青海省恰卜恰地區深部熱儲溫度估算

李永革，藺文靜，邢林嘯，王貴玲，劉志明

1.河南省濮陽水文水資源勘測局，河南 濮陽457000；

2.中國地質科學院 水文地質與環境地質研究所，河北 石家莊050000

隨著傳統能源的緊缺，環境的惡化，人類對新能源的需求越來越急切［1-4］.近年來，地熱能的研究開發利用，在一定程度上滿足了大家對清潔環保綠色能源的要求.熱儲溫度的高低，直觀地表明了地熱資源的豐富程度［5-7］.因此熱儲溫度的確定對于合理開采地熱資源具有非常重要的意義.確定熱儲溫度的方法有直接測量法和計算法兩種.直接法可靠精準，但是難度大、投資高，在實際工作中不易實現，因此大多采用計算法對熱儲溫度進行估算［8］.常用的計算法包括二氧化硅溫標法、鈉鉀溫標法、鉀鎂溫標法、鈉鉀鈣溫標法、多礦物平衡法，但是各種方法計算的結果往往相差很大［9-12］.本文使用常規計算法和PHREEQC軟件模擬的多礦物平衡法，對青海省恰卜恰地區熱儲層溫度進行計算，以期得出合理的熱儲溫度.

1 研究區概況及熱水化學基本特征

恰卜恰地熱區位于青海省共和盆地的共和凹陷內，中心基底埋深大于3 000 m，形成了良好的熱儲層蓋層.區內侵入巖以印支—燕山期花崗巖為主，主要礦物成分是石英、斜長石、鉀長石、黑云母、角閃石.本文分析的兩個熱水井（見圖1）均屬于新近系的熱礦水，其水化學特征見表1.

表1 鉆孔W1、W2水化學數據Table 1 Hydrochemical data of boreholes W1 and W2

圖1 鉆孔W1、W2分布圖Fig.1 Distribution map of boreholes W1and W2

2 熱儲溫度的計算

近年來，隨著熱礦水開發研究的深入發展，地球化學方法被廣泛地應用于地下熱礦水的勘查和研究中，其中利用地球化學溫標估算深部熱儲溫度已成為重要的應用方面［13-16］.地熱溫標方法主要有二氧化硅溫標、陽離子溫標、同位素溫標［17］、氣體溫標.限于取樣測試的結果，本文選用二氧化硅溫標和陽離子溫標對熱儲溫度進行估算.

2.1 二氧化硅溫標

二氧化硅礦物的溶解度在溶液蒸汽壓力下是溫度的函數，因此，可以將地熱水中二氧化硅濃度作為地溫計［11］.但是，在應用此溫度計時，應該知道是何種二氧化硅礦物控制了水中二氧化硅的濃度.

如果熱水在上升到地面的過程中沒有蒸汽損失，或者僅存在傳導冷卻，石英溫標表達式為：

如果熱水在上升到地面過程中具有某一溫度下最大蒸汽損失，或者以絕熱冷卻為主，則石英溫標表達式為：

玉髓溫標的表達式為：

式中，CSiO2表示水樣中二氧化硅的含量，單位為mg/L.

2.2 陽離子溫標

陽離子溫標是基于熱水與固相間的K、Na、Ca、Mg等陽離子的交換與溫度的關系建立起來的，所有的陽離子溫標都是經驗性的公式.常用的有Na－K溫標、Na－K－Ca溫標、K－Mg溫標等.

Na－K溫標表達式為：

式中，CNa、CK分別代表水樣中鈉、鉀離子的含量，單位為mg/L.

Na－K－Ca溫標表達式為：

式中，當t＜100℃時，β＝4/3；t＞100℃時，β＝1/3；CNa、CK、CCa分別代表水樣中鈉、鉀、鈣離子的含量，單位為mg/L.

K－Mg溫標表達式為：

式中，CK、CMg分別代表水樣中鉀、鎂離子的含量，單位為mg/L.

