引用本文
冯超臣, 黄文峰. 山东省菏泽市聊城—兰考断裂带西部地区地热资源评价[J].中国地质调查, 2015,2015(8): 55-59.
FENG Chao-chen, HUANG Wen-feng. Evaluation of Geothermal Resources in the Western Liaocheng-Lankao Fault Zone of Heze City, Shandong Province[J].Geological Survey of China, 2015,2015(8): 55-59.
  
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山东省菏泽市聊城—兰考断裂带西部地区地热资源评价
冯超臣1, 黄文峰2
1.山东省鲁南地质工程勘察院,兖州 272000
2.菏泽市矿产资源勘探开发中心,菏泽 274000

第一作者简介: 冯超臣(1982—),男,工程师,主要从事水文地质工作。Email:hwf-nzsgtzyj@163.com。

收稿日期: 2015-08-19
基金资助: 山东省菏泽市国土资源局、菏泽市财政局以菏国土资发[2012]128号文下达的“菏泽市聊考断裂带西部地区地热资源调查与评价”项目
摘要

通过地热资源评价,对山东省菏泽市聊城—兰考断裂带西部地区地热地质条件和热储赋存条件进行了论证,认为调查区主要可开采热储层分别为明化镇组、馆陶组及东营组,均为层控岩孔隙型层状热储; 通过对热储盖层、热源、导热构造及导水构造进行分析,估算出了地热资源总量及各地层单井产量、合理井距,并为地热资源合理和可持续开发提出了建议。

关键词: 聊城—兰考断裂; 热储; 新近系; 古近系; 地下热水
中图分类号:P314.3 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2015)08-0055-05
Evaluation of Geothermal Resources in the Western Liaocheng-Lankao Fault Zone of Heze City, Shandong Province
FENG Chao-chen1, HUANG Wen-feng2
1.Lunan Geo-Engineering Exploration Institute of Shandong Province, Yanzhou 272000, China
2.Heze Mineral Resources Exploration and Development Center, Heze 274000, China
Abstract

The geological and storage conditions of geothermal resources in the western Liaocheng-Lankao fault zone of Heze City, Shandong province are surveyed during the geothermal resources evaluation in the study area. The primary exploitable geothermal resources are the layered fissure aquifers of Minghuazhen Formation, Guantao Formation and Dongying Formation. Based on the analysis of cap rock, heat source, heat-conducting structure and water flowing structure in these geothermal reservoirs, the total quantity of geothermal resources, single well production and reasonable well spacing are estimated. These provide useful recommendations for the reasonable and sustained development and exploitation of geothermal resources.

Keyword: Liaocheng-Lankao fault; geothermal reservoir; Neogene; Paleogene; geothermal
0 引言

山东省菏泽市聊城— 兰考断裂带(下简称聊考断裂带)西部地区以黄河为界, 行政区划为东明县的大部分地区。近些年该区地热开发强度不断增大, 但由于地热地质勘查工作相对滞后, 尚存在资源家底不清、地热井布置不合理等问题。为此, 本文通过开展该区地热资源评价工作, 旨在探求地热资源可开发利用总量, 为地热资源合理开发、可持续开发提供依据。

1 地质概况
1.1 地层发育情况

菏泽市基岩地层大部分被第四系、新近系覆盖, 据现有揭露的地层资料, 从新到老的地层有新生界的第四系、新近系及古近系、中生界的侏罗系、古生界的石炭系、二叠系、奥陶系[1]。聊考断裂带西部地区为东濮凹陷区, 松散盖层巨厚, 未有钻孔揭露至基岩。

1.2 构造展布特征

菏泽市地处的大地构造单元在华北陆块(Ⅰ )鲁西地块(Ⅱ )鲁西南潜隆起区(Ⅲ )菏泽— 兖州隆起(潜、断)(Ⅳ )菏泽凸起(潜)(Ⅴ )构造单元内, 聊考断裂以西为东明凹陷(潜)(Ⅴ 级)[2]。历次构造运动造成的断裂构造十分发育, 区域断裂按其展布方向分为近EW向和近SN向两组断裂(图1)。

