孫艷玲，朱時(shí)佳，王雅男，朱彤

吉林省地質(zhì)調(diào)查院，吉林 長(zhǎng)春 130102

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人們對(duì)能源的需求逐漸增加。同時(shí)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越明顯，需要加強(qiáng)能源的調(diào)整，開(kāi)發(fā)新的能源方式。其中地?zé)豳Y源得到重視，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。伊舒斷陷盆地(伊通段) 是典型的熱傳導(dǎo)增溫型層狀熱儲(chǔ)，采用熱儲(chǔ)法計(jì)算地?zé)豳Y源儲(chǔ)量，對(duì)伊通縣地?zé)豳Y源進(jìn)一步合理開(kāi)發(fā)利用具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于伊通滿族自治縣境內(nèi)，隸屬四平地區(qū)，位于東經(jīng)125°06′00″～125°27′14″，北緯：43°17′44″～43°34′55″范圍內(nèi)，面積409.47 km2。北與長(zhǎng)春市毗連，南與遼源市接壤，東與磐石市相鄰、西與公主嶺市接界。研究區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季濕熱多雨，秋季涼爽溫差大，冬季寒冷漫長(zhǎng)。

研究區(qū)位于伊通斷陷盆地，西部邊界為產(chǎn)狀近于直立的邊緣控盆斷裂，與大黑山地壘相鄰；東部呈緩坡?tīng)盥∑饏^(qū)與那丹哈達(dá)嶺相鄰；南部以東遼河斷裂為界，與葉赫斷陷相鄰；北部以伊丹隆起相隔，與鹿鄉(xiāng)斷陷為鄰。熱儲(chǔ)類型為古近系碎屑巖類裂隙孔隙層間承壓水。熱儲(chǔ)層巖性主要為砂礫巖、中粗砂巖及中細(xì)砂巖和粉細(xì)砂巖。熱儲(chǔ)層埋深奢嶺組900～2 000 m，溫度45.6～80.6 ℃，雙陽(yáng)組1 500～2 200 m，溫度53.2～64.5 ℃，百米平均地溫梯度為3.0～4.5 ℃左右。地?zé)崃黧w出口溫度在40～60 ℃范圍內(nèi)，是目前已知的質(zhì)量較好的低溫溫?zé)崴?Ⅳ級(jí))地?zé)醄1]。

2 熱儲(chǔ)模型

工作區(qū)距離隔水邊界較遠(yuǎn)，且熱儲(chǔ)層分布較廣。因此，可以將邊界概述為穩(wěn)定的定水頭邊界，熱儲(chǔ)層概述為地層水平的，各向同性的，無(wú)限延展的承壓含水體系，地?zé)峋鶠橥暾?。并滿足以下條件：①無(wú)垂向補(bǔ)給、排泄，即w=0；②滲流滿足達(dá)西定律；③完整井，假定流量沿井壁均勻進(jìn)水；④水頭下降引起地下水從儲(chǔ)量中的釋放是瞬時(shí)完成的；⑤降壓前水頭面是水平的；⑥熱儲(chǔ)層側(cè)向無(wú)限延伸[2]。在上述假設(shè)條件下，降壓后將形成以井軸為對(duì)稱軸的下降漏斗，將坐標(biāo)原點(diǎn)放在熱儲(chǔ)層底板降壓井的井軸處，井軸為 Z 軸，此時(shí)，單井定流量的承壓完整井流，可歸納為如下的數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：Q——地?zé)峋克?m3/d);

r——半徑(m);

s——降深(m);

T——導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)。

上述數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得出Thiem公式：

當(dāng)u≤0.01時(shí)，Thiem 公式可簡(jiǎn)化為Jacob公式;

3 地?zé)豳Y源分區(qū)

根據(jù)本區(qū)水文地質(zhì)特征、構(gòu)造特征及物源補(bǔ)給條件，劃分為兩個(gè)地?zé)崽锛耙粋€(gè)空白區(qū)，地?zé)崽镞吔绨凑粘练e邊界劃定[3]。兩個(gè)地?zé)崽锓謩e為馬鞍山地?zé)崽铩⑷易拥責(zé)崽?。其中，馬鞍山地?zé)崽镂挥谀锴鄶嘞?，物源為西北方向，面積為69.43 km2。三家子地?zé)崽镂挥诼灌l(xiāng)斷陷南側(cè)，物源為東北方向，面積為105.18 km2?？瞻讌^(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源匱乏，不計(jì)入儲(chǔ)量。

