沉積盆地中深層水熱型地?zé)豳Y源評價體系研究與應(yīng)用

劉國勇，趙忠新，任路，孟令箭

中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司

0 引言

地?zé)崮苁且环N綠色、低碳、可循環(huán)利用的清潔能源，具有儲量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等特點［1-3］。中國地?zé)豳Y源十分豐富，地?zé)崮芫C合利用前景廣闊［4-10］。根據(jù)國家地?zé)崮苤行牡谒膶弥笇?dǎo)委員會暨技術(shù)委員會統(tǒng)計結(jié)果，截至2020年底，全國地?zé)崮芄┡?、制冷面積達(dá) 13.9×108m2，相較2015年，地?zé)峁┡?、制冷面積提高了181.4%?！笆奈濉逼陂g中國地?zé)峁┡?、制冷面積還將翻一番。

目前，中深層水熱型地?zé)豳Y源開發(fā)已經(jīng)成為重點領(lǐng)域，2020年底地?zé)峁┡娣e達(dá)5.8×108m2。以河北曹妃甸為代表的砂巖孔隙型水熱型熱儲和以河北雄安為代表的灰?guī)r巖溶裂隙型水熱型熱儲地?zé)崮芄┡寻踩椒€(wěn)高效運行。河北曹妃甸地?zé)峁┡痉俄椖恳孕陆叼^陶組砂巖為主要儲層，2018年項目投產(chǎn)，為曹妃甸新城提供了 230×104m2用熱需求，并實現(xiàn)100%回灌，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5.4×104t，獲得良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益［11］。

中深層水熱型地?zé)豳Y源的開發(fā)利用是一項系統(tǒng)工程，項目開發(fā)涉及選項、立項、建設(shè)與運行等多個階段，每個階段都需要相應(yīng)的資源評價方法和結(jié)果來支撐。不同的地質(zhì)條件、研究階段及評價需求對地?zé)豳Y源評價方法提出了不同要求。從目前沉積盆地中深層水熱型地?zé)豳Y源評價體系來看，仍缺乏一套能夠支撐不同開發(fā)階段選區(qū)評價與生產(chǎn)實踐的綜合評價方法。

為了進(jìn)一步加強沉積盆地中深層水熱型地?zé)豳Y源評價的系統(tǒng)性、針對性、應(yīng)用性和實踐性，本文在參考已有相關(guān)資源評價方法的基礎(chǔ)上，針對不同階段的地?zé)衢_發(fā)情景，提出了一套沉積盆地中深層水熱型地?zé)豳Y源的評價體系，以期為沉積盆地中深層水熱型地?zé)豳Y源的綜合評價和勘探開發(fā)提供有效支撐。

1 地?zé)豳Y源評價現(xiàn)狀

地?zé)崮芾米鳛橘Y源開發(fā)類利用，需要在地?zé)犴椖块_展前期及開發(fā)過程中進(jìn)行資源評價，為科學(xué)合理開發(fā)打下基礎(chǔ)。目前，中國對水熱型地?zé)豳Y源主要以 DZ 40—1985《地?zé)豳Y源評價方法》、GB/T 11615—2010 《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》和 DZ/T 0331—2020《地?zé)豳Y源評價方法及估算規(guī)程》等為基礎(chǔ)編制的一批國家級、省市級資源勘查及評價規(guī)范作為評價標(biāo)準(zhǔn)。這些規(guī)范對地?zé)豳Y源評價的專業(yè)術(shù)語進(jìn)行了定義，針對地?zé)峥辈楣こ痰目刂瞥潭纫?、工作質(zhì)量、熱儲資源量、熱水資源量計算、資源級別等方面進(jìn)行了規(guī)范和定義，具備廣泛的指導(dǎo)意義。

同時，中國也有許多學(xué)者對地?zé)豳Y源評價進(jìn)行了較多的探討［12-15］。如：王社教等［13-14］強調(diào)要針對研究目標(biāo)的區(qū)域地質(zhì)背景、熱儲條件、水文地質(zhì)條件、資源量計算、關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行全面評價；張薇等［15］對中國沉積盆地型地?zé)豳Y源特征進(jìn)行了詳細(xì)描述，從基礎(chǔ)的大地構(gòu)造、沉積充填方面對地?zé)豳Y源進(jìn)行評價，并指出了有利的地?zé)崮芾脜^(qū)域。在資源評價方法方面，主要提出了隨機模擬法（蒙特卡洛法），計算不同概率下地?zé)崮苜Y源和地?zé)崴Y源；單元容積法，計算地?zé)豳Y源、水資源、可采資源、地?zé)豳Y源豐度，計算不同劃分單元的資源量；類比法，建立類比評價標(biāo)準(zhǔn)，類比評價相似單元的地?zé)豳Y源。雖然方法較多、進(jìn)展較大，但目前仍缺乏一套針對性的指導(dǎo)地?zé)衢_發(fā)選區(qū)、論證、建設(shè)和運營等不同情景、不同目的的地?zé)豳Y源評價體系。

