基于熱儲法的卜南堡地熱田地熱資源評價及利用方向研究*

周建飛

（1.河北省煤田地質局第四地質隊；2.河北省礦山生態修復與資源綜合利用研究中心）

地熱資源是一種可再生的清潔環保能源，地熱水可以通過回灌進行重復利用［1］，在現有技術的控制下，地熱在利用過程中對環境影響十分輕微［2］。實現地熱資源的可持續開發利用，對我國“雙碳”目標如期實現意義重大，但地熱資源的可持續開發利用必須建立在對其資源量的科學評價基礎之上［3］。

地熱資源量評價是地熱可持續開發利用的基礎，其評價方法較多，常用的方法有熱儲法、水熱均衡法和數值法等［3］。在地質、水文地質和淺層地熱能勘查資料具備的區域可采用數值法進行淺層地熱能的評價；在具有長期動態監測數據的區域，適合用水熱均衡法［4］來評價淺層地溫能取熱量的保證程度，在調查中須定量查明在天然狀態和開發狀態下淺層地溫能各均衡項的情況［3］。

從含水層中抽水時，會引起弱透水層彈性釋水補給抽水含水層，當弱透水層厚度較大時這種補給相當大，因而不能忽略，而熱儲法不僅適用于松散巖層分布區的地熱能儲存量評價，而且同樣適用于基巖地區的地熱能儲存量評價，此方法應用較廣且比較成熟，故采用熱儲法對研究區熱儲層中的地熱資源儲存量評價［3-8］。

蔚縣盆地地處冀西北山區，根據現有地熱勘查資料可知，蔚縣盆地內可供開發利用的地熱資源極為豐富，但目前對盆地內的地熱資源研究程度較低，缺少對地熱資源量的科學性評價，嚴重影響地熱資源的開發利用。以卜南堡地熱田為例，在對地熱地質條件分析的基礎上，初步圈定計算范圍，初步評估區內地熱資源量，為研究區下一步地熱資源勘查、開發利用提供依據。

1 區域地質概況

研究區位于蔚縣斷陷盆地中部，大地構造上處于中朝準地臺（Ⅰ2）燕山臺褶帶（）冀西陷褶斷束（）蔚縣復向斜（）蔚縣開闊向斜（）構造單元內。蔚縣開闊向斜被4條區域性斷裂所控制，其東部為北西向的松枝口—右所堡斷裂，西部為北西向的大灣—暖泉斷裂，南部為北東向的蔚縣—延慶斷裂，北部為陽原南山斷裂，這4條大斷層在控制地下水系統方面發揮了重要作用，不僅阻隔了盆地內、外地下水的水力聯系，也為地下熱水的儲存和上升提供了空間和通道［9］。據區內以往煤田勘探及鉆孔揭露情況來看，區內地層發育較齊全，由老至新依次為太古界桑干群，元古界長城系、薊縣系，古生界寒武系、奧陶系，中生界侏羅系，新生界古近系、新近系、第四系。其中，長城系和薊縣系為主要熱儲層，下伏新太古界桑干群為結晶基底，其他為蓋層［9］。

2 研究區地熱地質條件

2.1 地層巖性

區內地熱鉆孔揭露的地層及巖性由老至新為元古界霧迷山組，巖性主要為白云巖、隱晶質白云巖、燧石角礫白云巖等，厚度為500～700 m，區內鉆孔未揭穿；寒武系，巖性主要為含泥灰質白云巖、白云質灰巖、泥質條帶灰巖、泥巖等，鉆孔揭露厚度為430 m；奧陶系，巖性主要為白云質灰巖、灰質白云巖與泥質灰巖互層，鉆孔揭露厚度為179.9 m；侏羅系，巖性主要為砂巖、泥巖互層，夾煤層，鉆孔揭露厚度為48.2 m；第四系，砂質黏土、砂礫石互層，鉆孔揭露厚度為373 m。

2.2 構造

據壺流河以北的煤田勘探資料，研究區下部基巖中、小型斷裂十分發育，斷裂長度1～5 km，垂直斷距30～100 m，以北西向為主，其次為北東向，但也見有南北向和東西向斷裂，多數為正斷層，屬張扭與張性，部分為逆斷層。研究區南部外圍有壺流河斷層，是研究區附近規模最大的張性斷層，走向北東，傾向南東，斷距200～400 m，為第四系下隱伏斷裂。在斷層北部第四系較南部厚，北部熱儲較南部熱儲埋深淺，控制盆地內第四系沉積厚度和熱儲的分布，是本區主要的控熱構造之一。

