山東省汶上縣WS01井地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)研究

李榮飛, 孟憲洲

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東 濟(jì)寧 272100)

2017年8月,山東省汶上縣城南部鉆成井深2 269.28 m的地?zé)峋?編號(hào)WS01,為濟(jì)寧市汶上縣首眼地?zé)峋Ｉ綎|省魯南地質(zhì)工程勘察院在收集區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)資料基礎(chǔ)上,對(duì)WS01井開展了產(chǎn)能測(cè)試及水質(zhì)化驗(yàn),并進(jìn)行了地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)。

圖1 汶上凹陷地?zé)崽镞吔鐥l件示意圖Fig.1 Schematic map of geothermal field boundary conditions in Wenshang depression1.斷裂;2.奧陶系頂板埋深等值線(m)。

1 區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件概況

1.1 位置及劃分依據(jù)

WS01井位于汶上凹陷地?zé)崽镏胁?該地?zé)崽镂挥谌A北板塊、魯西隆起區(qū)(Ⅱ)、魯西南潛隆起(Ⅱb)的菏澤—兗州潛斷隆(Ⅱb1)的汶上—寧陽(yáng)潛凹陷(Ⅱb13)內(nèi)(圖1)。該地?zé)崽镆詳嗔褬?gòu)造為邊界,東起孫氏店斷裂,南到鄆城斷裂,西至嘉祥斷裂,北達(dá)汶泗斷裂,是一個(gè)邊界條件完整的地?zé)崽铩Ｃ娣e約252.3 km2。

1.2 熱儲(chǔ)層地?zé)岬刭|(zhì)特征

汶上凹陷地?zé)崽餆醿?chǔ)層為古生界奧陶系石灰?guī)r層,地?zé)崃黧w主要賦存于汶上斷裂破碎帶及石灰?guī)r裂隙巖溶孔隙中,熱儲(chǔ)類型為斷裂構(gòu)造帶狀熱儲(chǔ)層及奧陶系—寒武系層狀熱儲(chǔ)層。地表無(wú)熱流顯示,地?zé)豳Y源類型屬熱傳導(dǎo)型。本地?zé)峋畬?shí)測(cè)井口地?zé)崴疁囟葹?1 ℃,判定該區(qū)地?zé)豳Y源類型為熱水型低溫地?zé)豳Y源。

奧陶系熱儲(chǔ)與月門溝群本溪組成平行不整合接觸,其頂板埋深為1 600～2 000 m,從北向南埋深逐漸增大(見圖1)。其中WS01井處奧陶系頂板埋深約1 977.90 m,揭露厚度291.38 m,未揭穿底板。

熱儲(chǔ)層巖溶發(fā)育主要受汶上斷裂影響,形成巖溶破碎帶,其次受地質(zhì)歷史時(shí)期風(fēng)化侵蝕和溶蝕作用,形成層狀巖溶發(fā)育帶,灰?guī)r裂隙巖溶是深層地下水體循環(huán)運(yùn)移的通道及熱儲(chǔ)的空間,水溫較高,富水性一般。該熱儲(chǔ)層單井最大涌水量31.84 m3/h,水溫61 ℃,水化學(xué)類型為Cl—Na·Ca型,礦化度24 929.3 mg/L。

圖2 熱儲(chǔ)概念模型圖[1]Fig.2 Conceptual model of thermal storage

1.3 地下熱水的形成條件

1.3.1熱源

本區(qū)的熱源主要來(lái)自地殼深層正常的熱流傳導(dǎo),且本區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,對(duì)地殼深部的熱源起到了重要的溝通和傳導(dǎo)作用,地殼深部的熱能可通過(guò)斷裂及破碎影響帶的傳導(dǎo)和地下水的深循環(huán)對(duì)流作用,將熱能輸送至熱儲(chǔ)層,遇到上覆巨厚的碎屑巖和松散巖蓋層的阻熱保溫,使熱能儲(chǔ)存下來(lái)。

1.3.2補(bǔ)給水源

地?zé)崴难a(bǔ)給來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面:汶上斷裂切割導(dǎo)通了上部含水層的越流補(bǔ)給;大氣降水的垂直入滲經(jīng)深部循環(huán)補(bǔ)給;側(cè)向徑流補(bǔ)給。

