馬龍，馮超臣

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州　272100)

菏澤地?zé)峁┡_發(fā)利用模式前景分析

馬龍，馮超臣

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州272100)

菏澤位于山東省西南，中低溫地?zé)豳Y源豐富，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。目前菏澤地?zé)岬拈_發(fā)利用正處于起步階段，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用主要以供暖為主。該文介紹了地?zé)釂尉┡_發(fā)利用模式，對(duì)區(qū)內(nèi)地?zé)峁┡拈_發(fā)利用具有一定的指導(dǎo)意義。

地?zé)幔还┡?；模式；菏?/p>

引文格式：馬龍，馮超臣.菏澤地?zé)峁┡_發(fā)利用模式前景分析[J].山東國(guó)土資源，2015,31(2)：24-27.[J].MA Long ，F(xiàn)ENG Chaochen. Prospect Analysis on Development and Utilization of Geothermal Heating Mode in Heze City[J]. Shandong Land and Resources, 2015,31(2):24-27.

菏澤地處山東省西南部，在全國(guó)經(jīng)濟(jì)布局中具有承東啟西、引南聯(lián)北的戰(zhàn)略地位。北、西、西南與河南省接壤，東連濟(jì)寧市，東南與安徽、江蘇兩省毗鄰?？偯娣e12239km2。近年來(lái)的地?zé)岬刭|(zhì)勘查工作表明，菏澤地區(qū)地?zé)岢傻V地質(zhì)條件有利，中低溫地?zé)豳Y源豐富，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。目前菏澤地?zé)峁┡膽?yīng)用主要以住宅小區(qū)冬季供暖為主。

1　地?zé)豳Y源概述

1.1大地構(gòu)造及區(qū)域地層

大地構(gòu)造單元地處華北陸塊魯西隆起魯西南潛隆起區(qū)菏澤-兗州潛斷隆構(gòu)造單元內(nèi)，分布有東明凹陷、菏澤凸起及成武凹陷3個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元(圖1)[1]。區(qū)內(nèi)斷裂以近SN向和近EW向?yàn)橹鳌Ｖ饕刂菩詳嗔延校毫目紨嗔?、田橋斷裂、菏澤斷裂、巨野斷裂等。菏澤市范圍?nèi)除巨野縣核桃園附近有少量古生代基巖出露外，大部被第四系、新近系覆蓋，據(jù)現(xiàn)有揭露地層資料，從老到新的地層有古生界的奧陶系、石炭系及二疊系，新生界的古近系、新近系及第四系。

圖1　菏澤地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

1.2熱儲(chǔ)層特征

區(qū)內(nèi)可開發(fā)利用的熱儲(chǔ)層主要為新近系砂巖熱儲(chǔ)、古近紀(jì)東營(yíng)組砂巖熱儲(chǔ)及奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)[2-4]。

(1)新近紀(jì)砂巖熱儲(chǔ)：屬層狀裂隙-孔隙型熱儲(chǔ)。該熱儲(chǔ)層地層主要為新近紀(jì)黃驊群上部的明化鎮(zhèn)組和下部的館陶組。由于新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層埋深相對(duì)較淺，蓋層厚度小，平均溫度一般40℃左右，溫度較低，區(qū)內(nèi)未開發(fā)利用程度低。新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)層主要分布在聊考斷裂以西，東明凹陷區(qū)內(nèi)，巖性為灰白色礫狀砂巖、細(xì)礫巖、灰綠色砂巖、砂礫巖，垂向上呈上細(xì)下粗的沉積，底部有礫巖分布，孔隙度較大，具有良好的儲(chǔ)水空間，單井涌水量60～100m3/h，水溫60℃左右，礦化度一般大于3g/L，水中含有豐富的對(duì)人體健康有益的微量元素成分，具有較好的開發(fā)利用前景。