2 地?zé)豳Y源評價體系研究與應(yīng)用

地?zé)犴椖繌尼j釀選擇到建設(shè)投運，一般要經(jīng)歷選區(qū)、立項、建設(shè)、運營4個階段，本文嘗試建立一套能夠解決不同開發(fā)階段存在問題的沉積盆地中深層水熱型地?zé)豳Y源評價體系，評價要素詳見表1。

表1 沉積盆地中深層水熱型地?zé)豳Y源評價要素

2.1 區(qū)域評價方法研究與應(yīng)用

2.1.1 區(qū)域評價目的

在項目建設(shè)之前的選擇階段，需要開展區(qū)域評價，確定項目是否能建設(shè)，解決目標(biāo)地區(qū)地?zé)豳Y源“有沒有”的問題，包括地?zé)岬刭|(zhì)背景、地?zé)豳Y源類型、地?zé)豳Y源潛力、地面需求等。

2.1.2 區(qū)域評價方法

從全國、盆地、坳陷、凹陷4個方面進(jìn)行全面系統(tǒng)定性評價。

首先，通過區(qū)域大地?zé)崃髦?、區(qū)域地溫梯度、區(qū)域地幔隆起幅度等全國區(qū)域性資料，明確宏觀地?zé)豳Y源分布規(guī)律與趨勢，確定宏觀地?zé)岱植加欣麉^(qū)。根據(jù)邱楠生等［16-17］的研究成果，中國高熱流地區(qū)和高地溫梯度區(qū)主要分布在兩類區(qū)域：一是青藏高原附近造山帶和華南山區(qū)，二是中國東部的斷陷盆地區(qū)。高原、丘陵區(qū)和中西部大型疊合盆地的大地?zé)崃髦岛偷販靥荻认鄬^低。

然后，在對地質(zhì)背景進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，開展盆地地?zé)豳Y源類型、區(qū)域儲蓋等初步的定性地質(zhì)分析，明確這些盆地的儲層性質(zhì)。如，通過全國區(qū)域資料分析，渤海灣盆地、南華北盆地、南黃海盆地、山西小型裂谷盆地群和渭河盆地等中國東部斷陷盆地大地?zé)崃髦递^高、地溫梯度較高、地幔隆起明顯、熱源充足，這些盆地是常規(guī)的水熱型砂巖熱儲或碳酸鹽巖熱儲，儲層規(guī)模大、分布廣泛、物性較好，且開發(fā)技術(shù)相對成熟，是地?zé)崮芟乱徊降闹攸c開發(fā)利用地區(qū)。

接下來，在確定盆地背景作為優(yōu)質(zhì)地?zé)崮芨患瘏^(qū)域后，即開展盆地內(nèi)各二級構(gòu)造單元的評價，確定有利的坳陷和隆起區(qū)。在這個階段主要是利用在各個盆地的油氣、水文勘探取得的地震、鉆井、測試資料，開展區(qū)域儲蓋組合等地質(zhì)條件對比分析。從生產(chǎn)實踐來看，一般隆起區(qū)沉積的帶狀熱儲地下水交替快，水量充足，有助于水流快速補給，因此巖溶裂隙型儲層水流補給速度及回灌能力要優(yōu)于砂巖型儲層。而砂巖地層具有較為穩(wěn)定的儲熱能力，其有效厚度、儲層物性、溫度及產(chǎn)水量是直接影響項目建設(shè)的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

最后，在二級構(gòu)造單元評價之后，需要對三級構(gòu)造單元，即坳陷內(nèi)的凹陷和凸起進(jìn)行進(jìn)一步的解剖，開展局部儲蓋分析（見表2）。將地下地?zé)釛l件與地面的用熱地區(qū)結(jié)合分析，明確地?zé)豳Y源好的地區(qū)是否適合進(jìn)行地?zé)衢_發(fā)；或者地面上有用熱需求，地下是否有地?zé)豳Y源，解決一個地區(qū)“有沒有”地?zé)豳Y源，能不能進(jìn)行地?zé)崃㈨椀膯栴}。

表2 “2+26”城市部分區(qū)域地?zé)嵩u價分類

2.1.3 區(qū)域評價應(yīng)用實踐

2017年環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》，提出了“京津冀大氣污染傳輸通道城市”并將其定義為“2+26”城市。這些城市處于中國第三階梯咽喉部位，屬于華北地區(qū)重工業(yè)城市，同時面臨環(huán)保和能源的雙重壓力，是下步地?zé)豳Y源開發(fā)建設(shè)的重點目標(biāo)區(qū)。針對“2+26”城市或部分區(qū)域，應(yīng)用區(qū)域評價方法，按照全國—盆地—坳陷—凹陷的步驟進(jìn)行區(qū)域評價。

