河南清丰地区中深层地热资源特征及开发保护措施探讨

贾艳雨，李亚辉

(1.中国石化集团新星石油公司新能源研究院，河南 郑州 450000；2.河南省煤田地质局，河南 郑州 450016；3.河南省能源钻井工程技术研究中心，河南 郑州 450016)

河南清丰地理位置位于河南省东北部，属濮阳市管辖，地处黄卫平原。整个县城处于温带大陆性季风气候，多年平均降雨量616 mm，7-9月份为雨季，7月份为降水高峰，8月份次之。前期针对清丰地区地热地质条件研究较少，认识不足，资源利用率不高。

1 地热资源特征

清丰地区地热资源类型主要为传导型，热储类型为层状热储，热储结构完整，热储层、盖层发育齐全。

1.1 控热构造与运移通道

凸起和断裂是清丰地区的主要控热构造。清丰地区构造单元上位于华北板块—渤海湾盆地—临清坳陷—内黄凸起北部(图1)，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，使得清丰县成为较好的地热异常区。县城东部存在切穿深达上地幔的深大张性断裂—长垣断裂和兰聊断裂，区域资料显示两条断裂组合的主干断裂均切穿地壳，越过莫霍面进入上地幔，不仅能够沟通地下深处的热源，同时可以起到导通热流体的作用。受区域应力的影响清丰县城内发育一定的次级断裂，在一定程度上影响热储的埋深和富水程度。

图1 内黄凸起区域构造图与清丰县相对位置图

1.2 热储层特征

清丰县已钻井完钻垂深介于1 200～1 900 m之间，主要钻遇新生界第四系、新近系、晚古生界石炭系、二叠系和早古生界奥陶系、寒武系地层。现有资料显示，清丰地区主要发育新近系砂岩、砂砾岩和奥陶系、寒武系灰岩、白云岩岩溶两种类型的热储层。

新近系热储层主要为明化镇组和馆陶组含水层。清丰区域新近系明化镇组厚度约为250～750 m，单层含水层厚度多介于2～20 m之间，岩性上表现为灰黄色泥岩及棕黄色、棕色、棕红色砂岩互层，夹少量灰色条带，该套地层上部较为松散，地热开采利用率较低，中下部受压实作用影响，固结成岩性明显变好。新近系馆陶组厚度多在500～700 m之间，含水上部岩性主要为棕色泥岩与中细砂砂岩互层，下部发育大套的灰白色砂砾岩夹棕红色泥岩。已有钻井资料显示，新近系可利用的含水层厚度在200 m以上，砂岩、砂砾岩孔隙度一般大于20%，渗透率达120 md以上。

清丰地区奥陶系热储层顶板埋深在1 100～1 500 m左右，现有钻井揭露厚度为54～677 m，主要为峰峰组、上马家沟组和下马家沟组热储层。峰峰组地层因中奥陶世末期地壳上升影响，经历了风化剥蚀阶段，目前均是残存厚度，平面差异较大，其岩性主要为一套厚层状深灰色隐晶灰岩，夹薄层灰白色、褐灰色隐晶白云岩及含膏角砾状白云岩，溶蚀现象普遍，具风化壳的特征。上马家沟热储层岩性为灰色、浅灰色白云岩夹灰色石灰岩，下马家沟组热储层段岩性为深灰色厚层石灰岩，中部夹一厚层白云岩。峰峰组、上马家沟组和下马家沟组碳酸盐岩岩溶和裂缝发育，是清丰县目前开采的最主要热储层，开采此层位的地热井水温均在50℃以上，水量在100 m3/h左右。现有钻井最多揭露寒武系地层厚度118 m，岩性主要为灰、深灰色厚层白云岩，含水性略差于奥陶系碳酸盐岩。

1.3 盖层条件

新近系热储盖层为第四系和新近系上部松散的粘土、粉质粉土、粉细砂、泥质砂砾石。寒武-奥陶系热储盖层为上部碎屑岩及第四系松散层。

2 地温特征

2.1 恒温带的确定

清丰县多年平均气温13.4℃，野外调查区域内浅水井76口，测温结果显示清丰县城附近恒温带埋深24.8 m，温度16℃。

2.2 地温分布特征

利用清丰地区已有地热井测温资料(表1)，根据公式1，计算清丰地区地温梯度，结果显示新近系热储层的平均地温梯度3.34℃/100m，奥陶系热储层平均地温梯度2.26℃/100m。不同热储层地温梯度差异较大，主要是地层岩性不同影响着岩石热导率的变化，从而影响地温梯度。地热井井深与测井温度关系图显示(图2)，地热井温度总体表现为随着深度加大地层温度逐渐增高的趋势，灰岩地层的增温率明显小于砂岩地层，很好的反映了垂向地温梯度与岩性的变化关系。清丰县区域内，县城北部地温梯度计算结果稍高于县城中部，初步推断可能和断裂发育情况有关。