(2)古近紀(jì)東營(yíng)組砂巖熱儲(chǔ)：主要分布于聊考斷裂以西，東明凹陷區(qū)域內(nèi)，屬層狀裂隙-孔隙型熱儲(chǔ)。該熱儲(chǔ)含水層組頂板埋深1577～2041m，熱儲(chǔ)層受構(gòu)造控制。其巖性以灰綠色、灰白色砂巖、細(xì)砂巖為主，厚度分布不均，在垂向上，上、下部顆粒較粗，中部較細(xì)，在有利的構(gòu)造部位具備儲(chǔ)水條件?？衫玫纳皩蛹s占該組地層厚度的49.3%，地?zé)崃黧w溫度71.5℃。由于該熱儲(chǔ)層頂板埋深大，雖水溫較高，但成井成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，區(qū)內(nèi)開發(fā)利用程度低。

(3)奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)層：屬灰?guī)r類裂隙-巖溶型熱儲(chǔ)。該熱儲(chǔ)主要分布在菏澤凸起區(qū)域內(nèi)，頂板埋深在1200～1700m。熱儲(chǔ)層為奧陶紀(jì)石灰?guī)r層，埋藏于石炭-二疊系煤系地層之下，地?zé)崃黧w溫度平均58℃。受斷裂構(gòu)造的影響，灰?guī)r巖溶裂隙比較發(fā)育，為深部地?zé)崴w循環(huán)運(yùn)移提供了通道及儲(chǔ)存空間，尤期是奧陶系頂部古風(fēng)化殼較厚，巖溶裂隙更為發(fā)育，形成了良好的儲(chǔ)熱條件，具有較好的開發(fā)利用前景。

2　地?zé)峁┡_發(fā)利用模式

2.1地?zé)豳Y源梯級(jí)開發(fā)利用

地?zé)豳Y源開發(fā)利用方式選擇地下開采。地?zé)峋_采的地?zé)崴Y源全部用于地?zé)峁┡?，開發(fā)利用較為單一。為了避免已有地?zé)峋跋男汀?、“粗放型”開采方式所帶來(lái)的環(huán)境、社會(huì)的不良影響，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)地?zé)釂尉目沙掷m(xù)開發(fā)利用，地?zé)豳Y源應(yīng)進(jìn)行梯級(jí)開發(fā)利用(圖2)，逐級(jí)提熱，充分利用地?zé)崃黧w的熱能，對(duì)經(jīng)梯級(jí)利用、降至較低溫度的地?zé)崃黧w進(jìn)行回灌處理，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)循環(huán)利用[3]。

圖2　地?zé)峁┡到y(tǒng)工藝流程示意圖

地?zé)崴菁?jí)利用工藝流程：由開采井采出的地?zé)崃黧w，經(jīng)除砂后，以較高的溫度直接進(jìn)入換熱系統(tǒng)進(jìn)行熱量交換。地?zé)崃黧w首先經(jīng)過(guò)一級(jí)板式換熱器，經(jīng)過(guò)一級(jí)熱交換后對(duì)小區(qū)進(jìn)行供熱，出一級(jí)板式換熱器的地?zé)崃黧w由于溫度較高，如果直接排放就會(huì)造成地?zé)崴茉吹睦速M(fèi)，所以采取地?zé)崃黧w梯級(jí)利用的形式，出一級(jí)板式換熱器的地?zé)崃黧w進(jìn)入二級(jí)板式換熱器，此部分地?zé)崃黧w可以作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?，熱泵系統(tǒng)從中提取熱量實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供熱，經(jīng)過(guò)逐級(jí)提熱后的地?zé)釛壦疁貫?℃，以充分發(fā)掘地?zé)崃黧w所攜帶的熱能，經(jīng)利用后的地?zé)釛壦M(jìn)入回灌管網(wǎng)，回灌至同層位地?zé)峋?。這種地?zé)崃黧w梯級(jí)利用+水源熱泵的系統(tǒng)形式可以充分的提取地?zé)崴械哪芰浚瑫r(shí)良好的回灌又保證了地?zé)崴Y源不被浪費(fèi)。