實鉆資料顯示，沉積盆地型的層狀熱儲和帶狀熱儲沉積穩(wěn)定，蓋層厚度大，普遍較隆起山地型熱儲資源品質(zhì)更高。以河北省唐山市為例，唐山北部的燕山褶皺帶在3 204 m深度時，溫度為70 ℃［18］；唐山南部的渤海灣盆地，在2 200 m深度時，溫度超過 80 ℃，局部地區(qū)在 1 500 m深度時，溫度超過130 ℃［12］。盆地內(nèi)地?zé)豳Y源條件明顯好于山區(qū)。因此，將臨近熱源、儲層沉積穩(wěn)定且通道良好等條件下的傳統(tǒng)沉積盆地型地?zé)嵯到y(tǒng)定義為資源一類地區(qū)；處于山間盆地的局部具有優(yōu)質(zhì)地?zé)釛l件地區(qū)定義為二類地區(qū)；處于隆起山地，缺失蓋層，儲層沉積非均質(zhì)性強的地區(qū)定義為三類地區(qū)。

本文研究對象“2+26”重點城市中，有10座城市（或部分）位于東部斷陷盆地內(nèi)凹陷和凸起上，評價為一類地區(qū)，地?zé)豳Y源較優(yōu)；另外有4座城市（或部分）位于這些盆地之外，評價為二類地區(qū)，地?zé)豳Y源較好；部分城市或區(qū)域為三類地區(qū)，需進(jìn)一步深化評價。

2.2 重點評價方法研究與應(yīng)用

2.2.1 重點評價目的

在資源評價選區(qū)階段完成之后，需要針對目標(biāo)區(qū)開展進(jìn)一步的重點資源評價，以便確定目標(biāo)區(qū)是否有進(jìn)一步開展地?zé)犴椖坷玫目尚行?，明確地下資源“行不行”的問題。

2.2.2 重點評價方法

對一個地區(qū)地?zé)豳Y源的重點評價，應(yīng)該包括熱源、蓋層、儲層、水質(zhì)和熱傳輸通道等5個主要方面［19-23］。

2.2.2.1 評價指標(biāo)

（1）熱源

熱源是地?zé)崽锞蹮岢刹氐幕A(chǔ)條件［24］。熱源主要來自上地幔熱傳導(dǎo)、巖石放射性生熱以及局部火山活動等3個方面。板塊構(gòu)造與地表熱量之間的關(guān)系十分密切。地?zé)嵯到y(tǒng)的位置與特定的地質(zhì)背景有關(guān)，中國的地?zé)岬刭|(zhì)背景條件主要為伸展和擠壓兩種類型［1］。

在伸展環(huán)境中，地幔對流系統(tǒng)流向相反方向的發(fā)散端，并驅(qū)動地殼側(cè)向運移。在這個過程中，上涌地幔攜帶其熔化物形成熱的、年輕的、新的地殼，這些位置普遍存在較好的地?zé)嵯到y(tǒng)，是目前和將來很長一段時間內(nèi)地?zé)崮荛_發(fā)的主要目標(biāo)區(qū)。中國東部的地?zé)豳Y源富集區(qū)，如，渤海灣盆地、南華北盆地等幾個主要盆地構(gòu)造屬伸展環(huán)境，局部地殼變薄，減少了下伏地幔上的壓力，使熔化物得以上升。

在擠壓環(huán)境中，板塊聚集導(dǎo)致一個板塊俯沖到另一個板塊之下的區(qū)域，產(chǎn)生于這種環(huán)境的熔化物上升穿過地幔，最終像火山一樣噴發(fā)到仰沖板塊之上，這種火山系統(tǒng)長期活動，提供了持續(xù)熱源。中國西南部的擠壓特征明顯，如，西藏地區(qū)的喜馬拉雅地?zé)釒幱趤啔W板塊與印度洋板塊交界處，印度洋板塊不斷北移，擠壓導(dǎo)致熔化物形成，上升穿過地幔，形成地?zé)釒А?/p>

伸展和擠壓環(huán)境都是形成地?zé)釒У挠欣尘皸l件，西藏喜馬拉雅地?zé)釒Т蟮責(zé)崃髦灯毡樵?110 mW/m2以上［25］，東部主要盆地大地?zé)崃髦禐?0～70 mW/m2［26-28］。由此可見，擠壓環(huán)境能形成更高溫度的地?zé)釒?，而伸展環(huán)境能形成更大范圍的地?zé)釒А?/p>

巖樣測定表明，巖石導(dǎo)熱率大小與巖石埋深（層位）無關(guān)，而與巖石礦物組成、化學(xué)成分及巖石的致密程度有關(guān)。如，結(jié)晶基底的片麻巖、變質(zhì)巖和混合巖等，其導(dǎo)熱率在 2.27～3.66 W/（m·K）［29］；碳酸鹽巖的導(dǎo)熱率隨著白云石含量的減少和泥質(zhì)含量的增加而有規(guī)律地減少。

