河南省中深層地熱資源勘查開發潛力與模式研究

董寒杰，孫健，王冠華，馬暢

(1.河南省有色金屬地質礦產局第一地質大隊， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金屬礦產探測工程技術研究中心， 河南 鄭州 450016； 3.河南省有色金屬地質礦產局第六地質大隊， 河南 鄭州 450016； 4.河南省有色金屬地質礦產局第七地質大隊， 河南 鄭州 450016)

0 引言

地熱能是一種儲量豐富、分布較廣、穩定可靠的可再生能源。地熱資源的開發利用有助于調整能源結構、提高環境質量和治污防霾，大力開發利用地熱能，對深入貫徹習近平生態文明思想，落實碳達峰、碳中和目標具有重要意義(黃建軍等，2021)。河南省位于華北平原南部，中深層地熱資源熱儲分布面積約占整個省內國土面積的四分之一，主要分沉積盆地傳導型和隆起山地對流型兩大地熱資源類型，多以地熱水的方式出現(周強，2018)。目前已探明的經濟型地熱資源總量折合115億噸標準煤，可減少CO2排放301億噸、SO2排放9770萬噸。積極開發利用地熱能，既可以作為清潔能源在發電、供暖、洗浴、生態種養殖等方面直接利用，又可以在治理霧霾、節能減排等方面起到巨大的作用，為大氣污染防治攻堅戰提供能源替代，對促進生態文明建設和黃河流域高質量發展等具有重要的現實意義和長遠的戰略意義(張維等，2020)。

河南地熱資源豐富，但勘查程度較低，開發利用方式較為單一，嚴重制約地熱資源規?；a業化開發。筆者立足河南地熱資源稟賦條件，總結河南中深層地熱資源分布規律和資源潛力，詳細分析了雄安模式和天津經驗的借鑒意義，探討適合河南地熱產業高質量發展的開發利用模式，對河南中深層地熱合理開發和可持續發展具有一定的指導意義。

1 河南省中深層地熱資源及潛力

1.1 地質構造特征

河南省位于華北陸塊南部，處于我國第二階梯向第三階梯的過渡地帶。以欒川—確山—固始深大斷裂為界，可分為中朝準地臺和秦嶺褶皺系兩個一級大地構造單元。在基底構造及深大斷裂控制作用下，形成了一系列的次級坳陷盆地和斷塊隆起。以近東西向的新鄉—商丘深大斷裂為界，斷裂以北凹陷和凸起多呈北北東向相間分布，自西向東分別為湯陰斷陷、內黃凸起、東明斷陷等。新商斷裂以南地區，由于受近東西向基底構造線方向影響和深大斷裂控制，凹陷和凸起多呈東西向或北西向展布，自北向南分別為濟源—開封凹陷、通許凸起、周口凹陷等(圖1)(魏慶龍等，2018；王現國，2020)。在凸起區大部分地段缺失古近系地層，而凹陷區古近系厚度最厚可達4000 m以上。古近系以后，本區繼續大幅度下降接受沉積，堆積了厚度500～1000 m 不等的新近系、第四系松散堆積物(宇潔等，2011)。本區熱儲地層由老至新主要為古生界寒武系、奧陶系，新生界新近系(王現國，2020)。

圖1 河南省構造單元簡圖(據龔曉潔等，2019修改)

地質構造對地熱資源具有明顯控制作用，特別是一些深大斷裂往往成為導水、導熱的地下熱源通道。研究區對地熱資源影響較大的主要控熱、導熱斷裂有青羊口斷裂、太行山東麓斷裂、聊城—蘭考斷裂、盤古寺—新鄉斷裂、新鄉—商丘斷裂、五指嶺斷裂、三門峽—魯山斷裂等。

據《河南省地熱資源調查與開發利用保護區劃報告》資料，全省大地熱流值最低點為21.9 mw/m2，位于駐馬店凹陷區的確山縣；大地熱流值最高點為92.1 mw/m2，分布在菏澤凸起區的范縣。全省大地熱流平均值53.97 mw/m2，略低于華北盆地大地熱流值58.6 mw/m2。河南省大地熱流值總體分布趨勢為：在坳陷盆地內，凸起區大地熱流值高于凹陷區，構造發育部位大地熱流值相對較高；而隆起區和山前地帶除局部地段外，一般大地熱流值較低。