1.3.3熱儲(chǔ)層

熱儲(chǔ)層為新生代巨厚層之下的受汶上斷裂牽引擾動(dòng)的帶狀—層狀?yuàn)W陶系石灰?guī)r熱儲(chǔ)層,其巖性由灰、深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r組成,灰?guī)r內(nèi)部裂隙巖溶發(fā)育受汶上斷裂活動(dòng)控制,共有五段富水裂隙帶,為地?zé)崴膹搅鳌①x存提供了良好的導(dǎo)水通道和儲(chǔ)水空間,其埋藏深度>1 900 m,熱儲(chǔ)層的溫度和涌水量能夠達(dá)到開發(fā)地?zé)崴囊蟆?/p>

1.3.4蓋層

熱儲(chǔ)蓋層為第四系、新近系、古近系、侏羅系和石炭系—二疊系,總厚度達(dá)1 977.9 m。以粉質(zhì)粘土、粘土、泥巖為主的巨厚不透水層切斷了含水層間的垂向運(yùn)移,防止地下熱能的擴(kuò)散,形成了本區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)良好的蓋層。

1.3.5控?zé)峒皩?dǎo)水構(gòu)造

汶上斷裂為汶泗凹陷內(nèi)斷裂,其切割深度大、活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),破壞了地殼的連續(xù)性,溝通了熱儲(chǔ)層與深部熱源的聯(lián)系,成為熱儲(chǔ)層與深部地?zé)岬膫鬏斖ǖ?是本區(qū)主要的控?zé)針?gòu)造。汶上斷裂切割深度>500 m,溝通了不同含水層之間的聯(lián)系,使其沿?cái)嗔堰M(jìn)行垂向?qū)α?為該區(qū)內(nèi)的導(dǎo)水構(gòu)造。

1.3.6熱儲(chǔ)模型

據(jù)前述地?zé)岬刭|(zhì)條件建立概念模型,見圖2。

2 地?zé)峋艣r

2.1 地?zé)峋衣兜貙訋r性

第四系(Q):埋深0～190.55 m,為松散砂土層。

新近系(N):埋深190.55～351 m,為松散—半膠結(jié)粘土、砂質(zhì)粘土層,夾粉砂—中細(xì)砂層和少量砂礫石、鈣質(zhì)結(jié)核、石膏等。

古近系(E):埋深351～1 206.20 m,為半膠結(jié)砂土層、粘土層,夾砂礫巖層。

侏羅系(J):埋深1 206.20～1 415 m,為泥巖、粉砂巖夾砂巖,其中1 397.65～1 415 m為底礫巖。

石盒子群(P1-2sh):埋深1 415～1 753.05 m,為泥巖、砂巖、粉砂層,其中1 656.25～1 659.40 m為鋁土巖。

山西組(P1s):埋深1 753.05～1 822.40 m,主要為砂巖、粉砂層、泥質(zhì)砂巖,夾煤層。

太原組(C2P1t):埋深1 822.40～1 969.20 m,主要為粉砂層、泥質(zhì)砂巖、砂巖,夾石灰?guī)r、煤層。

本溪組(C2b):埋深1 969.20～1 977.90 m,為雜色泥巖,底部鋁土質(zhì)泥巖發(fā)育。

奧陶系馬家溝群(O2m):埋深1 977.90～2 269.28 m,未揭穿,巖性為灰?guī)r,共發(fā)育1段斷層破碎帶、4段裂隙發(fā)育帶,總厚度約96.6 m,為主要含水層段。

2.2 地?zé)峋芙Y(jié)構(gòu)

(1) 0～526 m孔徑377 mm、下入273 mm×8.89 mm鋼級(jí)J-55石油套管526 m,用27 t G級(jí)油井水泥壁后注漿固管。

(2) 526～1 701.15 m孔徑244.5 mm、488.52～1 701.15 m下入177.8 mm×8.05 mm鋼級(jí)J-55石油套管1 212.63 m,用16 t G級(jí)油井水泥壁后注漿固管;177.8 mm與273 mm套管采用喇叭口抄手連接,抄手長(zhǎng)度34.88 m。

(3) 1 701.15～2 100.20 m孔徑152.4 mm,1 680.11～2 100.20 m下入133 mm×6.5 mm無(wú)縫鋼管套(花)管420.09 m。其中套管總長(zhǎng)247.50 m,花管總長(zhǎng)172.59 m,下置位置1 697.86～2 100.20 m;133 mm套管與177.8 mm套管抄手21.04 m。

(4) 2 100.20～2 269.28 m孔徑133 mm,裸孔。

地?zé)峋衣兜貙蛹熬芙Y(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 地層柱狀及鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural sketch of stratum columnar and borehole

