開封凹陷區(qū)深層地熱資源評價

孫軍勝，白何領(lǐng)，潘飛飛

（1.河南省金屬礦產(chǎn)深孔鉆探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000）

地熱資源是具有用途廣泛的環(huán)保新能源。開發(fā)利用地熱資源有利于構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，對于促進節(jié)能減排目標的實現(xiàn)及提高人們生活質(zhì)量具有重要意義[1-3]。在開封市委、市政府的大力支持下，緊緊圍繞開封市經(jīng)濟社會發(fā)展，充分發(fā)揮地質(zhì)工作的技術(shù)支撐作用，努力破解發(fā)展中的資源環(huán)境問題，助力開封市實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。開封市作為河南省重要城市，其處于開封凹陷區(qū)的核心部位和中心區(qū)域，地熱井分布密度大，地熱工作研究程度高，地熱供暖有一定的基礎(chǔ)，作為城市集中供暖對象研究，具有較強的代表性和示范作用[4-6]，因此本次研究以開封市區(qū)為例，對開封凹陷區(qū)深層地熱資源進行了評價，研究為開封市地熱集中供暖提供技術(shù)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)

1.1 區(qū)域地層

開封凹陷盆地自下而上沉積了古近系、新近系、第四系。

（1）古近系（E）。古近系劃分為沙河街組和東營組，頂板埋深在開封為2 000 m以下、底板埋深在蘭考、封丘延津一線較大，約為4 000～6 500 m。開封地區(qū)新生界地層柱狀見表1。

表1 開封地區(qū)新生界地層柱狀Tab.1 Cenozoic stratigraphic columnar in Kaifeng area

（2）新近系（N）。新近系劃分為館陶組和明化鎮(zhèn)組，頂板埋深在300 m以下，底板埋深在開封市南部約為1 685 m、北部約為1 700 m以下。

（3）第四系（Q）。主要為古河流和黃河歷次泛濫改道沉積物，開封次凹陷第四系底板埋深280～400 m。①下更新統(tǒng)（Q1）。巖性為棕色、棕黃色粉質(zhì)黏土、黏土及細砂、粉砂、中砂，砂層單層厚3～8 m，最大可達14 m。屬冰湖—河湖相地層，厚度為50～150 m，底板埋深280～400 m。②中更新統(tǒng)（Q2）。巖性為棕黃色、棕紅色粉質(zhì)黏土、黏土及中砂、粉細砂，砂層單層厚2～8 m，最大可達18 m。屬沖洪積層，厚度100～120 m，底板埋深200～260 m。③上更新統(tǒng)（Q3）。巖性為黃灰色、黃褐色粉質(zhì)黏土、粉土及中砂、細砂，砂層單層厚2～7 m，最大可達20 m。屬沖洪積層，厚度80～100 m，底板埋深100～140 m。④全新統(tǒng)（Q4）。黃河泛流平原沖積層巖性為黃褐色、灰黃色粉質(zhì)黏土、粉土及粉砂、細砂，砂層厚20～30 m，底板埋深30～50 m。風積層呈砂丘、砂壟、平砂地的形式堆積于地表，巖性均為細砂、粉細砂，厚度1～8 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

1.2.1 基底褶皺構(gòu)造

研究區(qū)基底褶皺構(gòu)造主要有濟源—開封凹陷、通許凸起和嵩箕臺隆等。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。研究區(qū)地處濟源—開封凹陷的開封次凹陷內(nèi)。

（1）濟源—開封凹陷。開封次凹陷位于原陽、開封、民權(quán)一帶，面積約3 829 km2，呈北西—南東向展布，南、北、東界分別為鄭州—民權(quán)斷裂、新鄉(xiāng)-商丘斷裂、睢縣斷裂。本區(qū)構(gòu)造線為近東西向，斷裂較發(fā)育，主要有近EW向、NE向及NW向，受焦作—商丘斷裂長期活動影響，使凹陷呈現(xiàn)北深南淺的箕狀斷凹或凹陷。新生界沉積厚度開封次凹中心最大厚度達6 000 m以上。

（2）通許凸起。呈東西向展布于尉氏—通許—商丘一帶，面積約12 000 km2。北側(cè)西、東部分別以中牟—民權(quán)斷裂及新鄉(xiāng)—商丘斷裂為界與濟源—開封凹陷及荷澤凸起為鄰，東以濟陽斷裂為界與永城斷褶帶相鄰，南側(cè)大致以臨潁—周口—柘城一線為界與周口凹陷相鄰，西至嵩箕山前。

