天津市寶坻區地熱資源開發利用對策

王 曦，靳寶珍，楊永江，田佳輝

(1.天津地熱勘查開發設計院，天津300250;2.河北省地礦局第二地質大隊，河北063000)

天津市寶坻區地熱資源開發利用對策

王 曦1，靳寶珍1，楊永江1，田佳輝2

(1.天津地熱勘查開發設計院，天津300250;2.河北省地礦局第二地質大隊，河北063000)

天津市寶坻區蘊藏著豐富的地熱資源，資源總量為12.896×1015kJ，可開采量按100 a計相當于2.929億 t標準煤。據已有勘查成果和地熱開發利用現狀，對本區地質構造、熱儲特征、各熱儲層地熱資源流體質量、綜合利用和環境效益進行初步分析，提出地熱資源開發利用對策。

地熱資源;隆起;熱儲特征;開發利用

0 引言

寶坻區位于天津市北部，是我市重要的工農業和游泳渡假基地，處于周良莊地熱田上，“京津新城”正是因為地下溫泉而興建的新城鎮，這里蘊藏著豐富的地熱資源，地熱水大多自流，自流水量一般在40～300 m3/h，井口溫度大于100℃［1］。根據2009年《天津市空間發展戰略規劃》，在天津“十一五”規劃中提出，依托地熱資源和良好的發展空間，經過歷時6年的開發建設，“京津新城”已初步建設成為京津唐地區以休閑旅游、會議會展、文化教育為特色的現代服務業基地，并成為天津11座衛星城中唯一的一座無污染生態新城。該區位于天津十大地熱異常區之一的周良莊地熱異常區，該區地質構造復雜，地熱流體溫度較高，流體質量較好，礦化度較低，有著廣闊的利用前景，為了保護好當地這一得天獨厚的地熱資源，使其能得到更科學合理的利用，下面就圍繞地熱利用和開發對策展開討論。

1 地質構造特征

周良莊地區位于滄縣隆起北部的王草莊凸起和冀中坳陷北部武清凹陷的東部斜坡帶之上，基巖主體構造為背斜構造，區內斷裂主要有北西向的大口屯－漢沽斷裂、北西西向的周良莊斷裂、北北東向的牛蹄河斷裂和王草莊斷裂、北北西向的楊碼頭斷裂［2］(圖1)。

該區整體為一個以中、新元古界為核部，以下古生界寒武系和奧陶系為翼部的不對稱背斜構造，其南東(SE)翼稍比北西(NW)翼開闊，褶皺軸面略向北西向傾斜，背斜總體走向北東(NE)，由北東向南西方向傾伏。大口屯－漢沽斷裂在本區西南部的八道沽東側近垂直背斜走向穿過該背斜。背斜核部由于應力集中，裂隙發育，遭受長期的風化、剝蝕和淋濾，其上的古生界地層已被剝失，只保留了新元古界青白口系或更老的中元古界薊縣系。后期又經過了疊加變形，即由于受外力作用，使得背斜走向發生變化，從西向東由北東東向轉為北東向，沿周良莊～甜水井一線為應力集中地帶，其彎曲曲率最大，沿此帶地層產狀變化較大，傾角變陡，而且巖石較破碎，與原背斜應力疊加，剝蝕程度最強烈，其中鐵嶺組相對巖溶裂隙較發育，剝蝕更為嚴重，從而形成沿該帶的“沖溝”狀古地貌景觀;而該段背斜呈現了核部地勢低兩翼高“地形倒置”現象。

2 熱儲特征

寶坻周良莊地熱田屬沉積盆地型層狀熱儲，根據熱儲的地層時代、巖性特征及水文地質條件可劃分出兩個熱儲類型，即河流相碎屑沉積的新近系孔隙型熱儲和海相沉積的中、新元古界和下古生界碳酸巖巖溶裂隙型熱儲［3］(也稱基巖熱儲)。新近系孔隙型熱儲為明化鎮組熱儲層和館陶組熱儲層;下古生界和中元古界碳酸巖巖溶裂隙型熱儲可劃分出奧陶系熱儲層、寒武系熱儲層和薊縣系鐵嶺組熱儲層。

