引用本文
王秀芹, 闫燕, 白通, 周海龙, 路则瓦. 山东省平原县地热资源调查与分析[J].中国地质调查, 2023,10(4): 9-9.
WANG Xiuqin, YAN Yan, BAI Tong, ZHOU Hailong, LU Zewa. Investigation and analysis of geothermal resources in Pingyuan County of Shandong Province[J].Geological Survey of China, 2023,10(4): 9-9.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2023.04.02
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版权所有©《中国地质调查》编辑部
山东省平原县地热资源调查与分析
王秀芹1, 闫燕1, 白通1,2, 周海龙1, 路则瓦1
1.山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘察院), 山东 德州 253072
2.山东省地热清洁能源探测开发与回灌工程技术研究中心,山东 德州 253072;
通讯作者简介：白通(1983—),男,高级工程师,主要从事地热地质研究工作。Email: 271745156@qq.com。

第一作者简介: 王秀芹(1974—)女,高级工程师,主要从事水文地质研究工作。Email: 531850024@qq.com。

收稿日期: 2022-04-25
基金资助: 山东省自然资源厅2020年度省级地质勘查招标项目“山东省临邑凹陷西部地区地热资源调查及供暖示范(编号: 2020-44); ”和山东省地质矿产勘查开发局2021年地质勘查与科技创新项目“地热资源大规模采灌均衡评价(鲁北)(编号: HJ202111)”联合资助
摘要

山东省平原县社会、经济发展迅速,但存在资源环境约束趋紧、生态系统退化、环境污染严重、雾霾等极端天气频现等问题,凸显了节能减排形势的严峻性。为了保障城乡发展的能源供给,在收集研究区已有地热资源开发资料基础上进行补充调查,通过钻探、测试取得相关水文地质参数,利用地热计算器软件,对评价区地热资源量进行计算,并根据采灌井井距与采灌井温度、水位和经济成本的关系对采灌井井距进行了优化。结果表明,评价区热储采灌井距设为400 m可确保环境不受影响。该结果为实现地热资源可持续利用提供了有利保障。

关键词: 山东省平原县; 地热资源; 可持续利用; 井距优化
中图分类号:P314 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2023)04-0009-09
Investigation and analysis of geothermal resources in Pingyuan County of Shandong Province
WANG Xiuqin1, YAN Yan1, BAI Tong1,2, ZHOU Hailong1, LU Zewa1
1. No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Brigade, Shandong Exploration Bureau of Geology and Mineral Resources (Lubei Geo-engineering Exploration Institute), Shandong Dezhou 253072, China
2. Geothermal Resources and Reinjection Research Center of Shandong Province, Shandong Dezhou 253072, China;
Abstract

The social and economic development of Pingyuan County in Shandong Province is rapid, but there are problems such as tightening resources and environmental constraints, ecosystem degradation, serious environmental pollution, and frequent occurrence of extreme weather such as smog, highlighting the seriousness of energy conservation and emission reduction. In order to ensure the necessary energy supply for urban and rural development, the authors in this paper carried out supplementary investigation of the reasearch area, based on the existing geothermal resource development data in the reasearch area. The relevant hydrogeological parameters were obtained through drilling and testing, and the geothermal resources in the reasearch area were calculated by using the geothermal calculator software. Besides, the well spacing was optimized according to the relationship between the well spacing and the temperature, water level, economic cost of the wells. The results show that the distance between thermal storage and irrigation wells in the reasearch area is set to be 400 m, which can make sure the environment is not affected. This research is beneficial to the sustainable development and utilization of geothermal resources.

Keyword: Pingyuan Country of Shandong Province; geothermal resources; sustainable development; well spa-cing optimization
0 引言

地热资源作为集热能、水资源为一体的清洁能源, 受到越来越多的关注[1, 2, 3]。地热资源以水为热载体, 地热水开采的同时配合地下水回灌, 可形成冷热水交替循环的可再生新能源。近年来, 各地在地热地质研究中加强了回灌经验总结、地热回灌系统监测和数值模拟工作[4, 5], 为地热资源的评价和开发利用提供了有效的方法手段和有益的参考。

