低碳化發(fā)展已成為全球共識,具有綠色、清潔、穩定優(yōu)勢的地熱資源受到高度重視,全球接近50%的國家已將地熱運用于發(fā)電和供暖中。地熱資源根據不同埋深可分為淺層地熱資源(地球淺表200 m以?xún)?溫度低于25℃);中深層地熱(深度介于200~3 000 m,溫度介于 25~150℃);深層(3 000 m以深,溫度高于150℃)。其中, 中國中深層地熱能可采資源量折合標準煤1 8.65×108t,主要分布于沉積盆地、東南沿海和隆起山區,開(kāi)發(fā)潛力大。地熱資源的高效開(kāi)發(fā)利用有助于改善能源結構,減少碳排放,助力實(shí)現“碳中和”“碳達峰”戰略目標。

河南省地熱資源豐富,主要以沉積盆地傳導型為主。 對于地熱清潔供暖項目的應用試點(diǎn),目前已在安陽(yáng)等多地區開(kāi)展,效果顯著(zhù)。開(kāi)封市擁有占全省12.32%的地熱資源可開(kāi)采量,是下一步資源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)區。

1地熱儲層地質(zhì)及溫度場(chǎng)分布特征

1.1儲層地質(zhì)特征

該研究區塊祥符區處于開(kāi)封凹陷區東部與通許凸起區北部,由圖1可以看出,鄭州—蘭考斷裂以北位于開(kāi)封凹陷區,斷裂以南位于通許凸起區。

1.2溫度場(chǎng)特征

1.2.1熱儲垂向分布特征

祥符區熱儲溫度場(chǎng)垂向上分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶3部分。增溫帶熱儲溫度場(chǎng)分布特征采用地溫梯度表示,通過(guò)式(1)對祥符區熱儲的地溫梯度進(jìn)行計算。根據開(kāi)封及周邊以往地熱井資料分析,區內地溫梯度隨深度的變化規律如圖2所示。

式中:G_T為地溫梯度,單位℃/hm;t為鉆孔取水段水溫,單位℃;t₀為恒溫帶溫度,單位℃,取值15.9℃;h為鉆孔取水段平均埋深,單位m;h₀為恒溫帶埋深,單位m,取值20 m。

祥符區增溫帶熱儲溫度在垂向上的變化特征為:①深度介于300~<800 m為溫水,平均水溫介于3 1.96~42.01℃; ②深度介于800~<1 300 m為溫熱水,平均水溫介于 48.70~65.25℃;③深度為1 300 m以深為熱水,其中深度介于1 300~<1 600 m平均水溫為65℃左右;深度介于1 600~<2 200 m平均水溫可達75℃。2 200 m以深為古近系熱儲,主要分布在祥符區中北部開(kāi)封凹陷區內, 厚度大于1 000 m,預計溫度可達90℃以上,但根據上述關(guān)于區內熱儲層特征描述部分可知古近系熱儲地熱條件較差,熱儲溫度計算公式如下：

式中:T為熱儲溫度,單位℃;d為熱儲埋藏深度,單位m;hc為常溫帶埋藏深度,單位m;t c 為常溫帶溫度,單位℃。

1.2.2深層熱儲溫度平面分布

深層溫度平面分布特征采用熱流值進(jìn)行描述,通過(guò)式(3)計算發(fā)現,開(kāi)封市祥符區熱流值約為57.782 mW/m2, 開(kāi)封市祥符區周邊區域地表熱流值平面情況見(jiàn)圖3,可見(jiàn)高地表熱流值位于祥符區周邊附近,與淺層熱儲溫度分布特征基本一致,該現象也反映出祥符區在區域上地熱賦存條件相對更好。

式中:q為地表熱流值,單位mW/m2;λ為測溫度井段圍巖中熱儲層的熱導率,單位W/(m·K);θ為地溫梯度,單位℃/hm,取平均值3.24;λ'、λ″分別為砂巖、黏土層的熱導率,單位W/(m·K);β為熱儲層的砂巖層比(即砂層總厚度與熱儲層總厚度之比)。

熱儲層砂巖層比和熱導率如表1所示,開(kāi)封市周邊地溫梯度約為3.42℃/hm。開(kāi)封市周邊為整個(gè)開(kāi)封凹陷區地溫梯度最高區域,向東西兩側地溫梯度呈現明顯降低趨勢。此外,高地表熱流值位于祥符區附近,與淺層熱儲溫度分布特征基本一致,這也反映出祥符區在區域上地熱賦存條件相對更好。1 000 m深度處,開(kāi)封地區熱儲溫度大于48℃,最高溫度為53.69℃,平均溫度為48.47℃。

1.2.3熱儲溫度分布的影響因素分析

祥符區位于開(kāi)封凹陷與通許凸起2個(gè)構造單元,2個(gè)構造單元內熱儲層巖性差異不大,蓋層條件也基本一致。 總體上看,熱儲溫度平面分布差異主要受構造體系、熱儲層基底(基巖)埋深、地下水活動(dòng)和蓋層厚度的影響較大。

