河南省郑汴新区(中牟段)地热资源特征及开发利用前景

范浩敏

(河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南 郑州 450001)

地热资源为一种绿色、可再生新型能源. 郑汴新区位于河南省中北部，隶属郑州市和开封市。郑汴新区中牟段蕴藏着丰富的地热资源[1],在华北地区具有典型性.研究该地热田的地热资源特征,对该地区地热资源开发有着积极的指导意义。

研究区位于郑汴新区中牟段，郑东新区以东、汴西新区以西，北到黄河南岸，南至310国道，总面积308 km2。地理坐标为：东经113°50′43″～114°09′02″，北纬34°44′09″～34°50′19″。研究区地理位置极其优越。连霍高速、郑开大道、国道220线、郑徐高铁、省道102线横贯东西， 省道223线、万三公路纵穿南北，交通极为便利。

1 区域地质背景

研究区大地构造单元位于中朝准地台南部的华北坳陷。次级构造单元为济源—开封凹陷，沿黄河呈东西向展布，分布于济源—开封—兰考一带，总面积12 000 km2。

1.1 区域地质构造

开封次凹陷主要受到构体系影响，凹陷主要受北部的焦作—商丘深大断裂和南部的郑州—兰考断裂和新华夏构造体睢县—巨野断裂和古荥断裂的形成与发展，见图1。

图1 郑汴新区地质构造图

1.2 地层岩性及特征

研究区位于与华北地层区的豫东地层小区，基底为中生界，新生界为陆源碎屑堆积物，古近系、新近系。第四系地层发育齐全[2]。现自老至新简述如下：

(1)古近系(E)以郑州—兰考断裂为界，南部缺失古近系。北部的古近系沙河街组下段岩性为深灰、灰色泥岩夹灰白色细砂岩、钙质砂岩，局部夹3～5层玄武岩，厚度123～477 m；上段为灰绿、灰黑、暗褐色泥岩与浅灰色粉细砂岩与钙质砂岩互层，厚度328～1 318 m。渐新统东营组岩性为棕、褐灰色泥岩与棕、灰白色砂岩互层，夹碳质页岩和薄煤层，底板埋深2 900～3 650 m，厚度594～1 318.5 m。

(2)新近系(N)

中新统馆陶组(N1g)：分布广泛，岩性主要为浅棕红、浅灰色粉砂岩、砂岩与棕红色泥岩、砂质泥岩互层，底板埋深1 600～2 600 m，厚度400～500 m左右，开封次凹陷物质颗粒较西部细。

上新统明化镇组(N2m)：岩性主要为棕红、灰色泥岩、砂质泥岩、砂砾岩组成，底板埋深1 200～1 600 m， 厚度800～1 000 m左右。

(3)第四系(Q)

下更新统(Qp1)：下部为冰水堆积层(Qp1fgl)：钻孔揭露，底板埋深100～320 m，厚50～240 m。岩性以棕红色，棕褐色、灰绿色厚层粘土、亚粘土夹灰绿、锈黄色粉细砂层，具混粒结构富含钙核和铁锰结核。

中更新统(Qp2)：普查区未出露，根据钻孔资料从岩性特征上分为两段.上段主要由浅黄色、棕黄色亚砂土及厚层中细砂构成，砂层呈条带状分布，具水平层理，分选性好。下段以黄棕色、红棕色亚砂土、亚粘土为主，夹少量的砂层，致密块状、见有蠕虫状构造。底部埋深80～120 m。

上更新统(Qp3)：岩性主要由灰黄色、土黄色厚层亚砂土、粉细砂、中细砂层为主。砂层厚度20～50 m，底板埋深40～90 m。

全新统(Qh)：按成因分为全新统冲积物(Qhal)和风积物(Qheol)。其中冲积物岩性为灰黄色轻亚砂土、亚砂土与厚层的粉细砂、细砂层，具有“二元结构”，可见1～2层淤泥层，颜色以灰、黑、黄灰色为主，厚度一般15～20 m。风积物主要为浅褐色细粉砂。

