河南省開(kāi)封凹陷區地熱田地熱資源分析

.第24卷第3期西南科技大學(xué)學(xué)報Vol. 24 No.32009年9月Joumal of Southwest University of Science and TechnologySep. 2009河南省開(kāi)封凹陷區地熱田地熱資源分析齊玉峰.(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊河南鄭州450053)摘要:對開(kāi)封凹陷區地熱田地熱地質(zhì)構造特征熱儲層特征及其埋藏條件、地熱流體化學(xué)特征進(jìn)行了論述,分析了地熱流體流場(chǎng)特征及其動(dòng)態(tài),初步建立熱儲概念模型,并對地熱流體可采量及其質(zhì)量進(jìn)行了評價(jià),提出了地熱資源的開(kāi)發(fā)利用方向及保護措施。關(guān)鍵詞:地熱田地熱資源開(kāi)發(fā)利用開(kāi)封凹陷區中圖分類(lèi)號:X37文獻標識碼:A文章編號:1671 - 8755(2009)03 -0075 -04Analysis on Geothermal Resourcesin Kaifeng Depression Geothermal Field of Henan ProvinceQI Yu-feng( Hydrogeological and Engineering Geological Brigade,Bureau of Geoexploration and Mineral Development of Henan Prorince , Zhengzhou 450053, Henan, China)Abstract: The article discusses the hydrological conditions , the boundary, the geothermic liquid chemicaland heat storing characteristics as well as its buried conditions in Kaifeng Depression Geothermal Field,and analyzes the liquid field characteristics and its dynamics. It primarily establishes the geothernal mod-el, which evaluating the geothemal resources exploitable volume and its quality , and puts forward the di-rection of exploitation and utilization, protection measures for geothemmal resources.Key words: Geothermal field; Geothermal resources analysis; Exploitation and utilization; Protectionmeasures開(kāi)封凹陷區是河南省地熱資源條件較好的地區,面積約6700km2,大地構造單元屬于濟源一開(kāi)封凹陷的東南隅,境內深層地下水資源較為豐富,在河南省中東部平原乃至整個(gè)華北平原都有一定代表性。但目前地熱水僅用于洗浴和飲用,其熱能遠未得到充分利用,開(kāi)發(fā)利用前景看好。因此,加強開(kāi)封凹陷區地熱資源的研究,有計劃地開(kāi)發(fā)利用熱能,盡快將資源優(yōu)勢轉化為經(jīng)濟優(yōu)勢,對于改善投資環(huán)境,振興工作區經(jīng)濟具有重要意義。1地熱資源基本特征1.1 地熱地質(zhì)構造特征開(kāi)封凹陷構造位于華北臺坳濟源-開(kāi)封凹陷,濟源-開(kāi)封凹陷屬中、新生代凹陷,南側為鄭汴斷裂,北側為新鄉一商丘斷裂,中間為武陟凸起,西為濟源凹陷,東為開(kāi)封凹陷。受濟源一新鄉-商丘深斷裂長(cháng)期活動(dòng)影響,使濟源- -開(kāi)封坳陷呈現東西兩端深、中間高,南淺北深箕狀坳陷(圖1),屬中新生代斷坳式凹陷。中國煤化工收稿日期:2009 -03 -09基金項目:河南省2005年度兩權價(jià)款及使用費項目(2006520500)。