濟寧市南部地熱資源分析

李愛軍，張豐，王鵬

(1.山東省魯南地質工程勘察院,山東 兗州　272100；2.濟寧市采煤塌陷地治理中心，山東 濟寧　272000)

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濟寧市南部地熱資源分析

李愛軍1，張豐1，王鵬2

(1.山東省魯南地質工程勘察院,山東 兗州272100；2.濟寧市采煤塌陷地治理中心，山東 濟寧272000)

濟寧市南部地處魯西南潛隆之濟寧凹陷，經(jīng)地質調查、物探、鉆孔驗證等分析表明，濟寧城區(qū)南部地熱屬層控巖溶裂隙型層狀熱儲中低溫地熱田，經(jīng)初步概算，區(qū)內奧陶系灰?guī)r熱儲地熱資源總量為3.424×1017J，折合標準煤1.17×107t，開發(fā)利用前景十分可觀。

地熱資源；勘查；濟寧南部

引文格式：李愛軍，張豐，王鵬.濟寧市南部地熱資源初勘[J].山東國土資源，2015,31(6)：30-33.LI Aijun，ZHANG Feng，WANG Peng. Preliminary Exploration of Geothermal Resources in South of Jining City[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(6):30-33.

濟寧市是典型的資源型城市，能源結構主體為煤炭資源。隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，在煤炭資源日益消耗的同時，煤炭燃燒利用過程中造成的環(huán)境污染也日趨嚴重。因此調整濟寧市能源結構，加大可替代能源的尋找和可再生資源的開發(fā)利用勢在必行。根據(jù)以往取得的地質、物探、測溫等資料跡象表明，濟寧市城區(qū)南部一帶存在地熱異常區(qū)，顯示出該區(qū)地熱資源具有良好的開發(fā)前景。濟寧南部地熱資源若能加以開發(fā)利用，不僅可以緩解能源緊張狀況，而且還可以提高該區(qū)的環(huán)境質量，改善人類生存環(huán)境和投資環(huán)境，對于強化城市形象，促進社會的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的科學意義和現(xiàn)實意義。

1　區(qū)域地質背景

1.1地層

區(qū)內地層屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)的濟寧地層小區(qū)。區(qū)域地層主要發(fā)育有古生界奧陶系、石炭系、二疊系，中生界侏羅系以及新生界第四系①山東省地勘局第三水文地質工程地質大隊，山東省濟寧市城區(qū)地熱資源調查報告，2002年。

奧陶紀地層主要為馬家溝群，厚約500～742m，巖性以灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云質灰?guī)r為主，孫氏店斷裂東部埋深淺西部深，濟寧斷層西側埋深1100～1600m，東側埋深800～1100m。與石炭系呈不整合接觸。

石炭系主要隱伏分布于濟寧凹陷內，包含本溪組及太原組。本溪組厚43.00～70.50m，靠近東部孫氏店斷層厚度變小，往南往西逐漸增厚，巖性以雜色、灰綠色粘土巖、鋁鐵質泥巖及灰?guī)r組成。太原組為一套海陸交互相含煤地層，厚約158～192.05m，主要由深灰、灰黑色粉砂巖、泥巖、灰色砂巖、細砂巖與粉砂巖互層、石灰?guī)r及煤層組成。

二疊系分布與石炭系基本一致，分為山西組和石盒子群。山西組為一套以陸相為主的含煤地層，厚61.90～102.49m，主要由灰色、灰白色中細砂巖、灰黑色泥巖、粉砂巖和煤層組成；石盒子群為一砂巖、泥巖夾鋁土巖、頁巖及煤線組成的巖石組合，殘留厚度20～287.20m，由南向北逐漸增厚。

侏羅系主要隱伏分布于濟寧凹陷區(qū)的南部和西部，主要為淄博群三臺組，殘厚240.20～641.20m，從北往南、自東向西逐漸增厚，巖性主要為磚紅及紫紅色砂巖、粉砂巖間夾礫巖。

第四系廣泛分布全區(qū)，厚度149.10～246.30m，平均187.42m，由東北向西南逐漸增厚，由粘土、砂質粘土、粘土質砂及砂礫層組成，與侏羅系呈不整合接觸。

