供暖地?zé)徙@井選址與資源預(yù)測方法研究
——以徐州市泉山區(qū)為例

徐愛民，宋 濤，陸俊杰，韓文斌，易建民，盧 俊

（1.江蘇華東八一四地球物理勘查有限公司，南京 210007；2.中鋁礦業(yè)有限公司，鄭州 450041；3.江蘇省地質(zhì)局，南京 210001）

地?zé)豳Y源是一種可再生的清潔能源，因其廣泛分布、儲量巨大等特點備受關(guān)注。我國的地?zé)豳Y源非常豐富，資源總量約占全球的7.9%，可采儲量相當(dāng)于4 626.5 億t標(biāo)準(zhǔn)煤。當(dāng)前，地?zé)豳Y源開發(fā)利用領(lǐng)域主要為工業(yè)、取暖、浴療及農(nóng)業(yè)等，截至2020 年底，我國地?zé)崮芟M規(guī)模折合7 000 萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，地?zé)峁┡ㄖ评洌┟娣e累計達(dá)到16 億m2[1-3]，已形成產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢。城鎮(zhèn)是人口集中居住區(qū)，有巨大的地?zé)峁┡枨螅珡?fù)雜的城市建筑、地下管網(wǎng)及電磁干擾給地?zé)豳Y源勘查帶來巨大挑戰(zhàn)。基于地?zé)豳Y源勘查，評價區(qū)域地?zé)豳Y源開發(fā)潛力，估算地?zé)豳Y源儲量，是地?zé)峁┡?guī)劃的基礎(chǔ)。本文以徐州市泉山區(qū)（翟山街道）為研究區(qū)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)，通過地球物理勘探分析源、通、儲、蓋等地?zé)岬刭|(zhì)條件，優(yōu)選地?zé)徙@井，結(jié)合鄰近的同類地?zé)徙@井?dāng)?shù)據(jù)，估算并預(yù)測地?zé)豳Y源供熱能力，為地?zé)峁┡尚行匝芯亢瓦h(yuǎn)景規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持，降低投資風(fēng)險。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

如圖1 所示，研究區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺南緣徐-宿弧形斷褶帶中北段中樞部位，結(jié)晶基底由晚太古代-古元古代的沉積巖、中基性火山巖和花崗巖為源巖的變質(zhì)巖組成，基底之上為青白口系-古生界海相碳酸鹽巖夾陸相碎屑巖系為主的脆性變形推覆巖片，上覆沉積蓋層主要為侏羅系-新近系紅色碎屑巖夾火山巖系地層。加里東運動時期區(qū)域抬升，沉積缺失奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系及石炭系下統(tǒng)。地表出露的地層以下古生界寒武系與奧陶系為主，基巖出露面積小，余者多被第四系覆蓋[4-5]。

圖1 區(qū)域大地構(gòu)造及研究區(qū)地質(zhì)簡圖

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 區(qū)域熱背景

我國陸區(qū)巖石圈厚度總體呈東薄西南厚的特征，我國溫泉多分布在熱巖石圈厚度小于150 km的區(qū)域，其中高溫泉主要位于100 km 以內(nèi)更薄的地區(qū)。徐州市巖石圈厚度為85 ～95 km，顯示與高溫地幔流體有相對小的距離。莫霍面深度為35 ～40 km，居理面深度為28 ～34 km，顯示大地?zé)崃饔傻厍蛏畈肯虻厍虮砻鎮(zhèn)鲗?dǎo)具有較好的條件。我國陸區(qū)的大地?zé)崃黝A(yù)測平均值為63.54 mW/m2，徐州市地處華北陸塊區(qū)南部，大地?zé)崃髦翟?0 ～65 mW/m2。徐州市井溫實測資料顯示，淺部1 600 m 以內(nèi)平均地溫梯度為17.4 ～25.0 ℃/km，1 600 ～2 000 m 平均地溫梯度大于43 ℃/km，深部具明顯的地溫梯度異常。研究區(qū)東南部約8 km 的潘塘盆地內(nèi)揭露燕山早期的中酸性侵入巖和中基性火山巖。徐州市區(qū)周邊無溫泉集中出露區(qū)，沒有明顯的地表釋熱形跡。區(qū)域熱背景具有較好的條件，但地表未有明顯的地?zé)岙惓１憩F(xiàn)，反映徐州市的地?zé)豳Y源勘探工作應(yīng)重點關(guān)注深部。

