，，

(1.山東省魯北地質工程勘察院，山東 德州 253072；2.山東省武城縣國土資源局，山東 德州 253072)

當前嚴峻的大氣污染形勢再次將地熱資源的開發(fā)利用推到了前臺，作為一種綠色可再生能源，地熱能開發(fā)成為了解決北方地區(qū)冬季清潔供暖問題的最佳選擇。武城縣作為山東省最早開展地熱供暖的地區(qū)之一，具備得天獨厚的地熱資源優(yōu)勢。本文旨在對武城縣地熱資源的供暖開發(fā)利用前景進行評價，為武城縣的清潔供暖提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質背景

1.1 地質構造

武城縣在大地構造上位于渤海灣盆地的南部，滄縣隆起與臨清坳陷的相接部位(見圖1)。渤海灣盆地的斷裂構造走向以近EW向與NNE-NE向為主，斷裂性質主要為正斷層[1]。在此背景下，區(qū)內主要發(fā)育有NNE走向的滕莊-老城斷裂，EW走向的恩城斷裂。

滕莊-老城斷裂為滄東斷裂的南段，區(qū)域上為滄縣隆起與臨清坳陷的分界斷裂，斷層面呈上陡下緩的鏟狀特征，走向NE，為西盤上升、東盤下降的正斷裂[2]，傾角10°～80°。斷裂于印支-燕山期開始活動[3]，至喜馬拉雅運動第一幕[4](始新世)時活動強度達到最大，新近紀時活動消亡[5]，該斷裂具有較強的導水能力[6]，有利于深部高溫流體沿斷裂向淺部越流補給。

恩城斷裂呈近EW走向，為南升北降的正斷層，斷裂活動開始于古新世，始新世Es2+3時期活動最為強烈，新近紀時期活動消亡[7]。該斷裂僅局部切穿了館陶組的底部，館陶組下伏的東營組與沙河街組泥巖發(fā)育，在斷面附近常形成斷層泥，導致斷裂面密封性較好[8]，不利于下部流體對館陶組熱儲的補給。

1.2 地層

研究區(qū)地層分布特征受構造的控制明顯，滕莊-老城斷裂以西的老城潛凸起區(qū)缺乏古近紀地層，該斷裂以東的德州潛凹陷區(qū)古近紀地層發(fā)育齊全(見圖2)。

古生界自下而上可劃分為下古生代寒武-奧陶系，巖性主要為碳酸鹽巖；上古生代石炭-二迭系，巖性為砂巖或泥巖。中生界主要發(fā)育有侏羅-白堊系，巖性為砂巖或泥巖。古近系自下而上可分為孔店組、沙河街組、東營組，巖性為砂巖或泥巖；其中沙河街組厚度巨大，根據(jù)其巖性特征進一步劃分為四段。新近系自下而上劃分為館陶組與明化鎮(zhèn)組，巖性為砂巖或泥巖，其中館陶組下段砂巖是武城縣地熱資源開發(fā)的目標熱儲。第四系為未成巖的粘性土或砂性土。

圖1 研究區(qū)構造位置示意圖

圖2 武城縣地層空間分布剖面圖

1.3 巖漿巖

德州潛凹陷內石油勘探發(fā)現(xiàn)，在孔店組與沙河街組四段中發(fā)育有多層厚度巨大的安山巖、玄武巖[9]。其中位于研究區(qū)西南邊界處的德參2井巖漿巖尤為發(fā)育，巖漿巖累計厚度近200 m。

2 地熱地質條件

區(qū)內上古生代、中生代與古近紀地層中砂巖的巖性以粉砂巖為主，結構致密，孔隙度低，當前技術條件下開采成本較高，暫不作為地熱開發(fā)的目標熱儲；老城潛凸起區(qū)下古生代寒武-奧陶系碳酸鹽巖埋深2 000 m左右，可作為下步開發(fā)的重點。新近紀館陶組熱儲最具開發(fā)利用價值[10-11]，也是區(qū)內現(xiàn)有地熱井的目標取水段，本次僅對該熱儲中地熱資源的形成條件進行評述。

2.1 蓋層

區(qū)內館陶組地層之上覆蓋有厚1 000～1 200 m的明化鎮(zhèn)組與第四系，巖性為泥巖或砂巖，熱導率低，成為了館陶組熱儲的良好蓋層。

2.2 熱源與地溫場特征

區(qū)內地熱資源類型為沉積盆地傳導型地熱資源，熱源主要來自地球內部的大地熱流[12-13]。以往研究表明區(qū)內平均大地熱流值為77.45 mw/m2[14]。地球內部產(chǎn)生的熱量通過大地熱流形式源源不斷地向外輻射，經(jīng)歷漫長的地質歷史時期在熱儲中淀積形成可供開發(fā)的地熱資源。

