甘肅省涇川縣何家坪地熱儲量計算與評價

邊 疆

(甘肅煤田地質局一四六隊,甘肅 平涼 744000)

地熱資源是埋藏在地下的清潔能源,可用于采暖、發電、理療、洗浴及養殖.目前,甘肅省的地熱資源開采程度較低,開采潛力大[1],且隴東盆地的地質構造條件、熱儲地質條件都有利于地熱賦存[2],蘊藏著豐富的地熱資源.對于隴東沉積盆地地熱田的利用和綜合研究,大多基于原有石油井的改造利用與資料的對比分析.文中何家坪地熱調查項目有施工地熱井1個,井口溫度為45.5 ℃.通過測井、取樣等手段,確定白堊系洛河組、侏羅系直羅組是該地區最具開發、利用價值的2個熱儲層.涇川縣何家坪地熱資源的合理開發與利用,對緩解當地能源緊張,拉動崆峒山、王母宮等地的旅游業發展,促進當地經濟可持續發展,改善和提升城市品位具有重要意義.

1 區域的地質背景

平涼市的東部位于鄂爾多斯盆地的西南緣天環向斜內[3],西臨鄂爾多斯西緣逆沖構造帶,東接中央古隆起,北起區外內蒙古境內的伊盟隆起,南達區外陜西境內的渭北斷褶帶,在鄂爾多斯盆地西部呈南北向帶狀分布,南北長500 km以上,東西寬50～60 km.涇川縣位于天環向斜東翼,基本處于白堊系地層埋藏最深部位,是洛河組地下水匯集、排泄和富水性最強的地段.當地下水經深部徑流加熱后,在此有利于形成低溫地熱資源.

1.1 地層

該地區地表被第四系覆蓋,根據區內鉆孔及南北兩側山區地層資料,地層由老至新為侏羅系、白堊系及第四系,熱儲層為白堊系洛河組和侏羅系直羅組砂礫巖.

1)侏羅系延安組(J2y):巖性以泥巖為主,含大量炭屑及極薄的煤層,本次揭露1.0 m.

2)侏羅系直羅組(J2z):巖性為灰綠、藍灰、紫灰、紫紅色等雜色粉砂巖,泥質粉砂巖及砂質泥巖,夾細砂巖,底部為灰白色含礫粗砂巖,厚度為150～669 m.

3)侏羅系安定組(J2a):巖性為灰色、灰白色細粒砂巖,局部夾灰綠色泥巖,厚度為111～145 m.

5)白堊系環河組(K1h):巖性為灰綠、紫紅、藍灰、黃灰色砂巖,與粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖互層,厚度為90～611 m.

6)白堊系羅漢洞組(K1lh):巖性以棕紅、灰棕、灰黃、灰白色砂巖,與泥巖、砂質泥巖和頁巖互層,厚度為66～395 m.

7)白堊系涇川組(K1jc):巖性為棕紅色粉砂巖、泥巖、砂質泥巖及細砂巖,富含鈣質結核,頂部夾泥灰巖、白云質灰巖,殘余厚度為90～591 m.

8)第四系全系統(Q):區內第四系較發育,涇河兩岸為涇河沖積層,南北兩側山體從幾米到幾十米,最厚達235 m.

1.2 構造

根據構造特征及其性質,盆地內部及周圍的構造單元可分為慶陽單斜、天環凹陷、西緣斷褶帶和渭北隆起撓褶帶[4](圖1～圖2).

圖1 區域構造圖

圖2 勘查區構造圖

1)慶陽單斜:是天環向斜的東翼,斜坡寬緩,白堊系地層大致以3°～5°向西傾斜,下部侏羅系、三疊系地層向西南傾斜較大.

2)天環凹陷:西北以萌城-城陽逆斷層為界,西南以青龍山—平涼—銅城—龍門斷層為界,南以龍門—長武南—正寧一線為界并與渭北隆起撓褶帶相連.其西翼寬15～20 km,傾角較大;東翼即為寬緩的慶陽單斜,寬340～350 km.

3)西緣斷褶帶:北部的東邊以萌城-城陽逆斷層(又稱沙井子斷裂)與東部的天環凹陷分界;南部以青龍山—平涼—銅城—龍門斷裂與天環向斜構成分界;西部與六盤山弧形斷褶帶相鄰,呈南北向狹長的構造帶.

