肖 雄，李 堯，楊 珍，肖 娟

(1.河南省地質礦產勘查開發(fā)局第二地質環(huán)境調查院，河南 鄭州 450000；2.河南省地熱能開發(fā)工程技術研究中心，河南 鄭州 450000；3.河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

地熱資源是綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源，具有廣泛的用途和廣闊的開發(fā)前景[1-3]。蘭考縣地熱資源豐富，現階段地熱資源主要用于商業(yè)服務和居民采暖，其主要開發(fā)的熱儲層位為新近系明化鎮(zhèn)組熱儲和新近系館陶組熱儲[4]。隨著地熱資源的大規(guī)模開發(fā)利用，也帶來了許多的環(huán)境地質問題，如：區(qū)域地下水位下降、地面沉降、尾水無組織亂放等。因此亟需進一步調查評價，為地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供技術支持。

1 區(qū)域地質背景

1.1 構造

研究區(qū)位于華北地臺區(qū)，以聊蘭斷裂為界，東臨菏澤凸起，同時東西向的新鄉(xiāng)—商丘大斷裂(F3)橫貫區(qū)內，其中新鄉(xiāng)—商丘大斷裂(F3)以南部分位于濟源—開封凹陷內，以北部分位于東濮凹陷內[5]。

蘭考縣內主要斷裂為新鄉(xiāng)—商丘大斷裂(F3)、聊蘭斷裂的次級斷裂(F6)及推測斷層(F7、F8)(圖1)。聊蘭斷裂次級斷裂(F6)不屬于區(qū)域深大斷裂且形成時代晚于新鄉(xiāng)—商丘大斷裂(F3)，因此推測聊蘭斷裂次級斷裂(F6)錯動了新鄉(xiāng)—商丘大斷裂(F3)。以上斷裂埋藏基本在2 000 m左右，部分地段切進新近系。

1.2 地層

研究區(qū)地處華北地層區(qū)華北平原分區(qū)，基底位于隱伏的秦嶺東西向構造體系東端和新華夏構造體系的復合部位。研究區(qū)地殼一直處于緩慢的沉降運動中，受古地理、古氣候影響，沉積了巨厚的新生代地層，研究區(qū)基底主要為奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系及白堊系，其新生界底板埋深2 000～5 000 m，2 000 m以淺自下而上沉積了古近系、新近系、第四系[6]。

2 地熱地質特征

2.1 熱儲層特征

研究區(qū)地熱類型屬沉積盆地傳導型[7-9]，3 000 m深度內存在多層熱儲層，大致可分為新近系明化鎮(zhèn)組孔隙熱儲層、新近系館陶組孔隙熱儲層及古近系孔隙裂隙熱儲三種類型[10](圖2和圖3)。

2.1.1 新近系明化鎮(zhèn)組孔隙熱儲層

該熱儲層遍布研究區(qū)，其厚度較均勻，頂板埋深約為300 m左右。熱儲巖性主要為中細砂、粉細砂，累計厚度400 m左右，井口水溫30℃～50℃之間，其熱儲富水性較好，單井開采能力為42～80.6 m3/h左右。

圖1 區(qū)域地質圖

2.1.2 新近系館陶組孔隙熱儲層

該熱儲層遍布研究區(qū)，頂板埋深1 500 m左右，熱儲巖性為棕紅色泥巖與棕黃色細砂巖呈不等厚互層，含水層滲透性好，井口出水溫度普遍在70℃～74℃之間，涌水量80～120 m3/h，現該層熱儲為蘭考縣城地熱供暖主要利用層位。

圖2 可控源音頻大地電磁側身推斷剖面圖

2.1.3 古近系孔隙裂隙儲層

區(qū)內古近系熱儲普遍埋深在1 900 m以下(區(qū)內西北部局部埋深約1 100 m)，據區(qū)域資料，古近系熱儲巖性為紫紅色、灰白色、灰綠色細砂巖泥巖互層。調查區(qū)地熱井成井層位基本都位于新近系，少部分位于進入古近系，且都未揭穿，因此缺少該熱儲層富水性資料。

圖3 區(qū)內熱儲層東西向地層剖面

2.2 地熱流體補給來源及成因機理

地熱流體主要來源于大氣降水和各種地表水的滲入補給，利用氫、氧同位素的穩(wěn)定性和向內陸地區(qū)運移過程中的變化規(guī)律，根據地熱流體中氘(D)、氧18(18O)的含量可以判斷地熱流體的來源，確定補給區(qū)和補給高度[11-12]。研究區(qū)大部分位于開封凹陷內，根據河南省大氣降水和開封凹陷大氣降水δD-δ18O直線方程對同位素樣品進行分析可知：研究區(qū)地熱井的δD值分布在-70%～-80%，平均值-75.45%；δ18O值分布在-9.21%～-10.83%，平均值-10.29%。δD、δ18O值點絕大多數落于大氣降水線附近或其下方，說明其來主要來源于大氣降水(圖4)。

放射性同位素的衰變不受溫度、壓力和化學成分等外界因素的影響，可以測定計算地熱流體的年齡即水在熱儲層中的貯留時間。通過對開封凹陷放射性同位素分析可知：研究區(qū)新近系明化鎮(zhèn)組地熱水年齡為2萬 a，古近系為2.2萬 a；從節(jié)水辦西郊深井到節(jié)水辦東郊深井，水平距離約6 km，地熱流體年齡由22 090 a增至24 120 a，滲透速率8.1 mm/d，表明研究區(qū)地熱流體自西向東或由西北向東南緩慢徑流。由此可知：研究區(qū)地熱流體的補給源是位于開封凹陷外西部山區(qū)的大氣降水，自西向東或由西北向東南緩慢徑流。其成因機理詳見圖5。