图1 菏泽市区域地质构造简图Fig.1 Sketch map of regional geological structure in Heze City

1.2.1 聊考断裂

聊考断裂是一条被第四系完全掩盖的隐伏断裂, 可能是一条切割莫霍不连续面的深大断裂。是Ⅲ 级大地构造单元“ 临清坳陷区” 与“ 鲁西隆起区” 的分界断裂。断裂北起聊城以北, 南至河南兰考, 呈NE23° 方向延伸, 倾向NW, 倾角60° 左右, 全长270多公里, 为一正断层, 断距一般在900~1 500 m, 属新构造运动较强的断裂, 历史上沿断裂多次发生地震。它控制了临清坳陷的沉积和构造格局的形成。坳陷走向与断裂走向一致, 其中发育有巨厚的新生代地层, 是重要的生油岩系。由于该断裂切割深、断距大, 地下深部热能可通过断裂不断向上运移, 并在热储层聚集形成地热田。

1.2.2 东濮凹陷

东濮凹陷是渤海湾含油气盆地的一个复向构造单元。地理位置跨鲁西南和豫东北, 呈NE向展布。大地构造位置处于华北地台的中部, 属临清坳陷的一个组成部分, 是一个以结晶变质岩系及其上地台构造层为基底, 在新生代地壳水平拉张应力作用下逐渐裂解断陷而成的双断式凹陷。东濮凹陷总体格局表现为“ 两洼一隆一斜坡一断阶” , 凹陷内断层发育, 以NNE、NE向为主, 已发现圈闭类型以背斜、断鼻、断块为主。 东明县大部分位于东部背向伸展断阶带内[3]。

1.2.3 菏泽断裂

位于菏泽凸起的中南部, 横贯整个凸起。它西起东明县陆圈, 向东经菏泽城区、辛集、巨野县张表与曹县断裂相交, 倾向南, 倾角70° ~80° , 全长约64 km, 为正断层。此断裂在重、磁异常图上较明显, 据有关资料分析, 菏泽断裂左行错断奥陶系, 形成时间较早。

1.3 岩浆岩分布特征

东濮石油勘探资料表明, 辉绿岩和闪长玢岩主要侵入古近系沙河街组及东营组底部地层, 尚未发现新近纪岩浆岩活动踪迹。据煤田地质资料, 煤层有岩浆岩侵入[4]。菏泽市已有地热井钻探资料未发现岩浆岩侵入。

2 地热地质特征
2.1 地温场特征

区域地温梯度变化主要与新构造运动活动带、断裂发育规模、基底构造、热储层埋藏特征、热储盖层的岩性与厚度等有关。盖层岩性的差异也较大程度地影响了地温梯度的变化, 岩(土)层导热性能越差, 热的传导越慢, 地温梯度值越大; 岩(土)层导热性能越好, 热的传导越快, 地温梯度值越小。在不同的地质构造区段, 地温场的温度随着深度的增加而增高, 并受地层岩性的变化和地下水活动的影响。新近系以泥岩为主, 与细砂岩、砂岩、粗砂岩、砂砾岩、页岩等互层, 成岩程度较差, 地热散失程度较差, 因而地温梯度较高。侏罗系主要岩性为粉细砂岩, 泥岩成岩程度较高, 是深部地热储良好的盖层。太古宙花岗岩为该区地层的结晶基底, 导热性能好, 厚度大, 可达12 000 m , 是区内地热的热源体和地壳深部地热的良好热导体。

2.2 热储层

聊考断裂以西有4个热储层: 一是新近系明化镇组热储层; 二是新近系黄骅群馆陶组热储层; 三是古近系东营组热层; 四是奥陶系热储层。

2.2.1 新近系明化镇组热储层

新近系明化镇组热储层在评价区内均有分布, 岩性以灰色、紫红色中细砂岩、粉砂岩为主, 局部夹浅紫红色粘土岩, 呈半固结状[5]; 随古地理条件的变化, 从东向西埋深逐渐增大, 平均顶板埋深400 m左右, 底板埋深1 129~1 336 m, 平均厚度818.87 m, 满足开发利用条件的主要为明化镇下段热储层。850 m以下可利用的砂层厚度约占30.4%, 热储含水层厚度为80~120 m。水化学类型为Cl-Na或Cl· SO4-Na 型水, 一般矿化度3~4 g/L, 水中含有丰富的对人体健康有益的微量元素成分。由于该热储层埋深相对较浅, 盖层厚度小, 平均温度一般40℃左右, 平均地温梯度3.45℃/100 m。

