0 引言

地熱資源具有穩定、連續、利用效率高等優勢, 是一種分布廣泛、使用靈活的清潔型再生能源。在國家倡導節能減排的大背景下,開展地熱資源勘查技術研究,鼓勵地熱資源開發利用對于社會降低傳統能源依賴度,優化我國能源結構,具有重大的現實意義。

函谷關具有悠久的歷史,是我國歷史上建置最早的關隘之一,同時也是我國古代戰爭中兵家必爭之地。本研究將靈寶市函谷關一帶作為研究區, 以基礎地熱勘查成果為依據,對研究區熱儲結構及地熱資源開發利用潛力進行了分析研究。本研究成果可為河南省新生界熱儲勘查開發利用提供技術理論依據。

1 地質背景及地熱開發現狀

1.1 地質背景

研究區包含了整個靈寶市函谷關及其周邊一定區域,面積共80 km2,位于黃河灘黃土厚覆蓋區, 地貌可分為黃土臺塬、漫灘、一級階地、二級階地、三級階地。研究區屬華北地層區豫西地層分區熊耳山地層小區,沉積的新生代地層包括古近系、新近系和第四系,基底主要為白堊系。古近系上部為紫紅色泥巖夾灰白色砂巖及透鏡狀砂礫石層,中部為暗紅色砂巖夾灰色泥巖及石膏層,下部為紫紅色泥巖夾數層砂卵石透鏡體,厚度約804.2 m。新近系巖性為磚紅色泥巖、砂質泥巖,夾砂巖、砂礫巖,厚度約 500.0 m。第四系以砂層、卵石層、粉質黏土及黏土為主,厚度約2 6 5.0 m。

研究區位于三門峽—靈寶斷陷盆地,汾渭大型地塹盆地的東南緣。如圖1所示,對研究區地熱形成及賦存影響較大的斷裂構造主要有三條:①研究區外南部的文底—宮前斷裂(F1),該斷裂為黃河斷凹與太華臺拱的分界,是明顯的平原與山區的界線;②研究區外東部的靈寶—三門峽斷裂(F2),該斷裂為南傾正斷層,沿該斷裂有著名的溫塘熱礦泉出露;③弘農澗河斷裂(F4),該斷裂穿越研究區,走向北東,傾向為北西,向南直抵秦嶺山前與文底—宮前斷裂(F1)、靈寶—三門峽斷裂(F2)交匯。

在新構造運動方面,研究區以斷裂活動和差異性升降為主,第四紀以來,本區地殼升降交替并具有差異性。黃河多級嵌入式堆積階地的形成及其支流階地的發育,表明地殼運動的升降交替特征。

1.2 開發利用現狀

靈寶市深層地熱開發始于20世紀90年代末, 目前靈寶市區已建成4眼地熱井。靈熱1井成井于 1 9 9 9年7月,井深1 783.6 6 m,水溫52.0℃,目前該地熱井已停用;靈熱2井成井于1 9 9 9年1 1月,井深 1008.00 m,水溫28.5℃,主要用于洗浴、住宿;靈熱 3井成井于2007年8月,井深1 300.00 m,水溫42.0 ℃,目前該地熱井已停用;陽光溫泉地熱井深1 850.00 m,水溫5 1.0℃,目前該地熱井已停用。

根據靈寶市已有地熱井資料,靈寶城區新近系熱儲層地熱流體水質較好,但水溫偏低,不利于規?；?a href="http://www.ysjjz.com/t/梯級利用.html" >梯級利用;古近系熱儲層地熱流體溫度較高,但由于鉆井施工質量問題,靈寶市區該層位的地熱流體水量偏小。

目前,研究區范圍內共有2眼深層井。其中一眼為石油勘探孔(渭七井),目前該井井口封閉,未使用;另一眼為地熱井(DR01),井深1 6 50 m,熱儲層為古近系,取水位置為7 60.0~1 5 64.2 m,靜止水位 3 6.7 5 m,平均涌水量約5 1 m3/h,地熱井口水溫 52.6℃。

2 熱儲賦存條件分析

2.1 地熱成因分析

研究區屬于靈寶盆地地熱田,根據區域資料可知,靈寶盆地地熱田主要是在文底—宮前斷裂(F1) 和靈寶—三門峽斷裂(F2)的控制下所形成,來自南部和東南部山區的基巖裂隙水在向深部循環過程中,經圍巖增溫加熱,沿靈寶—三門峽斷裂(F2)和文底—宮前斷裂(F1)向盆地循環運動,上升至古近系底部,在斷裂交匯處,因古近系砂巖及砂礫巖較破碎,易形成良好的通道,故下部的熱水上涌補給承壓含水層,并以傳導的形式對古近系及以上地層施加影響,形成新生界熱儲層,構成了典型的埋藏型層中低溫地熱田,見圖2。

