甘肃省泾川县何家坪地热储量计算与评价

边 疆

(甘肃煤田地质局一四六队,甘肃 平凉 744000)

地热资源是埋藏在地下的清洁能源,可用于采暖、发电、理疗、洗浴及养殖.目前,甘肃省的地热资源开采程度较低,开采潜力大[1],且陇东盆地的地质构造条件、热储地质条件都有利于地热赋存[2],蕴藏着丰富的地热资源.对于陇东沉积盆地地热田的利用和综合研究,大多基于原有石油井的改造利用与资料的对比分析.文中何家坪地热调查项目有施工地热井1个,井口温度为45.5 ℃.通过测井、取样等手段,确定白垩系洛河组、侏罗系直罗组是该地区最具开发、利用价值的2个热储层.泾川县何家坪地热资源的合理开发与利用,对缓解当地能源紧张,拉动崆峒山、王母宫等地的旅游业发展,促进当地经济可持续发展,改善和提升城市品位具有重要意义.

1 区域的地质背景

平凉市的东部位于鄂尔多斯盆地的西南缘天环向斜内[3],西临鄂尔多斯西缘逆冲构造带,东接中央古隆起,北起区外内蒙古境内的伊盟隆起,南达区外陕西境内的渭北断褶带,在鄂尔多斯盆地西部呈南北向带状分布,南北长500 km以上,东西宽50～60 km.泾川县位于天环向斜东翼,基本处于白垩系地层埋藏最深部位,是洛河组地下水汇集、排泄和富水性最强的地段.当地下水经深部径流加热后,在此有利于形成低温地热资源.

1.1 地层

该地区地表被第四系覆盖,根据区内钻孔及南北两侧山区地层资料,地层由老至新为侏罗系、白垩系及第四系,热储层为白垩系洛河组和侏罗系直罗组砂砾岩.

1)侏罗系延安组(J2y):岩性以泥岩为主,含大量炭屑及极薄的煤层,本次揭露1.0 m.

2)侏罗系直罗组(J2z):岩性为灰绿、蓝灰、紫灰、紫红色等杂色粉砂岩,泥质粉砂岩及砂质泥岩,夹细砂岩,底部为灰白色含砾粗砂岩,厚度为150～669 m.

3)侏罗系安定组(J2a):岩性为灰色、灰白色细粒砂岩,局部夹灰绿色泥岩,厚度为111～145 m.

5)白垩系环河组(K1h):岩性为灰绿、紫红、蓝灰、黄灰色砂岩,与粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩互层,厚度为90～611 m.

6)白垩系罗汉洞组(K1lh):岩性以棕红、灰棕、灰黄、灰白色砂岩,与泥岩、砂质泥岩和页岩互层,厚度为66～395 m.

7)白垩系泾川组(K1jc):岩性为棕红色粉砂岩、泥岩、砂质泥岩及细砂岩,富含钙质结核,顶部夹泥灰岩、白云质灰岩,残余厚度为90～591 m.

8)第四系全系统(Q):区内第四系较发育,泾河两岸为泾河冲积层,南北两侧山体从几米到几十米,最厚达235 m.

1.2 构造

根据构造特征及其性质,盆地内部及周围的构造单元可分为庆阳单斜、天环凹陷、西缘断褶带和渭北隆起挠褶带[4](图1～图2).

图1 区域构造图

图2 勘查区构造图

1)庆阳单斜:是天环向斜的东翼,斜坡宽缓,白垩系地层大致以3°～5°向西倾斜,下部侏罗系、三叠系地层向西南倾斜较大.

2)天环凹陷:西北以萌城-城阳逆断层为界,西南以青龙山—平凉—铜城—龙门断层为界,南以龙门—长武南—正宁一线为界并与渭北隆起挠褶带相连.其西翼宽15～20 km,倾角较大;东翼即为宽缓的庆阳单斜,宽340～350 km.

