山東省臨清市地熱資源評價和開發利用方案建議

劉春華，楊麗芝，劉中業

（山東省地質調查院，濟南 250013）

山東省臨清市地熱資源評價和開發利用方案建議

劉春華，楊麗芝，劉中業

（山東省地質調查院，濟南 250013）

山東省臨清市近年來在市區范圍內陸續發現地下熱水。本文首先通過區域地熱地質背景分析、地熱調查工作，建立了臨清市地熱概念模型。在概念模型的基礎上，利用體積法計算了熱儲層的熱水靜儲量，并對地下熱水進行質量評價。提出了地熱開采、利用方案。

臨清市；地下熱水；地熱概念模型；地熱儲量；水質評價；利用規劃

0 引言

地熱是集熱能、水和礦產于一體的多用途、綠色自然資源，可廣泛應用于工業、農業、漁業養殖、醫療、發電、采暖、洗浴及旅游業等[1]，尤其對于中小城市具有重要的經濟、社會和環境價值，因而受到廣泛重視。近些年來，臨清市市區范圍內陸續發現4眼地熱井，水溫40℃ 70℃，屬于中低溫地熱資源。對臨清市地熱資源進行科學評價，依據勘查計算所得的資源量，進行開發利用、合理規劃，保證臨清市地熱資源的可持續利用。

1 臨清市地熱地質背景

1.1 區域地熱地質背景

臨清市區域地質背景如圖1所示。本區位于華北板塊的東南部，二級構造單元屬于華北拗陷區，三級構造單元為臨清拗陷區。區內斷裂構造十分發育，自南向北有聊考斷裂、堂邑斷裂，冠縣斷裂、臨清斷裂、滄東斷裂等。根據鄰近鉆孔資料揭示，地層由老至新有：新太古界泰山巖群、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系和古近系、新近系、第四系[2,3]。

圖1 臨清市區域地質構造及地質剖面略圖

臨清地熱屬于華北地熱的一部分。華北平原地熱資源豐富，面積10km2以上的地熱田共計49個，總面積為18000km2。區內地熱田多屬于以傳導為主大地熱流作用機制下形成的中、低溫熱水型熱田[4]。陳墨香（1986）等研究認為華北平原地下熱水資源形成及賦存的有利條件主要是2方面：其一，華北平原的中、新生代斷陷盆地，蓋層中巨厚的碎屑巖和碳酸鹽巖提供了巨大的地下水庫容；其二，地區具有較高的區域平均地溫梯度值。碎屑巖沉積層和碳酸鹽巖中的地下水經過一定的徑流和熱交換形式，最終形成熱水，這一過程即為華北地熱田的形成模式[4]。

1.2 臨清市地熱概念模型

臨清市地熱地質調查基本查明了臨清市地溫分布特征和形成規律。

(1) 地溫分布

地溫調查分為淺層測溫和深層測溫。淺層地溫測量多在100m以內的淺層機井進行，變溫帶、恒溫帶與增溫帶變化規律比較明顯。恒溫帶深度10 25m，溫度13℃ 15℃；深層地溫測量來源于臨清市城內地熱井的測溫數據，第四系平均地溫梯度3.0℃ 4.0℃/100m，自地表往下增溫速度比較穩定，接近于線性關系。明化鎮組平均地溫梯度2.0℃ 4.0℃/100m，館陶組平均地溫梯度2.0℃3.8℃/100m，1722m地層揭露到東營組時平均約3.0℃/100m。

平面上看，臨清斷裂帶東15km往西至邊界地溫梯度范圍為3℃ 4℃/100m；臨清斷裂以東至冠縣斷裂以西地熱田地溫梯度范圍為2.8℃ 3℃/100m；冠縣斷裂與堂邑斷裂間的高唐凸起塊段地溫梯度范圍為3℃3.5℃/100m。

(2) 地熱概念模型

通過臨清及周邊地區地質構造、巖漿活動及地熱水質放射性元素調查，確定臨清地熱系統的熱源來自正常的大地熱流增溫。熱儲層為館陶組和東營組。根據地溫梯度推算，館陶組熱儲層中地熱水溫度43℃65℃，達到溫熱水級別；東營組熱儲層中賦存的地熱水溫度59℃ 69℃達到溫熱水、熱水級別。臨清及其周邊地區的第四系黃河組、平原組和新近系明化鎮組巖性由砂性土、粘性土、砂層、半固結的粘土巖砂巖以及泥巖組成，其特點是密度小、導熱性差和熱阻大，是良好的地熱蓋層。