2 地热地质条件

2.1 地热田边界条件

研究区基底隐伏以断裂为郑州—兰考断裂为主，作为开封凹陷和通许凸起构造单元的边界。并影响新生界沉积厚度，因而对新近系、古近系热储层不构成隔水边界。

2.2 热储特征及其埋藏条件

郑汴新区中牟段地热资源属沉积盆地层状热储,热储、盖层齐全[3].热源供给为大地热流传导。

2.2.1 盖层

研究区地热热储盖层主要由新近系明化镇组泥岩、砂质泥岩、细砂、中细砂和第四系粘土、砂质粘土、各粒级砂组成。其中，明化镇组上段总厚度大于400 m。第四系松散层厚度一般200～300 m。盖层厚度800 m，区域分布稳定。

2.2.2 热储

根据研究综合分析， 2 000 m勘探深度以内，热储层主要为新近系明化镇组、馆陶组层状热储为主。全区可分为三个热储层[4]。

第一热储层(N2m)：分布于800～1 000 m，厚度200 m。岩性主要为明化镇组中段岩性为灰黄色细砂、中细砂、粘土互层，砂性岩层最厚累计110.7 m，单层厚度19.8 m。该热储层平均温度49℃，平均地温梯度3.17℃/100m。水化学类型以HCO3--Na+型为主，可溶性总固体一般为490.2～953.6 mg/L。

第二热储层(N2m)：分布于1 000～1 400 m，厚度400 m。地层岩性为明化镇组下段浅棕色、紫红色泥岩、砂质泥岩与灰色、灰黄色细砂岩、中细砂岩、泥岩互层，砂性岩层最厚累计174.05 m，单层厚度27.5 m，富水性较好。水化学类型主要以HCO3--Na+型为主， 该热储层平均温度55℃，地温梯度3.36℃/100 m。

第三热储层(N1g)：分布于1 400～1 750 m，厚度350 m。地层岩性为馆陶组的紫红色泥岩、钙质泥岩夹灰色、浅棕色细砂岩、中细砂岩、砂砾岩，泥岩、砂性岩累计厚度130.5 m，富水性一般。该层上部地热流体化学类型以HCO3--Na+为主，下部随着深度增加，氯离子增加水化学类型变为Cl--Na+型为主，该热储层平均温度64.0℃，地温梯度3.48℃/100m。

2.3 地热流体流场特征及动态

依据中牟ZK1井稳定同位素D、18O与区外西部山区大气降水的关系分析，勘查区地热流体的补给来源为区外西部山区的大气降水，运移至勘查区补给到热储层。垂向上，由于不同深度热储层之间存在较厚粘土层和泥质岩层，相互之间无明显的水力联系。中牟ZK1井水位高程67.5 m，开封杏花营地热井水位高程19 m，开封市区由于超采地热水，已形成大范围的降落漏斗。因此，区内地热流体总体上自西向东径流，补给距离较远，水力坡度小，径流速度慢。中牟县城及附近地热井密度较本区内大，其开采强度足以改变局部的地热水流向，可以推测在勘查区的中部地热水流向往东南方向偏转。在郑州市区、开封市区水位降落漏斗附近，地热水自周边向漏斗中心径流。地热水以侧向径流的方式向下游排泄，遇地热井，人工开采的方式排出地表，该区的地热流体动态类型属于径流—开采型。

2.4 环境同位素与地热田成因分析

2.4.1 地热田成因分析

通过研究地热流体的成因得知，绝大多数地热田中的地热流体均来自大气降水。因此，在分析一个新的地热田地热流体来源方向或补给源时，首先应在分析区域沉积环境的基础上讨论地热流体与大气降水之间的关系。勘查区平均大气降水的δD值位于-50‰～-70‰之间。

本次采用勘查区内外(西部山区)大气降水的同位素分析成果(δ18O和δD)，经系统分析，得出勘查区外西部山区的大气降水线(见图2)，相关方程为：δD=8.013δ18O+8.275。

图2 地热流体氢氧同位素与区外西部山区大气降水线关系图

该方程与中国大气降水线方程δD=7.90δ18O+8.2基本相近，说明所建立的大气降水线方程符合实际。另外，将勘查区外西部、西南的大气降水点同位素测试结果(δD=-37.60‰、δ18O=-5.701‰)绘于图2中，与建立方程相吻合，代表了研究区外西部山区大气降水同位素特征。

