河南省鄭汴新區(中牟段)地熱資源特征及開發利用前景

范浩敏

(河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院，河南 鄭州 450001)

地熱資源為一種綠色、可再生新型能源. 鄭汴新區位于河南省中北部，隸屬鄭州市和開封市。鄭汴新區中牟段蘊藏著豐富的地熱資源[1],在華北地區具有典型性.研究該地熱田的地熱資源特征,對該地區地熱資源開發有著積極的指導意義。

研究區位于鄭汴新區中牟段，鄭東新區以東、汴西新區以西，北到黃河南岸，南至310國道，總面積308 km2。地理坐標為：東經113°50′43″～114°09′02″，北緯34°44′09″～34°50′19″。研究區地理位置極其優越。連霍高速、鄭開大道、國道220線、鄭徐高鐵、省道102線橫貫東西， 省道223線、萬三公路縱穿南北，交通極為便利。

1 區域地質背景

研究區大地構造單元位于中朝準地臺南部的華北坳陷。次級構造單元為濟源—開封凹陷，沿黃河呈東西向展布，分布于濟源—開封—蘭考一帶，總面積12 000 km2。

1.1 區域地質構造

開封次凹陷主要受到構體系影響，凹陷主要受北部的焦作—商丘深大斷裂和南部的鄭州—蘭考斷裂和新華夏構造體睢縣—巨野斷裂和古滎斷裂的形成與發展，見圖1。

圖1 鄭汴新區地質構造圖

1.2 地層巖性及特征

研究區位于與華北地層區的豫東地層小區，基底為中生界，新生界為陸源碎屑堆積物，古近系、新近系。第四系地層發育齊全[2]。現自老至新簡述如下：

(1)古近系(E)以鄭州—蘭考斷裂為界，南部缺失古近系。北部的古近系沙河街組下段巖性為深灰、灰色泥巖夾灰白色細砂巖、鈣質砂巖，局部夾3～5層玄武巖，厚度123～477 m；上段為灰綠、灰黑、暗褐色泥巖與淺灰色粉細砂巖與鈣質砂巖互層，厚度328～1 318 m。漸新統東營組巖性為棕、褐灰色泥巖與棕、灰白色砂巖互層，夾碳質頁巖和薄煤層，底板埋深2 900～3 650 m，厚度594～1 318.5 m。

(2)新近系(N)

中新統館陶組(N1g)：分布廣泛，巖性主要為淺棕紅、淺灰色粉砂巖、砂巖與棕紅色泥巖、砂質泥巖互層，底板埋深1 600～2 600 m，厚度400～500 m左右，開封次凹陷物質顆粒較西部細。

上新統明化鎮組(N2m)：巖性主要為棕紅、灰色泥巖、砂質泥巖、砂礫巖組成，底板埋深1 200～1 600 m， 厚度800～1 000 m左右。

(3)第四系(Q)

下更新統(Qp1)：下部為冰水堆積層(Qp1fgl)：鉆孔揭露，底板埋深100～320 m，厚50～240 m。巖性以棕紅色，棕褐色、灰綠色厚層粘土、亞粘土夾灰綠、銹黃色粉細砂層，具混粒結構富含鈣核和鐵錳結核。

中更新統(Qp2)：普查區未出露，根據鉆孔資料從巖性特征上分為兩段.上段主要由淺黃色、棕黃色亞砂土及厚層中細砂構成，砂層呈條帶狀分布，具水平層理，分選性好。下段以黃棕色、紅棕色亞砂土、亞粘土為主，夾少量的砂層，致密塊狀、見有蠕蟲狀構造。底部埋深80～120 m。

上更新統(Qp3)：巖性主要由灰黃色、土黃色厚層亞砂土、粉細砂、中細砂層為主。砂層厚度20～50 m，底板埋深40～90 m。

全新統(Qh)：按成因分為全新統沖積物(Qhal)和風積物(Qheol)。其中沖積物巖性為灰黃色輕亞砂土、亞砂土與厚層的粉細砂、細砂層，具有“二元結構”，可見1～2層淤泥層，顏色以灰、黑、黃灰色為主，厚度一般15～20 m。風積物主要為淺褐色細粉砂。