圖4 開封凹陷地熱井δD-18O關系圖

2.3 地熱流體特征

新近系明化鎮(zhèn)組熱儲地熱流體的水化學類型以HCO3·Cl-Na型為主，pH值一般8.0～8.3左右，屬弱堿性水；溶性總固體含量1 380.2～1 896.71 mg/L，地熱流體中氟、偏硼酸含量達到了醫(yī)療價值濃度，偏硅酸含量達到了礦水濃度，可命名為具有理療價值的溫水，可直接用于地熱供暖、溫泉洗浴等。

新近系館陶組熱儲地熱流體的水化學類型以Cl-Na型為主，pH值一般7.5～8.1，屬弱堿性水；可溶性總固體一般13 921.91～15 091.55 mg/L。地熱流體中溴、碘、鋰、偏硅酸、偏硼酸含量達到了礦水濃度；鍶含量達到了命名礦水濃度，可命名為鍶水，可直接用于溫泉洗浴等；地熱流體為硬沉淀物的水的水，因此需做軟化處理后可作為供暖用水。

圖5 研究區(qū)地熱成因模式圖

3 地熱資源計算

根據《地熱資源地質勘查規(guī)范》(GB11615-2010)要求，結合地下熱流系統(tǒng)的特征，對鉆孔控制的充足的新近系明化鎮(zhèn)組熱儲和新近系館陶組熱儲采用熱儲法方法評價地熱資源/儲量，最大降深法計算可開采量[13-14]；對鉆孔控制不足的古近系熱儲采用比擬法評價地熱資源/儲量。根據區(qū)內地熱地質條件，將其分為四個地熱區(qū)(圖6)。

經計算，區(qū)內控制的280 km2范圍內，新近系明化鎮(zhèn)組熱儲儲存熱量5.14×1018J，儲存水量2.11×1010m3，地熱流體可采量1.65×107m3/a；新近系館陶組熱儲儲存熱量為1.94×1019J，儲存水量為4.82×1010m3，地熱流體可采量為9.01×107m3/a；古近系熱儲儲存熱量2.75×1019J，儲存水量3.03×1010m3。全區(qū)熱儲存熱量為5.20×1019J，儲存水量為9.96×1010m3，地熱流體可采量為1.07×108m3/a。

圖6 地熱分區(qū)圖

4 地熱資源開發(fā)利用前景

4.1 新近系熱儲

新近系熱儲層遍布研究區(qū)，其厚度較均勻，頂板埋深約為300 m左右，該熱儲層為蘭考縣城地熱供暖主要利用層位。中石化河南新星石油有限公司、浙江陸特能源科技股份有限公司已分別在蘭考縣的油田六社區(qū)、波士頓中心、藍灣國際小區(qū)、九潤泓郡小區(qū)、鳳凰城等小區(qū)內施工多眼地熱井，開采層位均為新近系館陶組，井深2 000～2 200 m，出水量約120 m3/h，水溫70℃左右。

中石化河南新星石油有限公司對油田六社區(qū)地熱供暖監(jiān)測資料及對油田六社區(qū)地熱井動態(tài)監(jiān)測工作，水溫穩(wěn)定未降低。同時地熱供暖項目所用館陶組地熱水為封閉循環(huán)使用，即通過管道將尾水通過回灌井全部加壓回灌至同層熱儲層中，整個過程只有熱能的利用和轉移，基本不存在水量消耗，基本做到了取熱不取水。

新近系地熱井施工難度小、資金投入少，涌水量大，易于回灌等特點，兼具地熱資源開發(fā)的經濟性與適宜性，具有廣闊的開發(fā)利用前景，可以廣泛應用于地熱供暖、溫泉洗浴、特色種植業(yè)等，同時積極推進地熱資源的梯級利用技術、對井采灌制度，達到尾水的百分之百回灌，大力推廣地熱資源的可持續(xù)集約化利用。

4.2 古近系熱儲

根據研究區(qū)地熱地質資料：研究區(qū)平均地溫梯度3.07℃/100m[15]，垂向上地熱井溫度隨著深度加大溫度逐漸，新近系明化鎮(zhèn)組熱儲地熱流體溫度約30℃～50℃，新近系館陶組熱儲地熱流體溫度約70℃～74℃，推測古近系熱儲地熱流體溫度大于70℃；另根據物探解譯成果，新鄉(xiāng)-商丘斷裂(F3)和聊蘭斷裂的伴生斷裂(F6)切入古近系[16]，受到斷裂構造的影響，推測其熱儲層裂隙較發(fā)育，可形成地熱水良好的運移通道和儲存空間，推測其單井涌水量大于150 m3/d·m，因此古近系熱儲具有較大的開采潛力，極具開發(fā)利用價值，是未來地熱資源開發(fā)利用的重點研究方向。

5 結語

(1)目前蘭考縣地熱開發(fā)的主要熱儲層為新近系熱儲，地熱井施工難度小、資金投入少，涌水量大，易于回灌等特點，兼具地熱資源開發(fā)的經濟性與適宜性，適合大規(guī)模開發(fā)利用。

(2)古近系熱儲層受研究區(qū)內新鄉(xiāng)-商丘斷裂(F3)和聊蘭斷裂的伴生斷裂(F6)構造的影響，熱儲層裂隙較發(fā)育，水溫、水量高，具有較大的開采潛力，是未來地熱資源開發(fā)利用的重點研究方向。建議進一步提高對古近系熱儲層的研究，為今后地熱資源開發(fā)提供可靠的理論支撐。