孫振添　何鐵柱　牛升晟

摘 要：為推動(dòng)延慶三里河地區(qū)的清潔可再生能源規(guī)劃及地?zé)豳Y源綜合可持續(xù)利用，查清區(qū)域內(nèi)地?zé)豳x存條件。本文以研究區(qū)內(nèi)成功鉆鑿的多眼地?zé)峋膶?shí)鉆編錄、記錄和測(cè)溫等資料為基礎(chǔ)，對(duì)其地?zé)岬刭|(zhì)條件和熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究分析，并采用熱儲(chǔ)法計(jì)算了區(qū)域內(nèi)的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量和可開采資源量。結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)展布的多條深大斷裂為熱儲(chǔ)提供了較好的導(dǎo)熱導(dǎo)水通道，區(qū)內(nèi)薊縣系霧迷山組為主要熱儲(chǔ)，其賦存的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量為8.27×1018J，地?zé)崴Y源量為25.37×107m3，地?zé)崴械臒崃繛?.19×1016J，為該地區(qū)今后的地?zé)豳Y源開發(fā)利用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：延慶;熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu);地?zé)豳Y源儲(chǔ)量;可開采資源量;熱儲(chǔ)法;開發(fā)利用

中圖分類號(hào)：P314? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1007-1903（2019）04-0037-06

Abstract： In order to promote sustainable utilization of geothermal resources， a kind of clean and renewable energy， it is necessary to ascertain the occurrence conditions of geothermal resources. Based on the logging， recording and temperature measurement data from the geothermal wells in Sanlihe area of Yanqing District， Beijing， this article has analyzed the geothermal and geological conditions， characteristics of geothermal reservoir structure， and calculated the corresponding geothermal reserves and recoverable resources by finite element reservoir volume method. The result indicates that multiple deep faults provide the favorable channel for geothermal fluids in this area， and Wumishan Formation of Jixian System is the main geothermal reservoir， with the geothermal reserves of 8.27×1018J， water volumes of 25.37×107m3， heat in geothermal water of 5.19×1016J. These data can provide base for the future exploitation and utilization of geothermal resources in this area.

Keywords： Sanlihe area of Yanqing District; Structure of geothermal reservoir; Geothermal reserves; Recoverable resources; Geothermal reservoir method; Exploitation and utilization

0 引言

近年來，延慶區(qū)正在積極創(chuàng)建“綠色北京示范區(qū)”和“全國(guó)領(lǐng)先的生態(tài)文明示范區(qū)”，通過出臺(tái)一系列相關(guān)規(guī)劃政策，明確提出了具體的清潔能源發(fā)展目標(biāo)。在清潔能源中，地?zé)崮茉幢然茉淳哂星鍧?、可再生等不可比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有區(qū)域?qū)偬匦?，因此在北京地區(qū)開展地?zé)崮艿馁Y源勘查和開發(fā)利用具有重要的意義。延慶地?zé)崽锸潜本┮褎澏ǖ氖鬅崽镏?，蘊(yùn)藏著比較豐富的地?zé)豳Y源（北京市國(guó)土資源局，2006），但目前主要以單井開發(fā)利用評(píng)價(jià)為主，尚未對(duì)區(qū)域內(nèi)的地?zé)豳Y源賦存條件進(jìn)行系統(tǒng)的整理分析。

為查清延慶區(qū)三里河地區(qū)的地?zé)豳Y源賦存條件，本文以區(qū)內(nèi)成功鉆鑿的多眼地?zé)峋膶?shí)鉆編錄、記錄和測(cè)溫等資料為基礎(chǔ)，對(duì)其地?zé)岬刭|(zhì)條件和熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究分析，并采用熱儲(chǔ)法計(jì)算了區(qū)域內(nèi)的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量和可開采資源量，詳細(xì)探究了區(qū)內(nèi)地?zé)岬刭|(zhì)的特征，為今后該地區(qū)的地?zé)豳Y源開發(fā)利用提供了較強(qiáng)的理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