2 地熱地質條件

2.1 地熱田邊界條件

研究區基底隱伏以斷裂為鄭州—蘭考斷裂為主，作為開封凹陷和通許凸起構造單元的邊界。并影響新生界沉積厚度，因而對新近系、古近系熱儲層不構成隔水邊界。

2.2 熱儲特征及其埋藏條件

鄭汴新區中牟段地熱資源屬沉積盆地層狀熱儲,熱儲、蓋層齊全[3].熱源供給為大地熱流傳導。

2.2.1 蓋層

研究區地熱熱儲蓋層主要由新近系明化鎮組泥巖、砂質泥巖、細砂、中細砂和第四系粘土、砂質粘土、各粒級砂組成。其中，明化鎮組上段總厚度大于400 m。第四系松散層厚度一般200～300 m。蓋層厚度800 m，區域分布穩定。

2.2.2 熱儲

根據研究綜合分析， 2 000 m勘探深度以內，熱儲層主要為新近系明化鎮組、館陶組層狀熱儲為主。全區可分為三個熱儲層[4]。

第一熱儲層(N2m)：分布于800～1 000 m，厚度200 m。巖性主要為明化鎮組中段巖性為灰黃色細砂、中細砂、粘土互層，砂性巖層最厚累計110.7 m，單層厚度19.8 m。該熱儲層平均溫度49℃，平均地溫梯度3.17℃/100m。水化學類型以HCO3--Na+型為主，可溶性總固體一般為490.2～953.6 mg/L。

第二熱儲層(N2m)：分布于1 000～1 400 m，厚度400 m。地層巖性為明化鎮組下段淺棕色、紫紅色泥巖、砂質泥巖與灰色、灰黃色細砂巖、中細砂巖、泥巖互層，砂性巖層最厚累計174.05 m，單層厚度27.5 m，富水性較好。水化學類型主要以HCO3--Na+型為主， 該熱儲層平均溫度55℃，地溫梯度3.36℃/100 m。

第三熱儲層(N1g)：分布于1 400～1 750 m，厚度350 m。地層巖性為館陶組的紫紅色泥巖、鈣質泥巖夾灰色、淺棕色細砂巖、中細砂巖、砂礫巖，泥巖、砂性巖累計厚度130.5 m，富水性一般。該層上部地熱流體化學類型以HCO3--Na+為主，下部隨著深度增加，氯離子增加水化學類型變為Cl--Na+型為主，該熱儲層平均溫度64.0℃，地溫梯度3.48℃/100m。

2.3 地熱流體流場特征及動態

依據中牟ZK1井穩定同位素D、18O與區外西部山區大氣降水的關系分析，勘查區地熱流體的補給來源為區外西部山區的大氣降水，運移至勘查區補給到熱儲層。垂向上，由于不同深度熱儲層之間存在較厚粘土層和泥質巖層，相互之間無明顯的水力聯系。中牟ZK1井水位高程67.5 m，開封杏花營地熱井水位高程19 m，開封市區由于超采地熱水，已形成大范圍的降落漏斗。因此，區內地熱流體總體上自西向東徑流，補給距離較遠，水力坡度小，徑流速度慢。中牟縣城及附近地熱井密度較本區內大，其開采強度足以改變局部的地熱水流向，可以推測在勘查區的中部地熱水流向往東南方向偏轉。在鄭州市區、開封市區水位降落漏斗附近，地熱水自周邊向漏斗中心徑流。地熱水以側向徑流的方式向下游排泄，遇地熱井，人工開采的方式排出地表，該區的地熱流體動態類型屬于徑流—開采型。

2.4 環境同位素與地熱田成因分析

2.4.1 地熱田成因分析

通過研究地熱流體的成因得知，絕大多數地熱田中的地熱流體均來自大氣降水。因此，在分析一個新的地熱田地熱流體來源方向或補給源時，首先應在分析區域沉積環境的基礎上討論地熱流體與大氣降水之間的關系。勘查區平均大氣降水的δD值位于-50‰～-70‰之間。

本次采用勘查區內外(西部山區)大氣降水的同位素分析成果(δ18O和δD)，經系統分析，得出勘查區外西部山區的大氣降水線(見圖2)，相關方程為：δD=8.013δ18O+8.275。

圖2 地熱流體氫氧同位素與區外西部山區大氣降水線關系圖

該方程與中國大氣降水線方程δD=7.90δ18O+8.2基本相近，說明所建立的大氣降水線方程符合實際。另外，將勘查區外西部、西南的大氣降水點同位素測試結果(δD=-37.60‰、δ18O=-5.701‰)繪于圖2中，與建立方程相吻合，代表了研究區外西部山區大氣降水同位素特征。