祥符區附近受多種構造體系的影響,熱水一方面通過(guò)蓋層的孔隙和細小裂隙極其緩慢地向上滲透,另一方面其熱量亦不斷向周?chē)鷰r層傳導,容易形成熱儲溫度偏高的異常區。

地下水活動(dòng)對地熱運移和分布的影響主要表現在兩方面:一是在開(kāi)封凹陷區邊緣地帶形成了低溫帶,而凹陷區中心同深度的熱儲溫度較邊緣偏高;二是古近系及以下地層中深部熱水通過(guò)斷裂和裂隙向上施加的影響,構造越發(fā)育,新近系地層熱儲溫度也越高。巖性結構是影響熱儲溫度及地溫梯度在縱向上變化的重要因素之一。祥符區內地熱儲層的蓋層平均厚度約為300 m,黏土層總厚度約占蓋層總厚度的60%,隔熱性能較好,有利于熱儲層的保溫作用。

1.3地熱成因及熱儲類(lèi)型

地熱系統的成因模式有傳導型和對流型2種。根據上述區域地溫場(chǎng)分布影響分析可知,祥符區地熱成因是傳導和對流雙重影響的結果。祥符區內新近系地熱系統的成因模式為傳導-對流-傳導。一般來(lái)說(shuō),對流型地熱系統的地溫梯度大于4℃/hm,而祥符區所處開(kāi)封凹陷區與通許凸起區內地溫梯度均小于4℃/hm,因此祥符區內地熱系統成因機制中傳導起主要作用,而對流因素對區域熱儲溫度分布的不均一性有重要影響。

祥符區中北部開(kāi)封凹陷區內新生代以來(lái)地殼下沉, 沉積物厚超過(guò)3 000 m,其南部通許凸起區內缺失古近系,新生界厚度約2 000 m。在這種環(huán)境下,祥符區地熱類(lèi)型主要為沉積盆地型與斷裂構造型熱儲。

2熱儲流體特征

2.1地熱流體化學(xué)類(lèi)型

祥符區熱儲縱向上由于溫度差異主要包含溫水層(深度介于300~<800 m)、溫熱水儲層(深度介于 800~<1 300 m)、熱水儲層(深度為1 300 m以下),不同熱儲層位地熱流體表現出不同的化學(xué)類(lèi)型,溫水儲層的水屬弱堿性水,pH值一般介于7.6~8.3;溫熱水儲層的水屬弱堿性水,pH值一般介于7.4~8.1;熱水儲層pH值約 8.2,屬弱堿性水。而祥符區西羌寨北部2 004 m深KR2 地熱井水質(zhì)化驗結果分析可知,祥符區通許凸起區內該層地熱流體水化學(xué)類(lèi)型為Cl—Ca·Mg型,pH值約6.89, 屬弱酸性水。

2.2地熱流體化學(xué)組分分布特征

祥符區所處開(kāi)封凹陷區內熱儲層深度介于 300~<800 m、800~<1 300 m層位水化學(xué)類(lèi)型以 HCO3—Na型為主,1 300 m以深層位水化學(xué)類(lèi)型以Cl—Na 型、Cl—Ca·Mg型為主。深度介于300~1 300 m水化學(xué)類(lèi)型為HCO3—Na型水,1 300 m以深主要為Cl—Na型、 Cl—Ca·Mg型水,且隔水層良好。另外,在1 300 m以深熱儲中水化學(xué)成分有以下特點(diǎn):①祥符區城區附近Na+、 K+離子含量由406 mg/L向下增大至1 668 mg/L,祥符區西南西羌寨附近Na+、K +離子總含量降低至1 15 mg/L,而 HCO3-離子含量由572 mg/L向下下降到305 mg/L;②溶解性自上而下增大,由721 mg/L上升至10 400 mg/L,含鹽量顯著(zhù)上升,水質(zhì)由淡水變?yōu)橄趟?③地熱流體上部總硬度32 mg/L,屬極軟水,下部總硬度增加到5 354 mg/L,屬特硬水。地熱流體化學(xué)組分空間分布見(jiàn)圖4。

2.3地熱流體同位素特征

開(kāi)封凹陷區內大氣降水和地熱流體的同位素分析成果值如表2所示。由表1和表2可以看出,位置相近的地熱井隨著(zhù)熱儲層埋深增加,地熱流體年齡也在增大;各熱儲層地熱流體年齡的差異表明各熱儲層間相互之間無(wú)明顯的水力聯(lián)系。

3地熱資源開(kāi)發(fā)及回灌潛力

3.1區塊地熱資源特征

開(kāi)封市祥符區位于開(kāi)封凹陷區與通許凸起區2個(gè)地質(zhì)構造單元,根據區域地層、構造發(fā)育以及周邊地熱井鉆探資料,祥符區可劃分為2個(gè)熱儲分區。Ⅰ區位于開(kāi)封凹陷區(面積677 km2),Ⅱ區位于通許凸起區(面積 576 km2)。Ⅰ區垂向上可劃分為3個(gè)熱儲層,分別為新近系明化鎮組熱儲、館陶組熱儲、古近系熱儲;Ⅱ區垂向上可劃分為2個(gè)熱儲層,分別為新近系明化鎮組熱儲與館陶組熱儲。

