兰考县新近系热储赋存规律及开发适宜性研究

李 尧， 齐玉峰， 黄 烜， 杨 珍， 李亚美

（1.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，郑州 450053；2.河南省地热能开发工程技术研究中心，郑州 450053）

河南省沿黄地区涵盖了河南省三门峡、洛阳、济源、焦作、郑州、新乡、开封、濮阳这8个省辖市［1-2］. 作为中原经济区的核心，河南省沿黄地区的城市分布集中，经济发展迅速，能源需求旺盛. 有关研究资料表明，河南省沿黄地区的中低温地热资源丰富，开发利用程度较高［3］，其地热资源主要赋存于新近系砂岩、古生界及中、新元古界的碳酸盐岩热储层中［4-5］，埋藏深度一般小于2000 m，分布广泛，开采条件优越，具备了规模开发和产业发展的条件.

兰考县作为河南省沿黄地区的重要城市之一，其规划目标是以“焦裕禄精神”［6］为主题的廉政教育基地、开封东北部的副中心城市. 提高兰考县的清洁能源利用率，合理开发利用兰考县的地热资源是实现其规划目标必不可少的条件. 虽然兰考县新近系热储层中蕴藏着丰富的地热资源，但人们对其地质构造背景及热储赋存规律的了解还不够全面，对其地热资源的开发利用也缺乏系统性的规划，于是导致该地区内无序及粗放式的地热流体开采现象严重.

本研究将兰考县城及其周边一定区域作为研究区，以实际勘查工作成果为支撑，在对研究区地质资料整理与分析的基础上，对研究区的地质背景、新近系热储结构特征及赋存规律进行了研究. 本研究不仅可以为兰考县地热资源的开发利用提供一定的参考，还可以为河南省沿黄地区砂岩热储的开发利用提供技术依据.

1 地质条件与地热开发利用现状

1.1 地质条件

研究区包含了整个兰考县城及其周边一定区域，面积共280 km2. 研究区位于黄淮平原腹地［7］，以流水堆积地貌为主，辽阔平坦，但微地貌差异明显. 研究区地壳一直处于缓慢的沉降运动中，沉积了巨厚的新生代地层，包括古近系、新近系和第四系，基底主要为奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系及白垩系［8］. 古近系分为上中始新统沙河街组（官庄组）和东营组，古近系的沉积厚度在500～5000 m之间，顶板埋深在2000 m左右，底板埋深在4000～6500 m 之间，岩性以泥岩、砂岩、含砾砂岩及角砾状灰岩为主. 新近系分为馆陶组和明化镇组，馆陶组岩性为一套下粗而红、上细而绿的泥岩、砂质泥岩、“块状”砂岩，平均厚度为650 m；明化镇组岩性为泥岩、砂质泥岩与粉细砂岩互层，底部为含砾砂岩或砂砾岩，平均厚度为1100 m，具有由下到上变细的特征. 第四系岩性以粉细砂、粉质黏土及黏土为主，底板埋深在300～360 m之间.

在基底构造方面，研究区南邻通许凸起，东接菏泽凸起，以新乡—商丘（F3）断裂为界，分为南北两部分，其中F3以北部分位于东濮断陷，以南部分位于开封—济源凹陷［9］（图1）. 研究区基底被北东、北西和近东西向断裂切割为典型的新华夏“多字形”构造格局［10］，由不同序次和级别的断隆与断陷相间分布组成. 虽然研究区基底断块构造活动的总体特征为断陷，但是不同断块之间的中、新生代差异性升降运动明显.

图1 研究区基底构造图Fig.1 Regional basement structure map

在新构造运动方面，第四纪以来研究区整体处于沉降过程中，其总体沉降在320 m左右. 晚更新世和全新世的沉降特点总体表现为开封—济源凹陷和东濮断陷强烈沉降，但是在时间上，二者非同步沉降，晚更新世的开封—济源凹陷沉降幅度最大，全新世的东濮断陷沉降幅度最大.

1.2 地热开发利用现状

20世纪80年代兰考县已开始零星地开发地热资源，2000年以后兰考县对地热资源的开发利用逐渐形成规模，但其地热井成井深度一般在300～1300 m之间，主要利用的热储层位为新近系明化镇组. 其中深度在300～800 m之间的地热井主要分布在兰考县城规划区周边，由于其水质良好，主要被开发用于当地生活用水；深度在800～1300 m之间的地热井主要集中分布在兰考县城规划区内，主要被开发用于娱乐、洗浴、理疗.

