鄭州市經開區地熱資源分布及開發利用研究

黃繼超，榮富強，王鐵霖

（1.河南省地質礦產勘查開發礦局第二地質環境調查院，河南 鄭州 450003；2.三門峽市自然資源和規劃局，河南 三門峽 472000）

1 引言

鄭州市經濟技術開發區蘊藏有較豐富的地熱資源，地熱資源的合理有序開發對提高人民生活質量和城市品位，營造良好的投資環境，促進鄭州市綠色城市建設和經濟發展，帶動以鄭州為中心的中原城市群經濟的快速崛起有著十分重要的意義。

2 地熱地質條件

2.1 熱儲邊界條件

鄭州經濟技術開發區地熱田以老鴉陳斷層為西邊界，鄭州市萬三公路為東邊界，隴海鐵路為北邊界，鄭民高速以南1 km為南邊界，鄭州經濟技術開發區地熱田總面積為158.50 km2。

老鴉陳斷層屬于西部半隔水邊界，東部邊界、北部邊界屬于無限擴展邊界，南部屬于半無限擴展邊界，見圖1。

圖1 地熱邊界分布簡圖

2.2 熱褚特征及埋藏條件

研究區新近系地層在工作區分布較為普遍，根據目前地熱井開采深度和熱儲埋藏深度，鄭州經濟技術開發區熱儲類型分為明化鎮組熱儲（埋深350～800 m）、館陶組熱儲（埋深800～16 000 m）。

2.2.1 明化鎮組熱儲

指埋藏深度在350～800 m以內，總厚度24.30～226.30 m，平均厚155.30 m。滲透系數0.49～2.64 m/d，平均1.46 m/d；導水系數35.20～273 m2/d，平均141 m2/d；平均壓力傳導系數4.10×104m2/d；彈性釋水系數3×10-7～3.80×10-3，平均3.44×10-3；單位涌水量1～3（m3/h·m）。一般井口水溫25℃～39℃。

2.2.2 館陶組熱儲

指埋藏深度800～1 600 m。熱儲層為新近系館陶組下段湖相沉積物，巖性以細砂、中細砂為主，含水層組頂板埋深807.60～943.50 m，總厚度86～187 m。導水系數17.32～33 m2/d，平均25 m2/d；壓力傳導系數平均為2.78×104m2/d；彈性釋水系數平均為8.99×10-4；單位涌水量一般小于1.00（m3/h·m），多數在0.50（m3/h·m），局部大于1（m3/h·m）。井口水溫40℃～48℃。

2.3 熱下熱水水位動態特征

2.3.1 明化鎮組熱儲地下熱水水位動態特征

研究區多年來地下水位處于連續下降狀態。如鄭安花園小區（YS32）720 m地熱井，2012-2018 年，地下水位由31.37 m，下降至84.76 m，平均年降幅8.89 m。其中最小年變幅0.87 m，最大年變幅11.03 m。

從水位年內變化分析，枯水期（4月份）水位埋深83.60 m，豐水期（8月份）水位埋深84.30 m。可見年內水位變化主要受控于開采量增減變化，豐水期反而水位持續下降，屬典型的開采型動態特征。

2.3.2 館陶組熱儲地下熱水水位動態特征

研究區礦業集團家屬院（YC67）地熱井，井深1 015.00 m，2012 年水位埋深80.53 m，2018 年水位埋深145.85 m，年平均年降幅10.88 m。從水位年內變化分析，枯水期（4月份）水位埋深135.60 m，豐水期（8月份）水位埋深138.70 m。可見年內水位變化主要受控于開采量增減變化，豐水期反而水位持續下降，屬典型的開采型動態特征。

3 地熱資源及淺層地溫能評價

3.1 地熱資源評價

地熱資源計算按照地熱地質單元劃分，見圖2。分別計算鄭州經濟技術開發區明化鎮組（350～800 m）和館陶組（800～1 600 m）地熱資源，所計算的地熱資源量、預可開采量及其可利用的熱量均相當于推斷儲量。

圖2 鄭州經濟技術開發區地熱熱儲面積計算分區圖

工作區明化鎮組熱儲層中儲存熱總量9.11×1017J，地熱流體資源總量6.51×109m3，地熱流體中儲熱總量3.98×1017J；工作區館陶組熱儲層中儲存熱總量3.01×1018J，地熱流體資源總量9×109m3，地熱流體中儲熱總量1.28×1018J。明化鎮組熱儲區年可開采熱水量1.63×107m3/a，年可利用熱水中熱能2.76×108kWt；館陶組熱儲區年可開采熱水量1.79×107m3/a，年可利用熱水中熱能7.12×108kWt。具體地熱資源量及年可開采量情況，見表1。

