山東省菏澤鄆城地區地熱資源賦存條件評價

閻蓓蓓　李新鳳　楊劍　楊玉剛　王雪蓮　王濤　李孝朋

摘要：山東省菏澤鄆城地區地熱資源豐富，主要賦存于奧陶系和寒武系灰巖中，為估算評價該區的地熱資源，在收集資料、野外勘查的基礎上，施工1眼地熱井，結合收集該區30余眼地熱井資料，基本查清了鄆城地區的地熱賦存條件，確定奧陶系和寒武系熱儲為本次研究對象，對鄆城地區地熱流體質量進行了評價，地熱資源量進行了計算。評價結果，為持續做好鄆城地區地熱資源開發利用工作，帶動當地經濟發展，構建能源節約型社會提供了數據支持。

關鍵詞：地熱資源；奧陶系熱儲；寒武系熱儲；菏澤鄆城；山東省

中圖分類號：P314.1文獻標識碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.002

0引言

地熱資源集熱能和水資源為一體，由于其溫度適宜，且富含多種于人體有益的礦物質，在取暖、洗浴、工業、醫療、水產養殖等領域具有廣泛的應用價值［17］，是繼太陽能和風能之后的又一種可供人們開發利用，并且具有巨大發展前景的新型綠色環保資源，是我國能源發展戰略和政策的重要內容之一［814］。

鄆城地處山東省西部經濟隆起帶，屬于山東省唯一入選全國首批新型城鎮化綜合試點縣，鄆城地區地熱資源豐富，開采條件好，開發潛力大［15］，利用前景廣闊，查清鄆城地區地熱資源的賦存條件并對地熱資源進行計算和評價，對解決鄆城地區供暖問題、優化能源結構、助力實現“雙碳”目標具有十分重要意義。

1區域地質背景

1.1地層

研究區屬華北平原地層區魯西地層分區。全區被第四系覆蓋區，區內隱伏地層發育較齊全，從老到新依次分布有寒武系、奧陶系，石炭二疊系，古近系、新近系和第四系（圖1）。

（1）寒武系。本區寒武系發育長清群和九龍群。長清群：自上而下為朱砂洞組、饅頭組共厚160～240m。九龍群：自下而上分為張夏組、崮山組、炒米店組、三山子組，共厚285～450 m。

（2）奧陶系。本區奧陶系發育三山子組和馬家溝群。三山子組：灰巖為主，厚100 m左右。馬家溝群：純灰巖和泥質灰巖、白云巖及白云質灰巖互層的組合，厚400 m左右。

（3）石炭二疊系。本區奧陶系發育月門溝群和石盒子群。月門溝群：泥巖和粉砂巖為主，厚220～290m。石盒子群：泥巖、粉砂巖和砂巖為主，厚度140 m左右。

（4）古近系。研究區東北部發育古近系發育官莊群，泥巖、砂巖、礫巖為主，厚度約380m。

（5）新近系。本區新近系隱伏于第四系以下，在區內皆有分布，厚度約400m左右。

（6）第四系。在全區皆有分布，為雜色黏土、黏土質砂、砂、砂礫石層，厚度較大，一般在220m左右。

1.2構造

研究區內斷裂主要有鄆城斷裂、曹縣斷裂和巨野斷裂。

2地熱地質條件

鄆城位于菏澤凸起地熱田，研究區內熱儲主要為奧陶系熱儲和寒武系熱儲，奧陶系地熱資源為溫熱—熱水型低溫地熱資源，寒武系屬溫水型低溫地熱資源，熱儲呈層狀結構。

2.1熱儲特征

（1）奧陶系熱儲。研究區主要熱儲層為奧陶系石灰巖層狀熱儲，熱儲頂板埋深700～1300m，石炭二疊系、新近系、第四系共同組成熱儲蓋層，蓋層巖性由多層黏性土、砂性土、砂層、黏土巖、泥巖組成，隔熱性能好，為良好的熱儲保溫層（圖2）。據本次施工的地熱井（DRK）測井資料并結合區域其他30余眼地熱井資料，研究區內奧陶系熱儲含水層厚度100～164.3m，含水層平均孔隙度為6.28%～12.93%，滲透率為（0.10～24.56）×10¹⁴m²。區內熱儲埋藏深度適中，蓋層厚度一般在700～1300 m之間，單井出水量40～320 m³/h，井口水溫一般介于43～53℃之間，地熱水水化學類型主要為SO₄Ca 型，屬溫熱熱水型低溫地熱資源。

