李海林

(河南省水文地質工程地質勘察院，河南 鄭州 450045)

鄭州市地處中原，位于河南省中部，為河南省省會。北臨黃河，西依嵩山。京廣、隴海兩大鐵路及京珠、連霍兩大高速公路在此交匯，縣鄉(xiāng)公路四通八達，加上新鄭薛店國際機場，構成了現代化的立體交通網絡，交通非常便利，是我國重要的交通樞紐之一。

鄭東新區(qū)位于鄭州市東部，地處黃河沖積平原中上游，地形較平坦，地面高程82～107 m。屬暖溫帶半濕潤氣候，四季分明，春季干旱風沙多，夏季炎熱雨集中，秋高氣爽日照長，冬季寒冷雨雪少為其主要特征。

1 地熱能資源賦存條件

鄭東新區(qū)沉積盆地型地熱蓋層分布穩(wěn)定，厚度大，有利于地熱資源的富集與儲存。根據地熱地質條件，結合目前地熱井開采深度，區(qū)內熱儲劃分了三個熱儲層:第一深層熱儲層、第二深層熱儲層、第三深層熱儲層。

1.1 第一深層地熱能資源賦存條件與特征

1.1.1 賦存條件與熱儲特征

第一深層地熱能資源是指埋藏深度320～850 m的地熱能資源。分布于鄭東新區(qū)的廣大地區(qū)。熱儲層主要為新近系上新統(tǒng)(明化鎮(zhèn)組)下段和中新統(tǒng)(館陶組)上、中段湖積地層，其頂板埋深一般在320 m左右，底板埋深850 m。蓋層為第四系及新近系粘性土層。熱儲層巖性以中細砂為主，下部微膠結，總厚度24.3～226.3 m，平均厚 155.3 m。滲透系數 0.49 ～ 2.64 m/d，平均1.456 m/d;導水系數35.2 ～273 m2/d，平均141 m2/d;平均壓力傳導系數4.1×104m2/d;彈性釋水系數3×10－3－7～3.8×10－3，平均3.44×10－3;單位涌水量1～3m3/h·m。一般井口水溫25℃～39℃。水化學類型主要為HCO3—Na型，局部為HCO3·SO4—Na型、HCO3—Ca型，礦化度 500 ～700 mg/L，pH 值 7.2 ～8.56，H2SiO3含量25.99 ～45.06 mg/L，Sr含量為0.21 ～1.03 mg/L。

1.1.2 富水程度

按單井實際生產能力計算涌水量，該熱儲層富水程度劃分為富水區(qū)、中等富水區(qū)和弱富水區(qū)。

1)富水區(qū)

主要分布于西北部的毛莊東、弓莊一帶，面積14.87 km2。熱儲層頂板埋深300～400 m，巖性在南部和西北部顆粒較粗，為粗砂、中粗砂和中細砂，局部為小礫石。區(qū)內共有7～11層，厚86.16～140 m。單層砂層最大厚度為33 m，最小厚度僅3 m。涌水量大于100 m3/h，降深9.3～32 m。

2)中等富水區(qū)

區(qū)內面積104.14 km2。含水層頂板埋深348～529.3 m，含水層巖性以中細砂為主，西部和東北部含小礫石，局部為細砂，共有7～9層，總厚度80～101.8 m，單層最大厚度為42.5m，最小厚度為 3m。涌水量 100～50 m3/h，降深 12.83～33.65 m。

3)弱富水區(qū)

分布于西部的鳳凰臺、燕莊東、龍湖西區(qū)一帶，面積14.70 km2。含水層頂板埋深403～539.45 m，巖性為中細砂和細砂，共有6～9層，總厚72.1～100 m。單層最大厚度53 m，最小厚度 3 m。涌水量小于 50 m3/h，降深 31.86～65.73 m。

1.2 第二深層地熱能資源賦存條件與特征

該熱儲是指埋藏深度在850～1 200 m以內，井口水溫40℃～48℃的新近系熱儲。由于受地質構造的嚴格控制，該熱儲層主要分布在須水斷層以北地區(qū)?？偯娣e112.95 km2。埋深850 m以深的地下水補給來源為上游側向徑流補給，總體由西南向東北方向徑流，主要排泄方式為人工開采。

