河南省濮阳市区地热资源形成条件与开发利用研究

宋会香，邓振兴，赵目军

(1.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南 郑州450053;2.北京斯罗柯资源技术有限公司，北京 100005)

1 区域地热地质条件

本区位于中朝准地台华北坳陷南部，西部属内黄凸起，东部属东濮凹陷。古老结晶基底由太古界泰山群花岗、片麻岩组成。早古生代时期，本区受到广泛的海侵，沉积了以碳酸盐岩为主的寒武系、中下奥陶统，在长期的抬升作用之后，华北地台整体下沉，在中奥陶统的侵蚀面之上沉积了海陆交互相的中上石炭统和陆相沉积的上下二叠统。燕山运动之后，华北盆地开始形成，沉积了巨厚的新生界地层，其中古近系为裂谷型沉积，厚约 7 000 m，新近系为盆地沉积，厚约1 300 m。受河、湖冲湖积作用的影响，第四系平原组松散沉积十分发育，厚约300 m，广泛覆盖于新近系之上。

濮阳市位于内黄隆起和东濮凹陷之间的接合部位，在2 000 m深度内存在古生界和新生界地层。其中古生界地层有下、中奥陶统，中、上石炭统和二叠系，新生界地层主要有沙河街组、东营组、馆陶组和明化镇组，以及第四系平原组。受隆起构造的影响，前新生界基岩顶面由西到东其埋深由1 100 m逐渐增大到2 000 m，呈斜坡状。在濮阳市的东部及其邻区东濮凹陷，断裂构造十分发育，主要受北北东和北东走向的构造系统所控制，有3条隐伏的深大断裂通过。

濮阳市区第四系是本区最新的沉积盖层，覆盖于整个凹陷区，厚300 m左右，下部为灰黄色含砾砂层;中部为褐黄色粘土层和粉砂质粘土层;上部为褐黄、灰黄色粘土层与灰色粉、细砂层组成下粗上细的韵律层;顶部为浅褐黄色表土层。

本区所在地热田为濮(阳)东(明)地热田，西界为汤东断裂，东以聊兰断裂为界，北以磁(县)大(名)断裂为界，南界为新商断裂。地下热水的形成主要受地层及构造控制。

1.1 地层岩性

地层岩性是控制深层地下热水很重要的条件。一方面通常岩层的热导率是随地质年龄的增加而增加的，而热阻率却与此相反。即古老的结晶基底及较古老的致密岩层其热导率高于上覆较新的沉积层，特别是新生界半固结或松散沉积物。另一方面，不同的地层岩性，导水性能和含水性能有很大的差异。第四系的松散岩类，具有良好的导水性能和含水性能，尤其是砂层(中细砂、中粗砂)更具有良好的导水性能，但是由于图1濮阳地热田区域地热地质构造图其导水性能强，地下水在其间流速较大，因此，热量易散失，不易形成较好的热储。而上第三系的砂岩层(尤其是半胶结的砂岩层)，既有一定的导水性，且其上覆的泥岩层又是良好的隔热盖层，在有利的地质构造条件下，易形成一定规模的热储。

深层地下水的温度，在一定程度上取决于基岩的埋深和基岩顶部盖层的导水性能和热传导性能的差异，同时也取决于基岩和盖层空间分布的形态。一般来说，基岩顶部盖层的导水性能和热传导性能差别越大，基岩起伏幅度(即盖层厚度的差别)越大，其温差也越大。濮阳市一带前新生界基岩顶面埋深，西部皇甫村一带仅1 100 m左右，而东部柳屯一带却超过2 500 m;下第三系在马颊河以西基本上已被剥蚀，向东逐渐加深加厚，但由于其岩性复杂，含水层薄而少，且为本区的主要生油层之一，对地热田的形成意义不大;而上第三系则不同，在本区的分布较为稳定，厚度1 000 m左右，主要由厚层的砂岩和泥岩所组成。砂岩中裂隙相当发育，上覆第四系厚度320～400 m，其中的粘性土具有很强的隔热保温作用。由此可以看出，濮阳市具备地下热水形成与发展的地层岩性条件。