2.1 新近系明化鎮組熱儲層

該熱儲層為一套砂巖、砂礫巖與泥巖頻繁交互疊置的河流相沉積層，在該區普遍分布。熱儲頂板埋深253～339 m，底板埋深878.5～1 433 m，厚度543～1 180 m。目前區內尚無以該層為目的層的地熱井，只有ZL2井取水層為明化鎮組和下第三系沙河街組混采，但在區外有一眼。該層熱流體質量較好，利用該區地熱梯度估算，該層熱儲溫度為28℃ ～50℃。

2.2 新近系館陶組熱儲層

該熱儲層為一套河流相碎屑巖，分布在牛蹄河斷裂以南，王2、王9井鉆穿該層，揭露頂板埋深為1 194.5 m和1 433 m，揭露厚度為188.5 m和215.5 m。目前該區內尚無以層為目的層的地熱井。根據該區地溫梯度估算，熱儲溫度應在40℃ ～60℃之間。

2.3 古生界奧陶系熱儲層

主要分布在王草莊斷裂的北側和大口屯－漢沽斷裂以西。該層裂隙發育很不均勻，一般靠近凸起中心部位或斷裂帶附近裂隙、巖溶發育較好。該區新王3和王11兩眼井揭露了該層，據鉆孔資料，熱儲頂板埋深882～1 509.5 m，厚度420 m左右。根據新王3井的資料，水溫61℃，熱流體水化學類型為HCO3－Na型，總礦化度為1 028.3 mg/L，pH值為7.34，總硬度為 135.1 mg/L，總堿度為 1 023.8 mg/L。

2.4 下古生界寒武系熱儲層

該熱儲分布于該區背斜兩翼，區域發育不穩定，在該區中部(背斜核部)有缺失，其余地區均有分布。區內王4井、王11井、ZL2井和ZL4井鉆遇該層，揭露頂板埋深1 521 m～2 530 m，揭露最大厚度為749 m。根據王4井測試資料，水溫91℃，自流量14 m3/h。熱流體水化學類型為HCO3·SO4·Cl－Na型。pH值為8.0左右，總礦化度約1 020 mg/L，總堿度約287.0 mg/L左右，總硬度為120.0 mg/L左右。

圖1 基巖地質圖

2.5 中元古界薊縣系鐵嶺組熱儲層

該熱儲層在本區普遍分布。頂板埋深為2 250～2 811 m。揭露最大厚度450 m(未穿)，據ZL1井測試，井口靜壓力0.68兆帕，熱流體溫度102℃，自流量達300 m3/h，水化學類型為 HCO3·SO4·Cl－ Na，含氟量 9.0 mg/L 左右，pH 值為8.0左右，總礦化度約1 000 mg/L，總堿度約280.0 mg/L左右，總硬度為120.0 mg/L左右。根據成井資料，ZL1井滲透率約為 1.8 ×10－13m2，ZL4 井滲透率約為 1.0 ×10－13m2。

3 地熱綜合利用

天津市地熱資源的利用已有40年的歷史，主要用于城市居民冬季采暖、生活熱水、溫泉洗浴、漁業養殖、農業種植和工業利用等［4］。近幾年來，利用地熱尾水加熱泵用于供暖的技術日見成熟，使排放水溫降低到十度左右，充分利用了水中的能量，從而延長了地熱資源的使用時間，這對天津市的地熱資源的開發具有重要的意義。地熱資源的開發利用改善了城市環境，豐富了人民的物質文化生活，提高了人民的生活水平，隨著我國社會經濟的高速發展，人們對自身生活的環境提出了越來越高的要求，地熱作為一種新型綠色能源日益受到了社會各界的重視，其利用領域也在逐漸擴大。

3.1 生活熱水

將地熱水經過必要的處理后，提供生活熱水，既安全又方便，一般在滿足供暖用水后利用剩余熱水向附近居民提供生活熱水。

3.2 溫泉游泳館

地熱流體中普遍富含對人體有益的礦物鹽類和微量元素，如重碳酸鹽，具有清潔潤滑皮膚之功效。因而建造溫泉游泳館可以吸引游客，改善居民生活娛樂條件，提高本地區社會影響度，、獲取經濟和社會效益。