通常情況下，低熱導(dǎo)率巖層埋深越淺，地幔熱量傳導(dǎo)至熱儲層的過程中損耗就越小，儲層溫度相對較高，因此低熱導(dǎo)率巖層的埋深對熱源有較大控制作用［30-32］。中國華北地區(qū)低熱導(dǎo)率巖層有古生界碳酸鹽巖、元古界頁巖或太古界變質(zhì)巖，導(dǎo)熱率明顯高于新生界的砂泥巖地層，能夠有效將深部熱能向上傳導(dǎo)。同時，放射性衰變生熱也是形成局部異常高溫的重要因素［31-33］。研究表明，用于地?zé)釕?yīng)用的熱量約40%來源于地核早期形成時的余熱，剩余60%的熱量來源于長壽命放射性同位素［1］。

對于水熱型地?zé)豳Y源，地下水的逕流作用也是熱源之一。大氣降水經(jīng)過深循環(huán)吸取圍巖熱量并與圍巖發(fā)生水-巖相互作用，同位素組成、水化學(xué)成分發(fā)生改變，形成較高溫度的熱水［34］。

儲層的地溫梯度是各種因素綜合控制的結(jié)果，在地?zé)岬刭|(zhì)背景條件好、基巖埋深淺、熱源條件優(yōu)越的地區(qū)，地溫梯度通常高于3.6 ℃/100 m。根據(jù)實鉆數(shù)據(jù)，河北省唐山市馬頭營地區(qū)為沉積盆地背景下的局部隆起構(gòu)造，太古界基巖頂界埋深為1 200～1 500 m，上覆新生界儲層，同時存在上地幔熱源與元素衰變生熱，該地區(qū)地溫梯度普遍在5.0 ℃/100 m以上，最高達(dá)8.4 ℃/100 m。

（2）蓋層

蓋層是影響地?zé)豳Y源品質(zhì)的關(guān)鍵因素。蓋層作為位于儲層之上能夠有效封隔儲層、阻止深部熱源逸散的保護(hù)層，對于地?zé)岙惓У男纬捎兄黠@控制作用。

中國東部渤海灣盆地、南華北盆地等多個構(gòu)造單元內(nèi)地?zé)崽锏纳w層主要為新生界第四系松散堆積和新近系上段（明化鎮(zhèn)組）的砂泥巖，部分地區(qū)沉積元古界青白口系泥灰?guī)r。蓋層主要由松散堆積物、泥巖、砂泥巖、頁巖、板巖構(gòu)成，這些巖石導(dǎo)熱率較低，能夠有效阻止深部熱能逸散，地溫梯度一般為 2.5～3.5 ℃/100 m。

中國北方城市采暖熱指標(biāo)推薦值一般為 35～70 W/m2［35］。以河北省為例，供暖高峰期供回水溫差在40 ℃以上，在沒有大幅政策支持條件下，地?zé)峋木跍囟纫_(dá)到 60 ℃以上才具備工業(yè)開發(fā)的資源條件，否則需要大幅提高熱泵效率來保證供暖質(zhì)量，如此將導(dǎo)致項目效益下降。按照河北地區(qū)恒溫帶深度20 m、恒溫帶溫度8 ℃計算［36］，儲層埋深至少需要1 400～2 000 m，才具備60 ℃以上工業(yè)開發(fā)價值。

（3）儲層

儲層條件是決定項目是否具有商業(yè)開發(fā)價值的重要影響因素。不同巖石的導(dǎo)熱率差異較大（見表3），其中，花崗巖和灰?guī)r的導(dǎo)熱率最高，砂巖略低，泥巖最低。適合經(jīng)濟(jì)開發(fā)的儲層，應(yīng)具備下覆地層導(dǎo)熱率高、上覆地層導(dǎo)熱率低兩個條件。下覆地層導(dǎo)熱率高，能夠有效將上地幔熱源傳導(dǎo)至儲層內(nèi)，上覆地層導(dǎo)熱率低，能夠有效阻止熱能逸散。

表3 不同巖石導(dǎo)熱率測量數(shù)據(jù)［29］

（4）水質(zhì)

水質(zhì)條件評價包括對礦化度、硬度、離子類型、富水性的評價，這些評價指標(biāo)對開發(fā)階段設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢性影響較大，是影響地?zé)衢_發(fā)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。

礦化度是決定地?zé)崴猛镜闹匾笜?biāo)。GB/T 14848—1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》將地下水劃分為5類：礦化度小于1 000 mg/L的為淡水，1 000～3 000 mg/L的為微咸水，3 000～10 000 mg/L的為咸水，以上3種可作為生活飲用水；礦化度在10 000～50 000 mg/L的為鹽水，可作為農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水，適當(dāng)處理后也可作為生活飲用水；礦化度大于50 000 mg/L的為鹵水，不宜飲用。礦化度過低，說明水流補給充分，熱交換較快，通常地層水溫度不會太高；礦化度過高，則存在腐蝕和結(jié)垢風(fēng)險。