1.2.1 賦存條件與熱儲特征

該熱儲的埋藏深度850～1 200 m。熱儲層為新近系館陶組下段湖相沉積物，巖性以細砂、中細砂為主，夾有粉細砂層。多由鈣質膠結或半膠結，呈半成巖狀態(tài)，頂板埋深850 m左右，局部小于850 m。共8～10層，單層厚14～18 m，最厚可達67.82 m，最薄的僅有3.5m，總厚度 86～187 m。導水系數17.32～33.0 m2/d，平均25 m2/d;壓力傳導系數平均為2.78×104m2/d;彈性釋水系數平均為 8.99 ×10－4;單位涌水量一般小于1.0 m3/h·m，多數在 0.5 m3/h·m，局部(老鴉陳 ～柳林一帶)大于1.0 m3/h·m。井口水溫40℃ ～48℃。水化學類型主要為 HCO3—Na型，個別為 HCO3·SO4—Na型，礦化度 600～900 mg/L，最高可達 1 281 mg/L，pH 值 7.4～8.3，H2SiO3含量 25 ～30 mg/l，Sr含量為 0.2 ～0.3 mg/L。蓋層為新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組中上段粘土層、各級別砂層和第四系粉質粘土、砂層。

1.2.2 富水程度

按單井生產能力計算涌水量，該熱儲層組富水程度分為富水區(qū)和中等富水區(qū)。

1)富水區(qū)(大于30 m3/h)

主要分布于西北部，面積12.15 km2。熱儲巖性主要為中細砂、細砂，局部為中粗砂夾礫石，共 8～11層，總厚度79～122 m，

涌水量大于30 m3/h，降深32～47 m。

2)中等富水區(qū)(30～10 m3/h)

廣布全區(qū)，面積100.80 km2。含水層組巖性為中細砂、細砂、中粗砂、粉細砂，局部含小礫石，共有6～8層，局部達10層之多，單層最大厚度37 m，最小厚度2.5 m。總厚度83.35～165.6 m。涌水量30 ～10 m3/h。降深28.8 ～132.6 m。

1.3 第三深層地熱能資源賦存條件與特征

1.3.1 賦存條件與熱儲特征

指埋藏深度1 200 m—基巖頂板的承壓水。含水層頂板埋深1 200 m左右，底板埋深采用以下方法確定:由于該區(qū)底板埋深變化較大，且鄭東新區(qū)面積較小，故采用加權平均法近視計算求得平均底板埋深為2 000 m，熱儲巖性以粉細砂為主，少量中砂。蓋層為新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組粘土層。據區(qū)外鄰近的1600m深孔資料:單井涌水量50 m3/h，井口水溫56℃，單位涌水量0.83 m3/h·m，降深60m。水化學類型為 HCO3—Na型水，礦化度720 ～900 mg/L，pH 值7.8 ～8.0，總硬度30.0～33 mg/l(CO3Ca)，第三深層熱儲層地溫梯度為2.93℃ /100 m。

1.3.2 富水程度

據鄰近孔資料:按單井生產能力計算涌水量，該熱儲層富水程度為強富水區(qū)，涌水量大于50m3/h，面積112.95 km2。

2 深部地熱能資源計算

2.1 地熱資源計算及評價原則

(1)鄭東新區(qū)地熱資源屬低溫地熱資源，分為溫水型和溫熱水型，地熱能的開發(fā)利用是通過熱水資源的開發(fā)利用來實現的。因此，地熱資源計算包括熱儲中的儲存熱量、儲存地熱流體量、地熱流體可開采量及其可利用的熱能量。主要以新近系熱儲層為評價對象。

