申中華，薛磊，韓琳，雷耀東，王光凱

(1.山東正元地質資源勘查有限責任公司，山東 濟南 250101；2.泗水縣自然資源和規(guī)劃局，山東 濟寧 273200； 3.山東省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局801水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014)

地熱資源是一種潔凈的可再生、儲量豐富、用途廣泛、非常寶貴的綜合性礦產(chǎn)資源，可用于發(fā)電、采暖、理療、洗浴、溫室及養(yǎng)殖。地熱資源的勘查開發(fā)，對于合理利用自然資源，緩解能源緊張狀況，促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展意義重大[1]。濟南市東部齊河-廣饒斷裂以南地熱資源屬于受斷裂構造控制的層狀、帶狀熱儲類型，主要熱儲層為奧陶紀灰?guī)r，分布于歷城區(qū)和章丘市，其典型代表為章丘地熱田(1)山東正元建設工程有限責任公司，申中華，隋海波，雷耀東等，濟南市東部地熱資源調查報告，2014年。。

1 地熱田邊界條件和熱儲模型

1.1 章丘地熱田邊界條件

章丘地熱田具備層狀熱儲和帶狀熱儲特征，彼此存在成生關系，地質構造條件比較復雜[2]。

1.1.1 北部邊界

西北邊界：以白云湖附近三疊系—白堊系不整合界線為界。不整合界線以北區(qū)域，有巨厚白堊系沉積，由于界線兩側巖性差異，不利于奧陶紀灰?guī)r巖溶水向北運移。因此，將白云湖附近三疊系—白堊系不整合界線視為章丘地熱田的西北邊界。

東北邊界：以齊河-廣饒斷裂為界，與沉積埋藏型地熱田相接。齊河-廣饒斷裂是一區(qū)域性大斷裂，控制著區(qū)域地層分布，斷裂南部上新世明化鎮(zhèn)組覆蓋在中生代地層之上，缺失古近紀東營組和中新世館陶組，新近系直接覆蓋在古生代侏羅系、二疊系、石炭系和奧陶系之上，奧陶系埋深一般小于3000m；斷裂以北有古近系和館陶組巨厚沉積，且古近紀東營組厚度由南向北增厚。斷裂面傾向N，落差2000m左右，局部可達2200m，奧陶系埋深在3000～5000m。因此，確定章丘地熱田的北部邊界為齊河-廣饒斷裂。

1.1.2 西部邊界

北段以文祖斷裂為界，斷裂西盤相對下降，地層相對較新，東盤相對上升，地層相對較老，為一高角度張性斷裂。斷裂西側奧陶系上部沉積較厚的白堊系、三疊系，熱儲層埋深大，地下水運動條件差，不利于地熱流體運移，推測下部奧陶系巖溶發(fā)育條件較差。文祖斷裂是一條阻水斷層，是明水泉域的西邊界、白泉泉域的東邊界，該斷層降低了兩側奧灰?guī)r溶水的水力聯(lián)系。因此，可以將文祖斷裂視為章丘地熱田北段的西邊界。

南段以溫家莊斷裂為界，該斷裂為區(qū)域深大斷裂，斷裂西側奧陶系上部沉積較厚的白堊系、三疊系、侏羅系、石炭-二疊系，熱儲層埋深一般大于2000m，由于斷層的阻隔作用以及兩側地層的巖性差異，降低了東部地熱田熱儲層與西部之間的水力聯(lián)系。因此，溫家莊斷裂可視為章丘地熱田南段的西邊界。

1.1.3 南部邊界

西南邊界以唐王斷裂為界。唐王斷裂傾向SW，為正斷層，斷裂上盤屬地下水徑流區(qū)，地下水徑流循環(huán)條件好，不具備巖溶水滯留條件。因此，將唐王斷裂作為章丘地熱田的西南邊界。

中南邊界:綜合區(qū)域地熱地質條件分析，文祖斷裂以西部分，石炭-二疊系界線以南，熱儲層埋深較淺，地下水溫度較低，地熱開發(fā)利用價值較小。因此該次工作確定以石炭—二疊系地質界線作為章丘地熱田的中南邊界。

