濟南市孔隙裂隙地熱田熱儲特征及開發利用模式探討

尹秀貞,胡松濤,潘春光,寇薇,陸凱,趙輝

(1.中化地質礦山總局山東地質勘查院,山東 濟南 250013；2.山東省地礦工程勘察院,山東 濟南 250014；3.濟南市國土資源局，山東 濟南 250099)

0 引言

濟南市孔隙裂隙熱儲屬于魯西北地熱田的一部分，分布于商河、濟陽兩縣，是環渤海開發和濟南市“北跨”規劃的主要戰略地。北從濟南市界，南至齊河-廣饒斷裂及聊城-蘭考斷裂。地質構造上位于齊河-廣饒斷裂以北的濟陽斷坳之惠民潛陷。地熱區面積1750km2。

該文以濟南市孔隙裂隙地熱田地熱地質條件為背景，結合多年地熱資源勘查資料，論述了濟南市孔隙裂隙地熱田熱儲特征，指出了地熱資源開發可持續應用方向，對濟南市孔隙裂隙地熱資源的開發利用以及地熱區遠景規劃具有一定意義。

1 區域地質條件及地熱成因

濟南地區在大地構造上橫跨新華夏第Ⅱ隆起帶的魯西隆起及新華夏第Ⅱ沉降帶的魯西北坳陷區。以EW向的齊河-廣饒斷裂為界，南部是一個以古生代地層為主體的N傾單斜構造，分布碳酸鹽巖類巖溶裂隙熱儲，熱儲層為寒武—奧陶紀的灰巖、白云巖夾頁巖，蓋層為第四系、石炭—二疊系等；北部則是沉積了厚度較大的新生界松散堆積物的凹陷區，分布碎屑巖類孔隙裂隙熱儲，熱儲層主要為新近紀館陶組、古近紀東營組熱儲，巖性以砂巖為主，蓋層為第四系及新近紀明化鎮組，巖性為粘土及粉質粘土層。

濟南孔隙裂隙熱儲區在大地構造單元上位于齊河-廣饒斷裂以北的華北板塊(Ⅰ級)—華北坳陷(Ⅱ級)—濟陽斷陷(Ⅲ級)—惠民潛陷(Ⅳ級)和(Ⅳ級)埕寧潛隆(Ⅳ級)，大部分位于惠民潛陷區內。在惠民潛陷區內，以臨邑-惠民斷裂為界，以北屬惠民潛凹(Ⅴ級)，以南屬臨邑潛凹(Ⅴ級)和王判潛凸(Ⅴ級)區。

濟南市孔隙裂隙地熱田熱儲呈層狀分布，熱流為來自地殼深處及上地幔的傳導熱流，是以熱傳導為主的大地熱流作用機制下形成的溫熱水型地熱資源。該地熱田目前共有31眼地熱鉆孔，孔深一般在1300～1556m，井口水溫54～67℃，大多分布在商河縣城區內及周圍地區、濟陽縣北部新—古近系碎屑巖區。

2 孔隙裂隙熱儲特征

據放射性及同位素分析研究，區內地熱水屬大氣降水入滲成因，補給來源區主要是西部的太行山區，屬長時間、長距離的地下徑流補給，但是徑流速度緩慢，補給條件差，開采時主要消耗彈性儲存量。在2000m經濟深度內，熱儲層主要為新近紀館陶組，另有古近紀東營組、沙河街組和孔店組,目前揭露的含水層組主要為館陶組和東營組。

2.1 新近紀館陶組熱儲

館陶組熱儲廣泛分布于齊廣斷裂以北、陵縣-老黃河口斷裂以南區域，僅在寧津潛凸區缺失。熱儲頂界埋深一般在750～1200m，底界埋深1100～1400m，厚度200～300m，自商河縣北部、東南部往中部及西南部埋深及厚度逐漸增大。館陶組熱儲含水層巖性主要為灰色、灰白色粗砂巖和砂礫巖，垂向上呈上細下粗的正旋回沉積，底礫巖明顯，礫石成分以石英為主，含少量黑色燧石及暗色礦物，礫石直徑1～10mm不等，呈次棱角—次圓狀，磨圓度中等，分選性一般，泥質膠結，砂礫巖成巖性差，呈疏松狀。孔隙度大，一般為20%～30%，具有良好的儲水空間。熱儲的含水砂層累計厚度50～108.8m，約占地層厚度的17.63%～38.74%[1]。

