郑州市经开区地热资源分布及开发利用研究

黄继超，荣富强，王铁霖

（1.河南省地质矿产勘查开发矿局第二地质环境调查院，河南 郑州 450003；2.三门峡市自然资源和规划局，河南 三门峡 472000）

1 引言

郑州市经济技术开发区蕴藏有较丰富的地热资源，地热资源的合理有序开发对提高人民生活质量和城市品位，营造良好的投资环境，促进郑州市绿色城市建设和经济发展，带动以郑州为中心的中原城市群经济的快速崛起有着十分重要的意义。

2 地热地质条件

2.1 热储边界条件

郑州经济技术开发区地热田以老鸦陈断层为西边界，郑州市万三公路为东边界，陇海铁路为北边界，郑民高速以南1 km为南边界，郑州经济技术开发区地热田总面积为158.50 km2。

老鸦陈断层属于西部半隔水边界，东部边界、北部边界属于无限扩展边界，南部属于半无限扩展边界，见图1。

图1 地热边界分布简图

2.2 热褚特征及埋藏条件

研究区新近系地层在工作区分布较为普遍，根据目前地热井开采深度和热储埋藏深度，郑州经济技术开发区热储类型分为明化镇组热储（埋深350～800 m）、馆陶组热储（埋深800～16 000 m）。

2.2.1 明化镇组热储

指埋藏深度在350～800 m以内，总厚度24.30～226.30 m，平均厚155.30 m。渗透系数0.49～2.64 m/d，平均1.46 m/d；导水系数35.20～273 m2/d，平均141 m2/d；平均压力传导系数4.10×104m2/d；弹性释水系数3×10-7～3.80×10-3，平均3.44×10-3；单位涌水量1～3（m3/h·m）。一般井口水温25℃～39℃。

2.2.2 馆陶组热储

指埋藏深度800～1 600 m。热储层为新近系馆陶组下段湖相沉积物，岩性以细砂、中细砂为主，含水层组顶板埋深807.60～943.50 m，总厚度86～187 m。导水系数17.32～33 m2/d，平均25 m2/d；压力传导系数平均为2.78×104m2/d；弹性释水系数平均为8.99×10-4；单位涌水量一般小于1.00（m3/h·m），多数在0.50（m3/h·m），局部大于1（m3/h·m）。井口水温40℃～48℃。

2.3 热下热水水位动态特征

2.3.1 明化镇组热储地下热水水位动态特征

研究区多年来地下水位处于连续下降状态。如郑安花园小区（YS32）720 m地热井，2012-2018 年，地下水位由31.37 m，下降至84.76 m，平均年降幅8.89 m。其中最小年变幅0.87 m，最大年变幅11.03 m。

从水位年内变化分析，枯水期（4月份）水位埋深83.60 m，丰水期（8月份）水位埋深84.30 m。可见年内水位变化主要受控于开采量增减变化，丰水期反而水位持续下降，属典型的开采型动态特征。

2.3.2 馆陶组热储地下热水水位动态特征

研究区矿业集团家属院（YC67）地热井，井深1 015.00 m，2012 年水位埋深80.53 m，2018 年水位埋深145.85 m，年平均年降幅10.88 m。从水位年内变化分析，枯水期（4月份）水位埋深135.60 m，丰水期（8月份）水位埋深138.70 m。可见年内水位变化主要受控于开采量增减变化，丰水期反而水位持续下降，属典型的开采型动态特征。

3 地热资源及浅层地温能评价

3.1 地热资源评价

地热资源计算按照地热地质单元划分，见图2。分别计算郑州经济技术开发区明化镇组（350～800 m）和馆陶组（800～1 600 m）地热资源，所计算的地热资源量、预可开采量及其可利用的热量均相当于推断储量。

图2 郑州经济技术开发区地热热储面积计算分区图

工作区明化镇组热储层中储存热总量9.11×1017J，地热流体资源总量6.51×109m3，地热流体中储热总量3.98×1017J；工作区馆陶组热储层中储存热总量3.01×1018J，地热流体资源总量9×109m3，地热流体中储热总量1.28×1018J。明化镇组热储区年可开采热水量1.63×107m3/a，年可利用热水中热能2.76×108kWt；馆陶组热储区年可开采热水量1.79×107m3/a，年可利用热水中热能7.12×108kWt。具体地热资源量及年可开采量情况，见表1。