三里河地區(qū)所處地質(zhì)構(gòu)造單元為延慶新斷陷中部。延慶新斷陷是隸屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元）燕山臺(tái)褶帶（Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元）密云懷來中隆斷（Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元）的兩個(gè)Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元。研究區(qū)內(nèi)新生界以第四系為主，巖性多為松散的沖積洪積物，顆粒較大，且厚度變化較大（丁連靖等，2007;丁連靖等，2014）。

研究區(qū)內(nèi)新生界基底以白堊系、侏羅系為主，四周山區(qū)有大面積出露。地層從老到新發(fā)育有：太古界密云群、上元古界長(zhǎng)城系、薊縣系霧迷山組、中生界侏羅系、白堊系和新生界第四系，地層組合較為簡(jiǎn)單（北京區(qū)域地質(zhì)志，1991）;巖漿巖在研究區(qū)內(nèi)有大面積出露。

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造復(fù)雜，以北東向和近南北向構(gòu)造為主（圖1），其中北東向的斷裂規(guī)模相對(duì)較大，且均為正斷層。北西向斷裂依次發(fā)育有：康莊-沈家營(yíng)斷裂（F1）、西桑園-谷家營(yíng)斷裂（F2）及五里營(yíng)-古城斷裂（F3），它們形成于燕山期，至喜山期異常活躍，控制了延慶盆地的總體形態(tài);南北向斷裂依次發(fā)育有靳家堡斷裂（F4）和古城-蘇莊斷裂（F5）（牛升晟，2013），與北東向斷裂共同作用，形成了延慶盆地現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

1.2 區(qū)域內(nèi)地?zé)豳Y源開發(fā)現(xiàn)狀

1994年，鉆探成功“新延熱-1”井（水溫52.5℃、水量1829m3/d），揭露了該地區(qū)基本地層層序和對(duì)應(yīng)厚度，使人們對(duì)延慶地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件有了初步的認(rèn)識(shí)。隨后施工的小魯莊地?zé)峋@遇了花崗巖體，表明該地區(qū)地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜。2002年開展了延慶區(qū)平原區(qū)地?zé)崞詹楣ぷ?，在其指?dǎo)下相繼鉆探成延熱-2、延熱-4、延熱-2灌、延熱灌-2（水溫65℃～70℃、水量2200～3300m3/d）和延熱-5地?zé)峋ū本┦械刭|(zhì)勘察技術(shù)院，2002），深化了人們對(duì)該區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件的認(rèn)識(shí)，使得該地區(qū)的地?zé)峥辈楹烷_發(fā)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。

目前，研究區(qū)及周邊已知地?zé)峋行卵訜?1、延熱-2、延熱-2灌、延熱灌-2、延熱灌-3、小魯莊地?zé)峋⒀訜?4、延熱-5和延熱-6井。其中小魯莊和新延熱-1井位于靳家堡斷裂西側(cè)，而延熱-5井離研究區(qū)較遠(yuǎn)，各井揭露地層、出水量、出水溫等參數(shù)見表1。

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

研究區(qū)劃分為四個(gè)構(gòu)造單元，包括西白廟-三里河凹陷、五里營(yíng)凸起、東卓家營(yíng)凹陷和西桑園-八里店單斜帶。其中，五里營(yíng)凸起北側(cè)以黃柏寺斷裂為界，東臨靳家堡斷裂，南側(cè)以五里營(yíng)-古城斷裂為界并與西白廟-三里河凹陷相接;西白廟-三里河凹陷的西北側(cè)以五里營(yíng)-古城斷裂為界，東側(cè)以靳家堡斷裂為界并與東卓家營(yíng)凹陷連接，南側(cè)則為西桑園-谷家營(yíng)斷裂;西桑園-八里莊單斜帶北臨西桑園-谷家營(yíng)斷裂，東臨古城-蘇莊斷裂，西側(cè)為靳家堡斷裂，南側(cè)則為康莊-沈家營(yíng)斷裂;卓家營(yíng)凹陷則被靳家堡斷裂、五里營(yíng)-古城斷裂和西桑園-谷家營(yíng)斷裂包圍（圖1）（北京市地質(zhì)研究所，1995）。

