深澤縣地熱資源條件研究＊

吳陳冰潔

深澤縣地熱資源條件研究＊

吳陳冰潔

（中石化新星（北京）新能源研究院有限公司，北京 100083；中石化地熱資源開發利用重點實驗室，北京 100083）

河北省深澤縣地熱資源具有良好的開發利用價值，目前境內主要開采新近系館陶組砂巖熱儲。對深澤縣地熱地質條件、熱儲層特征、地熱井產能等方面展開系統分析。經計算，館陶組砂巖熱儲儲量豐富，地熱資源量可達8.33×1012MJ，可采量為2.08×1012MJ。在目前回灌條件下，地熱井開采權益保護半徑為505.80 m。結合本研究結果和目前深澤縣地熱資源開發利用現狀，為該地區地熱資源的合理開發利用提出建議。

地熱資源；熱儲特征；地質條件；產能

現代社會中人們對舒適的建筑熱環境要求越來越高。傳統以燃煤鍋爐為主的供暖方式環保問題突出，采用清潔能源供暖的需求愈加迫切。地熱資源是一種清潔可再生能源，因其分布地域廣、儲量大、穩定性強，在供暖方面優勢突出，且運行維護成本相對較低，具有良好的經濟效益和廣闊的開發利用前景。目前世界上已有30多個國家利用地熱能進行供暖，且規模還在繼續擴大。近幾年，中國的地熱供暖產業發展十分迅速，特別是京津冀地區，已經成為地熱資源開發利用的主戰場。

深澤縣隸屬河北省石家莊市，位于石家莊城區以東 36 km，東、北兩側分別與衡水市和保定市相接，如圖1所示，轄區總面積296.39 km2。2008年以來，深澤地區地熱供暖范圍不斷擴大，良好的供暖效果進一步證實了該區地熱資源的開發潛力[1]。但是前期地熱資源勘探開發過程中，地熱井缺乏地質、水文資料及詳細研究，對后期的可持續開發利用存在不利影響。近年來，新鉆鑿的地熱井加強了資料獲取的力度，為深澤縣區域地熱資源系統研究和評價提供了依據。

1 區域地質背景

1.1 構造背景

深澤縣在地質構造上位于華北板塊（Ⅰ級）渤海灣盆地（Ⅱ級）冀中坳陷（Ⅲ級），跨越饒陽凹陷與高陽低凸起兩個Ⅳ級構造單元，以北北東走向的高陽—安國斷裂為界。饒陽凹陷構造位于冀中坳陷中部，西南部跨過衡水斷裂則為無極—藁城低凸起、晉縣凹陷。深澤縣城及縣城以東地區均屬饒陽凹陷內的深澤—劉村低凸起，位于饒陽凹陷西南端，如圖1所示。

安國斷裂從縣城西側穿過，縣城南部的舊城北斷裂為饒陽凹陷和深縣凹陷的分界斷裂，為北西西向南掉正斷層。

圖1 深澤縣行政位置與區域構造綱要圖

1.2 地層發育特征

深澤縣地區基底主要發育有太古界，中上元古界，下古生界奧陶系、寒武系地層，石炭-二疊系地層零星分布。新生界沉積蓋層發育完整，古近系與下伏基底呈不整合接觸。新近系自下而上發育館陶組、明化鎮組地層，整體厚度為800～1 500 m，埋藏深度西淺東深，巖性為泥巖、砂質泥巖與灰白色砂礫巖、含礫砂巖、砂礫巖互層，館陶組底部發育一套礫巖。第四系以灰黃色粘土、亞粘土、粉細砂巖互層為主，結構松散，底界埋深約400 m。

2 地熱地質條件

2.1 地溫場特征

華北平原是中國地熱資源賦存最為豐富的區域之一，屬于大地熱流作用機制下，以熱傳導為主的中低溫地熱資源區[2-3]。深澤地區屬于非地熱異常區的中低溫地熱資源區[4]。區域大地熱流值52.5～57.5 mW/m2，屬于中等熱流區。地溫梯度大多在2.7～3.3 ℃/100 m，略低于冀中坳陷內平均值3.47 ℃/100 m[5]。