運用上述各種溫標，對恰卜恰地區熱水進行熱儲溫度的估算（表2），發現不同方法計算出的熱儲溫度相差很大.其中石英溫標估算結果最近接取樣時測得的水溫；玉髓溫標、Na－K溫標和K－Mg溫標計算結果明顯低于取樣時測得的水溫，Na－K－Ca溫標計算結果明顯高于石英溫標計算結果，故不具有參考價值.這是因為任何一種地熱溫標的使用前提都是假設溶液－礦物達到平衡狀態，在溶液－礦物沒有達到平衡狀態的情況下，地熱溫標無法給出正確的結果.

表2 鉆孔W1、W2熱儲溫度的估算結果Table 2 Estimation for thermal reservoir temperatures of boreholes W1 and W2

2.3 水巖平衡判斷

選用各種地熱溫標計算熱儲溫度必須符合一定要求，那就是作為地熱溫標的某種溶質需與熱儲中的礦物達到平衡.但是大多數情況下，熱水在上升過程中，會發生脫氣現象以及與淺層冷水混合作用，導致某些作為地熱溫標的溶質無法與熱儲中的礦物達到平衡［18-21］.

2.3.1 鈉鉀鎂三角圖

Na－K－Mg三角圖解法由Giggenbach于1988年提出，在圖中分為完全平衡、部分平衡和未成熟水3個區域，常被用來評價水－巖平衡狀態以及區分不同類型的水樣.根據表1的數據資料，應用Na－K－Mg三角圖對兩個鉆孔水樣進行分析（圖2）.

圖2 鉆孔W1、W2的鈉鉀鎂三角圖Fig.2 The Na－K－Mg triangular diagram of boreholes W1 and W2

由圖2可以看出，兩個鉆孔的水樣均處于部分平衡區，說明熱水在上升過程中冷水混入比例較小，或者脫氣作用不明顯，具有較深的熱水循環特征，故可以選用部分陽離子溫標計算熱儲溫度作為參考數值.這與上述計算結果分析一致.

2.3.2 多礦物平衡法

多礦物平衡法是將水中的多種礦物的溶解狀態當成溫度的函數.若一組礦物在一定的溫度下同時接近平衡，則說明熱水與水中的礦物達到了平衡；反之，則說明熱水與水中的礦物未達到平衡.對研究區采集的兩組熱水樣用PHREEQC進行模擬（圖3），由于水樣分析結果中鋁離子濃度未檢測出，假設W1、W2兩鉆孔的鋁離子的濃度都為0.05 mg/L.由圖3a可以看出，鉆孔W1數據分析出的水中可能的礦物不收斂，說明水－巖還未達到平衡，可能是冷水的混入比較嚴重.雖然鉆孔W2水樣中的部分礦物在一點收斂，但是交點所對應的溫度低于水樣測試的溫度（圖3b），說明可能有冷水混入，導致礦物在更低的溫度下達到平衡，估算的溫度也不是深部熱儲的溫度.但是由圖3可以看出，石英呈現收斂的的趨勢，可以推斷出該地區二氧化硅含量由石英控制.

圖3 鉆孔W1、W2的多礦物平衡圖解Fig.3 Multi-mineral equilibrium diagram of boreholes W1 and W2

3 混合與脫氣作用的校正

地熱水在上升過程中與冷水的混合是地熱系統中常見的問題之一，這導致多礦物平衡圖中缺少平衡［12］.由于所研究的水樣點處于部分平衡區，可能是因為有冷水混入，導致估算的熱儲溫度不能反映深部熱儲溫度，故需對混入的冷水進行計算.

3.1 用計算法求混合水中冷水的份額及熱水的溫度

A.H.特魯斯德爾和R.O.福尼埃在1981年總結了冷熱水摻和過程，總結出了如下混合的冷水份額X的解：

式中，Sc為近地表冷水的焓，Sh為熱水的初焓，Ss為取樣點的焓值.