表1 地熱資源可開采量計算成果一覽表

3.2 淺層地溫能資源評價

鄭州經濟技術開發區處于黃河沖積平原，淺層含水層巖性由中粗砂、中細砂、細砂組成，含水層頂板埋深10～30 m，底板埋深40～50 m，含水層由3～6 層中砂、細砂、細粉砂組成，自上而下由細變粗，厚度10～25 m，單井涌水量20～50 m3/h。頂板埋深50 m 以下至150 m 的中深層含水層組，含水層總厚度12～56 m，由3～6 層細砂、中砂組成。單位涌水量25～57.50（m3/h·m）。淺層地熱能利用層位淺，單井出水量較大，水質一般，適宜淺層地熱能利用。因此，鄭州市淺層地熱能資源豐富，開發利用條件良好。

3.2.1 計算原則

計算范圍為地埋管適宜區和較適宜區內，恒溫帶深度至150 m以淺第四系與新近系松散層厚度。

3.2.2 計算方法

將工作區150 m以淺地層概化為均勻層狀，按照穩定傳熱條件計算U型地埋管的單孔換熱功率，然后根據單孔換熱功率計算評價區換熱功率。

3.2.3 計算結果

根工作區地埋管地源熱泵功率計算結果見表2。

表2 地埋管地源熱泵換熱功率計算成果表

3.3 對比評價

熱資源可開采量計算成果見表3。

表3 地熱資源可開采量計算成果一覽表

4 地熱資源開發利用評價

4.1 地熱資源現狀開采量統計

目前開發區地下水年總開采量為726.80×104m3/a，其中，淺層（井深50～100 m）地下水年開采量為64.80×104m3/a，中深層（井深150～500 m）地下水年開采量為447×104m3/a ，明化鎮組（熱儲層深600～800 m）地熱礦泉水年開采量為150×104m3/a，館陶組（熱儲層深800～1 600 m）地熱礦泉水年開采量為290×104m3/a，則各層分別占地下水開采總量的6.81%，46.96%，15.76%和30.47%。

4.2 開發利用可行性評價

鄭州經濟技術開發區地熱田新近系底板埋深700～1 600 m，成井深度800～1 200 m，向東延伸之中牟邊界成井深度達到1 800 m。就成井深度考慮開采成本，部分地熱井井深小于1 000 m，為開采最經濟的，部分地熱井井深大于1但小于2 000 m，為開采經濟的地熱井。

4.3 開發利用潛力分析

研究區，集中區地熱水開采潛力指數1.05介于1.20～0.80之間，屬于采補平衡，不建議對該區進行大規模的地熱開發。分散開采區地熱水開采潛力指數P=25.80＞1.20 ，屬于有開采潛力區，可以擴大開采，可增加允許開采量為11.20×104（m3/km2.a），屬于潛力中等區。工作區內后張莊村以東可以列為重點勘查開發區。

5 地熱資源開發利用環境影響評價

5.1 大氣環境影響評價

研究區沉積盆地地熱田地熱流體屬低溫地熱資源中的溫水，地熱流體中不含二氧化碳（CO2）和硫化氫（H2S）等非凝氣體。因此，開發利用沉積盆地地熱田地熱資源，不會對大氣環境造成污染。

5.2 水環境影響評價

根據《污水綜合排放標準》調查鄭州市水質分析匯總資料，井口水溫27.20℃～35℃，絕大多數水井水溫超標，其它評價指標均符合污水排放標準。800～1 200 m 的深井，井口水溫31℃～46.50 ℃，水溫全部超標，PH值、溶解性總固體各有1眼井超標，其它評價指標均符合污水排放標準。

5.3 地面塌陷影響評價

對地下熱儲層水資源開發仍然要采取謹慎態度，以防止長期大規模開采地熱水，更應密切注意并防止超采，建議應加強不同開采層位的地面變形監測。

6 結語

研究區明化鎮組熱儲層中儲存熱總量9.11×1017J；館陶組熱儲層中儲存熱總量3.01×1018J；150 m 以淺土壤源地源熱泵換熱功率為5.40×1010kWt/a；大部分地區地熱井地熱流體單位產量10～50 m3/（d·m），為較適宜開采區，空間分布上呈現出東部（后張莊村以東）優于西部的趨勢。工作區內后張莊村以東可以列為重點勘查開發區；地熱資源開發利用不會對大氣環境和水環境造成污染；目前開采條件下，不易產生地面沉降問題。今后，應繼續謹慎和科學合理地開采地熱水，嚴格防止長期大規模超采熱儲層水資源。應重視因熱儲壓力下降，導致地面變形和沉降的問題。