2.2.2 新近系黄骅群馆陶组热储层

新近纪黄骅群馆陶组热储顶板埋深1 129~1 336 m, 底板埋深1 577~2 041 m, 平均厚度575.83 m, 与下伏东营组呈不整合接触。可利用的砂岩含水层约占该组地层厚度的47%, 热储含水层厚度为200~300 m。单层厚度大, 平均单层厚度大于10 m。热储层总体分布规律为: ①全区分布; ②底板埋深由东向西南逐渐变深; ③热储层厚度与底板埋深规律一致, 由东向西南逐渐变厚。

馆陶组热储层岩性为灰白色砾状砂岩、细砾岩、灰绿色砂岩、砂砾岩, 垂向上呈上细下粗的沉积特征, 底部有砾岩分布, 孔隙度较大, 具有良好的储水空间, 单井涌水量60~100 m3/h, 水温60 ℃左右, 平均地温梯度3.09 ℃/100 m。水化学类型为Cl· SO4-Na型水, 矿化度一般大于3 g/L, 水中含有丰富的对人体健康有益的微量元素成分。

由于水温相对较高, 是目前东明县城区的主要开采热储层。

2.2.3 古近系东营组热储层

主要分布在评价区的北部和西部。古近纪济阳群东营组热储含水层组顶板埋深1 577~2 041 m, 热储层受构造控制。其岩性以灰绿色、灰白色砂岩、细砂岩为主, 厚度分布不均, 在垂向上, 上下部颗粒较粗, 中部较细, 在有利的构造部位具备储水条件。可利用的砂层约占本组地层厚度的49.3%, 本层地热流体温度71.5 ℃, 矿化度一般大于10 g/L。

东明县城区仅有东明县国土资源局一眼地热井为东营组热储, 主要用于冬季供暖。

2.2.4 奥陶系热储层

奥陶系热储层位于下古生界寒武系— 奥陶系地层内。奥陶系峰峰组顶部溶孔、溶洞、溶隙发育。由于该区下第三系和上古生界煤系是主要烃源岩系, 涉及中原油田采油6厂开采范围, 且埋深普遍大于3 000 m, 因此本次热储计算暂不计算奥陶系热储资源量。

2.3 地热田类型及划分

根据地热资源温度, 地热田类型可以划分为25≤ t< 40 ℃为温水; 40≤ t< 60 ℃为温热水; 60≤ t< 90 ℃为热水。区内热储主要为层状孔隙型热储, 均为低温地热资源。明化镇组热储地热水赋存于砂岩的孔隙中, 温度平均在40 ℃左右, 为温水型; 馆陶组热储地热水赋存于砂岩的孔隙中, 温度平均在50~60 ℃, 为温热水型; 东营组热储地热水赋存于砂岩的孔隙-裂隙中, 温度平均在60~75 ℃, 为热水型。

3 地热资源量计算
3.1 计算公式

热储中储存的热量包括岩石中储存的热量和热水中储存的热量两部分。

本次地热资源量计算采用“ 热储体积法” [6], 即

Qr=C·A·M(ti-tj)C=ρr·Cr(1-φ)+ρwCwφ, (1)

式中: Qr为地热资源量, J; C为热储岩石和水的平均热容量, J/(m3· ℃); A为热储面积, m2; M为热储层厚度, m; ti为热储温度, ℃; tj为基准温度, ℃; ρ w、ρ r分别为岩石和水的密度, kg/m3; Cw、Cr分别为岩石和水的比热容, J/(m3· ℃); φ 为热储岩石的空隙度, 量纲为1。

可采地热资源量计算[6]式为

Qwh=C·A·M(ti-tj)·ReRe=Qwh/Qr, (2)

式中: Qwh为可采地热资源量, J; Re为回收率, %。

有效利用地热资源计算式为

Qz= C· A· M(ti-tq)· Re , (3)

式中: Qz为可采地热资源量, J; tq为弃水温度, 取25℃。

3.2 计算结果

通过上述计算, 得评价区可利用地热资源总量为4.345× 1019 J(表1), 其中明化镇组热储地热资源总量为1.491× 1019 J, 馆陶组热储地热资源总量为2.118× 1019 J, 东营组热储地热资源总量为7.362× 1018 J。

