高中顯
(中石化勝利石油管理局有限公司 新能源開發(fā)中心,山東 東營 257000)
面對目前全球化石能源緊缺、溫室氣體大量排放、全球氣候變暖、大氣污染等嚴峻形勢,地熱資源以其分布廣、開發(fā)利用清潔、安全、穩(wěn)定、高效的獨特優(yōu)勢,逐漸引起了社會的廣泛關(guān)注[1]。山東省地層發(fā)育較齊全,除缺失奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系等地層外,其他均有出露??偟奶攸c是,魯西、魯北平原地區(qū)老地層均被第四系覆蓋;魯中南中低山丘陵地區(qū)地層發(fā)育較全,以太古代泰山群為結(jié)晶基底,古生界發(fā)育為特點;魯東低山丘陵地區(qū)以膠東群、粉子山群、蓬萊群為結(jié)晶基底,缺失古生界為特點[2]。由于山東地區(qū)地熱地質(zhì)條件復雜,對基巖熱儲的分布和可利用地熱資源的開發(fā)利用潛力研究較少,嚴重影響了地熱項目的發(fā)展規(guī)劃,主要表現(xiàn)在:①重點區(qū)塊地熱分布規(guī)律及富集程度不掌握;②基巖熱儲的地熱資源特征不夠明確;③地熱開發(fā)的有利目標區(qū)不清晰。這些問題導致在地熱資源勘探開發(fā)整體布局,以及具體地熱項目選址和建設(shè)過程中較為盲目,開發(fā)風險較大。在本研究中,將前新生界巖石地層中的熱儲稱為基巖熱儲,其中最重要的熱儲為寒武系—奧陶系碳酸鹽巖巖溶型。通過剖析區(qū)域內(nèi)基巖熱儲特征,優(yōu)選有利勘探開發(fā)選區(qū),針對目前面臨的問題提出今后區(qū)域內(nèi)基巖熱儲地熱資源的勘探開發(fā)建議。
研究區(qū)域內(nèi)最重要的基巖熱儲是有較大埋深的寒武系—奧陶系碳酸鹽巖地層中的巖溶熱儲。根據(jù)區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育的空間形態(tài)、孔隙類型及地熱流體在可溶巖中的賦存狀態(tài)等,并參考巖溶含水巖組的劃分方法,可將區(qū)內(nèi)巖溶熱儲劃分為兩種類型,即裂隙-巖溶熱儲和巖溶-裂隙熱儲。裂隙-巖溶熱儲主要賦存于古生代奧陶系中,熱儲巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙、溶孔、溶洞為主,構(gòu)造裂隙次之,空間上多呈層狀或似層狀分布,代表性巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云巖等;巖溶-裂隙熱儲主要賦存于下古生代寒武系中,巖溶形態(tài)類型以構(gòu)造裂隙、風化裂隙為主,空間上具層狀及層狀兼帶狀特征,代表性巖性為灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖與砂、頁巖互層等[3-4]。山東省巖溶熱儲類型除以上述兩種類型為主單獨存在外,區(qū)內(nèi)埋深 1 000 ~2 000 m巖溶熱儲類型大多與寒武系-奧陶系沉積順序一致,其上部以裂隙-巖溶為主,下部以巖溶-裂隙為主,分布面積較廣。
1.2.1 基巖巖溶熱儲埋藏分區(qū)
無論是裂隙-巖溶熱儲或巖溶-裂隙熱儲,其埋藏條件及熱儲特征主要受基底斷裂構(gòu)造及地層的控制,不同地層及構(gòu)造單元內(nèi)巖溶熱儲條件及特征差異較大。為深入研究不同構(gòu)造單元內(nèi)的巖溶熱儲特征,并進行對比分析,有必要對全省巖溶熱儲埋藏分布進行分區(qū)。