按富水性分為3個區，富水性較強的區分布在縣城、賈莊、龍桑寺一帶，大體沿S316省道呈NE—SW向條帶狀展布，東西長約36.5km，南北11.2km，面積411.62km2，占熱儲區面積的23.5%。含水砂層較發育，在合理降深20m時，單井出水量1000～2000m3/d。熱水含水層厚度86m左右，占熱儲總厚度的38.74%左右，上下熱對流較強，其地溫梯度較低，一般在1.32～1.57℃/100m。已有24眼地熱井(包括開采井、回灌井)。該區的兩側為富水性中等區，含水砂層發育一般，總面積480.44km2，占熱儲區面積的27.5%。合理水位降深20m時，推斷單井出水量500～1000m3/d。含水層上下熱對流較弱，其地溫梯度較高，一般在1.57℃～1.82℃/100m，目前該區分布有玉皇廟鎮4眼地熱井。富水性較差區位于商河縣東北部、東南部及濟陽縣北半部，面積826.36km2，占熱儲總面積的47.3%，合理水位降深20m時，推斷該區單井出水量小于500m3/d，井口水溫為53～58℃(表1)。

館陶組熱儲埋深適中，富水性較強，屬于中低溫熱儲，是濟南市孔隙裂隙熱儲層區最為適宜的開采層。

表1 濟南市孔隙裂隙水文地質資料

2.2 古近紀東營組熱儲

東營組熱儲在工作區分布較為廣泛，局部地區缺失。熱儲頂界埋深1100～2000m，厚度為50～500m?？傮w上，熱儲頂界埋深及厚度自北部和東南部往中部及西南部有增大趨勢。在北部寧津潛凸區、陵縣-老黃河口斷裂南側的惠民潛陷斜坡地帶、東南部的陡河以南至齊廣斷裂一帶和縣城附近，東營組缺失。目前濟南市沒有東營組熱儲單獨成井的地熱井，僅有商熱1號和洼里王地熱井為館陶組與東營組熱儲混合成井，洼里王主要開采東營組熱儲。

東營組熱儲層頂界埋深為1100～1412m，推測底界埋深為1500～1600m，平均孔隙度為26.0%。洼里王地熱井鉆探1478.26m，揭露東營組厚度366.26m，未揭穿。熱儲含水層厚50～80m，利用熱儲含水層厚度為63m左右，占揭露熱儲層厚度的17.2%，含水層有8層，單層厚度5～10m。商熱1號井終孔深度內(1566m)揭露中東營組厚度154m，含水層總厚度16m。含水層巖性以粉砂巖、泥質粉砂巖為主，其富水性較差，在合理降深20m時，普遍小于300m3/d，地溫梯度在1.81℃/100m左右。礦化度較高，東營組熱儲溫度為50～67℃。

東營組熱儲層埋藏較深且分布不穩定，部分地區缺失，富水性較差，目前單獨成井開采適宜性較差。

3 水質評價

根據孔隙裂隙地熱水水質分析資料，地熱水清澈透明、無異味、微咸，無肉眼可見物，水化學類型Cl-Na型，礦化度6.458～11.296g/L，屬于咸水-鹽水。根據《地熱資源地質勘查規范》(GBT11615Cl-2010)附錄C《理療熱礦泉水水質標準》，孔隙裂隙地熱水鍶含量已達命名濃度，偏硅酸、偏硼酸、溴、碘含量達到了礦水濃度，可命名為富含多種微量元素的鍶型理療熱礦水(表2)。

