濱州西部地?zé)豳Y源計(jì)算與評價(jià)研究

彭凱，趙振華，房浩

(1.山東省地礦工程勘察院，山東濟(jì)南250014;2中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京100081;3北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院 北京100875)

地?zé)豳Y源是指儲存于地下、具有一定質(zhì)量和數(shù)量、可供開發(fā)利用的地?zé)崮芎偷責(zé)崃黧w［1］。地?zé)崮芤呀?jīng)在全球60多個國家得到直接利用，并顯現(xiàn)出較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。不過，地?zé)岬暮侠黹_發(fā)必須建立在對其資源量和分布規(guī)律的科學(xué)評價(jià)基礎(chǔ)上［2-6］。

濱州市是山東省重要的糧棉產(chǎn)地和勝利油田的重要開發(fā)區(qū)。近年來隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗大幅增加，能源和環(huán)保問題日益突出。為進(jìn)一步加快經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐，培養(yǎng)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，大力開發(fā)地?zé)嵝履茉磩菰诒匦?。研究區(qū)地處東營凹陷西部，二十世紀(jì)六十年代以來，勝利油田施工了大量石油地質(zhì)勘探孔，部分鉆孔鉆遇了地下熱水，從區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件分析，工作區(qū)具備地?zé)嵝纬傻?/p>

基本條件。然而地下熱水作為一種礦產(chǎn)資源，不能無序地進(jìn)行開采，必須有規(guī)劃、按計(jì)劃進(jìn)行。為了合理的規(guī)劃和保護(hù)當(dāng)?shù)氐牡責(zé)豳Y源必須查明濱州西部城區(qū)的地?zé)豳Y源情況。

1 國內(nèi)外地?zé)豳Y源研究概況

隨著環(huán)境壓力的增加，加上碳匯等因素，地?zé)嶙鳛榍鍧嵞茉?，使得其市場開發(fā)變得活躍起來。全世界地?zé)醿α?.45×1026J，目前已有110個國家在開發(fā)利用，并以12.8%的速度在遞增。全球地?zé)嶂苯永每傃b機(jī)容量和年產(chǎn)能分別為5.058×107kW 和 4.38 ×1014kJ/a，其年均增長幅度分別達(dá)到12%和9.9%。地?zé)崂靡呀?jīng)有許多年歷史，直到1904年意大利才開始利用地?zé)岚l(fā)電。目前，國內(nèi)外一些地質(zhì)學(xué)家開始重視沉積盆地內(nèi)地?zé)崽锏难芯?，國外地質(zhì)學(xué)家也對沉積盆地型地?zé)崽锏某练e特征進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。世界各國對地?zé)豳Y源的開發(fā)利用己取得很大進(jìn)展。2010年4月，在印尼舉辦的“世界地?zé)岽髸敝羞_(dá)成共識，認(rèn)為地?zé)嵯到y(tǒng)資源分布廣泛、開發(fā)潛能巨大。我國地?zé)豳Y源的開發(fā)利用已有上千年的歷史，但是較大規(guī)模的開發(fā)利用則是近30年的事。我國是世界上地?zé)豳Y源豐富的國家之一，儲量居全球第二，其分布主要集中在東部沿海各省和西南部的西藏自治區(qū)、云南省西部及四川省西部等地，形成了分別屬于環(huán)太平洋地?zé)釒Ш筒氐岬責(zé)釒У膬蓚€地?zé)釒?。在地?zé)豳Y源的定量評價(jià)方面，前人也做了很多的研究，現(xiàn)有的研究方法主要有:體積法、熱流量法、類比法、巖體熱平衡法、平面裂隙法、蒙特卡羅法等方法。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究地區(qū)構(gòu)造

研究區(qū)為黃河沖積平原，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。在大地構(gòu)造單元上位于華北地臺(Ⅰ)、華北斷陷盆地(Ⅱ級)、濟(jì)陽拗陷區(qū)(Ⅲ)中部之東營凹陷(Ⅳ)西緣。經(jīng)歷燕山運(yùn)動后，區(qū)內(nèi)發(fā)育了一系列NE、NWW及近EW向繼承性的張性大斷裂，內(nèi)部沉降開始，出現(xiàn)了以侏羅系和白堊系下統(tǒng)為主的盆地碎屑沉積。新近紀(jì)時(shí)期，研究區(qū)處于強(qiáng)烈的拉張作用下，斷裂活動強(qiáng)烈，發(fā)生了大規(guī)模的不均一的斷陷活動，又形成一系列凹陷與凸起。

2.2 主要熱儲層

研究區(qū)為魯北地?zé)崽锏囊徊糠?，屬于層控?-孔隙裂隙亞型地?zé)豳Y源，熱水賦存于新生界砂巖中，溫度相對較高、水量大、水質(zhì)好，是地?zé)衢_發(fā)的良好地段。新近系館陶組和古近系東營組是區(qū)內(nèi)的兩個主要熱儲層。