2.4.2 地热田地热流体的补给来源

大气降水线方程建立后，将勘查区及邻区内大气降水、浅层地下水、地热流体的同位素分析成果(见表1)绘于图2中，通过对比可以看出，中牟ZK1、中牟度假村、中牟武警支队地热流体同位素成果值接近大气降水线且大多位于其下方，表明研究区地热流体的补给源是区外西部山区的大气降水。世界上有代表性的地热系统内，地热流体的δD值与当地大气降水的δD值都很接近，表明了它的大气降水起源特征。一般来讲，热储温度越高，氧漂移越显著，从图1看本勘查区氧漂移现象并不严重。因此，可以判断区内地热系统的热储温度为低温(25℃～90℃)，这与研究区实际情况相吻合。

表1 研究区同位素测试成果

2.4.3 地热田地热流体年龄

研究区采集了具有代表性的地表水和不同层位的地下水样，做同位素T、13C、14C含量测定。根据收集资料和本次取样分析结果，水中同位素T含量(见表1)。由于氢的放射性同位素T在各储层地热流体中的浓度均小于为0.5 TU，因此不能准确估算勘查区地热流体的年龄。这里采用目前地热界常用的13C～14C方法来计算勘查区内地热流体的年龄。根据研究区地热流体年龄为13 000 a年以前。

3 地热资源/储量计算与评价

3.1 地热储量计算

郑汴新区中牟段地热资源量选用“热储法”进行计算,考计算深度为1 750 m[5],分三个热储层对在此深度内的新近系热储地热资源进行评价、计算.采用“最大允许降深法”，年压力下降速率不大0.02 MPa,计算地热流体可采资源量.计算公式如下：

Q=Qr+Qw，

(1)

Qr=Adρrcr(1-φ)(tr-t0)

(2)

QL=Q1+Q2

(3)

Q1=Aφd

(4)

Q2=ASH

(5)

Qw=QLcwρw(tr-t0)

(6)

式中：Q为热储中储存的热量,单位为焦(J)；Qr为岩石中储存的热量,单位为焦(J)；QL为热储中储存的水量，单位为立方米(m3)；Q1为截止到计算时刻，热储孔隙中热水的静储量，单位为立方米(m3)；ρw为地热水密度,单位为千克每立方米(kg/m3)；S为弹性释水系数,无量纲；H为计算起始点以上高度,单位为米(m)；cw为水的比热容,单位为焦每千克摄氏度[J/(kg·℃)]；Q2为水位降低到极限深度时热储所释放的水量,单位为立方米(m3)；Qw为水中储存的热量,单位为焦(J)；A为计算区面积,单位为平方米(m2)；d为热储厚度,单位为米(m)；ρr为热储岩石密度,单位为千克每立方米(kg/m3)；参考地热规范取经验值.cr为热储岩石比热,单位为焦每千克摄氏度(J/(kg·℃))；φ为岩石的孔隙度,无量纲；tr为热储温度,单位为摄氏度(℃)；t0为当地年平均气温,单位为摄氏度(℃).

经计算，中牟地热田控制的308 km2预可行性勘查区热水静储量4.623×1010m3，弹性释水量1.963×109m3，水中储存热量7.69×1018J，热储岩石储存热量9.36×1018J，热储储存热量1.70×1019J。

详见见表2。

表2 中牟段地热资源储/储量计算结果一览表

3.2 地热流体可开采量计算

郑汴新区中牟段地热田采用热储法计算出的热储中存储的地热流体量，不可能全部被开采出来，只能开采出一部分，新近系明化镇组、馆陶组热储层厚度稳定，弹性水头最大允许降深法[6]，其计算公式如下：

QWh=μ·M·F·Smax/t

(7)

式中：QWh为地热流体可开采量(m3/a)；μ为热储层弹性释水率，(m-1)；M为热储层计算段平均厚度(m)；F为热储层计算面积(m2)；Smax为热储层水位最大允许降深(m)。；t为设计开采年限(a)，按照规范取100年。