各地?zé)崽锇凑崭凰缘燃?jí)劃分不同的計(jì)算分區(qū)。富水性等級(jí)嚴(yán)格受沉積砂層厚度、巖性和埋藏深度等地質(zhì)特征控制。區(qū)內(nèi)主要熱儲(chǔ)層為永吉組、奢嶺組及雙陽(yáng)組。結(jié)合已施工鉆孔、收集鉆孔及古地理環(huán)境圖，確定熱儲(chǔ)層厚度分布。按照已有鉆孔降壓試驗(yàn)結(jié)果確定單井涌水量。綜合考慮上述劃分標(biāo)準(zhǔn)，將富水性等級(jí)劃分為較富集區(qū)、中等區(qū)及貧乏區(qū)。其中，貧乏區(qū)水量小，基本無(wú)開(kāi)發(fā)利用價(jià)值，因此，貧乏區(qū)只計(jì)算儲(chǔ)量，不計(jì)算開(kāi)采量。

各亞區(qū)及富水性等級(jí)分區(qū)分布情況及依據(jù)見(jiàn)表1、圖1。

圖1 伊通縣地?zé)豳Y源計(jì)算分區(qū)圖Fig.1 Calculation zoning map of geothermal resources in Yitong County1.熱儲(chǔ)等級(jí)界線；2.C級(jí)評(píng)價(jià)區(qū)；3.D級(jí)評(píng)價(jià)區(qū)；4.代表鉆孔；5.地?zé)崽镞吔?/p>

表1 伊通縣地?zé)醽唴^(qū)分布簡(jiǎn)表

4 主要計(jì)算參數(shù)

本次地?zé)豳Y源普查為地?zé)豳Y源預(yù)可行性勘查及調(diào)查階段，勘查區(qū)面積409.47 km2，熱儲(chǔ)分布面積174.61 km2，施工地?zé)峋?眼，根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ/T0331-2020)[4]，利用熱儲(chǔ)法計(jì)算儲(chǔ)量需要確定的參數(shù)主要有熱儲(chǔ)面積及范圍、熱儲(chǔ)厚度、熱儲(chǔ)溫度及其他流體參數(shù)(表2)。

表2 伊通縣地?zé)豳Y源計(jì)算分區(qū)表

4.1 地?zé)豳Y源評(píng)估范圍

地?zé)豳Y源分布總面積為174.61 km2，其中馬鞍山地?zé)崽锩娣e為69.43 km2，三家子地?zé)崽锩娣e為105.18 km2?？刂频?C級(jí))面積由已有地?zé)峋绊懓霃饺Χǚ秶?，推斷?D級(jí))面積由地?zé)崽锏刭|(zhì)特征確定。各地?zé)崽锓謪^(qū)原則及面積參照表1、表2。

4.2 熱儲(chǔ)溫度

本次熱儲(chǔ)溫度采用地?zé)崃黧w的儲(chǔ)層溫度計(jì)算。對(duì)于施工鉆孔，取地?zé)峋衣稛醿?chǔ)層的測(cè)井平均溫度計(jì)算。對(duì)于收集石油鉆孔，有測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的，按照測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中溫度平均值計(jì)算；無(wú)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)但有出口溫度的，可根據(jù)出口溫度推算。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般熱儲(chǔ)層內(nèi)水流至出水口的熱損耗溫度值為2～5 ℃。對(duì)于既無(wú)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)也無(wú)出口溫度的，按照平均地溫梯度，推算儲(chǔ)層深度的地?zé)崃黧w溫度[5]。

4.3 熱儲(chǔ)層厚度

根據(jù)地?zé)峋疁y(cè)井解釋與錄井資料確定，對(duì)于施工鉆孔，根據(jù)測(cè)井解釋報(bào)告，累計(jì)1 300～2 500 m內(nèi)的所有具有儲(chǔ)熱能力的水層厚度總和。對(duì)于收集石油鉆井，主要根據(jù)鉆孔測(cè)井結(jié)果中鉆孔柱狀圖推算熱儲(chǔ)層厚度。

4.4 孔隙率

根據(jù)地?zé)峋疁y(cè)井解釋與錄井資料確定，對(duì)于施工鉆孔，孔隙度數(shù)據(jù)取自測(cè)井解釋報(bào)告中孔隙度均值。收集的石油鉆孔，主要按照測(cè)井結(jié)果中電阻率、自然電位等曲線數(shù)據(jù)，對(duì)比施工鉆孔實(shí)測(cè)資料，推斷平均孔隙度值。

4.5 地?zé)崃黧w參數(shù)

物理參數(shù)按照《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法》(DZ40-85)中表4選取。砂巖與地?zé)崃黧w的比熱容分別為1.2 kJ/kg·℃、4.2 kJ/kg·℃， 砂巖與地?zé)崃黧w的密度分別為2 600 kg/m3、1 000 kg/m3；常溫層為7 ℃。

5 地?zé)豳Y源儲(chǔ)量計(jì)算

本次利用熱儲(chǔ)法計(jì)算地?zé)豳Y源儲(chǔ)量，地?zé)豳Y源儲(chǔ)量包含地?zé)崃黧w儲(chǔ)存熱量及巖石中儲(chǔ)存熱量?jī)刹糠?，其中，地?zé)崃黧w儲(chǔ)存熱量由地?zé)崃黧w儲(chǔ)存量計(jì)算得出，地?zé)崃黧w儲(chǔ)存量利用體積法計(jì)算，過(guò)程如下：