山東省巖溶熱儲主要賦存于寒武系-奧陶系可溶巖地層中,其地層邊界條件主要受斷裂構(gòu)造控制[5-6]。因此,本次巖溶熱儲埋藏分區(qū)主要根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、物探、鉆探、地熱井、熱儲層埋藏特征等特點進行劃分。其熱儲最大、最小埋深及熱儲邊界控制條件如下:(1)根據(jù)區(qū)內(nèi)正常地溫梯度推算,一般埋深在大于500 m深度內(nèi),熱儲溫度才能滿足地熱要求,對于部分巖溶-裂隙熱儲的地區(qū),熱儲主要受斷裂構(gòu)造控制,埋深小于500 m的熱儲溫度也很高,因此,本次研究的巖溶熱儲最小頂板埋深確定為500 m,主要針對一般裂隙-巖溶熱儲;(2)當前,地熱資源的開采深度一般都小于3 000 m,相關(guān)規(guī)范中也不對3 000 m以下的地熱資源進行計算。因此,本次基巖巖溶熱儲分區(qū)最大埋深取3 000 m;(3)本次研究基巖巖溶熱儲主要賦存在寒武系-奧陶系可溶巖地層中,其分布與寒武系-奧陶系地層分布基本一致,并受斷裂構(gòu)造控制。因此,本次基巖巖溶熱儲分區(qū)邊界主要根據(jù)寒武系-奧陶系地層埋藏分區(qū)線及斷裂構(gòu)造邊界線進行分區(qū)。
根據(jù)以上分區(qū)依據(jù)與原則,沿斷裂構(gòu)造單元邊界線及巖溶熱儲埋深線可將全省基巖巖溶熱儲劃分為埕子口-寧津隆起地熱區(qū)、沾化-車鎮(zhèn)拗陷地熱區(qū)、東營拗陷地熱區(qū)、惠民拗陷地熱區(qū)、臨清拗陷地熱區(qū)、泰山-沂山隆起地熱區(qū)、肥城-泰萊拗陷地熱區(qū)、大汶口-蒙陰拗陷地熱區(qū)、泗水-平邑拗陷地熱區(qū)、菏澤-兗州隆起地熱區(qū)、棗莊-韓莊拗陷地熱區(qū)、沂沭斷裂帶地熱區(qū)等 12 個地熱區(qū),共 51 個地熱亞區(qū),面積約 4.4×104km2(圖1)。
圖1 山東省基巖巖溶熱儲地熱分區(qū)圖
1.2.2 基巖巖溶熱儲埋深分布特征
山東省基巖巖溶熱儲垂向差異較大,其埋藏深度從數(shù)百米到數(shù)千米不等。熱儲基本特征如表 1,其埋深及地層厚度如圖 2所示。
魯西北拗陷地熱區(qū)內(nèi),除局部凸起區(qū)因遭受剝蝕缺失寒武-奧陶系地層外,全區(qū)基本都有巖溶熱儲分布。熱儲頂界面受基底構(gòu)造的控制起伏大,凸起區(qū)一般為1 000~3 000 m,凹陷區(qū)一般大于3 000 m,局部地區(qū)最深超過4 000 m。埋深3 000 m以淺的基巖巖溶熱儲主要分布在寧津凸起、義和莊凸起、陳家莊凸起、刁口凸起、青坨子凸起、廣饒凸起、老武城凸起、館陶凸起、高唐凸起區(qū)等地區(qū)。根據(jù)區(qū)域資料,該區(qū)基巖巖溶熱儲多屬潛山構(gòu)造,構(gòu)造單元多呈斷塊狀,熱儲類型以上部裂隙-巖溶、下部巖溶-裂隙型為主,在空間分布上具層狀特征。在同一構(gòu)造單元或不同構(gòu)造單元,基巖巖溶熱儲埋藏深度變化較大,其埋藏深度多表現(xiàn)為沿斷塊傾向越來越深的變化特點。