2.2地?zé)豳Y源開發(fā)利用供暖系統(tǒng)分析

研究區(qū)屬暖溫帶大陸型季風(fēng)氣候，按日平均溫度≤5℃的起止溫度計(jì)算，該區(qū)域采暖期為120d。結(jié)合區(qū)內(nèi)已有地?zé)峋Y料，井假設(shè)選定的地?zé)衢_采出水溫度為58℃。若單純采用地?zé)峁┡?，地?zé)嵋患?jí)尾水溫度最低可降到40℃。根據(jù)《城鎮(zhèn)地?zé)峁峁こ碳夹g(shù)規(guī)程》(CJJ138-2010)的規(guī)定，一級(jí)地?zé)峁嶝?fù)荷(基本熱負(fù)荷)應(yīng)按下式計(jì)算[5]：

式中：Qd—基本熱負(fù)荷(kW)；GD—地?zé)峋_采量(m3/h)；ρp—地?zé)崃黧w密度(kg/m3)；CP—地?zé)崃黧w的定壓比熱(kJ/kg·℃；tdi—地?zé)崃黧w供水溫度(℃)；tdo—無(wú)調(diào)峰裝置時(shí)地?zé)崃黧w回水溫度(℃)。經(jīng)計(jì)算，地?zé)崴畬?shí)際開采量為600m3/d時(shí)，基本熱負(fù)荷為514.5kW(表1)。

表1　基本熱負(fù)荷計(jì)算

可直接供熱量即一級(jí)地?zé)峁嶝?fù)荷514.5kW。若要增加供熱負(fù)荷，需要采用熱泵裝置進(jìn)一步降低地?zé)峄毓鄿囟?，根?jù)常規(guī)熱泵蒸發(fā)器側(cè)額定參數(shù)(15℃/7℃),地?zé)峄毓鄿囟茸畹涂山档?℃，根據(jù)本項(xiàng)目供暖情況，設(shè)計(jì)回灌溫度為8℃，通過(guò)以下公式計(jì)算[5]：

式中：Qt—單井可供熱量(kW)；Q—地?zé)崃黧w流量(m3/h)；ρ水—地?zé)崃黧w密度(kg/m3)；C—地?zé)崃黧w的定壓比熱(kJ/(kg·℃)；T進(jìn)—地?zé)崃黧w一級(jí)利用后的尾水溫度(℃)；T出—地?zé)崃黧w二級(jí)利用后的尾水溫度(℃)；COP—熱泵制熱系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，熱泵可增加二級(jí)供熱負(fù)荷1161.6kW(表2)。

表2　調(diào)峰熱負(fù)荷計(jì)算

設(shè)計(jì)一級(jí)和二級(jí)供熱能力總熱負(fù)荷為1676.1kW，根據(jù)現(xiàn)代節(jié)能型建筑的設(shè)計(jì)理念及以往相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，住宅區(qū)建筑熱負(fù)荷一般取45W/m2，據(jù)此計(jì)算，該地?zé)峋晒┡娣e約3.7×104m2。

3　熱供暖尾水回灌系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方案

3.1地?zé)峁┡菜毓嘞到y(tǒng)

(1)回灌類型與模式。采用同層對(duì)井回灌模式，一眼回灌井對(duì)應(yīng)一眼開采井，即：回灌井的注水層與開采井取水層位于同一熱儲(chǔ)層。

(2)回灌方法。由于區(qū)內(nèi)無(wú)回灌經(jīng)驗(yàn)，在地?zé)嵯到y(tǒng)建設(shè)前期，應(yīng)進(jìn)行回灌試驗(yàn)，以確定回灌參數(shù)。因此，設(shè)計(jì)地?zé)峄毓嘞炔捎谜婵栈毓?，再進(jìn)行密封加壓回灌，加壓回灌過(guò)程中將回灌井密封，使回灌井處于真空狀態(tài)，避免空氣的進(jìn)入，通過(guò)離心泵加壓進(jìn)行回灌?？紤]到目前已有管道、設(shè)備的承壓能力，省內(nèi)進(jìn)行過(guò)的回灌試驗(yàn)中，所加的回灌壓力均在0.05～0.22MPa之間?？筛鶕?jù)回灌水量的大小調(diào)節(jié)壓力，盡可能保證全量回灌。

