖效果進一步證實了該區(qū)地熱資源的開發(fā)潛力[1]。但是前期地熱資源勘探開發(fā)過程中，地熱井缺乏地質(zhì)、水文資料及詳細研究，對后期的可持續(xù)開發(fā)利用存在不利影響。近年來，新鉆鑿的地熱井加強了資料獲取的力度，為深澤縣區(qū)域地熱資源系統(tǒng)研究和評價提供了依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 構造背景

深澤縣在地質(zhì)構造上位于華北板塊（Ⅰ級）渤海灣盆地（Ⅱ級）冀中坳陷（Ⅲ級），跨越饒陽凹陷與高陽低凸起兩個Ⅳ級構造單元，以北北東走向的高陽—安國斷裂為界。饒陽凹陷構造位于冀中坳陷中部，西南部跨過衡水斷裂則為無極—藁城低凸起、晉縣凹陷。深澤縣城及縣城以東地區(qū)均屬饒陽凹陷內(nèi)的深澤—劉村低凸起，位于饒陽凹陷西南端，如圖1所示。

安國斷裂從縣城西側穿過，縣城南部的舊城北斷裂為饒陽凹陷和深縣凹陷的分界斷裂，為北西西向南掉正斷層。

圖1 深澤縣行政位置與區(qū)域構造綱要圖

1.2 地層發(fā)育特征

深澤縣地區(qū)基底主要發(fā)育有太古界，中上元古界，下古生界奧陶系、寒武系地層，石炭-二疊系地層零星分布。新生界沉積蓋層發(fā)育完整，古近系與下伏基底呈不整合接觸。新近系自下而上發(fā)育館陶組、明化鎮(zhèn)組地層，整體厚度為800～1 500 m，埋藏深度西淺東深，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖與灰白色砂礫巖、含礫砂巖、砂礫巖互層，館陶組底部發(fā)育一套礫巖。第四系以灰黃色粘土、亞粘土、粉細砂巖互層為主，結構松散，底界埋深約400 m。

2 地熱地質(zhì)條件

2.1 地溫場特征

華北平原是中國地熱資源賦存最為豐富的區(qū)域之一，屬于大地熱流作用機制下，以熱傳導為主的中低溫地熱資源區(qū)[2-3]。深澤地區(qū)屬于非地熱異常區(qū)的中低溫地熱資源區(qū)[4]。區(qū)域大地熱流值52.5～57.5 mW/m2，屬于中等熱流區(qū)。地溫梯度大多在2.7～3.3 ℃/100 m，略低于冀中坳陷內(nèi)平均值3.47 ℃/100 m[5]。

2.2 蓋層和熱儲層

根據(jù)深澤縣地熱資料顯示，區(qū)域熱儲蓋層為第四系松散堆積物以及新近系明化鎮(zhèn)組地層，總厚度400～1 500 m。由于地層結構松散、導熱性差，分布穩(wěn)定且沉積厚度大，是良好的保溫蓋層。本區(qū)自上而下發(fā)育三套主要熱儲層，分別為新近系明化鎮(zhèn)組熱儲層、館陶組熱儲層及基巖熱儲層。目前縣內(nèi)供暖使用的所有地熱井均開采新近系館陶組砂巖孔隙型熱儲[1，6]。館陶組巖性為棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾灰綠色、灰白色中細砂巖、砂礫巖，為粒度向上變細的正旋回。儲層中、下部單個砂體厚度較大，底部為大套雜色礫巖，測井顯示明顯。區(qū)域內(nèi)熱儲底板埋深1 300～1 700 m，砂體厚度150～350 m，砂厚比38%～47%。單井有效熱儲層厚度173～285 m，平均227.7 m，孔隙度22%～30%，滲透率20～ 750 mD。單井涌水量1 800～2 208 m3/d，水溫57～63 ℃。

3 水質(zhì)評價

深澤地區(qū)地熱流體水質(zhì)化驗分析結果顯示，開采的館陶組熱水中主要陽離子為Na+，離子含量（毫克當量百分數(shù)）超過95%；主要陰離子為HCO3-，其次為Cl-和SO42-，按水化學類型分類多為HCO3-Na、HCO3·Cl-Na或HCO3·SO4- Na型水。礦化度600～1 200 mg/L，按礦化度分類為微咸水；pH值7.5～8.4，為弱堿性水；總硬度（CaCO3）平均值為16.3 mg/L，屬極軟水。該地熱水屬于非腐蝕性水，鍋垢很少、碳酸鈣不易結垢。

4 地熱井生產(chǎn)現(xiàn)狀

深澤縣部分地熱井基本情況如表1所示。2012年以前，深澤縣境內(nèi)已在王場村、銀都花園、深澤縣賓館、王場溫泉小區(qū)等地陸續(xù)建成地熱井12口[1]。2017年以來在深澤華麗小區(qū)又陸續(xù)鉆鑿地熱井12口。目前地熱井生產(chǎn)層段均為新近系館陶組砂巖熱儲，井口水溫56～61 ℃，水量75～ 120 m3，成井井深1 500～1 900 m。華麗小區(qū)地熱井通過合理的生產(chǎn)井、回灌井配置，為保持區(qū)域地下水環(huán)境和地熱資源的可持續(xù)發(fā)展打下了良好的基礎。