魯西隆起地熱區(qū)主要指齊廣斷裂以南、聊考斷裂以東、沂沭斷裂帶及其以西的地區(qū),包括魯西南潛隆起、魯中南及沂沭斷裂帶三個地熱區(qū)。在魯西南潛隆起、魯中南地熱區(qū),深部巖溶熱儲在空間上多具層狀及層狀兼帶狀特征。受斷裂構(gòu)造影響,熱儲構(gòu)造單元多以單斜斷塊為主,巖溶埋深差異明顯。魯西南潛隆起地熱區(qū)巖溶熱儲分布較廣,其埋深一般大于1 000 m;魯中南地熱區(qū)巖溶熱儲主要分布在山間盆地,盆地中央熱儲一般埋藏較深,其外圍埋藏較淺。本區(qū)總的變化特征是:由西向東和由北向南,埋藏深度越來越淺,其深度由數(shù)千米到數(shù)百數(shù);聊考-齊廣斷裂一帶,巖溶熱儲埋藏最深,一般大于2 000 m,且表現(xiàn)為離斷裂越遠,熱儲埋藏越淺;在鄆城-泗水-臨邑北一帶及曹縣-武城等凹陷區(qū),巖溶熱儲埋藏也較深,一般都在2 000~3 000 m,熱儲構(gòu)造單元多以單斜和向斜斷塊為主,其熱儲垂向埋藏特點多表現(xiàn)為沿向斜兩翼至軸部及單斜斷塊傾向方向,熱儲埋藏越來越深。除上述地區(qū)外,其他地區(qū)巖溶熱儲埋藏深度一般都在2 000 m以下,部分地區(qū)在500 m左右。
沂沭斷裂帶地熱區(qū)熱儲類型上部多以裂隙-巖溶、下部以巖溶-裂隙為主,在空間上具層狀兼帶狀特征。該區(qū)深層鉆孔資料較少,根據(jù)地震、物探及區(qū)域地質(zhì)資料,本區(qū)巖溶熱儲在中南部埋藏較淺,上履主要為侏羅-白堊系碎屑巖,巖溶熱儲頂板埋深一般都在500~1 000 m,北部濰坊一帶凹陷區(qū)埋藏深度為 1 000~3 000 m。銅井、松山一帶,巖溶熱儲在空間上具典型的帶狀熱儲特征,熱儲埋深較淺,一般小于500 m,上覆為銅井巖體覆蓋,熱儲分布面積較小。雖然區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)巖溶熱儲埋藏較小,但因其熱儲受斷裂與巖漿活動影響,其埋藏條件差異較大。
表1 不同地熱區(qū)基巖巖溶熱儲特征
區(qū)內(nèi)3 000 m以下的巖溶熱儲主要分布在魯西北、魯西南等凹陷區(qū),多呈片連續(xù)分布,分布面積較廣。3 000 m以上的巖溶熱儲主要分布在魯西北凸起、魯西南潛隆起及魯中南、沂沭斷裂帶等凹陷區(qū)。在魯西北拗陷區(qū),巖溶熱儲埋藏較深,平面上大多呈區(qū)塊狀不連續(xù)分布,熱儲條件差異大,地熱資源開發(fā)利用程度不高。在魯西南潛隆起區(qū),北部及中西部巖溶埋藏相對較深,本區(qū)平面上多為片狀分布,分布連續(xù)、廣泛,熱儲地熱地質(zhì)條件總體較好,地熱資源開發(fā)利用程度相對較高。在魯中南與沂沭斷裂帶地熱區(qū),由于受斷裂構(gòu)造及巖漿活動影響,巖溶熱儲多呈帶狀、點狀分布,分布面積相對較小,熱儲地熱地質(zhì)條件各地差異很大,總體條件較差,地熱資源勘探及開發(fā)利用程度也不高,部分地區(qū)以自流泉形式出現(xiàn)。
由于基巖熱儲埋藏深、地質(zhì)條件復雜、鉆探風險成本較高,導致過去區(qū)內(nèi)基巖地熱資源開發(fā)利程度不高。隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展,鉆探技術(shù)也有了很大的提高,山東省在區(qū)內(nèi)進行了廣泛的地熱資源普查和地熱井鉆探工作,施工地熱井4 眼,發(fā)現(xiàn)天然露頭溫泉顯示點4處(部分已不再自流),熱水現(xiàn)狀開采量超過317×104m3/a。
在魯西北地區(qū),巖溶熱儲埋藏較深,地表無地熱異常顯示,地熱資源的開發(fā)最早緣于20世紀70年代勝利油田的石油鉆探和煤田鉆探。在石油、煤炭勘探中,最先在東營孤島、沾化、聊城等地打出了水溫大于50 ℃的地熱井。近幾年,聊城又針對地熱開發(fā)施工了兩眼巖溶熱儲地熱井,水溫60~62 ℃,主要用于供暖、洗浴。沾化濱海地熱井水溫 39 ℃,主要用于洗浴、理療等。孤島地熱井水溫86 ℃,主要用于養(yǎng)殖、渡假等,現(xiàn)已停采。