3)西缘断褶带:北部的东边以萌城-城阳逆断层(又称沙井子断裂)与东部的天环凹陷分界;南部以青龙山—平凉—铜城—龙门断裂与天环向斜构成分界;西部与六盘山弧形断褶带相邻,呈南北向狭长的构造带.

1.3 盆地演化

鄂尔多斯盆地地质构造演化可分为5个较重要的过程:太古代—早元古代盆地基底形成阶段,中、晚元古代地台裂谷发育阶段,古生代—早中生代大华北盆地沉积阶段,中生代鄂尔多斯内陆湖盆演变阶段.在侏罗纪—白垩纪阶段,沉积环境稳定,地热资源热储层为中侏罗系直罗组和早白垩系洛河组.进一步证明,该地区具有盆地传导型层状中低温地热田形成的良好条件.

2 边界条件和热储模型

2.1 边界条件

该地区属于鄂尔多斯盆地中一个相对独立的盆地,即陇东盆地.盆地的西部边界是平凉—彭阳一线,为补给边界;东边界在宁县子午岭以东的老地层露头分布区,为补给边界;南边界是灵台—崇信一线,是隔水边界;北边界没有封闭,是一个补给边界.

2.2 热储模型

泾川县何家坪地热可概化为由热储层、盖层、热源和通道组成(图3).

图3 热储构造及热储埋藏条件剖面图

2.2.1热储层 自上而下分为白垩系洛河组热储层和侏罗系直罗组热储层,是该地区最具开发、利用价值的2个热储层,总厚度为500～900 m.热储层岩性以砂岩类为主,赋存丰富的孔隙裂隙层间承压水,承压水在吸收地壳深部传导热量后形成地热流体资源.

2.2.2盖层 热储盖层主要为白垩系泾川组、白垩系罗汉洞组,区内盖层总厚度为750～900 m,对地热资源具有良好的“保温”作用.

2.2.3热源和通道 在整个盆地地下水渗流系统中,补给来源以降水入渗为主.西部补给区主要为六盘山基岩裸露区,大气降水沿孔隙、裂隙下渗,再向东运移至盆地;东部子午岭及其以东的陕西洛河流域,由于白垩系地层广泛出露地表,基岩受大气降水和地表水的渗入补给.

根据《泾川幅1∶20万区域地质图及说明书》分析深部布格重力异常特点,基地凹陷与隆起相间,和上覆中生代(三叠—白垩)断凹与隆(凸)起区呈反向镜面对称关系,总体上属于地幔隆起区,这意味着利于深部热能的向上传导[5].基于已有施工钻孔资料,计算出何家坪一带500 m以下地温梯度平均值为3.2～3.3 ℃/100 m,大于区域背景值(2.6 ℃/100 m),也大于整个地壳的平均地温梯度,显示出高温热源由深部向浅部传递(表1).

表1 已有钻孔地温梯度推算结果

该次勘查区处于泾川县何家坪一带,其热流为55.0～57.5 mW/m2,高于同类沉积盆地的平均热流(42.9 mW/m2),说明在单位面积、时间条件下,由地球内部传递到地壳浅部的热量相对较大.在盆地基底隆起区,上地幔热能向上传递,使热储层地下水温度升高形成热水资源,这是形成地下热水的主要热源.

3 主要参数的选择

20世纪50年代以来,地质、石油、煤炭和水利等勘查单位在包括工作区内的陇东地区,先后开展了地质测量、水文地质、工程地质及环境地质等方面的勘查工作.笔者在已有研究资料的基础上,开展1∶1万地质填图,设计施工地热井孔深为1 402.01 m,并进行抽(放)水试验及岩矿测试.

选择合适的计算参数,对计算热储中的地热资源储量、地热流体量、地热流体可开采量及可利用的热能具有重要意义.综合分析热储的空间分布、边界条件和渗透特征,研究地热流体的补给和运移规律、地热成因、热传导方式以及地温场特征,并在建立地热系统概念模型的基础上,进行参数的选择.

