0 引言

地熱資源是一種清潔和可再生能源,具有可循環(huán)、無污染、可直接利用等優(yōu)點,已成為全球能源領(lǐng)域的研究熱點。我國作為地熱資源大國,開展地熱資源評價及開發(fā),逐步減少對煤炭、石油等化石燃料的依賴,是實現(xiàn)“雙碳”目標,向發(fā)展清潔、綠色、低碳能源轉(zhuǎn)型的重要方式。

山東省地熱熱儲類型多、分布廣,地熱資源儲量豐富,開采條件好,是我國的地熱資源大省,全省 1 6地市均已成功鉆獲地熱井,發(fā)現(xiàn)了大中型地熱田。劉詠明等以地質(zhì)背景條件、控熱構(gòu)造、地熱地質(zhì)條件等為依據(jù),將山東省地熱資源劃分為魯東隆起地熱區(qū)、沂沭斷裂帶地熱區(qū)、魯西隆起地熱區(qū)和魯西北地熱區(qū)4個大的地熱區(qū),康鳳新等則從熱儲類型、開放程度、熱源水源及其運移和可更新能力等方面論述了4個地熱區(qū)的地熱資源賦存規(guī)律及富集機制。丁朋朋等采用資料收集和實驗測試相結(jié)合的方法對魯西北平原砂巖熱儲層、地溫場、水化學和水位動態(tài)變化特征進行了研究,獲得了該地區(qū)的地熱地質(zhì)特征和成因模式。前人的研究提供了一定的基礎(chǔ)資料,但多側(cè)重于魯西北地熱資源特征的整體描述,對以地熱田為單元的地熱地質(zhì)特征及資源量評價未作深入分析。碣石山地區(qū)位于魯西北地熱區(qū),第四系咸水覆蓋、斷裂構(gòu)造復雜,具有地熱成礦地質(zhì)條件好,資源分布廣,儲量大,易開采的特征,具備良好的勘探開發(fā)前景。

地下熱水不僅能滿足人們對能源的需求,還具有洗浴、療養(yǎng)、養(yǎng)殖、采暖、農(nóng)業(yè)溫室種植等方面的功效,具有較顯著的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。碣石山所處的無棣縣碣石山鎮(zhèn)具有十分豐富的礦產(chǎn)資源、漁業(yè)資源和旅游資源,且有多處村民集中居住小區(qū),在該區(qū)塊開展地熱資源開發(fā)利用工作,對促進當?shù)?a href="http://m.xinke1.com/t/旅游.html" >旅游事業(yè),帶動當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展,助力鄉(xiāng)村振興有著重要意義。

本文以無棣縣碣石山地熱區(qū)塊為研究對象,通過資料收集、地熱地質(zhì)調(diào)查、物探勘查等手段,查明了研究區(qū)的地熱地質(zhì)條件和地層結(jié)構(gòu)、熱儲蓋層和熱儲層巖性、埋深、空間分布規(guī)律及地熱水的賦存條件,建立了熱儲概念模型,分區(qū)計算了新近紀館陶組和古近紀東營組熱儲層的地熱資源量和地熱水可采量,為無棣縣碣石山地區(qū)的地熱資源開發(fā)利用、地熱資源規(guī)劃管理提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

碣石山地區(qū)位于黃河泛濫沖積平原,地貌以濱海海積平原為主,地形平坦開闊略有起伏,自西南向東北傾斜。行政區(qū)劃屬濱州市無棣縣,年平均氣溫 1 2℃左右,四季分明,屬北溫帶大陸性半干旱半濕潤季風氣候區(qū)。降水量年內(nèi)分配不均,年平均降水量為6 7 6.8 mm,年蒸發(fā)量是年降水量的1.90倍,區(qū)內(nèi)淡水資源匱乏,黃河水是最主要的淡水資源。