在魯西南、魯中南等局部地區(qū),基巖地熱資源勘探及開發(fā)利用程度相對較高。目前,濟南北部地區(qū)(包括齊河)現(xiàn)有地熱井 10 余眼,主要分布在齊河開發(fā)區(qū)、桃園、鴨旺口、油坊趙等地,開采層位為奧陶系,水溫 33~57 ℃,主要用于供暖、洗浴、養(yǎng)殖等。菏澤現(xiàn)有地熱井約8眼,主要分布在菏澤、鄆城、鄄城、定陶、曹縣莊寨等地,水溫48~68 ℃,主要用于供暖。淄博現(xiàn)有地熱井 4眼,主要分布在淄博張店區(qū),水溫34~60 ℃,主要用于供暖、洗浴及其他生產(chǎn)與生活用水。臨沂市除銅井、松山等地熱井外,新施工的地熱井有 2 眼,主要位于臨沂市城區(qū)東北部,水溫 40~50 ℃,目前尚未開發(fā)利用。
雖然目前區(qū)內(nèi)巖溶熱儲地熱資源部分已用于礦泉水開發(fā)、地熱洗浴、理療、養(yǎng)殖等,但大部分地區(qū)熱水利用方式仍很單一,熱水排放溫度偏高,未實現(xiàn)地熱流體的綜合梯級開發(fā)利用[7-8]。部分地區(qū)利用技術(shù)、工藝及配套、設(shè)備不完善。
區(qū)內(nèi)巖溶熱儲地熱資源豐富,雖然局部地段巖溶熱儲地熱資源開發(fā)利用程度較高,但由于巖溶熱儲地質(zhì)條件復雜,加上技術(shù)條件的限制等多種原因,區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)巖溶地熱資源仍未得到開發(fā)利用[9-10]。特別是魯西北地區(qū),由于巖溶地熱資源埋藏較深,熱儲富水性不清,開采風險及難度大,其巖溶熱儲地熱流體開發(fā)利用程度很低。
因此,要充分合理的開發(fā)利用地熱資源,需要對區(qū)域內(nèi)的基巖熱儲地熱資源進行科學的優(yōu)選評價。
巖溶熱儲地熱資源開發(fā)利用條件的影響因素較多,且地熱資源開發(fā)利用條件優(yōu)劣等級界限以及影響因素的分級界限也存在不明確性,為減小人為因素的主觀影響,本研究中采用綜合指數(shù)法對區(qū)內(nèi)基巖熱儲地熱資源開發(fā)利用條件進行評價分區(qū)[11-12]。分區(qū)評價模型如下:
式中,P為綜合評價指數(shù);N為參與評價要素個數(shù);Wi為參與評價要素的權(quán)重;Pi為參與評價要素分值數(shù)。根據(jù)資源計算分區(qū)結(jié)果,將全省基巖熱儲分布區(qū)根據(jù)行政區(qū)劃分為71個評價單元,并利用各評價單元中因子的狀態(tài)參數(shù)得到組數(shù)Pi,隨后利用評價模型計算綜合評價指數(shù)P。
3.2.1 評價因子
選取對地熱資源勘探開發(fā)利用條件具有重要意義的地熱資源量(U1)、地熱資源豐(U2)、熱儲埋深(U3)、熱儲溫度(U4)、城鎮(zhèn)化程度(U5)作為評價因子。其中:
地熱資源量(U1):指評價區(qū)總地熱資源量,本次根據(jù)計算結(jié)果,將評價區(qū)中計算結(jié)果中最大的資源量值折算為 1,其余地區(qū)按折算為 0~1 之間的數(shù)值。地熱資源豐度(U2):指評價區(qū)單位面積的地熱資源量。本次根據(jù)計算結(jié)果,將評價區(qū)中計算結(jié)果中最大的資源豐度值折算為 1,其余地區(qū)按折算為 0~1 之間的數(shù)值。熱儲埋深(U3):指基巖熱儲頂板到地面的距離,本次根據(jù)巖溶熱儲埋深圖,確定其分值(表2)。
表2 熱儲埋深(U3)分值表
