河南清豐地區中深層地熱資源特征及開發保護措施探討

賈艷雨，李亞輝

(1.中國石化集團新星石油公司新能源研究院，河南 鄭州 450000；2.河南省煤田地質局，河南 鄭州 450016；3.河南省能源鉆井工程技術研究中心，河南 鄭州 450016)

河南清豐地理位置位于河南省東北部，屬濮陽市管轄，地處黃衛平原。整個縣城處于溫帶大陸性季風氣候，多年平均降雨量616 mm，7-9月份為雨季，7月份為降水高峰，8月份次之。前期針對清豐地區地熱地質條件研究較少，認識不足，資源利用率不高。

1 地熱資源特征

清豐地區地熱資源類型主要為傳導型，熱儲類型為層狀熱儲，熱儲結構完整，熱儲層、蓋層發育齊全。

1.1 控熱構造與運移通道

凸起和斷裂是清豐地區的主要控熱構造。清豐地區構造單元上位于華北板塊—渤海灣盆地—臨清坳陷—內黃凸起北部(圖1)，基巖埋深淺，地球內部的熱能容易通過高熱導率的剛性巖層向上傳導，使得清豐縣成為較好的地熱異常區。縣城東部存在切穿深達上地幔的深大張性斷裂—長垣斷裂和蘭聊斷裂，區域資料顯示兩條斷裂組合的主干斷裂均切穿地殼，越過莫霍面進入上地幔，不僅能夠溝通地下深處的熱源，同時可以起到導通熱流體的作用。受區域應力的影響清豐縣城內發育一定的次級斷裂，在一定程度上影響熱儲的埋深和富水程度。

圖1 內黃凸起區域構造圖與清豐縣相對位置圖

1.2 熱儲層特征

清豐縣已鉆井完鉆垂深介于1 200～1 900 m之間，主要鉆遇新生界第四系、新近系、晚古生界石炭系、二疊系和早古生界奧陶系、寒武系地層。現有資料顯示，清豐地區主要發育新近系砂巖、砂礫巖和奧陶系、寒武系灰巖、白云巖巖溶兩種類型的熱儲層。

新近系熱儲層主要為明化鎮組和館陶組含水層。清豐區域新近系明化鎮組厚度約為250～750 m，單層含水層厚度多介于2～20 m之間，巖性上表現為灰黃色泥巖及棕黃色、棕色、棕紅色砂巖互層，夾少量灰色條帶，該套地層上部較為松散，地熱開采利用率較低，中下部受壓實作用影響，固結成巖性明顯變好。新近系館陶組厚度多在500～700 m之間，含水上部巖性主要為棕色泥巖與中細砂砂巖互層，下部發育大套的灰白色砂礫巖夾棕紅色泥巖。已有鉆井資料顯示，新近系可利用的含水層厚度在200 m以上，砂巖、砂礫巖孔隙度一般大于20%，滲透率達120 md以上。

清豐地區奧陶系熱儲層頂板埋深在1 100～1 500 m左右，現有鉆井揭露厚度為54～677 m，主要為峰峰組、上馬家溝組和下馬家溝組熱儲層。峰峰組地層因中奧陶世末期地殼上升影響，經歷了風化剝蝕階段，目前均是殘存厚度，平面差異較大，其巖性主要為一套厚層狀深灰色隱晶灰巖，夾薄層灰白色、褐灰色隱晶白云巖及含膏角礫狀白云巖，溶蝕現象普遍，具風化殼的特征。上馬家溝熱儲層巖性為灰色、淺灰色白云巖夾灰色石灰巖，下馬家溝組熱儲層段巖性為深灰色厚層石灰巖，中部夾一厚層白云巖。峰峰組、上馬家溝組和下馬家溝組碳酸鹽巖巖溶和裂縫發育，是清豐縣目前開采的最主要熱儲層，開采此層位的地熱井水溫均在50℃以上，水量在100 m3/h左右。現有鉆井最多揭露寒武系地層厚度118 m，巖性主要為灰、深灰色厚層白云巖，含水性略差于奧陶系碳酸鹽巖。

1.3 蓋層條件

新近系熱儲蓋層為第四系和新近系上部松散的粘土、粉質粉土、粉細砂、泥質砂礫石。寒武-奧陶系熱儲蓋層為上部碎屑巖及第四系松散層。

2 地溫特征

2.1 恒溫帶的確定

清豐縣多年平均氣溫13.4℃，野外調查區域內淺水井76口，測溫結果顯示清豐縣城附近恒溫帶埋深24.8 m，溫度16℃。

2.2 地溫分布特征

利用清豐地區已有地熱井測溫資料(表1)，根據公式1，計算清豐地區地溫梯度，結果顯示新近系熱儲層的平均地溫梯度3.34℃/100m，奧陶系熱儲層平均地溫梯度2.26℃/100m。不同熱儲層地溫梯度差異較大，主要是地層巖性不同影響著巖石熱導率的變化，從而影響地溫梯度。地熱井井深與測井溫度關系圖顯示(圖2)，地熱井溫度總體表現為隨著深度加大地層溫度逐漸增高的趨勢，灰巖地層的增溫率明顯小于砂巖地層，很好的反映了垂向地溫梯度與巖性的變化關系。清豐縣區域內，縣城北部地溫梯度計算結果稍高于縣城中部，初步推斷可能和斷裂發育情況有關。

