咸宁深层地热资源潜力浅析

周　磊, 杨佳云, 徐　猛

(湖北省地质局 第四地质大队,湖北 咸宁　437100)

0　引言

地热资源是一种低碳清洁可再生的绿色新型能源,总热能量约占全球煤炭储量的1.7亿倍,在地质因素控制下,这些地热会以蒸汽型、热水型、干热岩型、地压型和岩浆型等形式向地壳某一范围聚集,当达到可开发利用条件时,便形成具有开发意义的地热资源。

2013年国家能源局、财政部、国土资源部、住房和城乡建设部联合发布了《关于促进地热能开发利用的指导意见》,其中提到2015年要基本查清全国地热能资源情况和分布特点,建立资源数据库和信息服务体系。而深层地热是地热资源存在的主要形式,开发深层地热才能真正打开地下庞大的地热库。

咸宁地热开发利用仅停留在浅层地热层面,深层地热领域几乎为空白,缺乏1 000～3 000 m或30 000 m以下深层地热井资料。面对全球新能源发展浪潮,有必要利用本区得天独厚地热田优势,引入国内外深层地热开发的新思路、新方法和新技术,瞄准市场,提前谋划。从基础深层地热资源调查研究着手,锻炼和培养专业队伍,扎实推进湖北地质事业转型发展。

1　深层地热利用现状

世界渐入高油价时代,石油、煤炭等传统能源每天排放大量CO2和其他有毒气体,造成温室效应逐年加重,危害整个人类的生存。在寻找替代新能源的背景下,地热资源作为一种可再生清洁绿色能源,受到世界各国重视,且正从浅层地热向深层地热开发进军,未来深层地热开发与技术转让方面有着巨大的发展空间,必将成为未来新的经济增长点。

地热开发利用主要包括发电和非发电两方面[1]。世界各国利用地热能的经验说明:高温地热资源(150 ℃以上)主要用于发电,发电后排出的热水可进行逐级循环利用；中温(150 ℃以下90 ℃以上)和低温(90 ℃以下)的地热资源则以直接利用为主,主要用于地热采暖、地源热泵、地热医疗、洗浴、游泳、干燥及农林牧副渔业、旅游业及人们的日常生活等。到目前为止,全世界已有80多个国家进行了地热发电,其中50多个国家具有相当的开发规模,而中国排名第15位。在直接利用地热能量方面,中国居世界首位,但大多数地热开发利用水平较低,存在资源浪费问题。

中国对地热开发利用的典型:西藏当雄县羊八井,它是中国重点科技攻关项目,开创了世界中温热储资源发电的先例,目前年发电量占拉萨电网45%。在直接利用地热资源方面,北京小汤山温泉地热水得到三级综合开发利用,是循环经济开发的典范。

2　咸宁地热形成条件与保护

2.1　咸宁地热赋存条件

咸宁地热属热水类型,“源、通、储、盖、滞”是地热形成的充分必要条件,“源”是根本,“通”是关键,“储、盖”是必备条件,“滞”是充分条件，即必须具备地热承压水滞留的环境条件。

2.1.1热“源”条件

咸宁深层地热资源属于深循环加热型,主要来源高山大气降水经过远程地下运移过程中吸收大地热流释放热能而逐渐增温。咸宁城区地热来源主要为东南部与潜山背斜相距8 km的大磨山背斜之高山裸露奥陶系灰岩受大气降水所致(大磨山高程高出潜山高程20倍,两地呈不对称 “U”型箱状构造)。其一,咸宁市温泉地热田地热流体中气体成分主要以N2、O2、CO2为主,其中N2占逸出气体的94.60%～95.70%,占溶解气体的66.30%～68.8%,高丰度的N2主要存在于大气中,地热流体中N2的来源,是由大气降水带入地下所致,地热流体以大气降水入渗补给为主。其二,地热流体中含H3,由于H3来源于大气层,再次证明该地热流体由大气降水入渗补给为主。其三,咸宁地热流体中放射性元素氡含量低,氡含量与地热流体循环条件有关而与其化学成分无关,在地球深部岩石氡射气系数很小,这是咸宁地热流体为深层循环地下水的佐证。

