河南省开封凹陷区地热田地热资源分析

.第24卷第3期西南科技大学学报Vol. 24 No.32009年9月Joumal of Southwest University of Science and TechnologySep. 2009河南省开封凹陷区地热田地热资源分析齐玉峰.(河南省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队河南郑州450053)摘要:对开封凹陷区地热田地热地质构造特征热储层特征及其埋藏条件、地热流体化学特征进行了论述,分析了地热流体流场特征及其动态,初步建立热储概念模型,并对地热流体可采量及其质量进行了评价,提出了地热资源的开发利用方向及保护措施。关键词:地热田地热资源开发利用开封凹陷区中图分类号:X37文献标识码:A文章编号: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开封凹陷区是河南省地热资源条件较好的地区,面积约6700km2,大地构造单元属于济源一开封凹陷的东南隅,境内深层地下水资源较为丰富,在河南省中东部平原乃至整个华北平原都有一定代表性。但目前地热水仅用于洗浴和饮用,其热能远未得到充分利用,开发利用前景看好。因此,加强开封凹陷区地热资源的研究,有计划地开发利用热能,尽快将资源优势转化为经济优势,对于改善投资环境,振兴工作区经济具有重要意义。1地热资源基本特征1.1 地热地质构造特征开封凹陷构造位于华北台坳济源-开封凹陷,济源-开封凹陷属中、新生代凹陷,南侧为郑汴断裂,北侧为新乡一商丘断裂,中间为武陟凸起,西为济源凹陷,东为开封凹陷。受济源一新乡-商丘深断裂长期活动影响,使济源- -开封坳陷呈现东西两端深、中间高,南浅北深箕状坳陷(图1),属中新生代断坳式凹陷。中国煤化工收稿日期:2009 -03 -09基金项目:河南省2005年度两权价款及使用费项目(2006520500)。HCNMHG作者简介:齐玉蜂(1980- ),男,硕士,从事水文地质工作。Email:qiynfeng - al@ 126. com。76西南科技大学学报第24卷据石油勘探资料,工作区地层岩性由一系列粘土和砂层(半固结粘土岩、砂岩)相互重叠,组成了多层含水层组(热储)和相对隔水层,新近系之上又覆盖了约300 m厚的第四系地层,为地热资源的储存、运移创造了有利条件.随着深度增加,热储温度上升,地下水的温度升高。- 南东好律内南m制隆北驰m1.2热储层 特征及其埋藏条件开封凹陷区目前已开发的有利用价值的地热主要分2000布在地面下300~ 1300 m深度范围,属中更新统下段、下昌400MtPm更新统和新近系上部(明化镇组)热储。根据石油钻孔6000MtP。M+Po资料,在尚未开采的1300 ~3000 m深度段,为新近系下8000024km部(馆陶组)和古近系热储,是地热开发的有利层位。在.0第四系-新近累E古近系MP-K中生异+古生界B一下古生界300~3000m深度内可分为3个热储层,地热增温率每围1开封凹陷构造剖 面围百米3.2~3.8 C。Fig.1 Section chart o[ Kaifeng Depression Structure温水储层(300 ~ 800 m)岩性以薄层细砂为主,累计厚度216 m,井口水温30 C左右;温热水储层(800 ~ 1300 m)岩性以厚层中砂和中细砂为主,累计厚度170m,井口水温50 C左右;热水储层( 1300 m以深)岩性为细砂、中砂与粘土互层,含水层渗透性好,热储温度高,预计单井出水量可大于60 m'/h,#口出水温度可达65 C以上。.3 地热流体化学特征温水储层的水化学类型主要为HCO3●SO, - Na型和HCOz-Na型,pH值7.6 ~8.3,属弱碱性水;硬度24 -239 mg/L,属软水;可溶性总固体676.9 ~835.79 mg/L。阴离子以重碳酸、硫酸为主,阳离子以钾钠为主。H2SiO3 含量20. 8 ~44.2 mg/L。温热水储层的水化学类型以HCO, - Na型为主,少数属于HCO, -Na●Ca . Mg型和HCO3 . Cl-Na型，pH值7.4 ~8.1,属弱碱性水;硬度19 ~275 mg/L,属软水;可溶性总固体744.22 ~ 1646.78 mg/L。阴离子以重碳酸为主，阳离子以钾钠为主。H2Si03 含量26 ~44.2 mg/L。热水储层的水化学类型以Cl - Na型为主,pH值约8.2,属弱碱性水;硬度增加到366 mg/L,属硬水;可溶性总固体约4662 mg/L。阴离子以氯为主(含量约2579 mg/L) ,阳离子以钠为主(含量约1600 mg/L)。H2SiO3含量约49.4 mg/L。从以上数据可知,温水、温热水和热水储层中水化学类型差异明显,其它各离子含量变化也较大,这证明了各热储层上下之间没有明显的水力联系(隔水层良好)。