2.2 地?zé)豳Y源成礦條件

目前，江蘇省以開發(fā)水熱型低溫地?zé)豳Y源為主，根據(jù)賦存狀態(tài)及成因，江蘇省水熱型地?zé)豳Y源大致可分為盆地傳導(dǎo)型和構(gòu)造對流型兩大類。下?lián)P子地塊淺部的盆地和斷凹內(nèi)分布中新生代以來的砂礫巖、火山巖等具有較好孔隙度的巖石，其中賦存的地下水經(jīng)深部傳導(dǎo)的地?zé)嶂苯蛹訜幔纬膳璧貍鲗?dǎo)型地?zé)豳Y源；下?lián)P子地塊褶皺隆起區(qū)、蘇魯造山帶、華北地臺南緣經(jīng)歷印支-燕山期多期構(gòu)造運動或巖漿活動的改造，斷裂發(fā)育、脆性巖石破碎、巖溶發(fā)育等有利構(gòu)造因素為地?zé)崃黧w的循環(huán)、熱量的運移提供良好條件，形成構(gòu)造對流型地?zé)豳Y源。

2.2.1 控?zé)釋?dǎo)熱構(gòu)造

受印支期揚子板塊向華北板塊擠壓和后期重力滑覆作用影響，徐州市構(gòu)造發(fā)育，主要體現(xiàn)在軸向呈弧形展布的褶皺褶曲與逆（沖）斷層的廣泛分布。北東向斷層穿過研究區(qū)，東南側(cè)上盤的奧陶系下統(tǒng)蕭縣組-馬家溝組逆沖于北西側(cè)下盤的馬家溝組之上，斷層上下盤均為寒武系-奧陶系碳酸鹽巖組成的褶皺構(gòu)造，是徐-宿弧形構(gòu)造的經(jīng)典模式。北東向深大斷裂導(dǎo)通深部熱源，是良好的導(dǎo)熱構(gòu)造。北西西走向的廢黃河斷裂（帶）是研究區(qū)附近的水源地集中分布帶，巖溶裂隙發(fā)育，富水性好，單井涌水量多大于3 000 m3/d。徐州市泉山區(qū)具有良好的北東向斷層導(dǎo)熱構(gòu)造，鄰近北西西向?qū)幔ㄋ?gòu)造，具備較好的通道條件。

2.2.2 熱儲層與熱儲構(gòu)造

實測重力資料顯示，徐州市泉山區(qū)整體構(gòu)造格局呈北東向，自西北向東南，一系列北東軸向的向斜與背斜相間分布。研究區(qū)中部是一背斜核部，重力高值具有北東走向分布特點，但線性異常特征不明顯，反映翟山街道一帶擠壓后可能存在局部重力滑覆現(xiàn)象。北西及南東兩側(cè)的重力梯度是褶皺地層與斷層的綜合顯示，如圖2 所示。

圖2 實測布格重力異常

廣域電磁法是一種大功率人工源電磁法，因其抗干擾能力強、探測深度大，被廣泛應(yīng)用于油氣和地?zé)豳Y源勘查，尤其在城鎮(zhèn)地?zé)峥辈橹邪l(fā)揮重要作用。廣域電磁勘探二維反演斷面如圖3 所示，其電阻率整體呈高阻背景，符合震旦系-奧陶系碳酸鹽巖的電阻率特征。斷面東南端低阻顯示表層0 ～200 m 由薄層第四系覆蓋，西北端表層低阻反映小規(guī)模巖溶發(fā)育；深部兩處規(guī)模較大的橢圓狀低阻為發(fā)育規(guī)模較大的巖溶，南部巖溶發(fā)育區(qū)埋深為500 ～1 600 m，寬度為200 ～1 000 m，規(guī)模較大，經(jīng)推斷，原因是斷層切割和長期溶蝕造成多期、多段巖溶充水，北部巖溶發(fā)育區(qū)埋深為900 ～1 600 m，寬度為200 ～700 m，經(jīng)推測，其與淺部小規(guī)模巖溶均是由斷層破碎和長期溶蝕造成的。深部的斷裂破碎帶和巖溶發(fā)育區(qū)是良好的對流型熱儲賦存位置，重力與廣域電磁聯(lián)合勘探結(jié)果顯示，徐州市泉山區(qū)厚層碳酸鹽巖廣泛分布，1 000 ～2 000 m 深度內(nèi)褶皺、斷層與巖溶均較發(fā)育，斷層切割深度大，導(dǎo)熱導(dǎo)水性較好。