對于研究區冷水點的溫度，選當地冷水泉點溫度17.63℃，對應的二氧化硅含量為12.2 mg/L，分別計算W1、W2冷水混入比例（圖4）.

圖4 鉆孔W1、W2冷水混入比例計算圖解Fig.4 Diagram of cold water mixing proportions in boreholes W1 and W2

由圖4可以算出，W1、W2鉆孔冷水混入比例分別為0.29、0.32，對應的混合前的熱水溫度分別為113℃、103℃.

3.2 硅焓圖解法計算冷水混入比例

A.H.特魯斯德爾和R.O.福尼埃設計了石英溶解度－熱水焓值曲線圖求解，作圖方法為：根據當地冷水焓和SiO2含量在坐標系中投下點A，再根據井水焓和SiO2含量投下點B，A、B兩點連成直線，延長該直線與石英溶解度曲線相交于點C，該點所對應的焓值即為混合水前的初焓.AB、AC兩線段的長度比即為地下熱水在混合水中的比例.

做出石英溶解度曲線，并將取樣點和冷水點連線延長與石英溶解度曲線相交（圖5）.交點對應的縱坐標焓值即為深部熱儲平衡時的焓值.并可以算出W1、W2鉆孔熱水中冷水混合比例分別為0.24、0.34，對應的熱儲溫度分別為107℃、96℃，這與用計算法算出來的結果基本相符.

圖5 鉆孔W1、W2的硅－焓圖Fig.5 The silica-enthalpy diagram of boreholes W1 and W2

綜合計算法和硅焓圖解法得出的冷水混入比例，對兩者求平均值，得出W1、W2熱水井混入冷水比例最終分別為0.26、0.33，則熱水比分別為0.74、0.67.

3.3 用PHREEQC對混合和脫氣作用進行校正

通過上述方法分析得知，研究區兩個鉆孔水樣均有冷水混入.現場取樣發現，液體中有氣泡現象，故可以判斷深部液體同時有氣體脫出.故需對深部液體進行重建，模擬混合作用和脫氣作用對采樣點水化學平衡的影響，進而判斷深部熱儲溫度.圖6是考慮了水混合作用、脫氣作用的固定鋁的PHREEQC模擬結果.圖6的模擬計算條件都是假定Al＝0.05 mg/L，其余組分的濃度均除以各自的熱水比，即分別為0.74、0.67，同時在溶液中加入適量CO2氣體.由圖6可見各礦物的收斂性很好，如石英、滑石粉、方解石等礦物均與SI＝0相交于某一溫度附近，同時說明該采樣點地下熱水中石英控制著熱水和二氧化硅之間的平衡.由此可知鉆孔W1、W2深部熱儲溫度分別為110℃、86℃.

圖6 鉆孔W1、W2的PHREEQC模擬結果Fig.6 PHREEQC simulation results of boreholes W1 and W2

綜合上述各種方法計算的熱儲溫度，可以發現石英溫標計算的結果與PHREEQC模擬的熱儲溫度很接近，因此取兩種計算方法的溫度的平均值作為深部熱儲溫度（表3）.同時由兩井深度可以算出地溫梯度大約為：

表3 鉆孔W1、W2的熱儲溫度Table 3 Thermal reservoir temperatures of boreholes W1 and W2

4 結論

1）恰卜恰地區深部熱水中二氧化硅的含量主要是由石英控制的，故熱儲溫度的估算應用石英溫標公式計算.Na－K溫標、K－Mg溫標估算的熱儲溫度明顯低于石英溫標，Na－K－Ca溫標計算結果偏高，故陽離子溫標計算結果不準確.

2）由于鉆孔混入了冷水，并伴有脫氣現象的發生，需對水樣進行重新定義.重新定義過的熱水樣用PHREEQC進行模擬，模擬結果與石英溫標計算結果結合，可以確定深部熱儲溫度.

3）由估算結果可知恰卜恰地區的新近系熱儲溫度在86～107℃，地溫梯度約為6℃/100 m，屬于地熱異常區，具有理想的地熱資源開發利用前景.