韓城地區(qū)中深層巖溶地熱資源熱儲特征及潛力評價*

薛 超，柴宏有，葛 毓，張玉貴，薛宇澤

(1.陜西省一三一煤田地質(zhì)有限公司，陜西 韓城 715400；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021)

0 引言

地熱資源因其具有的綠色、清潔、環(huán)保和可再生等特點已受到人們的關注。陜西省地熱資源主要集中在關中盆地，區(qū)內(nèi)利用地下水源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用面積已達11.53×106m2，渭南—西安—寶雞一線已打出地熱井百余眼[1-3]。隨著改革開放形勢的飛速發(fā)展，為適應城市建設的需要，建設黃河沿岸區(qū)域性中心城市，韓城地區(qū)發(fā)展開發(fā)地熱資源已經(jīng)迫在眉睫。韓城地區(qū)總體地熱資源地質(zhì)研究程度不高，通過對韓城地區(qū)特定研究區(qū)域中深層巖溶地熱資源進行評價分析，可以為該區(qū)綜合利用開發(fā)研究區(qū)地熱資源提供地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

20世紀60年代至今，煤炭、地礦、水利水電、科研院校等部門先后在研究區(qū)域作了大量的相關地質(zhì)工作，在地熱地質(zhì)研究及地熱資源開發(fā)等方面取得了一定的成果，根據(jù)以往地熱資源勘查研究結果顯示，研究區(qū)地熱資源主要以淺層地熱資源及中深層巖溶地熱資源為主[4-6]。

該區(qū)中深層巖溶地熱資源以奧灰?guī)r為主要熱儲層，80年代后期，某勘探隊在韓城礦區(qū)進行專門水文地質(zhì)勘探時，在韓城市芝陽鎮(zhèn)清水村發(fā)現(xiàn)了地熱資源。近幾年來，研究區(qū)逐漸打出了地熱井7眼，已經(jīng)取得了初步成效。但由于開采利用成本、技術條件、管理體制等因素，研究區(qū)地熱資源開發(fā)利用程度總體上規(guī)模較小、程度偏低，地熱資源尚未發(fā)揮應有的價值，與西安、咸陽等先進城市相比還存在較大差距。已開發(fā)的地熱井都以溫泉洗浴利用為主，供暖、制冷未成規(guī)模，利用形式單一，綜合利用程度不高，造成了地熱資源的浪費。

2 巖溶地熱資源地質(zhì)背景及熱儲特征

2.1 地質(zhì)背景

2.1.1 基本構造

研究區(qū)地處祁呂賀山字型構造的前弧東翼，并處于新華夏系第三沉降帶之東部，秦嶺、陰山兩個大型緯向構造帶之間。根據(jù)板塊構造學說觀點，北部緊接鄂爾多斯地塊，南鄰渭河地塹系并與秦嶺近東西向褶皺帶相接，東經(jīng)NE-NNE向汾河地塹系與近南北向延展的呂梁褶皺帶相連，其西為近南北向延伸的賀蘭山褶皺帶與北西向延伸的六盤山褶皺帶的接合部位,如圖1所示。區(qū)域構造格架決定了韓城地區(qū)的基本構造格局，F(xiàn)1斷裂東南部上盤下降形成斷陷盆地，如圖2所示，使得奧陶系灰?guī)r埋深變深，隨著地層埋深的增加，奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙水溫度逐漸增加，據(jù)研究區(qū)某地熱井測井測溫資料，在埋深3 000 m處，井溫已達89 ℃[7]。

圖1 大地構造位置示意

圖2 F1斷裂及熱儲剖面示意

2.1.2 斷裂構造

斷層為本區(qū)最為發(fā)育的構造形式，規(guī)模最大為F1正斷裂，為該區(qū)一級構造，縱橫南北，北東端過黃河與羅云山斷層相接，南西伸入合陽地區(qū)被新生界地層覆蓋，該斷裂及其次級斷裂基本控制了該區(qū)的斷裂構造形態(tài)。該斷裂走向北東20°～50°，傾向南東，傾角約60°，斷距在韓城城區(qū)一帶大于500 m，至禹門口可達到1 000 m以上，為一正斷層，斷層上盤(斷層東南側(cè))被松散沉積物覆蓋，厚度500～2 000 m。該區(qū)主要的巖溶地熱資源熱儲奧陶系灰?guī)r埋深1 800～2 900 m，F(xiàn)1斷裂及其次級斷層不但影響著地下的透水性和富水性，而且也控制著地下水的徑流條件及運動方向。表現(xiàn)在距F1斷層水平距離較近時，單井單位涌水量較大，較遠時鉆孔單位涌水量較小。