臨清市地熱系統中，熱儲層流體來自遠距離側向徑流補給，流向為西北至東南。熱儲層中地下水在緩慢側向徑流過程中，接受下部大地熱流而增溫，臨清斷裂、冠縣斷裂等充當地熱水與深部熱源連系通道的作用。臨清地熱水的主要排泄方式為人工地熱井開采，地熱開采主要是消耗地下熱水水頭。由此，構建臨清地熱系統概念模型，見圖2.

圖2 臨清地熱系統概念模型示意圖

2 臨清市地熱水資源評價

臨清地熱系統中地下熱水為側向補給，為了利于管理、合理開發利用和有效保護地熱資源，地熱資源評價對象主要是臨清市行政區域以內、埋深在2000m以上的經濟型地熱資源[5]。

2.1 地熱水靜儲量評價

根據區內館陶組與東營組熱儲層的埋藏條件、水力性質等，采用體積法分別計算館陶組和東營組熱儲層地下水靜儲量。

2.1.1 熱水靜儲量計算公式

熱儲層的熱水靜儲量由2部分組成，熱儲層的容積儲量和彈性儲量。熱水靜儲量體積法計算公式為：

式中：

W靜——熱水資源靜儲量（m3）；

W容——熱水資源容積儲量（m3）；

W彈——熱水資源彈性儲量（m3）；

V——熱儲層的體積（m3）；

μ——熱儲層的平均給水度；

A——熱儲層的面積（m2）；

P——熱儲層熱水的水頭壓力（m）（由熱儲頂板算起）；

μe—熱儲層平均彈性釋水系數。

2.1.2 熱水靜儲量計算參數

（1）熱儲面積（A）：熱儲面積分為館陶組和東營組熱儲2個部分，根據新近系底界面埋深與基巖地質條件，館陶組分為5個次級計算塊段（A/B/C/D/E），的水頭壓力，采用各計算區熱儲層頂板算起的水頭高度的平均值，具體值見表1。

（5）熱儲層平均彈性釋水系數（μe）：館陶組主要含水巖組為2.5×10-4，東營組主要含水巖組為2×10-4。

臨清市館陶組地熱水總儲量為496.205億m3，其中A區靜儲量為131.033億m3，B區靜儲量為236.284億m3，C區靜儲量為60.93億m3，D區靜儲量為17.754億m3，E區靜儲量為50.204億m3。東營組熱儲層的熱水靜儲量為29.43億m3。

圖3 臨清市地熱資源計算分區圖

2.2 地熱水質量評價

對臨清地熱水進行了醫療、飲用、農業灌溉及漁業、腐蝕性及結垢趨勢等方面的質量評價，同時開展東營組為其中的B區，各計算塊段分布位置見圖3，相應面積見表1。

（2）熱儲層的平均給水度（μ）：館陶組熱儲層的平均給水度為0.296；東營組熱儲層的平均給水度按0.28取值。

（3）熱儲層的體積（V）：熱儲層體積為熱儲面積與熱儲厚度之積，熱水靜儲量計算過程中的熱儲分為A E子區，相應面積下的各子區熱儲厚度也對應一具體值，見表1。

（4）熱儲層熱水的水頭壓力（P）：熱儲層熱水地熱開發對環境影響的評價。認為臨清地熱水除醫療礦水和洗浴用水外，大多不能直接應用；其主要用途還是在于將地熱水轉換成熱能方面。在地熱水開發過程中，可能會引起地面沉降等地質災害，防治地熱開采所引起的地面沉降災害，是地熱開發利用規劃中不可忽視的問題。

表1 臨清地熱田館陶組熱儲地下熱水儲存量計算結果表

3 臨清市地熱資源開發利用方案建議

制定科學合理的地熱資源開發利用規劃，必須是在保證地熱資源不枯竭、熱水質量不下降、不引起環境問題的基礎上，綜合考慮社會經濟發展對地熱資源的需求，最終確定地熱資源的開發和利用模式。