HCNMHG作者簡(jiǎn)介:齊玉蜂(1980- ),男,碩士,從事水文地質(zhì)工作。Email:qiynfeng - al@ 126. com。76西南科技大學(xué)學(xué)報第24卷?yè)涂碧劫Y料,工作區地層巖性由一系列粘土和砂層(半固結粘土巖、砂巖)相互重疊,組成了多層含水層組(熱儲)和相對隔水層,新近系之上又覆蓋了約300 m厚的第四系地層,為地熱資源的儲存、運移創(chuàng )造了有利條件.隨著(zhù)深度增加,熱儲溫度上升,地下水的溫度升高。- 南東好律內南m制隆北馳m1.2熱儲層 特征及其埋藏條件開(kāi)封凹陷區目前已開(kāi)發(fā)的有利用價(jià)值的地熱主要分2000布在地面下300~ 1300 m深度范圍,屬中更新統下段、下昌400MtPm更新統和新近系上部(明化鎮組)熱儲。根據石油鉆孔6000MtP。M+Po資料,在尚未開(kāi)采的1300 ~3000 m深度段,為新近系下8000024km部(館陶組)和古近系熱儲,是地熱開(kāi)發(fā)的有利層位。在.0第四系-新近累E古近系MP-K中生異+古生界B一下古生界300~3000m深度內可分為3個(gè)熱儲層,地熱增溫率每圍1開(kāi)封凹陷構造剖 面圍百米3.2~3.8 C。Fig.1 Section chart o[ Kaifeng Depression Structure溫水儲層(300 ~ 800 m)巖性以薄層細砂為主,累計厚度216 m,井口水溫30 C左右;溫熱水儲層(800 ~ 1300 m)巖性以厚層中砂和中細砂為主,累計厚度170m,井口水溫50 C左右;熱水儲層( 1300 m以深)巖性為細砂、中砂與粘土互層,含水層滲透性好,熱儲溫度高,預計單井出水量可大于60 m'/h,#口出水溫度可達65 C以上。.3 地熱流體化學(xué)特征溫水儲層的水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3●SO, - Na型和HCOz-Na型,pH值7.6 ~8.3,屬弱堿性水;硬度24 -239 mg/L,屬軟水;可溶性總固體676.9 ~835.79 mg/L。陰離子以重碳酸、硫酸為主,陽(yáng)離子以鉀鈉為主。H2SiO3 含量20. 8 ~44.2 mg/L。溫熱水儲層的水化學(xué)類(lèi)型以HCO, - Na型為主,少數屬于HCO, -Na●Ca . Mg型和HCO3 . Cl-Na型，pH值7.4 ~8.1,屬弱堿性水;硬度19 ~275 mg/L,屬軟水;可溶性總固體744.22 ~ 1646.78 mg/L。陰離子以重碳酸為主，陽(yáng)離子以鉀鈉為主。H2Si03 含量26 ~44.2 mg/L。熱水儲層的水化學(xué)類(lèi)型以Cl - Na型為主,pH值約8.2,屬弱堿性水;硬度增加到366 mg/L,屬硬水;可溶性總固體約4662 mg/L。陰離子以氯為主(含量約2579 mg/L) ,陽(yáng)離子以鈉為主(含量約1600 mg/L)。H2SiO3含量約49.4 mg/L。從以上數據可知,溫水、溫熱水和熱水儲層中水化學(xué)類(lèi)型差異明顯,其它各離子含量變化也較大,這證明了各熱儲層上下之間沒(méi)有明顯的水力聯(lián)系(隔水層良好)。1.4 地熱流體流場(chǎng)特征及其動(dòng)態(tài)在工作區開(kāi)封凹陷地熱田中,隨著(zhù)地熱儲層埋深增加,地熱水的年齡逐漸增大,表明深部地熱儲層中地熱水的補給和排泄條件隨深度增加而變差;區內實(shí)測地熱水同位素D和*0值位于或接近西南山區大氣降水線(xiàn),表明工作區地熱水的主要補給源是來(lái)自工作區外的西部山區的大氣降水;用"C -“C計算工作區地熱水平均年齡為2萬(wàn)年左右,很顯然本區地熱水是工作區外西部山區大氣降水經(jīng)遠距離緩饅徑流,側向補給各熱儲層的。地熱流體動(dòng)態(tài)變化基本不直接受黃河水位氣象等因素影響,而主要與人工開(kāi)采有關(guān)。在地熱流體無(wú)開(kāi)采區,其動(dòng)態(tài)類(lèi)型- -般為徑流型,水位動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)起伏變化不大,無(wú)明顯的峰值、谷值,水頭變幅一般1 m左右;在地熱流體有開(kāi)采的地區,其動(dòng)態(tài)類(lèi)型-般為徑流-開(kāi)采型 ,水頭變幅較大,且有較多的峰、谷(圖2)。