雄安新區高陽地熱田薊縣系熱儲特征及資源量評估

高 俊, 李燕燕, 王貴玲, 張保建*, 邢一飛

1)中國地質科學院, 北京 100037;2)自然資源部地熱與干熱巖勘查開發技術創新中心, 河北石家莊 050061;3)中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 河北石家莊 050061

雄安新區具有得天獨厚的地熱資源潛力, 水熱型地熱資源豐富, 該地區具有高滲透熱儲和區域連續性蓋層的凸起構造是我國中東部地區地熱資源開發利用條件最好的地區(馬峰等, 2020; 郭颯颯等,2020; 羅寧等, 2021)。雄安新區包括了牛駝鎮地熱田、容城地熱田大部分以及高陽地熱田北部。地熱資源分布廣、埋藏淺、溫度高、儲量大、水質優, 屬于地熱資源非常豐富的地區(王貴玲等, 2017; 龐忠和等, 2017, 2020), 但該地區深部地熱資源賦存條件復雜, 目前深部熱儲結構不明。地熱科學鉆探為獲取深部熱儲空間結構有關數據提供了直接手段, 也為獲取深部流體樣品提供了機會(趙佳怡, 2020)。牛駝鎮、容城地熱田由于碳酸鹽巖熱儲埋深較淺, 已具有多年開發歷史和較大開發規模。吳愛民等(2018)分析了位于容城—牛駝鎮地熱田中南部的地熱鉆孔, 闡明了3500 m深度的巖溶熱儲的主要參數, 初探了深部巖溶熱儲空間結構。何登發等(2018)綜合利用最新的高精度地震和深鉆井資料, 建立了雄安新區的地層和構造系統, 該區凸起和凹陷相間發育的構造格局和斷裂分布特征對區內油氣和地熱資源的儲集條件和富集規律有著重要的控制作用。魯鍇(2019)對霧迷山組巖溶熱儲特征和演化過程進行了深入研究,霧迷山組巖溶熱儲主要巖性為晶粒白云巖, 巖性及巖相、成巖作用和構造應力是霧迷山組有利熱儲形成的主控因素。戴明剛等(2019a)總結了雄安新區起步區及周邊地區地熱資源成藏模式與影響因素, 并對雄安新區3500 m以淺的碳酸鹽巖熱儲可采資源量進行了評估, 雄安新區地熱資源量回收率和布井規模有限制, 目前霧迷山組主流單井產量110 m3/h、回注量165 m3/h、井距500 m合理, 可以滿足100年的地熱田開發壽命且符合國家水熱下降許可指標(戴明剛等, 2019b)。唐博寧等(2020)詳細分析了霧迷山組巖溶裂隙的形成演化與幾何特征, 熱儲中裂隙網絡發育, 連通性好, 具有非常好的導水儲水性能, 為霧迷山組地熱資源富集提供了良好條件。胡秋韻等(2020)通過分析容城凸起地熱資源成藏模式, 基于COMSOL軟件, 模擬了不同采灌量對可采地熱資源量的影響, 通過在各開采區內合理布置開采和回灌井, 評價了容東地區采灌均衡條件下的地熱資源量。馬峰等(2020)分析了容城地熱田熱儲空間分布特征及資源潛力, 分析了深部薊縣系霧迷山組和高于莊組熱儲空間分布特征, 并對深部熱儲資源潛力進行了評價。

雄安新區高陽地熱田相對于牛駝鎮、容城地熱田而言, 勘查程度較低。雄安新區高陽地熱田碳酸鹽巖熱儲埋深較深, 開發時間較晚, 規模較小。中國地質調查局在高陽地熱田北部深部碳酸鹽巖地熱資源探測取得重要進展, 繼2019年探獲了單井供暖面積50萬 m2的華北地區產能最大地熱井后, 又于 2020年探獲了井口溫度達 123.4 ℃的華北地區溫度最高的地熱井。兩口高溫、高產地熱井的成功實施, 揭示了雄安新區深部存在地熱開發的第二空間, 深部碳酸鹽巖熱儲溫度高、流量大、開發潛力巨大。王貴玲等(2020)依托雄安新區高陽地熱田中北部的 D35孔, 通過抽水試驗、水樣測試分析, 研究霧迷山組巖溶熱儲特征、主要參數, 薊縣系霧迷山組巖溶熱儲,巖性主要為白云巖、泥質白云巖。D35孔單井供暖潛力達38.5萬m2, 為目前發現的雄安新區范圍內產能最大地熱井。王思琪等(2021)分析總結了雄安新區高陽地熱田東北部深部古潛山地熱資源的最新勘查成果, 闡述了雄安新區深部高溫古潛山熱田的聚熱機制。