(3)回灌系統(tǒng)工程。回灌工程設(shè)施包括回灌井和回灌管路。回灌井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用和開采井相同的設(shè)計(jì)方案，且需安裝提水泵進(jìn)行回?fù)P；回灌管路包括輸水管路、進(jìn)水管路、用水管路、排水管路等[5]。

(4)在地?zé)峄毓嗲皯?yīng)檢查回灌水源凈化處理系統(tǒng)的精度能否達(dá)到不同熱儲(chǔ)層回灌系統(tǒng)的精度要求，其中熱儲(chǔ)層回灌系統(tǒng)需對(duì)回灌水進(jìn)行去除水中懸浮固體物質(zhì)的過(guò)濾處理，過(guò)濾精度應(yīng)達(dá)到50μm，因此回灌系統(tǒng)需安裝粗過(guò)濾器。

(5)回灌系統(tǒng)主要設(shè)備：①粗過(guò)濾器：過(guò)濾管道及系統(tǒng)殘留的物理懸浮固體或化學(xué)沉淀物，提高地?zé)峄毓嗦省Ｔ谶\(yùn)行過(guò)程中，過(guò)濾器兩端應(yīng)安裝監(jiān)測(cè)器，通過(guò)監(jiān)測(cè)，可根據(jù)壓力的變化辨別過(guò)濾器工作的狀態(tài)，并決定清洗濾料的時(shí)間，以保證過(guò)濾效果。選擇濾料材料要考慮耐溫和耐壓，宜優(yōu)先選用石英砂濾料，按單層石英砂濾料級(jí)配填充濾料，并應(yīng)定期補(bǔ)充濾料。②排氣灌：排氣灌應(yīng)安裝在加壓泵、回灌井口之前，用以在回灌前排出尾水中的不凝氣體，以防止壓力發(fā)生變化生成氣泡，產(chǎn)生氣堵。③加壓泵：是為了防止由于回灌井口壓力過(guò)高(回灌水位上升較快)而回灌困難，在不具備重力回灌條件時(shí)，采用加壓回灌方案?；毓鄩毫Γ髁恳?jīng)過(guò)前期回灌試驗(yàn)求得。④反沖洗：應(yīng)確保有反沖洗水的水源，當(dāng)反沖洗水源不能滿足過(guò)濾器的反沖洗水量時(shí)，應(yīng)設(shè)置儲(chǔ)水裝置，保證過(guò)濾器的反沖洗要求。需設(shè)置反沖洗污水的壓力排水系統(tǒng)。反沖強(qiáng)度控制在12～15L/s·m2，過(guò)濾器置兩端的壓力差值達(dá)到50～60kPa時(shí)，需進(jìn)行反沖洗。

3.2地?zé)峁┡瘎?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方案

對(duì)地?zé)衢_采井和回灌井進(jìn)行地下熱水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，主要包括水位、水量、水溫、水質(zhì)等。監(jiān)測(cè)手段可采取地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，逐步更新與改進(jìn)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段和方法，不斷提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量和水平。同時(shí)要提高監(jiān)測(cè)信息的傳輸、儲(chǔ)存和處理效率。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，若出現(xiàn)地?zé)崴?、水質(zhì)等變化異常，適當(dāng)調(diào)整地?zé)崴┧桨浮?/p>