2.2 蓋層和熱儲層

根據深澤縣地熱資料顯示，區域熱儲蓋層為第四系松散堆積物以及新近系明化鎮組地層，總厚度400～1 500 m。由于地層結構松散、導熱性差，分布穩定且沉積厚度大，是良好的保溫蓋層。本區自上而下發育三套主要熱儲層，分別為新近系明化鎮組熱儲層、館陶組熱儲層及基巖熱儲層。目前縣內供暖使用的所有地熱井均開采新近系館陶組砂巖孔隙型熱儲[1，6]。館陶組巖性為棕紅色泥巖、砂質泥巖夾灰綠色、灰白色中細砂巖、砂礫巖，為粒度向上變細的正旋回。儲層中、下部單個砂體厚度較大，底部為大套雜色礫巖，測井顯示明顯。區域內熱儲底板埋深1 300～1 700 m，砂體厚度150～350 m，砂厚比38%～47%。單井有效熱儲層厚度173～285 m，平均227.7 m，孔隙度22%～30%，滲透率20～ 750 mD。單井涌水量1 800～2 208 m3/d，水溫57～63 ℃。

3 水質評價

深澤地區地熱流體水質化驗分析結果顯示，開采的館陶組熱水中主要陽離子為Na+，離子含量（毫克當量百分數）超過95%；主要陰離子為HCO3-，其次為Cl-和SO42-，按水化學類型分類多為HCO3-Na、HCO3·Cl-Na或HCO3·SO4- Na型水。礦化度600～1 200 mg/L，按礦化度分類為微咸水；pH值7.5～8.4，為弱堿性水；總硬度（CaCO3）平均值為16.3 mg/L，屬極軟水。該地熱水屬于非腐蝕性水，鍋垢很少、碳酸鈣不易結垢。

4 地熱井生產現狀

深澤縣部分地熱井基本情況如表1所示。2012年以前，深澤縣境內已在王場村、銀都花園、深澤縣賓館、王場溫泉小區等地陸續建成地熱井12口[1]。2017年以來在深澤華麗小區又陸續鉆鑿地熱井12口。目前地熱井生產層段均為新近系館陶組砂巖熱儲，井口水溫56～61 ℃，水量75～ 120 m3，成井井深1 500～1 900 m。華麗小區地熱井通過合理的生產井、回灌井配置，為保持區域地下水環境和地熱資源的可持續發展打下了良好的基礎。

表1 深澤縣部分地熱井基本情況表

序號地熱井名稱井深/m水溫/℃水量/（m3·h-1）取水段深度/m開采層系 1 王場村地熱井1 55460751 369～1 442館陶組 2銀都花園地熱井1 50560801 300～1 500 3深澤賓館地熱井1 56060801 350～1 500 4富澤園小區地熱井1 65061801 380～1 600 5馬莊村北地熱井1 60060801 350～1 580 6華麗小區A井1 85259.51021 510～1 817 7華麗小區B井1 782601001 460～1 750 8華麗小區C井1 936581201 400～1 900

5 地熱資源評價

5.1 區域地熱資源量評價

采用熱儲體積法公式（1）計算深澤縣館陶組砂巖熱儲地熱資源地質儲量。經計算，館陶組地熱資源量為8.33× 1012MJ。新生代砂巖熱儲中孔隙度高于20%的按回收率25%[7]，館陶組地熱資源可采量為2.08×1012MJ。

式（2）中：r、w為巖石和水的密度，kg/m3；r、w為巖石和水的比熱容，J/kg·℃；為熱儲巖石孔隙度。

5.2 單井開采影響半徑

該地熱田按照單井開采100年，供暖季實際每年生產120 d，消耗15%左右地熱儲量，采用公式（3）（4）分別估算未回灌和回灌條件下的地熱井對熱儲的影響半徑[6]。

