伊舒斷陷盆地(伊通段)地熱資源儲量計算

孫艷玲，朱時佳，王雅男，朱彤

吉林省地質調查院，吉林 長春 130102

0 引言

隨著社會的進步與發展，人們對能源的需求逐漸增加。同時環境問題越來越明顯，需要加強能源的調整，開發新的能源方式。其中地熱資源得到重視，有著非常重要的現實意義。伊舒斷陷盆地(伊通段) 是典型的熱傳導增溫型層狀熱儲，采用熱儲法計算地熱資源儲量，對伊通縣地熱資源進一步合理開發利用具有指導意義。

1 研究區概況

研究區位于伊通滿族自治縣境內，隸屬四平地區，位于東經125°06′00″～125°27′14″，北緯：43°17′44″～43°34′55″范圍內，面積409.47 km2。北與長春市毗連，南與遼源市接壤，東與磐石市相鄰、西與公主嶺市接界。研究區屬于溫帶大陸性氣候，四季分明，春季干旱多風，夏季濕熱多雨，秋季涼爽溫差大，冬季寒冷漫長。

研究區位于伊通斷陷盆地，西部邊界為產狀近于直立的邊緣控盆斷裂，與大黑山地壘相鄰；東部呈緩坡狀隆起區與那丹哈達嶺相鄰；南部以東遼河斷裂為界，與葉赫斷陷相鄰；北部以伊丹隆起相隔，與鹿鄉斷陷為鄰。熱儲類型為古近系碎屑巖類裂隙孔隙層間承壓水。熱儲層巖性主要為砂礫巖、中粗砂巖及中細砂巖和粉細砂巖。熱儲層埋深奢嶺組900～2 000 m，溫度45.6～80.6 ℃，雙陽組1 500～2 200 m，溫度53.2～64.5 ℃，百米平均地溫梯度為3.0～4.5 ℃左右。地熱流體出口溫度在40～60 ℃范圍內，是目前已知的質量較好的低溫溫熱水型(Ⅳ級)地熱[1]。

2 熱儲模型

工作區距離隔水邊界較遠，且熱儲層分布較廣。因此，可以將邊界概述為穩定的定水頭邊界，熱儲層概述為地層水平的，各向同性的，無限延展的承壓含水體系，地熱井均為完整井。并滿足以下條件：①無垂向補給、排泄，即w=0；②滲流滿足達西定律；③完整井，假定流量沿井壁均勻進水；④水頭下降引起地下水從儲量中的釋放是瞬時完成的；⑤降壓前水頭面是水平的；⑥熱儲層側向無限延伸[2]。在上述假設條件下，降壓后將形成以井軸為對稱軸的下降漏斗，將坐標原點放在熱儲層底板降壓井的井軸處，井軸為 Z 軸，此時，單井定流量的承壓完整井流，可歸納為如下的數學模型：

(1)

式中：Q——地熱井涌水量(m3/d);

r——半徑(m);

s——降深(m);

T——導水系數(m2/d)。

上述數學模型經過推導可得出Thiem公式：

當u≤0.01時，Thiem 公式可簡化為Jacob公式;

3 地熱資源分區

根據本區水文地質特征、構造特征及物源補給條件，劃分為兩個地熱田及一個空白區，地熱田邊界按照沉積邊界劃定[3]。兩個地熱田分別為馬鞍山地熱田、三家子地熱田。其中，馬鞍山地熱田位于莫里青斷陷，物源為西北方向，面積為69.43 km2。三家子地熱田位于鹿鄉斷陷南側，物源為東北方向，面積為105.18 km2?？瞻讌^內地熱資源匱乏，不計入儲量。

各地熱田按照富水性等級劃分不同的計算分區。富水性等級嚴格受沉積砂層厚度、巖性和埋藏深度等地質特征控制。區內主要熱儲層為永吉組、奢嶺組及雙陽組。結合已施工鉆孔、收集鉆孔及古地理環境圖，確定熱儲層厚度分布。按照已有鉆孔降壓試驗結果確定單井涌水量。綜合考慮上述劃分標準，將富水性等級劃分為較富集區、中等區及貧乏區。其中，貧乏區水量小，基本無開發利用價值，因此，貧乏區只計算儲量，不計算開采量。

各亞區及富水性等級分區分布情況及依據見表1、圖1。

圖1 伊通縣地熱資源計算分區圖Fig.1 Calculation zoning map of geothermal resources in Yitong County1.熱儲等級界線；2.C級評價區；3.D級評價區；4.代表鉆孔；5.地熱田邊界

表1 伊通縣地熱亞區分布簡表

4 主要計算參數

本次地熱資源普查為地熱資源預可行性勘查及調查階段，勘查區面積409.47 km2，熱儲分布面積174.61 km2，施工地熱井5眼，根據《地熱資源評價方法及估算規程》(DZ/T0331-2020)[4]，利用熱儲法計算儲量需要確定的參數主要有熱儲面積及范圍、熱儲厚度、熱儲溫度及其他流體參數(表2)。

表2 伊通縣地熱資源計算分區表

4.1 地熱資源評估范圍

地熱資源分布總面積為174.61 km2，其中馬鞍山地熱田面積為69.43 km2，三家子地熱田面積為105.18 km2。控制的(C級)面積由已有地熱井影響半徑圈定范圍，推斷的(D級)面積由地熱田地質特征確定。各地熱田分區原則及面積參照表1、表2。