以地熱井的實測井口溫度與取水段平均埋深為參數(shù)，計算館陶組及其上覆地層的平均地溫梯度。結果表明，全區(qū)為地溫梯度>3.0℃/100m的地熱異常區(qū)(見圖3)，其中滕莊-老城斷裂具有明顯的導熱特征，沿斷裂分布有地溫梯度>3.4℃/100m的高異常帶。

圖3 武城縣館陶組及上覆地層平均地溫梯度等值線圖

圖4 館陶組熱儲分布與W18井身結構圖表1 地熱井溫度與出水量一覽表

編號地點孔深/m溫度/℃降深/m出水量/m3/hW34魯騰家園1 411.715735.772W16利城金岸1 5916234.585W45張莊村1 574.46625890W20濱湖麗都1 558.4623880W19金馬商城1 5826145.495W1時代花園1 5706237.890

2.3 流體通道與熱儲特征

館陶組地層中分布有厚度巨大的砂巖、砂礫巖層，即是流體的通道，又是地熱流體的儲集空間。根據(jù)鉆探資料，區(qū)內館陶組熱儲可分為上下兩段，館上段熱儲巖性較細，以細砂巖、中細砂巖為主，單層厚度薄，砂巖與地層的厚度比25%左右，熱儲孔隙度約30%。館下段熱儲巖性較粗，以粗砂巖、含礫砂巖及砂礫巖為主，單層厚度大，砂巖與地層的厚度比50%左右，熱儲孔隙度約28%，該段熱儲是目前區(qū)內地熱井的主要開采層段(見圖4)，熱儲溫度57℃～62℃，單井涌水量72～95 m3/h(見表1)。

圖5 館陶組熱儲底板埋深等值線圖

館陶熱儲底板埋深在德州潛凹陷區(qū)1 600～1 800 m，南深北淺、東深西淺；在老城潛凸起區(qū)1 450～1 500 m，南深北淺。其中滕莊-老城斷裂兩側館陶組底板落差約150 m左右，東深西淺。恩城斷裂兩側館陶組底板落差約50 m 左右，

北深南淺(見圖5)。館下段熱儲的累計厚度110～150 m，南厚北薄(見圖6)。

圖6 館陶組熱儲底板埋深等值線圖

3 地球化學特征

區(qū)內館下段熱儲地熱水中陽離子以Na+為主，當量濃度百分比為82.73%～90.83%。陰離子以Cl-為主，當量濃度百分比為70.62%～74.65%；其次為SO42-，當量濃度百分比為20.61%～25.09%。水化學類型為Cl-Na或Cl·SO4-Na 型。地熱水礦化度4.67～4.81 g/L(見表2)。

表2 地熱水主要離子含量一覽表

采用美國地調局免費軟件PHREEQC軟件對地熱水中主要礦物的飽和指數(shù)進行計算[15]，結果表明，當設定的反應溫度接近熱儲溫度時，方解石的飽和指數(shù)達到“0”(見表3)，說明地熱水中主要離子濃度受方解石的水巖平衡反應控制。

4 地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

武城縣現(xiàn)有地熱井44眼(見圖7)，其中有25眼集中分布在武城縣城區(qū)，多建于2012年以前，由于當時城市供暖基礎設施不完善，房地產(chǎn)商為解決新建住宅冬季供暖問題建設的。其余19眼地熱井為解決各鄉(xiāng)鎮(zhèn)新建農村社區(qū)供暖問題而建設的。2016年底，鑒于地熱供暖尾水排放的環(huán)保壓力，武城縣對城市集中供暖設施可以輻射到的地熱井實行了關停，城區(qū)內僅保留了對地熱供暖尾水進行了回灌的6眼地熱井，農村社區(qū)的19眼地熱井要求限期開展地熱尾水回灌。

5 地熱資源評價

5.1 地熱資源量

本次采用《地熱資源地質勘查規(guī)范》[16]中推薦的熱儲法對館下段熱儲中蘊藏的熱資源量進行計算，由于區(qū)內主要開采館下段熱儲中地熱水進行住宅供暖，計算的溫度下限取地熱供暖尾水溫度30℃。通過非穩(wěn)定流抽水試驗求取的館下段熱儲彈性釋水系數(shù)約為4.2×10-4，比熱儲的孔隙度小2～3個數(shù)量級，流體彈性儲存量中蘊含的熱資源量在計算中予以忽略，計算公式如下：