2.4.2 地熱田地熱流體的補給來源

大氣降水線方程建立后，將勘查區及鄰區內大氣降水、淺層地下水、地熱流體的同位素分析成果(見表1)繪于圖2中，通過對比可以看出，中牟ZK1、中牟度假村、中牟武警支隊地熱流體同位素成果值接近大氣降水線且大多位于其下方，表明研究區地熱流體的補給源是區外西部山區的大氣降水。世界上有代表性的地熱系統內，地熱流體的δD值與當地大氣降水的δD值都很接近，表明了它的大氣降水起源特征。一般來講，熱儲溫度越高，氧漂移越顯著，從圖1看本勘查區氧漂移現象并不嚴重。因此，可以判斷區內地熱系統的熱儲溫度為低溫(25℃～90℃)，這與研究區實際情況相吻合。

表1 研究區同位素測試成果

2.4.3 地熱田地熱流體年齡

研究區采集了具有代表性的地表水和不同層位的地下水樣，做同位素T、13C、14C含量測定。根據收集資料和本次取樣分析結果，水中同位素T含量(見表1)。由于氫的放射性同位素T在各儲層地熱流體中的濃度均小于為0.5 TU，因此不能準確估算勘查區地熱流體的年齡。這里采用目前地熱界常用的13C～14C方法來計算勘查區內地熱流體的年齡。根據研究區地熱流體年齡為13 000 a年以前。

3 地熱資源/儲量計算與評價

3.1 地熱儲量計算

鄭汴新區中牟段地熱資源量選用“熱儲法”進行計算,考計算深度為1 750 m[5],分三個熱儲層對在此深度內的新近系熱儲地熱資源進行評價、計算.采用“最大允許降深法”，年壓力下降速率不大0.02 MPa,計算地熱流體可采資源量.計算公式如下：

Q=Qr+Qw，

(1)

Qr=Adρrcr(1-φ)(tr-t0)

(2)

QL=Q1+Q2

(3)

Q1=Aφd

(4)

Q2=ASH

(5)

Qw=QLcwρw(tr-t0)

(6)

式中：Q為熱儲中儲存的熱量,單位為焦(J)；Qr為巖石中儲存的熱量,單位為焦(J)；QL為熱儲中儲存的水量，單位為立方米(m3)；Q1為截止到計算時刻，熱儲孔隙中熱水的靜儲量，單位為立方米(m3)；ρw為地熱水密度,單位為千克每立方米(kg/m3)；S為彈性釋水系數,無量綱；H為計算起始點以上高度,單位為米(m)；cw為水的比熱容,單位為焦每千克攝氏度[J/(kg·℃)]；Q2為水位降低到極限深度時熱儲所釋放的水量,單位為立方米(m3)；Qw為水中儲存的熱量,單位為焦(J)；A為計算區面積,單位為平方米(m2)；d為熱儲厚度,單位為米(m)；ρr為熱儲巖石密度,單位為千克每立方米(kg/m3)；參考地熱規范取經驗值.cr為熱儲巖石比熱,單位為焦每千克攝氏度(J/(kg·℃))；φ為巖石的孔隙度,無量綱；tr為熱儲溫度,單位為攝氏度(℃)；t0為當地年平均氣溫,單位為攝氏度(℃).

經計算，中牟地熱田控制的308 km2預可行性勘查區熱水靜儲量4.623×1010m3，彈性釋水量1.963×109m3，水中儲存熱量7.69×1018J，熱儲巖石儲存熱量9.36×1018J，熱儲儲存熱量1.70×1019J。

詳見見表2。

表2 中牟段地熱資源儲/儲量計算結果一覽表

3.2 地熱流體可開采量計算

鄭汴新區中牟段地熱田采用熱儲法計算出的熱儲中存儲的地熱流體量，不可能全部被開采出來，只能開采出一部分，新近系明化鎮組、館陶組熱儲層厚度穩定，彈性水頭最大允許降深法[6]，其計算公式如下：

QWh=μ·M·F·Smax/t

(7)

式中：QWh為地熱流體可開采量(m3/a)；μ為熱儲層彈性釋水率，(m-1)；M為熱儲層計算段平均厚度(m)；F為熱儲層計算面積(m2)；Smax為熱儲層水位最大允許降深(m)。；t為設計開采年限(a)，按照規范取100年。