本文基于中國地質調查局在雄安高陽地熱田地熱科學鉆探獲取的深部空間數據和樣品采集數據,分析了雄安新區高陽地熱田深部熱儲空間結構, 并結合雄安新區地熱開發利用基本原則, 利用數值模擬方法, 對雄安新區高陽地熱田深部熱儲資源潛力進行了評價。

1 研究區概況

1.1 地熱背景

雄安新區安新縣中南部地區地質構造上為高陽臺凸的一部分, 也屬于高陽地熱田。安新縣有華北最大的淡水湖泊白洋淀, 地表水、地下水資源均豐富(劉偉坡等, 2013), 為開發地熱提供了良好的條件。可開發利用的地熱資源有兩層, 上層地熱蘊藏于新生界第三系的館陶組和孔店組, 水溫 45～84 ℃; 下層蘊含在薊縣系, 水溫 70～120 ℃, 其特點是: 貯量大, 埋藏深, 水溫高, 壓力強, 水質性狀良好。

雄安新區高陽地熱田共有地熱井 25口, 其中,新近系館陶組孔隙型熱儲地熱井 19眼, 古生界寒武—奧陶系裂隙巖溶型熱儲地熱井 3眼, 元古界長城—薊縣系裂隙巖溶型熱儲地熱井3眼。地熱水年開采量 64.32×104m3, 主要用于供暖和洗浴, 供暖面積達到16.01×104m2, 年洗浴人次13.8萬人(劉現川等, 2018)。

1.2 區域構造

雄安新區所處的華北平原北部主要由自西向東的太行山隆起、冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷4個呈“凸凹”相間的構造單元控制。雄安新區位于渤海灣盆地西部的冀中坳陷內, 構造單元上包括牛駝鎮凸起、容城凸起、高陽低凸起北部以及部分霸縣凹陷和饒陽坳陷(圖1)。在高陽低凸起及周邊形成“凹中有凸”的構造形態(圖1)(于長春等, 2017; 何登發等, 2018; 吳愛民等, 2018)。整體位于冀中坳陷北部與中部的構造過渡與轉換部位(楊明慧等, 2002;郭颯颯等, 2020; 崔悅, 2020)。冀中坳陷基底地層凹凸相間的構造格局下產成的熱流側向再分配造成該區異常高的地溫場和大地熱流值(陳墨香等, 1982,1990; 陳墨香, 1988; 熊亮萍和張菊明, 1988)。

圖1 雄安新區高陽低凸起區構造圖(據郭颯颯等, 2020修改)Fig. 1 Structural diagram of the Gaoyang low uplift in Xiongan New Area(modified from GUO et al., 2020)

雄安新區新近紀以來地層沉積穩定, 第四系、新近系厚度變化較小。古近系以下地層則受構造影響,沉積厚度有較大區別。南北剖面(圖2)顯示高陽低凸起古近系厚度千米左右, 下伏薊縣系地層厚度大于500 m; 向北至安新轉換帶, 古近系最深處厚度增大至 2000 m以上, 已揭露的薊縣系也顯示裂隙發育,水量較大且溫度較高; 穿越徐水斷裂至容城地熱田后, 古近系較少沉積, 新近系明化鎮組與下伏薊縣系霧迷山組等地層呈不整合接觸, 薊縣系普通厚度較大, 最深處超過2000 m。北西向剖面(圖3)顯示高陽低凸起西側的保定凹陷內, 古近系沉積厚度巨大,但向東至高陽低凸起頂部方向厚度急劇變薄, 且出現寒武、奧陶、青白口等地層(圖1), 至高陽低凸起頂部后新生界直接位于薊縣系之上, 古近系下部地層缺失, 薊縣系頂板埋深在 2900～4000 m, 地層厚度數百米至近兩千米, 頂部破碎帶發育。

圖2 雄安新區高陽地熱田南北向(B-B’)地質剖面(B-B’位置見圖1)Fig. 2 North-south geological section of Gaoyang geothermal field (location of B-B’ as in Fig. 1)

