子牙循环经济产业区地热资源条件与开发利用方案分析

刘 斐， 胥博文，白 宇，彭红晶

(天津地热勘查开发设计院，天津 300250)

天津市子牙循环经济产业区(简称产业区)位于静海区西南部，是我国北方最大的再生资源及有色金属集散地，随着产业区建设规模的不断扩大，对能源需求量将逐年增长，地热作为可再生、环保型的地热资源，成为该区发展首选的资源。地热资源的开发不仅受地热地质条件的约束，还要执行相关规范及当地地热管理部门的相关管理条例，才能保证既降低地热开发的风险，又做到合理可持续开发。本文拟从这两方面入手，提出产业区地热资源的合理开发利用方案，为今后该区的地热开发提供依据。

图1 产业区构造位置图

1 研究区地热地质条件概况

1.1 地质构造特征

天津地区地处Ⅰ级构造单元华北地台的北部，纵跨两个Ⅱ级构造单元，即燕山台褶带和华北断坳区，其间以宁河-宝坻断裂为界(图 1)。宁河-宝坻断裂以南华北断坳区进一步划分自西而东分别为冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷三个Ⅲ级构造单元，其间分别以古近系缺失线和沧东断裂为界。产业区构造位置位于沧县隆起西侧的次一级构造单元大城凸起之上，该凸起西以古近系尖灭线为界与冀中坳陷的武清凹陷相连，东以天津断裂为界与双窑凸起相邻，为一个总体走向北北东，倾向北西西的单斜断块构造。

1.2 地层概况

产业区为第四系覆盖区，属新生代冲积平原，揭露地层由上至下有新生界第四系、新近系明化镇组和馆陶组，古生界石炭-二叠系、奥陶系。各地层岩性特征如表1。

1.3 热储层特征

产业区地热资源属沉积盆地型的中低温地热资源，热储层呈层状分布，形成相互较为独立的地下热水系统，与相邻的热水系统普遍相互隔绝，或者只在局部地段有微弱的水力联系。根据地层资料分析， 4 000 m以浅热储层有新近系明化镇组和馆陶组、奥陶系三个热储层。

1.3.1 明化镇组热储层

一般上部富水性好于下部，但因其埋深浅，水温低，多数明化镇组地热井取水段位于中下部。下部富水段岩性为砂质泥岩与砂岩互层，以粉细砂岩为主。区内该热储顶板埋深220～300 m左右，厚600～700 m，水位埋深68～72 m，孔隙度28%～36%，渗透率600～1 500 mD，单井涌水量50～80 m3/h，下段热储温度30℃～50℃。该层储集条件良好，而且发育稳定，具有砂层发育、孔隙度大、渗透性好、埋藏浅、出水量大的特点，有一定的开发利用价值。

1.3.2 馆陶组热储层

富水段岩性以中粗砂岩为主，水位埋深42～46 m。揭露顶板埋深900 m，揭露厚度195 m，孔隙度为20%～36%，渗透率在780～1 800 mD之间，单井涌水量60～80 m3/h，热储中部温度为35℃～55℃。该层储集条件良好，具有砂层发育、孔隙度大、渗透性好、埋藏浅、温度相对明化镇组较高的特点，有一定的开发利用价值，但西南部该储层缺失，且缺失线附近厚度较小，造成该区域出水情况不明。

表1 产业区综合地层表 m

1.3.3 奥陶系热储层

区内静海断裂以东该热储埋藏较深，奥陶系与石炭-二叠系均较厚且保留较全，可知该区域奥陶系在后期沉积阶段出露地面时间较短，受到风化剥蚀较少，缺少垂直淋滤作用，所以裂隙发育状况较差，赋水条件不好。断裂以西，石炭-二叠系厚度相对较薄，奥陶系埋藏较浅，赋水条件较东部为好，但根据钻孔揭露情况看，该区奥陶系也保存较全，不利于裂隙发育，因此开采也有一定的风险。从区域资料分析，该系成井段岩性为白云质灰岩、灰岩，岩溶裂隙发育层段占总厚度20%～37%，其孔隙度为8%～9%，单井涌水量一般在40～100 m3/h之间，热储(中部)温度55℃～70℃。