2013年，河南省中石化新星石油有限公司在兰考县北部施工了一眼地热探采结合试验井，完井层位为新近系馆陶组，成井深度1980 m，水量120 m3/h，地热流体出口温度72 ℃. 随后该公司在兰考县北部又相继施工了3眼地热井，完井层位均为新近系馆陶组. 兰考县开发新近系馆陶组地热资源的序幕由此拉开. 截至2019年12月底，研究区内深度在1900～2300 m之间的地热井已超过24眼，新近系馆陶组（N1）热储层逐渐成为研究区内地热资源的主要开发对象，同时位于1300 m以浅的新近系明化镇组（N2）热储层的地热井逐渐被停止使用.

2 热储赋存规律分析

2.1 热储特征及构造影响分析

根据研究区地温场形成机制，研究区内地热类型属沉积盆地传导型和地质构造型［11］，热储类型主要为新近系层状热储，研究区内控热、导热断裂、热储层、盖层齐全，热源供给主要为地球深部热能向上传导，即大地热流传导，其地层温度自恒温带以下随深度的增加而升高［12］. 实际地球物理勘查成果及区域地质资料显示，研究区地表以下2000 m范围内，有部分断裂切入新近系馆陶组，但未构成隔水边界，因此研究区内新近系热储层属于有侧向补给的无限含水层.

研究区热储盖层为第四系，厚度一般在300 m左右，分布稳定，其中的黏土层和砂质黏土层具有很好的保温隔热作用，可极大减少温度的散失. 结合实际地球物理勘查成果对深度在2000 m左右的地热井资料进行分析可知，研究区2000 m深度内的地层岩性由一系列黏土、粉质黏土及砂层（半固结黏土岩、砂岩）相互重叠，组成了多层含水层组和相对隔水层，这为其地热资源的储存创造了有利条件. 同时研究区基底存在多条区域性断裂构造，如聊城—兰考断裂的伴生构造（F6）、新乡—商丘断裂（F3）及隐伏构造（F7），这些断裂部分切入新近系馆陶组，形成了良好的地热流体运移通道和储存空间［13］，可使深部的热能与新近系馆陶组（N1）直接沟通，如图2所示. 综上可知，研究区的地热赋存特征由其地层结构和断裂构造共同决定，其中新近系馆陶组热储层地热流体的赋存与研究区基底断裂构造的空间展布密切相关.

图2 物探推测热储结构剖面图Fig.2 Profile of heat reservoir structure inferred by geophysical exploration

2.2 热储垂向温度特征及影响因素分析

依据物探测井资料可知，研究区新近系明化镇组（N2）热储层温度在38～61 ℃之间，平均地温梯度为3.14 ℃/100 m；新近系馆陶组（N1）热储层温度在64～76 ℃之间，平均地温梯度为2.89 ℃/100 m，垂向上的地温梯度值总体上随着地表以下深度的增加而减小（图3）. 有研究［14］指出，地温梯度的大小与岩石的热导率有关，成岩性越好，导热率越高，其地温梯度就越低. 虽然研究区内新近系明化镇组热储层与新近系馆陶组热储层的岩性基本相同，但是后者埋深大于前者，因为随着深度增加，新近系热储层的成岩性及密度逐渐增大，地层孔隙度逐渐减小，所以新近系热储层的热导率相应增加［15］，最终导致其地温梯度值随深度的增加而逐渐变小.

图3 兰考县某地热井测井温度曲线Fig.3 Logging temperature curve of a geothermal well in Lankao County

2.3 热储层差异性分析

在平面上，同一热储层不同位置的水化学成分含量差异不大，表明同一热储层的补给源一致，形成时间相当. 在垂向上，新近系明化镇组热储层地热流体的化学类型以HCO3·Cl-Na 型为主，少数属于HCO3·SO4·Cl-Na 型，可溶性总固体的质量浓度一般在1 380.2～1 896.71 mg/L之间；新近系馆陶组热储层地热流体的化学类型以Cl-Na型为主，可溶性总固体的质量浓度一般在13 921.91～15 091.55 mg/L 之间. 由于新近系明化镇组热储层与新近系馆陶组热储层之间存在较厚的砂质泥岩隔水层，阻隔了两者之间的水力联系，因此不同热储层间的压力水头高度存在较大差异. 如兰考县某洗浴中心地热井深度为1 161.4 m，取水段在1 087.4～1 153.3 m之间，位于新近系明化镇组热储层，压力水头与地面距离为27 m；兰考县某社区地热井深度为1980 m，取水段在1 511.4～1 972.3 m之间，位于新近系馆陶组热储层，压力水头与地面距离为60.69 m. 通过以上分析可知，研究区新近系明化镇组热储层与新近系馆陶组热储层相互独立，二者之间无明显的水力联系.