山东省平原县地热地质条件良好, 地热水资源丰富[6], 已成为鲁西北地热开发利用的典型。但该地回灌设备粗放, 监测缺失, 且多年地热开采已导致地热地质条件发生了较大改变。另外, 平原县正处于工业化和城镇化建设加速阶段, 经济快速发展给节能减排带来了持续增长的压力, 新型清洁能源的开发利用迫在眉睫。为了指导地热资源的合理开发, 地矿部门在区内进行了较多的地热地质普查工作[7], 但研究较为零散, 对地热水的补迳排条件研究较少, 地热水资源量的计算缺乏系统性与完整性, 尤其对采灌井距的研究较为欠缺。

综合考虑平原县社会发展、环境保护和经济建设需求, 在了解区域地质背景、查明地热资源开发利用现状的基础上, 开展了探采结合井钻探、产能测试, 岩矿测试, 根据调查和测试获得的热储地热地质参数, 计算得出研究区的可采地热资源量, 进一步考虑采灌井井距与井水温度、水位和经济成本的关系, 分析确定了优化的采灌方案及采灌井井距。这些工作为平原县地热资源开发潜力评价和地热资源合理开发利用提供了依据, 为城乡振兴发展提供了能源供给保障。

1 区域地质背景和水文地质条件
1.1 地质构造

山东省平原县距济南机场80 km, 交通便利, 地理位置优越, 素有“ 全国粮食生产基地” “ 京津蔬菜园区” 之称。研究区(平原县)面积910 km2, 在地质构造上位于临邑凹陷西部, 区域构造地质背景和区内水文地质条件为平原县地热资源形成和赋存提供了良好的基础。研究区在大地构造单元上位于华北板块、华北坳陷区下的临清坳陷区(Ⅲ 2)(图1)。

图1 平原县区域地质构造略图
F7.聊城— 兰考断裂; F6.齐河— 广饶断裂; F5.边陵镇— 羊二庄断裂Fig.1 Geological structure sketch of Pingyuan County

受断裂活动的影响和控制[8], 在拗陷区和隆起区内进一步形成次级的基岩隆起与凹陷(表1)。

表1 区域构造单元划分 Tab.1 Regional tectonic unit division

受新华夏系构造体系影响, 区内基岩断裂构造发育, 活动强度大, 均为隐伏断裂。断裂走向主要为NNE向、NE向、近EW向, 其次为NW向。区内对控热有意义的断裂主要有齐河— 广饶断裂和聊城— 兰考断裂。

研究区内主要控制性断裂为边陵镇— 羊二庄断裂, 发育在沉积厚度1 000~2 000 m的第四系和新近系覆盖层之下的基岩中。该断裂形成于中生代, 切割深度达到古生代寒武奥陶系及太古界变质岩系, 断裂带走向NE, 倾向NW, 北西盘下降、南东盘上升。下降盘形成的基岩拗陷区有巨厚的新生代地层沉积覆盖, 沉积厚度> 3 500 m。

1.2 地层岩性

研究区属临邑凹陷西部地区, 区内地层自老至新分为: 古近系孔店组、沙河街组、东营组; 新近系馆陶组、明化镇组; 第四系平原组。其中馆陶组为区内主要的热储层组, 属河流相沉积, 与下伏东营组呈不整合接触。馆陶组上部为灰白色、浅灰色砂岩及棕红色、灰绿色泥岩互层, 下部为灰白色、灰色厚层状砾岩、含砾砂岩、砂砾岩、棕红色泥岩及砂质泥岩, 底部普遍发育含石英、燧石的砂砾岩。顶板埋深1 100 m, 层底埋深1 600 m左右, 平均厚度约300 m。

1.3 水文地质条件

区内地下水赋存于第四纪与新近纪不同时代、不同粒径的含水层(组)中, 由于受新生代以来阶段性和差异性升降运动的影响, 其含水层(组)在空间分布上结构复杂、重迭交错, 地下水具有明显的分带性(图2)。

图2 平原县水文地质条件及热储温度分布Fig.2 Hydrogeological condition and thermal storage temperature distribution in Pingyuan County

研究区地下水广泛存在于地壳的表层, 赋存深度超过了3 000 m。800 m以浅, 按其补迳排条件、埋藏深度、水化学组成及水力性质在垂向上由浅至深, 可分为浅层潜水-微承压水(0~60 m)、中层承压水(60~200 m)和深层承压水(200 m~800 m)3种含水层(组)类型。