圖2 河南省主要熱儲特征簡圖

1.2 地熱資源成因類型及分布

根據地熱田所處的大地構造環境、沉積相特征及地溫場成因機制，地熱田類型可分為沉積盆地傳導型和隆起山地對流型兩種。另外，在隆起山地和沉積盆地的局部地區存在受沉積盆地和斷裂構造雙重作用控制的對流—傳導混合型地熱田(王現國，2020)。

(1)沉積盆地型地熱資源分布規律：主要分布在河南省東部的黃淮海沖積平原及西部的山間盆地，為河南省主要地熱資源類型(王繼華等，2009；黃光壽等，2019)，其熱儲介質為膠結較弱的砂巖和碳酸鹽巖(圖2)，多呈層狀產出，地熱水多為孔隙水或巖溶裂隙水，深大斷裂往往構成地熱田的邊界。在沉積盆地區，新生界熱儲層主要分布在凹(斷)陷區。華北斷坳盆地的湯陰斷陷、東明斷陷、濟源—開封凹陷、周口凹陷、駐馬店凹陷及洛陽盆地均有新生界熱儲分布且厚度巨大。其中東明斷陷、濟源—開封凹陷、周口凹陷內，新生界最大厚度超過4000 m，根據地溫梯度推算，4000 m深度熱儲溫度一般大于90 ℃；新生界熱儲層在凹(斷)陷、凸起區分布差異明顯。東部沉降平原新生界儲層的厚度、涌水量均優于山間盆地區，東部沉降平原內的凹(斷)陷區又優于凸起區，凹陷盆地與凸起的過渡地帶尤其較好，如周口凹陷南北部的周口、上蔡等地，地熱井涌水量相對豐富。

(2)隆起山地型地熱資源分布規律：主要分布在河南省西部隆起的基巖山區，地表多以溫泉的形式出露或顯示。熱儲介質主要由巖漿巖、變質巖和古生代沉積巖組成，蓋層較薄，隔水性能稍差。地熱水通道主要由斷裂及其次生裂隙構成，熱源主要通過地下水深循環后沿斷裂通道或溶隙裂隙對流傳遞，局部地區深部斷裂和次生裂隙將地殼深部的熱水直接導出地表，與地表冷水混合后溢出成為溫泉(黃光壽等，2019)。

1.3 地熱資源潛力

河南省中深層(水熱型)地熱可采資源主要分布于沉積盆地、隆起山地，呈帶(點)狀分布。在不考慮回灌前提下，按100年開采年限計，估算全省地熱可采流體量為9.15×108m3a-1，可利用熱能量為198.73×1012KJ a-1，折合標準煤為1151.84×104t a-1。其中，沉積盆地型地熱可開采流體量為9.09×108m3a-1，可利用熱能量為197.78×1012KJ a-1，折合標準煤為1146.44×104t a-1；隆起山地型地熱可開采流體量為569.2×104m3a-1，可利用熱能量為0.95×1012KJ a-1，折合標準煤為5.40×104t a-1。

河南省中深層地熱資源分布廣泛，全省25%的國土面積均蘊藏水熱型地熱資源(蘇燦民，2016)。中東部平原地區新近系孔隙性熱儲厚度穩定，水溫水量均能滿足開發利用需要，周口凹陷之鄲城凸起最高地溫梯度為3.81 ℃/100 m，最高水溫可達 85 ℃，水量60～80 m3d-1；北部和中東部平原區中生界以下奧陶—寒武系灰巖埋藏深度適中(多不超過3000 m)，厚度大，在近構造部位巖溶裂隙更為發育，易于回灌，是較為理想的熱儲層，在通許凸起西部新鄭市五指嶺斷層附近一地熱井，最高出水溫度可達89 ℃。天津市利用地板采暖、熱泵等相關技術，多級次地從地熱流體中提取熱能，使熱能得到充分利用。目前已形成以地熱供暖為主體，集溫泉理療、旅游度假、生活洗浴、種植養殖等多領域綜合利用(王安民等，2014)。據此推斷，河南省中深層地熱資源開發利用前景十分廣闊。