圖3 廣域電磁二維反演解譯斷面

2.2.3 蓋層發(fā)育特征

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和地球物理勘探成果可知，翟山街道西北部寒武系-奧陶系碳酸鹽巖出露地表，其他大部被第四系覆蓋，第四系厚度小于200 m。碳酸鹽巖熱導(dǎo)率分布區(qū)間在2.34 ～6.55 W/（m·K），屬高熱導(dǎo)巖石，第四系松散沉積因孔隙度較大具有一定的保溫作用。由此可見，研究區(qū)蓋層保溫條件較差，這也是徐州市淺部地溫梯度較低的主要原因之一。對流型地?zé)豳Y源流體溫度的影響因素主要是流體循環(huán)深度和不同流體換熱前的初始溫度，受蓋層影響較小，因此本次地?zé)徙@井選址的主要目標(biāo)為深部裂隙巖溶中賦存的對流型熱儲。

3 地?zé)徙@井選址與地?zé)豳Y源預(yù)測

3.1 地?zé)徙@井選址

在2 條主要斷層所經(jīng)的巖溶發(fā)育區(qū)設(shè)計地?zé)崽骄甖S01 和ZS02，鉆探深度為2 500 m，勘探目標(biāo)為寒武系-奧陶系裂隙巖溶熱儲。ZS01 井目標(biāo)位置是埋深1 000 ～2 000 m 的斷裂破碎及巖溶發(fā)育帶，ZS02 井的目標(biāo)位置是埋深1 000 ～1 800 m 的斷裂破碎及巖溶發(fā)育帶。鑒于地球物理勘探方法的多解性以及深部可能賦存優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源的可能性，兩井均加深至2 500 m。

3.2 地?zé)豳Y源預(yù)測

周邊地?zé)徙@井較少，已知潘塘盆地邊緣西側(cè)施工地?zé)峋衣? 465.88 ～2 064.35 m 震旦系灰?guī)r熱儲層，地?zé)峋鏊疁囟葹?4 ℃，核定地?zé)崴砷_采量為226 m3/d；徐州市賈汪區(qū)地?zé)峋疃葹? 280 m，最終井口出水溫度為48 ℃，涌水量為1 032 m3/d[6]。據(jù)地球物理勘探成果，本區(qū)裂隙巖溶發(fā)育規(guī)模較大，結(jié)合鄰區(qū)已知地?zé)峋當(dāng)?shù)據(jù)，預(yù)測單井井口水溫為60 ℃，出水量為960 m3/d，設(shè)計一采兩注地?zé)衢_采換熱系統(tǒng)2 組，即取水井2 口、回灌井4 口。采用地?zé)崴皳Q熱+壓縮式”熱泵供熱，地?zé)崴紫冉?jīng)過換熱器與二級網(wǎng)熱水直接換熱，換熱后的地?zé)崴疁囟冉档椭?8 ℃，然后經(jīng)過壓縮式熱泵，將熱量傳遞給二級網(wǎng)熱水，地?zé)崴罱K降至18 ℃左右回灌。通過換熱器換熱的二級網(wǎng)熱水和經(jīng)過熱泵換熱的二級網(wǎng)熱水匯集在一起，進(jìn)入熱用戶供暖。根據(jù)《地?zé)豳Y源評價方法及估算規(guī)程》（DZ/T 0331—2020），采用式（1）、式（2）估算居室采暖面積和熱水產(chǎn)能。

式中：F為采暖面積，m2；En為熱水產(chǎn)能，W；Qf為居室采暖熱指標(biāo)，取66.5 W/m2；Q為熱水流量，m3/d，取1 920 m3/d；T為進(jìn)水溫度，取60 ℃；T0為回水溫度，取18 ℃。

經(jīng)計算，研究區(qū)2 口地?zé)峋木邮夜┡娣e約為58 764 m2，當(dāng)實際供暖面積大于該面積時，地?zé)豳Y源開發(fā)利用規(guī)劃應(yīng)注意提高天然氣、淺層地溫能等其他附加供熱方式在供熱系統(tǒng)中的占比。

4 結(jié)論

本文以徐州市泉山區(qū)為研究區(qū)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，分析沉積建造特征、熱構(gòu)造活動規(guī)律，明確地?zé)岬刭|(zhì)要素的宏觀分布規(guī)律，為地?zé)豳Y源勘查奠定地質(zhì)基礎(chǔ)。總體來看，從源、通、儲、蓋等方面分析地?zé)岬刭|(zhì)條件，判斷地?zé)豳Y源成因模式與熱儲層賦存特征，結(jié)合地球物理勘探成果優(yōu)選最佳熱儲位置，部署地?zé)崽骄衣赌繕?biāo)熱儲，是地?zé)豳Y源勘查的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010），基于設(shè)計地?zé)徙@井的預(yù)測數(shù)據(jù)和鄰近地?zé)徙@井成果，分析并估算地?zé)豳Y源供熱能力，對地?zé)豳Y源開發(fā)潛力進(jìn)行預(yù)測性評價，可為后續(xù)地?zé)峁┡?guī)劃提供重要依據(jù)。