3 地热资源开发适宜性研究

3.1 研究区地热亚区划分

研究区内新生界底板埋深主要受北东向新乡—商丘断裂（F3）和北西向聊城—兰考断裂的伴生构造（F6）控制［16］，其新生界厚度总体呈现东薄西厚、北薄南厚的特点. 据此，将研究区分为四个地热亚区，如图4 所示，各地热亚区的热储层特征如表1所示.

图4 研究区地热分区图Fig.4 Geothermal zoning map of the study area

表1 各地热亚区热储层特征Tab.1 Thermal reservoir characteristics in thermal sub regions

地热亚区Ⅰ区：位于开封—济源凹陷内，即新乡—商丘断裂（F3）以南，聊城—兰考断裂的伴生构造（F6）以西的区域. 该地热亚区的新生界底板埋深在2500～5000 m之间，区内无隔水边界，热储层为无限含水层.

地热亚区Ⅱ区：位于东濮断陷内，即新乡—商丘断裂（F3）以北，聊城—兰考断裂的伴生构造（F6）以西的区域.该地热亚区的新生界厚度由东向西逐渐增大，区内无隔水边界，热储层为无限含水层.

地热亚区Ⅲ区：位于东濮断陷内，即新乡—商丘断裂（F3）以北，聊城—兰考断裂的伴生构造（F6）以东的区域.该地热亚区的新生界厚度由西南向东北逐渐减小，区内无隔水边界，热储层为无限含水层.

地热亚区Ⅳ区：位于开封—济源凹陷内，即新乡—商丘断裂（F3）以南，聊城—兰考断裂的伴生构造（F6）以东的区域. 该地热亚区的新生界地板埋深在2500～4000 m 之间，区内无隔水边界，热储层为无限含水层.

3.2 热储层富水性分析

新近系明化镇组热储层主要由厚层中砂、中细砂组成，具有较好的富水性，地热井地热流体单位涌水量在61.20～92.35 m3/（d·m）之间. 新近系馆陶组热储层取水段一般位于1600～2000 m之间，其岩性主要为厚层状杂色砂砾岩，其渗透性及富水性总体良好，但受基底断裂构造影响，其在平面上的热储层富水性存在一定的差异，主要表现为靠近断裂构造破碎影响范围的地热井的单位涌水量相对较大，反之较小. 各个地热亚区热储层的富水性见表2. 由表2可知，各个地热亚区新近系热储层的富水性总体良好.

表2 各地热亚区新近系热储层的富水性Tab.2 List of water abundance of thermal reservoir in thermal sub regions

3.3 地热供暖成井工艺及靶位选择分析

3.3.1 地热供暖成井工艺分析 根据研究区基底断裂构造的空间展布和新近系热储层埋藏情况，在充分考虑供暖小区可利用空间的基础上，建议研究区内地热供暖系统应优先采用直井+定向井的对井组合，同时建议地热供暖成井的垂直深度应在2000 m左右，目的层位为新近系馆陶组. 由于研究区新近系热储层厚度整体较为稳定且地质条件简单，因此，钻井方法一般采用较为高效经济的泥浆正循环钻进［17］，井身结构及套管程序一般如图5及表3所示.

图5 井身结构示意图Fig.5 Schematic diagram of shaft structure

表3 井身结构及套管程序Tab.3 Wellbore structure and casing program

3.3.2 地热井靶位选择分析 研究区内地热类型属沉积盆地传导型和地质构造型，在进行地热井靶位选择时，应充分考虑研究区新近系热储层结构及基底断裂构造的空间展布情况，故研究区的地热供暖对井系统中，直井一般作为开采井，完井位置选择在新近系馆陶组与下覆古近系东营组的不整合接触面，以尽可能增加地热流体开采量；定向井一般作为回灌井，完井位置在到达新近系馆陶组与下覆古近系东营组的不整合接触面的同时应尽量靠近断裂构造的破碎带，以进一步增大回灌量.