3 單井產(chǎn)熱量

3.1 地?zé)峋a(chǎn)能測(cè)試

WS01井先后開展了3個(gè)落程的產(chǎn)能測(cè)試,測(cè)試設(shè)備采用200QJ(R)32-299型井用潛水泵,電機(jī)型號(hào)為YQST200-45,最大流量31.84 m3/h,功率45 kW,揚(yáng)程299 m,下入深度260 m;通過(guò)變頻設(shè)備控制抽水水量;用流量表觀測(cè)水量;用水銀溫度計(jì)測(cè)量水溫;用測(cè)繩及電流表測(cè)量水位埋深。產(chǎn)能測(cè)試數(shù)據(jù)及參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1、圖4。

表1 WS01井產(chǎn)能測(cè)試數(shù)據(jù)及參數(shù)計(jì)算結(jié)果表[2]Table 1 Well WS01 productivity test data and calculating table of parameters

圖4 產(chǎn)能測(cè)試Q-S曲線圖[1]Fig.4 Q-S curve of productivity test

3.2 地?zé)峋畣尉a(chǎn)熱量

根據(jù)WS01井產(chǎn)能測(cè)試資料,計(jì)算不同降深情況下地?zé)峋a(chǎn)熱量及單井產(chǎn)熱能,結(jié)果見表2。公式[3]如下:

Qk=ρwCwQ(tr-t0)×10-6t

q=Qk/86 400

式中:Qk為單井可采熱量,MJ/d;q為單井地?zé)崮?MW;Cw為熱水的比熱,J/(kg·℃);ρw為熱水比重,kg/m3;Q為單井涌水量,m3/d;tr為地?zé)峋谒疁?℃;t0為地?zé)峋菜疁囟?取當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁刂?,℃。

4 地?zé)崴|(zhì)評(píng)價(jià)

4.1 地?zé)崴瘜W(xué)特征

WS01井在產(chǎn)能測(cè)試過(guò)程中采取水樣進(jìn)行了全分析。地?zé)崴畃H值為6.69,總硬度9 015.97 mg/L,礦化度24 929.30 mg/L,地?zé)崴瘜W(xué)類型為Cl—Na·Ca型。

4.2 理療熱礦水水質(zhì)評(píng)價(jià)

WS01井地?zé)崴⒘吭貦z測(cè)結(jié)果:溴26.3 mg/L,碘1.21 mg/L,鍶107.54 mg/L,鋰2.76 mg/L,偏硼酸13.90 mg/L,偏硅酸35.91 mg/L。可命名為含碘鋰偏硼酸偏硅酸的溴鍶型熱礦水。洗浴對(duì)皮膚病、慢性濕疹、蕁麻疹、痤瘡、腳氣等有一定的療效。

表2 WS01井地?zé)峋a(chǎn)熱量及單井產(chǎn)熱能計(jì)算表Table 2 Calculating table for heat production of geothermal well WS01 and single well

4.3 地?zé)崴g性評(píng)價(jià)

參照工業(yè)上用腐蝕系數(shù)來(lái)衡量地?zé)崃黧w(水)的腐蝕性,計(jì)算結(jié)果見表3。

式中:r為離子含量的每升毫克當(dāng)量(毫摩爾)數(shù),mmol/L。

4.4 地?zé)崴Y(jié)垢性評(píng)價(jià)

參照工業(yè)上用鍋垢總量來(lái)衡量地?zé)崃黧w(水)的結(jié)垢性,計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 地?zé)崃黧w結(jié)垢性評(píng)價(jià)表[2]Table 4 Evaluation table of scalability of geothermal fluids

計(jì)算公式:H0=S+C+36rFe3++17rAl3++20rMg2++59rCa2+

式中:H0為鍋垢總量,mg/L;S為懸浮物含量,mg/L;C為膠體含量,mg/L;r為離子含量的每升毫克當(dāng)量(毫摩爾)數(shù),mmol/L。

5 結(jié)論

山東省汶上WS01地?zé)峋咨? 269.28 m,井口出水溫度61 ℃,熱儲(chǔ)層為古生界奧陶系灰?guī)r,降深210.054 m時(shí)出水量764.16 m3/d,單井可采熱量140 681.27 MJ/d,單井地?zé)崮?.63 MW,地?zé)崴畃H值為6.69,礦化度24 929.3 mg/L,可命名為含碘鋰偏硼酸偏硅酸的溴鍶型熱礦水。地?zé)崴贿m宜飲用,可用于理療洗浴。地?zé)崴g性強(qiáng)烈,鍋垢很多。建議以地?zé)猁}水進(jìn)行采礦權(quán)出讓,以提高資源的有效利用和資源的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。