牡丹江市镜泊乡地热地质特征及资源评价

王建伟，佟智强，宋林旭，高 博，宋立东

(中国地质调查局牡丹江自然资源综合调查中心，黑龙江 牡丹江 157021)

敦密断裂带(敦化-密山断裂带)为我国东北部中、新生带巨大的裂陷带，南起沈阳，北至密山，斜贯辽宁、吉林和黑龙江三省，断裂展布区内蕴藏着丰富的煤炭、石油、天然气、地热、多金属及非金属资源，是我国东北地区重要的断裂带之一[1-3]。镜泊乡位于黑龙江省牡丹江市南部，面积180 km2，距牡丹江市区150 km，属切割的低山丘陵地貌，平均海拔400 m左右，该区处于敦密断裂带形成的镜泊湖地堑中，根据区域上地热勘查成功案例(镜泊湖地堑敦参1井)综合对比分析，镜泊乡地区具备地热资源赋存的有利条件，地热资源勘查开发具备一定潜力[4]。

2008年开始，黑龙江省第一地质勘查院陆续对该区开展了地热勘查工作，在镜泊乡地区北部施工钻孔1个，编号镜泊湖1号，孔深1 579.40 m，并完成了相应的测井、抽水试验、取样测试等工作。本文以前人研究成果和实测地质资料为基础，对镜泊乡地区地热地质特征进行了分析与研究，利用热储法[5-14]对研究区地热资源量进行初步估算与评价，以期为该区合理开发利用地热资源提供地质依据。

1 地质背景

1.1 构造

区域上主要发育两条深断裂，分别为敦密断裂和牡丹江断裂。其中，敦密断裂带走向55°～60°，主要由两条相距10～20 km、大致平行的高角度主干断裂组成，后期因相向对冲，形成“逆地堑式”断裂[15-16]；牡丹江断裂呈近南北向或北北东向分布于牡丹江市至东京城镇连线东侧, 在镜泊湖南至宁安南部与敦密断裂带相裁切(图1)。在两条大断裂形成之后，沿其次级断裂发生过多次岩浆侵入活动，使部分地区呈现基底隆起，部分地区呈现凹陷而形成盆地[17-18]，镜泊湖地堑即位于形成的海浪盆地内。

1前震旦系深变质岩2下奥陶统较深变质岩3前中生界浅变质岩4中生界5新生界6花岗岩7中生代火山岩8新生代玄武岩9盆地边界10深断裂11区域大断裂12一般断裂

1.2 地层

区域上敦密断裂带两侧地层主要由中元古界黑龙江岩群的片岩和泥盆系歪鼻子组变质砂岩等变质岩构成，零星分布侏罗系上统宁远村组流纹岩等火山岩。镜泊湖地堑内地层主要由古近系珲春组及新近系土门子组河湖相沉积岩构成[19]，上伏覆盖第四系全系统镜泊湖早期玄武岩。

上述大的断裂构造、频繁复杂的岩浆活动及盆地内沉积地层，共同提供了在本区域内形成地下热储资源的地质条件。

2 热储特征

2.1 钻孔揭露特征

镜泊湖1号井设计孔深1 500 m，终孔孔深1 579.40 m(图2)，主要目的是寻找地热水，获取相关地热参数。该地热井穿过顶部玄武岩盖层，在新近系中新统土门子组沉积岩(主要为中-粗砂岩，夹少量细砂岩和泥岩)中打出热水，共揭露热储层16层(表1)，累计厚度157.20 m，热储平均孔隙度20.59%，平均渗透率194.35×10-3μm2，富水性中等。

图2 镜泊湖1号井岩性结构示意图

表1 镜泊湖1号井热储层一览表

2.2 垂向地温场

镜泊湖1号井井温垂向变化特征如表2、图3所示，井温与井深呈正相关关系，300 m处温度为20.87℃，1 550 m处温度为54.78℃，算数平均温度为39.48℃。在900～1 100 m深度范围内井温增加速度最快，地温梯度达3.43℃/100m。

表2 镜泊湖1号井井温测量表[20]

图3 镜泊湖1号井温度垂向变化图

2.3 水化学特征

镜泊湖1号井热矿水矿化度为922 mg/L，为淡水，其中阳离子以Na+为主，含量为245 mg/L，毫克摩尔浓度97%，阴离子以HCO3-为主，含量为586 mg/L，毫克摩尔浓度83.2%(表3)，按舒卡列夫分类，水化学类型属HCO3-Na型水；pH值8.38，总硬度11 mg/L，属弱碱性水，氟含量为12.0 mg/L，井口(抽出水)温度为48℃，已达到《天然矿泉水地质勘探规范》(GB/T13727-2016)规定的命名条件，为氟化物淡温泉水(氟≥2.0 mg/L、温度≥34℃、矿化度<1 000 mg/L)。依据《医疗矿泉水水质标准》，该热矿水中氟和偏硅酸含量(29.6 mg/L)较高，具有一定的医疗价值，并已达到氟水和硅水的命名条件。氟的摄取量对于维持骨骼的正常发育是很重要的，适量的氟可加速骨骼的形成，增加骨骼的硬度。