（2）寒武系熱儲。研究區內寒武系含水層（主要為二類、三類裂縫層）厚度33.6m，頂底板埋深1700～2400m，含水層平均孔隙度為1.51%，滲透率為（0.10～0.35）×10¹⁴m²，綜合測井熱儲溫度51.27～60.95℃，單井出水量7.2 m³/d，礦化度3～4g/L，水化學類型為SO₄Ca型，水溫60℃左右，屬溫水型低溫地熱資源。

2.2地溫梯度特征

（1）水平變化特征。研究區地溫梯度變化較大，在1～4℃/100 m之間。受斷裂影響研究區地溫梯度在F₀斷裂、F₁斷裂和鄆城斷裂附近較高，最高可達3.0～4.0℃/100 m；F₀斷裂以東，由西北向東南方向遞增；研究區整體上，西部地溫梯度高于東部。

（2）垂向變化特征。地溫在垂向上的變化規律是在恒溫帶以下，地溫隨深度的增加而增加。本次施工的DRK地熱井深2177.02 m，垂向變化特征見圖3，結合研究區已有的30余眼地熱井資料，本區奧陶紀地層溫度為49～50℃，地溫梯度值偏小，平均地溫梯度值1℃/100m左右。寒武紀地層溫度為50～60.95℃，平均地溫梯度值1.66℃/100m左右。

2.3地熱水水化學特征

本次DRK地熱井分層抽水取DRK奧陶及DRK寒武水樣進行分析測試，結果顯示，兩層地熱流體的水化學特征基本一致，水化學類型均屬SO₄Ca·Na型。

（1）常規離子成分。地熱流體礦化度一般在3490.64～4361.38mg/L，DRK奧陶平均值為3623.10mg/L，DRK寒武平均值為3600.35mg/L，屬咸水；pH為6.80～7.80，DRK奧陶平均值為7.6，DRK寒武平均值為6.8；全硬度（CaCO₃計）2052.50～2534.58mg/L，DRK奧陶平均值為2097.33mg/L，DRK寒武平均值為1857.42mg/L，屬極硬水；地熱水中主要陽離子為Na⁺和Ca²⁺，其含量介于180.00～360.00mg/L和606.76～723.60mg/L間，DRK奧陶Na⁺和Ca²⁺平均值分別為357.77mg/L，634.58mg/L，DRK寒武Na⁺和Ca²⁺平均值分別為413.75mg/L，546.39mg/L；陰離子主要為Cl和SO24，其含量一般在229.19～383.02mg/L和2014.51～2547.08mg/L間，DRK奧陶Cl^-和SO^2-₄平均值分別為320.89mg/L，2023.01mg/L，DRK寒武Cl^-和SO4^2-平均值分別為348.26mg/L，2095.04mg/L，見表1。

（2）微量元素。地熱流體由于深層循環過程中的水—巖相互作用，同時受到高溫對溶濾作用的影響，地熱水中含有豐富的微量元素組分，根據DRK地熱井，奧陶熱儲鍶13.19mg/L，偏硅酸31.78mg/L。但從化驗測試結果中可以看出污染元素含量大部分低于檢出限（表2）。

（3）放射性元素及其特征。放射性元素含量總體上可以表明放射性元素的含量高，地熱能大的特點，本區放射性元素較其他地下水偏高，DRK奧陶、DRK寒武地熱水的放射性同位素含量見表3。

（4）同位素及其特征。地下水氚的含量一般情況下僅受衰變規律的影響，而不發生與巖石介質的交換，可以利用氚計算地下水的年齡、確定含水層的補給源和速度［1617］。一般采用經驗法估算地下水的年齡，通常是根據地下水是否受到了核爆的標記，將地下水形成時間分為核試驗前與核試驗后2個階段［1819］。天然情況下大氣降水的氚濃度為10TU，對此類地下水進一步劃分如表4所示。

DRK奧陶地熱流體氚的含量為（2.2±0.8）TU，DRK寒武地熱流體氚的含量為（1.4±0.8）TU，即DRK奧陶、DRK寒武地熱流體1953年以前的補給水與近代補給水的混合水。