表1 深澤縣部分地熱井基本情況表

序號地熱井名稱井深/m水溫/℃水量/（m3·h-1）取水段深度/m開采層系 1 王場村地熱井1 55460751 369～1 442館陶組 2銀都花園地熱井1 50560801 300～1 500 3深澤賓館地熱井1 56060801 350～1 500 4富澤園小區(qū)地熱井1 65061801 380～1 600 5馬莊村北地熱井1 60060801 350～1 580 6華麗小區(qū)A井1 85259.51021 510～1 817 7華麗小區(qū)B井1 782601001 460～1 750 8華麗小區(qū)C井1 936581201 400～1 900

5 地熱資源評價

5.1 區(qū)域地熱資源量評價

采用熱儲體積法公式（1）計算深澤縣館陶組砂巖熱儲地熱資源地質(zhì)儲量。經(jīng)計算，館陶組地熱資源量為8.33× 1012MJ。新生代砂巖熱儲中孔隙度高于20%的按回收率25%[7]，館陶組地熱資源可采量為2.08×1012MJ。

式（2）中：r、w為巖石和水的密度，kg/m3；r、w為巖石和水的比熱容，J/kg·℃；為熱儲巖石孔隙度。

5.2 單井開采影響半徑

該地熱田按照單井開采100年，供暖季實際每年生產(chǎn)120 d，消耗15%左右地熱儲量，采用公式（3）（4）分別估算未回灌和回灌條件下的地熱井對熱儲的影響半徑[6]。

假設地熱系統(tǒng)中，除了地熱井抽取和回灌的熱量，不存在與外界的能量交換，且生產(chǎn)井井口水溫等于回灌前的熱儲溫度。

式（3）（4）中：為水比熱與熱儲巖石比熱的比值；為回灌率。

=（2－0）（1－0） （5）

式（5）中：2為回灌溫度，℃；0為基準溫度，取恒溫帶溫度；1為熱儲回灌前溫度，℃。

計算結果顯示，無回灌時地熱井單井開采影響半徑為767.73 m，在目前的回灌溫度條件下影響半徑減小為 505.80 m。地熱尾水回灌能夠降低地熱水開采對熱儲層的影響，同時可以減小井間距，增加布井數(shù)量。如果后期地熱供暖面積增大，在不鉆新井的條件下需要適當降低回灌溫度以提供更多的熱量，該影響半徑也會相應增大。綜合考慮，地熱井間距至少保持在1 000 m以上為宜。評價參數(shù)取值與計算結果分別如表2、表3所示。

表2 評價參數(shù)取值

A/km2H/mT0/℃T1/℃T2/℃β 296.39227.714.959.2540100% ρr/（kg·m-3）Cr/（J·kg-1·℃-1）ρw/（kg·m-3）Cw/（J·kg-1·℃-1）φQ/（m3·d-1） 2 6008781 0004 18626.7%2 880

表3 計算結果

fαQr/MJR1/mR2/m 1.830.4388.33×1012767.73505.80

注：巖石比熱和密度為經(jīng)驗值，熱儲層厚度、井口水溫、孔隙度等均采用實測平均值。

6 結論與建議

深澤地區(qū)地熱資源儲量豐富，應當加以合理開發(fā)。新近系館陶組砂巖熱儲埋深為1 000～1 700 m，井口水溫可達到60 ℃，水量超過80 m3/h，水質(zhì)較好。地熱資源地質(zhì)儲量為8.33×1012MJ，可采資源量為2.08×1012MJ，能夠滿足地熱供暖需求。在目前回灌條件下，地熱井單井開采影響半徑由無回灌時的767.73 m縮小為505.80 m。為減小地下水開采對周圍熱儲層和環(huán)境造成的影響，延長地熱田壽命，井距應至少保持在1 000 m以上，同時確保地熱尾水100%回灌。建議對區(qū)內(nèi)地熱資源統(tǒng)一規(guī)劃，進行整體井網(wǎng)部署，以提高地熱井井網(wǎng)效率和資源利用率。地熱井使用過程中應加強管理，加強地熱水的動態(tài)觀測工作，避免無序開發(fā)，為地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供保障。

［1］劉慶宣，劉志明，藺文靜，等.河北省深澤縣地熱資源評價［C］//中國地質(zhì)學會水文地質(zhì)專業(yè)委員會年會暨氣候變化與地下水環(huán)境學術研討會，2012.

［2］陳墨香.華北地熱［M］.北京：科技出版社，1988.

［3］牛樹銀，孫愛群，李紅陽.華北地區(qū)地熱特征及其成因機制［J］.地學前緣，2001，8（1）：112.

［4］張德忠，王蘊玉.河北平原非地熱異常區(qū)地熱資源［J］. 地球?qū)W報，2000，21（2）：151-154.

［5］常健，邱楠生，趙賢正，等.渤海灣盆地冀中坳陷現(xiàn)今地熱特征［J］.地球物理學報，2016，59（3）：1003-1016.

［6］劉志明，王貴玲，藺文靜.地熱回灌條件下單井開采權益保護半徑的計算［J］.地下水，2014，36（6）：72，75.

［7］國土資源部儲量司，中國礦業(yè)聯(lián)合會地熱開發(fā)管理專業(yè)委員會，北京市地質(zhì)工程勘察院.GB /T 11615—2010 地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范［S］.北京：中國標準出版，2010.

P314

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.008

2095－6835（2020）14－0027－03

中國工程院重點咨詢項目（編號：2019-XZ-35-02）

〔編輯：王霞〕