聊城莘县地区地热资源赋存条件及评价

吴清华，冯颖，刘帅，张静，王玲丽

(山东省地勘局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘察院)，山东 德州 253015)

0 引言

莘县地区地热资源丰富，开采条件好，开发潜力大，利用前景广阔。正在进行的高铁新城项目是莘县正在重点推进的两大战略项目之一，项目涉及约400hm2基本农田需调整为一般农田后转为建设用地，会建设大量的公共、商业、办公等建筑，因此查清莘县地区地热资源的赋存条件并对地热资源进行计算和评价，对解决新城区供暖问题、优化能源结构、减少污染物排放具有十分重要意义。

1 区域地质背景

1.1 地层

研究区被第四系覆盖，自中新世以来，受差异性升降运动的影响，一直缓慢下沉，沉积了厚大新生代地层。地层由老至新有古近系、新近系和第四系(图1)。

1—古近纪东营组；2—古近纪孔店-沙河街组；3—侏罗纪三台组；4—二叠纪石盒子群； 5—二叠纪山西组；6—石炭-二叠纪太原组；7—奥陶纪马家沟群；8—物探解译断层；9—隐伏平行不整合线；10—研究区范围图1 莘县地区区域地质图

(1)古近系

古近系包括孔店组、沙河街组和东营组。孔店组主要为砂岩与泥岩互层，底部为砾岩，厚度大于400m；沙河街组岩性主要为灰岩、泥岩和泥砂岩，底部为泥岩及砂砾岩，厚度145～789m；东营组岩性主要为砂岩、含砾砂岩、泥岩和细砾岩，与下伏沙河街组呈整合接触，厚度100～500m左右。

(2)新近系

新近系包括明化镇组和馆陶组。馆陶组岩性主要为细砂岩、中砂岩、砂砾岩和泥岩，砂岩及砂砾岩分选性较差，磨圆度中等，胶结性差，与下伏东营组呈不整合接触，厚度300～500m；明化镇组岩性主要为细砂岩和泥岩为主，与下伏馆陶组呈整合接触，厚度600～1000m。

(3)第四系

以平原组为主，局部地表可能有黄河组。岩性主要为粉砂、粉细砂、细砂、粉质黏土、砂质黏土为主，下部层底结构致密，含大量钙质、铁、锰质结核以及钙质沉淀层。厚度120～290m，与下伏新近纪明化镇组呈不整合接触[1]。

1.2 地质构造

研究区大地构造位于华北板块(Ⅰ级)华北凹陷区(Ⅱ级)临清凹陷(Ⅲ级)东明-莘县潜断陷(Ⅳ级)莘县潜凹陷(Ⅴ级)范围内。

区内重要断裂为聊考断裂，聊考断裂南起河南兰考，北至山东禹城，全长大于300km，走向20°～40°，倾向NW，倾角60°左右，其北端落差变小渐而消失。断裂带宽4～8km，落差大于2500m，它控制了中生代以来的地质发展史，在重力异常图上表现为明显的NNE向重力密集带，电测深剖面上也有明显的反映，范县至聊城，两侧电法标志层(奥陶系顶面)埋深相差2000～3000m。聊考断裂是一个新构造活动带，1502年—1948年间仅5级以上地震就发生过5次。

2 地热地质条件

莘县地热开采区处于聊城西部地热田，热储类型为层状孔隙型，主要开采新近纪馆陶组砂岩热储和古近纪东营组砂岩热储。

2.1 热储特征

(1)馆陶组

该热储受区域构造和基底起伏的控制，顶板埋藏深、厚度大，自东向西由浅变深，厚度由小变大(图2)。顶板埋深约1000m，底板埋深1300～1500m，地层厚度300～500m，含水层累计厚度155～175m。砂层岩性主要为河流相、冲积扇相的细砂岩、粗砂岩、含砾砂岩、砂砾岩，砾石呈半圆状，磨圆度中等。在1000～1500m取水段，单井涌水量1500～2000m3/d。地热水矿化度4～6g/L，水化学类型为Cl-Na和SO4·Cl-Na型，井口出水温度45～60℃，属温热型—热水型低温地热资源。