東卓家營(yíng)凹陷內(nèi)主要分布有延熱-5、延熱-6和延熱灌-3井。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料并結(jié)合實(shí)鉆地質(zhì)資料分析，區(qū)內(nèi)第四系埋深由南西到北東逐漸加深，從570m至1200m，凹陷中心可能位于東卓家營(yíng)附近，而薊縣系霧迷山組頂板埋深從南邊的2000m向北部逐漸加深至2400m。

延熱-2、延熱-2灌、延熱-4和延熱灌-2地?zé)峋植加谖魃@-八里店單斜帶內(nèi)。區(qū)內(nèi)第四系厚度約為530～560m，下伏地層為白堊系和侏羅系，薊縣系頂板埋深在1500～1600m左右。高精度磁測(cè)資料顯示，在廣積屯東側(cè)有一橢圓形狀磁力高值異常，推測(cè)為花崗巖體。延熱-2灌井和延熱2井的實(shí)鉆資料則顯示在1400～1590m有石英正長(zhǎng)斑巖巖脈和閃長(zhǎng)玢巖巖脈，這也驗(yàn)證了區(qū)內(nèi)深部存在著侵入巖體。

西白廟-三里河凹陷內(nèi)的新延熱-1井鉆遇第四系厚為580m，在1397m鉆遇薊縣系，且至2006m處未穿;根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及該井資料的綜合分析，區(qū)內(nèi)薊縣系頂板埋深在1400～2000m之間，最深處位于西白廟一帶。

慶2和小魯莊地?zé)峋沂玖宋謇餇I(yíng)凸起內(nèi)的第四系厚度在300～900m之間，薊縣系頂板埋深在500～1000m之間，且從西南到東北逐漸加深，最淺處在五里營(yíng)一帶。

3 熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特征

延慶地?zé)崽飳儆诔练e盆地型低溫（小于90℃）地?zé)犷愋?，主要靠地層增溫聚熱（丁連靖等，2007）。

（1）導(dǎo)熱導(dǎo)水通道

研究區(qū)北東部的佛峪口-黃柏寺斷裂是一條燕山期形成的規(guī)模較大、走向多變的張性大斷裂，與北東走向的五里營(yíng)-古城斷裂共同控制了延慶盆地的北部邊界;南部的康莊-沈家營(yíng)斷裂控制著盆地的南側(cè)邊界;而研究區(qū)中部則發(fā)育有西桑園-谷家營(yíng)斷裂。南北向的古城-蘇莊斷裂、靳家堡斷裂在一定深度上與上述4條大斷裂交匯，形成良好的縱橫交錯(cuò)熱通道網(wǎng)絡(luò)（丁連靖等，2007）。區(qū)內(nèi)已鉆探成功的地?zé)峋某鏊考俺鏊疁囟染^理想，說明上述斷裂是地下熱能向上運(yùn)移的良好通道。

（2）熱儲(chǔ)蓋層

研究區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)蓋層為第四系、白堊系、白堊系和侏羅系（李春昱，2004），地層巖性致密、厚度大，隔熱、隔水性能好，是比較好的熱儲(chǔ)蓋層。

（3）熱儲(chǔ)

研究區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)為薊縣系霧迷山組，地層巖性主要為硅質(zhì)白云巖（張進(jìn)平，2019），巖溶裂隙發(fā)育，厚度較大，有利于熱水賦存。

（4）地溫場(chǎng)分布特征

區(qū)內(nèi)已知地?zé)峋臏y(cè)溫資料詳見表2，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，該地區(qū)每百米的平均地層增溫率較高，第四系可達(dá)到4.0℃/100m以上，白堊系和侏羅系約為2.0℃/100m以上;薊縣系的地層增溫率也達(dá)到了1.0℃/100m以上，說明該地區(qū)具有較好的熱儲(chǔ)蓋層條件。

