山东省菏泽郓城地区地热资源赋存条件评价

阎蓓蓓　李新凤　杨剑　杨玉刚　王雪莲　王涛　李孝朋

摘要：山东省菏泽郓城地区地热资源丰富，主要赋存于奥陶系和寒武系灰岩中，为估算评价该区的地热资源，在收集资料、野外勘查的基础上，施工1眼地热井，结合收集该区30余眼地热井资料，基本查清了郓城地区的地热赋存条件，确定奥陶系和寒武系热储为本次研究对象，对郓城地区地热流体质量进行了评价，地热资源量进行了计算。评价结果，为持续做好郓城地区地热资源开发利用工作，带动当地经济发展，构建能源节约型社会提供了数据支持。

关键词：地热资源；奥陶系热储；寒武系热储；菏泽郓城；山东省

中图分类号：P314.1文献标识码：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.002

0引言

地热资源集热能和水资源为一体，由于其温度适宜，且富含多种于人体有益的矿物质，在取暖、洗浴、工业、医疗、水产养殖等领域具有广泛的应用价值［17］，是继太阳能和风能之后的又一种可供人们开发利用，并且具有巨大发展前景的新型绿色环保资源，是我国能源发展战略和政策的重要内容之一［814］。

郓城地处山东省西部经济隆起带，属于山东省唯一入选全国首批新型城镇化综合试点县，郓城地区地热资源丰富，开采条件好，开发潜力大［15］，利用前景广阔，查清郓城地区地热资源的赋存条件并对地热资源进行计算和评价，对解决郓城地区供暖问题、优化能源结构、助力实现“双碳”目标具有十分重要意义。

1区域地质背景

1.1地层

研究区属华北平原地层区鲁西地层分区。全区被第四系覆盖区，区内隐伏地层发育较齐全，从老到新依次分布有寒武系、奥陶系，石炭二叠系，古近系、新近系和第四系（图1）。

（1）寒武系。本区寒武系发育长清群和九龙群。长清群：自上而下为朱砂洞组、馒头组共厚160～240m。九龙群：自下而上分为张夏组、崮山组、炒米店组、三山子组，共厚285～450 m。

（2）奥陶系。本区奥陶系发育三山子组和马家沟群。三山子组：灰岩为主，厚100 m左右。马家沟群：纯灰岩和泥质灰岩、白云岩及白云质灰岩互层的组合，厚400 m左右。

（3）石炭二叠系。本区奥陶系发育月门沟群和石盒子群。月门沟群：泥岩和粉砂岩为主，厚220～290m。石盒子群：泥岩、粉砂岩和砂岩为主，厚度140 m左右。

（4）古近系。研究区东北部发育古近系发育官庄群，泥岩、砂岩、砾岩为主，厚度约380m。

（5）新近系。本区新近系隐伏于第四系以下，在区内皆有分布，厚度约400m左右。

（6）第四系。在全区皆有分布，为杂色黏土、黏土质砂、砂、砂砾石层，厚度较大，一般在220m左右。

1.2构造

研究区内断裂主要有郓城断裂、曹县断裂和巨野断裂。

2地热地质条件

郓城位于菏泽凸起地热田，研究区内热储主要为奥陶系热储和寒武系热储，奥陶系地热资源为温热—热水型低温地热资源，寒武系属温水型低温地热资源，热储呈层状结构。

2.1热储特征

（1）奥陶系热储。研究区主要热储层为奥陶系石灰岩层状热储，热储顶板埋深700～1300m，石炭二叠系、新近系、第四系共同组成热储盖层，盖层岩性由多层黏性土、砂性土、砂层、黏土岩、泥岩组成，隔热性能好，为良好的热储保温层（图2）。据本次施工的地热井（DRK）测井资料并结合区域其他30余眼地热井资料，研究区内奥陶系热储含水层厚度100～164.3m，含水层平均孔隙度为6.28%～12.93%，渗透率为（0.10～24.56）×10¹⁴m²。区内热储埋藏深度适中，盖层厚度一般在700～1300 m之间，单井出水量40～320 m³/h，井口水温一般介于43～53℃之间，地热水水化学类型主要为SO₄Ca 型，属温热热水型低温地热资源。

（2）寒武系热储。研究区内寒武系含水层（主要为二类、三类裂缝层）厚度33.6m，顶底板埋深1700～2400m，含水层平均孔隙度为1.51%，渗透率为（0.10～0.35）×10¹⁴m²，综合测井热储温度51.27～60.95℃，单井出水量7.2 m³/d，矿化度3～4g/L，水化学类型为SO₄Ca型，水温60℃左右，属温水型低温地热资源。