图1　咸宁市温泉地热田成因机制模型图Fig.1　Model diagram of genetic mechanism of geothermal field of Xianning1.志留系上统；2.志留系中统；3.志留系下统；4.奥陶系上统；5.奥陶系中统；6.奥陶系下统；7.寒武系；8.页岩；9.粉砂质泥岩；10.泥质粉砂岩；11.砂岩；12.灰岩；13.白云质灰岩；14.龟裂纹灰岩；15.泥质瘤状灰岩；16.硅化；17.压性断裂；18.张性断裂；19.断裂破碎带；20.地下热水运动方向；21.温泉。

2.1.2“通”道条件

咸宁深层地热主要受新华夏晚期构造控制,主要与北北东和北西西向断层有关。北北东向多为压扭性断层,北西西向多为张性断层。咸宁潜山与大磨山之间形成较大规模不对称 “U”型箱状构造,根据咸宁市温泉地热田成因机制模型图(图1)[2],潜山背斜主构造线方向与大磨山背斜主构造线方向基本一致,两处同属寒武、奥陶系灰岩含水层,但两地含水层出露高程相差20倍左右,由于构造、岩溶等作用,形成深部地下水力联系通道,当地热流体迳流至潜山附近,遇到主控断裂——北北东温泉断裂(F1)和一组北西西向(F13、F14)断裂切割作用,造成潜山附近淦河内有多处泉眼出露。总之在构造、岩溶等作用下,大磨山高山裸露奥陶系灰岩与地热区岩溶系统(岩溶通道)具有水力联系,也为地下水深部运移提供了通道,同时北西西向断层(F13、F14)为地热流体排泄提供了良好导水、导热通道。同样嘉鱼蛇屋山金矿区温泉、赤壁市茶庵岭龙佑温泉同属一个弧形构造带,与咸宁温泉地层构造相似。

2.1.3“储”热层条件

咸宁深层地热流体的补给、运移和储存都是在奥陶系碳酸盐岩地层中进行的,并且在岩溶发育的碳酸盐岩地层中都获得了较丰富的地热流体,因此在硅化岩石和志留系粉砂岩地层之下的角砾状灰岩、结晶灰岩、龟裂纹灰岩、生物碎屑灰岩、白云质灰岩,其岩石裂隙、岩溶发育的局部地段是地热流体的主要储存场所,是良好的热储岩层。

地热流体的分布主要是受导热导水构造的控制。断层破碎带和裂隙是地热流体运移和迳流的通道,在破碎带内也获得了丰富的地热流体。钻孔初见地热流体的深度在区内分布不均,在月亮湾一带较浅,钻孔揭露至构造破碎带后就可见及地热流体,并且水量丰富,在地热田东部较深,揭穿志留系地层之后可以获得地热流体。

2.1.4“盖”层条件

咸宁温泉潜山背斜东侧—大磨山背斜北西翼之间的地层为志留系地层,岩性为泥质粉砂岩、页岩、粉细砂岩等岩石组成,据前人资料分析总厚度1 762～2 856 m,平均厚度2 264 m,由于岩石中泥质成分含量较高,透水和储水性能差,在局部地段发育的断裂和裂隙均被泥质充填,因此岩石的热传递性能较差,在大磨山与潜山之间形成 “U”形箱状构造上部形成天然的盖层,阻止了热量的散失,对下伏热流场的热源起到了保温作用。在潜山一带,奥陶系表层硅化岩石主要由石英、玉髓和少量粘土矿物组成,岩性致密、坚硬,裂隙多为硅质和泥质充填,其透水和储水性能差,是地热区良好的隔热盖层。但在断裂带附近硅化岩石,由于受构造影响,岩石裂隙发育,具有一定的透水、储水能力,在与热储层沟通部位,可能赋存地热流体。奥陶系表层硅化岩石与周围志留系地层,在地热区形成了一个封闭区间,使得经过长距离深循环的地热流体在水热区内热量散失缓慢,因此奥陶系强硅化岩石与外围志留系地层组成的热流场盖层连成一体,而构成咸宁地热区的热储盖层。