2.2 熱儲特征

2.2.1 熱儲溫度及水化學特征

研究區(qū)巖溶地熱資源為面狀熱儲，分布范圍廣，位于韓城F1大斷層東南的斷陷盆地內(nèi)，熱儲層為奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙熱水資源。熱儲覆蓋韓城市全城區(qū)，厚度400～600 m，由南至北熱儲層埋深依次增加(埋藏深度1 800～2 900 m)。目前全區(qū)已陸續(xù)施工地熱井7口，井口水溫55～81 ℃，水量35～147 m3/h。對已施工7口地熱井地質(zhì)資料進行分析，可知該區(qū)的地熱井水量受巖溶作用、F1斷裂及次級斷裂控制，表現(xiàn)為巖溶作用發(fā)育、斷裂構造發(fā)育水量呈明顯增大趨勢，碳酸鹽類巖溶裂隙水富水率不均一。水溫則受熱儲層埋藏深度控制，經(jīng)計算，該區(qū)一般地溫梯度為2.47 ℃/100 m，熱儲溫度一般在55～100 ℃。經(jīng)水質(zhì)分析，研究區(qū)碳酸鹽巖類巖溶裂隙熱儲的地熱井水化學類型SO4·Cl—Na·Mg型等，礦化度一般大于1 g/L，具有較好的醫(yī)療用熱礦水資源，也可作為市政供暖需要。

2.2.2 熱儲蓋層

在斷陷盆地內(nèi)奧陶系碳酸鹽巖類熱儲上覆有巨厚的第四系、新近系、三疊系、二疊系地層，地層巖性為碎屑巖，各粒級巖石地層交互出現(xiàn)形成了儲蓋結合的地熱系統(tǒng)。

2.2.3 熱儲壓力

對已施工的7口井進行分析，該區(qū)熱水井靜止水位埋深6～83 m，靜水位標高為315～363 m，由此可見，韓城斷陷盆地屬同一個水文地質(zhì)單元，均屬于奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水，熱儲壓力較高，能滿足研究區(qū)地熱資源的開發(fā)利用。

3 巖溶地熱資源潛力評價

3.1 評價范圍

主要評價奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙開采區(qū)內(nèi)的地熱資源儲量，計算范圍南部以合陽縣與研究區(qū)地界為界，西部以F1斷裂為界，東部以西禹高速(G5)以西100 m為界。按照奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙熱儲層頂板埋深分為4個區(qū)塊進行評價，埋深分別為區(qū)塊Ⅰ：1 500～2 000 m、區(qū)塊Ⅱ：2 000～2 500 m、區(qū)塊Ⅲ：2 500～3 000 m、區(qū)塊Ⅳ：3 000～3 500 m，如圖3所示。

圖3 熱資源量估算區(qū)塊劃分及計算圖

3.2 熱資源量估算

采用熱儲法估算熱儲層資源總量[8]。

3.2.1 計算公式

計算公式見式(1)、式(2)。

C=ρrCr(1-φ)+ρwCwφ

(1)

Qr=A×d×C×(Tr-T0)

(2)

式中，C為熱儲巖石和水的平均比熱容，J/(m3·℃)；ρr為熱儲巖石密度，kg/m3；Cr為熱儲巖石比熱容，J/(kg·℃)；ρw為地熱水密度，kg/m3；Cw為水的比熱容，J/(kg·℃)；φ為熱儲巖石的孔隙度，無量綱；Qr為熱儲中儲存的熱量，J；A為計算區(qū)面積，m2；d為熱儲厚度，m；Tr為熱儲溫度，℃；TO為當?shù)啬昶骄鶜鉁兀妗?/p>

3.2.2 計算參數(shù)