1.4 地热流体流场特征及其动态在工作区开封凹陷地热田中,随着地热储层埋深增加,地热水的年龄逐渐增大,表明深部地热储层中地热水的补给和排泄条件随深度增加而变差;区内实测地热水同位素D和*0值位于或接近西南山区大气降水线,表明工作区地热水的主要补给源是来自工作区外的西部山区的大气降水;用"C -“C计算工作区地热水平均年龄为2万年左右,很显然本区地热水是工作区外西部山区大气降水经远距离缓馒径流,侧向补给各热储层的。地热流体动态变化基本不直接受黄河水位气象等因素影响,而主要与人工开采有关。在地热流体无开采区,其动态类型- -般为径流型,水位动态曲线起伏变化不大,无明显的峰值、谷值,水头变幅一般1 m左右;在地热流体有开采的地区,其动态类型-般为径流-开采型 ,水头变幅较大,且有较多的峰、谷(图2)。1.5地热资 源成因分析及热储类型地热系统的成因模式有传导型和对流型两种。工作区地热系统是传导和对流双重影响的结果。地球内部的热经传导至中元古界下部;中元古界至新生界古近系经历了多次构造运动,其间断裂、裂隙发育,来自工作区外西部山区并赋存于灰岩中的地下水经加热增温,沿着断中国煤化工此时对流起主导作用;古近系项部的热水受弱透水层的阻碍而又以传导的形式YHC N MH G向。因此,工作区新近系地热系统的成因模式是:传导-对流一传导。-般来说,对流型地热系统的地温梯度大于每百米4第3期齐玉峰:河南省开封凹陷区地热田地热资源分析C ,而工作区地温梯度均小于每百米4 C ,因此,在工作区地热系统的成因机制中传导起主要作用,而对流对工作区热储温度分布的不均一性有重要影响。3.00025.00个动水位5_20.00世:的水实开采量习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月图2地热流体水位动态曲线图Fig2 Dynamic curve of geolhermic liquid stage工作区内新生代以来地壳下沉,接受巨厚层的沉积,沉积物一般厚3000 m左右,凹陷区厚达6500 m左右,凸起区也有2000余米。古近系和新近系以沉降为主,岩性为粘土岩、砂质粘土岩砂岩砂砾岩。其层位和厚度受古地形影响,产状近于水平。区内地热类型主要为沉积盆地埋藏型和地质构造型。2地热资源及开发利用2.1热储概念模型根据区域地层、构造地质资料和详查区地热井钻探资料,工作区在垂向上分为3个热储层,各热储层岩性较均一,顶底板基本水平,厚度变化不大。工作区内地下水径流基本走向是由工作区的西、西北流向东、东微偏南方向。降水河水、灌溉水的入渗对地热流体的补给甚微;其主要补给来源是工作区外西、西北侧向补给,开采为主要排泄途径,工作区内的大量混合开采井,使上、下含水层互相串通,现已使一些含水层有了一定的水力联系,故在开采时,热储层地热流体属于非稳定的静储量消耗型。工作区热储层分选性差,透水性较弱,不同层间无明显的水力联系,但工作区热储层地热流体和区外同层地热流体的水力联系密切。因此，应该将工作区地下水水流系统概化为无越流补给的、水平方向无限分布的承压热储层。2.2地热流体可采 量及其质量评价分别采用最大允许降深法和可采水量换算法进行地热流体可采资源量及所含地热能计算,在常规地热资源量评价方法的基础上,运用国际通用的可视化标准软件Visual Modflow 对工作区地热资源进行了数值模拟计算与评价,结果为:工作区温水储层地热流体可采量为3.35 x 10* m/d,其所含热能为3.08 x 10° kJ/d,折合标准煤430. 14 Vd;温热水储层地热流体可采量为1. 02 x 10* m'/d,其所含热能为1.55x 10° kJ/d,折合标准煤216.16 Vd;热水储层地热流体可采量为0. 29 x 10* m2/d,其所含热能为6. 06 x 10*kJ/h,折合标准煤84.11 Vd。工作区温水储层地热流体具有无色透明、味甘甜、水质洁净的物理特征,并含有人体需要的多种有益成分,其浓度满足人体所需要的浓度,为良好的生活饮用水,符合农业灌溉用水标准,地热流体中沉淀物很少，无腐蚀性,通过软化处理后为良好的锅炉用水,且不结垢;温热水储层地热流体偏硅酸含量(25.35~44.2mg/L)达到了矿水浓度标准,并且地热流体温度均大于25 C,具有一定的医疗效果,地热流体中沉淀物很少,无腐蚀性,通过软化处理后为良好的锅炉用水,且不结垢;热水储层地热流体锶(0.22 ~0. 62 mg/L)和偏碓酸(35.1 ~39 mg/L) 含量达到了饮用天然矿泉水标准中规定含量的指标，可作为天然矿泉水饮用,氟(1.1~1.6 mg/L)和偏硼酸(1.27 ~2.71 mg/L)含量达到了医疗价值浓度的标准,偏硅酸(35.1 ~39 mg/L)含量达到了矿水浓度标准,并且地热流体温度均大于25 C ,具有一定的医疗效果。2.3地热资 源开发利用.