2.2.1 新近系館陶組碎屑巖孔隙含水巖組(N1g)

工作區(qū)館陶組底板埋深1 150～1 500 m，該組厚度一般在150～450 m。恒溫層深度為20 m，恒溫層地溫一般在14.0～15.0℃，地溫梯度一般在 3.5 ～4.5℃ /100 m;據(jù)推算，館陶組地溫平均值56.5℃。另據(jù)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)資料，孔隙度30% ～36%，滲透率1.0～1.4μm2，水化學(xué)類型為 Cl-Na型，礦化度一般在9.89g/L。

2.2.2 古近系東營組碎屑巖孔隙裂隙含水巖組(E3d)

東營組頂板埋深1 150～1 500 m，底板埋深1 300～1 700 m，厚度一般200～300 m，推測熱儲平均溫度63.5℃，且區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)缺失東營組一段，其二段或三段與上部館陶組熱儲直接接觸。據(jù)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)資料，孔隙度28% ～32%，滲透率0.9～1.2 μm2。

3 地?zé)豳Y源計(jì)算與評價(jià)

3.1 熱儲概念模型的建立

區(qū)內(nèi)新近系館陶組熱儲層和古近系東營組熱儲層均為層控型熱儲，呈層狀分布，巖性厚度比較穩(wěn)定。其熱儲概念模型可描述如下:

1)熱源及通道

研究區(qū)主要的熱源為地殼深部的傳導(dǎo)熱流，局部存在沿深大斷裂的對流型熱源。工作區(qū)內(nèi)較大的斷裂為惠民斷裂。經(jīng)歷過燕山運(yùn)動之后工作區(qū)為一種在新生界地層掩蓋下基巖結(jié)構(gòu)呈凸凹相間配置的構(gòu)造格局，這種格局溝通了熱儲層與熱源的聯(lián)系，成為熱源及水的較好通道(見圖1);

2)熱儲層

館陶組、東營組均為均質(zhì)、各向同性、水平展布的熱儲層;

3)蓋層

館陶組和東營組熱儲層的蓋層為上覆的第四系松散和新近系明化鎮(zhèn)組，蓋層巖性由沉積巖、泥巖及砂巖組成，為良好的隔熱保溫層;

4)底板

工作區(qū)內(nèi)古近系沙河街組泥巖構(gòu)成熱儲底板，巖性主要為泥巖、頁巖及砂巖，厚度一般在1 200～2 000 m;

5)補(bǔ)給水源

研究區(qū)地?zé)崴膩碓礊榇髿饨邓＝邓霛B后，一部分沿?cái)嗔褞Щ驇r層孔隙向深部運(yùn)移，經(jīng)過緩慢的循環(huán)交替徑流運(yùn)動后被圍巖加熱，形成地?zé)崴?/p>

圖1 熱儲概念模型

3.2 評價(jià)方法及原則

研究區(qū)地?zé)豳Y源評價(jià)的對象為館陶組和東營組等具有一定開發(fā)利用價(jià)值的層狀熱儲，對成熱條件差的地段不予評價(jià)，且評價(jià)不考慮動態(tài)補(bǔ)給。評價(jià)內(nèi)容包括:地?zé)豳Y源量和可利用地?zé)豳Y源量、地下熱水儲存量和地下熱水可采資源量，評價(jià)開采年限為100a。根據(jù)現(xiàn)有的方法選擇的評價(jià)方法為:采用熱儲法計(jì)算地?zé)豳Y源量，采用回收率法計(jì)算可利用地?zé)豳Y源量，采用體積法計(jì)算地下熱水儲存量，采用水熱均衡法和開采強(qiáng)度法計(jì)算地下熱水可采資源量。

3.3 主要參數(shù)選擇

對于熱儲層的參數(shù)、巖石和水的物理參數(shù)以及熱儲層內(nèi)地下水動力參數(shù)，則根據(jù)區(qū)內(nèi)前人勘探資料及本次勘察成果分析計(jì)算和直接確定。具體數(shù)值(見表1)。

