山东省高青地区地热资源环境效益研究

华 斌，王 威，李霄燕

(1.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014;2.山东高新工程设计有限公司，山东 济南 250100)

高青县隶属山东省淄博市，地处黄河下游冲积平原，区内地形平坦，平均地面高程12 m左右，是山东省内重要的农业县和产棉区之一，油区经济为工业支柱产业。2008年初步勘察发现城区一带地热地质背景条件有利，低温地质资源丰富，具有很好的开发应用前景[1]。近些年来，相继在高青县开展了多项地热地质物探和钻探工作，本文将详细描述高青县地热地质背景，建立该地区的地热地质概念模型，在此基础上开展地热资源评价和环境效益评估。

1 地热地质背景

研究区位于华北断拗次一级构造单元济阳拗陷的南部，齐～广深大断裂(F2)以北，包括东营凹陷西南部和高青凸起东部。

1.1 地层

研究区内东营凹陷以太古界、古生界、中生界为基底，其上沉积的新生界地层厚度达3 000 m以上。高青凸起带新生界地层沉积厚度为900～1 240 m。

太古界(Ar)岩性主要为花岗片麻岩、角闪岩类及混合花岗岩。下古生界寒武－奥陶系(∈、O)岩性主要为碳酸盐岩类和碎屑岩。中生界侏罗－白垩系(J、K)岩性为碎屑岩类、火山岩类等。

新生界古近系包括孔店组、沙河街组、东营组。孔店组(Ejk)岩性为泥岩夹碳质页岩。沙河街组(Ejs)岩性以灰绿色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩为主，是本区主要的含油地层。东营组(EjD)岩性以浅灰、灰、绿灰色粉砂岩、粉细砂岩、泥质粉砂岩为主，顶界埋深1 000～1 400 m，厚度200～350 m，在高青断裂以西地区缺失。

新近系包括馆陶组和明化镇组。馆陶组(NhG)岩性以棕红色泥岩、砂质泥岩为主，顶界埋深800～1 050 m，高青断裂以东地区厚度200～350 m，高青断裂以西地区厚度约100～150 m。明化镇组(NhM)岩性为土黄色、棕红色泥岩、砂质泥岩与灰白色砂岩。顶界埋深160～450 m，厚度400～600 m。

新生界(QP)第四系平原组上部岩性为土黄、灰黄色砂质粘土、粘质砂土;下部以土黄、灰黄、灰绿、灰褐色粘质砂土、砂质粘土为主，厚度240～280 m。

1.2 构造

高青城区西侧近北东向的高青断裂为东营凹陷与青城凸起的分界断裂，在研究区内延伸长度约7.5 km，倾角50°～60°，落差大于500 m，倾向近南东。它从中生代末期开始活动，早第三纪活动最为强烈，至晚第三纪活动强度减弱直至基本停止。高青断裂控制了区内第三系地层的沉积。

1.3 水文地质条件

按埋藏条件、地层岩性等，研究区含水岩组分为块状岩类裂隙含水岩组(Ar)、碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组(∈、O)、碎屑岩孔隙、裂隙含水岩组(J、K、E、N)及第四系松散岩类孔隙含水岩组。Ar、∈、O、J、K含水岩组埋藏深、富水性差，孔店组、沙河街组含水岩组为油、气、水混合层，水质差，目前经济技术条件下具有开发意义的几个含水岩组为古近系东营组碎屑岩孔隙裂隙含水岩组，以及新近系馆陶组、明化镇组和第四系平原组松散岩类孔隙含水岩组。

1.4 地温梯度

研究区地热盖层平面地温梯度为 2.9～3.5℃ /100m，其变化特征受地质构造和盖层厚度等因素的影响，与基岩起伏呈正相关的关系[2]。在高青凸起区，基岩埋藏浅，盖层薄，盖层地温梯度相对较大，而在博兴凹陷区，基岩埋藏深，盖层厚，盖层地温梯度相对较小。

地温梯度垂向变化主要受岩石热传导率控制。第四系与新近系地层结构疏松，热传导率小;古近系地层结构较第四系紧密，热传导率大于第四系。根据测温资料，博兴凹陷第四纪地层地温梯度为2.6～3.3℃/100m，明化镇组上部地温梯度为 2.8～3.6℃ /100m。

坳(凹)陷区垂向上地温梯度总的特征是:新生界上部比下部地温梯度高;以泥岩为主的井段比以砂岩为主的井段地温梯度高。但由于新生界均为较松散沉积岩类，其垂向地温梯度差异不甚明显，其差值一般在1.0℃/100m以下。