碣石山地熱區(qū)塊在大地構(gòu)造單元上位于濟陽坳陷區(qū)的東北端,車鎮(zhèn)凹陷北部與埕子口凸起的交會地帶(圖1)。埕子口斷裂橫穿研究區(qū)南部,為埕子口凸起與車鎮(zhèn)凹陷的分界斷裂。埕子口斷裂北側(cè)為斷層下盤,受構(gòu)造抬升剝蝕,導致古近紀東營組地層缺失,新近紀館陶組部分剝蝕,下古生界發(fā)育完整, 即新近系與新太古代泰山巖群直接接觸;斷裂南側(cè)為斷層上盤,接收沉積,新近紀館陶組和古近紀東營組發(fā)育完整。

研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)簡單,自下而上依次為新太古代泰山巖群(黑云斜長片麻巖、角閃片麻巖),新生界古近紀孔店組(紅色泥巖、砂礫巖)、沙河街組(細砂巖、灰綠色泥巖)、東營組(砂巖、泥巖交互沉積),新近紀館陶組(礫狀砂巖、細砂巖)、明化鎮(zhèn)組(泥巖、砂質(zhì)泥巖),及第四紀平原組(砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土)。 其中,明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組沉積層與熱儲關(guān)系密切。

2 地熱地質(zhì)特征

2.1 源、運、儲、蓋特征

研究區(qū)地處魯北地區(qū),其在地質(zhì)構(gòu)造上是在太古界及古生界基底上發(fā)育起來的中、新生代斷陷盆地。受差異性升降運動的影響,沉積了巨厚的中、新生代陸相碎屑巖沉積層。地熱水主要富集在古、新近系層狀砂巖的孔隙裂隙和古生界石灰?guī)r的巖溶裂隙內(nèi)。

(1)源:區(qū)內(nèi)JS1地熱井的測溫資料表明,地熱水的溫度小于90℃,屬于低溫地熱資源中的溫熱水型地熱資源。按地熱資源的形成條件,區(qū)內(nèi)地熱資源屬于傳導型地熱資源。研究區(qū)的主要熱源來自上地幔傳導熱流和地殼深部的傳導熱流,熱儲層中地下水在緩慢側(cè)向徑流過程中,接受下部大地熱流而增溫,通過埕子口斷裂向上傳導,亦形成對流型熱源。

(2)運:埕子口斷裂為大山潛凹陷和埕子口凸起構(gòu)造單元的劃分邊界。該斷裂具有深切割、多期長期活動的特征,其深切特性為深部流體提供了良好的垂向輸導通道;斷裂的長期活動驅(qū)動并加劇了深部地下水循環(huán),在深部高溫環(huán)境下形成有效的熱對流系統(tǒng),從而使該斷裂成為區(qū)域內(nèi)主要的導水、導熱構(gòu)造。

(3)儲:研究區(qū)內(nèi)古近紀東營組上部為灰綠、灰白色砂巖、細砂巖及泥巖;中部為棕紅色泥巖、細礫巖;下部為灰白、灰綠色細礫巖、細砂及泥巖。頂板埋深為1 1 2 7~1 430 m,厚度在1 2~707 m之間,地層沉積厚度呈由西往東增大的趨勢,頂板埋深表現(xiàn)為由北往南逐漸增大。新近紀館陶組上部為灰白色礫狀砂巖、細砂巖、灰綠色細砂巖和棕紅色泥巖的交互沉積,底部為含石英、黑色燧石的礫狀砂巖、砂礫巖。頂板埋深為7 1 2~1 001 m,厚度在301~807 m 之間,厚度呈現(xiàn)由西往東增大的趨勢,頂板埋深表現(xiàn)為由北往南增大的趨勢。新近紀館陶組與古近紀東營組為本研究的主要目的層,二者均為碎屑巖孔隙含水巖組,具有較好的地熱基本條件,砂層厚度較厚,水量較大,是區(qū)內(nèi)較為理想的層狀熱儲,也是最具開發(fā)價值的熱儲層。