中牟地熱田區位于開封凹陷和通許凸起的結合部位，因此新生代砂巖孔隙度為22%～35%。最大允許降深202 m，每年允許降深2.02 m，開采年限按100 a計算，計算中牟地熱田1 750 m深度計算范圍內，開采年限按100 a計算，Ⅰ區地熱流體可開采量為9.99×106m3/a，Ⅱ區地熱流體可開采量為3.54×106m3/a，全區合計1.35×107m3/a 。

3.3 地熱田產能

中牟段地熱田產能按下式計算：

Wt=4.186 8Q(t-t0)

(8)

式中：Wt為熱功率,kw；Q為地熱流體可開采量,L/s；t為地熱流體溫度,℃；t0為當地恒溫帶溫度，℃。

計算結果：地熱田產能為合計61.58 MW。

3.4 年可利用熱能

地熱流體年開采累計可利用的熱能按下式計算：

∑Wt=86.4DWt/K

(9)

式中：∑Wt為年可利用熱能,MJ；D為全年開采日數(按24小時換算的總日數),d；Wt為地熱田產能,kw；K為熱效比,取0.6;計算結果：地熱流體年可利用熱能為2.13×109MJ.

4 地熱資源的開發利用與保護

4.1 地熱資源開發經濟性與適宜性評價

中牟地熱田地溫梯度3.36℃/100m，根據前面的熱儲層溫度估算結果，在深度800 m、1 000 m、1 500 m時分別達到44℃、58℃、68℃，具有開采價值。據勘探資料，全區可施工1 000～1 400 m鉆孔，開采明化鎮組熱儲層，水溫40℃～50℃，鉆孔施工難度不大、資金投入少，地熱資源開發經濟性為經濟的。勘查區北部成井深度可達1 400～2 000 m，預計水溫50℃～65℃，熱儲溫度高，但富水性弱，可開采量小。從成井深度來看，同樣屬于經濟的地熱資源[7]。

4.2 地熱資源利用方向與方式

依據中牟地熱田地熱流體質量評價，中牟地熱田地熱流體不適宜作為飲用天然礦泉水、生活飲用水、農業灌溉用水和漁業用水。地熱流體氟、偏硼酸含量達到有理療價值濃度，偏硅酸含量達到礦水濃度，具有理療價值，可作為理療熱礦水。地熱流體溶解性總固體800～1 000 mg/L，可直接用于理療、洗浴、采暖、農業溫室，做降溫除氟處理后可用于農業灌溉和漁業用水。

5 結語

(1)研究區鄭汴新區中牟段,地熱類型屬沉積盆地傳導型層狀熱儲,熱源供給主要為大地熱流傳導方式.

(2)研究區地處濟源—開封凹陷與通許凸起兩個構造單元的結合部，鄭州—蘭考斷裂為二者的控制斷裂。熱儲蓋層主要由新近系明化鎮組泥巖、砂巖和第四系粘土、砂質粘土、總厚度約800 m，地層分布穩定。

(3)研究區中牟地熱田地熱地質條件，建立了熱儲概念模型，分別采用“熱儲法”和“最大允許降深法”進行了地熱資源儲量和地熱流體可采資源儲量計算。308 km2研究區內，1 750 m深度內，熱水靜儲量4.623×1010m3，彈性釋水量1.963×109m3，水中7儲存熱量7.69×1018J，熱儲巖石儲存熱量9.36×1018J，熱儲儲存熱量1.70×1019J。

(4)研究區地熱流體屬優質理療熱礦水,可直接用于理療、洗浴，具有較高的醫療保健作用.但在地熱資源開發過程中要堅持“科學規劃,綜合利用,保護資源,持續發展”的原則,充分發揮地熱資源多功能的特點,梯級開發,綜合利用。要注重引進新技術新方法,拓寬地熱資源的應用領域。

(5)結合鄭汴新區(中牟段)地熱資源實際開發利用情況制訂相關地方政策法規,將地熱資源開發納入法制化軌道,實施有效管理.從而實現社會效益、環境效益和經濟效益最大化。

(6)要依法加強對地熱資源的保護,避免地熱資源的快速枯竭而縮短使用壽命。對研究區范圍內的已經投入使用的地熱井進行動態監測,了解地熱流體的動態特征,對其變化趨勢進行預測。