東南邊界為文祖斷裂以東部分，綜合區(qū)域地熱地質條件分析，明水泉域北部邊界為奧陶紀灰?guī)r頂板埋深600m界線。章丘市區(qū)附近明水泉群、化肥廠水井，其巖溶水均為冷水，該區(qū)域處于明水泉域巖溶水徑流區(qū),地下水循環(huán)交替強烈，不利于成熱。因此，該次調查工作確定，以奧陶紀灰?guī)r頂板埋深800m界線為章丘地熱田的東南邊界。

1.1.4 東部邊界

以明水斷裂、辛寨-青陽附近不整合界線及章丘市東北部巖漿巖界線為界。北段為明水斷裂、辛寨-青陽不整合界線的東側奧陶系上部沉積較厚的白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系，熱儲層埋深一般大于2000m，由于斷裂的阻擋作用、兩側地層的巖性差異等，降低了地熱田熱儲層與東部地層之間的水力聯(lián)系；南段為巖漿巖界線以西奧陶系上覆石炭系、二疊系、侏羅系，由于巖漿巖體的阻擋作用，阻斷了奧灰?guī)r溶水向東北部運移，有利于地下水的匯集。

1.2 熱儲模型

章丘地熱田可概化為由熱儲層、蓋層、通道和熱源組成的地熱模型(圖1)[3-5]。

1.2.1 熱儲層

奧陶紀馬家溝群灰?guī)r、寒武-奧陶紀九龍群灰?guī)r和寒武紀長清群灰?guī)r組成了該區(qū)主要熱儲層，熱儲層裂隙巖溶較發(fā)育，具有較好的儲水空間和運移通道。受區(qū)域構造控制，熱儲埋藏深度由南至北逐漸增大，熱儲層溫度也相應升高。

1.2.2 蓋層

新生代第四系松散沉積層、新生代新近系、中生代侏羅系、中生代三疊系、二疊系和石炭系構成下伏基巖熱儲層的保溫層。

1—第四系；2—三疊系；3—二疊系；4—石炭系;5—奧陶紀馬家溝群；6—寒武系圖1 章丘地熱田奧陶紀灰?guī)r熱儲概念模型圖

1.2.3 通道

在南部山區(qū)與齊河-廣饒斷裂之間分布規(guī)模較大的兩組斷裂，NNE向斷裂，如歷城斷裂、鴨旺口斷裂、港溝斷裂、溫家莊斷裂等；NNW向斷裂，如東塢斷裂、文祖斷裂、明水斷裂等。區(qū)內一些斷裂本身也具有導水性，溝通了深部與淺部的聯(lián)系，使深部地下熱水能夠向淺部運移和聚集，是地熱流體與深部熱源溝通的通道。

1.2.4 熱源

主要包括大地熱流和斷裂的附加供熱。大地熱流為其主要熱源，一部分來自地殼深部8～16km的花崗巖中的放射性元素衰變釋放的地殼熱流，一部分來自于上地幔熱流，供熱方式為熱傳導。

2 主要參數(shù)選擇

在綜合分析熱儲的空間分布、邊界條件和滲透特征，研究地熱流體的補給和運移規(guī)律，研究地熱的成因、熱傳導方式、地溫場特征，并在建立地熱系統(tǒng)概念模型的基礎上進行[3-5]。主要參數(shù)選擇分別計算熱儲中的地熱儲量、儲存的地熱流體量、地熱流體可開采量及可利用的熱能量。

2.1 熱儲面積

按照熱儲層埋深、章丘地熱田的邊界所圈定的范圍確定計算分區(qū)，各計算分區(qū)內根據(jù)勘查工程控制程度、地質構造情況又分為幾個亞區(qū)，儲量計算分區(qū)見圖2，儲量計算分區(qū)面積(表1)[6-7]，由于Ⅲ區(qū)奧陶系埋深大于2000m，研究程度較差、成井風險較高，因此不作為該次工作的計算范圍。

需要注意的是，雖然重組tPA及其變異體都屬于tPA，但其溶栓治療的疾病有所不同。阿替普酶于1987年獲美國FDA批準用于治療急性心肌梗死，之后又于1996年獲美國FDA批準用于治療AIS和急性肺動脈大栓塞。瑞替普酶和替奈普酶分別于1996年和2000年獲美國FDA批準僅用于治療急性心肌梗死。