1.2 构造控制

构造往往是影响地热田形成与发展的一个十分重要的条件。一方面在地壳隆起区，基岩埋深浅，地球内部的热能容易通过高热导率的刚性岩层向上传导。另一方面在隆起区的边缘，在历次的构造运动中岩层遭受破坏，形成一系列的构造断裂和破碎带。此外在岩层中发育有大量的孔、洞、缝，后者使其具有良好的储水条件，前者则是补充其地热流体的通道。

濮阳市西部为内黄隆起区，而东部柳屯一带则属隆起的边缘地带，其中有切穿深达上地幔的深大张性断裂——长垣断裂通过。由于该断裂是一条东降西升的张性正断层，据有关资料分析，其主干断裂切穿地壳，越过莫霍面进入上地幔，能沟通深部的热源，起导通热流体的作用。

2 热储层水文地质特征

根据资料分析，区内地热水(即水温大于25℃的地下水)主要赋存于深度320～450 m以下的含水层中。本区2 000 m深度内存在多层热储层。

2.1 明化镇组孔隙裂隙热储层

该热储层遍布整个工作区，其厚度较为均匀，东部略厚于西部。顶板埋深约为300 m左右，底板埋深西部约1 000 m，向东逐渐深至1 080 m，由多层含水层组成，含水层岩性为中、细砂岩，顶部隔水层岩性为第四系粘土层和粉质粘土层，底部隔水层岩性为厚层粘土岩。

2.2 馆陶组孔隙裂隙热储层

据地震勘探资料、物探资料和钻孔资料综合分析，该热储层主要分布于王助—胡村一线以东地区，其厚度由西部的几十米向东增至300 m左右，局部大于400 m，其底板埋深由西部的1 080 m向东增至1 377 m。热储层呈多层结构，含水层岩性为厚层状砂岩。

2.3 奥陶系岩溶裂隙热储层

热储层主要为奥陶系中统马家沟组灰岩、白云质灰岩。据地震勘探资料和测深资料分析，本区2 000 m深度内奥陶系中统灰岩、白云质灰岩的分布，在王助—胡村以西地区，其顶板埋深约为1 000～1 100 m，厚度超过1 000 m，上覆地层为上第三系和第四系;而该线以东地区埋深逐渐增大，至市区中部顶板埋深超过2 000 m，其上覆地层有石炭系、二叠系、上第三系和第四系。奥陶系灰岩、白云质灰岩历经多次构造运动，其内部裂隙错综复杂，并经后期岩溶作用，溶洞溶隙发育，孔隙度在6.0% ～14.0%之间。

从已掌握的地层资料来看，温水储层之上为巨厚的第四系，其下部为多层厚层的粘土和粉质粘土，不但具有良好的保温作用，同时阻隔了温水储层与上部第四系中浅层含水层的水力联系;温水储层与温热水储层之间(为明化镇组的下部)，具有多层厚层的泥岩，其极差的透水性，阻隔了温热水储层与上部温水储层之间的水力联系;热水储层之上为馆陶组底部、二叠系和石炭系，馆陶组底部由泥质胶结、结构较致密的杂色砾岩组成，透水性较差，而二叠系和石炭系中含有多层泥岩和页岩，这些地层条件使得热水储层与上部温热水储层之间发生水力联系的可能性很小。

3 地热流体化学特征

3.1 温水热储层水化学特征

本区温水热储层水化学类型为 Cl·SO4—Na型水，温水的 pH 值6.8～6.95，为中性水，总硬度(以 CaCO3计)186～298 mg/L 为微硬水，矿化度 1.130 ～1.267g/L，属微咸水。