（3）嵩箕臺隆?；诪樘沤绲欠馊汉拖略沤玑陨饺?，蓋層為中、上元古界及古生界。構(gòu)造具有明顯的雙層結(jié)構(gòu)特點，基底構(gòu)造線方向呈南北向，蓋層構(gòu)造線與基底構(gòu)造線方向近直交，呈近東西向。蓋層褶皺有嵩山復背斜、登封—新密復向斜、箕山復背斜等，呈兩背斜山夾一向斜谷形態(tài)。嵩山、箕山背斜向東傾沒入平原區(qū)新生界地層下，與通許凸起基底地層相連。本區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，主要有近EW向、NW向和NE向3組。近EW向斷裂為高角度正斷層，規(guī)模稍大。NE向和NW向斷裂，為平推正斷層，使近東西向構(gòu)造發(fā)生位移。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Regional geological structure

1.2.2 斷裂構(gòu)造

研究區(qū)斷裂構(gòu)造主要斷裂有朱仙鎮(zhèn)斷裂、半坡—水坡斷裂、祥符—劉店斷裂、開封斷裂、蘭考—東明斷裂等。

（1）朱仙鎮(zhèn)斷裂。由朱仙鎮(zhèn)東側(cè)通過，走向NE，北東盤為上升盤，傾向NW，長約32.5 km，性質(zhì)不清。該斷層構(gòu)成通許—睢縣地熱田的西北部邊界。

（2）半坡—水坡斷裂。由半坡南、水坡西北緊鄰通許邊界通過，斷層兩側(cè)地層均為二疊系上石盒子組，走向NE。

（3）祥符—劉店斷裂。由祥符區(qū)東側(cè)和劉店通過，走向NW，過祥符區(qū)后斷裂深度增加，埋深超過3 km，研究區(qū)內(nèi)長約50 km。

（4）開封斷裂。由開封市南側(cè)通過，走向SE，傾向NW，研究區(qū)內(nèi)長約52 km，可能為階梯狀構(gòu)造。

（5）蘭考—東明斷裂。走向NE，傾向NW，一級區(qū)域性斷裂，東濮斷陷東部邊界斷裂，河道東岸，控制蘭考下游河流流向。

2 地熱資源評價原則和熱儲概念模型

2.1 地熱資源計算與評價原則

根據(jù)本區(qū)地熱地質(zhì)條件，擬定地熱資源計算、評價的原則。

（1）該區(qū)地熱資源屬盆地低溫傳導熱水型，地熱能以水為載體，利用開采熱水資源而實現(xiàn)，地熱資源評價以分布廣，以具有一定開發(fā)價值和前景的新近系熱儲層為主要對象。新近系熱儲2 200 m以深資源因埋藏較深，缺乏相關(guān)資料，此次進行估算。

（2）此次評價，考慮地熱流體主要為地層沉積時形成，現(xiàn)狀動態(tài)補給微弱，根據(jù)現(xiàn)有資料及評價性質(zhì)，計算不考慮周邊動態(tài)補給。

（3）地熱資源計算包括儲存資源（熱水儲存量僅計算容積儲量）和可采資源2部分，分別計算二者相應的熱水量和熱能量，分區(qū)、分層進行評價。

（4）采用“最大允許降深法”，以區(qū)域水頭平均下降100 m，計算地熱流體可采資源量。

（5）地熱流體可采資源量（可開采熱水量及其所含熱能量）評價以50年為開采年限。

2.2 熱儲概念模型

研究區(qū)各個分區(qū)內(nèi)熱儲層處于同一大地構(gòu)造背景，主要為新近系熱儲為砂（砂巖）孔隙含水巖組、古近系熱儲為孔隙裂隙含水巖組。各個分區(qū)內(nèi)巖性較為均一、厚度變化不大，熱儲層間為相對隔水的黏性土（或泥巖），垂向視為無越流作用；側(cè)向徑流微弱，開采主要為消耗含水砂層彈性儲量。

結(jié)合前述本次工作所取得的地熱地質(zhì)調(diào)查、地球物理、地球化學、水文地質(zhì)試驗和測試資料，研究區(qū)各個分區(qū)（亞區(qū)）內(nèi)熱儲概念模型可以概化為均質(zhì)、各向同性、無限邊界，各熱儲垂向上無越流（上、下各有一個相對隔水的泥巖層）的承壓含水層水文地質(zhì)模型。

