太原盆地西溫莊隆起地熱田地質特征

賀 鷹

太原盆地西溫莊隆起地熱田地質特征

賀 鷹①

(太原理工大學礦業工程學院、山西省地質工程勘察院)

太原市小店區西溫莊地熱田為低溫地熱資源,地處山西臺背斜太原盆地中段。從西溫莊地熱田的地質構造方面,論述了熱儲層的特征,介紹了地熱田的蓋層、熱儲層、熱源及水化學類型,并對地熱田的儲量進行了計算,為地熱田的開發利用提供了基礎資料。

西溫莊;隆起;熱儲層;熱源;開發利用;措施

太原市小店區西溫莊地熱田位于汾渭盆地地熱帶。中低溫地熱資源豐富,地熱田蓋、儲、通、源等地熱地質條件良好,為層狀分布的中低溫地熱田,深層巖溶發育和富水性相對均一,開采深度小,單井開采熱水量大,屬開采經濟的宜開采的地熱田,有開發利用的資源基礎。

1 地質構造

從大地構造單元看,西溫莊地熱田所處的太原盆地是一個典型的新生代斷陷盆地。從總體格局上,依據基底埋深的不同,新生界沉積發育程度的差異以及基底時代的不同,太原盆地可以分為北段、中段和南段。三給地壘和田莊斷裂帶可作為這三段的分界線,中段東南部,即親賢地壘南至田莊斷裂之間為西溫莊隆起。

西溫莊隆起是太原東山背斜向盆地的延伸部,由于位于背斜軸部,斷裂構造十分發育,這些斷裂對西溫莊隆起形態和結構以及地熱地質條件影響較大的有東邊山斷裂帶、親賢地壘、汾河斷裂帶和田莊斷裂帶。

1)汾河斷裂帶是由2～3條相互平行、走向近南北的正斷層組成,為晉源凹陷與西溫莊隆起的交界;在盆地中段太原地區附近,這條斷裂帶的位置大致和汾河現代河床位置一致,并構成盆地中心地塹,成為凹陷中心槽。汾河斷裂為至今仍在活動的新斷裂,為巖溶熱水富集和流通的有利地段。

2)田莊斷裂大致由2條較大的斷裂組成。其北側的斷層為走向NE的南傾正斷層,斷距大于800 m,斷層牽引現象明顯,產狀上緩下陡,傾角35°左右(向下變陡)。該斷層具有多次活動性,后期活動逐漸穿過了新生界。南側的斷層,斷距較小約130 m,走向與北側斷層平行,為上緩下陡的高角度正斷層,傾向南東。

3)太原東邊山斷裂帶是東山和太原盆地的分界斷裂帶。主要由東山弧形斷裂、馬莊和許西-西吳斷裂帶組成。為新生界活動斷裂。

西溫莊隆起內基底埋深變化較大,其西南傾伏端基底呈一個比較平緩的背斜(隆起)形態,基底為三疊系,中奧陶統灰巖地層埋深在1 200 m之下,形成和西山灰巖地層完全斷開、和東山巖溶系統有微弱聯系的熱儲結構。西溫莊地熱田地質模型剖面示意圖見圖1。

2 熱儲特征

西溫莊地熱田北部與親賢地壘相接,南東以田莊斷裂為界與清交凹陷相連,西部以汾河斷裂為界與晉源凹陷毗鄰,東部以田莊斷裂及小店與榆次行政邊界為界,地熱田面積48.6 km2。

1)蓋層。為巨厚的石炭、二疊、三疊系砂頁巖煤系地層,總厚在400～1 100 m左右,其上為第四系松散巖層,其巖性為黃土、粉質黏土、黏土、少量砂層及砂礫石厚134～500 m。該地熱田蓋層厚度較大,分布比較穩定,隔水、隔熱性能良好,具備良好的蓋層條件。

圖1 西溫莊地熱田地質模型剖面示意圖

2)熱儲層。該地熱田熱儲層主要為中奧陶統上、下馬家溝組碳酸鹽巖。上、下馬家溝組中上段為質純的灰巖,巖溶裂隙發育,富水性、透水性良好,其底部的泥灰巖及角礫狀泥灰巖,基本不含水,其厚度應于扣除,則熱儲層總厚為200 m左右。熱儲層溫度60～75℃左右,平均63℃。單井產熱水量700～1 500 m3/d。