表1 地热资源可开采量计算成果一览表

3.2 浅层地温能资源评价

郑州经济技术开发区处于黄河冲积平原，浅层含水层岩性由中粗砂、中细砂、细砂组成，含水层顶板埋深10～30 m，底板埋深40～50 m，含水层由3～6 层中砂、细砂、细粉砂组成，自上而下由细变粗，厚度10～25 m，单井涌水量20～50 m3/h。顶板埋深50 m 以下至150 m 的中深层含水层组，含水层总厚度12～56 m，由3～6 层细砂、中砂组成。单位涌水量25～57.50（m3/h·m）。浅层地热能利用层位浅，单井出水量较大，水质一般，适宜浅层地热能利用。因此，郑州市浅层地热能资源丰富，开发利用条件良好。

3.2.1 计算原则

计算范围为地埋管适宜区和较适宜区内，恒温带深度至150 m以浅第四系与新近系松散层厚度。

3.2.2 计算方法

将工作区150 m以浅地层概化为均匀层状，按照稳定传热条件计算U型地埋管的单孔换热功率，然后根据单孔换热功率计算评价区换热功率。

3.2.3 计算结果

根工作区地埋管地源热泵功率计算结果见表2。

表2 地埋管地源热泵换热功率计算成果表

3.3 对比评价

热资源可开采量计算成果见表3。

表3 地热资源可开采量计算成果一览表

4 地热资源开发利用评价

4.1 地热资源现状开采量统计

目前开发区地下水年总开采量为726.80×104m3/a，其中，浅层（井深50～100 m）地下水年开采量为64.80×104m3/a，中深层（井深150～500 m）地下水年开采量为447×104m3/a ，明化镇组（热储层深600～800 m）地热矿泉水年开采量为150×104m3/a，馆陶组（热储层深800～1 600 m）地热矿泉水年开采量为290×104m3/a，则各层分别占地下水开采总量的6.81%，46.96%，15.76%和30.47%。

4.2 开发利用可行性评价

郑州经济技术开发区地热田新近系底板埋深700～1 600 m，成井深度800～1 200 m，向东延伸之中牟边界成井深度达到1 800 m。就成井深度考虑开采成本，部分地热井井深小于1 000 m，为开采最经济的，部分地热井井深大于1但小于2 000 m，为开采经济的地热井。

4.3 开发利用潜力分析

研究区，集中区地热水开采潜力指数1.05介于1.20～0.80之间，属于采补平衡，不建议对该区进行大规模的地热开发。分散开采区地热水开采潜力指数P=25.80＞1.20 ，属于有开采潜力区，可以扩大开采，可增加允许开采量为11.20×104（m3/km2.a），属于潜力中等区。工作区内后张庄村以东可以列为重点勘查开发区。

5 地热资源开发利用环境影响评价

5.1 大气环境影响评价

研究区沉积盆地地热田地热流体属低温地热资源中的温水，地热流体中不含二氧化碳（CO2）和硫化氢（H2S）等非凝气体。因此，开发利用沉积盆地地热田地热资源，不会对大气环境造成污染。

5.2 水环境影响评价

根据《污水综合排放标准》调查郑州市水质分析汇总资料，井口水温27.20℃～35℃，绝大多数水井水温超标，其它评价指标均符合污水排放标准。800～1 200 m 的深井，井口水温31℃～46.50 ℃，水温全部超标，PH值、溶解性总固体各有1眼井超标，其它评价指标均符合污水排放标准。

5.3 地面塌陷影响评价

对地下热储层水资源开发仍然要采取谨慎态度，以防止长期大规模开采地热水，更应密切注意并防止超采，建议应加强不同开采层位的地面变形监测。

6 结语

研究区明化镇组热储层中储存热总量9.11×1017J；馆陶组热储层中储存热总量3.01×1018J；150 m 以浅土壤源地源热泵换热功率为5.40×1010kWt/a；大部分地区地热井地热流体单位产量10～50 m3/（d·m），为较适宜开采区，空间分布上呈现出东部（后张庄村以东）优于西部的趋势。工作区内后张庄村以东可以列为重点勘查开发区；地热资源开发利用不会对大气环境和水环境造成污染；目前开采条件下，不易产生地面沉降问题。今后，应继续谨慎和科学合理地开采地热水，严格防止长期大规模超采热储层水资源。应重视因热储压力下降，导致地面变形和沉降的问题。