2 地热开发利用可行性评价及优化布井方案

地热资源的开发受地热地质条件和相关规范及当地地热管理部门的相关管理条例双重约束，首先地热资源开发要具备可行性，其次其开发利用需满足相关规范要求并符合当地规划，才能保证既降低地热开发的风险，又做到合理可持续利用。

2.1 地热资源开发利用可行性评价

2.1.1 地热资源开采的可行性分析

目前我市地热井钻探深度一般不大于4 000 m，地热井施工中，若不能钻穿目的层，一般需揭穿目的层500 m，因此本次工作以热储顶板埋深3 500 m，即成井深度4 000 m作为评价标准，对工作区各热储地热资源开采的可行性进行分析。根据工作区热储特征分析可知，区内明化镇组、馆陶组、奥陶系三个热储层地热资源全区开采可行。

2.1.2 地热资源开采的经济性分析

依据地热井的成井深度，区分地热资源开采的经济性。一般分如下三个等级：

最经济的地热井，成井深度<1 000 m；经济的地热井，成井深度1 000～3 000 m；有经济风险的地热井，成井深度>3 000 m。

本区各储层地热井经济性分析详情见表2。

表2 各热储层开采经济性分析表

2.1.3 适宜开采程度分析

依据地热井的地热流体单位产量大小，确定适宜开采地区，主要分为：适宜开采区：地热井地热流体单位产量>50 m3/d·m；较适宜开采区：地热井地热流体单位产量5～50 m3/d·m；不适宜开采区：地热井地热流体单位产量<5 m3/d·m；根据区内地热井成情况调查，各热储层适宜开采程度分析见表3。

表3 工作区适宜开采程度分析表 /m3/d·m

2.1.4 地热资源利用范围分析

区内明化镇组热储层温度30℃～50℃，属于低温地热资源中的温热水，主要用途可为洗浴、温室、养殖，少部分可用于理疗、供暖；区内馆陶组热储层温度35℃～55℃，大部分属于低温地热资源中的温热水，其主要用途可为理疗、洗浴、采暖、温室、养殖。区内奥陶系热储层温度55℃～70℃，属于低温地热资源中的热水，其主要用途可为理疗、洗浴、采暖、温室。

2.1.5 地热资源开采可行性综合分析结果

产业区内明化镇组热储全区开采可行，且开采为最经济的，为适宜开采区，但温度低，主要用途可为洗浴、温室、养殖；馆陶组热储全区除西南部缺失区外开采可行，开采基本为最经济的，为适宜开采区，主要用途可为理疗、洗浴、采暖、温室、养殖；奥陶系热储全区开采可行，但仅在静海断裂以西为开采经济，开采程度较适宜，静海断裂以东开采有经济风险且开采不适宜，其主要用途可为理疗、洗浴、采暖、温室。

2.2 地热资源规范及规划要求

依据《地热资源地质勘查规范(GB/T11615-2010)》，相邻地热开采井井底距离不得小于地热井开采对热储影响半径的2倍；对井冷热水的混和锋面到达开采井的时间大于100 a；

1)地热井开采对热储影响半径计算

按单井允许开采量开采100 a、消耗15%左右地热储量，采用式1估算地热井开采对热储的影响半径, 视其为单井开采权益保护半径，结果见表4。

(1)

式中：Q为地热井产量(m3/d)；f为水比热/热储岩石比热的比值，介于3～5之间，本次取4；H为热储层有效厚度(m)；R为地热井开采100 a排出热量对热储的影响半径(m)。