2 研究区热储条件
2.1 地热源和热储类型

研究区地热资源为温热水-热水型(埋深2 000 m 内)低温地热资源。地热热源主要来自于地壳深部及上地幔物质(包括深部岩浆)热量的传导热流。新近系馆陶组为主要热储层, 顶板埋深约900~940 m, 底板埋深1 380~1 480 m, 地层厚度440~580 m。热储含水层累计厚度100~160 m, 单井涌水量1 500~2 000 m3/d, 水温54~58 ℃, 水化学类型为Cl-Na, 矿化度4~6 g/L。

根据H、O同位素测试及水化学测试分析资料, 本区地热水主要为大气成因, 具有大陆溶滤水的特征, 除盆地沉积物形成时保存下来的沉积水和封存水外, 区内地下水主要来自于大气降水补给[7, 9, 10], 属层状孔隙-裂隙型热储地热水。距热源较近的地下水与距热源较远的地下水存在的密度差异引起地下水的自然对流, 再加上补给区水头差的驱动, 使地下水发生缓慢的循环交替运动。在地下水循环交替过程中, 地热水在孔隙-裂隙中存储下来, 从而形成了区内地热水补给源。

2.2 地温梯度

研究区内地热井资料表明(表2), 本次以区内25眼地热开采井的出水温度作为单个地热井的热储温度; 恒温带温度取多年观测平均值12.9 ℃; 地热井的取水段起止深度作为热储层顶底板埋深; 根据地温梯度计算公式, 计算得出研究区地温梯度为(2.8~3.6)× 10-2 ℃/m, 研究区热储温度分区见图3。

表2 研究区地温梯度计算结果 Tab.2 Geothermal gradient calculation results

图3 研究区热储温度分区Fig.3 Thermal storage temperature partition plot

经图得出地热储层的温度分布特征为高温点主要位于研究区东部。虽然东部地区不是隆起区, 但它位于断层的交汇处, 此处构造与深部热源连通。研究区馆陶组的地温同样受构造格架控制, 断层交汇处和隆起区温度较高, 其他地区温度相对较低。

2.3 地热水化学元素含量

参照《GB/T 11615— 2010地热资源地质勘查规范》[11]的控制项目, 研究区馆陶组地热水中偏硼酸含量为2.28~33.43 mg/L, 偏硅酸含量16.25~39.13 mg/L, 该区地热水达到了矿水浓度值, 为含硼、硅型热矿水。在新城家园东、桃源南都御景蓉社区、张华镇张华社区和坊子镇吉祥花园地区氟离子含量大于1.0 mg/L, 达到了有医疗价值浓度; 在坊子镇幸福逸居地区、前曹镇前曹社区西地区碘离子含量大于1.0 mg/L, 达到了矿水浓度; 在坊子镇幸福逸居、前曹镇前曹社区西、桃源南都御景蓉社区、坊子镇吉祥花园、前曹镇前曹新社区和王庙镇芙蓉社区地区锶离子含量大于10 mg/L, 达到了命名矿水浓度, 其余地区未达到有医疗价值浓度。

参照《GB 5084— 2021农田灌溉水质标准》[12]的控制项目中总溶解固体(total dissloved solids, TDS)、氯化物、碳酸盐、钠吸附比(sodium adsofrption ratio, SAR)、硼、砷、氟化物以及灌溉用水水质分级表标准, 区内馆陶组热储地热水中TDS、氯化物或硫酸盐含量较高, 属于灌溉用水分级标准中的Ⅴ ~Ⅵ 类水, 必须经稀释达标后方可作为渔业用水, 不宜作为农业灌溉用水, 更不宜直接作为饮用水源。

地面沉降的发育与地下水的超采密切相关, 不加以管控地开采地下水会引发诸如地面沉降等一系列的自然灾害与人为灾害[13]。但在合理开采条件下, 地热水产生的热污染、水环境污染较小。

3 可采地热资源量分析
3.1 计算公式

(1)研究区属于盆地型地热田, 区内天然地热水的补给极其微弱, 基本上属于消耗型资源。按照以灌定采的地热开发所适用的“ 德州模式” [14, 15]分析: 除了抽取和回灌水量外, 该区内的天然地热水与外界没有能量交换, 按回灌条件下开采100 a, 热储层允许温度下降最大值为2 ℃, 或者消耗固定百分比的地热储量, 回灌未发生热突破, 即抽水井井口温度与回灌前温度(等同于热储层温度)一致(即回灌水没有影响开采井地热水温度)。据地热资源评价方法及估算规程[11], 对于盆地型地热田, 按开采100 a消耗15%左右地热储量计, 取热突破时间100 a, 则热储系列参数计算公式为

f=ρwCwρeCe, 1

ρeCe=φρwCw+(1-φ)ρrCr　。(2)