3.1 地熱水開采方案

開采地熱過程中，要保證地熱資源不枯竭，要求地熱水開采量不超過當前開采技術條件下的可采資源量。

3.1.1 可采熱水資源量計算公式

本文采用“最大允許降深法”來計算可采熱水資源量，該方法是美國地質調查局1982年美國低溫地熱資源評價中所使用的主要方法，要求按照規定的開采期限、最大允許降深和恒定的單井流量制定開采計劃，求出區域內能布置的井數和開采末期達到最大允許降深時，井群能夠獲得的總流量[6]。由于本區東營組地層分布極為不均，可采熱水資源量十分有限，故不鼓勵開發東營組地熱水。本文僅限于館陶組熱儲層可采熱水資源量計算。

最大允許降深法計算公式為：）

式中：Q可——可采熱水資源量（m3/d）；

N——區域內能布置的井數；

Qi——單井涌水量（m3/d）；

t ——開采期限（a）。

3.1.2 可采熱水資源量計算參數

本文計劃開采期限（t）為100年，單井涌水量（Qi）則根據抽水試驗資料以及鄰區單井出水量來分區確定，具體為A區1825.92m3/d、B、C、D、E區為1440m3/d。

確定區域內能布置井數（N）的條件是：保證開采期限末地下水位降深不低于“最大允許降深”。在具體計算過程中，首先要確定臨清市“最大允許降深”。由于臨清地區地下熱水開采可能引起地面沉降，故最大允許降深值將參照地面沉降臨界水位[7]（指不引起地面沉降或不引起明顯地面沉降的地下水位值）。臨清市2000m以淺地層巖性特征類似于天津地區，可認為其地面沉降臨界水位接近天津地區[7]，即臨清市地下水位最大允許降深位50m，即N口地熱開采井100年，最大水位降深不得超過50m。

在確定最大允許降深的基礎上，采用“熱量平衡、降深驗算、最優化選擇”的方式確定開采井數N。所謂“熱量平衡”是指計算臨清市境內規劃期（100年）能夠排放的可開采地熱資源總量和N口開采井影響范圍內熱儲的可開采熱資源量保持均衡；“降深驗算”則是首先計算熱量均衡狀態下N口地熱井開采所引起的水位降深，再比較該降深值是否超過“最大允許降深”。如果計算的降深值小于最大允許值，則可認為N值具有合理性。

本文試算了多種開采方案，最終確定方案為：館陶組熱儲層中，以梅花井群形式布置55口開采井，充分考慮井間相互干擾和涌水量的遞減等因素，且假定單井需要面積為8倍的排放總熱量所對應熱儲面積，由此計算可采熱水資源量為8.24×104m3/d，約0.3×108m3/a，水位降深最大值Sc=40.32m，沒有超過最大允許值。

鑒于區內館陶組熱儲層底界面埋深最大1800m，臨清地區地熱田目前僅有4眼井，還沒有大規模開發利用，從地熱動態觀測來看，天然壓力平衡尚未打破，因此臨清市地熱田屬于經濟型地熱田，其開采潛力很大。

3.2 地熱資源利用方案

臨清市地熱資源潛力巨大，當前其開發利用還處于初級階段，作為綠色能源是開發的重點之一。臨清市擬選用地熱資源“梯級綜合利用”方案。

“梯級綜合利用”模式的特點是針對傳統的地熱開發利用中存在資源浪費和環境的熱污染等問題，通過工藝上的改造和創新，改變了地熱供暖傳統方法，將地熱輻射采暖技術和熱泵技術應用于地熱系統中，進行工藝的集成；充分利用地熱資源的復合功能，在系統中集成地熱供暖、生活洗浴、溫泉游泳、娛樂健身、礦泉理療等功能，實現梯級開發，進一步延長地熱經濟產業鏈，提高經濟效益[8]。該模式在天津市河東區華馨公寓和嘉華小區建立了示范工程，運行效果較好，達到了預期設計指標。