2.3 地溫場特征

本次工作依據區內已有地熱井測溫資料，確定區內低溫梯度介于1.13～3.02 ℃/（100 m），其中第四系和侏羅系地溫梯度為2.09 ℃/（100 m），奧陶系地溫梯度為1.13 ℃/（100 m），寒武系低溫梯度為2.43 ℃/（100 m），薊縣系霧迷山組低溫梯度為3.02 ℃/（100 m）。據第四系測井資料，在深度40m 處地溫變化較為平緩，約為14 ℃，所以確定研究區恒溫層溫度為14 ℃，埋深為40 m。依據以往煤田鉆孔、地熱井等測溫資料及以往研究成果繪制了研究區深孔溫度等值線圖（圖1），其中溫度大于25 ℃的等溫線閉合圈定的面積約為50 km2，并以此范圍為本次資源量評價范圍。

2.4 熱儲特征

研究區內存在霧迷山組和高于莊組2層熱儲，由于區內鉆孔僅揭露了霧迷山組熱儲，尚未揭露高于莊組熱儲，為使計算準確，所以本研究不對高于莊組熱儲資源量進行探討。區內薊縣系霧迷山組在區內均勻分布，巖性主要為角礫狀白云巖、隱晶質白云巖等，厚度500～700 m，平均厚度約為600 m。區內地熱井揭露霧迷山組白云巖厚度為136 m（未揭穿），涌水量為240.0 m3/h（降深20 m），井口水溫38 ℃，為復合型含鍶、偏硅酸優質礦泉水，水化學類型為HCO3-Ca·Mg 型，礦化度0.483 mg/L，pH 為7.55，微量元素含鍶0.342 mg/L，偏硅酸含量25.32 mg/L，存在2 段含水層（厚度分別為28 m、23 m），含水層總厚度為51 m，該段熱儲儲厚比為37.5%。結合區域地層厚度及區內地熱井實測數據，綜合確定區內霧迷山組頂板埋深1 031 m，底板埋深1 631 m，厚600 m；熱儲溫度為34.40～52.69 ℃，平均溫度為43.55 ℃。

3 地熱資源評價

3.1 熱儲概念模型

卜南堡地熱田屬于傳導型地熱系統，熱儲層主要薊縣系高于莊組、霧迷山組白云巖，第四系、侏羅系構成區內主要蓋層，地熱水的補給來源主要為大氣降水，熱源主要來自上地幔傳導熱，深部巖漿巖余熱可能構成補充熱源［9］。研究區熱儲概念模型如圖2所示。

3.2 評價方法及原則

地熱資源量、可利用地熱資源量、地熱水儲存量、地熱水允許開發量是地熱資源評價的主要內容［3］。

地熱資源量評價常用的方法有熱儲法、比擬法、數值模型法和地表流量法等。研究區研究程度較低，地熱資源尚未被開發利用，缺少長期的地下熱水承壓水頭高度、地熱田開采量等項目的長期監測數據和資料，對地熱田的形成機理、熱儲條件也處于推測和假設階段，并且從含水層中抽水時，會引起弱透水層彈性釋水補給抽水含水層，當弱透水層厚度較大時這種補給相當大，不能忽視［3］。鑒于以上原因，本次選用熱儲法對研究區進行地熱資源量評價應更為合理。

用熱儲法計算出的資源量不可能全部被開采出來，只能開采出一部分，二者的比值稱為回收率?；厥章实拇笮∪Q于熱儲的巖性、孔隙及裂隙發育情況。地熱水儲存量是儲存于熱儲層孔隙裂隙中的全部熱水體積，以熱儲體積與平均孔隙裂隙率近似確定［10-11］，因此選用體積法評價地熱水儲存量。

地熱水可開采量是最具有使用價值的資源量，適當開采地熱水，可以控制地下水位，防止土壤鹽堿化，減少潛水蒸發損失［12-13］，因此選用開采系數法評價地熱水的允許開發量。研究區開采年限為100 a，計算深度下限為1 631 m。

3.3 參數選擇

本文根據《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615—2010），采用熱儲法、開采系數法等公式計算研究區地熱資源量、可開采地熱資源量、地熱水可開采量等［14］。所涉及參數確定依據及選取如下：

（1）熱儲面積。根據《地熱地質勘查規范》（GB/T 11615—2010）相關要求，研究區勘查程度比較低，對熱儲溫度分布不清楚，這時可以采用淺部溫度異常范圍大致圈定地熱田的范圍，本次采用淺部溫度大于25 ℃等溫線閉合圈定的面積50 km2為熱田面積，同時區內熱儲產出較為平緩，默認其平面投影面積與熱田面積一致，綜合確定研究區內熱儲面積為50 km2。

（2）熱儲厚度。研究區內鉆孔揭露熱儲厚度136 m，存在2 段含水層（厚度分別為28 m、23 m），含水層總厚度為51 m，該段熱儲儲厚比為37.5%。根據區域地質資料可知，區內熱儲層平均厚度約為600 m，綜合推斷儲集層厚度約為225 m。

（3）熱儲、恒溫帶溫度和深度。采用區內地熱鉆孔測溫數據，熱儲頂板埋深1 031 m，溫度為34.4 ℃，利用地溫梯度（3.02 ℃/（100 m））計算出熱儲中部溫度為43.46 ℃。恒溫帶深度為40 m，溫度為14 ℃。