中牟地热田区位于开封凹陷和通许凸起的结合部位，因此新生代砂岩孔隙度为22%～35%。最大允许降深202 m，每年允许降深2.02 m，开采年限按100 a计算，计算中牟地热田1 750 m深度计算范围内，开采年限按100 a计算，Ⅰ区地热流体可开采量为9.99×106m3/a，Ⅱ区地热流体可开采量为3.54×106m3/a，全区合计1.35×107m3/a 。

3.3 地热田产能

中牟段地热田产能按下式计算：

Wt=4.186 8Q(t-t0)

(8)

式中：Wt为热功率,kw；Q为地热流体可开采量,L/s；t为地热流体温度,℃；t0为当地恒温带温度，℃。

计算结果：地热田产能为合计61.58 MW。

3.4 年可利用热能

地热流体年开采累计可利用的热能按下式计算：

∑Wt=86.4DWt/K

(9)

式中：∑Wt为年可利用热能,MJ；D为全年开采日数(按24小时换算的总日数),d；Wt为地热田产能,kw；K为热效比,取0.6;计算结果：地热流体年可利用热能为2.13×109MJ.

4 地热资源的开发利用与保护

4.1 地热资源开发经济性与适宜性评价

中牟地热田地温梯度3.36℃/100m，根据前面的热储层温度估算结果，在深度800 m、1 000 m、1 500 m时分别达到44℃、58℃、68℃，具有开采价值。据勘探资料，全区可施工1 000～1 400 m钻孔，开采明化镇组热储层，水温40℃～50℃，钻孔施工难度不大、资金投入少，地热资源开发经济性为经济的。勘查区北部成井深度可达1 400～2 000 m，预计水温50℃～65℃，热储温度高，但富水性弱，可开采量小。从成井深度来看，同样属于经济的地热资源[7]。

4.2 地热资源利用方向与方式

依据中牟地热田地热流体质量评价，中牟地热田地热流体不适宜作为饮用天然矿泉水、生活饮用水、农业灌溉用水和渔业用水。地热流体氟、偏硼酸含量达到有理疗价值浓度，偏硅酸含量达到矿水浓度，具有理疗价值，可作为理疗热矿水。地热流体溶解性总固体800～1 000 mg/L，可直接用于理疗、洗浴、采暖、农业温室，做降温除氟处理后可用于农业灌溉和渔业用水。

5 结语

(1)研究区郑汴新区中牟段,地热类型属沉积盆地传导型层状热储,热源供给主要为大地热流传导方式.

(2)研究区地处济源—开封凹陷与通许凸起两个构造单元的结合部，郑州—兰考断裂为二者的控制断裂。热储盖层主要由新近系明化镇组泥岩、砂岩和第四系粘土、砂质粘土、总厚度约800 m，地层分布稳定。

(3)研究区中牟地热田地热地质条件，建立了热储概念模型，分别采用“热储法”和“最大允许降深法”进行了地热资源储量和地热流体可采资源储量计算。308 km2研究区内，1 750 m深度内，热水静储量4.623×1010m3，弹性释水量1.963×109m3，水中7储存热量7.69×1018J，热储岩石储存热量9.36×1018J，热储储存热量1.70×1019J。

(4)研究区地热流体属优质理疗热矿水,可直接用于理疗、洗浴，具有较高的医疗保健作用.但在地热资源开发过程中要坚持“科学规划,综合利用,保护资源,持续发展”的原则,充分发挥地热资源多功能的特点,梯级开发,综合利用。要注重引进新技术新方法,拓宽地热资源的应用领域。

(5)结合郑汴新区(中牟段)地热资源实际开发利用情况制订相关地方政策法规,将地热资源开发纳入法制化轨道,实施有效管理.从而实现社会效益、环境效益和经济效益最大化。

(6)要依法加强对地热资源的保护,避免地热资源的快速枯竭而缩短使用寿命。对研究区范围内的已经投入使用的地热井进行动态监测,了解地热流体的动态特征,对其变化趋势进行预测。