2.2地温梯度特征

（1）水平变化特征。研究区地温梯度变化较大，在1～4℃/100 m之间。受断裂影响研究区地温梯度在F₀断裂、F₁断裂和郓城断裂附近较高，最高可达3.0～4.0℃/100 m；F₀断裂以东，由西北向东南方向递增；研究区整体上，西部地温梯度高于东部。

（2）垂向变化特征。地温在垂向上的变化规律是在恒温带以下，地温随深度的增加而增加。本次施工的DRK地热井深2177.02 m，垂向变化特征见图3，结合研究区已有的30余眼地热井资料，本区奥陶纪地层温度为49～50℃，地温梯度值偏小，平均地温梯度值1℃/100m左右。寒武纪地层温度为50～60.95℃，平均地温梯度值1.66℃/100m左右。

2.3地热水水化学特征

本次DRK地热井分层抽水取DRK奥陶及DRK寒武水样进行分析测试，结果显示，两层地热流体的水化学特征基本一致，水化学类型均属SO₄Ca·Na型。

（1）常规离子成分。地热流体矿化度一般在3490.64～4361.38mg/L，DRK奥陶平均值为3623.10mg/L，DRK寒武平均值为3600.35mg/L，属咸水；pH为6.80～7.80，DRK奥陶平均值为7.6，DRK寒武平均值为6.8；全硬度（CaCO₃计）2052.50～2534.58mg/L，DRK奥陶平均值为2097.33mg/L，DRK寒武平均值为1857.42mg/L，属极硬水；地热水中主要阳离子为Na⁺和Ca²⁺，其含量介于180.00～360.00mg/L和606.76～723.60mg/L间，DRK奥陶Na⁺和Ca²⁺平均值分别为357.77mg/L，634.58mg/L，DRK寒武Na⁺和Ca²⁺平均值分別为413.75mg/L，546.39mg/L；阴离子主要为Cl和SO24，其含量一般在229.19～383.02mg/L和2014.51～2547.08mg/L间，DRK奥陶Cl^-和SO^2-₄平均值分别为320.89mg/L，2023.01mg/L，DRK寒武Cl^-和SO4^2-平均值分别为348.26mg/L，2095.04mg/L，见表1。

（2）微量元素。地热流体由于深层循环过程中的水—岩相互作用，同时受到高温对溶滤作用的影响，地热水中含有丰富的微量元素组分，根据DRK地热井，奥陶热储锶13.19mg/L，偏硅酸31.78mg/L。但从化验测试结果中可以看出污染元素含量大部分低于检出限（表2）。

（3）放射性元素及其特征。放射性元素含量总体上可以表明放射性元素的含量高，地热能大的特点，本区放射性元素较其他地下水偏高，DRK奥陶、DRK寒武地热水的放射性同位素含量见表3。

（4）同位素及其特征。地下水氚的含量一般情况下仅受衰变规律的影响，而不发生与岩石介质的交换，可以利用氚计算地下水的年龄、确定含水层的补给源和速度［1617］。一般采用经验法估算地下水的年龄，通常是根据地下水是否受到了核爆的标记，将地下水形成时间分为核试验前与核试验后2个阶段［1819］。天然情况下大气降水的氚浓度为10TU，对此类地下水进一步划分如表4所示。

DRK奥陶地热流体氚的含量为（2.2±0.8）TU，DRK寒武地热流体氚的含量为（1.4±0.8）TU，即DRK奥陶、DRK寒武地热流体1953年以前的补给水与近代补给水的混合水。

3地热流体质量评价

依据《地热资源评价方法及估算规程》（DZ/T0331—2020）附录F《理疗热矿泉水水质标准》，奥陶系地热流体偏硅酸达到矿水浓度标准，寒武系地热流体锶元素达到命名标准，锂元素达到命名标准。DRK井井口温度为50℃，根据地热资源温度分级，该区地热资源为低温地热资源，温水型，可用于理疗、洗浴、温室、养殖。

根据《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006），DRK地热井奥陶系热储地热流体中检测到的项目总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、氟化物超标，不能作为生活饮用水；DRK地热井寒武系热储地热流体中检测到的项目总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、色度、锰元素超标，不能作为生活饮用水。

根据《农田灌溉水质标准》（GB5084—2021），DRK地热井奥陶系及寒武系该地热流体温度、溶解性总固体均超标，均不可作为农田灌溉用水。

根据《渔业水质标准》（GB11607—89），DRK奥陶系热储地热流体中NH+4、氟化物超标，寒武系热储地热流体中NH+4超标，均不宜直接作为渔业用水。

DRK井奥陶系热储地热流体的pH为7.1，为碱性水，本次K_k取值选用公式K_k=1.008（rMg²⁺－rHCO₃^-），经计算，K_k=15.60＞0，锅垢总量H₀=1442.13＞500，即DRK井奥陶系热储地热流体为腐蚀性锅垢较多地热水；DRK井寒武系热储地热流体的pH为6.8，为碱性水，本次K_k取值选用公式K_k=1.008（rH⁺+rAl³⁺rMg²⁺+rFe²⁺-rHCO₃^--rCO^2-₃），经计算，K_k=16.03＞0，锅垢总量H₀=1242.42＞500，即DRK井寒武系热储地热流体为腐蚀性锅垢较多地热水，因此在地热水开发利用过程中要考虑地热水对金属的腐蚀性。