2 河南省地熱資源勘查開發現狀

中深層地熱勘查2012年之前，河南省主要以區域性及重點城市的地熱地質勘查為主，典型的地熱資源勘查區主要集中在熱儲條件較好、分布集中穩定且民采利用較為密集的區域進行，未能形成全面的、系統的摸底排查，且勘查層位大多以新近系孔隙型熱儲為主，勘查精度低，地熱資源勘查技術手段單一，沒有針對地熱田進行詳細的勘查工作，地質調查基礎工作較為滯后。2011—2018年省財政共安排地熱地質調查項目22項(圖3)，地熱地質調查項目主要以巖溶熱儲為重點，一般都設計實施了地熱井工程，對中深層地熱資源的分布規律和賦存條件以及地熱流體產量，有了進一步的了解，但尚難滿足產業化、規?；_發的需要。

河南省目前中深層地熱開發形式分為溫泉利用和井采，全省總體以開采新近系松散巖熱儲層地熱水為主，開采總量約為6781.03×104m3a-1。地熱井深度在300～3318 m之間，以開采低溫地熱資源為主，開采深度多為800～1300 m，深度大于 1500 m 的地熱井數量較少(龔曉潔等，2019)。主要分布在鄭州、開封、濮陽、新鄉、漯河、許昌、洛陽、安陽等主要城市城區及東部平原中部的部分縣市。地熱開發用途除部分地區用于城市供水外，其它地區主要利用于洗浴及浴療，其次為養殖、礦泉水生產、旅游、供暖(如濮陽市清豐縣、開封市蘭考縣等)等方面(圖4，圖5)。河南地熱勘查開發存在勘查投入不足、資源家底不清(王繼華，2009)、開發利用模式單一、地熱產業化和規?；潭鹊?、管理體制不順，制約著地熱產業的發展，無統一規劃，難以形成良性發展等主要問題。

圖3 河南省地熱勘查部署程度圖(據張維等，2020修改)

圖4 地熱資源可采量和折合標準煤對比圖

圖5 地熱供暖面積和利用率對比圖

3 中深層地熱資源勘查開發模式探討

3.1 雄安模式

以地熱供暖上規模、資源開發利用取熱不取水、尾水百分百回灌為標志，河北雄縣開創了“政府主導、政企合作、技術先進、環境友好、造福百姓”的地熱開發利用“雄縣模式”(朱樹源等，2018)。2014年，國家能源局把雄縣作為北方地區地熱供暖的示范區。2016年，雄縣縣城人口9萬，擁有地熱井68口，其中回灌井24口，形成供暖能力450×104m2，基本實現了地熱集中供暖全覆蓋。實現了近100%回灌，做到了“取熱不取水”。通過充分發揮示范區的帶動作用，充分發揮地質勘查的先行作用和把地熱能可持續利用融入雄安新區規劃等措施，科學利用區內地熱資源，建設清潔環保的供熱系統。

3.2 天津經驗

天津市位于華北平原東北部，地熱類型屬于中低溫沉積盆地型。天津市因地熱資源豐富、開發利用和保護成果顯著以及國土資源管理部門的創新管理工作，被自然資源部命名為全國首批“中國溫泉之都”(茹洪久等，2019)。天津市建設中國溫泉之都的主要經驗有以下4點：

(1)高度重視地熱資源勘查，以政府資金在勘查上的投入拉動社會資金在開發上的投入。至2015年原國土資源部、中國地質調查局、天津市累計投入地熱勘查資金超過4億元。截至2016年天津市已經勘查評價并經礦產資源儲量管理部門評審備案的8個地熱田總共提交地熱流體可采量 7606×104m3a-1，折合標準煤44.3×104t a-1(茹洪久等，2019)。

(2)高度重視地熱開發規劃，促進地熱資源開發利用的規?；?、產業化。天津市組織編制了多輪地熱專項規劃，強化對地熱資源開發利用的宏觀控制，提出了地熱資源勘查、開發的原則和目標，以總量控制為主線，提高地熱資源的保障能力和節約集約利用水平，效果較為明顯(李波，2016)。