中国煤化工工作区地热资源属低温性质,埋深小于800m的温水储MHCN MH G如温;埋深800-1300 m的温热水储层,可用于医疗、洗浴、温室;埋深1300 m以下的热水储层,可用于采暖和工业应用。78西南科技大学学报第24卷随着地热资源利用领域的拓宽和社会需求的增加会给人们的生活带来越来越多的好处,但若不能遵循可持续发展的原则,就会造成资源的快速枯竭,使以此为资源的系统,成了“无源之水,无本之末"。为此,地方政府应依据相关法律、法规,把地热资源管理纳人法制轨道,作为矿产资源进行管理“'。为实现可持续开发利用的目的,在开发中,应对地热水分不同梯级进行综合开发利用,这样,地热水经过多次循环利用后,既避免了地热水的浪费,又提高了地热水的综合利用效率,增加了热水产量,还减少了地热水造成的污染。积极推广分级利用技术既有利于充分利用地热资源,又能产生良好的经济效益。2.4地热资源保护地热资源是在特定的地质水文地质和水文地球化学环境条件下形成的。要保持其资源的长期连续稳定开采,不致形成地质环境问题,必须十分重视其资源的保护工作。一是建立地热资源环境保护区。依据经济发展和人民生活的需要制定地热资源开发规划和环境保护方案,在开发过程中,必须按照地热资源的埋藏与分布状况合理布置开采方案,严格按设计开采方案和允许开采量进行合理开采利用，严禁超采;二是防止环境污染。在地热开发过程中,由于开发利用地热水所排放的废弃水,因温度过高,水质复杂,矿化度较高,易造成地表水、地下水及农业生态环境的污染,因此,在开发利用中,要加强热废水的排放管理,以保护周围的环境;三是加强地热资源开发中的动态监测工作。地热资源的数量是有限的,在开采利用过程中,将会使其水位、水量、水质、水温随开采的过程而发生变化,为不至于因过量开采产生地面沉降、水源枯竭等环境地质灾害,应加强开发中地热流体的动态监测工作。3结语地热研究的目的在于利用,今后除了进-步对地温场、地热异常原因、地温与石油的关系加强理论研究外,还必须加强对地热应用的试验工作,搞清地热资源分布,尤其是在地热资源和地面建设配套地区更应如此。开封凹陷区蕴藏有较为丰富的地热资源,地热资源的合理有序开发对提高人民生活质量和城市品位,营造良好的投资环境,促进区域经济发展,具有十分重要的意义。参考文献[1]陈墨香 ,邓孝.中国地下热水分布之属性及特点[J].第四纪研究, 1996,(2):131 ~ 137.CHEN Mo-xiang, DENG Xiao. The Distributive Charateristics of Geothernal Water and Is Nature in China[J]. Quaternary Sci-ences,1996 ,(2):131 ~ 137. (in Chinese)[2]王宝玉. 河南省地热资源开发利用现状与展望[J].地质与勘探199,(1);126 ~129.WANG Bao-yu. Development of Geohermal Resources in ENAN[J]. Geology and Prspeeng,999,(1) :126 - 129. (in Chi-nese)[3]马殿辉. 地热资源的开发与利用[J].国外油田工程200.(6):47 -52.MA Dian-hui. Exlotaion and Utilization of Ceothermal Resources [J]. Foreign Oilfeld Enginein,2000,(6):47 -52. (in[4]王贵玲,张发旺 ,刘志明.国内外地热能开发利用现状及前景分析[J].地球学报, 200,21 (2) :134 -139.WANG Gui-ling, ZHANG Fa-wang, LIU Zhi-ming. An Analysis of Present Situation and Prospects of Geothermal Energy Devel-opment and Urilization in tbe Word[J]. Acta Geoscientia Sinica , 2000, 21 (2) ;134 ~ 139. (in Chinese)[S] KEPINSKA, B. Geothermal Energy in Poland:The State of-the at in 1998 and Future Prospect [C]//CEORCSSON ls. Geo-thermal Training in Ieland 20th Aniversary Workshop,1998. 53 -64.[6] ZHANC huo-hua, WANC Gui-ling. The Asessment of Ceothermal Resources in China[ C]. Ceothermnal Workshop BetweenNew Zealand and China. 1992.中国煤化工MYHCNMHG