1.2構造

區(qū)內斷裂構造發(fā)育，主要斷裂是東部的孫氏店斷裂和西部的嘉祥斷裂，分別構成濟寧凹陷與東部兗州凸起和西部嘉祥凸起的分界線。另外規(guī)模較大的斷裂尚有劉堤頭斷裂、八里營斷裂、二十里鋪斷裂、長溝斷裂等。該區(qū)斷裂對地殼深部和巖漿熱源起到了重要的溝通和傳導作用，并可能構成地下熱源的良好通道，有利于地下水循環(huán)和儲存。

2　地球物理特征

2.1地溫梯度特征

收集區(qū)內地質勘探過程中鉆孔測溫資料46個(測量深度一般500～1400m)，利用測溫資料分析研究該區(qū)地溫場平面變化特征和垂向變化特征[1]。

地溫梯度的平面變化與奧陶紀灰?guī)r埋藏深度關系密切[2]，同時受區(qū)內隱伏斷裂構造和向背斜的影響，在斷裂構造密集的地段，背斜軸部地溫梯度較高。在工作區(qū)內根據(jù)測溫所圈定的地熱異常區(qū)附近，斷裂構造相對較密集，地溫梯度值一般2.2℃/100m，而在工作區(qū)的其他地區(qū)，地溫梯度一般均小于2.2℃/100m。測溫資料顯示，深層地溫最高值出現(xiàn)在濟寧城區(qū)南部白莊—分場一帶：19-3號孔深920m，溫度38.3℃；17-6號孔深1000.75m，溫度40.6℃。濟寧城區(qū)東南部八里營—前十里營一帶的地溫也高于地溫背景值，區(qū)內10-8號孔，孔深850m，地溫達35.6℃；9-6號孔深780m，溫度35.5℃；9-5號孔深750m，溫度達到35.7℃。

在縱向上地溫變化與地質結構、地層巖性有關[3]。據(jù)區(qū)域地質資料反映，區(qū)內熱儲層上覆的石炭—二疊系厚度及巖性較穩(wěn)定，地溫梯度2.5～3.0℃/100m，是熱儲層的良好蓋層；上覆侏羅系地層厚度變化較大，受近SN向斷裂控制，以砂巖為主，熱導率較高，地熱梯度2.15℃/100m；據(jù)物探及鉆孔資料，區(qū)內第四系在八里營一帶厚約170m，向南至南陽湖農(nóng)場一帶增厚至215m，向測區(qū)西南一帶增厚至230m，地熱梯度1.5℃/100m。

利用區(qū)內10-8號孔成井時系統(tǒng)測溫資料繪制的測溫曲線(圖1)分析工作區(qū)地溫場縱向變化特征：區(qū)內變溫帶深度20～40m左右，40m以下為增溫帶，出現(xiàn)地溫持續(xù)升高現(xiàn)象，確定該地區(qū)年恒溫帶深度為40m。40m深度平均地溫為16.0℃，20～40m深度時的溫度在15～30℃之間變化。地溫曲線在40m深度以下表現(xiàn)為近斜直線型，溫度隨深度增加而均勻升高，地溫梯度為2.2℃/100m左右。

圖1　10-8號孔地溫梯度變化曲線

2.2區(qū)域重力場特征

區(qū)域重力場資料反映，濟寧凹陷區(qū)重力底，西部嘉祥斷裂，東部孫氏店斷裂表現(xiàn)為重力梯級帶。中部劉堤頭斷裂是重力場“零”值線區(qū)，東側為較緩的重力場升高梯級帶，推斷由基底及第四系逐漸變淺引起。

2.3地層電性場特征

根據(jù)視電阻率測深結果并結合煤炭鉆孔資料分析，奧陶系熱儲層總的趨勢是呈水平產(chǎn)出,微微向SW傾斜,孫氏店斷裂以東埋深200m左右，斷裂以西頂板埋深800～1400m。