5.1 地?zé)崃黧w儲(chǔ)存量(Q)

根據(jù)計(jì)算區(qū)的面積、熱儲(chǔ)巖石的孔隙率和熱儲(chǔ)層的厚度，利用體積法計(jì)算地?zé)崃黧w儲(chǔ)存量(表3)。

表3 伊通縣流體儲(chǔ)存量分布表

Q=Aφd

式中：Q——地?zé)豳Y源靜儲(chǔ)量(m3)；

A——面積(m2) ；

φ——巖石有效孔隙度(無(wú)量綱)，取用加權(quán)平均值；

d——含水層厚度(m)。

全區(qū)地?zé)崃黧w儲(chǔ)存量為4.51×109m3，其中，馬鞍山地?zé)崽锏責(zé)崃黧w儲(chǔ)存量為1.50×109m3，三家子地?zé)崽锏責(zé)崃黧w儲(chǔ)存量為3.01×109m3。

5.2 地?zé)豳Y源儲(chǔ)量(Qw)

地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量包括地?zé)崃鲀?chǔ)存熱量及巖石儲(chǔ)存熱量?jī)刹糠帧?/p>

Qw=Q流+Q巖

(1)地?zé)崃黧w儲(chǔ)存熱量(Q流),利用水的比熱、密度、水溫計(jì)算地?zé)崃黧w儲(chǔ)存熱量，計(jì)算公式如下：

Q流=VCwρw(tr-t0)

式中：Q流—地?zé)崃黧w儲(chǔ)存熱量(kJ)；

V——流體體積(m3) ；

Cw——流體比熱容(kJ/kg·℃)；

ρw——流體密度(kg/m3)；

tr——流體溫度(℃)，取加權(quán)平均值；

t0——年平均溫度(℃)。

經(jīng)計(jì)算，全區(qū)地?zé)崃黧w儲(chǔ)存熱量為1.08×1015kJ，其中，馬鞍山地?zé)崽锏責(zé)崃黧w儲(chǔ)存熱量為3.47×1014kJ，三家子地?zé)崽锏責(zé)崃黧w儲(chǔ)存熱量為7.33×1014kJ。

(2)巖石儲(chǔ)存熱量(Q巖),根據(jù)計(jì)算區(qū)面積、熱儲(chǔ)巖層厚度、巖石的密度和巖石的比熱計(jì)算巖石中儲(chǔ)存的熱量。計(jì)算公式如下：

Q巖=Vrρrcr(tr-t0)

式中：Q巖—巖石儲(chǔ)存熱量(kJ)；

Vr—巖石體積(m3) ；

Cr—巖石比熱容(kJ/kg·℃)；

ρr—巖石密度(kg/m3)；

tr—巖石溫度(℃)，取加權(quán)平均值；

t0—年平均溫度(℃)。

經(jīng)計(jì)算，地?zé)豳Y源巖石儲(chǔ)存熱量為4.81×1015kJ，其中，馬鞍山地?zé)崽飵r石儲(chǔ)存熱量為1.53×1015kJ，三家子地?zé)崽飵r石儲(chǔ)存熱量為3.28×1015kJ。

(3)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量(Qw),地?zé)豳Y源儲(chǔ)量等于地?zé)崃黧w儲(chǔ)存熱量加上巖石中儲(chǔ)存的熱量之和，是計(jì)算區(qū)儲(chǔ)存的總熱量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 伊通縣地?zé)豳Y源儲(chǔ)量計(jì)算表

經(jīng)地?zé)醿?chǔ)存量計(jì)算，地?zé)豳Y源儲(chǔ)量為5.89×1015kJ，其中，馬鞍山地?zé)崽锏責(zé)豳Y源儲(chǔ)量為1.87×1015kJ，三家子地?zé)崽锏責(zé)豳Y源儲(chǔ)量為4.02×1015kJ。

6 結(jié)論

(1)該區(qū)地?zé)豳Y源屬于中低溫地?zé)崽铮瑹醿?chǔ)類型屬熱傳導(dǎo)增溫型層狀熱儲(chǔ)。根據(jù)儲(chǔ)熱層沉積環(huán)境、物性、厚度及富水性等地?zé)岬刭|(zhì)條件，將本區(qū)劃分為兩個(gè)地?zé)崽铮謩e為馬鞍山地?zé)崽?、三家子地?zé)崽铩?/p>

(2)通過(guò)熱儲(chǔ)法計(jì)算，得出區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量為 4.51×109m3，換算地?zé)崃黧w儲(chǔ)存熱量為1.08×1015kJ，巖石中儲(chǔ)存熱量為4.81×1015kJ，地?zé)豳Y源儲(chǔ)量為5.89×1015kJ。