圖3 雄安新區高陽地熱田北西向(F-F’)地質剖面(F-F’位置見圖1)Fig. 3 NW geological section of Gaoyang geothermal field(location of F-F’ as in Fig. 1)

1.3 地溫場特征

利用測溫數據進行了鉆井的深度-溫度和地溫梯度曲線繪制(圖4), 并計算了鉆井的各熱儲的地溫梯度。在150 m以淺, 井溫受淺部地表水的擾動比較嚴重, 線性關系不好; 在 1000 m 以深地熱井的線性關系良好, 反映了傳導型地溫場的特點, 隨著深度的增加溫度呈線性增加; 3500 m以深是巖溶熱儲,雖然還是線性增加關系, 但是地溫梯度明顯降低,原因在于巖溶熱儲巖性為灰巖、白云巖, 這類巖石的熱導率明顯高于新生代的砂泥質沉積巖(1倍以上)。鉆孔溫度與深度之間呈現較好的線性規律, 溫度隨深度增加而增加, 地溫梯度值波動不大, 呈現出傳導型增溫特點(圖4)。從平面上看, 從西向東,地溫梯度由 2.33 ℃/(100 m)逐漸增加到東部的2.60～2.70 ℃/(100 m), 反映了從西部保定凹陷到中部高陽低凸起區, 地溫梯度逐漸增大。D35孔古近系孔店組與薊縣系霧迷山組的接觸部位, 地溫梯度2.5 ℃/(100 m)猛增到十幾℃/(100 m), 說明深部基巖地熱水的對流影響是存在的。

圖4 雄安新區高陽地熱田鉆孔穩態測溫與地溫梯度曲線Fig. 4 Steady-state temperature measurement and geothermal gradient curves of boreholes in Gaoyang geothermal field

研究區斷裂構造及巖溶比較發育, 利于碳酸鹽巖地下水的深循環對流加熱后上升, 使深部熱更易到達淺層, 形成局部淺部熱異常, 因此這些斷裂發育帶往往是熱儲最發育的地區。新生界地溫梯度(2.5 ℃/(100 m)左右)明顯高于薊縣系碳酸鹽巖的地溫梯度(1.0 ℃/(100 m)左右)(圖4), 說明在3500 m深度以下碳酸鹽巖地下水的深循環熱對流仍然比較強烈。深部碳酸鹽巖熱儲的地溫梯度, 與巖溶發育程度亦密切相關, D34孔薊縣系高于莊組比D35孔薊縣系霧迷山組巖溶發育程度更強烈, 相對應的 D34孔地溫梯度(1.20 ℃/(100 m))明顯高于 D35孔地溫梯度(0.90 ℃/(100 m))。牛駝鎮凸起區與容城凸起新生界的地溫梯度較高, 最高分別在 8.0 ℃/(100 m)與6.0 ℃/(100 m)以上, 高陽低凸起地溫梯度較低,在2.5～3.0 ℃/(100 m)之間(圖5), 這主要是因為牛駝鎮凸起區與容城凸起基巖埋深較淺, 新生界底部碳酸鹽巖熱儲水熱對流明顯而溫度較高, 且熱量容易沿熱導率高的巖層傳遞, 因而使下伏基巖的頂部保持較高的溫度, 對上部新生界有一定的“烘烤”作用。

圖5 雄安新區新生界地溫梯度等值線圖(據戴明剛等修改, 2019a)Fig. 5 Contour map of geothermal gradient in the Cenozoic region of Xiongan New Area(modified from DAI et al., 2019a)

2 熱儲空間結構

2.1 熱儲特征

根據地層時代沉積韻律旋回, 熱儲發育程度,穩定隔水層的分布及其水文地質特征, 將本區熱儲類型分為兩種類型: 一種是以熱傳導為主的, 在大地熱流控制作用下形成的孔隙型熱儲, 即第三系熱儲; 另一種是在熱傳導與熱對流共同作用下形成的深循環構造裂隙型熱儲, 即基巖熱儲。雄安新區高陽地熱田自上而下熱儲主要為包括新生界新近系館陶組、古生界寒武系和中元古界薊縣系、長城系等熱儲(圖6)。目前5000 m以淺可開采熱儲為館陶組孔隙熱儲與基巖熱儲。基巖裂隙巖溶熱儲包括奧陶寒武系、薊縣系熱儲。中元古界薊縣系熱儲在區內分布廣泛, 為區內最重要的熱儲, 具有埋藏淺、溫度高、水量大、易采易灌的優點。