2.1.5“滞”留条件

潜山与大磨山两地高差20倍,且成 “U”形箱状构造,故而潜山深部地下水具有承压性。当大磨山裸露奥陶系灰岩受高山大气降水补给,经岩溶、构造作用大磨山与潜山两地产生地下水力联系,在远程地下运移过程中吸收了大地热流释放热能即深循环加热,据同位素元素H3反映,这个过程经历了50年以上的迳流时间,才进入地热区,当迳流至潜山附近时,在压扭性温泉断裂(F1)附近滞留,部分热流沿节理裂隙或破碎带向下盘及地面扩散,部分地热流体沿以F13、F14为代表的北西西向张性断裂破碎带上涌,并以温泉或其它热异常的方式显示于地表。这些是咸宁地下热水的补给、迳流、排泄、蓄积、溢出等关键环节,也是具备地热承压水滞留的环境条件。

2.1.6浅层地热资源保护

咸宁浅层地热资源开发存在无序开采、过量开采现象,造成水位明显下降,水质变差,排放的地热废液污染浅层地下水、地表土壤等系列坏境问题，在东北部月亮湾一带尤为突出。 有必要采取措施对浅层地热资源进行保护:①应该遵守国家矿产资源法及相关的法律规定,加紧制定地方性法规。②采取分区、分层次开采:东北部应控制开采量,加大西南部地热勘查及开采工作,采取浅层地热与深层地热搭配开发模式。③按照总量控制原则,严禁过量开采地热资源。④淘汰落后的能耗设备。⑤强化地热井回灌技术。⑥采取循环经济模式开发地热资源。⑦开发利用的同时,建立资源保护系统,充分发挥刚组建的湖北省咸宁地质坏境监测保护站的作用,建立动态监测网,争取省级、国家级资金,建立地热流体监测点。

3　深部热储和载体特征

3.1　物理特征

咸宁地区奥陶系灰岩热导率高于其他岩石,是本区导热条件好的岩石,利于深部地热的传导。揭穿其上部志留系千余米厚的砂岩,下部1 000以下或1 000～3 000 m、3 000 m以下灰岩裂隙、岩溶发育的局部地段是地热流体的主要热储层和载体。

本区完整的硅质岩、碳酸盐岩类,其电阻率均较高,视电阻率一般>300 Ω·m；当基岩为志留系地层或基岩中发育有断裂破碎带、岩溶(尤其含地下水)时其电阻率显著降低,视电阻率一般<100 Ω·m,地热流体的电阻率随地下水温度的升高而降低的特征,这主要是地热流体的矿化程度随温度升高而升高所致；测区内若存在良好的赋水、导水构造,将会产生较明显的物探异常。断裂构造的电性特征:当岩石受到地质构造破坏后其电阻率值会显著降低,往往形成低阻异常。尤其是奥陶系电阻率值较高,但当基岩中发育有断裂、岩溶时,在该部位会形成明显的低电阻率异常,这种高阻中的低阻异常往往反映了断裂构造。同时还可以根据低阻异常的形态特征如低阻异常的长轴展布情况来确定断裂的大致产状。已知地热出露点的电性特征:这些点上的电性场往往表现为高阻背景中的局部低阻特征,视电阻率值较低,常常形成低阻封闭圈,视电阻率值一般为60～80 Ω·m。2014年8月湖北香泉映月生态旅游发展有限公司拟定地热井附近物探资料显示该区深度800～1 000 m仍存在明显低阻异常。