臨清地熱“梯級綜合利用”方案，具體分為以下幾個方面：

（1）地熱供暖。臨清地熱水溫度一般在50℃～70℃，直接供暖地熱資源尾水排放溫度也高達42℃。為防止地熱水的腐蝕，提高供水效率，擬采用地熱換熱與水源熱泵聯合供暖方式。

（2）浴療保健。臨清市地熱水富含氟、鋰、鍶、鐳、偏硼酸、偏硅酸等多種礦物質，有一定的醫療、保健作用。利用熱礦水進行洗浴，對高血壓、冠心病、心腦血管、風濕病等有一定療效。

（3）娛樂、旅游。依托溫泉浴療，可以開發室內外游泳館、嬉水樂園、康樂中心、會議中心、療養中心、溫泉飯店、溫泉度假村、高級賓館等一系列娛樂旅游項目。

（4）種植、養殖。依托地熱井水源，建造溫泉溫室，種植名優花卉、特種蔬菜，以及熱水漁業養殖等，也可以用來發展旅游農業。

（5）余熱供暖。用于洗浴、娛樂等方面的地熱尾水，溫度依然很高，常損失大量的熱能。可參考北京市地質勘察技術院與清華同方合作實驗成功的環保型地溫熱泵供暖系統，它可以從熱水中提取熱能供暖，使地熱能的綜合利用率提高到了80%左右。

4 結論

臨清地熱資源豐富，其熱源為正常的大地熱流增溫。蓋層為第四系黃河組、平原組和新近系明化鎮組，主要熱儲層包括館陶組和東營組。熱儲層中地下水在緩慢側向徑流過程中，接受下部大地熱流而增溫，臨清斷裂、冠縣斷裂等成為地熱水與深部熱源溝通的通道。

利用體積法計算臨清市行政轄區2 0 0 0 m以淺館陶組和東營組熱水靜儲量，前者總量為496.205×108m3，后者約29.43×108m3。目前，地熱資源主要用于供暖、洗浴、保健、康樂、種植和漁業養殖等方面，受到普遍重視和認可。在開采地熱水的同時，應注意防止地面沉降。

合理規劃臨清市地熱資源的開發利用，利用最大允許降深法，確定了臨清地區館陶組可以梅花井群形式布井55眼，計算可采熱水資源量為8.24×104m3/d，約0.3×108m3/a。

[1] 王貴玲，張發旺，劉志明．國內外地熱能開發利用現狀及前景分析[J]．地球學報，2000，21(2)：134～135．臨清地區石油地質普查初步總結報告[R].地質部第二石油普查勘探指揮部石油地質大隊,1981.

[2] 楊德平.山東臨清地熱田地熱地質特征[J].山東國土資源.2005,21(8):27～31.

[3] 陳墨香.華北地熱[M]. 北京:科學山版社,1988.

[4] 山東省臨清市城區頤清園小區地熱單井地質報告[R].山東省地質科學實驗研究院,2003.

[5] 陳 紅.地熱資源評價方法與資源儲量分類[J].地熱能,2004,(1):16～19.

[6] Marshall,J.R,editor,1983,Assessment of lowtemperature geothermal resources of the United States(1982),Geological survey circular 892.

[7] 牛修俊.地層的固結特性與地面沉降臨界水位控沉.中國地質災害與防治學報. 1998,9(2):68～74.

[8] 張克冰,趙素萍,薛江波.國內外地熱資源開發利用的現狀及發展思路[J].理論導刊,2002(8):58～60.

Assessment and Utilization of Geothermal Resources in Linqing City, Shandong Province

LIU Chunhua, YANG Lizhi, LIU Zhongye
(Shangdong Geological Survey, Jinan 250013)

In recent years, geothermal water has been found in Linqing City, Shangdong Province. This paper frstly introduces the geothermal conceptual model, based on the regional geothermal setting in combination with the results of geological survey. Through calculating the geothermal reservoir by Volume Method and assessing the geothermal water quality, a rational plan of geothermal water utilization and striving for win-win environment has been put forward. This plan, for example, well contribution, exploitation plan and usage, ensures the heat not to be the depletion of water resources.

Linqing City; geothermal water; geothermal conceptual model; geothermal reservoir; water quality assessment; plan of geothermal water utilization

TK529

A

1007-1903(2009)03-0017-05