(2)本區(qū)地熱水資源埋藏深、補給緩慢、評估范圍大，在計算時考慮將地下熱水資源視為基本上不可再生的資源。因此，在評價中考慮地熱流體容積儲存量和彈性儲存量。

(3)結合熱儲層的實際情況，規(guī)定沉積盆地型熱儲層計算深度下限為基巖頂板，對在此深度內的新近系熱儲層地熱資源進行統(tǒng)計計算。

2.2 熱儲概念模型

據鉆探資料，各熱儲層巖性較均一，第一深層熱儲和第二深層熱儲巖性為細砂或細中砂，第三深層熱儲巖性以粉細砂為主，少量中砂，頂板基本水平、底板向東北方向傾斜，厚度變化較大;地下熱水徑流緩慢;第一深層熱儲地下熱水和區(qū)外同層地下熱水水力聯(lián)系密切，第二深層熱儲地下熱水在西邊界、南邊界與同深度熱水水力聯(lián)系較弱，其它邊界水力聯(lián)系密切;第二深層和第一深層、第三深層地下熱水水力聯(lián)系較弱。因此第一深層熱儲層概化為四周邊界為鄭東新區(qū)邊界，均為透水邊界，無越流補給，水平方向無限分布，均質各向同性的熱儲層。第二深層熱儲層、第三深層熱儲層概化為南部邊界為須水斷層，隔水邊界，其余邊界為鄭東新區(qū)邊界，為透水邊界，無越流補給，水平方向無限分布，均質各向同性的熱儲層。

根據上述模型概化，將深層地熱資源計算劃分為三個計算層。熱儲層結構與分布特征值統(tǒng)計見表1。

表1 熱儲概念模型特征表

2.3 計算方法及參數選取

2.3.1 計算方法的選擇

依據熱儲類型、熱儲結構特征以及在此基礎上建立的熱儲概念模型，采用“熱儲法”計算地熱各熱儲層賦存的地熱儲量和地熱流體儲量;采用“最大允許降深法”估算地熱流體可采資源量，其中按單井可采量開采100年所消耗的地熱流體儲存量。

2.3.2 計算參數的選擇

采用上述方法進行計算所需參數主要有:熱儲幾何參數、熱儲物理性質參數、熱儲滲透性和貯存能力參數等。根據地熱地質條件及開發(fā)利用情況，參考《地熱資源評價方法》(DZ40—85)，綜合確定計算所需參數。

2.4 地熱資源和地熱水資源儲量計算

根據地熱地質條件，選用熱儲法進行計算。

計算公式:

式中:Qr為地熱資源儲量，J;QR為地熱水資源儲量，J;A為熱儲面積，m2;d為熱儲平均有效厚度，m;Pr為熱儲介質平均密度，kg/m3;Cr為熱儲介質平均比熱，J/kg·℃;Pw為地熱水密度，kg/m3;Cw為地熱水比熱，J/kg·℃;φ為熱儲介質平均孔隙度;tr為熱儲平均溫度，℃;t0為恒溫帶溫度，℃。

計算結果:鄭東新區(qū)地熱資源儲量:第一深層熱儲層為1.76 ×1018J，第二深層熱儲層為 2.29 ×1018J，第三深層熱儲層為2.04×1018J，合計6.09×1018J;地熱流體資源儲量:第一深層熱儲層為1.36×1018J，第二深層熱儲層為1.79×1018J，第三深層熱儲層為 1.24 ×1018J，合計 4.39 × 1018J。

2.5 地熱流體彈性儲量計算

區(qū)內熱儲平均有效含水巖層厚度:第一深層熱儲層155.3 m，第二深層熱儲層136.5 m，第三深層熱儲層150 m;平均區(qū)域水頭下降第一深層熱儲層20 m、第二深層熱儲層100 m、第三深層熱儲層100 m，計算地熱流體彈性儲量。

式中:QC為彈性儲量，m3;A為熱儲面積，m2;△h為熱儲壓力降，m;Ss為有效含水巖層彈性釋放系數，m－1;d為有效含水巖層厚度，m。

經計算，區(qū)內地熱流體彈性儲量第一深層熱儲層為1.43×109m3，第二深層熱儲層為1.39×109m3，第三深層熱儲層6.95 ×108m3，合計為 3.52 ×109m3。