3.2　化学特征

咸宁温泉地热流体以水温和特殊的水化学成分而有别于普通的地下水和地表水,其特征是硫酸根和钙离子含量很高,其中硫酸根离子的含量介于605.56～1 225.32 mg/L之间,钙离子含量介于250.30～438.21 mg/L之间,含量明显高于地表水和地下冷水,地热流体中的氟含量一般在2.5～4.4 mg/L之间,二氧化硅含量在20.0～50.0 mg/L,明显高于一般地下水,而且二者与地热流体水温呈正相关,其含量的变化也与地热流体的分布相一致,即两者含量在地热流体分布中心地带高,向周围其含量逐渐降低。特征离子为钾离子、钙离子、镁离子、硫酸根离子和氟离子,是地热田重要的水化学标志和主要的标性元素,其含量与地热流体水温呈正相关。

咸宁浅层地热流体中还含有多种微量元素,地热流体中微量元素与地表水相比,锂离子含量比地表水高出10～15倍,锌离子高出2～3倍,锶离子更是高出地表水约30～40倍,另外还存在前述N2气体含量高、放射性元素氡含量低、含同位素元素H3等化学特征。

3.3　温度及可能存在深层热储和载体的其他特征

目前咸宁地热流体温度由于所处区段的地热环境不同,其温度特征也不同,大致分为三级，即8～55 ℃；40～48 ℃；40 ℃以下。

根据温泉地热详查钻探资料XN01号孔(孔深500.30 m)在终孔时还显示温度升高态势,另外XN06号孔(孔深701.18 m)自上而下温度持续升高,在673 m至孔底岩石有硅化现象,根据对硅化岩石成因分析,推测深部还存在水质更好、温度更高的地热流体,因此进一步勘探应该以深部物探、钻探为主要手段,深度宜在1 000～3 000 m或3 000 m以下。

2014年8月笔者在对潜山背斜西南翼局部地段进行音频大地电磁(EH-4)物探测试显示,该区地质构造与东北翼相似,存在北东向与北西向相互交错断裂,推测深部1 000 m左右存在地热流体。

3.4　地热流体开发利用条件

咸宁深层地热温度虽不太高,但地质条件较好,水量、水质会更好,易于开发。需针对其化学及温度特征,借鉴北京小汤山温泉开发利用经验,采取地热水的多级利用。通过系统规划、分区，有步骤进行深层地热探究工作,找到更高温度(55 ℃以上)地热流体,直接对其进行开发利用；对于55～40 ℃低温地热流体可直接用于生活用水、洗浴、温室、旅游开发等；40 ℃以下低温地热流体可用于农业灌溉、养殖、土壤加温等。同时利用地热流体中氟、二氧化硅、锶等矿物成份有针对性地进行医疗价值开发。

4　深层地热开发思路及研究方向

咸宁地区主要为低温地热,主要集中在咸宁温泉城区潜山附近,其它还有嘉鱼蛇屋山金矿区温泉、赤壁市茶庵岭龙佑温泉、通山县王家庄温泉及崇阳县浪口温泉。明朝,咸宁地区就已有利用地热的记载,一九五医院在抗战时期是一所皮肤病医院,当时该医院就有利用潜山脚下自溢温泉治疗皮肤病的经验。上世纪90年代以来,在市场经济推动下,咸宁地热资源开发得到了进一步发展,形成了医疗—洗浴、旅游、水产养殖等系统产业,但近年来咸宁温泉城区地热水位下降,水温降低,我们应提前谋划,把深部地热资源开发提到议事日程。

深层地热开发不能盲目,要重点放在矿山地热[3]、石油地热[4]，以浅层地热找深层地热等领域。

4.1　矿山地热

充分利用湖北省地质局的“荆楚富矿行动”,做到一举两用,在深部固体矿床勘查的同时寻找深层地热资源,同时也要与咸宁地区两个成矿带相结合,即围绕咸宁北部长江中下游(金等多金属)成矿带及南部钦杭(钨等多金属)成矿带,优化深层地热选区:利用嘉鱼—蒲圻金矿区整装勘查,特别是利用嘉鱼蛇屋山金矿找深部原生矿的机会(嘉鱼蛇屋山金矿藕塘湾矿段已有浅层地热在开发利用)寻找深层热水型地热资源；利用钦杭成矿带通城—九宫山找钨等多金属矿机会,在该区花岗岩地层中寻找深层3 000 m以下干热岩型地热资源,如崇阳大坪铅锌矿深部钻孔已突破1 km,可利用深部钻孔(或进一步加深钻孔)掌握岩石的热导率、生热率、渗透率、地温梯度、大地热流值等相关技术参数,并配合相关科研单位一起构建EGS开发平台,争取在深部找(固体)矿突破的同时深层地热(液体矿)方面也有突破。