區內北西向弘農澗河斷裂(F4)在靈寶盆地南緣秦嶺山前與文底—宮前斷裂(F1)、靈寶—三門峽斷裂(F2)交匯,形成了良好的導水和導熱通道。

2.2 熱儲特征

研究區內熱源供給主要為大地熱流傳導形式,在2000 m深度范圍內,賦存有兩種不同類型的熱儲層,即新近系和古近系層狀熱儲層,熱儲層布滿整個研究區,厚度較均勻且具有良好的蓋層條件。

新近系頂板埋深北部略深于南部、西部略深于東部,呈多層結構,巖性主要為磚紅色泥巖、砂質泥巖、砂巖,熱儲層蓋層為第四系松散層,厚度一般 1 80~3 50 m,區域上分布穩定,其中黏土和砂質黏土層具有良好保溫隔熱作用,有利于地熱資源的富集與儲存。古近系頂板埋深北部略深于南部、西部略深于東部,呈多層結構,上部為紫紅色泥巖夾灰白色砂巖及透鏡狀砂礫石層,中部為暗紅色砂巖夾灰色泥巖及石膏層,下部為紫紅色泥巖夾數層砂卵石透鏡體,熱儲層蓋層主要為第四系和新近系,蓋層總厚度1000 m左右,沉積厚度不均,見表1。

2.3 熱儲垂向溫度特征

根據研究區地熱井(DR01)測井資料可見,新近系砂巖熱儲層溫度48.07~53.94℃,平均地溫梯度為2.05℃/100 m;古近系砂巖熱儲溫度5 5.2 5~ 7 1.50℃,平均地溫梯度為2.81℃/100 m。圖3為地熱井垂向溫度變化特征圖,從圖中可以看出,新近系、古近系增溫較快,地溫變化呈線性增大,接近白堊系增溫相對變緩,這是因為地溫梯度的大小與巖石的熱導率有關,成巖性越好,導熱率越高,其地溫梯度越低。新近系、古近系成巖性及密度較小, 熱導率也相應較小;白堊系結構更為致密,成巖性較好,熱導率相對更大,梯度值相對較小。

2.4 熱儲層間影響分析

在垂向上,新近系熱儲層地熱流體的化學類型以HCO3Na·Mg型為主,可溶性總固體為 743.1 6 mg/L;古近系熱儲層地熱流體的化學類型以 Cl Na型為主,溶解性總固體為10 386.64 mg/L,這是由于新近系熱儲層與古近系熱儲層之間存在較厚的砂質泥巖隔水層,阻隔了兩者之間的水力聯系。 通過以上分析可知,研究區新近系熱儲層與古近系熱儲層相互獨立,二者之間無明顯的水力聯系。

3 地熱資源開發潛力分析

3.1 熱儲層富水性分析

研究區新近系熱儲層主要由厚層砂巖組成,具有較好的富水性。古近系熱儲層巖性主要為砂巖及砂礫巖,同時由于基底斷裂構造部分切入古近系,在平面上,古近系熱儲層富水性存在一定的差異,主要表現為靠近斷裂構造附近的地熱井涌水量較大,遠離斷裂構造的地熱井涌水量較小。各個熱儲層的富水性見表2。

3.2 地熱資源量評價

(1)熱儲概念模型。研究區各熱儲層巖性較均一,頂底板起伏及厚度變化不大。研究區內地熱流體徑流方向為由南向北,主要補給來源為區外同層側向補給,開采為主要排泄途徑,故在開采時,熱儲層地熱流體屬于非穩定的靜儲量消耗型。研究區熱儲層不同層間無明顯的水力聯系,但各熱儲層地熱流體與區外同層地熱流體的水力聯系密切,因此,將研究區新近系、古近系熱儲層概化為無越流補給、水平方向無限分布的層狀承壓熱儲層。

(2)地熱資源儲量。采用熱儲法計算研究區內2000 m以淺的新近系、古近系熱儲層中的地熱資源儲量。經計算,研究區內新近系熱儲層儲水量為3.10×10⁹m³,地熱資源儲量1.04×10¹⁸J,古近系熱儲層儲水量為6.7 6×10⁹m³,地熱資源儲量3.34×10¹⁸J。區內新近系、古近系熱儲層儲存的總水量為9.86×109m3,總地熱資源儲量為4.38×10¹⁸J。

(3)地熱流體可開采量。采用最大降深法對新近系、古近系熱儲層地熱流體可開采量進行了計算。經計算,新近系熱儲層中的地熱流體可開采量為3.52×10⁶m³/a,古近系儲層中的地熱流體可開采量為5.7 7×10⁶m³/a,新近系、古近系熱儲層中的地熱流體可開采量總計9.2 9×10⁶m³/a。

(4)地熱流體可采熱能及地熱田規模。研究區地熱流體溫度<90℃,屬低溫地熱田(2 5℃≤t≤ 90℃)。一般來講,中、低溫地熱田在保證100年開采年限條件下,地熱可開采熱能在10~50 MW(包含10 MW和50 MW)屬于中型地熱田。依據地熱流體可開采量所采出的熱量,進行了地熱田產能計算,經計算,研究區新近系、古近系熱儲層地熱流體可開采熱能分別為10.8 MW、30.0 MW,地熱田地熱流體總開采熱能為40.8 MW,為中型地熱田。