(1)水位監(jiān)測(cè)。每天監(jiān)測(cè)1次，水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精確到厘米級(jí)。每次監(jiān)測(cè)水位時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，均應(yīng)考慮周邊地?zé)峋某樗疇顩r，分析是否受到附近的地?zé)峋樗绊憽?/p>

(2)水量監(jiān)測(cè)。計(jì)量地?zé)崴康膬x器，采用耐熱的熱水流量計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要滿足測(cè)量精度要求，水量誤差在5%以內(nèi)。并要定期檢驗(yàn)儀器誤差，并及時(shí)校正。

(3)水溫及氣溫的監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)水位、水量的同時(shí)，也應(yīng)該監(jiān)測(cè)地?zé)峋鏊谒疁?、地?zé)嵛菜臏囟取⒒毓嗑責(zé)崴疁?。天氣情況和氣溫也要同時(shí)監(jiān)測(cè)。

(4)水質(zhì)監(jiān)測(cè)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)每年應(yīng)進(jìn)行一次，水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目主要包括常規(guī)陰陽(yáng)離子、微量元素、礦化度、總硬度、pH值、氡、放射性元素(總α、總β)等。

4　結(jié)論

(1)菏澤地處山東省西南部，區(qū)內(nèi)地?zé)岢傻V地質(zhì)條件良好，中低溫地?zé)豳Y源豐富，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。目前菏澤地?zé)岬拈_發(fā)利用主要以住宅小區(qū)地?zé)峁┡癁橹鳌?/p>

(2)區(qū)內(nèi)可開發(fā)利用的熱儲(chǔ)層主要為新近紀(jì)砂巖熱儲(chǔ)、古近紀(jì)東營(yíng)組砂巖熱儲(chǔ)及奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)。

(3)對(duì)于地?zé)峁┡到y(tǒng)宜采用地?zé)崃黧w梯級(jí)開發(fā)利用模式，提高地?zé)豳Y源可利用程度，以實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用。

(4)加強(qiáng)地?zé)峄毓嘣囼?yàn)的研究，從而為地?zé)峁┡菜毓嗵峁┮欢ǖ膮⒖紨?shù)據(jù)。

(5)加強(qiáng)地?zé)衢_采井和回灌井的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。建立地?zé)釂尉畡?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)開采量、回灌量及其引起的水位、水溫、水質(zhì)變化及環(huán)境影響實(shí)行有效監(jiān)測(cè)，保證地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)與利用。

[1]孔慶友，張?zhí)斓?，于學(xué)峰，等.山東礦床[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2006：199-201.

[2]陳墨香.華北地?zé)醄M].北京：科學(xué)出版社，1988：94-102.

[3]蔡義漢.地?zé)嶂苯永肹M].天津：天津古文出版社，2004：488-628.

[4]馮超臣，馬龍，張旭.山東省定陶縣城區(qū)地?zé)豳Y源分析及開發(fā)利用[J].城市地質(zhì)，2012，7(4)：28-31.

[5]CJJ138-2010.城鎮(zhèn)地?zé)峁峁こ碳夹g(shù)規(guī)程[S].

[6]GB/T11615-2010.地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范[S].

Prospect Analysis on Development and Utilization of Geothermal Heating Mode in Heze City

MA Long ，F(xiàn)ENG Chaochen

(Lunan Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Yanzhou 272100, China)

Heze locates in southwest of Shandong province. Low medium temperature geothermal resources are very rich in this area with very good development prospect. At present, the development and utilization of geothermal resources in Heze city is still at its initial stage, and the development and utilization of geothermal resources is mainly in heating mode. In this paper, development and utilization of geothermal heating mode has been introduced. It will has a certain guiding significance to the development and utilization of geothermal heating in this area.

Geothermal；heating； pattern; Heze city

2014-02-12；

2014-06-05；編輯：曹麗麗

馬龍(1985—)，男，山東東阿縣人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail：malongh@163.com

P314

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