4.2　石油地热

深层地热开发过程中,钻井成本较高,而油田探井过程中,若伴生有中低温地热时,只要将部分石油探井稍加改造,便可用于地热开发。

上世纪80年代咸宁嘉鱼簰洲湾油气勘探就已起步。这里曾有两次成规模的勘探,簰参1试验井,当时曾钻至地下3 000 m。因技术不成熟,勘探花费较大均无果而终，没有搜集到相关地热资料。2007年 “簰深1井“开钻,2009年施钻结束,总投资1.7亿元,设计井深6 950 m,钻井口径508 mm,是目前中国南方平原在江汉盆地海相沉积的第一口试验井。簰深1井是一口参数井和科探井,以搜集全、搜集准各项资料为第一目标,兼顾油气发现。据“簰深1井”勘探结果显示,有气态烃充注,但由于充注量小于散失量,油气未能最终成藏。 “簰深1井”不仅为油气探路,还提供了地热资料,有利于深层EGS数据库建设。

4.3　以浅层地热找深层地热

咸宁低温浅层地热主要分布在温泉镇潜山附近。近年来由于是浅部开采,地表冷水及地下冷水已与浅层地热流体贯通,造成地热流体温度明显降低。在月亮湾一带,生产井井位相对集中。地热流体经过近40年的开采,流体温度有所下降,泉点温度对此反应明显,其中原4号泉在1983年测温时为53.0 ℃,2004年可测的温度为50 ℃；原6号泉在1984年测温时为43.0 ℃,2004年测温为38.0 ℃,泉点中温度降幅最大达到5 ℃。其次水位、水量也在降低,经过近40年的开采,温泉自然出露点明显减少,由80年代的14处减少至目前的4处,并且流量也呈明显的减少,这说明了地下水位在下降。区内如果继续维持现状开采,泉水有可能彻底枯竭。在地热田开采量逐渐增加的情况下,浅层地热流体径流循环速度加快以及地表水和浅层冷水的混入,地热流体中二氧化硅、硫酸根离子、钾离子、钠离子、镁离子等特征离子含量将下降。

在市场经济的推动下,必须提前做好咸宁温泉浅层地热能的接替工作,该地热田南部及西部盖层较厚,可能存在深部热储层。需优先考虑在潜山背斜西翼进行深层地热勘查工作,钻井深度需由现在北部300～500 m加深到1 000～3 000 m,以扩大地热田范围,揭露更深、更高温度热储层,提高地热流体储量。咸宁市近年来引进的湖北香泉映月生态旅游发展有限公司、咸宁百盟一马投资有限公司正好位于地热田南部及西部附近,这些企业有较强开发深层地热的愿望。目前将于今年10月开钻的湖北香泉映月生态旅游发展有限公司拟定的地热井正处于地热田南端,设计井深800 m左右,可根据深层地热调查要求适当加深,从而搜集更多更准确的深层地热数据,指导上述方面的工作。

4.4　开发深层地热的技术步骤与勘探技术

4.4.1地热资源调查阶段

初步查明地热区地层构造与地热异常关系,建立热储概念模型。咸宁深层地热勘查工作方面,当前首要任务是要做好深层地热能资源潜力评价,促进咸宁地热产业可持续发展。以浅层地热的水文地质勘查成果为基础,搜集已有深孔资料,补充必要的岩土体热传导率、生热率、渗透率、地温梯度、大地热流值等相关技术参数。