1.3 盆地演化

鄂爾多斯盆地地質構造演化可分為5個較重要的過程:太古代—早元古代盆地基底形成階段,中、晚元古代地臺裂谷發育階段,古生代—早中生代大華北盆地沉積階段,中生代鄂爾多斯內陸湖盆演變階段.在侏羅紀—白堊紀階段,沉積環境穩定,地熱資源熱儲層為中侏羅系直羅組和早白堊系洛河組.進一步證明,該地區具有盆地傳導型層狀中低溫地熱田形成的良好條件.

2 邊界條件和熱儲模型

2.1 邊界條件

該地區屬于鄂爾多斯盆地中一個相對獨立的盆地,即隴東盆地.盆地的西部邊界是平涼—彭陽一線,為補給邊界;東邊界在寧縣子午嶺以東的老地層露頭分布區,為補給邊界;南邊界是靈臺—崇信一線,是隔水邊界;北邊界沒有封閉,是一個補給邊界.

2.2 熱儲模型

涇川縣何家坪地熱可概化為由熱儲層、蓋層、熱源和通道組成(圖3).

圖3 熱儲構造及熱儲埋藏條件剖面圖

2.2.1熱儲層 自上而下分為白堊系洛河組熱儲層和侏羅系直羅組熱儲層,是該地區最具開發、利用價值的2個熱儲層,總厚度為500～900 m.熱儲層巖性以砂巖類為主,賦存豐富的孔隙裂隙層間承壓水,承壓水在吸收地殼深部傳導熱量后形成地熱流體資源.

2.2.2蓋層 熱儲蓋層主要為白堊系涇川組、白堊系羅漢洞組,區內蓋層總厚度為750～900 m,對地熱資源具有良好的“保溫”作用.

2.2.3熱源和通道 在整個盆地地下水滲流系統中,補給來源以降水入滲為主.西部補給區主要為六盤山基巖裸露區,大氣降水沿孔隙、裂隙下滲,再向東運移至盆地;東部子午嶺及其以東的陜西洛河流域,由于白堊系地層廣泛出露地表,基巖受大氣降水和地表水的滲入補給.

根據《涇川幅1∶20萬區域地質圖及說明書》分析深部布格重力異常特點,基地凹陷與隆起相間,和上覆中生代(三疊—白堊)斷凹與隆(凸)起區呈反向鏡面對稱關系,總體上屬于地幔隆起區,這意味著利于深部熱能的向上傳導[5].基于已有施工鉆孔資料,計算出何家坪一帶500 m以下地溫梯度平均值為3.2～3.3 ℃/100 m,大于區域背景值(2.6 ℃/100 m),也大于整個地殼的平均地溫梯度,顯示出高溫熱源由深部向淺部傳遞(表1).

表1 已有鉆孔地溫梯度推算結果

該次勘查區處于涇川縣何家坪一帶,其熱流為55.0～57.5 mW/m2,高于同類沉積盆地的平均熱流(42.9 mW/m2),說明在單位面積、時間條件下,由地球內部傳遞到地殼淺部的熱量相對較大.在盆地基底隆起區,上地幔熱能向上傳遞,使熱儲層地下水溫度升高形成熱水資源,這是形成地下熱水的主要熱源.

3 主要參數的選擇

20世紀50年代以來,地質、石油、煤炭和水利等勘查單位在包括工作區內的隴東地區,先后開展了地質測量、水文地質、工程地質及環境地質等方面的勘查工作.筆者在已有研究資料的基礎上,開展1∶1萬地質填圖,設計施工地熱井孔深為1 402.01 m,并進行抽(放)水試驗及巖礦測試.

選擇合適的計算參數,對計算熱儲中的地熱資源儲量、地熱流體量、地熱流體可開采量及可利用的熱能具有重要意義.綜合分析熱儲的空間分布、邊界條件和滲透特征,研究地熱流體的補給和運移規律、地熱成因、熱傳導方式以及地溫場特征,并在建立地熱系統概念模型的基礎上,進行參數的選擇.

3.1 熱儲面積

何家坪地熱屬于層狀中低溫地熱田,根據該地區熱儲層埋深以及邊界情況,將整個普查區作為本次工作的計算范圍,面積為4.5 km2.