3地熱流體質量評價

依據《地熱資源評價方法及估算規程》（DZ/T0331—2020）附錄F《理療熱礦泉水水質標準》，奧陶系地熱流體偏硅酸達到礦水濃度標準，寒武系地熱流體鍶元素達到命名標準，鋰元素達到命名標準。DRK井井口溫度為50℃，根據地熱資源溫度分級，該區地熱資源為低溫地熱資源，溫水型，可用于理療、洗浴、溫室、養殖。

根據《生活飲用水衛生標準》（GB5749—2006），DRK地熱井奧陶系熱儲地熱流體中檢測到的項目總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物超標，不能作為生活飲用水；DRK地熱井寒武系熱儲地熱流體中檢測到的項目總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、色度、錳元素超標，不能作為生活飲用水。

根據《農田灌溉水質標準》（GB5084—2021），DRK地熱井奧陶系及寒武系該地熱流體溫度、溶解性總固體均超標，均不可作為農田灌溉用水。

根據《漁業水質標準》（GB11607—89），DRK奧陶系熱儲地熱流體中NH+4、氟化物超標，寒武系熱儲地熱流體中NH+4超標，均不宜直接作為漁業用水。

DRK井奧陶系熱儲地熱流體的pH為7.1，為堿性水，本次K_k取值選用公式K_k=1.008（rMg²⁺－rHCO₃^-），經計算，K_k=15.60＞0，鍋垢總量H₀=1442.13＞500，即DRK井奧陶系熱儲地熱流體為腐蝕性鍋垢較多地熱水；DRK井寒武系熱儲地熱流體的pH為6.8，為堿性水，本次K_k取值選用公式K_k=1.008（rH⁺+rAl³⁺rMg²⁺+rFe²⁺-rHCO₃^--rCO^2-₃），經計算，K_k=16.03＞0，鍋垢總量H₀=1242.42＞500，即DRK井寒武系熱儲地熱流體為腐蝕性鍋垢較多地熱水，因此在地熱水開發利用過程中要考慮地熱水對金屬的腐蝕性。

4地熱資源計算

4.1地熱資源量計算

依據研究區內斷裂分布及熱儲埋深不同，把研究區分為4個分區（圖4）。依據施工的探采孔結合野外調查結果，按《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615—2010）的規定，采用熱儲法進行計算。采用熱儲法估算公式（1）—公式（6）為：

Q=Q_r+Q_w（1）

Q_r=Adρ_rC_r（1-φ）（t_r-t₀）（2）

Q_L=Q₁+Q₂（3）

Q₁=Aφd（4）

Q₂=ASH（5）

Q_w=QLρ_wC_w（t_r-t₀）? ? （6）

式中：Q—熱儲中儲存的熱量（J）；Q_r—巖石中儲存的熱量（J）；Q_L—熱儲中儲存的水量（m³）；Q₁—截止到計算時刻，熱儲孔隙中熱水的靜儲量（m³）；Q₂—水位降低到目前取水能力極限深度熱儲所釋放的水量（m³）；Q_w—水中儲存的熱量（J）；A—計算區面積（m²）；d—熱儲厚度（m）；t_r—熱儲溫度（℃）；t0—當地年平均氣溫（℃）；ρ_r、ρ_w—分別為熱儲巖石和地熱水的密度（kg/m³）；C_r、C_w—分別為熱儲巖石和水的比熱（J/kg·℃）；φ—熱儲巖石的孔隙度，無量綱；S—彈性釋水系數，無量綱；H—計算起始點以上高度（m）。