表1 章丘地熱田儲量計算分區(qū)統(tǒng)計

1—奧陶系熱儲埋深800m以淺區(qū)；2—奧陶系熱儲埋深2000m以淺區(qū)；3—奧陶系熱儲埋深大于2000m區(qū)；4—儲量計算分區(qū)編號；5—C-P地質界線；6—斷層；7—巖漿巖界線；8—角度不整合界線；9—奧陶系埋深等值線；10—明水泉域邊界圖2 儲量計算分區(qū)圖

2.2 熱儲層厚度

儲厚度依據(jù)已施工地熱井實際熱儲層厚度平均值確定(2)山東省地礦工程勘察院，山東省濟南市歷城區(qū)壩子地熱單井地質報告，2006年。(3)山東省地質環(huán)境監(jiān)測總站，山東省章丘市棗園桃花山地熱資源普查報告，2011年。，由已施工的章桃1地熱井得知熱儲層厚度為48.77m。對沒有控制鉆探孔的區(qū)域，取相鄰區(qū)域熱儲層厚度最小值，由章丘地熱田相鄰的濟北地熱田可知熱儲層厚度平均值為131.94m。

2.3 熱儲溫度

有地熱井的計算區(qū)，利用已有地熱井溫度推算溫度的平均值；無地熱井的計算區(qū)，利用該區(qū)蓋層地溫梯度平均值和蓋層平均厚度進行推算[8]。其中，Ⅰ區(qū)根據(jù)地溫梯度推算和相鄰地區(qū)地熱井實際溫度推測取38℃，Ⅱ-1區(qū)、Ⅱ-2區(qū)、Ⅱ-3區(qū)和Ⅱ-4區(qū)根據(jù)地溫梯度推算和濟北地熱田熱儲埋深800～2000m的井口實際溫度平均值取51.6℃。

2.4 巖石和水的物理參數(shù)

根據(jù)《地熱資源評價方法》(DZ40-85)，熱儲巖石和水的平均熱容量由下列公式計算得出[9]：

C均=ρc×Cc×(1-ψ)+ρw×Cw×ψ

(1)

式中：ρc，ρw—巖石和水的密度(kg/m3)；Cc，Cw—巖石和水的比熱容(kcal/kg·℃)；φ—巖石的孔隙度(%)。各項參數(shù)取值主要來源于DZ40-85《地熱資源評價方法》中有關要求、經(jīng)驗值及區(qū)域地質報告中的實測值。其中，巖石密度為2690kg/m3，比熱為920J/kg·℃，孔隙度為5.5%；熱水密度為992.96kg/m3，比熱為4180J/kg·℃，溫度為38℃。

2.5 熱儲層水動力參數(shù)

熱儲層水動力參數(shù)包括滲透系數(shù)(K)、導水系數(shù)(T)、貯水系數(shù)(μ*)等，利用區(qū)內地熱井抽水試驗資料[9]和相關公式求其平均值，計算結果如表2所示。

表2 熱儲層水動力參數(shù)計算結果

3 地熱資源計算

3.1 地熱能資源量計算

3.1.1 計算公式

依據(jù)地熱地質條件及章丘地熱田勘查研究程度，采用熱儲法[6，10]計算地熱資源量，公式為[6]：

Q=Qr+Qw

Q=AdρrCr(1-ψ)(tr-t0)

QL=Q1+Q2

Q2=Aμ×H

Qw=QLCwρW(tr-t0)

(2)

式中：Q—熱儲中儲存的熱量(J)；Qr—巖石中儲存的熱量(J)；QL—熱儲中儲存的水量(m3)；Q1—截止到計算時刻，熱儲孔隙中熱水的靜儲量(m3)；Q2—水位降低到目前取水能力極限深度時熱儲所釋放的水量(m3)；QW—水中儲存的熱量(J)；A—計算區(qū)面積(m2)；d—熱儲厚度(m)；ρr—熱儲巖石密度(kg/m3)；cr—熱儲巖石比熱(J/kg·℃)；φ—熱儲巖石的空隙度(無量綱)；tr—熱儲溫度(℃)；t0—當?shù)啬昶骄鶜鉁?℃)；ρw—地熱流體密度(kg/m3)；μ*—貯水系數(shù)(無量綱)；H—計算起始點以上高度(m)；cw—水的比熱(J/kg·℃)。