如地热地质剖面图（图6）所示，研究区内某小区地热供暖对井系统中，直井为开采井，深度为1988 m，井口最大出水量为120 m3/h，降深为8.7 m；定向井为回灌井，完井位置靠近新乡—商丘断裂（F3），垂直深度为1970 m，井口最大出水量为125 m3/h，略大于开采井，降深为8.4 m. 根据回灌监测数据，该小区地热供暖系统的回灌量与开采量基本相同，约为115 m3/h，系统稳定压力水柱高约为18 m，在回灌方面略优于某社区地热供暖系统（该供暖系统的对井距离断裂构造较远，系统对井深度均在1980 m左右，根据实际试验数据，稳定时其最大回灌量为114.8 m3/h，系统稳定压力水柱高19.65 m）. 由此可知，研究区的地热井在满足垂向深度的同时，完井位置应尽量靠近基底断裂构造，这样可进一步增大井口出水量并获得良好的回灌效果.

图6 研究区地热地质剖面图Fig.6 Geothermal geological profile of the study area

3.4 地热流体回灌能力分析

由于研究区内地热供暖的开采层位以新近系馆陶组为主，因此本研究仅对该热储层进行回灌能力分析. 对研究区内某社区的一对采、灌对井（热储层均为新近系馆陶组，井深均为1980 m）分别进行了大、小两组不同灌量的加压回灌试验，试验结果显示，小灌量加压回灌试验稳定时的回灌量为78.5 m3/h，回灌系统稳定压力水柱高17.58 m，试验动态观测曲线见图7；大灌量加压回灌试验稳定时的回灌量为114.8 m3/h，回灌系统稳定压力水柱高19.65 m，试验动态观测曲线见图8. 以上结果表明，研究区内新近系馆陶组热储层具有良好的回灌能力.

图7 小灌量加压回灌试验动态观测曲线Fig.7 Dynamic observation curve of small volume pressurized reinjection experiment

图8 大灌量加压回灌试验动态观测曲线Fig.8 Dynamic observation curve of large volume pressurized reinjection experiment

因为研究区新近系馆陶组与下部古近系东营组的接触面存在一层透水性良好的砂砾岩，且根据研究区基底断裂构造的空间展布可知，有部分断层切入新近系馆陶组，所以研究区地热流体的开采和回灌具备了良好的地质条件. 此外，在加压回灌试验中，若将回灌系统压力提升12%（即回灌系统压力水柱高提升12%），则回灌系统稳定时的回灌量可增大45%，也就是说当回灌系统提升了少量压力后，回灌系统稳定时的回灌量会显著增大，回灌效率也会明显提高，这进一步证明了研究区内新近系馆陶组热储层的回灌能力良好.

3.5 地热资源量初步评价

3.5.1 地热资源储量 采用热储法［18］计算研究区内2000 m以浅的新近系热储层中的地热资源储量. 经计算，研究区内新近系明化镇组热储层地热亚区Ⅰ～Ⅳ区中的地热资源储量分别为2.22×1018、9.09×1017、9.23×1017、1.07×1018J；新近系馆陶组热储层地热亚区Ⅰ～Ⅳ区中的地热资源储量分别为6.75×1018、3.47×1018、3.01×1018、3.31×1018J；研究区内新近系热储层中总的地热资源储量为2.166 2×1019J.

3.5.2 地热流体可开采量 由于研究区内不同热储层的地热资源开发利用方式存在差异（即新近系明化镇组热储层地热流体主要用于洗浴、理疗，尾水基本不回灌；新近系馆陶组热储层地热流体主要用于城镇供暖，尾水必须同层回灌），因此对新近系明化镇组热储层地热流体可开采量的计算采用最大降深法，对新近系馆陶组热储层地热流体可开采量的计算采用地热回灌条件下单井开采权益保护半径法［19］. 经计算，新近系明化镇组热储层中的地热流体可开采量为47 016.35 m3/d，其中地热亚区Ⅰ～Ⅳ区中的地热流体可开采量分别为15 555.76、11 299.54、9 629.79、10 531.26 m3/d；新近系馆陶组热储层中的地热流体可开采量为246 759.27 m3/d，其中地热亚区Ⅰ～Ⅳ区中的地热流体可开采量分别为109 039.59、54 613.35、39 694.62、43 411.71 m3/d；研究区内新近系热储层中的地热流体可开总采量为293 775.62 m3/d.