表3 镜泊湖1号井水质分析成果表 mg/L

热矿水中氟含量超过国家《饮用天然矿泉水》(GB8537-2018)规定限量指标(氟化物≥2.0 mg/L)与《生活饮用水卫生标准》(GB/5749-2006)规定毒理学指标(氟<1.0 mg/L)要求，不能直接作为天然矿泉水及生活饮用水使用。

3 地热资源量计算

热能量计算分为热储层中热能总量和可开采热能储量计算两个方面。常用的方法是“热储法”和“回采系数法”。

3.1 计算公式

本次地热资源量计算采用“热储法”，即：

(1)

根据镜泊湖1号井实测热储参数及《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)相关规定可得：A=1.8×108m2；d=157.2 m；tr=48.0℃；tj=3.6℃；ρc=2.60 g/cm3；ρw=0.988 91 g/cm3；cc=0.21 cal/g·℃；cc=1.00 cal/g·℃；φ=20.59%。

热储层可采热能储量计算，采用“回采系数法”进行计算，即：

Qwh=RE·QR

(2)

式中：Qwh为热储层可开采热储量(J)；RE为回采系数(回收率)；QR为地热资源量(J)。

用热储法计算出的热储层中储存热能总量不可能全部被开采出来，只能开采出一部分，二者的比值称为回收率。松散孔隙热储，孔隙率大于20%时，回收率可取25%，固结砂岩、花岗岩、火成岩等裂隙热储，其回收率可取5%～10%。本次计算热储层为固结砂岩，其孔隙度大于20%，回收率值取10%。

3.2 计算结果

将上述各参数值分别带入(1)和(2)式中计算得到：镜泊乡地区地热资源量(QR)为3.35×1018J，折合标准煤为1.14×108t；可开采资源量(Qwh)为3.35×1017J，折合标准煤为1.14×107t(每吨标准煤按2.93×1010J计算)。

4 地热流体可开采量

4.1 单井可开采量

镜泊湖1号井采用稳定流反向三个落程的方法进行了抽水试验工作，试验成果如表4所示。

表4 镜泊湖1号井抽水试验成果表

根据抽水试验成果绘制Q-S曲线，经计算镜泊湖1号井Q-S曲线为指数型曲线，表达式为Q=81.372·S1/1.138。依据“地热井抽水试验资料用内插法(最大水位下降以不大于20 m为宜)初步确定热水井可采量”规定，当降深至20 m时，镜泊湖1号井可采量为1 131.592 m3/d。

4.2 地热流体可开采量

镜泊乡地热开采井的合理井间距的计算根据单井开采权益保护半径公式确定，具体公式为：

(3)

式中：R为地热井开采100年排出热量对热储的影响半径(m)；Q为单井可采量(m3/d)；f为水比热与热储岩石比热的比值(无量纲)，数值为4.76；d为热储层厚度(m)。

4.3 年产能

地热产能采用公式：

Wt=4.186 8Q总(t-tj)

(4)

式中：Wt为热功率(kW)；Q总为地热流体可开采量(L/s)；t为地热流体温度(℃)；tj为当地年评均气温(℃)。

地热流体年开采累计可利用的热能量估算公式为：

(5)

式中：∑Wt为开采一年可利用的热能(MJ)；D为全年开采天数(d)；K为为热效比(无量纲)，按燃煤锅炉的热效率0.6计算。

将相关参数分别带人(4)和(5)式中，计算得到：Wt=5.113×104kW，=2.687×109MJ。

5 结语

(1)镜泊乡地热田为受构造控制的断陷沉积盆地层状孔隙型热储，热储层为新近系土门子组沉积岩，累计厚度157.20 m。热矿水矿化度为922 mg/L，平均水温48℃，水化学类型为HCO3-Na型水，氟含量为12.0 mg/L，属氟化物淡温泉水。

(2)镜泊乡地区热储层中储存的热量(QR)为3.35×1018J，折合标准煤为1.14×108t；可开采出的热量(Qwh)为3.35×1017J，折合标准煤为1.14×107t；热流体可开采量(Q总)为275.04 L/s；热功率(Wt)为5.113×104kW；年产能(∑Wt)为2.687×109MJ。

(3)黑龙江省东部区域敦密断裂带上的其他沉积盆地(如海林、林口和鸡西等)是热储形成的潜力地段，可作为下一步地热资源勘查的远景规划区。