3　熱儲概念模型

根據(jù)上述條件分析，該區(qū)屬層控巖溶裂隙型層狀熱儲中低溫地熱田，區(qū)內地熱資源主要受地殼深部及上地幔傳導熱流影響，并與孫氏店斷裂和嘉祥斷裂相關；熱儲層主要為奧陶紀石灰?guī)r。熱儲層在控熱構造作用下，從地球深部獲得源源不斷的熱能，使熱儲層中的地下水不斷升溫，而且在巨厚蓋層覆蓋下熱能不斷富集。導水構造溝通了含水層間的聯(lián)系，形成了地下水垂向運移通道，經(jīng)長期的對流循環(huán)，形成了現(xiàn)今可開發(fā)利用的地熱資源[4]。其頂部分布有較厚的泥巖、砂巖、頁巖隔水層及中生代燕山時期的巖漿侵入巖，導熱性較差，構成保溫蓋層。在水平方向上，該區(qū)以白莊背斜為中心，熱儲厚度分布較穩(wěn)定，巖性均一。沉積物形成時期保存下來的沉積水和濟寧凹陷區(qū)東、西、北側巖溶水的側向徑流補給是該區(qū)熱水的主要補給來源。其熱儲概念模型見圖2*山東省魯南地質工程勘察院，山東省濟寧市城區(qū)南部地熱資源勘查(預可行性勘查階段)，2013年。

1—第四系;2—侏羅系;3—二疊系;4—石炭系;5—奧陶系;6—寒武系;7—新太古代泰山巖群;8—熱儲層;9—熱儲蓋層;10—地熱水來源;11—地熱水形成過程;12—深大斷裂導熱圖2　濟寧市城區(qū)熱儲概念模型示意圖

4　地熱資源計算與評價

依據(jù)《地熱資源地質勘察規(guī)范》(GB/T11615-2010)的規(guī)定，采用熱儲法對熱儲中儲存的熱量進行計算。熱儲中儲存的熱量包括巖石中儲存的熱量和熱水中儲存的熱量2部分[5]，計算區(qū)為勘查區(qū)內奧陶系分布范圍，根據(jù)奧陶系頂板埋深分為2個計算亞區(qū)，分別計算地熱資源量，Ⅰ區(qū)分布于東部，熱儲層頂板埋深為950～1100m，面積8.38km2，Ⅱ區(qū)分布于西部，熱儲層頂板埋深為1100～1200m，面積12.45km2。

4.1巖石中儲存的熱量

計算公式如下：

(1)

式中：Qr—巖石中儲存的熱量(J)；A—計算區(qū)面積(m2)；d—熱儲厚度(m)；ρr—熱儲巖石密度(kg/m3)；cr—熱儲巖石比熱(J/kg·℃)；φ—熱儲巖石的空隙度(無量綱)；tr—熱儲溫度(℃)；t0—當?shù)啬昶骄鶜鉁?℃)；各熱儲巖石中儲存的熱量計算結果見表1。

表1　巖石中儲存的熱量計算結果

4.2水中儲存的熱量

(1)計算公式:

(2)

(3)

(4)

Q2=ASH

(5)

式中：QW—水中儲存的熱量(J)；QL—熱儲中儲存的水量(m3)；Q1—熱儲孔隙中熱水的儲存量(m3)；Q2—水位降低到目前取水能力極限深度時熱儲所釋放的水量(m3)；A—計算區(qū)面積(m2)；d—熱儲厚度(m)；φ—熱儲巖石的空隙度(無量綱)；tr—熱儲溫度(℃)；t0—當?shù)啬昶骄鶜鉁?℃)；ρw—地熱水密度(kg/m3)；S—熱儲彈性釋水系數(shù)(無量綱)；H—計算起始點以上高度(m)；Cw—水的比熱(J/kg·℃)。

(2)計算結果：經(jīng)計算，熱水靜儲資源量見表2、表3。

4.3熱儲中儲存的熱量

熱儲中儲存的熱量為熱儲巖石中儲存的熱量和熱水中儲存的熱量之和，計算區(qū)范圍內奧陶系熱儲地熱資源總量為3.424×1017J，相當于1.17×107t標準煤。