（4）巖石、熱水密度和比熱。依據《地熱地質勘查規范》（GB/T 11615—2010）附錄表提供的經驗參數及內插法得到霧迷山組白云巖密度為2 700 kg/m3，比熱為920 J/（kg·℃）；地熱水密度為1 000 kg/m3，比熱為4 180 J/（kg·℃）［6］。

（5）熱水、巖石壓縮系數及熱儲有效孔隙度。依據熱水和巖石壓縮系數采用經驗值，分別為4.85×10-4MPa-1、0.106×10-4MPa-1；有效孔隙率采用鄰區麥子疃地熱田熱儲實測平均值3.3%。

（6）熱儲回收率?；厥章矢鶕ぷ鲄^的實際情況，參考《地熱資源評價方法及估算規程》（DZ/T 0331—2020）關于回收率的有關規定確定，巖溶型層狀熱儲可采系數定為5%（100 a）。

3.4 地熱資源量評價

（1）采用熱儲法評價區內地熱資源總量。熱儲中的地熱資源量主要由兩部分組成，一部分為巖石儲存的熱量，另一部分為熱儲中熱水中儲存的熱量。由式（1），可計算得熱儲中儲存的熱量。

式中，Q為熱儲中儲存的熱量，J；Qr為巖石中儲存的熱量，J；Qw為水中儲存的熱量，J；A為計算區面積，m2；d為熱儲厚度，m；ρr為熱儲巖石密度，kg/m3；cr為熱儲巖石比熱，J/kg·℃；φ為熱儲巖石的空隙度，無量綱；tr為熱儲溫度，℃；t0為當地年平均氣溫，℃；ρw為地熱水密度，kg/m3；cw為水的比熱，J/（kg·℃）。

（2）區內可利用的地熱資源量。由式（2）可計算得地熱資源可開采量。

式中，Qwh為地熱資源可開采量，J；Re為回收率，%；Q為熱儲中儲存的熱量，J。

將選擇的計算參數值代入式（1）和式（2）計算可知，研究區內薊縣系霧迷山組熱儲地熱資源量為8.422×1017J，折合標準煤2.874×107t。100 a 內，可開采地熱資源量為4.211×1016J，折合標準煤1.437×107t。

3.5 地熱水資源量評價

區內地熱水存儲量包括熱儲空隙中的熱水量和水位降低到目前取水能力極限深度時熱儲所釋放的水量兩部分。由式（3）可得熱儲中儲存的水量。

式中，QL為熱儲中儲存的水量，m3；Q1為截止到計算時刻，熱儲孔隙中熱水的靜儲量，m3；Q2為水位降低到目前取水能力極限深度時熱儲所釋放的水量，m3；S為熱儲彈性釋水系數；h為熱儲的厚度，m；H為計算起始點以上高度，m；Cr為熱儲巖石的壓縮系數，Pa-1。

計算可知，研究區內薊縣系霧迷山組熱儲中儲水量為374.300×106m3，100 a 內地熱水可開采量為281.716×106m3。研究區地熱田產能為13.375 MW，屬于中型低溫熱田。

4 地熱水開發利用方向研究

根據河北省煤田地質局第四地質隊編制的《河北省蔚縣盆地地熱資源賦存規律和成因模式研究報告》，按《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）、《食品國家安全標準飲用天然礦泉水》（GB 8537—2018）、《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615—2010）、《農田灌溉水質標準》（GB 5084—92）、《漁業水質標準》（GB 11607—89）對區內地下熱水進行生活飲用水質量、礦泉水質量、理療熱礦水水質標準等進行評價。評價方法采用對比法，即用某項評價項目的實測值與水質標準（限值）進行對比，評價其是否符合標準。

評價結果顯示，區內地熱水渾濁度、鐵含量超標，不能作為生活飲用水；水溫為38 ℃，大于35 ℃，不能作為農田灌溉水使用；地熱水中氯化物含量大于1 mg/L（超標），不能作為漁業用水使用；偏硅酸含量大于25 mg/L，且溫度大于34 ℃，屬于具有醫療價值的理療熱礦泉水，也可作為供暖用水；地熱水中各項指標符合礦泉水質量標準，可作為天然礦泉水使用。

所以，區內地熱水不能作為生活飲用水、農田灌溉水和漁業用水，適宜作為理療用水、供暖和天然礦泉水使用。

5 結語

（1）卜南堡地熱田為中型水熱型低溫熱田，屬于傳導型地熱系統，霧迷山組熱儲均勻分布于區內。通過本次對區內地熱資源量的評價可知，區內地熱資源量十分豐富，地熱水水質較好，水溫較高。區內地熱水不能作為生活飲用水、農田灌溉水和漁業用水；適宜作為理療用水、供暖和天然礦泉水使用。

（2）地熱資源量為8.422×1017J，折合標準煤2.874×107t，熱儲中儲水量為374.300×106m3；可開采地熱資源量為4.211×1016J，折合標準煤1.437×107t，地熱水可開采量為281.716×106m3。