2 地热地质概念模型

2.1 热源与水源

本区热源主要来自地壳深处及上地幔的传导热。根据物探资料该区地壳厚度为30～34 km，为莫霍面相对隆起区，可从地球内部向地表传导相对较高的热流量，有利于地下水升温。除来自地壳深处及上地幔的传导热外，本区热源还有可能来自新生代古近系中广泛存在着生油、储油层，石油形成过程中的化学反应热。

本区地下热水的δD－δ18O投影点均位于大气降水氢氧同位素组成线附近，表明本区地下热水主要由大气降水补给形成。大气降水在东部鲁中山区入渗，在漫长的地质历史中，沿断裂带或岩层的孔隙向深处运移，被围岩加热，并与围岩发生水－岩反应，溶解了大量的微量元素成分[3]。受热的地下水由于密度差异引起自然对流，加上补给区水头差的驱动，因而得以缓慢地进行循环交替运动，并在热储层中保存下来[4]。

2.2 主要热储层

依据地热地质背景，本区热储层主要为新近纪馆陶组和古近纪东营组热储，属层状砂岩类裂隙－孔隙型热储。

馆陶组热储在区内广泛分布，顶板埋深700～800 m，底板埋深900～1 100 m，地层厚度300 m左右，热储含水层岩性以粉砂岩、泥质粉砂岩及含砾砂岩为主，渗透率为0.6 μm2左右，地热水温度为42℃ ～52℃，水化学类型为 SO4—Na型，矿化度5 g/L左右，单井涌水量为20～40 m3/h。

东营组热储在区内广泛分布，为本区发育最好的热储层，顶板埋深900～1 100 m，底板埋深1 200～1 400 m，地层厚度250～350 m，热储含水层岩性以粉砂岩、泥质粉砂岩、粉细砂岩为主，地热水温度52℃ ～77℃，水化学类型为 Cl—Na型，矿化度 7.2 ～ 26.7 g/L，单井涌水量为 30 ～ 60 m3/h。[3]

2.3 导水通道

受高青断裂的影响，馆陶组、东营组两个热储层埋藏深度由南向北方向逐渐增大，热储层厚度亦有自南向北逐渐变厚的规律。断裂沟通了热储层与热源的联系，具有一定的导热和导水作用，地下热水及热量在断裂处易集中，使水温增高。

2.4 热储盖层

本区热储盖层以第四系和新近系黄骅群明化镇组为主，由多层粘性土、砂性土、砂层、泥岩及砂岩组成，热导率低，粘性土和泥岩单层厚度大，一般为数米至数十米，是良好的隔水层和保温层，使热能得以保存和储集。盖层总厚度在凸起部位和凹陷边缘地带相对较小，为600～900 m;在凹陷区内部总厚度较大，为 900 ～1 300 m[9]。

3 地热资源量评价

区内馆陶组地层以高青断裂为界，东厚西薄，且高青凸起区的馆陶组地层中含水砂层少，此外，东营组热储主要分布在高青断裂以东地区，故高青地区地热资源评价对象为高青断裂以东范围内的馆陶组和东营组热储层。

3.1 地热资源量评价

本区热储为层状热储，参照《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615－2010)，用热储法开展地热资源评价。

3.1.1 热储面积

高青县全县面积831 km2，在高青断裂以东范围的面积为548.9 km2，馆陶组和东营组的热储面积定为548.9 km2。

3.1.2 热储含水层厚度

区内6眼地热井，把粉砂岩、细砂岩及中砂岩岩层中孔隙度大于20%的岩层均看作热储含水层，馆陶组热储平均厚度为35.7 m，东营组热储平均厚度为191.4 m。

3.1.3 孔隙度及弹性释水系数

根据测井资料馆陶组热储层加权平均孔隙度为28%，东营组热储层加权平均孔隙度取26%。弹性释水系数:根据前人工作经验，弹性释水系数均选为S=2×10－4。

3.1.4 热储层中热水的水头压力

馆陶组热储平均埋深850 m，本次估算取850 m。2014年供暖季结束后，区内东营组地热井平均水位埋深在9～12 m左右，本次估算取平均值10 m，则东营组平均水头压力为东营组平均埋深1 200 m－10 m=1 190 m。

3.1.5 热储层温度及常温层温度

根据测温孔的测井资料、抽水试验资料，同时结合已有石油部门资料，综合确定馆陶组热储的平均温度为55℃，东营组热储的平均温度为65℃。常温层温度取当地平均气温13℃。