1.5地熱資 源成因分析及熱儲類(lèi)型地熱系統的成因模式有傳導型和對流型兩種。工作區地熱系統是傳導和對流雙重影響的結果。地球內部的熱經(jīng)傳導至中元古界下部;中元古界至新生界古近系經(jīng)歷了多次構造運動(dòng),其間斷裂、裂隙發(fā)育,來(lái)自工作區外西部山區并賦存于灰巖中的地下水經(jīng)加熱增溫,沿著(zhù)斷中國煤化工此時(shí)對流起主導作用;古近系項部的熱水受弱透水層的阻礙而又以傳導的形式YHC N MH G向。因此,工作區新近系地熱系統的成因模式是:傳導-對流一傳導。-般來(lái)說(shuō),對流型地熱系統的地溫梯度大于每百米4第3期齊玉峰:河南省開(kāi)封凹陷區地熱田地熱資源分析C ,而工作區地溫梯度均小于每百米4 C ,因此,在工作區地熱系統的成因機制中傳導起主要作用,而對流對工作區熱儲溫度分布的不均一性有重要影響。3.00025.00個(gè)動(dòng)水位5_20.00世:的水實(shí)開(kāi)采量習1000-105002001年4月20001200年1月200年200年/21年10月1200年202年1月200年2月2 202年3月圖2地熱流體水位動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)圖Fig2 Dynamic curve of geolhermic liquid stage工作區內新生代以來(lái)地殼下沉,接受巨厚層的沉積,沉積物一般厚3000 m左右,凹陷區厚達6500 m左右,凸起區也有2000余米。古近系和新近系以沉降為主,巖性為粘土巖、砂質(zhì)粘土巖砂巖砂礫巖。其層位和厚度受古地形影響,產(chǎn)狀近于水平。區內地熱類(lèi)型主要為沉積盆地埋藏型和地質(zhì)構造型。2地熱資源及開(kāi)發(fā)利用2.1熱儲概念模型根據區域地層、構造地質(zhì)資料和詳查區地熱井鉆探資料,工作區在垂向上分為3個(gè)熱儲層,各熱儲層巖性較均一,頂底板基本水平,厚度變化不大。工作區內地下水徑流基本走向是由工作區的西、西北流向東、東微偏南方向。降水河水、灌溉水的入滲對地熱流體的補給甚微;其主要補給來(lái)源是工作區外西、西北側向補給,開(kāi)采為主要排泄途徑,工作區內的大量混合開(kāi)采井,使上、下含水層互相串通,現已使一些含水層有了一定的水力聯(lián)系,故在開(kāi)采時(shí),熱儲層地熱流體屬于非穩定的靜儲量消耗型。工作區熱儲層分選性差,透水性較弱,不同層間無(wú)明顯的水力聯(lián)系,但工作區熱儲層地熱流體和區外同層地熱流體的水力聯(lián)系密切。因此，應該將工作區地下水水流系統概化為無(wú)越流補給的、水平方向無(wú)限分布的承壓熱儲層。2.2地熱流體可采 量及其質(zhì)量評價(jià)分別采用最大允許降深法和可采水量換算法進(jìn)行地熱流體可采資源量及所含地熱能計算,在常規地熱資源量評價(jià)方法的基礎上,運用國際通用的可視化標準軟件Visual Modflow 對工作區地熱資源進(jìn)行了數值模擬計算與評價(jià),結果為:工作區溫水儲層地熱流體可采量為3.35 x 10* m/d,其所含熱能為3.08 x 10° kJ/d,折合標準煤430. 14 Vd;溫熱水儲層地熱流體可采量為1. 02 x 10* m'/d,其所含熱能為1.55x 10° kJ/d,折合標準煤216.16 Vd;熱水儲層地熱流體可采量為0. 29 x 10* m2/d,其所含熱能為6. 06 x 10*kJ/h,折合標準煤84.11 Vd。工作區溫水儲層地熱流體具有無(wú)色透明、味甘甜、水質(zhì)潔凈的物理特征,并含有人體需要的多種有益成分,其濃度滿(mǎn)足人體所需要的濃度,為良好的生活飲用水,符合農業(yè)灌溉用水標準,地熱流體中沉淀物很少，無(wú)腐蝕性,通過(guò)軟化處理后為良好的鍋爐用水,且不結垢;溫熱水儲層地熱流體偏硅酸含量(25.35~44.2mg/L)達到了礦水濃度標準,并且地熱流體溫度均大于25 C,具有一定的醫療效果,地熱流體中沉淀物很少,無(wú)腐蝕性,通過(guò)軟化處理后為良好的鍋爐用水,且不結垢;熱水儲層地熱流體鍶(0.22 ~0. 