4地热资源计算

4.1地热资源量计算

依据研究区内断裂分布及热储埋深不同，把研究区分为4个分区（图4）。依据施工的探采孔结合野外调查结果，按《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615—2010）的规定，采用热储法进行计算。采用热储法估算公式（1）—公式（6）为：

Q=Q_r+Q_w（1）

Q_r=Adρ_rC_r（1-φ）（t_r-t₀）（2）

Q_L=Q₁+Q₂（3）

Q₁=Aφd（4）

Q₂=ASH（5）

Q_w=QLρ_wC_w（t_r-t₀）    （6）

式中：Q—熱储中储存的热量（J）；Q_r—岩石中储存的热量（J）；Q_L—热储中储存的水量（m³）；Q₁—截止到计算时刻，热储孔隙中热水的静储量（m³）；Q₂—水位降低到目前取水能力极限深度热储所释放的水量（m³）；Q_w—水中储存的热量（J）；A—计算区面积（m²）；d—热储厚度（m）；t_r—热储温度（℃）；t0—当地年平均气温（℃）；ρ_r、ρ_w—分别为热储岩石和地热水的密度（kg/m³）；C_r、C_w—分别为热储岩石和水的比热（J/kg·℃）；φ—热储岩石的孔隙度，无量纲；S—弹性释水系数，无量纲；H—计算起始点以上高度（m）。

本次研究t₀取14.0℃，弹性释水系数S参数采用抽水试验Theis曲线配线法计算，弹性释水系数为9.025×10^-4；奥陶系热储厚度取56.4m，依据DRK地热井的测井资料统计，寒武系二类裂隙为8.2m，无一类裂隙，寒武系热储总厚度估算为8.2m；各分区奥陶系热储层温度以区内地热井或邻区地热井实际井口温度当作其热储温度，但考虑到Ⅰ区各地热井靠近F1断裂附近，而其西部奥灰埋深较浅，部分热储隐伏与第四系以下，运用内插法计算，Ⅰ区取经验值40℃；根据DRK测温资料知，寒武纪地层地温梯度值约1.66 ℃/100m，故各分区寒武系热储的温度利用各分区奥陶系热储的温度及寒武系地层的地温梯度值计算；根据《地热资源评价方法》（GB/T 11615—2010）附录C以及用内插法求得灰岩的比热容和不同温度下水的密度；依据DRK测井资料，研究区奥陶系热储层孔隙度取7.5%，寒武系热储的孔隙度Ⅰ区取1.52%，其余各区取邻区经验值2.5%。计算结果显示（表5），研究区内奥陶系热储地热资源总量为11.836×10¹⁷J，奥陶系热储中储存的水量Q_L为10.518×10⁸m³；寒武系热储地热资源总量为2.261×10¹⁷J，寒武系热储中储存的水量QL为0.854×10⁸m³。

4.2地热产能计算与评价

按照《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615—2010）要求，依据地热流体开采量所采出的热量，按式7、式8计算地热田的产能：

W_t=4.1868Q（t-t₀）     （7）

∑W_t=86.4D W_t/K      （8）

式中：W_t—热功率（kW）；Q—地热流体可开采水量（m³/h）（本次按照“以灌定采”的原则估算地热流体可开采水量，据对研究区地热资源开发利用现状的调查，区域内地热资源回灌量为12650m³/d，合527.08 m³/h，本次把区内地热流体可开采量估算为146.41L/s）；t—地热流体温度（℃），本次计算取50℃；t0—当地年平均气温，本次计算取14.0℃；4.1868为單位换算系数；∑W_t—开采一年可利用的热能（MJ）；D—全年开采日数（按24h换算），本次按采暖季取120d；86.4—单位换算系数；K—热效比（按燃煤锅炉的热效率0.6计算）。

经计算，研究区内地热产能约为22067.62 kW，开采一年可利用的热能为3.81×108 MJ，属于中、低温中型地热田，地热水开采一年可获得热量与之相当的节煤量1.3万t/a。