圖6 雄安新區高陽地熱田典型地層綜合柱狀圖(據何登發等修改, 2018)Fig. 6 Comprehensive histogram in Gaoyang geothermal field (modifed from HE et al., 2018)

(1)新近系館陶組孔隙熱儲

新近系館陶組熱儲在雄安新區均有分布, 包括安新轉換帶和高陽低凸起地區, 巖性以砂巖、泥巖為主。地層頂界埋深一般為1000～1600 m, 底界埋深 1200～2200 m。地層厚度為300～500 m, 熱儲厚度一般為 60～206 m, 厚者達 340 m。巖性以砂巖、砂礫巖為主, 呈微固結-半固結。熱儲層數一般為5～11層, 單層厚度一般為7～15 m, 最薄2.0 m,最厚可達 33.3 m。砂厚比為 24%～51.4%, 孔隙度22%～30%。熱儲中部溫度為47～75 ℃。地熱井抽水試驗顯示, 館陶組熱儲單井出水量 65～87 m3/h,水溫50～70 ℃。是本區主要的熱儲之一。

(2)薊縣系霧迷山組熱儲

霧迷山組熱儲主要為白云巖, 在高陽低凸起的頂部與蠡縣斜坡北部的雁翎潛山一帶, 頂界埋深為3000～3500 m, 深部頂界埋深為3500～4000 m。霧迷山組熱儲厚度約為 300～1000 m儲厚比均值為19.0%左右。巖石孔隙度一般小于6.0%, 最大孔隙度可達22.4%, 平均孔隙度為3.39%。滲透率分布范圍較大, 從0.01～1 000 mD及以上均有分布, 主要分布于0.01～100 mD之間, 所占比達87.8%。熱儲溫度一般在 100～120 ℃, 出水量 90～170 m3/h左右,礦化度2～6.5 g/L。

(3)薊縣系高于莊組熱儲

高于莊組熱儲頂深1425～3 600 m, 一般厚度不低于800 m, 巖性主要為灰色白云巖夾泥質白云巖、硅質白云巖, 含燧石團塊或條帶, 孔隙度為2%～6%,滲透率為 0.1～160 mD。熱儲溫度一般在110～140 ℃, 出水量50～100 m3/h, 礦化度3 g/L左右。

2.2 熱儲分區

雄安新區高陽地熱田共部署實施 4口地熱勘探井, 其中部署D33孔, 用于采灌試驗; D32井目的揭露薊縣系地層, 但由于井深所限, 未能揭露到薊縣系; 在地熱田東北部雁翎潛山的西北部與南部邊緣分別部署了D35、D34井, 目的是揭露高陽地熱田(雄安新區范圍內)的薊縣系(表1, 圖6)。結合已有的地熱井資料, 基本查明了高陽地熱田(雄安新區范圍內)的地層、構造、熱儲的空間分布情況。雄安新區高陽地熱田淺部以新近系館陶組熱儲為主, 深部以薊縣系霧迷山組、高于莊組熱儲為主要熱儲。

表1 雄安新區高陽地熱田鉆孔揭露地層情況Table 1 The strata exposed by drilling holes in Gaoyang geothermal field

根據基巖埋深等值線圖(圖7), 整個地熱田分為三段, 由西向東分別為西部凹陷區、中央隆起區、東部斜坡區(圖8)。西部凹陷區: 由于由西向東逐漸覆蓋了寒武系、石炭二疊系, 因此, 霧迷山組熱儲頂板埋深由西向東從3700 m到超過4200 m, 地熱井出水溫度介于 60～80 ℃之間; 中央隆起區: 該區構造上為雁翎潛山, 霧迷山組熱儲頂板埋藏深度為3000～3600 m, 埋藏深度由隆起中心向東西兩側逐漸加深, 地熱井出水溫度超過100 ℃, 南高北低, 典型地熱井 D35和 D34(表1), 單井出水量一般超過100 m3/h; 東部斜坡區: 霧迷山組上部為古近系地層覆蓋, 熱儲頂板埋深為3650～3900 m。

圖7 雄安新區高陽地熱田基巖埋深等值線圖(據戴明剛等修改, 2019a)Fig. 7 Contour map of bedrock burial depth in Gaoyang geothermal field (modified from DAI et al., 2019a)