表1 清丰县部分地热井平均地温梯度统计表

图2 清冶3井深度与测井温度关系图

(1)

式中：ΔT/ΔH为地温梯度；T为钻孔测井温度(℃)；T0为恒温带温度(16℃)； h为钻孔测温段埋深(m)；h0为恒温带埋深(24.8 m)。

3 地热流体化学特征

化验分析资料显示，清丰县新近系热储地热流体化学类型为SO4·Cl-Na型水。PH值7.9左右，属弱碱性水，矿化度2 274.68 mg/L左右，属微咸水，总硬度(以CaCO3计)为353.5 mg/L，属硬水，总溶解性固体一般在2 358 mg/L左右，H2SiO3含量一般在31 mg/L左右。清丰县奥陶系地热流体化学类型主要为硫酸?氯化物型水(SO4·Cl)，其中清冶2井和清冶3井为SO4·Cl-Ca·Na型水，清冶4井为SO4·Cl-Na·Ca型水。奥陶系地热流体pH值介于7.1～7.4之间，属弱碱性水，矿化度在2 585.82～2 941.67 mg/L之间，属咸水，总硬度(以CaCO3计)在1 108～1 515 mg/L之间，属特硬水，总溶解性固体一般在2 714.82～3 075.91 mg/L之间，H2SiO3含量一般在32.5～46.3 mg/L之间。总体来看，奥陶系热储层之间地热流体化学成份变化不大，说明该区热储层地热流体水平方向联系密切，新近系热储地热流体化学成分和奥陶系热储地热水水化学成分有一定差别，说明新近系热储和奥陶系热储之间水力联系较弱。

4 地热资源开发利用与保护措施

4.1 地热资源开发利用

清丰地区地热水无味，无肉眼可见物，但不符合直接饮用标准，不能作为饮用水。清丰地区地热资源属中低温地热资源，新近系砂岩热储层受其特征影响，在清丰地区可以视为无限边界储层，整个地区大面积连续分布，根据新近系砂岩热储层地热水特点，300～600 m的新近系热储所赋存的地热水温度多小于35℃，可用于农灌、养殖与土壤加温，而埋藏深度介于600～1 300 m深度的新近系热储层地热水温度多介于35℃～50℃之间，可用于医疗、洗浴、温室。大于1 300 m埋藏深度的奥陶系、寒武系地热水，地热水温度多大于50℃，可用于供暖和工业应用，但因岩溶热储层平面和纵向非均质性均较强，不同区域富水程度差异明显，针对此类型的热储层开发利用需开展深入的勘查认识和评价工作。现清丰境内有少数地热井用于洗浴，钻井深度一般在1 300 m以下，利用新近系砂岩热水；中石化新星公司在县城南部开展了多个地热供暖项目，利用奥陶系岩溶热水，地热井单井水量在100 m3/h左右，项目地热尾水回灌处理，采用取热不取水的工艺流程于供暖季运行。综合来看，整个清丰地区的中深层地热资源利用率不高，地热利用项目较少且利用单一，缺少系统规划和监督管理。

4.2 地热资源保护

地球内部虽然具有源源不断的热量，但地热资源却是在特定的水文地质、水文地球化学环境等条件下形成的，在规划利用中应十分注意地热资源的保护，以保证地热资源的利用效率和可持续性。在地热资源保护中，应该注意做好以下几个方面：(1)建立建全地热资源管理和审批制度，地热资源开采利用应该在取得矿权或许可证的条件下进行，实行严格审批，并根据实际情况设置地热能利用权限。(2)针对农业灌溉、养殖、温泉洗浴等地热水利用量相对较小的项目，应根据区域地热资源可采量计算，合理设置地热水最大开采量，对于超采范围严格征税、罚款或禁止项目继续运行，以保护地热资源可持续利用。(3)针对供暖利用和工业利用等取水量较大的项目，对取热不取水、实施同层回灌的供暖和工业项目给予支持和鼓励，严格禁止只取地热水而不采取保护措施的供暖和工业项目建设，从而提高地热资源利用率，保护地热资源。(4)建立相关的动态监督机制，时时监督不同类型地热利用项目是否严格按着批复规定取水、回灌，是否在地热资源保护的前提下开展利用。(5)打造地热资源梯级利用项目示范工程，推动地热能产业发展。

5 结语

河南清丰地区地热资源丰富，发育新近系明化镇组、馆陶组，古生界奥陶系、寒武系等几套热储层。国家《地热能开发利用“十三五”规划》指明了地热能发展的方向和目标，结合不同热储层、不同深度的地热资源特点，合理利用清丰地区的地热资源，可能成为清丰地区新的经济增长点，但是在利用中应采取相应的保护措施，实现可持续发展。