2.6 地熱水可采資源量

采用“最大允許降深法”計算，擬定開采年限30年，第一熱儲層、第二熱儲層、第三熱儲層區(qū)域水頭下降分別為20 m、100 m、100 m。

式中:QWH為地熱水可采資源量，J;N為布井數;Q為單井流量，m3/d;P為開采年限，d。

其它符號同前。

計算結果:區(qū)內30年地熱流體可采資源量第一熱儲層、第二熱儲層、第三熱儲層分別為 1.45×108m3、4.73×107m3、1.18 ×108m3，合計 3.10 × 108m3;含熱量第一熱儲層、第二熱儲層、第三熱儲層分別為 9.68 ×1015J、5.55 ×1015J、1.93×1016合計3.45×1016J;折合電能第一熱儲層、第二熱儲層、第三熱儲層分別為 10.24MW、5.87MW、20.43MW，合計36.54MW;折合煤第一熱儲層、第二熱儲層、第三熱儲層分別為 3.29 ×108kg、1.89 ×108kg、6.6 ×108kg標準煤，合計1.18×109kg標準煤。

3 地熱流體評價

3.1 醫(yī)療熱礦水評價

根據《醫(yī)療熱礦水水質標準》(GB11615—89)的規(guī)定指標，結合地熱水水質分析資料，鄭東新區(qū)地熱水中偏硼酸、氟含量局部達到了有醫(yī)療價值濃度的標準，偏硅酸含量達到了礦水濃度標準，并且地熱水溫度均大于25℃，具有一定的醫(yī)療效果。

3.2 飲用熱礦水評價

根據《飲用天然礦泉水》(GB8537－1995)，區(qū)內地熱水中鍶含量和偏硅酸含量達到了飲用天然礦泉水標準中規(guī)定含量的指標。各限量指標除個別井中氟化物超標外均符合規(guī)定，污染物除少數井中亞硝酸鹽超標外均滿足要求，微生物指標符合規(guī)定。

3.3 飲用水評價

根據《生活飲用水標準》(GB5749—2006)，對地熱水進行生活飲用水評價:第一深層熱水除pH值和鐵個別點超標外，其余測試指標均符合《生活飲用水標準》(GB5749—2006);第二深層熱水除pH值和SO42－、Cl－、溶解性總固體個別點超標外，其余測試指標均符合《生活飲用水標準》(GB5749—2006);第三深層熱水除鐵個別點超標外，其余測試指標均符合《生活飲用水標準》(GB5749—2006)。

3.4 農業(yè)灌溉用水評價

根據《農田灌溉水質標準》(GB5084－92)，結合水質分析資料，第一熱儲層地熱水除部分井溫較高外，其它成分均符合農業(yè)灌溉用水標準;而第二熱儲層地熱水中超標的項目有水溫、全鹽量、氯化物、硒，其它均不超標，符合農業(yè)灌溉用水標準。

4 地熱資源開發(fā)利用及保護

4.1 加強地熱資源保護

根據鄭東新區(qū)地熱資源分布及開發(fā)利用情況，將鄭東新區(qū)地熱資源保護分區(qū)劃分為一般保護區(qū)、鼓勵開發(fā)區(qū)。

1)一般保護區(qū)

主要分布于西部地帶。由于開采量大，開采強烈，在西部地帶已形成降落漏斗，將這一區(qū)域劃為深層熱儲適度開發(fā)一般保護區(qū)。這一區(qū)域要注意井距控制，可適度增加開采量。

2)鼓勵開發(fā)區(qū)

區(qū)內第三熱儲層資源豐富，有極大的潛力。目前，鄭東新區(qū)第三熱儲層剛剛起步，各單位應結合自身條件，開發(fā)利用這一熱儲層。政府部門應鼓勵各單位向深部開采熱水。

4.2 加強地下熱水動態(tài)監(jiān)測工作

目前，對鄭州各熱儲層地下水動態(tài)監(jiān)測已開展多年，但監(jiān)測井點密度，監(jiān)測項目均選定均不盡合理，甚至個別單位禁止監(jiān)測的現象時有發(fā)生。只有加強對各地熱田內各熱儲層水位、水溫、水質監(jiān)測，才能掌握各熱儲層變化，只有加大監(jiān)測投入力度，才能加密監(jiān)測網點，提高監(jiān)測質量，為地熱資源開發(fā)管理與保護，提供更加充實的監(jiān)測資料。