3.3 地熱資源開發適宜性評價

依據地熱井地熱流體單位涌水量的大小對研究區新近系、古近系熱儲層的地熱開發適宜性進行評價,評價標準如下:①地熱井地熱流體單位涌水量在50~100 m3/(d·m)為適宜開發;②地熱井地熱流體單位涌水量在5~50 m3/(d·m)為較適宜開發;③地熱井地熱流體單位涌水量<5 m3/(d·m)為不適宜開發。根據此評價標準對研究區新近系、古近系熱儲層的地熱開發適宜性進行評價,結果見表3。

由表3可知,區內熱儲層較適宜進行地熱開發。

4 地熱資源開發利用評價

4.1 地熱資源開發利用方向

根據本次研究工作可知,研究區新近系熱儲層地熱流體溫度達到42.0℃,具有一定的理療價值。 研究區古近系熱儲層地熱流體中的溴含量達到了礦水濃度,具有一定的醫療價值;碘濃度達到了命名礦水濃度,可命名為碘水;地熱流體的溫度達到52.6℃,因此可命名為具有醫療價值的碘型熱水。由于溶解性較高(10 386.64 mg/L),故古近系熱儲層地熱流體需處理后方可用做理療熱礦水。

研究區新近系、古近系熱儲層地熱流體中的溶解性總固體含量較高,其中新近系熱儲層地熱流體中的溶解性總固體含量為743.1 6 mg/L,古近系熱儲層地熱流體中的溶解性總固體含量為10 386.64 mg/L,因此,研究區新近系、古近系熱儲層中的地熱流體如用于城鎮供暖,應做好管道的防腐措施,并且地熱尾水必須進行回灌。

4.2 地熱資源開發利用經濟性評價

一般依據地熱井的成井深度區別地熱資源開采的經濟性,成井深度<1000 m為最經濟的,成井深度1000~3000 m為經濟的,成井深度>3000 m時是有經濟風險的。

根據資料分析,研究區地熱井深度不超過2000 m便可獲得較高的溫度和較大的涌水量,同時 2000 m以淺的地層巖性主要以泥巖、砂質泥巖、粉細砂巖及砂礫巖為主,地層穩定,鉆井施工難度較小, 施工成本相對較低。因此,對研究區內新近系、古近系熱儲層的地熱資源進行開發具有良好的經濟性。

4.3 地熱資源開發利用規模評價

根據地熱流體質量評價,研究區新近系、古近系熱儲層地熱流體可用于采暖、洗浴、理療、農業溫室等,本次根據熱流體可采量及其產能,評價其可開發利用的規模。

研究區新近系、古近系熱儲層地熱流體為低溫地熱資源,用無調峰設施的地熱水居室采暖面積估算冬季采暖的熱指標按3 7 W/m2,研究區新近系熱儲層地熱流體供暖面積為2.1 5×10⁵m²,古近系熱儲層地熱流體供暖面積為5.74×105m2,總供暖面積為7.89×105m2。為了更高效利用地熱資源,在實際供暖中可采用熱泵技術,實現地熱資源梯級利用。

研究區地熱流體含有微量元素,對人體有較好的保健作用。經計算,研究區新近系熱儲地熱資源每年可供7.03×10⁶人次溫泉洗浴,或者可建 3 5 1 60床位的療養院;古近系熱儲地熱資源每年可供1.1 5×10⁷人次溫泉洗浴,或者可建5 7 720床位的療養院。

研究區地熱流體經過處理可間接用于農業溫室及水產養殖。經計算,研究區新近系熱儲層地熱流體供農業溫室面積為9.9 6×10⁴m²,水產養殖規模可達到5.03×10⁵~7.03×10⁵m²/a;研究區古近系熱儲層地熱流體供農業溫室面積為2.6 5×10⁵m², 水產養殖規?？蛇_到8.24×10⁵~1.1 5×10⁶m²/a。

5 結論

研究區內地熱類型屬沉積盆地傳導型,在地表以下2000 m深度范圍內,賦存有兩種不同類型的熱儲層,即新近系和古近系層狀熱儲層。兩種儲層的水化學特征存在較大差異,為相互獨立的熱儲層, 二者之間無明顯的水力聯系。新近系熱儲層的富水性較好,但古近系熱儲層受基底斷裂構造的影響,在平面上,其富水性存在一定的差異。研究區新近系和古近系熱儲層中的總地熱資源儲量為4.38×1018J,地熱流體可開采總量為9.2 9×105m3/d,地熱田地熱流體總開采能熱為40.8 MW,為中型地熱田,各熱儲層較適宜進行地熱開發。區內新近系、古近系熱儲層地熱流體可用于采暖、洗浴、理療、農業溫室等,并且開發其地熱資源具有良好的經濟性。