硬度反映了水中多價金屬離子含量的總和，水的硬度也是開發(fā)利用地下熱水的一項重要指標(biāo)。硬度過高的水會對人體健康和工業(yè)生產(chǎn)造成危害。工業(yè)用水若硬度過大，在回收或循環(huán)利用的過程中，在管道壁及設(shè)備壁會產(chǎn)生結(jié)垢，縮小管道與設(shè)備的流通面積，減少循環(huán)水流量，甚至堵塞管道及設(shè)備，給生產(chǎn)造成嚴(yán)重后果。

離子類型反映了地下水溶濾作用強度。距離補給區(qū)越近，離子類型越復(fù)雜。在地?zé)崴Ｒ婋x子類型中，CO32-、SO42-、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Sr2+結(jié)垢風(fēng)險較高，而 Cl-、Na+、K+等離子結(jié)垢風(fēng)險較低［37］。

（5）熱傳輸通道

斷層作為熱和水的雙向通道，是影響地?zé)豳Y源品質(zhì)的重要條件。斷層對地?zé)豳Y源品質(zhì)的控制作用主要表現(xiàn)在兩個方面：其一，深大斷層通常作為構(gòu)造的邊界，直接影響地?zé)岬刭|(zhì)背景條件；其二，作為熱和水的雙向通道，起到疏導(dǎo)和傳遞的作用［38-39］。

根據(jù)對多個地區(qū)地層水的化學(xué)分析，中國東部大部地區(qū)地層水來源以大氣降水為主，水流運移至深部經(jīng)加熱后沿斷層向上運移。斷層深度大，可以更好地溝通熱源和水源，有利于形成溫度更高的水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)；而斷層寬度大，可以形成更大體積的水熱對流通道和熱儲層，有利于形成規(guī)模更大的地?zé)嵯到y(tǒng)。張性斷層和張扭性斷層對地?zé)嵯到y(tǒng)的形成有利，尤其是斷層交匯區(qū)，有利于大規(guī)模熱儲的沉積。

2.2.2.2 評價分級

根據(jù)中國東部 40余個城市和地區(qū)的地?zé)豳Y源評價結(jié)果，將目標(biāo)區(qū)的資源評價分為3類7級（見表 4）。

表4 沉積盆地中深層水熱型地?zé)豳Y源重點評價關(guān)鍵參數(shù)

Ⅰ類區(qū)域為資源優(yōu)勢區(qū)，其熱源條件好，蓋層穩(wěn)定沉積、隔熱效果好，儲層條件優(yōu)越、孔隙度和滲透率高，且臨近地區(qū)一級斷層，熱和水都能與地層深部有效溝通，是建立第一批地?zé)衢_發(fā)利用項目的建議目標(biāo)區(qū)；Ⅱ類區(qū)域為資源富集區(qū)，其地?zé)豳Y源較好，在綜合考慮地面需求和經(jīng)濟(jì)評價結(jié)果后可進(jìn)行工業(yè)或公益開發(fā)；Ⅲ類區(qū)域為資源不富集區(qū)，該區(qū)域的地?zé)豳Y源平面分布非均質(zhì)性強，往往缺乏穩(wěn)定沉積蓋層、水流交替速度過快，建議謹(jǐn)慎開發(fā)。

2.2.3 重點評價實例

以山東省德州市為例。德州市是京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市之一，位于黃河沖積平原區(qū)，屬沉積盆地型地?zé)嵯到y(tǒng)。武城縣位于德州市西北部，根據(jù)武城縣政府規(guī)劃，全縣“十四五”期間將新增地?zé)峁┡娣e 235×104m2，熱能需求較大。武城縣構(gòu)造位置位于中國東部渤海灣盆地臨清坳陷德州凹陷，是一個中-新生代斷陷盆地［40］。

2.2.3.1 熱源

武城縣地區(qū)處于伸展條件下沉積盆地內(nèi)凹陷地?zé)岜尘?。熱源為地幔熱能，變質(zhì)巖內(nèi)元素衰變放射作為附加熱源，低熱導(dǎo)率巖層埋深超過3 500 m。熱源條件綜合評價為Ⅱ-2類。