4 地?zé)豳Y源量估算

4.1 估算方法

熱儲(chǔ)法是熱水資源評(píng)價(jià)中最為常用的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于用熱儲(chǔ)法計(jì)算熱儲(chǔ)的熱量時(shí)，巖石和水的比熱、密度和孔隙度都可在實(shí)驗(yàn)條件下獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，而且適用范圍較為廣泛，不僅適用于孔隙型熱儲(chǔ)，對(duì)裂隙型熱儲(chǔ)也同樣適用。依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T11615-2010），有關(guān)的熱儲(chǔ)計(jì)算公式如下：

式中：A為計(jì)算區(qū)面積（m2）; d為熱儲(chǔ)厚度（m）;pr為熱儲(chǔ)巖石密度（kg/m3），cr為熱儲(chǔ)巖石比熱（J/（kg·℃））;φ為熱儲(chǔ)巖石的空隙度，無量綱;tr為熱儲(chǔ)溫度（℃）;to為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁兀ā妫?pw為地?zé)崴芏龋╧g/m3）;cw為水的比熱（J/（kg·℃））。

4.2 參數(shù)選取

（1）熱儲(chǔ)面積（A）

研究區(qū)的總面積約為48km2。由于區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，首先根據(jù)斷裂構(gòu)造和地層展布規(guī)律將研究區(qū)劃分為4個(gè)區(qū)域，分別為五里營(yíng)凸起（Ⅰ區(qū)）、西白廟-三里河凹陷（Ⅱ區(qū)）、卓家營(yíng)凹陷（Ⅲ區(qū)）和西桑園-八里店單斜帶（Ⅳ區(qū)），詳見圖1。

Ⅰ區(qū)：面積約為12km2，區(qū)域內(nèi)地?zé)峋饕袘c-2和小魯莊地?zé)峋?/p>

Ⅱ區(qū)：面積約為7.65km2，區(qū)域內(nèi)地?zé)峋疄樾卵訜?1井。

Ⅲ區(qū)：面積約為18.5km2，區(qū)域內(nèi)地?zé)峋饕醒訜峁?3、延熱-5和延熱-6地?zé)峋?/p>

Ⅳ區(qū)：面積約為9.85km2，區(qū)域內(nèi)地?zé)峋饕醒訜?2、延熱-2灌、延熱灌-2和延熱-4地?zé)峋ū?）。

（2）熱儲(chǔ)厚度（d）

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)的展布特征，以薊縣系霧迷山組作為主要熱儲(chǔ)，即主要計(jì)算霧迷山組熱儲(chǔ)內(nèi)的地?zé)豳Y源。

由于區(qū)內(nèi)已有地?zé)峋唇衣鹅F迷山組底板埋深，且已有地?zé)峋创┩?000m深度，則本次工作以3000m作為霧迷山組底板埋深進(jìn)行資源量估算。則研究區(qū)內(nèi)4個(gè)區(qū)域的熱儲(chǔ)厚度分別為：Ⅰ區(qū)，2000m;Ⅱ區(qū)，1600m;Ⅲ區(qū)，1000m;Ⅳ區(qū)，1600m。

（3）熱儲(chǔ)溫度（tr）

根據(jù)表1和表2中所示已有地?zé)峋某鏊疁囟群偷責(zé)嵩鰷芈?，?jì)算各區(qū)域內(nèi)熱儲(chǔ)頂板溫度和底板溫度的平均值作為該熱儲(chǔ)的溫度，則研究區(qū)內(nèi)4個(gè)區(qū)域的熱儲(chǔ)溫度分別為：Ⅰ區(qū)，42℃;Ⅱ區(qū)，58.85℃;Ⅲ區(qū)，63.5℃;Ⅳ區(qū)，70℃。

（4）當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟龋╰o）

根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，取當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶜鉁?℃作為基準(zhǔn)溫度。

（5）熱儲(chǔ)巖石密度（ρr）

據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法》（DZ40-85），石灰?guī)r密度取2600kg/m3。