計算區(qū)面積：利用繪圖軟件量算區(qū)塊Ⅰ～Ⅳ面積。

熱儲厚度：參考《地熱資源評價方法》(DZ40—1985)[9]，40 ℃為中低溫熱水下限溫度，故選取40 ℃以上的水作為熱水資源估算，即利用平均地溫梯度計算熱儲頂界40 ℃埋深等溫面，當頂板埋深大于40 ℃埋深等溫面時，以熱儲頂板為頂界，以熱儲底板為底界，根據(jù)奧陶系碳酸鹽巖熱儲頂板埋深等值線圖計算，各區(qū)塊熱儲層地溫均大于40 ℃，據(jù)此選定奧陶系碳酸鹽巖熱儲層厚度約為500 m。熱儲溫度計算公式為

Tr=T0+(D中-D0)G/100

(3)

式中,Tr為熱儲溫度，℃；T0為常溫帶溫度；取15 ℃；D中為取水段中點深度，m；D0為常溫帶深度，取30 m；G為平均地溫梯度，℃/100 m；取該區(qū)地溫梯度2.47 ℃/100 m。

根據(jù)上述公式分別計算各區(qū)塊熱儲溫度(圖3)，為簡化計算，選擇區(qū)塊I熱儲溫度平均值約為60 ℃，區(qū)塊Ⅱ為71℃，區(qū)塊Ⅲ為83 ℃，區(qū)塊Ⅳ為94 ℃。平均體積比熱容確定見表1。

表1 平均體積比熱容確定表

3.2.3 計算結果

經(jīng)計算，區(qū)塊I地熱資源總量為3.17×1018J，區(qū)塊Ⅱ地熱資源總量為4.10×1018J，區(qū)塊Ⅲ地熱資源總量為5.08×1018J，區(qū)塊Ⅳ地熱資源總量為6.43×1018J，合計地熱資源總量為18.76×1018J，相當于6.41×108t標準煤。

3.3 可回收熱資源量

由熱儲法計算的資源量不可能全部開采出來，只能開采出一部分，能被開采的這部分資源量即是可回收資源，其計算公式為

Qwh=RE×Qr

(4)

式中，Qwh為可回收的地熱資源量，J；Qr為熱儲層的地熱資源量，J；RE為熱回收率，%。參考《地熱資源評價方法(DZ40-85)》，區(qū)塊巖溶裂隙類熱儲熱回收率為15%。經(jīng)計算，可回收利用的碳酸鹽巖類巖溶裂隙熱儲資源量為2.81×1018J，相當于0.96×108t標準煤。

4 結論

(1)所選研究區(qū)的地熱井水量受巖溶作用、F1斷裂及次級斷裂控制，表現(xiàn)為巖溶作用發(fā)育、斷裂構造發(fā)育水量呈明顯增大趨勢，碳酸鹽類熱儲富水率不均一。建議后期開發(fā)利用階段加強物探勘查和地質(zhì)評價工作。

(2)研究區(qū)地熱水水溫受奧陶系灰?guī)r熱儲層埋藏深度控制，經(jīng)計算，該區(qū)一般地溫梯度為2.47 ℃/100 m，熱儲溫度一般在55～100 ℃。

(3)經(jīng)水質(zhì)分析，研究區(qū)碳酸鹽巖類巖溶裂隙熱儲的地熱井水化學類型SO4·Cl—Na·Mg型等，礦化度一般大于1 g/L，具有較好醫(yī)療用熱礦水資源，也可作為市政供暖需要。

(4)研究區(qū)地質(zhì)條件優(yōu)越，中深層巖溶裂隙地熱資源豐富，熱儲具備“水量大、水位淺、水溫高、易回灌”四大優(yōu)勢，具備良好的綜合開發(fā)利用條件。

(5)研究區(qū)采用地熱能供暖，具有較好的環(huán)保效益和社會效益。經(jīng)計算，以每100萬m供暖建筑為例，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，可替代標準煤2.95萬t，減少CO2排放量7萬t，減少SO2排放量5 000 t。

(6)按照上述可回收利用的碳酸鹽巖類巖溶裂隙熱儲資源量2.81×1018J，經(jīng)計算，若對研究區(qū)輻射供熱建筑面積1 200萬m3，服務年限約410年。