62 mg/L)和偏碓酸(35.1 ~39 mg/L) 含量達到了飲用天然礦泉水標準中規定含量的指標，可作為天然礦泉水飲用,氟(1.1~1.6 mg/L)和偏硼酸(1.27 ~2.71 mg/L)含量達到了醫療價(jià)值濃度的標準,偏硅酸(35.1 ~39 mg/L)含量達到了礦水濃度標準,并且地熱流體溫度均大于25 C ,具有一定的醫療效果。2.3地熱資 源開(kāi)發(fā)利用.中國煤化工工作區地熱資源屬低溫性質(zhì),埋深小于800m的溫水儲MHCN MH G如溫;埋深800-1300 m的溫熱水儲層,可用于醫療、洗浴、溫室;埋深1300 m以下的熱水儲層,可用于采暖和工業(yè)應用。78西南科技大學(xué)學(xué)報第24卷隨著(zhù)地熱資源利用領(lǐng)域的拓寬和社會(huì )需求的增加會(huì )給人們的生活帶來(lái)越來(lái)越多的好處,但若不能遵循可持續發(fā)展的原則,就會(huì )造成資源的快速枯竭,使以此為資源的系統,成了“無(wú)源之水,無(wú)本之末"。為此,地方政府應依據相關(guān)法律、法規,把地熱資源管理納人法制軌道,作為礦產(chǎn)資源進(jìn)行管理“'。為實(shí)現可持續開(kāi)發(fā)利用的目的,在開(kāi)發(fā)中,應對地熱水分不同梯級進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)利用,這樣,地熱水經(jīng)過(guò)多次循環(huán)利用后,既避免了地熱水的浪費,又提高了地熱水的綜合利用效率,增加了熱水產(chǎn)量,還減少了地熱水造成的污染。積極推廣分級利用技術(shù)既有利于充分利用地熱資源,又能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。2.4地熱資源保護地熱資源是在特定的地質(zhì)水文地質(zhì)和水文地球化學(xué)環(huán)境條件下形成的。要保持其資源的長(cháng)期連續穩定開(kāi)采,不致形成地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,必須十分重視其資源的保護工作。一是建立地熱資源環(huán)境保護區。依據經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的需要制定地熱資源開(kāi)發(fā)規劃和環(huán)境保護方案,在開(kāi)發(fā)過(guò)程中,必須按照地熱資源的埋藏與分布狀況合理布置開(kāi)采方案,嚴格按設計開(kāi)采方案和允許開(kāi)采量進(jìn)行合理開(kāi)采利用，嚴禁超采;二是防止環(huán)境污染。在地熱開(kāi)發(fā)過(guò)程中,由于開(kāi)發(fā)利用地熱水所排放的廢棄水,因溫度過(guò)高,水質(zhì)復雜,礦化度較高,易造成地表水、地下水及農業(yè)生態(tài)環(huán)境的污染,因此,在開(kāi)發(fā)利用中,要加強熱廢水的排放管理,以保護周?chē)沫h(huán)境;三是加強地熱資源開(kāi)發(fā)中的動(dòng)態(tài)監測工作。地熱資源的數量是有限的,在開(kāi)采利用過(guò)程中,將會(huì )使其水位、水量、水質(zhì)、水溫隨開(kāi)采的過(guò)程而發(fā)生變化,為不至于因過(guò)量開(kāi)采產(chǎn)生地面沉降、水源枯竭等環(huán)境地質(zhì)災害,應加強開(kāi)發(fā)中地熱流體的動(dòng)態(tài)監測工作。3結語(yǔ)地熱研究的目的在于利用,今后除了進(jìn)-步對地溫場(chǎng)、地熱異常原因、地溫與石油的關(guān)系加強理論研究外,還必須加強對地熱應用的試驗工作,搞清地熱資源分布,尤其是在地熱資源和地面建設配套地區更應如此。開(kāi)封凹陷區蘊藏有較為豐富的地熱資源,地熱資源的合理有序開(kāi)發(fā)對提高人民生活質(zhì)量和城市品位,營(yíng)造良好的投資環(huán)境,促進(jìn)區域經(jīng)濟發(fā)展,具有十分重要的意義。參考文獻[1]陳墨香 ,鄧孝.中國地下熱水分布之屬性及特點(diǎn)[J].第四紀研究, 1996,(2):131 ~ 137.CHEN Mo-xiang, DENG Xiao. 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