圖8 雄安新區高陽地熱田霧迷山組熱儲分區圖(據戴明剛等, 2019a修改)Fig. 8 Geothermal reservoir zoning map of Wumishan Formation in Gaoyang geothermal field(modified from DAI et al., 2019a)

3 資源量評估

3.1 基本原則

針對雄安新區碳酸鹽巖熱儲, 充分結合區域熱儲發育特征, 按照區塊化管理的要求制定采灌均衡條件下地熱資源可持續開發評價方法, 為地熱資源開發利用規劃提供支撐。本研究評價規則來自雄安新區地熱清潔能源調查評價報告(張保建等, 2021),結合項目鉆探熱儲深度, 水量平衡標準取已有開發地熱井和未來開發地熱井回灌率的平均值(馬峰等,2020)。

(1)在地熱田三維地質模型的基礎上計算主要熱儲靜態地熱資源量及地熱流體儲存量。

(2)運用長期動態監測數據(溫度、水位)開展動態評價, 評價區塊地熱資源可持續開采量和地熱流體可持續開采量。

(3)評價深度5000 m, 評價熱儲為薊縣系熱儲。

(4)水量平衡: 區塊內地熱水回灌率達到90%; 水位年降幅小于2 m; 地下水水位埋深不低于150 m。

(5)熱量平衡: 預測評價 100年不發生熱突破;開采井水溫10年降幅小于1 ℃; 回灌井供暖恢復后,溫度下降小于2 ℃。

3.2 熱儲法

研究區碳酸鹽巖裂隙熱儲為薊縣系、長城系兩層熱儲, 其中薊縣系包括霧迷山組和高于莊組熱儲,薊縣系熱儲為目前主要利用熱儲, 長城系熱儲為未來潛力熱儲。雄安新區高陽地熱田面積615.88 km2(白洋淀水體除外), 高陽地熱田 5000 m深度內對薊縣系熱儲進行評價。采用熱儲法計算地熱資源量, 包含了巖石中的熱量和巖石孔隙中流體所蘊含的熱量(中國國家標準化管理委員會, 1985),基本公式如下:

式中:Q為地熱資源量(kJ);Cr、Cw分別為熱儲巖石比熱和水的比熱(kJ/(kg·℃));ρr、ρw分別為熱儲巖石密度和水的密度(kg/m3); Φ 為熱儲巖石孔隙率(或裂隙率);qw為流體儲量, 包括靜儲量和彈性儲量(m3);T1為熱儲溫度(℃);T0為恒溫層溫度(℃);V為熱儲體積(m3)。評價參數值取自雄安新區地熱清潔能源調查評價報告(張保建等, 2021), 見表2, 水的密度和比熱參照不同溫度下水的密度表查表獲取, 巖石密度取2870 kg/m3; 巖石比熱取921.14 kJ/(kg·℃)。經計算雄安新區高陽地熱田薊縣系熱儲地熱可開采資源量為 66.8×106m3/a, 地熱流體可開采熱量為255.14×1014J/a, 折合標準煤86.72萬t/a, 其中霧迷山組資源量占 29.7%, 高于莊組地熱資源量占70.3%。

表2 雄安新區高陽地熱田薊縣系碳酸鹽熱儲地熱資源評價參數選取表Table 2 Table of geothermal resources evaluation parameters for Jixian Carbonate Reservoir in Gaoyang Geothermal Field, Xiongan New Area

3.3 數值法

對熱儲構建數值模型是目前被認為最有效的地熱資源評價方法, 首先構建研究區三維可視化地熱地質模型, 并根據該區的熱儲形成條件及類型, 可以推斷地下熱儲有利位置, 較直觀地揭示了地下地質體的空間展布規律, 為該區熱資源評估提供了有價值的參考資料依據; 同時借助強大的計算機功能可以將已有的開發監測數據進行不斷的擬合, 逐漸提高評價的精度(Ciriaco et al., 2020)。

在收集大量物探解譯、鉆探、熱儲等值線、測井解譯等資料基礎上, 綜合考慮熱儲的空間分布特征, 選擇 SKUA-GOCAD作為建立區域內第四系至太古宙的地層空間結構模型。將三維地質模型中要模擬的區域轉換成六面體網格, 導入TOUGH2中進行數值模擬。