表1 清豐縣部分地熱井平均地溫梯度統計表

圖2 清冶3井深度與測井溫度關系圖

(1)

式中：ΔT/ΔH為地溫梯度；T為鉆孔測井溫度(℃)；T0為恒溫帶溫度(16℃)； h為鉆孔測溫段埋深(m)；h0為恒溫帶埋深(24.8 m)。

3 地熱流體化學特征

化驗分析資料顯示，清豐縣新近系熱儲地熱流體化學類型為SO4·Cl-Na型水。PH值7.9左右，屬弱堿性水，礦化度2 274.68 mg/L左右，屬微咸水，總硬度(以CaCO3計)為353.5 mg/L，屬硬水，總溶解性固體一般在2 358 mg/L左右，H2SiO3含量一般在31 mg/L左右。清豐縣奧陶系地熱流體化學類型主要為硫酸?氯化物型水(SO4·Cl)，其中清冶2井和清冶3井為SO4·Cl-Ca·Na型水，清冶4井為SO4·Cl-Na·Ca型水。奧陶系地熱流體pH值介于7.1～7.4之間，屬弱堿性水，礦化度在2 585.82～2 941.67 mg/L之間，屬咸水，總硬度(以CaCO3計)在1 108～1 515 mg/L之間，屬特硬水，總溶解性固體一般在2 714.82～3 075.91 mg/L之間，H2SiO3含量一般在32.5～46.3 mg/L之間。總體來看，奧陶系熱儲層之間地熱流體化學成份變化不大，說明該區熱儲層地熱流體水平方向聯系密切，新近系熱儲地熱流體化學成分和奧陶系熱儲地熱水水化學成分有一定差別，說明新近系熱儲和奧陶系熱儲之間水力聯系較弱。

4 地熱資源開發利用與保護措施

4.1 地熱資源開發利用

清豐地區地熱水無味，無肉眼可見物，但不符合直接飲用標準，不能作為飲用水。清豐地區地熱資源屬中低溫地熱資源，新近系砂巖熱儲層受其特征影響，在清豐地區可以視為無限邊界儲層，整個地區大面積連續分布，根據新近系砂巖熱儲層地熱水特點，300～600 m的新近系熱儲所賦存的地熱水溫度多小于35℃，可用于農灌、養殖與土壤加溫，而埋藏深度介于600～1 300 m深度的新近系熱儲層地熱水溫度多介于35℃～50℃之間，可用于醫療、洗浴、溫室。大于1 300 m埋藏深度的奧陶系、寒武系地熱水，地熱水溫度多大于50℃，可用于供暖和工業應用，但因巖溶熱儲層平面和縱向非均質性均較強，不同區域富水程度差異明顯，針對此類型的熱儲層開發利用需開展深入的勘查認識和評價工作。現清豐境內有少數地熱井用于洗浴，鉆井深度一般在1 300 m以下，利用新近系砂巖熱水；中石化新星公司在縣城南部開展了多個地熱供暖項目，利用奧陶系巖溶熱水，地熱井單井水量在100 m3/h左右，項目地熱尾水回灌處理，采用取熱不取水的工藝流程于供暖季運行。綜合來看，整個清豐地區的中深層地熱資源利用率不高，地熱利用項目較少且利用單一，缺少系統規劃和監督管理。

4.2 地熱資源保護

地球內部雖然具有源源不斷的熱量，但地熱資源卻是在特定的水文地質、水文地球化學環境等條件下形成的，在規劃利用中應十分注意地熱資源的保護，以保證地熱資源的利用效率和可持續性。在地熱資源保護中，應該注意做好以下幾個方面：(1)建立建全地熱資源管理和審批制度，地熱資源開采利用應該在取得礦權或許可證的條件下進行，實行嚴格審批，并根據實際情況設置地熱能利用權限。(2)針對農業灌溉、養殖、溫泉洗浴等地熱水利用量相對較小的項目，應根據區域地熱資源可采量計算，合理設置地熱水最大開采量，對于超采范圍嚴格征稅、罰款或禁止項目繼續運行，以保護地熱資源可持續利用。(3)針對供暖利用和工業利用等取水量較大的項目，對取熱不取水、實施同層回灌的供暖和工業項目給予支持和鼓勵，嚴格禁止只取地熱水而不采取保護措施的供暖和工業項目建設，從而提高地熱資源利用率，保護地熱資源。(4)建立相關的動態監督機制，時時監督不同類型地熱利用項目是否嚴格按著批復規定取水、回灌，是否在地熱資源保護的前提下開展利用。(5)打造地熱資源梯級利用項目示范工程，推動地熱能產業發展。

5 結語

河南清豐地區地熱資源豐富，發育新近系明化鎮組、館陶組，古生界奧陶系、寒武系等幾套熱儲層。國家《地熱能開發利用“十三五”規劃》指明了地熱能發展的方向和目標，結合不同熱儲層、不同深度的地熱資源特點，合理利用清豐地區的地熱資源，可能成為清豐地區新的經濟增長點，但是在利用中應采取相應的保護措施，實現可持續發展。