3.2 温热水热储层水化学特征

温热水热储层，据本次采取的三个水分析及收集到的4个水分析资料，水化学类型分为二种:SO4·Cl—Na型和Cl·SO4—Na型水，其中，濮阳县北关(PC09)附近水化学类型为Cl·SO4—Na型，其它为 SO4·Cl—Na型水。矿化度 1.51～2.15 g/L，属微咸水，pH 值 6.4 ～ 6.8，属中性水，总硬度为 81～287 mg/L，属软水～微硬水。温热水的馆陶组热储。

3.3 热水热储层水化学特征

本区热水热储层为奥陶系地层，水化学类型为HCO3－K·Ca或 Ca·K及 HCO3·Cl－Ca型。溶解性总固体为4 086.12 ～4 857.8 mg/L，总硬度(以 CaCO3计)在 1 140.5～1 766 mg/L，pH 值为 6.32 ～6.90，属中性极硬咸水。

据水质分析结果，在开采条件下，相同热储层在不同取样时间的化学成份没有明显的变化，说明各热储层的水化学成份基本不随开采时间发生变化，同时也表明逐年开采后各热储层仍维持开采前的水化学平衡状态，即开采过程中各热储层间没有接受近期大气降水的补给，地热水的水质是比较稳定的。

同时，区内同一热储层之间水化学成份变化不大，也说明该区热储层水平方向上的水力联系密切。

4 地热资源开发利用与保护

4.1 地热资源开发利用可行性评价

在现有工作和认识的基础上，选择有利的热储分布区和开采地段，本着经济、便利、投资风险小等原则，坚持“探采结合、以探促采、滚动开发”的思路进行下一步的勘探开发。根据当前地热资源开采技术的可能性及经济的合理性，对其开发的可行性做出评价。

(1)地热井成井深度为300～2 000 m，地热资源开采属经济型。

(2)依据区内目前已有地热井资料，地热水单位产量为15.82 m3/d·m，表明区内为适宜开采地区。

(3)依据地热水温度在50℃ ～70℃之间及水质质量，地热水可用于医疗、洗浴、采暖、温室等。其利用的方向和方式主要为以下两种:

①综合利用地热流体资源，该区的地热流体，既是热资源，又是具有医疗价值的矿水资源，应有效地利用其“热、矿水”的综合作用。

②地热水开发利用及排放，热水经水质处理后，可直接供暖，建立温泉入户管网;供暖后的尾水 用于洗浴、医疗、游泳;尔后可进一步开发用于热带鱼养殖及温棚种植业等综合开发利用。

4.2 地热资源开发利用保护

(1)做好地质勘查评价工作，加强地热资源勘查与开发利用技术研究。防止无限度开采和浪费资源。兼顾各方利益，保证可持续发展的要求。

(2)地热资源开发应大力推广新技术，依靠科学手段，做好地热水的综合利用，提高资源利用效率，实现资源利用最大化。

(3)在地热资源开发的同时，应进行“开采与回灌”联合调度运行模式，保护好生态环境，杜绝一切污染源。预防随着开采量的增大可能引起的地面局部沉降等地热地质灾害的发生。

(4)对已开发的地热资源进行布局优化。对既有地热井存在布局不合理、地热生产井密度过大等问题，要有计划地进行技术改造和结构调整，不断地进行布局优化，以很小的改造费用，换取最大的效益。对于布局不合理，不进行回灌的地热井，应根据实际情况，因地制宜地进行改造。

5 结语

地热研究的目的在于利用，坚持合理开发、综合利用、注重效益和开发与保护并重的原则，对地热资源进行有计划的勘查、开发和评价，避免地热资源的开发利用陷入一种混乱、无序的状态，达到低消耗、降(无)污染、高产出、高收益的社会经济效益和环境效益。

建立区域地热资源监测管理系统，可在地热资源开发利用过程中进一步工作区域地热系统，对已建立的地热资源概念模型、开发管理模型进行分析、验证和改进，实时调整地热资源开发利用计划，对地热资源开发利用过程中出现的环境地质问题及时做出对策。