2.2.3.2 蓋層

武城縣地區(qū)仍然以新生界第四系堆積和新近系明化鎮(zhèn)組泥巖、砂泥巖為蓋層，蓋層厚度為1 000～1 400 m。蓋層條件綜合評價為Ⅰ-1類。

2.2.3.3 儲層

武城縣儲層自上而下依次為新生界新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組及古近系東營組，目前開發(fā)主力層系為新近系館陶組。根據(jù) 2021年在該地新鉆探的 12口地?zé)峋@示，儲層砂地比為 42%～53%，平均孔隙度28%，儲層埋深1 200～1 800 m，儲層厚度180～230 m，產(chǎn)水量為 120～160 m3/h，儲層溫度 60～65 ℃，地溫梯度在3.2～3.7 ℃/100 m。儲層條件綜合評價為Ⅱ-2類。

2.2.3.4 水質(zhì)

武城縣新近系館陶組地?zé)崴V化度為4 450～4 970 mg/L，總硬度為3.53～4.11 mEq/L，屬咸水、硬水，水化學(xué)類型為 Cl-Na。水質(zhì)條件綜合評價為Ⅱ-1類。

2.2.3.5 熱傳輸通道

區(qū)內(nèi)斷層活動主要受新華夏構(gòu)造體系的影響，斷層沉積方向主要為北北東和北東向，斷層構(gòu)造均隱伏于新近系之下。本區(qū)涉及斷層構(gòu)造主要有滄東斷層、邊臨鎮(zhèn)—羊二莊斷層等。滄東斷層為主要控?zé)釘鄬?，深切至上地幔，該斷層控制著區(qū)域地?zé)岙惓螒B(tài)。熱傳輸通道條件綜合評價為Ⅱ-1類。

2.2.3.6 整體評價

山東省德州市武城縣地?zé)豳Y源品質(zhì)整體評定為Ⅱ-2類，屬資源富集區(qū)，滿足工業(yè)開發(fā)條件。2021年，中國石油天然氣股份有限公司（簡稱中國石油）冀東油田分公司在山東省武城縣完成中國石油首個礦權(quán)外地?zé)峁┡椖拷ㄔO(shè)，滿足該地區(qū)235.52×104m2取暖需求，成為山東省目前最大的集中式地?zé)峁┡椖俊?/p>

2.3 精細(xì)評價方法研究與應(yīng)用

2.3.1 精細(xì)評價目的

當(dāng)明確一個目標(biāo)區(qū)地?zé)豳Y源“行不行”之后，這個目標(biāo)區(qū)就可能進(jìn)入了準(zhǔn)備開發(fā)建設(shè)階段。此階段需要開展精細(xì)評價，明確各項開發(fā)參數(shù)，做好地面地下一體化經(jīng)濟(jì)評價，解決項目整體效益“好不好”的問題。其評價結(jié)果應(yīng)具備較高的應(yīng)用性，能夠?qū)υ擁椖渴欠耖_發(fā)建設(shè)提出決定性的指導(dǎo)意見。

2.3.2 精細(xì)評價方法

地面地下一體化效益評價主要包括開發(fā)關(guān)鍵參數(shù)評價、建設(shè)方案設(shè)計和經(jīng)濟(jì)效益評價。

地?zé)衢_發(fā)關(guān)鍵參數(shù)包括埋深、水量、水溫、水質(zhì)、回灌能力等5個要素，這些參數(shù)對建設(shè)方案和經(jīng)濟(jì)效益有著直接的影響，對其進(jìn)行評價是為了確定地?zé)豳Y源的優(yōu)劣。這些參數(shù)雖然在前期的重點評價里已涉及，但在項目建設(shè)前的關(guān)鍵階段仍需精細(xì)研究、精準(zhǔn)落實。這一階段需要進(jìn)行規(guī)范化的采灌試驗，為后面的建設(shè)方案設(shè)計和經(jīng)濟(jì)評價提供第一手資料。如，熱儲層產(chǎn)狀及埋深關(guān)系到地?zé)峋@井成本和投資，水量和水溫直接影響著地下熱量的產(chǎn)出，由于全國各地基本都要求地?zé)衢_發(fā)要“以灌定采”，因此回灌能力是項目能否繼續(xù)進(jìn)行的決定性因素。同時，地?zé)崴毓嗫删徑庥捎谶^度開采地下熱水導(dǎo)致的水位下降的問題，是實現(xiàn)沉積盆地中深層地?zé)豳Y源可持續(xù)開采利用的最直接有效的手段［41］。

在地面建設(shè)方案研究中，主要是根據(jù)地面建筑情況及熱負(fù)荷需求等，結(jié)合開發(fā)關(guān)鍵參數(shù)，開展方案設(shè)計，明確建設(shè)規(guī)模，即：泵房、平臺、換熱站、管道規(guī)格及長度等。地?zé)豳Y源是否能被開發(fā)利用，最終取決于項目能否取得經(jīng)濟(jì)效益，因此經(jīng)濟(jì)評價是地?zé)犴椖壳捌谘芯康闹匾獌?nèi)容。在對開發(fā)參數(shù)進(jìn)行評價和編制建設(shè)方案的基礎(chǔ)上，對擬建地?zé)峁┡椖康慕?jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析論證，做出全面的經(jīng)濟(jì)評價，為企業(yè)對地?zé)衢_發(fā)項目科學(xué)決策提供依據(jù)。