表1 主要參數(shù)值

3.4 熱儲層地?zé)嵩u價(jià)計(jì)算結(jié)果討論

傳統(tǒng)的地?zé)豳Y源評價(jià)一般采用熱儲法。熱儲法是直接對熱儲能力進(jìn)行估算，參與計(jì)算的儲量為地下水靜儲量，而地?zé)崃黧w具有流動性和可再生性，按地下水井流公式計(jì)算更適合確定地?zé)崃黧w的可采儲量(岳正喜等，2007)。因此，按照《供水水文地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB50027-2001)的條文說明關(guān)于承壓水體積的論述，承壓水的儲存量可分為容積儲存量和彈性儲存量。按照地下水動力學(xué)中關(guān)于有弱透水層彈性釋水補(bǔ)給和越流補(bǔ)給的完整井流理論，在層狀含水層分布區(qū)一個含水層常被弱透水層覆蓋或下伏有弱透水層，形成雙層或多層結(jié)構(gòu)的含水層組。從含水層中抽水時(shí)，會引起弱透水層彈性釋水補(bǔ)給抽水含水層。當(dāng)弱透水層厚度較大時(shí)這種補(bǔ)給相當(dāng)大，不能忽略不計(jì)(郭祥旭等，2010)，本次工作采用熱儲法和體積法對地?zé)豳Y源進(jìn)行計(jì)算。

3.4.1 地?zé)豳Y源量計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，區(qū)內(nèi)館陶組地?zé)豳Y源總量為4.98×1018J，東營組地?zé)豳Y源總量為1.41×1018J。若煤的熱值按29.3×106J/kg計(jì)算，則館陶組可利用地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤16 996.4萬噸，東營組可利用地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤4 914.68萬噸。熱儲層地?zé)豳Y源量不可能全部被開采利用，只能開采一部分，二者比值稱為采收率。此次評價(jià)中，采收率采用25%，經(jīng)計(jì)算館陶組可利用地?zé)豳Y源量為1.245×1018J;東營組可利用地?zé)豳Y源量為3.60×1017J。則館陶組可利用地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤4 249.1萬噸，東營組可利用地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 228.67萬噸。

3.4.2 地下熱水資源量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)區(qū)內(nèi)館陶組、東營組熱儲層的埋藏條件、水力性質(zhì)，對熱儲層熱水總儲存量和可開采儲存量分別進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示:區(qū)內(nèi)館陶組地下熱水總儲存量為12.87×108m3，其中容積儲存量12.57×108m3，彈性儲存量0.30×108m3;區(qū)內(nèi)東營組地下熱水總儲量為29.64×108m3，其中容積儲存量29.22×108m3，彈性儲存量0.42 ×108m3。

地下熱水可采資源量是最具實(shí)用價(jià)值的資源量，本次利用開采試驗(yàn)資料及鄰近東營城區(qū)資料及前述有關(guān)參數(shù)，采用水熱均衡法和開采強(qiáng)度法分別對館陶組和東營組熱儲可采資源量進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算對比，布井原則應(yīng)以能最大限度地開采可采資源量和目前及將來開采技術(shù)條件能達(dá)到為原則;再根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件和人文地理?xiàng)l件及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，分析研究認(rèn)為濱州市西部城區(qū)地?zé)崽镳^陶組布井?dāng)?shù)15眼，布井間距為3 720 m，可采地?zé)豳Y源量為25 200 m3/d，100年末降深126 m;東營組布井?dāng)?shù)27眼，布井間距為2 773 m，可采地?zé)豳Y源量為32 173.2 m3/d，100年末降深148 m。濱州市西部城區(qū)地?zé)崽锟偟目刹少Y源量為57 373.2 m3/d。

4 結(jié)語

(1)區(qū)內(nèi)館陶組頂界埋深900～1 200 m，底界埋深1 150～1 500 m，地層厚度150～450 m，平均溫度56.5℃;東營組頂界埋深1 150～1 500 m，底界埋深1 200～1 700 m，地層厚度200～300 m，平均溫度63.5℃。

(2)館陶組:熱儲法計(jì)算的地?zé)豳Y源總量為4.98×1018J，可利用地?zé)豳Y源量為1.245×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤4249.1萬噸。地下熱水總儲存量為12.87×108m3，其中容積儲存量12.57×108m3，彈性儲存量0.30×108m3?？刹少Y源量為25200 m3/d，開采期限100年，降深126 m。東營組:熱儲法計(jì)算的地?zé)豳Y源總量為1.41×1018J，可利用地?zé)豳Y源量為3.60×1017J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1228.67萬噸。地下熱水總儲量為29.64×108m3，其中容積儲存量29.22×108m3，彈性儲存量0.42×108m3?？刹少Y源量為32173.2 m3/d，開采期限100年，降深148 m。區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源蘊(yùn)藏豐富且資源潛力大。

(3)本文加強(qiáng)了地面沉降的研究，以取得評價(jià)沉降的可靠數(shù)據(jù)，防止因盲目開采地下熱水引發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題。

(4)通過濱州西部的水文地質(zhì)條件的分析，建立熱儲概念模型，并計(jì)算其地?zé)豳Y源量，為以后類似的層控型熱儲的分析、計(jì)算與評價(jià)提供了參考依據(jù)。

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