(3)高度重視地熱資源管理，充分發揮市場在資源配置中的決定性作用。天津市建立了較為完善的地熱資源管理制度，發布實施了《天津市地熱資源管理規定》和《天津市礦產資源管理條例》，進一步明確了地熱管理的職責分工。

圖6 天津市地熱資源開采與回灌示意圖

(4)高度重視地熱資源保護，形成了“以灌定采”的開發體系(圖6)。天津市是全國最早進行地熱尾水回灌研究的地區之一，自1996年開始研究基巖地熱回灌研究，并逐步推廣使用對井采灌技術，確保地熱資源在保護中開發和綜合利用。目前，天津市采取的“以灌定采”和“對井采灌”等保護措施，取得了良好的效果，回灌技術水平和規模在全國居于領先地位。

3.3 河南中深層地熱資源勘查開發模式探討

隨著國家地熱能開發利用“十三五”規劃和推進北方地區冬季清潔取暖等一系列政策的出臺，地熱能迎來歷史性重大發展機遇期(韓二帥等，2019)。中石化在濮陽清豐、中石油在開封、萬江集團在周口開展了中深層地熱供暖的嘗試和示范，特別是在開封市蘭考縣，中石化和浙江綠特聯合對整個縣城實施清潔能源供暖，是河南規?；_發中深層地熱的開端。但由于新近系孔隙型熱儲回灌較為困難以及未能開展梯級利用技術，存在地熱資源利用不盡充分等問題。2018年5月河南省發改委等四部門聯合印發《關于開展地熱能清潔供暖規?；迷圏c工作的通知》(豫發改能源【2018】406號)指出為緩解環境資源壓力，有序推進河南省地熱能利用持續健康發展，決定組織開展地熱能清潔供暖規?；迷圏c工作，將優先選擇在地熱資源較為富集的地區，創建一批地熱能清潔供暖規?；迷圏c區域。出臺了縣域清潔能源供暖特許經營權和能源補貼等一系列政策措施，力求加快推進地熱產業化、規?；M程。

因此，應當在編制地熱資源勘查開發專項規劃的基礎上，開展重點城市、縣(市)地熱供暖開發區及高溫地熱梯級開發試驗區地熱資源可行性勘查，以滿足供暖開發選區和指導商業性地熱地質工作的需要。應設立地熱資源勘查開發基金，出臺鼓勵性政策，支持有條件的地區在推進地熱資源規?；a業化開發中先行先試，建設省級地熱資源勘查開發示范區，探索形成可復制推廣的開發模式，如地熱供暖連片開發、溫泉小鎮建設。借鑒天津經驗和雄安模式，開展以地熱供暖為主體，發展集溫泉理療、旅游度假、生活洗浴、種植養殖等多領域綜合利用，為合理、有效、全面的開發利用地熱能資源，實現河南省調整優化能源結構、治理大氣污染、發展低碳經濟的戰略目標提供政策與技術支撐。

4 結論與建議

河南省中深層地熱蘊藏豐富，開發潛力巨大，與雄安新區和天津市有著極為相似的地熱開發條件和地熱開發需求，非常適合借鑒“雄安模式”和“天津經驗”。為合理、有效、全面的開發利用地熱能資源，實現河南省調整優化能源結構、治理大氣污染、發展低碳經濟的戰略目標提供政策與技術支撐，現提出河南省中深層地熱資源勘查開發建議如下：

(1)提高地熱資源勘查程度，以政府資金在勘查上的投入拉動社會資金在開發上的投入，盡快查明地熱資源家底；

(2)鼓勵有條件的地區先行先試，選擇不同的利用領域類型，培養建立起集約化利用方式的地熱示范工程，充分發揮示范引領作用；

(3)制定全省地熱勘查開發統一規劃，促進規?；?、產業化利用；

(4)大力開展回灌技術應用研究，加強地熱資源保護，建立“以灌定采”的開發體系；

(5)建立適合河南發展的地熱資源管理制度，形成權責清晰的管理體系。