河南省沉积盆地水热型地热资源特征及潜力评估研究

倪 昆，卢 磊，陈飞阳，王英超，肖 雄，张宗可

(1.河南省国土资源科学研究院，河南 郑州 450053；2.河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，河南 郑州 450000；3.河南省有色金属地质勘查总院，河南 郑州 450000；4.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 450000)

河南省地热资源较丰富，近年来在供暖、温泉、康养等方面的应用呈上升趋[1-3]。在新时代生态文明建设的大背景下，地热资源因其清洁、环保、资源蕴藏量丰富的优点，将在能源结构调整、提高清洁能源比例上起到积极作用[4-6]。近期，在国家和河南相关规划、政策的推动引导下，全省地热能开发利用发展速度明显加快。河南应以习近平生态文明思想为指导，在敬畏自然、保护自然的前提下，科学规划、统筹管理，把握当前地热资源开发的发展机遇，推动全省地热能勘查与深化应用科学发展[7-8]。

1 热储层特征

河南省沉积盆地水热型地热资源依据热储层时代及储水介质特征，主要分为新近系孔隙热储、古近系裂隙孔隙热储、下古生界岩溶热储(表1)[9]。主要分布在黄淮海平原及山间盆地，为河南省主要地热资源类型[10]，主要热储介质为松散砂、砂岩和碳酸盐岩，呈层状，地热水为孔隙水或隐伏岩溶水[11]。

表1 河南省主要热储层特征

2 地热资源分布特征

2.1 平面分布特征

河南省新生界地温梯度变化范围2.0～4.0℃/100m[12]。总体分布具有由山前至平原，地温梯度渐增，局部存在地温异常，沉积盆地内凸起区大于凹陷区的特点(图1)。分布形态主体呈NW-NWW向，其次为NE-NNE向，与大地热流分布形态类似(图2)[13]。

图1 河南省沉积盆地地温梯度等值线图

图2 河南省沉积盆地大地热流值等值线图

沉积盆地地温梯度一般2.5～4.0℃/100m，分布相对均匀，但不同构造单元略有差异。内黄凸起、荷泽凸起、通许凸起等凸起区地温梯度值相对较高，一般3.0～3.75℃/100m。济源开封凹陷、周口凹陷地温梯度一般3.0～3.5℃/100m。汤阴断陷、东明断陷、平舆凸起、驻马店凹陷及潢川山前拗陷一般小于3.0℃/100m；山间盆地中，灵三断陷及洛阳坳陷地温梯度一般3.0℃/100m。坳陷盆地内，通许凸起及周口凹陷两构造单元的内部(通许-尉氏-漯河、太康西南部)、周口凹陷沈丘南部及汤阴断陷、内黄凸起和开封凹陷交汇部(新乡东南、原阳一延津一带)和南阳盆地魏岗一带，地温梯度均大于3.5℃/100m，为高地温梯度带，属高温异常[14]。

2.2 垂向分布特征

根据全省400～3 600 m深度钻孔测温资料统计，地温梯度范围为2～4.8℃/100m，一般2.5～3.2℃/100m，受区域性深大活动性断裂影响，地温梯度明显增高，如济源-商丘断裂带地温梯度为3.6～4.8℃/100m[15-16]。运用spss统计分析得出，热储层温度=20.814±0.026储层埋深(表2、图3)，热水总溶固=-314.339±2.051储层埋深 。

图3 热储层平均埋深、水温、总溶固矩阵分布图

表2 热储层平均埋深、水温、总溶固相关性分析表

3 地热资源量评价

根据《全国地热资源现状评价与区划技术要求》，采用热储法进行估算[17]，新近系、古近系热储层地热水总储存量为75 690.71×108m3，热能总储存量为253 706.44×1016J，相当于867.08亿 t标准煤。其中新近系热储层储存热水量、热能量分别为56 529.38×108m3、116 345.82×1016J，相当于397.63亿 t标煤，其中通许凸起、周口凹陷、开封凹陷构造单元储存量最大(图4)；古近系热储层储存地热水、热能量分别为19 161.33×108m3、137 360.62×1016J，相当于469.45亿 t标煤，开封凹陷、周口凹陷和南阳盆地构造单元排名前三(图5)；下古生界奥陶-寒武系碳酸盐岩热储层储存热水量为1 836.50×108m3、储存热能量为339 416.76×1016J，通许凸起构造单元储存量最大(图6)；总体看，新近系热储层储存的热水量大于古近系、下古生界热储层储存量，但其储存的热能量小于古近系、下古生界热储层储存量。

图4 河南省各构造单元新近系热储层地热水储量(108 m3)

图5 河南省各构造单元古近系热储层地热水储量(108 m3)

图6 河南省各构造单元下古生界热储层地热水储量(108 m3)

4 地热资源潜力评估

对新生界热储和下古生界热储选取地热资源可开采量、可采资源模数、单井单位涌水量、热储埋深和热储温度等5个指标分别赋值(表3)，采用主成分分析法[18-19]，将每个分区的分值与其相对应的权重值相乘，然后求和，得出每个分区的总分值；根据最终分值的分布情况，对河南省沉积盆地型地热资源潜力进行评估。

表3 潜力评估指标数据表

依据统计指标的相关系数矩阵计算特征值和特征向量, 并将特征值按大小顺序排序，求其单个贡献率和累加贡献率[20]，第一主成分的特征值最大，方差贡献率达54.847%，其次为第二主成分，方差贡献率为 26.661% ，两者的累加贡献率已达81.508% ，且 2 个主成分互不相关(表4、表5)。由主成分碎石图(图7)可进一步看出，前2个主成分的特征值均大于1，剩余的 3个主成分的特征值较小，在碎石图上表现为曲线较为平缓。由此表明，第一和第二主成分基本包含了原5 个地热资源潜力统计指标的综合信息，可较好地反映原变量变化所代表的地热资源潜力。

图7 主成分特征值碎石图

表4 成分得分系数矩阵

表5 总方差解释图

用Yi表示第i个主成分，分别用X1、X2、X3、X4、X5表示地热资源可开采量、可采资源模数、单井单位涌水量、热储埋深和热储温度指标得分，根据主成分得分方法分别求出主成分1、主成分2得分，如下：

Y1=-0.106×X1-002 2×X2-0.496×X3+0.385×X4+0.369×X5

Y2=0.418×X1+0.448×X2+0.423×X3+0.084×X4+0.106×X5

用Z表示地热资源潜力评估模型，根据Y1、Y2主成分得分系数，分别于Y1、Y2得分相乘，得到各热储分区地热资源潜力得分及排序，如下(表6)：

Z=0.548 47×Y1+0.266 61×Y2

表6 热储分区地热资源潜力排名表

5 结语

(1)河南省沉积盆地水热型地热资源储水介质为新近系孔隙热储、古近系裂隙孔隙热储、古生界岩溶热储、元古界岩溶热储，其中目前主要开采热储层为新近系热储，潜力最大为古生界岩溶热储。

(2)河南省地温梯度总体分布具有由山前至平原，逐渐升高，局部存在地温异常，其中大体表现为凸起区大于凹陷区，呈NW-NWW向，其次为NE-NNE向。

(3)采用主成分分析法，选取5指标进行河南省沉积盆地地热资源按热储分区进行了潜力评估，对各构造单元热储层地热资源潜力进行了排序，得出河南省地热资源潜力评估模型，排在前三位的是汤阴断陷O-∈热储层、济源-开封凹陷E热储层、通许凸起O-∈热储层，这为河南省地热资源勘查开发提供依据。