3.1.2 計算結果

計算參數(shù)取經(jīng)驗值[6]并通過試驗、測試取得，該次計算ρr取2700kg/m3，取920 J/kg·℃。將上述參數(shù)代入熱儲法公式分別計算各區(qū)的資源量，在章丘地熱田Ⅰ,Ⅱ計算分區(qū)385.225km2范圍內，地熱資源總量為1.337×1018J，折合標準煤0.4562×108t(表3)。

3.2 地熱流體可開采量計算

3.2.1 計算公式

一般的地熱流體可采量計算主要有熱儲法、解析法、統(tǒng)計分析法和數(shù)值模擬法等4種方法[12]。章丘地熱田地熱流體運動滯緩[13]，是具有一定補給的地熱田，采用解析法中的開采強度法[13-14]計算可開采量較符合地下水動力學原理。該次計算按照設計開采服務年限100年，根據(jù)《地熱資源地質勘查規(guī)范》(GB11615-2010)規(guī)范要求，開采區(qū)中心部位最大允許壓力降低值取0.3MPa[6]。

表3 章丘地熱田地熱資源量計算結果

將章丘地熱田各計算分區(qū)概化矩形面積(圖3)，在矩形開采區(qū)內，任取一點(ξ，η)為中心，取一微分面積dF=dξdη，并把它看成開采量為dQ的一個點井，在此點井的作用下，開采區(qū)內外將形成水位降深的非穩(wěn)定場，對任一點引起的水位降深dS，可用下列公式計算：

(3)

式中：dQ—開采量；τ—計算時刻；T—導水系數(shù)；a—壓力傳導系數(shù)；t—時間；r—點井到點A(x,y)的距離。

圖3 概化的矩形開采區(qū)示意圖

圖中，r2=(x-ξ)2+(y-η)2，設開采強度為ε，則dQ=εdξdη，同時置換T=αμ*，μ*為貯水系數(shù)(彈性釋水系數(shù))。代入公式(3)，并在矩形區(qū)內積分，即得到A點的總水位降深：

s*(α2,β1)s*(α2,β1)]

(4)

地熱流體可開采量可表示為：

Q=ε·A

(5)

式中：Q—可開采量(m3/d)；A—開采區(qū)面積(km2)。

由于地熱能資源量不可能全部被開采出來，只能開采出一部分，因此，二者的比值稱為回收率，用以下公式表示：

RE=Qwh/QR

(6)

式中：RE—回收率；Qwh—開采出的熱量，即從井口得到的熱量；QR—埋藏于地下熱儲中的地熱資源量。

3.2.2 計算結果

在進行地熱資源評價時，碳酸鹽巖裂隙熱儲回收率一般取0.15。為了合理確定章丘地熱田地熱流體的可開采量，采用地熱資源量與地熱流體開采產(chǎn)生熱量對比，按照回收率對地熱流體可開采量進行修正，將修正后的估算結果作為地熱流體的可開采量[14]。綜合以上計算分析，得出章丘地熱田地熱流體可開采量為6620.56m3/d。

3.3 地熱田產(chǎn)能計算

3.3.1 計算公式

依據(jù)地熱流體可開采量所采出的熱量，按公式計算地熱田的產(chǎn)能(熱能或電能)[6]。

Wt=4.1868Q(t-t0)

(7)

式中：Wt—熱功率(kW)；Q—地熱流體可開采量(L/)s；t—地熱流體溫度(℃)；t0—當?shù)啬昶骄鶜鉁?℃)；4186.8—單位換算系數(shù)。

將有關參數(shù)代入公式(7)，得到章丘地熱田產(chǎn)能Wt=1.083×104kW=10.83MW。

章丘地熱流體年開采累計可利用的熱能量計算公式如下：

∑Wt=86.4DWt/K

(8)

式中：∑Wt—開采一年可利用的熱能(MJ)；D—全年開采日數(shù)(按24h換算的總日數(shù)，d)；Wt—計算得出的熱功率值(kW)；86.4—單位換算系數(shù)；K—熱效比(按燃煤鍋爐的熱效率0.6計算)。