5结论

（1）研究区内地热资源主要赋存于奥陶系和寒武系热储中。

（2）研究区奥陶系地热资源为温热热水型低温地热资源，寒武系属温水型低温地热资源。

（3）研究区地热水可用于理疗、洗浴、温室、养殖，不能用于生活饮用、农田灌溉、渔业，属腐蚀性锅垢较多地热水。

（4）研究区内奥陶系热储地热资源总量为11.836×10¹⁷J，奥陶系热储中储存的水量Q_L为10.518×10⁸m³；寒武系热储地热资源总量为2.261×10¹⁷J，寒武系热储中储存的水量Q_L为0.854×10⁸m³。研究区地热产能约为22067.62kW，开采一年可利用的热能为3.81×10⁸MJ，属于中、低温中型地热田，地热水开采一年可获得热量与之相当的节煤量1.3万t/a。

参考文献：

［1］ 孟祥玲，王庆兵，杨培杰.山东省地热资源开发利用现状调查与问题分析［J］.山东国土资源，2021，37（11）：3642.

［2］王浩，张震宇，杨建华.禹城市城区东营组热储地热资源赋存特征研究［J］.山东国土资源， 2014， 30（1）：3336.

［3］薄本玉，王韶霞，马鹏飞，等.基于水化学的沂源盆地地热田成热模式探讨［J］.山东国土资源，2022，38（7）：3137.

［4］罗宁，张军，李健敏，等.雄安新区及其周边古潜山地热资源开发利用前景［J］.天然气工业，2021，41（7）：160171.

［5］申中华，薛磊，韩琳，等.章丘地热田地热资源量计算与评价［J］.山东国土资源，2020，36（4）：3137.

［6］韦毅，毛官辉，吕清，等.浙江省水热型地热资源特征及赋存规律［J］.上海国土资源，2022，43（2）：9398.

［7］ 涂明江，吉勤克补子.纳雍县董地地热资源赋存规律研究［J］.西部探矿工程，2021，33（7）：178180.

［8］邹晶莹.砂岩热储地热尾水回灌化学堵塞机理研究［D］.青岛：山东科技大学，2020：10.

［9］韩中阳，吴沙沙，刘咏明，等.济南市北部地热田地热资源量计算与评价［J］.华东地质，2022，43（3）：276285.

［10］袁杰，杨鹏，魏同政，等.日照市刘东楼地区地热资源开发利用可行性分析［J］.山东国土资源，2021，37（8）：2127.

［11］李铁军，孟祥瑞.河南平顶山北部地区地热概念模型研究［J］.矿产与地质，2022，36（2）：368373.

［12］柳永胜，毛官辉，符荣权，等.浙江中深层水热型地热资源评价与勘查方法优选［J］.上海国土资源，2022，43（4）：813.

［13］孙军胜，白何领，潘飞飞.开封凹陷区深层地热资源评价［J］.能源与环保，2022，44（8）：205212.

［14］秦福锋，许丙彩，冯英明，等.日照东部地区地热资源成因分布规律及勘查定井方法研究［J］.山东国土资源，2021，37（9）：3645.

［15］吴丽莉，孟凡奇，董玉龙，等.山东省郓城县岩溶热储回灌试验［J］.山东国土资源，2017，33（6）：3842.

［16］张向阳.放射性同位素：揭示地下水年龄的时钟［J］.国土资源科普与文化，2019（4）：2123.

［17］赵辉，殷涛，史猛，等.胶东地热田地热流体的补径排特征：以招远东汤地热田为例［J］.山东国土资源，2019，35（1）：6270.

［18］王旭东，刘海，刘桂建.阜阳地区地热水化学特征及同位素分析［J］.中国地质调查，2018，5（6）：1117.

［19］薛磊，申中华，张佰康.济南市东部地区地热流体的化学特征研究［J］.地下水，2020，42（4）：1015.

Study on Characteristics of Geothermal Resources

in Yuncheng Area in Heze City

YAN Beibei，LI Xinfeng，YANG Jian，YANG Yugang，WANG Xuelian，WNAG Tao，LI Xiaopeng

（Geophysical Prospecting and Surveying Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau，Shandong Ji'nan 250104， China）

Abstract： Yuncheng area is rich in geothermal resources， which are mainly stored in the Ordovician and Cambrian systems. In order to estimate and evaluate geothermal resources in this area， one geothermal well has been constructed. In combination with the collected data of more than 30 geothermal wells in this area， geothermal occurrence conditions in Yuncheng area have been basically found out， and the Ordovician and Cambrian thermal reservoirs have been determined as the object of this study. The quality of geothermal fluid in Yuncheng area has been evaluated， and the amount of geothermal resources has been calculated. The evaluation provides data support for sustainable development and utilization of geothermal resources in Yuncheng， driving local economic development and building an energy conservation society.

Key words： Geothermal resources; Ordovician thermal reservoir; Cambrian thermal reservoir; Yuncheng city; Shandong province