表4 单井开采权益保护半径计算结果一览表

2)采灌对井合理距离计算

明化镇组热储回灌量可按开采量的60%计算；奥陶系热储回灌量按可采量的90%计算；馆陶组热储回灌量按开采量的100%进行计算，运行100 a时产生热突破时间来确定设计对井之间的合理布井距离式2，结果见表5。

(2)

式中：D为对井井底距离(m)；ρω·βω、ρα·βα为流体和热储层的热容；Q为回灌量(明化镇组按开采量的60%，取48 m3/h，馆陶组、奥陶系60 m3/h)；b为含水层有效厚度(m)；t为冷热水的混和锋面到达开采井的时间(按100 a计算，每年采暖期4个月进行回灌，t=100×4×30=12 000d)。

表5 对井井底距离计算结果一览表

根据《天津市地热资源规划(2011-2015年)》，明化镇组热储层每年可增加开采量(20～30)×104m3；馆陶组热储层每年可增加开采量(80～90)×104m3；奥陶系热储层每年可增加开采量(70～80)×104m3。

2.3 优化布井方案

2.3.1 明化镇组

本区若明化镇组地热井仅用于洗浴，可布开采井1眼；若用于供暖，在开凿回灌井的情况下，可布开采井两眼(图2)。在满足需求的情况下，地热井尽可能布置于工作区东南部，井口出水温度约45℃，井口稳定流量80 m3/h。

2.3.2 馆陶组

馆陶组热储回灌能力较明化镇组好，开采方式为一采一灌，可用于冬季采暖及洗浴。根据本区馆陶组适宜性分区，应尽量远离馆陶组缺失线，考虑到地热资源整体的赋存情况，主要布置于本区奥陶系不适宜开采区内，以满足该区的地热资源需求，最多可布馆陶组地热开采井4眼(图2)，井口出水温度约45℃，井口稳定流量80 m3/h，须同时开凿回灌井，距开采井井底距离大于585 m。

2.3.3 奥陶系

奥陶系热储回灌能力好，开采方式为一采一灌，主要用于冬季采暖。根据本区奥陶系适宜性分区，布置于本区奥陶系较适宜开采区内，以满足该区的地热资源需求，最多可布奥陶系地热开采井3眼(图2)，井口平均出水温度约60℃，井口稳定流量预计60 m3/h，须同时开凿回灌井，距开采井井底距离大于447 m。

图2 新增地热开采井位置示意图

3 结语

(1)产业区在构造上处于Ⅲ级构造单元沧县隆起之大成凸起上。已揭露的地层自上而下有：新生界第四系，新近系明化镇组、馆陶组；古生界石炭—二叠系、奥陶系。

(2) 产业区地热资源属沉积盆地型的中低温地热资源，热储层呈层状分布，形成相互较为独立的地下热水系统， 4 000 m以浅有新近系明化镇组和馆陶组、奥陶系三个热储层。

(3)产业区内明化镇组热储全区

开采可行，且开采为最经济的，为适宜开采区，；馆陶组热储全区除西南部缺失区外开采可行，开采基本为最经济的，为适宜开采区，主要用途可为理疗、洗浴、采暖、温室、养殖；奥陶系热储全区开采可行，但仅在静海断裂以西为开采经济，开采程度较适宜，静海断裂以东开采有经济风险且开采不适宜，其主要用途可为理疗、洗浴、采暖、温室。

(4)依据《地热资源地质勘查规范(GB/T11615-2010)》，产业区明化镇组、馆陶组和奥陶系地热单井热影响半径分别为1 408 m、1 564 m和1 106 m，相邻同层地热开采井井底距离不得小于其热储影响半径的2倍；明化镇组、馆陶组和奥陶系采灌对井100年时产生热突破的距离为466 m、585 m和447 m，同层采灌对井布井时需大于该距离。

(5)综合产业区地热地质条件及规范和规划要求，区内可布设明化镇组开采井两眼、馆陶组开采井四眼、奥陶系地热开采井三眼；同时须按照“一采一灌”方式开凿回灌井，须保持采灌平衡。

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