3.3.2 計算結果

取D=365，K=0.6，計算得出章丘地熱田年開采累計可利用的熱能量為5.690×108MJ，折合標準煤1.941×104t/a。

4 地熱資源及其開發(fā)利用評價

4.1 地熱資源計算結果的評價

該文對章丘地熱田地熱資源計算所采用的熱儲法，不僅適用于松散巖類地區(qū)，也適用于基巖區(qū)[11,15]，章丘地熱田的熱儲模型和相關參數(shù)均通過前人資料的分析研究、野外試驗和實測數(shù)據(jù)，可得區(qū)內無鉆探孔的情況下參考當?shù)亟?jīng)驗數(shù)據(jù)，計算方法簡便可行，為今后章丘地熱田地熱資源量的開發(fā)利用潛力評價提供了數(shù)據(jù)支持。

(1)地熱流體資源可開采量是進行地熱開發(fā)設計和總體規(guī)劃的依據(jù)。章丘地熱田內熱水井開采必將引起水頭壓力降低，該次工作采用最大允許壓力降低值0.3MPa，對地熱流體資源可開采量進行了計算，并通過回收率對可開采量進行修正。根據(jù)現(xiàn)狀條件下地熱流體實際水頭高度一般高出地面數(shù)米，設計最大允許壓力降低0.3MPa就目前的經(jīng)濟條件、開采技術和提水設備是完全可以達到的，也是切實可行的。

(2)章丘地熱田地熱資源總量為1.337×1018J，地熱流體可開采量為6620.56m3/d。可開采地熱資源量與采水產(chǎn)生熱量對比見表4，地熱流體100年可開采總量所能采出的總熱量為5.690×1016J，僅占地熱田熱儲中儲存熱量的4.26%。從熱量的角度來說，地熱流體可采資源量能夠得到保證[9,16]。

4.2 地熱資源的開發(fā)利用評價

4.2.1 地熱采暖

章丘地熱田地熱流體溫度一般在35～43℃，將水溫控制在38℃左右，利用低溫地熱流體進行地板式采暖完全可行。

表4 可利用地熱資源量與采水產(chǎn)生熱量對比

4.2.2 溫泉洗浴、理療

章丘地熱田地熱流體中富含氟、鋰、鍶、硫化氫、偏硼酸、偏硅酸等多種微量元素和組分，具有一定的理療和保健作用。依托溫泉浴療，可以開發(fā)游泳館、嬉水樂園、康樂中心、會議中心、療養(yǎng)中心、溫泉飯店、溫泉度假村、高級賓館等一系列娛樂旅游項目。

4.2.3 種植、養(yǎng)殖

依托章丘地熱田資源和已施工地熱井，建造溫泉溫室，種植名優(yōu)花卉、特種蔬菜、培養(yǎng)菌種等，也可以用來發(fā)展旅游農業(yè)、漁業(yè)養(yǎng)殖等。

4.3 地熱資源的保護

章丘地熱田地熱資源利用結構單一，缺乏綜合利用、梯級開發(fā)。地熱資源的開發(fā)利用會引起一系列環(huán)境問題，應合理開發(fā)利用和保護地熱流體資源，保障地熱流體資源的健康可持續(xù)利用。為了保護地熱資源和環(huán)境，必須統(tǒng)一部署，統(tǒng)一規(guī)劃，綜合管理。比如，統(tǒng)一規(guī)劃、制定完善的管理辦法；綜合開發(fā)利用，提高地熱流體資源利用技術和利用水平；建立區(qū)域地熱流體資源監(jiān)測系統(tǒng)；提高環(huán)保意識，制定尾水、廢水達標排放標準及措施等。

5 結論

(1)章丘地熱田總面積為468.524km2，在計算分區(qū)Ⅰ，Ⅱ區(qū)385.225km2范圍內，地熱資源總量為1.337×1018J，折合標準煤0.4562×108t。按照最大允許壓力降低值0.3MPa計算，章丘地熱田熱儲地熱流體資源可開采量為6620.56 m3/d。按照地熱流體可開采量計算的地熱田產(chǎn)能為10.83MW，年開采累計可利用的熱能量為5.690×108MJ，折合標準煤1.941×104t/a。

(2)該次計算與評價為章丘地熱資源的勘查、開發(fā)和科學合理的規(guī)劃利用提供了數(shù)據(jù)支撐，對帶動當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，構建能源節(jié)約型社會提供借鑒。