4.2 熱儲溫度

本次熱儲溫度采用地熱流體的儲層溫度計算。對于施工鉆孔，取地熱井揭露熱儲層的測井平均溫度計算。對于收集石油鉆孔，有測井數據的，按照測井數據中溫度平均值計算；無測井數據但有出口溫度的，可根據出口溫度推算。依據經驗數據，一般熱儲層內水流至出水口的熱損耗溫度值為2～5 ℃。對于既無測井數據也無出口溫度的，按照平均地溫梯度，推算儲層深度的地熱流體溫度[5]。

4.3 熱儲層厚度

根據地熱井測井解釋與錄井資料確定，對于施工鉆孔，根據測井解釋報告，累計1 300～2 500 m內的所有具有儲熱能力的水層厚度總和。對于收集石油鉆井，主要根據鉆孔測井結果中鉆孔柱狀圖推算熱儲層厚度。

4.4 孔隙率

根據地熱井測井解釋與錄井資料確定，對于施工鉆孔，孔隙度數據取自測井解釋報告中孔隙度均值。收集的石油鉆孔，主要按照測井結果中電阻率、自然電位等曲線數據，對比施工鉆孔實測資料，推斷平均孔隙度值。

4.5 地熱流體參數

物理參數按照《地熱資源評價方法》(DZ40-85)中表4選取。砂巖與地熱流體的比熱容分別為1.2 kJ/kg·℃、4.2 kJ/kg·℃， 砂巖與地熱流體的密度分別為2 600 kg/m3、1 000 kg/m3；常溫層為7 ℃。

5 地熱資源儲量計算

本次利用熱儲法計算地熱資源儲量，地熱資源儲量包含地熱流體儲存熱量及巖石中儲存熱量兩部分，其中，地熱流體儲存熱量由地熱流體儲存量計算得出，地熱流體儲存量利用體積法計算，過程如下：

5.1 地熱流體儲存量(Q)

根據計算區的面積、熱儲巖石的孔隙率和熱儲層的厚度，利用體積法計算地熱流體儲存量(表3)。

表3 伊通縣流體儲存量分布表

Q=Aφd

式中：Q——地熱資源靜儲量(m3)；

A——面積(m2) ；

φ——巖石有效孔隙度(無量綱)，取用加權平均值；

d——含水層厚度(m)。

全區地熱流體儲存量為4.51×109m3，其中，馬鞍山地熱田地熱流體儲存量為1.50×109m3，三家子地熱田地熱流體儲存量為3.01×109m3。

5.2 地熱資源儲量(Qw)

地熱資源儲存量包括地熱流儲存熱量及巖石儲存熱量兩部分。

Qw=Q流+Q巖

(1)地熱流體儲存熱量(Q流),利用水的比熱、密度、水溫計算地熱流體儲存熱量，計算公式如下：

Q流=VCwρw(tr-t0)

式中：Q流—地熱流體儲存熱量(kJ)；

V——流體體積(m3) ；

Cw——流體比熱容(kJ/kg·℃)；

ρw——流體密度(kg/m3)；

tr——流體溫度(℃)，取加權平均值；

t0——年平均溫度(℃)。

經計算，全區地熱流體儲存熱量為1.08×1015kJ，其中，馬鞍山地熱田地熱流體儲存熱量為3.47×1014kJ，三家子地熱田地熱流體儲存熱量為7.33×1014kJ。

(2)巖石儲存熱量(Q巖),根據計算區面積、熱儲巖層厚度、巖石的密度和巖石的比熱計算巖石中儲存的熱量。計算公式如下：

Q巖=Vrρrcr(tr-t0)

式中：Q巖—巖石儲存熱量(kJ)；

Vr—巖石體積(m3) ；

Cr—巖石比熱容(kJ/kg·℃)；

ρr—巖石密度(kg/m3)；

tr—巖石溫度(℃)，取加權平均值；

t0—年平均溫度(℃)。

經計算，地熱資源巖石儲存熱量為4.81×1015kJ，其中，馬鞍山地熱田巖石儲存熱量為1.53×1015kJ，三家子地熱田巖石儲存熱量為3.28×1015kJ。

(3)地熱資源儲量(Qw),地熱資源儲量等于地熱流體儲存熱量加上巖石中儲存的熱量之和，是計算區儲存的總熱量。計算結果見表4。

表4 伊通縣地熱資源儲量計算表

經地熱儲存量計算，地熱資源儲量為5.89×1015kJ，其中，馬鞍山地熱田地熱資源儲量為1.87×1015kJ，三家子地熱田地熱資源儲量為4.02×1015kJ。

6 結論

(1)該區地熱資源屬于中低溫地熱田，熱儲類型屬熱傳導增溫型層狀熱儲。根據儲熱層沉積環境、物性、厚度及富水性等地熱地質條件，將本區劃分為兩個地熱田，分別為馬鞍山地熱田、三家子地熱田。

(2)通過熱儲法計算，得出區內地熱資源儲量為 4.51×109m3，換算地熱流體儲存熱量為1.08×1015kJ，巖石中儲存熱量為4.81×1015kJ，地熱資源儲量為5.89×1015kJ。