0 引言

地熱資源具有穩定、連續、利用效率高等優(yōu)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(kāi)展地熱資源勘查技術(shù)研究,鼓勵地熱資源開(kāi)發(fā)利用對于社會(huì )降低傳統能源依賴(lài)度,優(yōu)化我國能源結構,具有重大的現實(shí)意義。

函谷關(guān)具有悠久的歷史,是我國歷史上建置最早的關(guān)隘之一,同時(shí)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(guān)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(kāi)發(fā)利用潛力進(jìn)行了分析研究。本研究成果可為河南省新生界熱儲勘查開(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)理論依據。

1 地質(zhì)背景及地熱開(kāi)發(fā)現狀

1.1 地質(zhì)背景

研究區包含了整個(gè)靈寶市函谷關(guān)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(zhì)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(zhì)黏土及黏土為主,厚度約2 6 5.0 m。

研究區位于三門(mén)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(xiàn);②研究區外東部的靈寶—三門(mén)峽斷裂(F2),該斷裂為南傾正斷層,沿該斷裂有著(zhù)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(mén)峽斷裂(F2)交匯。

在新構造運動(dòng)方面,研究區以斷裂活動(dòng)和差異性升降為主,第四紀以來(lái),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(fā)育,表明地殼運動(dòng)的升降交替特征。

1.2 開(kāi)發(fā)利用現狀

靈寶市深層地熱開(kāi)發(fā)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(yáng)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(zhì)較好,但水溫偏低,不利于規?；?a href="http://www.yg06.cn/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(zhì)量問(wèn)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(mén)峽斷裂(F2)的控制下所形成,來(lái)自南部和東南部山區的基巖裂隙水在向深部循環(huán)過(guò)程中,經(jīng)圍巖增溫加熱,沿靈寶—三門(mén)峽斷裂(F2)和文底—宮前斷裂(F1)向盆地循環(huán)運動(dòng),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(jiàn)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(mén)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(lèi)型的熱儲層,即新近系和古近系層狀熱儲層,熱儲層布滿(mǎn)整個(gè)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(zhì)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(zhì)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(jiàn)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(jiàn),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(xiàn)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(guān),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(xué)類(lèi)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(xué)類(lèi)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(zhì)泥巖隔水層,阻隔了兩者之間的水力聯(lián)系。 通過(guò)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(wú)明顯的水力聯(lián)系。

3 地熱資源開(kāi)發(fā)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(shí)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(gè)熱儲層的富水性見(jiàn)表2。

3.2 地熱資源量評價(jià)

(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(lái)源為區外同層側向補給,開(kāi)采為主要排泄途徑,故在開(kāi)采時(shí),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(wú)明顯的水力聯(lián)系,但各熱儲層地熱流體與區外同層地熱流體的水力聯(lián)系密切,因此,將研究區新近系、古近系熱儲層概化為無(wú)越流補給、水平方向無(wú)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(jīng)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(kāi)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(kāi)采量進(jìn)行了計算。經(jīng)計算,新近系熱儲層中的地熱流體可開(kāi)采量為3.52×10⁶m³/a,古近系儲層中的地熱流體可開(kāi)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(kāi)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(lái)講,中、低溫地熱田在保證100年開(kāi)采年限條件下,地熱可開(kāi)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(kāi)采量所采出的熱量,進(jìn)行了地熱田產(chǎn)能計算,經(jīng)計算,研究區新近系、古近系熱儲層地熱流體可開(kāi)采熱能分別為10.8 MW、30.0 MW,地熱田地熱流體總開(kāi)采熱能為40.8 MW,為中型地熱田。

3.3 地熱資源開(kāi)發(fā)適宜性評價(jià)

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(kāi)發(fā)適宜性進(jìn)行評價(jià),評價(jià)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(kāi)發(fā);②地熱井地熱流體單位涌水量在5~50 m3/(d·m)為較適宜開(kāi)發(fā);③地熱井地熱流體單位涌水量<5 m3/(d·m)為不適宜開(kāi)發(fā)。根據此評價(jià)標準對研究區新近系、古近系熱儲層的地熱開(kāi)發(fā)適宜性進(jìn)行評價(jià),結果見(jiàn)表3。

由表3可知,區內熱儲層較適宜進(jìn)行地熱開(kāi)發(fā)。

4 地熱資源開(kāi)發(fā)利用評價(jià)

4.1 地熱資源開(kāi)發(fā)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(jià)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(jià)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(jià)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(jìn)行回灌。

4.2 地熱資源開(kāi)發(fā)利用經(jīng)濟性評價(jià)

一般依據地熱井的成井深度區別地熱資源開(kāi)采的經(jīng)濟性,成井深度<1000 m為最經(jīng)濟的,成井深度1000~3000 m為經(jīng)濟的,成井深度>3000 m時(shí)是有經(jīng)濟風(fēng)險的。

根據資料分析,研究區地熱井深度不超過(guò)2000 m便可獲得較高的溫度和較大的涌水量,同時(shí) 2000 m以淺的地層巖性主要以泥巖、砂質(zhì)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(jìn)行開(kāi)發(fā)具有良好的經(jīng)濟性。

4.3 地熱資源開(kāi)發(fā)利用規模評價(jià)

根據地熱流體質(zhì)量評價(jià),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(yè)溫室等,本次根據熱流體可采量及其產(chǎn)能,評價(jià)其可開(kāi)發(fā)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(wú)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(shí)際供暖中可采用熱泵技術(shù),實(shí)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(jīng)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(jīng)過(guò)處理可間接用于農業(yè)溫室及水產(chǎn)養殖。經(jīng)計算,研究區新近系熱儲層地熱流體供農業(yè)溫室面積為9.9 6×10⁴m²,水產(chǎn)養殖規?？蛇_到5.03×10⁵~7.03×10⁵m²/a;研究區古近系熱儲層地熱流體供農業(yè)溫室面積為2.6 5×10⁵m², 水產(chǎn)養殖規?？蛇_到8.24×10⁵~1.1 5×10⁶m²/a。

5 結論

研究區內地熱類(lèi)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(lèi)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(xué)特征存在較大差異,為相互獨立的熱儲層, 二者之間無(wú)明顯的水力聯(lián)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(kāi)采總量為9.2 9×105m3/d,地熱田地熱流體總開(kāi)采能熱為40.8 MW,為中型地熱田,各熱儲層較適宜進(jìn)行地熱開(kāi)發(fā)。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(yè)溫室等,并且開(kāi)發(fā)其地熱資源具有良好的經(jīng)濟性。