计算结果显示，区内馆陶组热储的地热资源量为2.32×1018J，东营组热储的地热资源量为 1.51×1019J，共计 1.74×1019J。

3.2 地热流体可开采量评价

地热流体可开采量评价方法为:采用计算单井允许开采100年、消耗15%左右的地热储量，得出的开采权益保护半径，进而计算单井的开采保护面积，用查明范围的面积和推测范围的面积除以开采保护面积得出相应的可布井数，由此计算可开采的水量及热量。

表1 高青地区地热资源量

3.2.1 开采权益保护半径

高青地区属盆地型地热田，采用下列公式作为单井开采权益保护半径:

式中:R为单井开采权益保护半径，m;Q为地热井涌水量，馆陶组500 m3/d，东营组1 000 m3/d;f为水比热与砂岩比热的比值，经计算为4.76，无量纲;H为热储层厚度，馆陶组取 35.72 m，东营组取 191.4 m。

经计算得馆陶组和东营组热储层的单井开采权益保护半径分别为2 300 m和1 400 m。

3.2.2 地热流体可采量

以馆陶组和东营组的开采权益保护半径值为0.5倍边长，按照正方形均匀的在工作区内布井，经计算分别可布井数为6眼和15眼。依据各热储层已查明的单井涌水量(馆陶组500 m3/d，东营组1 000 m3/d)，计算得出高青地区地热流体可开采总量为6.570×106m3/a(18 000 m3/d)，其中馆陶组为 1.095×106m3/a(3 000 m3/d)，东营组为 5.475×106m3/a(15 000 m3/d)。

3.2.3 地热流体热量可采量

高青地区地热资源利用方式主要为地热供暖，查明高青地区地热产能，参照供暖热流公式计算地热流体可采量。

地热田的产能的计算公式为:

Wt=4.186 8Q(Tr－T0)

式中:Wt为热功率，(kW);Q为地热流体可开采量L/s;Tr为热储温度;T0为多年平均气温。

地热流体年开采累计可利用热能量的计算公式为:

∑Wt=86.4DWt/K

式中:∑Wt为开采一年可利用的热能，MJ;D为一个供暖季120 d;Wt为计算得出的热储热功率，(kW);K为热效比(燃煤锅炉热效率0.6)，无量纲。

经计算，馆陶组可利用的热能量为1.76×107MJ，东营组可利用的热能量为4.35×108MJ。

表2 高青地区地热资源可利用量

3.3 地热资源环境效益

地热能为绿色资源，地热能开发利用具有十分巨大的环境效益[5]。高青地区地热资源利用主要为地热供暖，通过地热资源可替代的常规能源量(以每年多少吨标准煤计量)，计算可减少多少污染物的排放量，减少的排放量即为地热资源环境效益。参照《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615－2010)中地热资源节煤量计算方法，评估高青地区地热资源环境效益结果见表3，合计节煤量25 879.71 t/a，减少二氧化碳排放61 748.99 t/a，减少二氧化硫排放439.96 t/a，减少氮氧化物排放 155.28 t/a，减少悬浮质粉尘 207.04 t/a，减少煤灰渣 2 587.97 t/a。

表3 高青地区地热资源环境效益

4 结语

山东高青地区地热地质背景条件有利，地下热源主要来自地壳深处及上地幔的传导热，热储层主要为新近纪馆陶组和古近纪东营组热储，属层状砂岩类裂隙 －孔隙型热储，热储平均厚度分别为35.7 m和191.4 m。高青断裂为导水断裂，导热和导水作用明显，地下热水及热量在断裂处易集中。热储盖层以第四系和新近系黄骅群明化镇组为主，盖层总厚度为600～1 300 m。

高青县地热资源量为1.74×1019J，其中馆陶组热储资源量2.32×1018J，可布6眼地热井，东营组热储资源1.51×1019J，可布15眼地热井。地热流体可开采总量为6.57×106m3/a(18 000 m3/d)，其中馆陶组为1.095 ×106m3/a(3 000 m3/d)，东营组为5.475×106m3/a(15 000 m3/d)。高青地区地热资源利用主要为地热供暖，有效利用地热资源，节煤量可达25 879.71 t/a，减少相应数量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、悬浮质粉尘和煤灰渣排放，环境效益显著。

[1]张保建.高青县城区地热资源及开发利用.山东国土资源.2008，24(11):30 －33.

[2]刘善军.山东省温泉分布规律及地下热水资源预测.山东地质.1998，14(2):34 －36.

[3]山东省地质环境监测总站.华北平原北部地温场及地热资源研究报告[R].1988.

[4]陈墨香.华北地热.北京:科学出版社.1988.

[5]朱家玲.地热能开发与应用技术.北京:化学工业出版社.2006.