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料綜合分析，建立研究區(qū)熱儲概念模型。

3 地熱資源計算分區(qū)和參數(shù)確定

3.1 計算分區(qū)

（1）分區(qū)依據(jù)。結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造和物探解譯構(gòu)造結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)存在的開封斷裂和祥符—劉店斷裂把研究區(qū)切割為4個區(qū)塊，各個區(qū)塊內(nèi)含水層厚度、埋藏條件明顯不同，故將研究區(qū)分為4個區(qū)塊進行計算。其中，Ⅳ區(qū)內(nèi)又存在鄭州—民權(quán)斷裂，斷裂兩側(cè)館陶組熱儲層頂?shù)装迓裆钕嗖?50 m左右，所以又把Ⅳ區(qū)劃分為2個亞區(qū)。

（2）分區(qū)結(jié)果。參考分區(qū)依據(jù)，全區(qū)劃分為4個計算區(qū).其中Ⅳ區(qū)分為2個亞區(qū)，如圖2所示。各分區(qū)面積及含、隔水層見表2。

3.2 參數(shù)確定

（1）計算面積。根據(jù)各熱儲層在相應計算區(qū)的沉積分布，厚度變化，由計算機分別量取面積，詳見表2。

（2）熱儲層厚度。根據(jù)本次物探資料解譯成果，并結(jié)合該區(qū)鉆孔資料進行修正，各個區(qū)內(nèi)計算厚度取該區(qū)所有點修正后結(jié)果的平均值；缺乏鉆孔資料的地段，類比附近區(qū)塊計算得出，詳見表2。

圖2 地熱資源計算分區(qū)Fig.2 Geothermal resource computing partition

表2 熱儲分區(qū)各個含水層平均厚度Tab.2 Average thickness of each aquifer in the thermal storage area

（3）計算層平均溫度及基準溫度。平均溫度依據(jù)計算層平均深度及平均地溫梯度值計算求取；基準溫度根據(jù)淺層測溫資料確定，取16.0 ℃。研究區(qū)熱儲層埋深及溫度統(tǒng)計見表3。

（4）新生界砂巖及泥巖孔隙率。依《中國地熱資源分布特點及潛力評估》根據(jù)華北地區(qū)12口鉆孔資料建立的新生界砂巖、泥巖孔隙率—深度統(tǒng)計曲線（圖3），結(jié)合《河南省地熱、礦泉水資源調(diào)查報告》、《豫北平原地熱資源調(diào)查報告》、《開封凹陷區(qū)地熱資源調(diào)查報告》給定的新生界砂巖及泥巖孔隙率，考慮本區(qū)實際，綜合確定。研究區(qū)砂巖及泥巖孔隙率取值見表4。

表3 研究區(qū)熱儲層埋深及溫度統(tǒng)計Tab.3 Buried depth and temperature statistics of thermal reservoirs in the study area

圖3 新生界砂巖、泥巖孔隙率—深度統(tǒng)計曲線Fig.3 Cenozoic sandstone and mudstone porosity-depth statistical curve

表4 研究區(qū)砂巖及泥巖孔隙率取值Tab.4 Value of sandstone and mudstone porosity in the study area

（5）巖石及水的比熱、密度。參考《地熱資源評價方法及估算規(guī)程》（GB/T 0331—2020）及《地熱勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）確定如下：石英砂（含水率8.3%）比熱為1 003 J/（kg·℃），密度為1 750 kg/m3；相對隔水層泥巖比熱為2 230 J/（kg·℃），密度為1 800 kg/m3；水的比熱為4 180 J/（kg·℃），密度為1 000 kg/m3。

（6）最大允許降深（Smax）及設(shè)計開采年限（t）。根據(jù)水文地質(zhì)條件和水泵揚程及開采經(jīng)濟性能，年最大允許降深設(shè)定為2 m，開采年限設(shè)計為50 年。

（7）滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)（μe）及彈性釋水率（μ）。此次工作分別對試驗1號井、試驗2號井和試驗3號井進行了穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流抽水試驗，試驗目的層為新近系館陶組。