3.3.1 模型概化

雄安新區高陽地熱田內分布的主要地層包括第四系、新近系、古近系、寒武奧陶系、薊縣系、長城系、太古界。本次模擬將高陽地熱田范圍內的地層概化為第四系、明化鎮組、館陶組、東營組、沙河街組、寒武—奧陶系、薊縣系(霧迷山組、高于莊組)、長城系、太古界等10個地層。考慮地層的各向異性, 每個地層具有不同的熱物性特征, 建立了區域內第四系至太古界的地層空間結構模型。模型的底邊界定義為等溫面邊界, 熱量不斷地通過地層和斷裂傳導對熱儲進行補給; 頂邊界為熱量散失邊界;側邊界為外延邊界, 根據模型內部水位的變化, 確定水熱的流入或流出, 見圖9。

圖9 雄安新區高陽地熱田3D地質體模型Fig. 9 3D geological body model of Gaoyang geothermal field in Xiongan New Area

3.3.2 主要參數

薊縣系霧迷山組熱儲在研究區普遍分布, 面積約為727.15 km2。鉆井揭露頂板埋深為2671～4200 m,揭露厚度為200～270 m; 薊縣系高于莊組熱儲鉆井揭露頂板埋深為3693～4500 m, 揭露厚度為300～800 m。三維地質模型模擬薊縣系霧迷山組頂板埋深平均值為3 653.37 m, 厚度平均值為255.19 m, 底板埋深平均值為 3 921.36 m; 高于莊組頂板埋深平均值為3 754.76 m, 厚度平均值為856.23 m, 底板埋深平均值為4610.99 m。熱儲體積來自地質建模, 根據資料收集分析、抽水試驗、熱響應試驗、巖性熱物性測試等結果, 獲得研究區霧迷山組熱儲基本參數(表3)。

表3 模型計算參數賦值表Table 3 Hierachical parameter table based on numerica model

霧迷山組熱儲溫度采用溫度測井中獲取的熱儲平均溫度111 ℃, 水位埋深采用地熱井平均水位, 裂隙率根據測井結果取熱儲的平均裂隙率為 3.3%, 高于莊組熱儲溫度采用溫度測井中獲取的熱儲平均溫度123.4 ℃, 水位埋深采用地熱井平均水位, 裂隙率根據測井結果取熱儲的平均裂隙率為 1.87%, 以上參數取值取自雄安新區地熱清潔能源調查評價報告(張保建等, 2021)。壓縮系數考慮水和巖石的綜合壓縮系數, 取值 3.6 MPa-1, 彈性釋水系數根據熱儲體積、孔隙度和壓縮系數求取, 為 3.28×10-5。水的密度采用相應熱儲溫度下水密度值, 63 ℃下取983.03 kg/m3, 115 ℃下取944.2 kg/m3, 水的比熱隨溫度變化較小, 這里統一取值4 186.8 J/(kg·℃); 以上參數取自地熱資源評價方法DZ 40-85(1985)。碳酸鹽巖的密度和比熱均來自室內試驗測試的平均值。

3.3.3 評價結果

本次評價的標準為水位和溫度綜合標準, 根據開采井靜水位埋深和溫度降低情況設定標準, 即開采100年時間內, 開采井靜水位埋深不超過150 m、170 m, 且開采井溫度降低小于2 ℃、4 ℃。以此為標準, 通過設計不同的采灌量方案, 評價最大可采資源總量。共設計四種方案, 方案結果如下:

(1)方案一(2 ℃, 150 m)

高陽地熱田薊縣系熱儲年地熱流體開采量為67.93×106m3, 在 100年時, 開采井水位降低小于26 m, 即埋深低于150 m, 此時開采井最大溫度降低為1.85 ℃, 滿足標準的2 ℃。總的地熱流體可開采熱量為 2 658.83 MW, 即 264.37×1014J/a。

(2)方案二(4 ℃, 150 m)

高陽地熱田薊縣系熱儲年地熱流體開采量為76.48×106m3, 在 100年時, 開采井水位降低小于33 m, 即埋深低于150 m, 此時開采井最大溫度降低為3.77 ℃, 滿足標準的4 ℃。總的地熱流體可開采熱量為 4 639.86 MW, 即 461.34×1014J/a。

(3)方案三(2 ℃, 170 m)

高陽地熱田薊縣系熱儲年地熱流體開采量為117.26×106m3, 在 100年時, 開采井水位降低小于55 m, 即埋深低于170 m, 此時開采井最大溫度降低為1.95 ℃, 滿足標準的2 ℃。總的地熱流體可開采熱量為 3 239.24 MW, 即 316.12×1014J/a。