2.3.3 精細(xì)評價應(yīng)用實踐

以曹妃甸新城地?zé)犴椖拷ㄔO(shè)為例。曹妃甸所在唐山市是京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市之一。該項目位于河北省唐山市南部，處于渤海灣盆地內(nèi)，地?zé)豳Y源優(yōu)越，區(qū)內(nèi)有唐山港、曹妃甸港等多個大型港口，地面用熱需求較大。該項目為包括華北理工大學(xué)在內(nèi)的17所高等院校提供供暖服務(wù)。曹妃甸新城構(gòu)造位置位于黃驊坳陷南堡凹陷老爺廟—高尚堡—柳贊地?zé)崽?，有利開發(fā)面積290 km2。其地?zé)峁┡こ痰責(zé)岙惓c地面工程位置見圖1。

圖1 曹妃甸地?zé)峁┡こ痰責(zé)岙惓c地面工程位置圖

華北斷陷盆地是一個中-新生代斷陷盆地，形成演化過程決定了該地區(qū)區(qū)域熱背景［17,42］。華北斷陷盆地平均大地?zé)崃髦禐椋?4.4±8.1）mW/m2［17］，高于中國大陸平均熱流值60 mW/m2；東部的濟(jì)陽、渤中和遼河坳陷熱流值相對較高，為60～80 mW/m2；向西熱流值逐漸降低，中部的黃驊坳陷熱流值主要為60～70 mW/m2，西部的冀中和臨清坳陷熱流值偏低，為 55～65 mW/m2［43-44］。盆地內(nèi)在凸凹相間的構(gòu)造格局下，因基巖熱導(dǎo)率高于沉積蓋層，凹陷內(nèi)潛山低隆起及凸起區(qū)呈現(xiàn)地?zé)岣弋惓！?/p>

2.3.3.1 熱源

來自上地幔和沉積層放射性元素衰變，其地質(zhì)背景條件屬伸展條件，低熱導(dǎo)率巖層埋深超過4 000 m，地溫梯度為3.0～4.0 ℃/100 m。熱源條件綜合評價為Ⅱ-2類。

2.3.3.2 儲層

儲層自上而下為新生界新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營組，古生界奧陶系。目前主力開發(fā)層系為新近系館陶組，熱儲資源量2 188.2×1016J，可采熱儲資源量為 547.1×1016J，熱水資源總量400.3×108m3，可采熱水資源量120.1×108m3。根據(jù)實鉆的40余口地?zé)峋@示，該地區(qū)儲層砂地比為45%～65%，孔隙度為30%～33%，滲透率為497×10-3～1 176×10-3μm2，儲層埋深為 2 200～2 600 m，儲層厚度在120～220 m，產(chǎn)水量為100～120 m3/h。儲層條件綜合評價為Ⅱ-1類。

2.3.3.3 蓋層

曹妃甸地區(qū)以新生界第四系堆積和新近系明化鎮(zhèn)組泥巖、砂泥巖為蓋層，蓋層厚度1 800～2 200 m。蓋層條件綜合評價為Ⅰ-2類。

2.3.3.4 水質(zhì)

根據(jù)對曹妃甸地?zé)峁┡こ?個鉆井平臺共計40口地?zé)峋沙鏊畼拥慕y(tǒng)計分析，溶解性固體總量為1 000.31～1 164.24 mg/L，平均值為1 076.73 mg/L，屬微咸水；硬度為0.28～2.15 mEq/L，平均值為1.00 mEq/L，屬極軟水；水化學(xué)類型以HCO3.Cl-Na為主。水質(zhì)條件屬Ⅰ-2類。

2.3.3.5 熱傳輸通道

曹妃甸地區(qū)所在的高尚堡—柳贊構(gòu)造帶整體為受斷層控制的背斜構(gòu)造，高柳斷層是該區(qū)活動性最強的斷層。有研究表明，該斷層是地區(qū)一級斷層柏各莊斷層的次級斷層，在古近紀(jì)早期斷距為幾百至近千米。該斷層為導(dǎo)熱斷層，對地?zé)岙惓Э刂谱饔妹黠@，地?zé)岙惓茉摂鄬涌刂瞥拭黠@東西向分布。熱傳輸通道條件綜合評價為Ⅱ-1類。

2.3.3.6 整體評價

曹妃甸地區(qū)地?zé)豳Y源品質(zhì)整體評價為Ⅱ-1類，為資源富集區(qū)，滿足工業(yè)開發(fā)條件。地面需求區(qū)與地下資源優(yōu)勢區(qū)幾何重疊，適合開展集中式地?zé)峁┡椖俊?/p>