表1 评价区可利用地热资源总量计算结果 Tab.1 Calculation results for total quantity of exploitable geothermal resource in the study area
4 地热单井稳定产能的计算

馆陶组热储地热井的计算利用抽水试验资料计算取得; 东营组热储采用国土资源局院内地热井“ 完井报告” 中的抽水试验资料计算取得; 明化镇组热储利用比拟法计算取得。

4.1 明化镇组热储地热单井稳定产量的计算

由于明化镇组热储温度低, 在本区未开发利用, 研究程度相对较低, 其单井稳定产量的计算是依据邻区“ 山东省曹县城区地热地质普查” 项目抽水试验成果Q=f(S)曲线图(图2), 利用内插法求得降深30 m的出水量做为单井稳定产量。地热单井稳定产量为50.14 m3/h (合1 203.36 m3/d, 4.39× 105 m3/a)。

图2 曹县城区地热孔抽水试验Q=f(S)曲线图Fig.2 Q=f(S) graph of pumping tests for geothermal holes in Caoxian County

4.2 馆陶组热储地热井产量计算

根据东明县园丁园小区地热井3次降深抽水试验资料, 利用内插法在Q=f(S)曲线图(图3)上推测降深50 m的出水量为馆陶组地热井产量。推算降深50 m的涌水量为85.36 m3/h。

该地热井每年的产量Qa=85.36× 24× 365=7.48× 105 m3/a(合2 048.64 m3/d)

图3 园丁园小区地热井抽水试验Q=f(S)和q= f(S)曲线图Fig.3 Q=f(S) and q=f(S) graph of pumping tests for geothermal wells in Yuandingyuan community

4.3 东营组热储地热井产量计算

根据东明县国土资源局院内地热井“ 完井报告” 中抽水试验资料, 利用内插法在Q=f(S)曲线图(图4)上推测降深30 m的出水量为东营组地热井产量; 推算降深30 m的涌水量为76.16 m3/h。该地热井每年的产量为Qa=76.16× 24× 365=6.67× 105 m3/a(合1 827.84 m3/d)。

综上所述, 明化镇组热储地热单井的稳定产量为1 203.36 m3/d, 馆陶组热储地热单井的稳定产量为2 048.64 m3/d, 东营组热储地热单井的稳定产量为1 827.84 m3/d。

图4 东明县国土资源局地热井抽水试验Q=f(S)和q= f(S)曲线图Fig.4 Q=f(S) and q=f(S) graph of pumping tests for geothermal wells in the Land Resource Bureau of Dongming County

4.4 地热井权益保护半径的确定

4.4.1 计算公式

依据《地热资源地质勘查规范(GB/T 11615— 2010)》有关规定, 按照下列公式计算影响半径, 即

R= 36500Qf0.015Hπ, (4)

式中: Q为地热井产量, m3/d; f为水比热/热储岩石比热的比值, 介于3~5之间; H为热储层厚度, m; R为地热井开采100年排出热量对热储的影响半径, m。

4.4.2 计算结果

按各热储地热井的稳定产量、各区热储平均厚度进行计算(馆陶组热储厚度为575.83 m, 东营组为435.00 m), 考虑到长期开采可能的井间干扰, 根据“ 规范” 要求可适当增加一定的距离, 本次按面积扩大1倍考虑, 明化镇组热储考虑到600 m以浅一般作为居民饮用水开采, 600~850 m温度较低, 一般不利用, 厚度按埋深850 m止水计, 为382.50 m。

经计算, 明化镇组热储权益保护半径为1 524.7 m, 合理井距为3 049.5 m; 馆陶组热储权益保护半径为1 621.9 m, 合理井距为3 243.8 m; 东营组热储权益保护半径为1 763.0 m, 合理井距为3 526.0 m。

5 结论

山东省荷泽市聊考断裂带西部地区热资源属于低温地热资源, 热储具有分布面积广、岩性厚度比较稳定的特点, 并有3个可开发利用的热储层: 一是新近系明化镇组热储, 二是新近系馆陶组热储, 三是古近系东营组热储, 地热资源蕴藏丰富, 资源潜力大。

地热资源是在一定地热地质、水文地质条件和水文地球化学环境条件下产生的, 要保持地热资源长期稳定开采, 必须十分重视地热资源保护工作, 按照合理井距布置地热井, 注重环境保护, 严禁盲目无序开采, 造成资源的浪费。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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