(4)方案四(4 ℃, 170 m)

高陽地熱田薊縣系熱儲年地熱流體開采量為107.98×106m3, 在 100年時, 開采井水位降低小于52 m, 即埋深低于170 m, 此時開采井最大溫度降低為3.87 ℃, 滿足標準的4 ℃。總的地熱流體可開采熱量為4 951.76 MW, 即493.67×1014J/a。四種方案的平均水位埋深和溫度變化歷時曲線對比見圖10。統計得出雄安新區高陽地熱田薊縣系熱儲回灌情況下可采地熱資源量見表4。

圖10 四種開采方案水位埋深和溫度變化歷時曲線對比Fig. 10 Water depth and temperature change diagram of four different conditions

表4 雄安新區高陽地熱田薊縣系(霧迷山組和高于莊組)熱儲回灌情況下可采地熱資源量Table 4 Recoverable geothermal resources of balanced mining and reinjection in the Jixian Systerm of Gaoyang geothermal field

4 結論與建議

本文初步查明了地熱田雄安新區范圍 5000 m深度內的熱儲分布和性質。雄安新區高陽地熱田深部主要為碳酸鹽熱儲包括薊縣系霧迷山組、高于莊組。薊縣系霧迷山組頂界埋深 3000～3500 m, 厚度300～1000 m, 熱儲溫度100～120 ℃, 出水量90～170 m3/h, 具有溫度高、水量大、熱儲易于回灌的特點; 高于莊組熱儲頂深 3500～4200 m, 一般厚度不低于800 m, 熱儲溫度一般在110～140 ℃, 水量50～100 m3/h, 可作為新區的后備資源。分析了深部碳酸鹽熱儲空間結構, 結果表明整個地熱田分為三段, 由西向東分別為西部凹陷區、中央隆起區、東部斜坡區。西部凹陷區由于由西向東逐漸覆蓋了寒武系、石炭二疊系, 因此, 薊縣系霧迷山組熱儲頂板埋深由西向東從3700 m到超過4200 m, 地熱井出水溫度介于 60～80 ℃之間; 中央隆起區由于構造上為雁翎潛山, 霧迷山組熱儲頂板埋藏深度為 3000～3600 m,埋藏深度由隆起中心向東西兩側逐漸加深, 地熱井出水溫度超過100 ℃, 南高北低, 單井出水量一般超過 100 m3/h; 東部斜坡區霧迷山組上部為古近系地層覆蓋, 熱儲頂板埋深為3650～3900 m。

本文通過熱儲法計算了雄安新區高陽地熱田薊縣系熱儲(霧迷山組和高于莊組)地熱可開采資源量為 66.8×106m3/a, 地熱流體可開采熱量為255.14×1014J/a, 年地熱可采資源量折合標準煤86.72萬t, 其中霧迷山組資源量占 29.7%, 高于莊組地熱資源量占 70.3%; 構建了雄安新區高陽地熱田數值模型, 對四種開采限定條件下的薊縣系熱儲可采資源量進行了評價, 結果顯示在開采井水位下降不超過150 m, 熱儲溫度下降小于2 ℃條件下, 地熱流體可開采熱量為 67.93×106m3/a, 可開采熱量264.37×1014J/a, 年地熱可采資源量折合標準煤89.86 萬 t 熱儲法與數值法結果相近, 評價結果可為高陽地熱資源規劃開發提供參考。

雄安新區高陽地熱田深部地熱資源埋藏深, 溫度高, 水量大, 地熱資源賦存條件好, 有利于地熱資源的規模化開發利用。建議加強地熱開發利用過程中對水量、水質、水溫的長期動態監測, 形成年度評價機制和預測預警機制, 每年對區域地熱資源條件以及可供暖面積進行評價, 結合能源站布設和需求情況, 形成長期動態調整機制, 保障熱儲平衡; 同時借助數值模擬, 建立地熱田三維地質模型評價熱儲基本參數孔隙率、滲透率、回灌率等基礎參數, 建立地熱資源可持續開發評價模型, 評價可持續開釆量。

致謝:感謝審稿專家對本文的審閱及提出的寶貴修改建議。

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research & Development Program of China(No．2019YFB1504102), China Geological Survey(Nos. DD20189114, DD20190129 and DD20221677),and Geological Bureau of Hunan Province (No.HNGSTP202102).