3)熱源。居里等溫面的高低,反映了地熱源的熱流值大小,是判斷地下熱狀態的物理面。山西居里等溫面總體上是一條北東向的隆起帶,其軸線與山西斷陷盆地的軸線基本重合,在盆地內居里等溫面位于中地殼的上部,而且該部位具有低速高導溫度高(達到600℃)等物理特性,因此,在此部位可能為半熔融體或含水破碎帶,使盆地地區形成地熱異常區。

4)水化學類型。西溫莊地熱田屬于低溫地熱資源,水化學類型及一些標性離子及微量元素的地球化學特征,可以反映地熱田的深部熱儲特征,為分析儲熱類型及成因條件、建立熱儲模型、計算地熱資源量及合理開發利用地熱資源奠定基礎。

a)地熱水水化學類型：按 C、A舒卡列夫分類(水中主要陰、陽離子含量大于25%的順序排列命名)法,西溫莊1地熱井水水化學類型為硫酸鈣型水,礦化度2.8 g/L。水溫53℃。主要離子含量分別為SO42-1 743 mg/L,Ca2+561 mg/L,Mg2+114 mg/L。F-3.33 mg/L,PH值7.02,總硬度 1 869 mg/L,離子總和2 832.63～2 845.5 mg/L,溶解性 SiO2含量28.0 mg/L,偏硅酸含量36.42 mg/L,鍶含量15.6 mg/L,鋰含量0.56 mg/L。

b)SO42-和Ca2+在元素中占絕對優勢,是巖溶型熱礦水的典型特征。西溫莊1地熱井SiO2含量28 mg/L比一般冷水高出近5倍,Ca2+離子含量為561 mg/L,占陽離子毫克當量的65.83%,F-含量為3.33 mg/L,超出正常水中 F-含量(一般不超過1.0 mg/L)3倍多。

c)SiO2含量多寡更與熱水的溫度有較密切的關系。一般SiO2的含量和熱水溫度成正比相關,所以在地熱學里用硅含量計算地下熱儲層的溫度,可做為地熱溫標。

d)SO42-和Ca2+、F-含量較高的原因是與地殼之下的熱液沿田莊斷裂侵入有關,一般有隨溫度增高而增大的規律。

3 熱儲量計算

1)熱儲層物理參數。

a)熱儲層厚度主要依據鉆探資料,結合地熱地質條件而定。熱儲含水層厚度按200 m計算。

b)熱水及熱儲層物理參數按DE40-85《地熱資源評價方法》規范查表4,并參考西溫莊地熱井資料進行對比分析后選取。

熱水密度ρw(63℃)按986 kg/m3選取;熱水比熱Cw按4 180 J/kg·℃選取;熱儲巖石密度ρr按2 700 kg/m3選取;熱儲巖石比熱Cr按920 J/kg·℃選取。

熱儲巖石孔隙率φ按0.032選取。

c)熱儲層溫度tr選取。西溫莊-1孔地熱井在揭露峰峰組頂板地層后進行測溫為41.45℃,終孔后測溫為53℃。因揭露的熱儲層厚度太少和未對峰峰組止水,峰峰組的低溫熱水混入O2S熱水中,又因地熱流體向井口運移過程中,受流體、流速、流量、井管流速、圍巖熱阻等諸多因素的影響,井口的溫度均小于熱儲層溫度,根據實測資料分析,西溫莊-1孔地熱井井口的穩定流溫應小于熱儲層溫度5～10℃。

因此,按西溫莊-1孔地熱井實測井口溫度(53℃)、熱儲層梯度推算法計算的溫度(60℃)及SiO2溫標法溫度(75.7℃)和鉀鎂溫標法溫度(65.9℃)推測,熱儲層溫度選擇63℃較為合適。

2)熱儲總量。

Qr=CFM(tr-t0)=1.296 789×1015kJ

式中：

Qr—熱儲總量,J;