式中: f为热储水与热储层热容量比, 无量纲; ρ w为地热水密度, kg/m3; Cw为地热水比热, J/(kg· ℃); ρ wCw为单位体积热储水所含热量, J/(m3· ℃); ρ e为热储层等效密度, J/m3; Ce为热储层等效比热, J/(kg· ℃); ρ eCe为单位体积热储层所含热量, J/(m3· ℃); φ 为储热层孔隙度, 无量纲。

地热的温差消耗系数及温差系数计算公式为

α=Th-T0Tr-T0　, (3)

β=QhQ　。(4)

式中: α 为温差系数, 无量纲; β 为消耗地热储量的百分比, 或热储温度下降Δ T ℃减少的地热储存量的比例, 无量纲; Qh为回灌流量, m3/h; Q为开采流量, m3/h。

最后联立上述几个公式可得, 回灌条件下影响半径和允许开采量为

R2=1-αβ×QtfδMπ　, (5)

Qa=AQπR22=δAHw(1-αβ)tf　。(6)

式中: R2为回灌条件下的影响半径, m; Qa为允许开采量, m3。

3.2 相关参数

根据调查和测试获得的可采地热资源量计算所需的具体热储层参数见表3。

表3 热储层可采资源量主要参数取值 Tab.3 Primary parameter value of recoverable resources in thermal reservoir
3.3 计算结果

热突破法是一种地热可采资源量计算方法, 其主要依据地热水井的温度、流量、压力等参数, 通过热平衡方程和水力方程计算地热水井的温度、流量、压力等参数, 从而推算出地热可采资源量[16]。

根据本次调查和钻孔测试所获数据, 在满足回灌条件下, 采用热突破法计算研究区范围内的可采地热资源量。计算结果得出允许日开采量约为4.02× 105 m3/d, 100 a允许开采地热水资源量约为4.83× 109 m3, 其中储存的热量为5.73× 1017 J(表4)。

表4 平原县地热资源 Tab.4 Geothermal resources in Pingyuan County
4 采灌井井距优化

随着地热资源的大规模开发利用, 地热流体补采失衡造成了热储层压力下降、水化学污染及热污染等一系列地质环境问题[17]。地热回灌是解决上述问题、保证地热资源可持续开发利用的最有效途径[18]。在回灌条件下, 为了防止产生“ 热突破” , 生产井和回灌井之间保持合理井距是个非常关键的问题[19]。

4.1 优化方法

采用孔彦龙等[20]开发的地热计算器井距优化模块对评价区采灌井井距进行优化计算。地热计算器是遵循多孔介质的水流方程, 依据单元格内质量守恒原理开发的一款软件。为地热计算器输入合格的水文地质参数, 通过内部演算, 即可输出直观的图表。计算中主要考虑采灌过程中开采井的地热水温度、水位、经济成本与采灌井间距离(采灌井距)之间的关系, 根据地热计算器输出的关系图表, 即可对合理采灌井距进行优化分析。

4.2 优化分析过程

4.2.1 试验井相关参数测试

选择前曹镇新前曹社区地热井作为试验井, 展开单井开采地热水产能测试, 同时进行岩矿测试以及温度、水位、涌水量测试, 为计算井距提供数据支撑。

测试井钻探深度1 505.45 m, 成井深度1 501.21 m, 取水段为1 162.80~1 452.50 m, 热储含水层累计厚度为169.30 m, 热水头水位埋深77.67 m。稳定流抽水试验于2021年6月17日开始, 试验设备采用深井潜水泵, 单井、无观测孔抽水。试验采用电磁流量计观测流量, 用潜入式电子监测仪观测井水水位, 用水银温度计测量水温和气温。共进行3个落程抽水试验, 试验实测数据见图4、图5、图6及表5。

图4 产能测试(Q-t)关系曲线Fig.4 Capacity test (Q-t) relationship curve

图5 产能测试(S-t)关系曲线Fig.5 Capacity test (S-t) relationship curve

图6 产能测试(S-Q)关系曲线Fig.6 Capacity test (S-Q) relationship curve

表5 抽水试验参数 Tab.5 List of pumping tests

图4、图5分别为试验井试验过程中地热水开采水量Q和地热水水位降深S随开采时间变化的过程记录曲线, 图6所示为试验井地热水开采水量Q与对应水位降落深度S的试验曲线。由图可见, 在地热水位降深S为39.63 m时, 地热水涌水量(开采流量)Q为102.1 m3/h。