3.1 热储面积

何家坪地热属于层状中低温地热田,根据该地区热储层埋深以及边界情况,将整个普查区作为本次工作的计算范围,面积为4.5 km2.

3.2 热储层厚度

热储层厚度依据已施工地热井热储含水层的有效厚度确定.已施工的何家坪S1地热井,热储含水层的有效厚度为368.0 m,区内热储层呈层状分布,厚度变化不大.因此,地热田热储层厚度取368.0 m.

3.3 热储温度

施工地热井的井口温度为45.5 ℃.由于在近似稳态测井过程中出现井口自流涌水,后采用简易测温,测得温度为48.9 ℃.故测井温度不能代表地层的真实温度.笔者通过钾镁与钾钠地热温标计算出热储层温度的平均值为52.83 ℃,并以此作为最终的热储温度.

3.4 热储层的物理参数

根据《地热资源评价方法及估算规程》(DZ/T 0331—2020)及《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615—2010),热储层水的比热容取4.18×103J/(kg·℃),热储层水的密度取1.0×103kg/m3,热储岩石(砂岩)的比热容、密度及热导率均取实测值.

3.5 热储层水动力参数

热储层水动力参数包括渗透系数(K)、水力坡度(I)、弹性释水系数(S)等,可参考区内抽水实验资料和相关公式求值,计算结果见表2.

表2 热储层的水动力参数

4 地热资源的计算

4.1 地热流体储量的评价

根据达西公式计算出地热流体天然径流补给量为1.16×106m3/a,地下水资源弹性储存量为8.08×106m3/a.通过干扰井群法计算允许开采量,补给量法复核干扰井群法的计算结果.依据《地热资源评价方法及估算规程》(DZ 0331—2020),单井设计降深的压力降低值最大为0.5 MPa.经计算,普查区地热流体允许开采量为2 400 m3/d.

4.2 地热储量的计算

4.2.1计算公式 依据地热资源的地质条件及何家坪地热资源勘查结果,通过热储法计算地热储量,计算公式:

Q=Qr+Qw,

Qr=Adρrcr(1-φ)(Tr-T0),

QL=Q1+Q2,

Q1=Aφd,

Q2=ASH,

Qw=QLcwρw(Tr-T0),

式中:Q为热储层中储存的热量(J);Qr为岩石中储存的热量(J);QL为热储层中储存的水量(m3);Q1为计算时热储层孔隙中热水的静储量(m3);Q2为水位降低至取水深度时热储层所释放的水量(m3);Qw为水中储存的热量(J);A为计算区的面积(m2);d为热储层的厚度(m);ρr为热储层岩石的密度(kg/m3);cr为热储层岩石的比热(J/(kg·°C));φ为热储层岩石的孔隙度;Tr为热储层的温度(℃);T0为当地的年平均气温(℃);ρw为地热水的密度(kg/m3);S为导水系数;H为计算起始点以上的高度(m);cw为水的比热(J/(kg·℃)).

4.2.2计算结果 通过抽水实验、测试得到ρr=2 313 kg/m3,cr=647 J/(kg·°C).将上述参数代入热储法计算公式,计算出何家坪普查区内热储层中储存的热量为5.46×1018J(表3).

表3 何家坪地热储量的计算结果

4.3 地热田产能的计算

4.3.1计算公式 基于地热流体可开采量,按下式计算地热田的热能[6]:

Wt=4.186 8Q(T-T0),

式中:Wt为热能(kW);Q为地热流体的可开采量(L/s),取27.78 L/s;T为地热流体的温度(℃),取45.5℃;T0为当地的年平均气温(℃),取10.3 ℃.

经计算,何家坪地热Wt=4.094 MW.参照《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615—2010)中地热田规模分级,该地热田为小型、中低温地热田.