3.3 地熱農業利用

包括溫室栽培、花卉溫室和棚室地熱水產養殖等。

3.3.1 地熱溫室蔬菜種植

隨著人民生活水平提高，對反季節新鮮蔬菜的需求越來越多，因此充分利用本區地熱資源，采用先進的地熱溫室蔬菜種植技術，將會取得一定的經濟效益。

3.3.2 花卉溫室

除了種植常規農產品外，還可考慮進行溫室花卉養植?；ɑ苡糜诩彝[設、公關禮儀交往，其市場正日趨擴大，具有很大的市場潛力。同時用于裝點美化環境將會獲得很好的效果。

3.3.3 地熱水產養殖

利用地熱發展水產品養殖，以充分合理利用地熱資源，打破氣候、地域制約，增加水產品種養殖種類，以期建成一個有特色、有規模、有水平和有效益的地熱水產品養殖基地。

3.4 地熱工業利用

工業也可以利用地熱，比如烘干魚、水果、蔬菜和木材、清洗羊毛、烘干衣物、造紙和牛奶殺菌。在路面下鋪設管道在冬季利用地熱化雪。地熱水也可以用來從礦物中提取金和銀，甚至是制冷和生產冰。

3.5 地熱尾水加熱泵技術

近幾年熱泵技術作為低溫地熱開發利用中的一種高新技術，在國外尤其在美國和歐洲的應用日益普遍，它的出現為低溫地熱資源的利用提供了新的方法，拓寬了人們利用地熱資源的范圍。天津市大部分的地熱資源利用僅局限于供暖，地熱水排放溫度在30℃以上，該溫度的地熱水無法用常規的方法加以利用，造成熱量的白白浪費，而利用熱泵技術則可以從中再提取部分能量加以利用，這不僅減少了資源的浪費，同時也緩和了對地熱資源的需求，從而延長了地熱資源的使用時間，這也對周良莊地熱田地熱資源的開發具有重要的意義。

4 地熱開發的環境效益

地熱資源屬于可再生資源，但如果沒有嚴肅的態度和科學的方法去開采利用，也會給人類帶來一定程度的危害，尤其是在環境保護方面。本區經計算，基巖地熱流體可采量共為3.96×106m3/a，總產熱量為3 222×108千卡，可替代煤為 46 045 t/a(表1)。

表1 各熱儲層熱量折合煤量

如果按煤中或燃燒后產生的有害組分基本參數(表2)計算，本區利用地熱能比燃燒煤供熱，每年可減少二氧化硫排量 690.675 t，減環境治理費63.61萬元;減少氮氧化物排放量401.05 t，減環境治理費79.89萬元;減少灰飛排量1 079.76 t，減環境治理費 71.26萬元;減少二氧化碳排量40 519.6 t(表3)。

表2 地熱供暖環境效益評價基本參數表

表3 地熱供暖環境效益數據表

5 地熱資源開發利用對策

本區新近系及基巖地熱資源較為豐富，地熱流體資源總靜儲量為77.549 3×108 m3，地熱流體可開采量 6.27×106m3/a。目前區內已有新近系和基巖地熱井13眼，由于局部地區超過開采強度，從而形成開采降落漏斗并逐年加深，為實現地熱資源可持續開發利用的目的，提出以下對策:

5.1 制定合理開采井布井方案

通過開采潛力分析:新近系明化鎮組地熱流體平均允許開采強度2.68萬 m3/a·km2，奧陶系熱儲層可開采量為0.52萬 m3/a，寒武系熱儲層可開采量為0.36萬 m3/a，鐵嶺組熱儲層可開采量為3.72萬 m3/a。

新增地熱井布井間距:根據多孔抽水試驗資料，采用溪哈爾特公式計算，抽水影響半徑一般300～500 m，根據區域熱儲水文地質條件及地熱井的連續開采，因此開采井井距以大于1 200 m為宜，最大限度的降低開采井之間相互干擾程度，提高單井出水能力［4］。