表2 地熱水水質評價

4 地熱資源開發利用模式探討

濟南市的孔隙裂隙熱儲主要分布于北部商河、濟陽兩地，與該市的“北跨”戰略城市發展戰略相契合，城市發展可以促進地熱相關產業的健康發展。全市的孔隙裂熱儲埋藏深度適中、屬于中低溫熱水，可以直接用于地熱供暖、養殖、農業溫室種植、工業生產等方面。由于水中富含人體有益微量元素，可用于醫療保健、洗浴和旅游度假等開發。

(1)地熱供暖模式。地熱能是綠色清潔能源，暖工程地熱供暖具有開發周期短、成本低廉、供熱溫度穩定等優點，若處理好地熱供暖尾水回灌問題，僅取地熱中的“熱量”，利用地熱供暖不會對環境產生任何污染。據統計,全國地熱供暖面積以每年19%的速度增長[2]，北京、天津、西安、鄭州、鞍山等城市均開采較大規模地熱用來供暖，其中天津市地熱供暖面積較大，約占全國地熱供暖總面積的一半，地熱供暖經濟效益和環境效益顯著。

(2)醫療保健和溫泉旅游度假模式。地熱流體中含有溴、碘、偏硅酸、偏硼酸以及微量的放射性元素氡等成分，溫泉療養可以利用地熱水進行水療、氣療和泥療等方式，對人體起到一定的醫療保健作用。溫泉度假村等地熱旅游項目在全世界發展炙熱，目前國內溫泉旅游度假比重占地熱直接利用的71%[3]。

(3)農業溫室種植及水產養殖模式。地熱資源可應用于生物的反季節、異地養殖與種植。冬季利用地熱水對溫室大棚進行供暖，種植較高檔的花卉和蔬菜瓜果等，不僅節約常規能源，而且可保證北方地區冬季蔬菜的供應。另外，地熱可應用于魚苗培養及熱帶魚類越冬。

(4)工業生產模式。地熱還可以在工業方面用于紡織印染、化工提煉、皮革加工、食品加工、農業干燥、造紙等。

5 開發利用建議

濟南市孔隙裂隙地熱資源豐富且開發較早，利用地熱供暖、洗浴、養殖已經為當地帶來了一定的社會經濟效益，但同時也存在地熱資源利用率不高、開采量控制不合理、地熱棄水亂排放等現象，結合《濟南市地熱資源的開發利用規劃》，提出以下3個方面的建議。

(1)地熱資源綜合梯級利用。地熱資源的高效綜合利用已成國內外關注的話題，國內天津、北京、河北等地均開展了示范項目的建設，取得了顯著成效[4]。濟南市應結合全市需求，開發出一套符合該市的地熱資源綜合梯級綜合利用集成系統,讓地熱這一寶貴的清潔能源得以高效利用,用好資源的同時也大大節約了資源。

(2)地熱尾水進行回灌。地熱尾水的回灌可以減少地熱水的消耗，是延長地熱田的開采壽命、確保地熱資源的永續利用的根本途徑，同時也可解決地熱尾水外排對環境造成的熱污染和化學污染問題[5]。建議根據孔隙裂隙地熱資源實際情況，在地熱田內開展回灌試驗和示蹤試驗，對回灌模式和機理展開研究，保證科學合理的實施回灌。

(3)地熱資源開發的規范化管理。按照“有序有償、供需平衡、結構優化、集約高效”的總方針，根據《中華人民共和國礦產資源法》及相關的法律法規，健全各項規章制度，實現地熱資源開發的科學化、規范化管理。

同時加強地熱資源動態監測，實時采集和監控各個地熱井運行情況數據，準確掌握資源動態，科學規劃和調控地熱資源。

參考文獻：

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[2] 詹麒,崔宇.我國地熱資源開發利用現狀與前景分析[J].理論月刊,2010，(8):170-172.

[3] 任永飛,潘翠,王海波.中美地熱資源開發利用現狀對比[A]//中國環境科學學會學術年會論文集[C].北京：中國環境科學出版社，2011:3500-3504.

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[5] 王彥俊,王貞國,王巖，等.德州市地熱資源開發與保護[J].山東國土資源，2005，21(5):31-35.