5　地熱鉆孔驗證及產(chǎn)能計算

根據(jù)前期確定的地熱探采結合井的位置施工地熱勘探孔進行驗證。鉆探深度為1302m，地熱井井口水溫43℃，同時對該井進行了3個落程的產(chǎn)能試驗及水位恢復試驗[4]。依據(jù)《地熱資源地質勘查規(guī)范》(GB/T11615-2010)有關規(guī)定，地熱井年開采累計可利用的熱能量按照公式6計算：

表2　奧陶系熱儲層地熱水靜儲水量計算成果

表3　奧陶系熱儲層地熱水靜儲資源量計算成果

∑Wt=86.4DWt/K

(6)

式中：ΣWt—每年可利用的熱能(MJ)；D—全年開采日數(shù)(d);Wt—熱功率(kw)；86.4—單位換算系數(shù)；K—熱效比(按燃煤鍋爐的熱效率0.6計算)。

熱功率按公式7計算：

Wt=4.1868Q(t-t0)

(7)

式中：Q—地熱水可開采量，單位為升每秒(L/s)；t—熱水溫度，單位為攝氏度(℃)；t0—當?shù)啬昶骄鶜鉁兀瑔挝粸閿z氏度(℃)；4.1868—單位換算系數(shù)。其計算結果見表4。

表4　年累計可利用熱能計算結果

6　開發(fā)利用分析

該地熱井井口水溫43℃，按地熱資源溫度分級，為溫熱水。水溫適中，可用于供熱取暖、醫(yī)療洗浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖、溫室種植等[6]。熱水中鍶含量、氟元素濃度達到命名礦水濃度，偏硅酸濃度達到礦水濃度，氡濃度、偏硼酸濃度達到有醫(yī)療價值濃度，可命名為鍶氟礦泉水。地熱井臨近太白湖風景區(qū)，根據(jù)濟寧城市規(guī)劃，該區(qū)附近將規(guī)劃開發(fā)為濱湖新區(qū)及旅游度假區(qū)，形成以生態(tài)涵養(yǎng)為主，高檔居住、旅游度假、休閑娛樂為補充的綜合功能區(qū)域。地熱資源有著廣闊的開發(fā)和利用空間。同時應進一步開展地熱勘探工作，求取更加準確的地熱資源計算參數(shù)和合理的布井方案，確保地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用，充分發(fā)揮地熱資源的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1]曹洪松,逯光明,石建,等.濟寧市城區(qū)遙感地熱異常及其地熱田地質特征[J].山東國土資源,2008,24(4):29-34.

[2]徐軍祥,康鳳新.山東省地熱資源[J].中國地質,1999,(9):30-31.

[3]楊斌,牛保祥.水井測溫在地熱普查中的應用[J].山東國土資源,2005,21(9):65-66.

[4]任書才,趙虹,張中祥,等.山東省地熱資源特征及勘查對策[J].地熱能,2006,(6):21-22.

[5]楊毓桐.地熱資源的形成與評價[J].水文地質工程地質,1983,(5):1-2.

[6]高宗軍，吳立進，曹紅.山東省地熱資源及其開發(fā)利用[J].山東科技大學學報，2009，28(2)：1-6.

Preliminary Exploration of Geothermal Resources in South of Jining City

LI Aijun， ZHANG Feng，WANG Peng

(Lunan Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Yanzhou 272100，China)

Southern Jining city is located in Jining depression of Luxinan hidden uplift in Shandong province. Through analysis of geological investigation, geophysical prospecting and drilling verification, it is showed that geothermal resource in southern Jining city belongs to low temperature strata bound fissure type geothermal field. Through preliminary estimation, total amount of thermal storage of geothermal resources of Ordovician limestone in this region is 3.424 x 1017J, which is equivalent to standard coal of 1.17 x 107t. It has a quite considerable prospect for development and utilization.

Geothermal resources；exploration；southern Jining city

2014-08-26；

2015-04-16；編輯：王敏

李愛軍(1982—)，女，遼寧丹東人，工程師，主要從事水工環(huán)地質工作；E-mail:26977886@qq.com

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