熱儲層溫度(U4):主要指熱儲的平均溫度,根據(jù)本次計算利用溫度,確定其分值(見表3)。
表3 熱儲層溫度(U4)分值表
城鎮(zhèn)化程度(U5):本次根據(jù)城市級別確定其分值(表4)。其中,地級市設(shè)為1分,縣級市為0.8分。
表4 城鎮(zhèn)化程度(U5)分值表
3.2.2 權(quán)重確定
根據(jù)參與評價因子在單因素中的貢獻和重要程度,按傅勒德三角形法確定其權(quán)重[12-13],各評價因子權(quán)重見表5。
表5 評價因子權(quán)重表
根據(jù)計算的各縣(市、區(qū))的P值,可以得到開發(fā)利用條件綜合指數(shù)直方圖(圖2)。依據(jù)直方圖的統(tǒng)計分析特征,從而確定區(qū)內(nèi)基巖熱儲地熱資源勘查開發(fā)利用的分區(qū)值,即開發(fā)利用條件好區(qū)P>0.8、開發(fā)利用條件較好區(qū) 0.7
圖2 綜合評價指數(shù)直方圖
根據(jù)以上評價方法及評價結(jié)果,山東省71個縣(市、區(qū))寒武系—奧陶系碳酸鹽巖基巖熱儲地熱資源勘探開發(fā)利用條件按優(yōu)劣程度可劃分為三類區(qū),即優(yōu)先區(qū)(Ⅰ類)、后備有利區(qū)(Ⅱ類)潛力區(qū)(Ⅲ類),其中排在前列的 13 個市(縣)綜合評價指數(shù)大于0.8,為有利區(qū);排在14~39 的 26 個縣(市、區(qū))綜合評價指數(shù)介于0.7和 0.8之間,為較有利區(qū),排在40~71的 32 個縣(市、區(qū))綜合評價指數(shù)小于0.7為一般區(qū)。
在開采條件評價分區(qū)基礎(chǔ)上,結(jié)合山東省基巖熱儲地熱資源的埋藏分布、熱儲條件、勘查研究程度、開發(fā)利用現(xiàn)狀及所處位置環(huán)境條件等因素進行區(qū)劃[14],其勘探與開發(fā)利用應(yīng)遵循如下原則:
(1)開采條件優(yōu)先原則。地熱資源形成條件的好壞是地熱資源開發(fā)的前提條件,地熱資源勘探開發(fā)利用分區(qū)首先應(yīng)考慮地熱資源的豐富程度和開采條件等因素。
(2)重點突出、循序漸進的原則。地熱資源勘查與開發(fā)利用應(yīng)有重點的分期分步進行,即首先應(yīng)對熱儲資源豐富、開采條件較好、開采價值高的地區(qū)進行先期勘查與開發(fā)利用,降低成本與投資風險。
(3)探采結(jié)合的原則。區(qū)內(nèi)巖溶熱儲地熱地質(zhì)條件復雜,各地差異較大,為有效節(jié)約成本,降低施工與投資風險,各地應(yīng)根據(jù)研究程度的不同有側(cè)重的采取探采結(jié)合的勘探開采方式。
(4)利用與保護相結(jié)合的原則。即區(qū)劃應(yīng)建立在地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀基礎(chǔ)之上,遵循生態(tài)良性循環(huán)與資源永續(xù)性利用相結(jié)合??碧介_發(fā)之初就要考慮是否能夠回灌。