C—熱儲巖石和水的平均比熱容(C=ρrCr(1-φ)+ρwCwmmφ=2 536 399.4 J/m3·℃)。

1 t標準煤折合熱量為3.17×1010J,因此,評價區熱儲總量折合標準煤4 426.0×104t。

3)存儲地熱水總量。存儲地熱水總量qrm包括容積存儲地熱水量和彈性存儲地熱水量。

4)可采地熱水量。

可采地熱水所含熱量：

折合標準煤58.36 104t。

式中：

qwh—可采地熱水總量,m3;

qrm—存儲地熱水總量,m3;

Qwh—可采地熱水所含熱量;

K—回采率,%,取25。

可采地熱水量0.86×108m3,可采地熱水資源量所含熱量1.85×1013kJ(折合標準煤58.36 104t),僅相當熱儲總量129.678 9×1013kJ(折合標準煤4 426.0×104t)的1.42%。地熱資源開發潛力很大。

4 結 論

1)太原小店區西溫莊地熱田位于太原市南部,地熱田面積48.6 km2。屬經濟、適宜開采的“低溫地熱資源”。

2)西溫莊隆起地熱田為層狀熱儲特征,熱儲層為中奧陶統馬家溝組碳酸鹽巖,其地層總厚度400 m左右,熱儲層厚200 m左右,巖溶裂隙較發育,特別是由于斷裂帶的存在、深層巖溶的發育,為巖溶水深循環加熱、對流、儲存創造了有利條件和先決條件。

3)西溫莊地熱田熱儲總量1.296 789×1015kJ;存儲地熱水總量3.42×108m3,存儲地熱水所含熱量7.40×1013kJ;可采地熱水量1.71×108m3,可采地熱資源量所含熱量3.7×1013kJ,僅相當熱儲總量1.296 789×1015KJ的 2.84%,地熱資源開發潛力很大。

4)西溫莊地熱田現有地熱井1眼,鉆井深度1 600.88 m,井口水溫53℃,水位埋深2.60 m,涌水量32 m3/h;水化學類型為硫酸鈣型水,F-含量3.33 mg/L,鍶含量15.6 mg/L(達到礦泉水標準),偏硅酸含量36.4 mg/L,達到有醫療價值濃度。其他離子成分未達到醫療價值濃度,但有一定濃度,在醫療上也有一定作用。

5)依 GB11615-89《地熱資源地質勘查》規范,按100年開采計算,則每年可采熱水量為0.008 6億m3,每日可開采量2 356 m3。

6)為了延長地熱井的使用壽命,保持地熱資源的可持續利用,地熱資源的保護需采用合理的開發利用模式和長期有效的監測管理,確定熱田的合理開采量和合理的井數、井深和井距。并和地熱井間隔一定距離同時施工回灌井,進行地熱回灌等有效措施。

[1] 黃衛星,楊親民.山西省地熱資源探討[J].山西能源與節能,2003(3)：46-49.

[2] 楊新榮 .太原市地熱資源概況及開發利用[J].山西科技,2006(1)：11-13.

[3] 吳玉琪.太原盆地地下熱水分布特征[J].山西能源與節能,2007(3)：41-42.

Geological Features of Xiwenzhuang Uplift Geothermal Field in Taiyuan Basin

He Ying

The geothermal field in Xiwenzhuang village of the district of Xiaodian in Taiyuan,possessed low-temperarure geothermal resources,located at the middle part of Taiyuan basin of the anticline in Shanxi platform.The article expounded the characteristic of geothermal reservoir in the geological structure of the Xiwenzhuang geothermal field respect,introduced cover rock,geothermal reservoir,thermal source and hydrochemistry type of the geothermal field in detail,computed the reserves of the geothermal field,offered fundamental material for the development and utility of the geothermal field.

Xiwenzhuang;Uplift;Geothermal reservoir;Thermal source;Development and use;Measure

TD132

B

1672-0652(2010)06-0047-03

賀 鷹 女 1977年出生 2002年畢業于中國地質大學 助理工程師 太原 030024

2010-04-18