2018年，曹妃甸地?zé)峁┡痉豆こ掏哆\。單井產(chǎn)水量為 100～120 m3/h，井口溫度 78～82 ℃，井底溫度86～92 ℃，采水井平均水量96 m3/h，回灌井平均水量76.6 m3/h，動液面75～92 m，靜液面32～45 m（與區(qū)域靜水位相當(dāng)）。采出水實現(xiàn)100%無壓回灌。該項目投產(chǎn)后，地?zé)峁┡骄鶡嶝?fù)荷 31.5 W/m2，較燃煤鍋爐供暖平均熱負(fù)荷高出 16.8%（本區(qū)燃煤供暖熱負(fù)荷26.2 W/m2），室內(nèi)溫度平均高出3～5 ℃，達(dá)到設(shè)計要求。該項目目前已經(jīng)運行了 4個供暖季，投產(chǎn)之初即滿足了曹妃甸新城 230×104m2用熱需求，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5.4×104t，減排二氧化碳14.1×104t，相當(dāng)于植樹50×104顆。該項目是目前中國最大的單體水熱型地?zé)峁┡こ蹋?2］。

2.4 動態(tài)評價方法研究與應(yīng)用

2.4.1 動態(tài)評價目的

項目運行階段，需要開展動態(tài)評價，通過熱場監(jiān)測與調(diào)整，確保地下熱場更穩(wěn)、項目生命周期更長，解決項目整體效益“優(yōu)不優(yōu)”的問題。目前中國國內(nèi)地?zé)崽锏囊?guī)模開發(fā)還處于起步階段，還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的動態(tài)評價。本文嘗試提出了動態(tài)評價的方法與基本步驟，供討論與借鑒。

2.4.2 動態(tài)評價方法

在項目運行階段，通過開展不同時段參數(shù)的動態(tài)變化分析，進(jìn)行熱場動態(tài)模擬，及時對方案進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化。首先，對開發(fā)實際運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)進(jìn)行對比和動態(tài)分析，明確初始設(shè)計是否科學(xué)，開發(fā)方案是否合理。接下來，進(jìn)行動態(tài)模擬，包括地質(zhì)建模、熱場變化模擬。地質(zhì)建模一般采用確定性與隨機性“二元”建模+數(shù)據(jù)約束的建模方案。建模后將目前地?zé)犴椖繉嶋H運行的數(shù)據(jù)輸入模型開展模擬，進(jìn)一步驗證初期的開發(fā)模型和技術(shù)方案，驗證剩余地?zé)豳Y源量與資源分布。最后，根據(jù)熱場模擬結(jié)果，開展采灌方案優(yōu)化與調(diào)整研究，實現(xiàn)地?zé)崽锏目沙掷m(xù)開發(fā)。

2.4.3 動態(tài)評價應(yīng)用實踐

2.4.3.1 指標(biāo)對比

曹妃甸項目實際運行指標(biāo)與設(shè)計指標(biāo)對比情況詳見表 5。由表 5可知，該項目實際運行指標(biāo)與設(shè)計指標(biāo)基本符合，說明項目設(shè)計合理。從目前的GR6-2單井?dāng)?shù)據(jù)來看，完全回灌的情況下，采水量、地下水位及井口溫度均十分穩(wěn)定（見圖2）。說明開發(fā)制度合理，地層熱量均衡，是較理想的開發(fā)效果。

表5 曹妃甸地?zé)犴椖吭O(shè)計指標(biāo)與運行指標(biāo)對比

圖2 2019—2020年供暖季GR6-2井采水曲線

2.4.3.2 動態(tài)模擬與開發(fā)方案優(yōu)化

在曹妃甸項目開發(fā)前期，通過熱場模擬形成一套開采方案：間歇開采場景最優(yōu)井距為 450 m，持續(xù)開采場景最優(yōu)井距為700 m。按照目前39口地?zé)峋牟季Ｊ?，在回灌溫度不低?0 ℃、給定回灌率為100%的前提下，流量不超過 120 m3/h的情景下，采用間歇開采井距450 m方案，30年內(nèi)不發(fā)生熱突破；而在流量不超過80 m3/h的情景下，50年內(nèi)不發(fā)生熱突破。此模型需要輸入新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證與修改，為后期的方案優(yōu)化與調(diào)整提供依據(jù)。

3 結(jié)束語

目前，沉積盆地中深層水熱型地?zé)豳Y源的評價體系停留在規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化階段，在生產(chǎn)實踐過程中缺乏系統(tǒng)性、針對性、應(yīng)用性和實踐性較強的量化綜合評價指標(biāo)?；诖?，本文從區(qū)域評價、重點評價、精細(xì)評價、動態(tài)評價4個層次建立了地?zé)豳Y源評價體系，其評價結(jié)果能夠直接應(yīng)用于地?zé)衢_發(fā)利用和生產(chǎn)建設(shè)。