本次研究t₀取14.0℃，彈性釋水系數S參數采用抽水試驗Theis曲線配線法計算，彈性釋水系數為9.025×10^-4；奧陶系熱儲厚度取56.4m，依據DRK地熱井的測井資料統計，寒武系二類裂隙為8.2m，無一類裂隙，寒武系熱儲總厚度估算為8.2m；各分區奧陶系熱儲層溫度以區內地熱井或鄰區地熱井實際井口溫度當作其熱儲溫度，但考慮到Ⅰ區各地熱井靠近F1斷裂附近，而其西部奧灰埋深較淺，部分熱儲隱伏與第四系以下，運用內插法計算，Ⅰ區取經驗值40℃；根據DRK測溫資料知，寒武紀地層地溫梯度值約1.66 ℃/100m，故各分區寒武系熱儲的溫度利用各分區奧陶系熱儲的溫度及寒武系地層的地溫梯度值計算；根據《地熱資源評價方法》（GB/T 11615—2010）附錄C以及用內插法求得灰巖的比熱容和不同溫度下水的密度；依據DRK測井資料，研究區奧陶系熱儲層孔隙度取7.5%，寒武系熱儲的孔隙度Ⅰ區取1.52%，其余各區取鄰區經驗值2.5%。計算結果顯示（表5），研究區內奧陶系熱儲地熱資源總量為11.836×10¹⁷J，奧陶系熱儲中儲存的水量Q_L為10.518×10⁸m³；寒武系熱儲地熱資源總量為2.261×10¹⁷J，寒武系熱儲中儲存的水量QL為0.854×10⁸m³。

4.2地熱產能計算與評價

按照《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615—2010）要求，依據地熱流體開采量所采出的熱量，按式7、式8計算地熱田的產能：

W_t=4.1868Q（t-t₀）? ? ?（7）

∑W_t=86.4D W_t/K? ? ? （8）

式中：W_t—熱功率（kW）；Q—地熱流體可開采水量（m³/h）（本次按照“以灌定采”的原則估算地熱流體可開采水量，據對研究區地熱資源開發利用現狀的調查，區域內地熱資源回灌量為12650m³/d，合527.08 m³/h，本次把區內地熱流體可開采量估算為146.41L/s）；t—地熱流體溫度（℃），本次計算取50℃；t0—當地年平均氣溫，本次計算取14.0℃；4.1868為單位換算系數；∑W_t—開采一年可利用的熱能（MJ）；D—全年開采日數（按24h換算），本次按采暖季取120d；86.4—單位換算系數；K—熱效比（按燃煤鍋爐的熱效率0.6計算）。

經計算，研究區內地熱產能約為22067.62 kW，開采一年可利用的熱能為3.81×108 MJ，屬于中、低溫中型地熱田，地熱水開采一年可獲得熱量與之相當的節煤量1.3萬t/a。

5結論

（1）研究區內地熱資源主要賦存于奧陶系和寒武系熱儲中。

（2）研究區奧陶系地熱資源為溫熱熱水型低溫地熱資源，寒武系屬溫水型低溫地熱資源。

（3）研究區地熱水可用于理療、洗浴、溫室、養殖，不能用于生活飲用、農田灌溉、漁業，屬腐蝕性鍋垢較多地熱水。

（4）研究區內奧陶系熱儲地熱資源總量為11.836×10¹⁷J，奧陶系熱儲中儲存的水量Q_L為10.518×10⁸m³；寒武系熱儲地熱資源總量為2.261×10¹⁷J，寒武系熱儲中儲存的水量Q_L為0.854×10⁸m³。研究區地熱產能約為22067.62kW，開采一年可利用的熱能為3.81×10⁸MJ，屬于中、低溫中型地熱田，地熱水開采一年可獲得熱量與之相當的節煤量1.3萬t/a。

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Study on Characteristics of Geothermal Resources

in Yuncheng Area in Heze City

YAN Beibei，LI Xinfeng，YANG Jian，YANG Yugang，WANG Xuelian，WNAG Tao，LI Xiaopeng

（Geophysical Prospecting and Surveying Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau，Shandong Ji'nan 250104， China）

Abstract： Yuncheng area is rich in geothermal resources， which are mainly stored in the Ordovician and Cambrian systems. In order to estimate and evaluate geothermal resources in this area， one geothermal well has been constructed. In combination with the collected data of more than 30 geothermal wells in this area， geothermal occurrence conditions in Yuncheng area have been basically found out， and the Ordovician and Cambrian thermal reservoirs have been determined as the object of this study. The quality of geothermal fluid in Yuncheng area has been evaluated， and the amount of geothermal resources has been calculated. The evaluation provides data support for sustainable development and utilization of geothermal resources in Yuncheng， driving local economic development and building an energy conservation society.

Key words： Geothermal resources; Ordovician thermal reservoir; Cambrian thermal reservoir; Yuncheng city; Shandong province