4.4.2可行性勘探阶段

利用先进的地球物探及深井钻探方法查明咸宁地热区断裂带的几何形态、分布、埋深,厚度和边界,岩体破碎程度和排列方位,裂隙机制和应力关系,划分热储,水流通道和控热构造。查明热储岩性、渗透率、地温和温度梯度的三维空间变化。确定热异常空间分布范围,热流体相态,化学成分以及地下水流的补给、运移、排泄条件。建立热储物理模型。地热能特别是深层地热能资源,采用何种方式开发、可采储量多少、长期利用后对环境的影响程度等,均受到咸宁地区地质构造、水文地质条件等限制,只有查清这些条件,才能对深层地热能的利用方式做出正确的选择。

4.4.3开发研究阶段

正确计算热储量,估算开发年限和产能成本及成本回收率。提出热储开发模型。合理制定开发利用规模、防治地质灾害和环境地质问题的措施。在技术上吸收国内外成功的先进经验,构建深层地热能EGS开发科学基础研究体系,加大地热开发利用的技术创新,完善技术支撑体系,锻炼队伍培养相关人才,加强技术研发工作以提高创新能力。尽快建立省级研发平台,整合资源,促进企业和科研单位结成战略伙伴关系、建立创新联盟,使创新覆盖整个地热产业链。

4.4.4勘探技术与装备

咸宁地区尚未开展深层地热资源调查工作,基础地热勘查工作薄弱,勘查手段不完善,物探及钻井技术与装备落后。开发深层地热资源需要先进的地球物探设备与先进方法提供深层地热靶区,从技术层面上讲,能准确勘测深层地热开采点至关重要,然后才能进行深井钻探,而且钻井的钻头耐热度较高,另外在实际工作中需要应用防斜钻井技术[5]、回灌技术,这些增加了开发过程中的难度和生产费用。

因此,首先要引进吸收当前先进的地球物理勘探方法:①高精度电磁测量和反演法,确定热储位置和控热构造分布,展示深部地热地理位置。②使用断层通导波方法,横波分裂和地震三维成像勘探法,精确测定深部隐伏断裂带(或隐伏岩体)位置、走向、几何形态、分布范围和岩体破碎程度及渗透性等物理参数。③钻孔水压力和微地震试验。研究地下应力场和裂隙排列方位。测定井孔水样中与地热有关的矿化度和同位素(包括放射性元素含量),以及地球物理测量,地温梯度测量。对断裂带复杂环境钻井技术初步研究。其次要不断改进地热深井钻井技术与成井工艺,吸收借鉴石油、天然气深井钻井经验及勘测设备,提高深层地热勘查的准确性,降低钻井成本,减少投资风险。

5　结语

咸宁存在多处浅层低温地热,由于存在思想意识、资金、技术层面的问题,至今深层地热开发方面还是空白区。目前中国正在深入开展深层地热资源调查研究工作,通过这项工作,基本查清中国深层地热能的分布情况,其工作重点放在深层地热空白区和优选区,必须抓住机遇,与相关单位结成战略伙伴关系,通过开展基础性深层地热调查工作,引进国内外深层地热开发的新思路、新方法和新技术,配备先进的物探、钻探设备,早日实现咸宁深层地热开发利用方面的突破。与技术问题相比,深层地热开发利用更是一个意识问题,当各级政府、各级领导充分认识其深远战略意义,提前做好顶层设计,从基础研究抓起,充分利用咸宁地热资源优势,该地区深层地热开发定会有广阔前景。

参考文献：

[1]詹麒.国内外地热开发利用现状浅析[J].理论月刊,2009(7)：71-75.

[2]陈金国,许彦平,韩德村.湖北省咸宁市温泉地热田详查地质报告[R].武汉:湖北省地质环境总站，2006.

[3]余恒昌,邓孝,陈碧琬.矿山地热与热害治理[M].北京:煤炭工业出版社,1991:1-403.

[4]汪缉安,熊亮萍,杨淑贞.地热与石油[M].北京:科学出版社,1985:1-78.

[5]刘广志,汤凤林.特种钻探工艺学[M].上海:上海科学技术出版社,2005:1-382.