(4)蓋:新近紀明化鎮(zhèn)組在區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定,頂板埋深為140~302 m,沉積厚度為528~807 m,其巖性多為泥巖,結(jié)構(gòu)致密,富水性差,巖石熱導率低,隔熱性能良好,加之埋藏淺,溫度低,可將其和第四紀平原組視為下伏熱儲層的保溫蓋層,為該區(qū)地熱成藏提供了良好的蓋層條件。

2.2 地溫場特征

根據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》及區(qū)域地質(zhì)資料,砂巖的熱導率(K)為2.596 W/(m·℃),泥巖的熱導率為1.71 W/(m·℃),區(qū)內(nèi)館陶組與東營組地層砂巖厚度占地層厚度的56%左右,據(jù)此推算,館陶組與東營組地層的平均熱導率為2.20 W/(m·℃)[1 8]。 以區(qū)內(nèi)現(xiàn)有地熱井(JS1井)綜合物探測井中的溫度測井資料所計算的館陶組與東營組平均地溫梯度為參數(shù),得到館陶組與東營組大地熱流值平均值為1.45 HFU(1 HFU=41.868 mW/m2)[1 9]。由區(qū)內(nèi)鉆孔測溫和恒溫帶地溫資料計算結(jié)果可知,平面上,研究區(qū)地溫梯度范圍為3.31~3.39℃/100m,由南向北逐漸增大(圖2),全區(qū)均呈現(xiàn)較明顯的地熱異常;縱向上,地溫梯度隨深度的增加逐漸降低,受地層巖性影響較大,館陶組、東營組地層地溫梯度分別為 3.57℃/100 m和3.32℃/100 m。

3 地熱資源計算與評價

3.1 熱儲概念模型

在對研究區(qū)源、運、儲、蓋特征及地溫場特征進行綜合分析的基礎(chǔ)上,借鑒前人地熱資源評價的方法,將區(qū)內(nèi)形態(tài)復雜、分布不規(guī)則的地質(zhì)體簡化為理想化的幾何模型,構(gòu)建了包含熱儲蓋層、熱儲層及熱儲底板等元素的熱儲概念模型(圖3)。

(1)將第四系松散沉積物及新近紀明化鎮(zhèn)組的砂、泥巖互層序列統(tǒng)視為熱儲蓋層。

(2)將新近紀館陶組和古近紀東營組的砂礫巖層概化為一個均質(zhì)、各向同性,且在水平方向上連續(xù)展布的熱儲層,位于埕子口斷裂北側(cè)的新近紀館陶組砂巖層與下伏熱儲底板直接接觸。

(3)埕子口斷裂南北兩側(cè)的熱儲底板均由新太古代泰山巖群的變質(zhì)巖系構(gòu)成。

(4)地殼深部的傳導熱流是地下熱水的主要熱量來源,也存在沿埕子口斷裂形成的對流型熱源。

圖2 研究區(qū)地溫梯度等值線圖

圖3 研究區(qū)熱儲概念模型圖

3.2 分區(qū)及主要參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)的地熱地質(zhì)特征及砂巖熱儲層發(fā)育層位,在熱儲資源計算中可將其劃分為2個區(qū)域。

Ⅰ區(qū)位于埕子口斷裂南側(cè),地層沉積相對連續(xù)穩(wěn)定,熱儲層主要包括新近紀館陶組與古近紀東營組的砂巖層,熱儲面積為0.3 1 5 km2。

Ⅱ區(qū)位于埕子口斷裂北側(cè),受斷裂活動影響,地層遭受強烈剝蝕,古近紀東營組基本缺失,熱儲層僅由殘留的新近紀館陶組砂巖構(gòu)成,熱儲面積為 3.1 85 km2。

3.3 地熱資源開發(fā)利用展望

研究區(qū)地熱水主要蘊藏在砂巖中,但在泥質(zhì)巖 (泥質(zhì)砂巖)中,也有少量的水和熱能存在,本次計算未考慮泥巖中的熱量和水量,僅對砂巖進行計算。本研究只針對新近系館陶組和古近系東營組2個2 000 m以淺含水層段進行計算,均為經(jīng)濟型地熱資源。區(qū)內(nèi)地熱水徑流緩慢,計算時未考慮熱水的外來補給量。