3.2 熱儲層厚度

熱儲層厚度依據已施工地熱井熱儲含水層的有效厚度確定.已施工的何家坪S1地熱井,熱儲含水層的有效厚度為368.0 m,區內熱儲層呈層狀分布,厚度變化不大.因此,地熱田熱儲層厚度取368.0 m.

3.3 熱儲溫度

施工地熱井的井口溫度為45.5 ℃.由于在近似穩態測井過程中出現井口自流涌水,后采用簡易測溫,測得溫度為48.9 ℃.故測井溫度不能代表地層的真實溫度.筆者通過鉀鎂與鉀鈉地熱溫標計算出熱儲層溫度的平均值為52.83 ℃,并以此作為最終的熱儲溫度.

3.4 熱儲層的物理參數

根據《地熱資源評價方法及估算規程》(DZ/T 0331—2020)及《地熱資源地質勘查規范》(GB/T 11615—2010),熱儲層水的比熱容取4.18×103J/(kg·℃),熱儲層水的密度取1.0×103kg/m3,熱儲巖石(砂巖)的比熱容、密度及熱導率均取實測值.

3.5 熱儲層水動力參數

熱儲層水動力參數包括滲透系數(K)、水力坡度(I)、彈性釋水系數(S)等,可參考區內抽水實驗資料和相關公式求值,計算結果見表2.

表2 熱儲層的水動力參數

4 地熱資源的計算

4.1 地熱流體儲量的評價

根據達西公式計算出地熱流體天然徑流補給量為1.16×106m3/a,地下水資源彈性儲存量為8.08×106m3/a.通過干擾井群法計算允許開采量,補給量法復核干擾井群法的計算結果.依據《地熱資源評價方法及估算規程》(DZ 0331—2020),單井設計降深的壓力降低值最大為0.5 MPa.經計算,普查區地熱流體允許開采量為2 400 m3/d.

4.2 地熱儲量的計算

4.2.1計算公式 依據地熱資源的地質條件及何家坪地熱資源勘查結果,通過熱儲法計算地熱儲量,計算公式:

Q=Qr+Qw,

Qr=Adρrcr(1-φ)(Tr-T0),

QL=Q1+Q2,

Q1=Aφd,

Q2=ASH,

Qw=QLcwρw(Tr-T0),

式中:Q為熱儲層中儲存的熱量(J);Qr為巖石中儲存的熱量(J);QL為熱儲層中儲存的水量(m3);Q1為計算時熱儲層孔隙中熱水的靜儲量(m3);Q2為水位降低至取水深度時熱儲層所釋放的水量(m3);Qw為水中儲存的熱量(J);A為計算區的面積(m2);d為熱儲層的厚度(m);ρr為熱儲層巖石的密度(kg/m3);cr為熱儲層巖石的比熱(J/(kg·°C));φ為熱儲層巖石的孔隙度;Tr為熱儲層的溫度(℃);T0為當地的年平均氣溫(℃);ρw為地熱水的密度(kg/m3);S為導水系數;H為計算起始點以上的高度(m);cw為水的比熱(J/(kg·℃)).

4.2.2計算結果 通過抽水實驗、測試得到ρr=2 313 kg/m3,cr=647 J/(kg·°C).將上述參數代入熱儲法計算公式,計算出何家坪普查區內熱儲層中儲存的熱量為5.46×1018J(表3).

表3 何家坪地熱儲量的計算結果

4.3 地熱田產能的計算

4.3.1計算公式 基于地熱流體可開采量,按下式計算地熱田的熱能[6]:

Wt=4.186 8Q(T-T0),

式中:Wt為熱能(kW);Q為地熱流體的可開采量(L/s),取27.78 L/s;T為地熱流體的溫度(℃),取45.5℃;T0為當地的年平均氣溫(℃),取10.3 ℃.

經計算,何家坪地熱Wt=4.094 MW.參照《地熱資源地質勘查規范》(GB/T 11615—2010)中地熱田規模分級,該地熱田為小型、中低溫地熱田.