3.2地熱資源量評估

祥符區地熱流體可開(kāi)采總量為9.39×108m³(日開(kāi)采量為25 703 m³)。其中溫水儲層地熱流體可開(kāi)采量為6.89×108m³(日開(kāi)采量為1 8 853 m³);溫熱水儲層地熱流體可開(kāi)采量為2.06×108m³(日開(kāi)采量為5 65 1 m³);熱水儲層地熱流體可開(kāi)采量為0.44×108m³(日開(kāi)采量為1 199 m³)。地熱流體可開(kāi)采資源所含熱量計算結果見(jiàn)表3所示,地熱流體可開(kāi)采資源所含熱量計算公式如下

式中:Qc為地熱流體允許開(kāi)采資源量,單位m3;μ為熱儲彈性釋水系數;A為熱儲面積,單位m2;Sm ax 為最大允許降深,單位m;P為地熱流體可開(kāi)采資源量之所含熱量,單位J;ρw為地熱流體密度,單位kg/m3;c w 為地熱流體比熱容,單位J/(kg·℃);T為熱儲平均溫度,單位℃;t0為恒溫帶溫度,單位℃。

3.3回灌潛力及開(kāi)發(fā)利用前景

3.3.1回灌條件下地熱流體可開(kāi)采量

對于盆地型地熱田,根據熱量平衡原理,其計算公式如下:

Q 式中:R為回灌條件下地熱井對熱儲的影響半徑,單位 m;α為巖石的溫度系數;β1為回灌率,根據本次先導性地熱井回灌試驗,回灌率為100%;δ為熱儲溫度下降2℃減少的熱儲存量的比例;M為熱儲平均有效厚度,單位m; t為時(shí)間,單位d,取值為36 500 d;th為回灌溫度,單位℃,取25℃;tr為熱儲溫度,單位℃;t 0 為恒溫帶溫度,單位℃, 取15.9℃;Qh為回灌量,單位m3/d;Q為地熱井產(chǎn)量,單位m3/d,該次計算按1 920 m³/d;Qa為回灌條件下允許開(kāi)采量,單位m3/d;f為水比熱容與熱儲熱容的比值?；毓鄺l件下祥符區地熱流體可開(kāi)采總量為36.07×10⁹m³(日開(kāi)采量為988 286 m³)。其中,溫水儲層地熱流體可開(kāi)采量為21.98×10⁹m³(日開(kāi)采量為602 256 m³);溫熱水儲層地熱流體可開(kāi)采量為8.93×10⁹m³(日開(kāi)采量為 244 6 15 m³);熱水儲層地熱流體可開(kāi)采量為5.16×10⁹m(日開(kāi)采量為141 415 m³)?；毓鄺l件下祥符區地熱能可開(kāi)采總量為4.89×10¹⁸J,折合標準煤為16 680×10⁴t,其中溫水儲層可利用熱量為2.09×10¹⁸J,折合標準煤為 7 130×10⁴t,供熱能力為15 906 MW;溫熱水儲層可利用熱量為1.38×10¹⁸J,折合標準煤為4 7 10×10⁴t,供熱能力為10 502 MW;熱水儲層可利用熱量1.42×10¹⁸J,折合標準煤為4 840×10⁴t,供熱能力為10 807 MW,見(jiàn)表4。

3.3.2熱儲開(kāi)發(fā)利用前景

祥符區新生界熱儲地熱流體推斷無(wú)回灌條件下地熱流體可開(kāi)采總量為9.39×10⁸m³(日開(kāi)采量為2.57×10⁴m³, 可開(kāi)采熱量為10.96×10¹⁶J),折合標準煤為3.75×10⁶t,供熱能力為34.79 MW。完全回灌條件下推斷可采地熱流體總量為36.07×109m³(日開(kāi)采量為988 286m³),可開(kāi)采熱量為4.89×10¹⁸J,折合標準煤為16 680×10⁴t,供熱能力為37 215 MW,開(kāi)采潛力巨大。

4結論

1)祥符區具有顯著(zhù)的地熱資源開(kāi)發(fā)潛力。無(wú)回灌條件下,地熱資源有限,總量為9 390×104m 3,完全回灌條件下,可開(kāi)采量顯著(zhù)增加,顯示出巨大的開(kāi)發(fā)潛力。

2)祥符區的地熱資源受地質(zhì)構造和溫度場(chǎng)分布的影響較大。祥符區附近的熱儲層溫度較高,地質(zhì)條件優(yōu)越,適宜進(jìn)行地熱資源開(kāi)發(fā)。

3)不同深度的熱儲層間水化學(xué)類(lèi)型存在明顯差異, 各熱儲層之間具有良好的隔層。這種特征有利于不同熱儲層的獨立開(kāi)發(fā)和利用,提高了地熱資源開(kāi)發(fā)的效率。