图6所示的Q=f(S)曲线为指数型, 通过对试验曲线进行拟合得到的曲线方程为: Q=192.11S1/1.43 m3/d。按拟合S-Q曲线方程计算可得: 水位降深30 m时, 本次施工地热探采井的允许开采量为2 072.54 m3/d。

本次以抽水试验资料数据为基础, 采用内插法计算取得单位降深涌水量变动范围在2.576~3.481 m3/(h· m)之间, 求得渗透系数在0.465~0.565 m/d 之间, 影响半径不超过270.4 m。

4.2.2 采灌井合理井距分析

地热水可通过回灌形成良性循环状态, 在循环过程中, 地热水不断将地球深部热能带到地表, 回灌能够维持热储层和地层压力的平衡, 从而使地热能得到持续利用。

为了便于理解, 建立地热水开采回灌的模型(图7), 其中Q1为开采量、Q0为回灌量、M为热储层厚度、H0为静水位高度、S为水位降深变化、r11为开采井影响半径, r01为回灌井影响半径。可以看出采灌井距不同, 地热水回灌进入地层的压力就不相同。

图7 采灌对井渗透理论模型示意图Fig.7 Schematic diagram of theoretical model for well permeability by production and irrigation

为获得最优采灌井布局, 定义N年内温压响应所产生的经济成本之和为目标函数。其中, 由于水头降低, 需要消耗更多的电能, 而产生的额外电费; 此外由于温度降低, 至少同样的开采量下, 热田产生的热量减少而产生的经济损失。

模拟过程: 通过运行地热计算器, 依次输入储热层孔隙度、渗透系数、热储含水层厚度、开采井初始静水位、开采井地热水初始温度、回灌水温、开采流量、回灌流量、储热层岩石热导率、岩石比热容、岩石密度等参数取值(表3)。还有一些常用参数(如贮水率、区域地下水流速、地热田寿命、热价、电价、热利用效率和贴现率等)采用地热计算器给定值。

在表3以及所示产能测试的基础上(图4, 图5, 图6), 利用地热计算器软件平台模拟由单个开采井和单个回灌井构成的地下热水采灌系统的运行。即可得出图8纵轴所示对应的3个变量(开采井地热水温度变化、地热水水位降深变化、地热水开采经济成本)随采灌井距的变化趋势。

图8 地热井水位、温度和经济成本变化与不同采灌井距关系曲线Fig.8 Relationship curve between water level, temperature, economic cost of geothermal wells and different well spacing

4.3 采灌井井距优化结果

由图8可以看出: 随着井距增加, 开采井地热水温度变化(相对于开采井地热水初始温度)从-14 ℃降至0 ℃, 温差逐渐减小; 开采井地热水水位从-18.5 m降至-21.8 m, 逐渐增大; 经济成本从750万元降至10万元, 逐渐减小。当井距大于400 m时, 随着井距增加, 地热水温度变化、水位和经济成本都收敛为一定值, 不再随井距增加而变化。因此采灌井距400 m就是本区地热开采的最优井距。

5 结论

结合山东省平原县社会经济发展, 综合考虑环境保护和经济建设需求, 充分了解山东省平原县地热地质条件的基础上, 优化地热水采灌方案, 确保地热资源可持续利用。结合钻探、测试取得相关水文地质参数, 对研究区地热资源量进行了计算并取得3条结论。

(1)研究区热储主要开采层位为馆陶组, 区内地热水含有对人体健康有益的微量元素, 具有较高医疗价值。合理开采条件下, 地热水所产生的热污染、水污染较小。

(2)对可采地热资源量采用热突破法估算, 在满足回灌条件下, 研究区地热水可开采资源量为4.02× 105 m3/d。

(3)利用地热计算器软件, 根据采灌井井距与采灌井温度、水位和经济成本的关系对采灌井井距进行了优化, 区内采灌井距设为400 m可确保环境不受影响。

今后的研究可对群井采灌量与不发生热突破的合理井距关系等方面进行深入研究, 进一步探索在大规模采灌条件下的合理采灌井布局。

(责任编辑: 常艳, 王晗)

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