普查区内地热流体年可利用的热能按下式计算:

∑Wt=86.4DWt/K,

式中:∑Wt为开采一年的可利用热能(106J);D为全年开采时间(按24 h换算,d);Wt为计算得出的热能(W);K为热效比,按燃煤锅炉的热效率0.6计算.

4.3.2计算结果 取D=183 d,K=0.6,计算出何家坪地热田年可利用的热能为1.08×1014J,折合为3 680 t/a标准煤.

5 地热资源及其开发利用评价

5.1 地热资源可靠性评价

何家坪地热资源计算过程中所采用的热储法,不仅适用于松散岩类地层,也适用于基岩区[7].何家坪地热的热储模型和计算参数,均通过分析研究、野外实验和实际测试.研究结果可为今后平凉东部地热资源的开发与利用研究提供参考.

5.1.1地热流体开采条件的评价 地热流体可开采量是进行地热开发、设计和总体规划的依据[8].地热资源的开发、利用必将引起水头压力值降低,为确保何家坪地热井的安全取水,单井设计降深依据《地热资源评价方法及估算规程》(DZ 0331—2020)所要求的压力降低值不大于0.5 MPa.通过干扰井群法对地热流体的允许开采量进行计算,并通过补给量法对允许开采量进行复核.根据施工钻孔资料,水头高出地面22.78 m,压力降低值低于0.5 MPa,目前的开采技术完全能达到,表明该方法是切实可行的.

5.1.2地热流体储量的可靠性评价 经计算,地热流体补给量为1.16×106m3/a,地热流体储量为8.08×106m3/a.设计允许开采量占补给量的38%,补给量及储量保证了单井地热流体开采量,满足允许开采量的设计要求.

5.1.3地热流体热能的可靠性评价 何家坪地热单井年可利用的热量为5.39×1013J,开采100 a消耗5.39×1015J.普查区内热储层中储存的热量为5.46×1018J,单井开采100 a消耗的热量占热储层热量的0.98‰,热储层中热量保证了单井开采的热量,且满足开采100 a的要求.结果表明,普查区热量满足《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615—2010)中单井允许开采量且开采100 a、消耗的热能不超过地热储量15%的要求.

5.2 地热资源的开发、利用评价

1)何家坪地热流体孔口温度为45.5 ℃,热储层温度为52.83 ℃.利用地热流体进行低温地板辐射采暖,可保证温度在18 ℃以上.因此,利用地热流体进行采暖完全可行.

2)将本次施工完成的S1钻孔地热水送至陕西工勘院环境检测有限责任公司进行水质检测.经检测,何家坪地热流体中富含氟、锶、铁、偏硼酸、偏硅酸等,且偏硼酸(11.3 mg/L)、偏硅酸(35.1 mg/L)的质量含量均达到医疗使用浓度,有一定的理疗和保健作用.将地热资源的开发、利用与旅游充分结合,可丰富旅游文化内涵、提高旅游产业竞争力和带动力,从而推动当地旅游业的快速发展.

3)何家坪地热井水质符合渔业养殖要求,可与当地河水混合用于渔业养殖.

6 结论

1)甘肃省泾川县何家坪地热地处鄂尔多斯盆地西南缘的盆地基底隆起区,主要热储层为白垩系洛河组下部和侏罗系直罗组砂岩,属于Ⅱ-1型、中低温、小型地热田.按照单井设计降深压力降低值不大于0.5 MPa计算,地热流体允许开采量为2 400 m3/d.热储层中储存的热量为5.46×1018J,可采热量相当于4.094 MW,年可利用的热量为1.08×1014J,折合3 680 t/a标准煤.

2)何家坪地热田地下热水中含有的偏硼酸、偏硅酸等具有理疗作用.热储层所提供的温水和热水等,可用于养殖、洗浴、取暖以及工业生产.

3)该次地热储量的计算与评价,可为泾川县何家坪地热资源的进一步勘查、开发及远景规划提供参考,对丰富当地旅游文化内涵,提高当地旅游产业竞争力和带动力,推动旅游业的快速发展有重要意义.