本區(qū)總體上是以熱傳導為主的大地熱流作用機制下形成的溫熱水型地熱資源。熱儲類型主要為新近系館陶組與古近系東營組的砂巖熱儲,構(gòu)成熱儲的源、運、儲、蓋結(jié)構(gòu)完整。

埕子口斷裂以南(Ⅰ區(qū))主要熱儲層為新近系館陶組與古近系東營組砂巖層,熱儲層厚度大,地熱資源總量為1.024×101 6J,折合標準煤為3.50×105t, 地熱水可開采資源量為1 900.93 m3/d;埕子口斷裂以北(Ⅱ區(qū))受斷層抬升影響,地層遭受嚴重剝蝕,東營組缺失,砂巖層厚度薄,但面積較大,地熱資源總量為1.5 7 5×101 6J,折合標準煤為5.38×105t,地熱水可采資源量為4 1 3 1.2 5 m3/d。

全區(qū)熱儲的總產(chǎn)能可達9.93 9 MW,按每年冬季供暖1 20 d開采計算,研究區(qū)地熱流體年開采累計可利用的熱能量為1.7 1 7×108MJ,折合標準煤 5 85 9.83 t。

本區(qū)賦存的低溫地熱資源(溫度<90℃)具有廣闊的開發(fā)前景,為實現(xiàn)其經(jīng)濟與社會價值最大化, 并推動資源的可持續(xù)利用,可從以下方面系統(tǒng)規(guī)劃其開發(fā)利用路徑,并開展后續(xù)研究。

(1)大力推進地熱清潔供暖,替代傳統(tǒng)燃煤方式,借鑒“取熱不取水”或“取熱不耗水”等技術(shù), 確保資源開發(fā)與環(huán)境保護相協(xié)調(diào)。

(2)若地熱流體水質(zhì)符合醫(yī)療熱礦水標準(如富含鋰、氟、偏硅酸等有益組分),可積極發(fā)展溫泉康養(yǎng)、旅游休閑等產(chǎn)業(yè)。

(3)拓展農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應用范圍,用于溫室種植與水產(chǎn)養(yǎng)殖,并通過“一次取水,梯級利用”的模式[2 6],顯著提升熱能利用效率和項目經(jīng)濟性。為確保資源的長期可持續(xù)利用,后續(xù)工作應聚焦于地熱流體質(zhì)量的精準評價,并建立嚴格的資源保護與動態(tài)監(jiān)測體系,定期監(jiān)測水位、水溫、水量變化,評估開采對地質(zhì)環(huán)境的影響,為資源的科學規(guī)劃與長效管理提供關(guān)鍵依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)通過對碣石山地熱區(qū)塊的自然概況、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地熱地質(zhì)條件進行收集和總結(jié),系統(tǒng)分析了地層巖性分布特征、構(gòu)造分布、熱儲特征及地溫的分布特征及規(guī)律,構(gòu)建了研究區(qū)的熱儲概念模型。研究區(qū)內(nèi)館陶組與東營組熱儲地熱資源豐富, 構(gòu)成熱儲的源、運、儲、蓋結(jié)構(gòu)完整,屬于傳導型地熱資源,熱儲類型為砂巖熱儲。

(2)利用熱儲法計算得到研究區(qū)內(nèi)館陶組和東營組熱儲中地熱資源總量為2.599×101 6J,折合標準煤 8.88×105t;可利用地熱資源總量為6.496×101 5J,折合標準煤為2.22×105t。區(qū)內(nèi)館陶組及東營組熱儲的產(chǎn)能為9.939 MW。按照每年冬季供暖季120 d開采計算,得到地熱流體年開采累計可利用的熱能量為 1.71 7×108MJ,折合標準煤5 859.83 t。