1—第四系；2—新近纪明化镇组；3—新近纪馆陶组；4—古近系；5—侏罗系-白垩系；6—石炭系-二叠系；7—奥陶系；8—断裂图2 地热地质剖面图

(2)东营组

受区域构造和基底起伏的控制，东营组底板埋深在2000m左右，厚度小于500m，在凹陷盆地的中心厚度最大，在盆地边缘最薄，分布不稳定，呈现自西向东、自南向北变厚趋势。基底断裂构造较发育，构成良好的热源上涌通道。热储岩性为细砂岩、砂砾岩，砂岩热储累计厚度100m左右，单井涌水量720～1440m3/d，地热水矿化度6～10g/L，水化学类型为Cl-Na，Cl·SO4-Na型，井口出水温度50～60℃，属温热水--热水型低温地热资源。

2.2 地温梯度特征

为了解研究区地热水的水化学特征，本次对施工地热井的水质分别进行了常规离子、微量元素、污染组分、放射性元素及同位素等方面的检测。

(1)水平变化特征

研究区内地温梯度总体大于3.4℃/100m(图3)。在水平方向上总的规律是中间低两边高，莘县东南部分地温梯度最高。地温场的展布方向呈带状NNE向，地温在平面上的变化规律与区内基岩埋藏深浅、凹凸基底的构造轮廓、断裂活动的分布具一致性。

1—地温梯度小于3.6℃/100m；2—地温梯度3.6～3.8℃/100m；3—地温梯度大于3.8℃/100m；4—地温梯度分区界线；5—施工地热井图3 盖层地温梯度分区图

(2)垂向变化特征

地温场的垂向变化规律主要由井内测温方法获得。本次施工地热井成井深度1900m，井底温度58℃，取水段为1340～1830m，取水段以上热储盖层地温梯度较高，约3.60℃/100m，热储层地温梯度相对降低，约3.42℃/100m，综合计算地温梯度为3.51℃/100m。测温曲线总体上是一条斜直线(图4)，反应在垂直方向上，地温随井深度的增加而递增，但曲线上也有波折，分析其曲线形态，主要与地层岩性变化和砂泥岩比例有关[2-8]，综合计算地温梯度为3.57℃/100m。

图4 盖层地温梯度分区图

2.3 地热水水化学特征

(1)常规离子成分

根据测试结果，莘县地区地热水矿化度介于7163.03～7776.14mg/L之间(表1)，水化学类型属于Cl-Na或Cl·SO4-Na型。阴离子以氯离子为主，含量介于2957.88～3350.03mg/L；阳离子以钠离子为主，含量介于2105.25～2343mg/L。总硬度介于1220.98～1246.0mg/L之间，pH介于7.46～7.47之间。

表1 地热水中常量元素含量一览表 mg/L

(2)微量元素

地热流体由于深层循环过程中的水—岩相互作用，同时受到高温对溶滤作用的影响，地热水中含有丰富的微量元素组分。根据测试结果，研究区地热水中偏硼酸含量12.04mg/L，偏硅酸含量35.75mg/L，锶含量8.9mg/L，碘含量1.70mg/L，锂含量0.32mg/L，溴含量5.50mg/L(表2)。

表2 地热水中微量元素组分含量一览表 mg/L

(3)污染组分含量及其特征

根据测试结果，地热水中有害成分和污染物含量极微，大部分低于检出限(表3)。

表3 污染成分含量一览表 mg/L

(4)放射性元素及其特征

地热水中放射性物质皆高于一般地下水，放射性元素含量差别较大。根据其测试结果，区内热水中总α含量<4.3×10-2βq/L，总β含量0.027βq/L，222Rn含量6558mβq/L。

(5)同位素及其特征

根据测试结果，区内地热水中δD×10-3含量为-72，δ18O×10-3含量为-9.1，其D，18O关系点均稍位于全球雨水线附近(δD=8δ18O+10)(图5)，说明区内地热水起源于大气降水。