（6）熱儲(chǔ)巖石比熱（cr）

據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法》（DZ40-85），石灰?guī)r比熱取220cal/（kg·℃），取1cal=4.1868J，則巖石比熱為921.096 J/（kg·℃）。

（7）地?zé)崴芏龋é褀）

地?zé)崴拿芏热?000 kg/m3。

（8）水的比熱（cw）

取1000cal/kg/℃，取1cal=4.1868J，則巖石比熱為4186.8 J/（kg·℃）;

（9）熱儲(chǔ)巖石的孔隙度（φ）

據(jù)《北京市地?zé)豳Y源潛力的勘查評(píng)價(jià)》，16組薊縣系霧迷山組孔隙率數(shù)據(jù)分布在0.12%～0.6%范圍內(nèi)，均值為0.36%（表4）。

4.3 估算結(jié)果

研究區(qū)內(nèi)的地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)結(jié)果見表4，薊縣系霧迷山組的熱儲(chǔ)存量為8.27×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.82億噸;熱水資源量為25.37×107m3，地?zé)崴袩崃繛?.19×1016J，折合標(biāo)煤177萬噸。取回采率RE為0.25，則可采地?zé)崴疅醿?chǔ)存量為1.3×1016J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤44.25萬噸。

5 地?zé)豳Y源開發(fā)利用評(píng)價(jià)

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地?zé)峋某删疃扰袛啵搮^(qū)內(nèi)的熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源的開采主要為經(jīng)濟(jì)型（成井深度為1000～3000m），即B級(jí);依據(jù)地?zé)峋牡責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量判斷，則該區(qū)為較適宜性開采區(qū)（地?zé)峋┑責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量大于50m3/d·m），等級(jí)同樣為B級(jí);同時(shí)，區(qū)域內(nèi)地?zé)崃黧w溫度均低于90℃，屬于低溫地?zé)豳Y源，適合直接利用，可用于供暖、洗浴等方面。

研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w溫度高于50℃的地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量為6.31×1018J，折合標(biāo)煤2.15億噸。研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w溫度高于50℃的熱水資源量為16.73×107m3，地?zé)崴袩崃繛?.96×1016J，折合標(biāo)煤135萬噸。為確定這一區(qū)域內(nèi)利用深層地?zé)豳Y源進(jìn)行建筑物供暖的能力，取回采率RE為0.25，則可采地?zé)崴疅醿?chǔ)存量為0.99×1016J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤33.75萬噸。以開采100年計(jì)，且該部分熱量全部用于冬季供暖（以165天計(jì)），居室采暖熱指標(biāo)取50W/m2，則每年可供暖面積約1.07×105m2。若加用調(diào)峰負(fù)荷占供熱總量30%計(jì)，則每年可供暖面積約1.53×105m2。可見在使用地源資源進(jìn)行采暖可大大減少排放到大氣中的污染物，其環(huán)境效益十分可觀。

6 結(jié)論

研究區(qū)位于延慶盆地地?zé)衢_采遠(yuǎn)景區(qū)，鉆探資料揭示了區(qū)內(nèi)深部地層層序?yàn)榈谒南怠?白堊系、白堊系加侏羅系和薊縣系霧迷山組。薊縣系霧迷山組為研究區(qū)內(nèi)的主要熱儲(chǔ)，且地?zé)嵩鰷芈试?.0℃/100m以上。

研究區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)量約為8.27×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.82億噸;熱水資源量為25.37×107m3，地?zé)崴袩崃繛?.19×1016J，折合標(biāo)煤177萬噸。取回采率RE為0.25，則可采地?zé)崴疅醿?chǔ)存量為1.3×1016J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤44.25萬噸。如果將地?zé)崃黧w溫度高于50℃的地?zé)豳Y源用于建筑物供暖，每年可供暖面積約為1.07×105m2。若加用調(diào)峰負(fù)荷占供熱總量30%計(jì)，則每年可供暖面積約1.53×105m2。

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