5 結論及建議

5.1 結論

根據地熱地質條件，分別建立了熱儲概念模型，采用“熱儲法”計算地熱各熱儲層地熱資源儲量和地熱流體資源儲量;采用“最大允許降深法”估算地熱流體可采資源量。第一深層熱儲層為1.76×1018J，第二深層熱儲層為2.29×1018J，第三深層熱儲層為2.04×1018J，合計6.09×1018J;地熱流體資源儲量:第一深層熱儲層為1.36×1018J，第二深層熱儲層為 1.79 ×1018J，第三深層熱儲層為 1.24 × 1018J，合計 4.39×1018J。

區(qū)內地熱流體可采資源量第一熱儲層、第二熱儲層、第三熱儲層分別 為 1.45 ×108m3、4.73 ×107m3、1.18 ×108m3，合計3.10×108m3;含熱量第一熱儲層、第二熱儲層、第三熱儲層分別為 9.68 ×1015J、5.55 ×1015J、1.93 ×1016合計3.45×1016J;折合電能第一熱儲層、第二熱儲層、第三熱儲層分別為10.24MW、5.87MW、20.43MW，合計 36.54MW;折合煤第一熱儲層、第二熱儲層、第三熱儲層分別為3.29×108kg、1.89 ×108kg、6.6 ×108kg標準煤，合計 1.18 ×109kg標準煤。

對區(qū)內地熱水進行了地熱流體質量評價。該地熱水偏硼酸、氟含量局部達到了有醫(yī)療價值濃度的標準，偏硅酸含量達到了礦水濃度標準，并且地下熱水溫度均大于25℃，具有一定的醫(yī)療效果;鍶含量和偏硅酸含量達到了飲用天然礦泉水標準中規(guī)定含量的指標，各限量指標除個別井中氟化物超標外均符合規(guī)定，污染物除少數井中亞硝酸鹽超標外均滿足要求，微生物指標符合規(guī)定;該地熱水除少數成份超標外，可以直接飲用;第一熱儲層地熱水除部分井溫較高、硼局部超標外，其它成分均符合農業(yè)灌溉用水標準;第二熱儲層地熱水中超標的項目有水溫、全鹽量、氯化物、硒、硼，其它均不超標，考慮超標因素，不易直接進行農業(yè)灌溉;地下熱水水質總體符合漁業(yè)用水水質標準，適合用熱水養(yǎng)魚;地熱水水質總體符合漁業(yè)用水水質標準，適合用熱水養(yǎng)魚;區(qū)內第一、第二、第三深層熱儲層地熱水均為沉淀物較少、軟硬垢、起泡、非腐蝕性水。

5.2 建議

(1)加強地熱能資源動態(tài)監(jiān)測體系建設，建立地熱資源信息化管理系統(tǒng)，提高地熱資源的管理水平。

(2)努力提高地熱資源的綜合利用，建立地熱能資源的梯級開發(fā)利用工作，積極推廣熱泵技術，節(jié)能減排，提高地熱能資源的附加值。

(3)加強地熱資源的基礎研究工作，積極進行更深層地熱資源的勘探和研究工作。以利于地熱資源的開發(fā)利用與保護。

［1］趙云章，朱中道，王繼華，等.河南省地下水資源與環(huán)境［M］.北京:中國大地出版社，2004.

［2］張德禎.更新觀念調整方向促進我省地熱能資源開發(fā)產業(yè)又好又快發(fā)展［J］.河南礦業(yè)，2007，71:11 －14.

［3］河南省地質局水管處、科技處.河南省地熱資源調查研究報告，1981.

［4］中華人民共和國地質礦產部.地熱資源評價方法(DZ40～85)，1986.

［5］河南省地勘局第一水文地質工程地質隊.鄭州市東區(qū)地熱資源研究評價報告，2001.