假設地熱系統中，除了地熱井抽取和回灌的熱量，不存在與外界的能量交換，且生產井井口水溫等于回灌前的熱儲溫度。

式（3）（4）中：為水比熱與熱儲巖石比熱的比值；為回灌率。

=（2－0）（1－0） （5）

式（5）中：2為回灌溫度，℃；0為基準溫度，取恒溫帶溫度；1為熱儲回灌前溫度，℃。

計算結果顯示，無回灌時地熱井單井開采影響半徑為767.73 m，在目前的回灌溫度條件下影響半徑減小為 505.80 m。地熱尾水回灌能夠降低地熱水開采對熱儲層的影響，同時可以減小井間距，增加布井數量。如果后期地熱供暖面積增大，在不鉆新井的條件下需要適當降低回灌溫度以提供更多的熱量，該影響半徑也會相應增大。綜合考慮，地熱井間距至少保持在1 000 m以上為宜。評價參數取值與計算結果分別如表2、表3所示。

表2 評價參數取值

A/km2H/mT0/℃T1/℃T2/℃β 296.39227.714.959.2540100% ρr/（kg·m-3）Cr/（J·kg-1·℃-1）ρw/（kg·m-3）Cw/（J·kg-1·℃-1）φQ/（m3·d-1） 2 6008781 0004 18626.7%2 880

表3 計算結果

fαQr/MJR1/mR2/m 1.830.4388.33×1012767.73505.80

注：巖石比熱和密度為經驗值，熱儲層厚度、井口水溫、孔隙度等均采用實測平均值。

6 結論與建議

深澤地區地熱資源儲量豐富，應當加以合理開發。新近系館陶組砂巖熱儲埋深為1 000～1 700 m，井口水溫可達到60 ℃，水量超過80 m3/h，水質較好。地熱資源地質儲量為8.33×1012MJ，可采資源量為2.08×1012MJ，能夠滿足地熱供暖需求。在目前回灌條件下，地熱井單井開采影響半徑由無回灌時的767.73 m縮小為505.80 m。為減小地下水開采對周圍熱儲層和環境造成的影響，延長地熱田壽命，井距應至少保持在1 000 m以上，同時確保地熱尾水100%回灌。建議對區內地熱資源統一規劃，進行整體井網部署，以提高地熱井井網效率和資源利用率。地熱井使用過程中應加強管理，加強地熱水的動態觀測工作，避免無序開發，為地熱資源的可持續開發利用提供保障。

［1］劉慶宣，劉志明，藺文靜，等.河北省深澤縣地熱資源評價［C］//中國地質學會水文地質專業委員會年會暨氣候變化與地下水環境學術研討會，2012.

［2］陳墨香.華北地熱［M］.北京：科技出版社，1988.

［3］牛樹銀，孫愛群，李紅陽.華北地區地熱特征及其成因機制［J］.地學前緣，2001，8（1）：112.

［4］張德忠，王蘊玉.河北平原非地熱異常區地熱資源［J］. 地球學報，2000，21（2）：151-154.

［5］常健，邱楠生，趙賢正，等.渤海灣盆地冀中坳陷現今地熱特征［J］.地球物理學報，2016，59（3）：1003-1016.

［6］劉志明，王貴玲，藺文靜.地熱回灌條件下單井開采權益保護半徑的計算［J］.地下水，2014，36（6）：72，75.

［7］國土資源部儲量司，中國礦業聯合會地熱開發管理專業委員會，北京市地質工程勘察院.GB /T 11615—2010 地熱資源地質勘查規范［S］.北京：中國標準出版，2010.

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.008

2095－6835（2020）14－0027－03

中國工程院重點咨詢項目（編號：2019-XZ-35-02）

〔編輯：王霞〕