Q=A·d·[ρs·Cs·(1-φ)+ρw·Cw·φ]·(tr-t0)

(1)

式中：Q為熱資源量(J)；A為熱儲面積(m2)；d為熱儲厚(m)；ρs為熱儲巖石密度(kg/m3)；Cs為巖石的比熱[J/(kg·℃)]；φ為熱儲孔隙度，無量綱；ρw為地熱水密度(kg/m3)；Cw為地熱水的比熱[J/(kg·℃)]；tr為熱儲平均溫度(℃)；t0為溫度下限(℃)。

經(jīng)計算，武城縣館下段熱儲中儲存的熱資源量為8.11×1018J，折合標準煤2.77億 t。

5.2 地熱水靜儲存量

熱儲中地熱水靜儲存量包括熱儲孔隙中容積儲量與高壓下地熱水以彈性壓密形式存在的彈性儲量，計算公式如下：

Q=A·d·φ+A·μe·H

(2)

式中：Q為地熱水靜儲存量(m3)；μe為熱儲彈性貯水系數(shù)，數(shù)值等于熱儲的新熱的彈性釋水系數(shù)，無量綱；H為熱儲中點至地熱水自由水面的距離(m)。

經(jīng)計算，武城縣館下段熱儲中蘊藏的地熱水靜儲量為2.75×1010m3。

5.3 地熱水質量評價

區(qū)內館下段熱儲地熱水主要用于建筑物供暖，針對供暖需求進行地熱水的結垢性與腐蝕性評價。因地熱水中氯離子含量高，采用拉申指數(shù)判斷地熱水碳酸鈣結垢趨勢與腐蝕性，公式如下：

(3)

式中：LI為拉申指數(shù)，無量綱；Cl為氯離子濃度(mg/L)；SO4為硫酸根離子濃度(mg/L)；ALK為總堿度(mg/L )。經(jīng)計算，LI為12.61～14.86，地熱水不結垢，具有強腐蝕性。

表3 不同溫度下地熱水中主要礦物飽和指數(shù)一覽表

圖7 武城縣地熱井分布圖

6 地熱資源開發(fā)利用前景

2016年，武城縣對城區(qū)的6眼地熱井實施了配對回灌井，地熱水的灌采比為93.98%～97.94%，證明了地熱供暖尾水回灌是切實可行的。在回灌-開采的地熱資源利用方案下，將供暖尾水全部回注入熱儲中，只取熱不取水，地熱資源的開發(fā)利用前景主要受熱儲中蘊含的熱資源量限制。根據(jù)中低溫地熱資源開發(fā)利用年限100年計算，武城縣館下段熱儲中蘊藏的年可利用熱資源量為8.11×1016 J/a。以單位面積住宅供暖定額50 W估算，館下段熱儲可滿足1.56×108m2的建筑面積供暖需求。

國家統(tǒng)計局公布的2016年全國人均居住面積40.8 m2，武城縣2010年統(tǒng)計人口為390 412，人口自然增長率7.98‰，推測2017年武城縣人口約為41.27萬人，則住宅的總供暖面積需求約為1 688萬 m2。100 a后武城縣預計人口數(shù)為86.44萬人，供暖總需求約為3 527萬 m2。由此可見，館下段熱儲中蘊含的熱資源量完全可滿足未來100 a內武城縣居民住宅的供暖需求。

7 結語

(1)武城縣在地質構造上可劃分為老城潛凸起與德州潛凹陷兩個構造單元，館陶熱儲底板埋深在德州潛凹陷區(qū)1 600～1 800 m，南深北淺、東深西淺；在老城潛凸起區(qū)1 450～1 500 m，南深北淺。

(2)館陶組熱儲可劃分為上、下兩段，其中館下段熱儲是武城縣地熱資源開采的主要目標熱儲，熱儲巖性以粗砂巖、含礫砂巖及砂礫巖為主，熱儲厚110～150 m；熱儲溫度57℃～62℃，單井涌水量72～95 m3/h。

(3)武城縣館下段熱儲中儲存的熱資源量為8.11×1018J，折合標準煤2.77億 t；蘊藏的地熱水靜儲量為2.75×1010m3。

(4)武城縣館下段熱儲可支持建筑供暖面積1.56×108m2，完全可滿足未來100年內武城縣居民住宅的供暖需求。

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