3.5.3 地热可开采热能及地热田规模 一般来讲，地热可开采热能大于50 MW就归属于大型地热田. 经计算，研究区新近系明化镇组热储层地热亚区Ⅰ～Ⅳ区的地热可开采热能分别为20.83、12.88、9.84、10.82 MW，合计54.37 MW，属于大型地热田；新近系馆陶组热储层地热亚区Ⅰ～Ⅳ区的地热可开采热能分别为411.02、173.12、199.38、215.62 MW，合计999.14 MW，属于大型地热田.

3.6 地热开发适宜性评价

依据地热井地热流体单位涌水量的大小对研究区新近系热储层的地热开发适宜性进行评价，评价标准如下：①极适宜开发：地热井地热流体单位涌水量大于100 m3/（d·m）；②适宜开发：地热井地热流体单位涌水量在50～100 m3/（d·m）之间；③较适宜开发：地热井地热流体单位涌水量在5～50 m3/（d·m）之间；④不适宜开发：地热井地热流体单位涌水量小于5 m3/（d·m）. 根据此评价标准对研究区新近系热储层的地热开发适宜性进行评价，结果见表4. 由表4可知，研究区新近系明化镇组热储层适宜进行地热开发，研究区新近系馆陶组热储层极适宜进行地热开发.

表4 研究区新近系热储层地热开发适宜性评价结果Tab.4 Thermal reservoir suitability evaluation in various thermal sub regions

4 地热资源开发利用分析

4.1 地热资源开发利用经济性评价

本研究仅对具有供暖意义的新近系馆陶组热储层进行地热资源开发利用经济性评价. 根据资料可知，研究区2000 m以浅的地层岩性主要以泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩及含砾细砂岩为主，地层稳定，钻井施工难度较小，施工成本相对较低；研究区新近系馆陶组热储层地热流体温度高、水量大且回灌条件良好. 综上可知，对研究区内新近系馆陶组热储层的地热资源进行开发具有良好的经济性.

4.2 地热资源开发利用方向分析

根据资料可知，研究区新近系明化镇组热储层地热流体中的氟和偏硼酸的含量均达到了医疗价值浓度，偏硅酸的含量达到了矿水浓度，具有较高的理疗价值，故新近系明化镇组热储层地热流体可直接作为理疗热矿水；研究区新近系馆陶组热储层地热流体中的溴、碘、锂、偏硅酸、偏硼酸的含量均达到了矿水浓度，锶的含量达到了命名矿水浓度，可命名为锶型热水，但由于新近系馆陶组热储层地热流体的矿化度较高（质量浓度一般在13 921.91～14 836.05 mg/L之间），故其不适宜直接作为理疗热矿水.

根据资料可知，研究区新近系热储层地热流体中的溶解性总固体含量较高，其中新近系明化镇组热储层地热流体中的溶解性总固体的质量浓度在1 380.2～1 896.71 mg/L 之间；新近系馆陶组热储层地热流体中的溶解性总固体的质量浓度在13 921.91～15 091.55 mg/L之间，因此研究区新近系热储层中的地热流体如用于城镇供暖，应做好管道的防腐措施，并且地热尾水必须进行回灌［20］.

5 结论

1）研究区内地热类型属沉积盆地传导型和地质构造型，其地热赋存特征由地层结构和基底断裂构造共同决定.

2）随着深度增加，研究区内新近系热储层的成岩性及密度逐渐增大，故研究区新近系明化镇组热储层的地温梯度大于新近系馆陶组热储层. 研究区新近系明化镇组热储层与馆陶组热储层的压力水头、水化学特征等均存在较大差异，为相互独立的热储层，二者之间无明显的水力联系.

3）根据研究区内基底断裂构造的空间展布情况，将其分为了四个地热亚区，各地热亚区内新近系热储层的富水性总体良好，但受基底断裂构造的影响，在平面上，新近系馆陶组热储层的富水性存在一定的差异.

4）综合研究区的热储结构及基底断裂构造的空间展布情况，建议研究区地热供暖系统应优先采用直井+定向井的对井组合，且直井一般为开采井，定向井一般为回灌井，当供暖对井靠近断裂构造时，可进一步增大开采量并获得良好的回灌效果. 根据加压回灌试验结果可知，回灌系统加压后，回灌系统的回灌效率可得到明显提升.

5）经计算，研究区新近系热储层中总的地热资源储量为2.662×1019J，地热流体可开采总量为293 775.62 m3/d.经综合分析可知，研究区内新近系热储层的地热资源适宜开发且具有良好的经济性.