普查區內地熱流體年可利用的熱能按下式計算:

∑Wt=86.4DWt/K,

式中:∑Wt為開采一年的可利用熱能(106J);D為全年開采時間(按24 h換算,d);Wt為計算得出的熱能(W);K為熱效比,按燃煤鍋爐的熱效率0.6計算.

4.3.2計算結果 取D=183 d,K=0.6,計算出何家坪地熱田年可利用的熱能為1.08×1014J,折合為3 680 t/a標準煤.

5 地熱資源及其開發利用評價

5.1 地熱資源可靠性評價

何家坪地熱資源計算過程中所采用的熱儲法,不僅適用于松散巖類地層,也適用于基巖區[7].何家坪地熱的熱儲模型和計算參數,均通過分析研究、野外實驗和實際測試.研究結果可為今后平涼東部地熱資源的開發與利用研究提供參考.

5.1.1地熱流體開采條件的評價 地熱流體可開采量是進行地熱開發、設計和總體規劃的依據[8].地熱資源的開發、利用必將引起水頭壓力值降低,為確保何家坪地熱井的安全取水,單井設計降深依據《地熱資源評價方法及估算規程》(DZ 0331—2020)所要求的壓力降低值不大于0.5 MPa.通過干擾井群法對地熱流體的允許開采量進行計算,并通過補給量法對允許開采量進行復核.根據施工鉆孔資料,水頭高出地面22.78 m,壓力降低值低于0.5 MPa,目前的開采技術完全能達到,表明該方法是切實可行的.

5.1.2地熱流體儲量的可靠性評價 經計算,地熱流體補給量為1.16×106m3/a,地熱流體儲量為8.08×106m3/a.設計允許開采量占補給量的38%,補給量及儲量保證了單井地熱流體開采量,滿足允許開采量的設計要求.

5.1.3地熱流體熱能的可靠性評價 何家坪地熱單井年可利用的熱量為5.39×1013J,開采100 a消耗5.39×1015J.普查區內熱儲層中儲存的熱量為5.46×1018J,單井開采100 a消耗的熱量占熱儲層熱量的0.98‰,熱儲層中熱量保證了單井開采的熱量,且滿足開采100 a的要求.結果表明,普查區熱量滿足《地熱資源地質勘查規范》(GB/T 11615—2010)中單井允許開采量且開采100 a、消耗的熱能不超過地熱儲量15%的要求.

5.2 地熱資源的開發、利用評價

1)何家坪地熱流體孔口溫度為45.5 ℃,熱儲層溫度為52.83 ℃.利用地熱流體進行低溫地板輻射采暖,可保證溫度在18 ℃以上.因此,利用地熱流體進行采暖完全可行.

2)將本次施工完成的S1鉆孔地熱水送至陜西工勘院環境檢測有限責任公司進行水質檢測.經檢測,何家坪地熱流體中富含氟、鍶、鐵、偏硼酸、偏硅酸等,且偏硼酸(11.3 mg/L)、偏硅酸(35.1 mg/L)的質量含量均達到醫療使用濃度,有一定的理療和保健作用.將地熱資源的開發、利用與旅游充分結合,可豐富旅游文化內涵、提高旅游產業競爭力和帶動力,從而推動當地旅游業的快速發展.

3)何家坪地熱井水質符合漁業養殖要求,可與當地河水混合用于漁業養殖.

6 結論

1)甘肅省涇川縣何家坪地熱地處鄂爾多斯盆地西南緣的盆地基底隆起區,主要熱儲層為白堊系洛河組下部和侏羅系直羅組砂巖,屬于Ⅱ-1型、中低溫、小型地熱田.按照單井設計降深壓力降低值不大于0.5 MPa計算,地熱流體允許開采量為2 400 m3/d.熱儲層中儲存的熱量為5.46×1018J,可采熱量相當于4.094 MW,年可利用的熱量為1.08×1014J,折合3 680 t/a標準煤.

2)何家坪地熱田地下熱水中含有的偏硼酸、偏硅酸等具有理療作用.熱儲層所提供的溫水和熱水等,可用于養殖、洗浴、取暖以及工業生產.

3)該次地熱儲量的計算與評價,可為涇川縣何家坪地熱資源的進一步勘查、開發及遠景規劃提供參考,對豐富當地旅游文化內涵,提高當地旅游產業競爭力和帶動力,推動旅游業的快速發展有重要意義.