图5 地热水δD和δ18O关系图

3 地热流体质量评价

莘县地区地热水中含有多种对人体有益的微量元素，偏硼酸、偏硅酸、氟含量均达到了《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615-2010)中《理疗热矿水水质标准》矿水浓度值，可命名为含硼、硅、氟型热矿水(表4)。由于地热水中矿化度、总硬度、氯化物、硫酸盐等离子含量超标，不适宜作为农田灌溉用水和饮用水水源(表5、表6)。

表4 理疗热矿泉水水质标准对比表 mg/L

表5 农业灌溉用水水质标准对比表 mg/L

表6 生活饮用水水质标准对比表 mg/L

根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)对研究区地热水进行腐蚀性和结垢评价。研究区地热水为腐蚀性锅垢很多的地热水，因此在地热水开发利用过程中要考虑地热水对金属的腐蚀性[9-15]。

4 地热资源计算

4.1 地热资源量计算

本次采用“热储法”计算研究区馆陶组和东营组热储地热资源量。计算公式如下：

Q=Qr+Qw

Qr=AdρrCr(1-φ)(tr-t0)

QL=Q1+Q2

Q1=Aφd

Q2=ASH

Qw=QLCwρw(tr-t0)

式中：Q—热储中储存的热量(J)；Qr—岩石中储存的热量(J)；QL—热储中储存的水量(m3)；Q1—截止到计算时刻，热储孔隙中热水的静储量(m3)；Q2—水位降低到目前取水能力极限深度时热储所释放的水量(m3)；Qw—水中储存的热量(J)；A—计算区面积(m2)；d—热储层厚度(m)；ρr,ρw—热储岩石密度、地热水密度(kg/m3)；Cr,Cw—热储岩石比热、地热水的比热(J/(kg·℃))；φ—热储岩石的空隙度，无量纲；tr—热储温度(℃)；t0—当地年平均气温(℃)；S—弹性释水系数，无量纲；H—计算起始点以上高度(m)。

经计算，本区馆陶组地热资源量为224.46×1016J，折合标准煤7.66×107t；东营组地热资源量为191.66×106J，折合标准煤6.55×107t。

4.2 地热水可采量计算

本次采用“开采强度法”计算工作区馆陶组和东营组热水可采量。计算公式如下：

Q可=t·ε·4bL

式中：ε—开采强度(m3/d·m2)；t—开采时间(d)；2L—开采区长度(m)；2b—开采区宽度(m)。

经计算，馆陶组地热水可采量为11.38×108m3，放热量折合标准煤6.71×106t；东营组地热水可采量为9.66×108m3，放热量折合标准煤6.09×106t。

4.3 回灌条件下地热可采量计算

根据《地热资源评价方法及估算规程》(DZ/T0331--2020)，考虑回灌条件，采用热突破公式计算地热回灌条件下流体可开采量。计算公式如下：

ρeCe=φρwCw+(1-φ)ρrCr

式中：Qa—回灌条件下允许开采量(m3/d)；t—热突破时间(d)；R1—井间距(m)；A—评价面积(m2)；M—热储层厚度(m)；φ—热储岩石孔隙度；ρw，ρr—热储水的密度，岩石的密度(kg/m3)；Cw，Cr—热储水的比热，岩石的比热(kJ/(kg·℃))。热突破时间t取100年，即36500d。

经计算，馆陶组可采资源量为18.40×106m3/a，东营组可采资源量为13.89×106m3/a。

5 结论

(1)莘县地区地热资源主要赋存于新生代新近纪和古近纪碎屑沉积岩中。

(2)莘县地区馆陶组地热资源量为224.46×1016J，地热水可采量为11.38×108m3，回灌条件下地热水可采量为18.40×106m3/a；东营组地热资源量为191.66×1016J，地热水可采量为9.66×108m3，回灌条件下地热水可采量为13.89×106m3/a。

(3)莘县地区地热水不适宜作为农田灌溉和饮用水源，且具有腐蚀性。