Ⅰ類區(qū)主要分布在聊考斷裂以東、齊廣斷裂以南的菏澤、聊城、齊河、淄博一帶。該區(qū)熱儲巖溶發(fā)育條件較好,熱儲埋深 500~2 000 m,熱儲厚度 200~400 m。目前,區(qū)內(nèi)各縣、市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等局部地區(qū)及區(qū)域上進行過地熱資源調(diào)查(普查)工作,研究程度相對較高,其他地區(qū)特別是魯西北等局部地區(qū),巖溶熱儲勘探研究程度不高。區(qū)內(nèi)巖溶熱儲開發(fā)利用程度較其他地區(qū)高,以上調(diào)查區(qū)基本上均有地熱井,共計地熱井30余眼,顯示熱儲水溫33~86 ℃不等,地熱開發(fā)主要應(yīng)用于供暖、洗浴、醫(yī)療保健、娛樂、旅游、養(yǎng)殖等,取得了較好的社會經(jīng)濟效益。由于該區(qū)地熱資源主要以巖溶熱儲地熱資源為主,熱儲埋藏適中,厚度較大,溫度較高,巖溶較為發(fā)育,地熱資源豐富,且局部地區(qū)研究程度較高,社會經(jīng)濟條件較好,進行地熱資源勘查開發(fā)利用的成本與風險相對較小,因此可定為優(yōu)先勘查區(qū)。
Ⅱ類區(qū)主要分布在魯西北局部凸起區(qū)及魯中南區(qū)。
該區(qū)熱儲巖溶發(fā)育條件一般,熱儲埋深500~2 500 m不等,熱儲厚度150~300 m。目前,區(qū)內(nèi)各縣、市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等局部地區(qū)及區(qū)域上進行過地熱地質(zhì)調(diào)查(普查)工作,但全區(qū)總體勘探研究程度不高,特別是在沂沭斷裂帶及魯西北部分地區(qū),目前尚無鉆孔揭露巖溶地層資料,研究程很低。區(qū)內(nèi)巖溶熱儲地熱開發(fā)利用程度不高,儲水溫28~45 ℃,地熱開發(fā)主要應(yīng)用于洗浴、醫(yī)療保健、娛樂、旅游、養(yǎng)殖等行業(yè),取得了一定的社會經(jīng)濟效益。
Ⅲ類區(qū)主要分布在魯西北、魯西南和魯中南等局部凸起區(qū)頂部和凹陷邊緣地區(qū)。
該區(qū)熱儲巖溶發(fā)育條件較差,熱儲埋藏深度一般2 000~3 000 m 或小于1 000 m,熱儲厚度一般50~150 m。僅少數(shù)熱儲埋藏較淺的局部地區(qū)及區(qū)域上進行過地熱地質(zhì)調(diào)查(普查)工作,全區(qū)總體勘探研究程度很低,部分凹陷深埋區(qū)尚無鉆孔資料揭露。區(qū)內(nèi)巖溶熱儲地熱開發(fā)利用程度很低,地熱開發(fā)主要應(yīng)用洗浴、生產(chǎn)供水、養(yǎng)殖等。
(1)地熱資源的開發(fā)利用是目前能源行業(yè)內(nèi)的一個重要的研究應(yīng)用領(lǐng)域,山東地區(qū)雖地熱資源豐富,但目前針對基巖熱儲地熱資源的勘探開發(fā)工作仍存有不足,缺乏系統(tǒng)的資源評價研究。
(2)從基本熱儲分區(qū)及特征入手,全面分析研究區(qū)域內(nèi)12 個地熱區(qū),共 51 個地熱亞區(qū),面積約 4.4×104km2的基巖巖溶熱儲分布區(qū)的基本特征,為后續(xù)勘探開發(fā)有利區(qū)優(yōu)選研究提供基礎(chǔ)。通過總結(jié)研究區(qū)內(nèi)地熱資源的開發(fā)現(xiàn)狀,分析不足,發(fā)現(xiàn)問題。利用綜合指數(shù)法對研究區(qū)域內(nèi)的基巖熱儲資源進行了合理的評價優(yōu)選,建立了一套基于資源和市場條件的基巖地熱選區(qū)評價。利用評價指數(shù)將全省71個熱儲區(qū)域劃分為優(yōu)先區(qū)、后備有利區(qū)及潛力區(qū)3大類,為后續(xù)基巖熱儲地熱資源的勘探開發(fā)工作提供優(yōu)先級參考。最后,結(jié)合勘探開發(fā)選取評價研究,針對性的對不同分類選取提出相應(yīng)的開發(fā)建議。