新近系層狀熱儲厚度、巖性分布較穩(wěn)定，可近似認為均質(zhì)各向同性、無限邊界；熱儲層頂?shù)装宸植加泻穸确€(wěn)定的隔水層，相鄰熱儲含水層的越流補給可忽略不計；此外，由于地熱流體徑流極其緩慢，又無越流補給，試驗井抽水量實際來自熱儲含水介質(zhì)的彈性釋放量。以上特征符合泰斯井流模型的假定條件，可以將試驗的前段近似作為承壓完整井非穩(wěn)定流抽水試驗，根據(jù)試驗時降深（S）及時間（t）數(shù)據(jù)，繪制S=f（lgt）關(guān)系曲線（圖4），計算公式如下：

（1）

式中，T為導水系數(shù)；K為滲透系數(shù)；Α為導壓系數(shù)；μe為彈性釋水系數(shù)（無量綱）；μ為彈性釋水率；Q為單井涌水量；M為含水層厚度；rw為井孔半徑；ΔS為對數(shù)周期降深；t0為起始計算時間。

試驗1號井靜水位埋深71.00 m，井半徑0.156 m，抽水對數(shù)周期降深為2.75 m；試驗2號井靜水位埋深102.00 m，井半徑0.135 m，抽水對數(shù)周期降深為3.34 m。試驗3號井靜水位埋深81.50 m，井半徑0.156 m，抽水對數(shù)周期降深為2.88 m；其他主要參數(shù)計算結(jié)果見表5。

圖4 試驗1號、2號、3號井抽水試驗s-lgt曲線Fig.4 s-lgt curve of pumping test of No.1，No.2 and No.3 wells

表5 研究區(qū)抽水試驗計算參數(shù)Tab.5 Calculation parameters of water pumping test in the study area

根據(jù)本次抽水試驗及本區(qū)熱儲層水文地質(zhì)條件并參考周邊地區(qū)不同熱儲層抽水試驗資料（表6）、已有區(qū)域評價報告，綜合確定本區(qū)熱儲層彈性釋水率。

表6 周邊地區(qū)抽水試驗計算參數(shù)Tab.6 Calculation parameters of water pumping test in surrounding areas

綜上，新近系明化鎮(zhèn)組上段彈性釋水系數(shù)取5.70×10-4，下段取3.86×10-4；館陶組上段彈性釋水系數(shù)取平均值4.34×10-4，下段平均值4.17×10-4；古近系彈性水系數(shù)取3.40×10-4。

4 地熱資源量計算

4.1 評價方法

根據(jù)評價原則及熱儲概念模型，地熱儲存資源評價采用熱儲法；地熱可開采資源評價：新生界新近系熱儲層采用最大允許降深法。新生界熱儲層儲存的熱水資源包括含水介質(zhì)（砂巖）相對隔水層（泥質(zhì)巖）中2部分，熱能量包括熱水蘊含熱能及巖石所包含熱能2部分。

（1）儲存資源（熱水量、熱能量）計算公式：

QR=A·D·Φ，QRE=A·D[PwCwΦ+PrCr（1-Φ）]（T-T0）

（2）

式中，QQR為儲存熱水量；QRE為儲存熱能量；A為計算熱儲面積；D為熱儲層平均有效厚度；Φ為熱儲層有效孔隙率；Pr、Pw分別為熱儲巖石和地熱水的密度；Cr、Cw為分別為熱儲巖石和水的比熱；T為熱儲層計算段的平均溫度；T0為基準溫度。

（2）可開采資源（熱水量、熱能量）計算公式：

（3）

式中，Qw為可開采熱水量；QwE為可利用熱能量；μ為熱儲層彈性釋水率；M為熱儲層計算段平均厚度；F為熱儲層計算面積；Smax為熱儲層水位最大允許降深；t為設(shè)計開采年限。其他符號意義同前。

4.2 計算結(jié)果

根據(jù)計算，新生界熱儲儲存熱水資源總量為107.47×1010m3；地熱儲存熱量為439.90×1018J，其中地熱流體儲量為101.43×1018J、巖石儲量為338.47×1018J。熱能折合標準煤150.10×108t。

5 地熱流體可開采量計算與評價

5.1 儲存資源

根據(jù)計算，研究區(qū)400～3 000 m深度范圍，熱儲儲存熱水資源總量為107.47×1010m3，其中，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲分別占總量的39.84%、44.21%，古近系熱儲占15.95%；儲存熱能總量為439.90×1018J，其中，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲分別占熱能總量的16.22%、41.99%，古近系熱儲占41.79%。根據(jù)《地熱資源評價方法及估算規(guī)程》（GB/T 0331—2020），松散巖熱儲儲存熱能量回采率取25%，則新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲儲存和古近系熱儲的熱能量可回收總量為109.97×1018J，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲和古近系熱儲可回收熱能量占可回收熱能總量的比例分別為16.22%、41.99%和41.79%。