5.2 根據用途實行分層開發利用

為合理開發利用地熱資源，應按照地熱用途進行分層開采，對于生活及水產養殖用水，可直接開采利用明化鎮組地熱流體，對于冬季供暖，可利用基巖地熱流體。

5.3 提高地熱資源利用率

隨著熱泵技術的日趨成熟，地熱利用率得到了極大的提高。本區地熱資源利用率目前僅較低，地熱資源的開發利用必須堅持生產與科研相結合原則，促進地熱資源利用新理論和新技術、新方法的應用，積極推廣地熱資源梯級循環利用技術，降低尾水排放溫度，提高地熱資源利用率［5］。達到降低地熱流體開采量，節約地熱資源、達到地熱可持續開發利用。

規范、改造地熱利用系統，對現有地熱利用系統不合理之處實行有計劃地改造，特別針對資源浪費嚴重、效益低下的地熱利用系統進行必要的強制性改造。新建供熱系統，要本著高起點、高標準建設。探采結合井在審批時，按最新規范和技術標準建設要求。

5.4 加強地熱流體回灌工作

地熱資源并非取之不盡用之不絕，要對其進行保護和珍惜，要采取開發、節流和保護并重的方針，對地熱資源要進行統一規劃、綜合開發、梯級利用。把周良莊地區開發成具一定規模、并有特色的溫泉度假園區，并讓地熱資源維持得更久遠。

本區開發利用尚屬于一種粗放的開發模式，在開采壓力下降到一定程度時要進行回灌開采。在回灌開采前，需要在本區進行必要的回灌研究(如進行示蹤劑試驗等)，以確定回灌水運移路徑，合理布設回灌井井位。近年來隨著地熱回灌井和灌量的增加，回灌工作取得了明顯成效，熱儲壓力下降速率明顯漸緩。但是目前天津總體地熱流體回灌率較低，孔隙型熱儲流體回灌率更低，回灌堵塞問題較為突出［5］。如何提高回灌量和回灌率，回灌方式的選擇和回灌技術水平的提高是關鍵。

目前本區地熱回灌的主要方式有一采一灌，而同井回灌技術尚未得到應用，該方式不僅能大大減少初投資成本，而且有利于地熱相關部門的管理;另外，在地熱集中開采區外圍，采取補建回灌井或回收地熱尾水或利用地表水等手段進行集中回灌，也是很好的措施之一。

5.5 防止結垢、延長地熱井使用壽命

本區地熱流體雖然不具有腐蝕性，寒武系和薊縣系鐵嶺組有結垢趨勢［6］，因此要采取相應的措施，以延長地熱開采井的使用壽命。

5.6 建立示范工程

地熱資源的開發利用涉及眾多領域，尤其是有些新技術、新工藝尚處于探索階段，在發展中急需示范工程的帶動。選擇不同的熱儲類型擴大利用領域，建立起集約化利用方式的旅游、農業及醫療礦泉等地熱示范工程，并在管理過程中以示范工程為樣板，推廣應用示范工程技術，起到以點帶面，全面提高的作用。

［1］李丹，李俊，程萬慶，等.天津市寶坻地區地熱資源調查報告［R］.天津地熱勘查開發設計院.2003.

［2］李俊峰，林黎，李俊，等.天津市周良莊地熱田地熱資源普查［R］.天津地熱勘查開發設計院.2006.

［3］陳墨香.華北地熱［M］.北京:科學出版社.1988，89－106.

［4］董建軍，李春華，王坤，等.天津市地熱資源開發利用規劃技術報告［R］.天津地熱勘查開發設計院.2004.

［5］蔡義漢.地熱直接利用［M］.天津:天津古文出版社.2004，488－628.

［6］楊統桐、陳培鈞、鄭克聯，等.地熱資源地質勘查規范［GB 11615－89］［M］.北京:國家技術監督局.1989.

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2012－04－10

王曦(1983－)，男，河北遵化人，助理工程師，主要從事地熱地質和構造地質研究工作。