研究區(qū)熱儲儲存地熱資源量及儲存熱能可回收量見表7。

5.2 地熱流體可開采資源

研究區(qū)3 000 m深度范圍，屬最經(jīng)濟—經(jīng)濟性地熱資源。可開采熱水資源總量為875.31×104m3/a（23 981.11 m3/d），其中，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲和古近系熱儲分別占可開采熱水總量的44.55%、39.61%和15.84%。可利用熱能總量為162.87×1013J/a（446.22×1010J/d），熱能折合標準煤55 424.7 t/a（152.26 t/d），新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲和古近系熱儲分別占熱能總量的26.69%、45.61%和27.70%。

表7 研究區(qū)地熱儲存資源Tab.7 Geothermal storage resources in the study area

5.3 回灌條件下地熱流體可開量計算

按照目前地熱資源“以灌定采”的原則，地熱資源開采要求100%回灌，所以采用熱突破公式計算回灌條件下地熱流體可采量，計算公式為：

（4）

式中，Qh為回灌條件下允許開采量；A為評價面積；M為熱儲層厚度；ψ為熱儲巖石孔隙率；ρw為熱儲巖石的密度；ρr為熱儲流體的密度；ρr為熱儲層的密度；cw為地熱流體的比熱容；cr為地熱巖石的比熱容；ce為地熱層的比熱容。

回灌條件下每平方千米地熱流體可采量見表8。

綜上所述，在一抽一回的情況下，采用熱突破公式，評價每平方千米范圍內(nèi)研究區(qū)明化鎮(zhèn)組上段地熱流體可采量為2 077.07～5 227.16 m3/d，明化鎮(zhèn)組下段地熱流體的可采量為1 767.03～7 579.37 m3/d，館陶組上段地熱流體的可采量為4 579.85～9 684.54 m3/d，館陶組下段地熱流體可采量為6 457.14～14 626.81 m3/d，古近系地熱流體可采量為2 077.07～5 227.16 m3/d，古近系地熱流體可采量為4 598.50～2 7214.53 m3/d。

6 年可利用熱能及地熱田規(guī)模劃分

6.1 地熱田產(chǎn)能及年可利用熱能

地熱田產(chǎn)能根據(jù)地熱流體可開采量所采出的熱量，按以下公式計算：

Wt=4.186 8Q（t-t0）

（5）

式中，Wt為熱功率；Q可采為地熱流體可開采量（按每年供暖季開采120 d算）；t為地熱流體溫度；t0為當?shù)啬昶骄鶜鉁?，?4.7 ℃。

地熱流體年開采累計可利用熱能量估算公式：

∑W=86.4DWt/K

（6）

式中，∑W為開采一年可利用的熱能；D為全年開采日數(shù)；K為熱效比（按燃煤鍋爐的熱效率0.6計算）。

表8 回灌條件下每平方千米地熱流體可采量Tab.8 Recoverable volume of geothermal fluid per square kilometer under recharge conditions

對地熱田的產(chǎn)能進行計算，見表9。

表9 研究區(qū)年可利用熱能計算結(jié)果Tab.9 Calculation results of annual available thermal energy in the study area

6.2 地熱田規(guī)模劃分

根據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB 11615—2010）對地熱田規(guī)模的劃分，計算結(jié)果見表10。

7 結(jié)語

本次工作地熱資源計算主要依據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）、《地熱資源評價方法及估算規(guī)程》（GB/T 0331—2020）等國家、行業(yè)規(guī)范進行。新生界熱儲計算采用的熱儲層物理性質(zhì)參數(shù)及水文地質(zhì)參數(shù)，根據(jù)工作實際調(diào)查、現(xiàn)場試驗、鉆孔資料、物探資料，結(jié)合本省區(qū)域性地熱資源評價成果、華北盆地地熱資源評價成果、經(jīng)驗值等，并結(jié)合研究區(qū)實際情況，在前人成果的基礎(chǔ)上綜合確定，與區(qū)域分布規(guī)律相吻合，可信度較高，據(jù)此計算的地熱資源結(jié)果較為可靠，計算結(jié)果可以作為本區(qū)地熱資源開發(fā)利用規(guī)劃的依據(jù)。

表10 地熱田規(guī)模劃分Tab.10 Geothermal field size division