山东省阳信县东部地区地热地质特征及资源量评价

地热资源是储存在地球内部的可再生热能，具有对环境污染小、可就近利用的特点，是目前最受关注的清洁能源类型。鲁北平原位于渤海湾盆地西南部，属华北平原的一部分，是在华北地台基础上发展起来的中—新生代断陷盆地，其地热资源丰富，发育典型的沉积盆地型砂岩孔隙热储，属传导型地热资源。阳信县属于鲁北平原地热田的一部分，热储层主要为新近系馆陶组（Ｎ１ｇ），其地热勘查开发工作始于2005年，随着地热资源的开发利用和地质环境条件的逐步变化，以往获取的地热资源动态数据在时效性上已大不如前，不能正确地反映当前该县地热资源的实际情况；而且以往该县开展的地热勘查工作多集中在城区，因此县域其他地区的馆陶组热储层的地热资源量还不清楚，严重制约了当地地热产业的可持续发展。为进一步查明阳信县地热资源家底，以该县东部地区为研究区，通过资料收集、地热地质调查、大地电磁测深、地热钻探、产能测试、水质检测分析等手段，查明研究区地热地质条件、地温场分布特征及地热水水化学特征，建立热储概念模型并分区计算馆陶组热储层的地热资源量和地热水可采量，提出地热资源开发利用建议，以期为阳信县地热资源开发利用、当地地热资源规划管理等提供重要依据。

１ 研究区概况

阳信县地处鲁北平原区之三角洲平原亚区，地形较平坦，地势南高北低、西高东低，自西南部向东北部倾斜，形成了缓岗、微坡平地和浅平洼地相间的地貌。地面高程一般在５～１３ｍ，平均约９ｍ，坡度为１／５０００～１／１００００。阳信县地处中纬度地区，属暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，多年平均气温为１２.８℃，最冷月为１月，最热月为７月。境内年降水量较少且不稳定、不均匀，历年平均降水量为５６７.７ｍｍ，１月最少，为３．８ ｍｍ；７月最多，为１９１.６ｍｍ。境内排涝河道主要是南部的钩盘河和北部的白杨河，两河横贯县境东西，东流入海。在大地构造位置上，阳信县主体位于惠民潜凹陷，北部边缘为无棣潜凸起， 东部边缘为沾化潜凹陷（图１）。惠民潜凹陷处于济阳坳陷中部，为中—新生代断陷盆地。受断陷盆地深部的地幔结构、岩浆活动和地壳浅部的地质构造、地层岩性、地下水活动等影响，区内具备良好的热演化条件。山东省大地热流值由西往东逐渐升高，表现出东高西低的分布规律。华北地区大地热流值平均为４７． １５５ ｍＷ／ ｍ^２，而研究区所在区域的大地热流值达到６０ ～ ７０ ｍＷ／ｍ^２，高于华北地区平均值，具备良好的大地热流背景。馆陶组上覆第四系平原组（Ｑ_ｐｐ）和新近系明化镇组（Ｎ_２ｍ），下伏古近系东营组（Ｅ_３ｄ），岩性主要为砂岩、泥岩、砂砾岩，富水性强，具备较好的储集空间，构成了区内最主要的孔隙—裂隙层状热储层。

２ 地热地质条件及热储概念模型

２．１ 热储盖层

研究区全区被第四系所覆盖，馆陶组上覆的平原组和明化镇组属于黏性土与砂性土组成的松软层，沉积厚度为９００～ １ １００ ｍ，其岩性多为黏性土，结构致密，富水性差，岩性热导率低，属隔水层和隔热层，为该区地热成藏提供了良好的盖层条件。

２．２ 地热源

研究表明，区域上地热主要属传导型地热，热源为正常的大地热流增温。馆陶组地层中发育良好的孔隙、裂隙空间，起到了导热、导水作用。从区域水文地质条件来看，本区地热水的补给来源很远。地下水在水头差和密度差的作用下，缓慢地进行循环交替运动，逐渐加热并在馆陶组孔隙—裂隙中存储。总体上，区域上径流条件较差，因此将地热水视为静态，可以不考虑其侧向径流补给和垂向越流补给。

２． ３ 热储层

馆陶组砂砾岩层为本区可供开发利用的最佳热储层，该套地层中砂砾成分多，孔隙度高，含水性好，形成了良好的孔隙—裂隙层状热储。研究区馆陶组顶面埋深在９４０ ～１ １００ ｍ，底面埋深在１ ２００ ～１ ４００ ｍ，厚度为２００ ～３４５ ｍ，热储砂岩一般厚１２０ ～ ２２０ ｍ；地层产状平缓，研究区西南部底面埋深＞ １ ３００ ｍ，地层厚度＞３００ ｍ；东北部底面埋深＜１ ２００ ｍ，地层厚约２００ ｍ（图２）。

２． ４ 地温梯度

通过调查发现研究区恒温带深度约为２０ ｍ，平均地温为１４℃，２０ ｍ 以下为增温带。研究区现有６眼地热井，取水层段均为馆陶组，井口水温为４８ ～５３℃。根据地热井井口水温、井深及恒温带深度，计算出区内地温梯度为２． ９３ ～ ３． ７０℃ ／１００ ｍ，平均为３． ５０℃ ／１００ ｍ，由南向北逐渐升高，全区均显示明显的地热异常。

２． ５ 地热水水化学特征

根据水质分析结果， 研究区地热水矿化度为６ ４７６． ３７ ～ １３ ９７５． ６８ ｍｇ／ Ｌ， 总硬度为５３４． ２０ ～１ ４４８． ２６ ｍｇ／ Ｌ，ｐＨ 值为７． ２ ～ ８． ０。水中阴离子以Ｃｌ－ 为主，含量为２ ７３４ ～ ８ ００９ ｍｇ／ Ｌ，毫摩百分数为４２％ ～９３． ８６％；其次为ＳＯ２ －４ ，含量为５９６ ～ １ ３６８ｍｇ／ Ｌ，毫摩百分数为５． １６％ ～ ２５． ０７％。阳离子以Ｎａ ＋ 为主，含量为２ １１７ ～４ ７１５ ｍｇ／ Ｌ，毫摩百分数为８５． ９４％ ～８９． ６５％。ＴＤＳ 含量为６ ４７７． ６４ ～１３ ９９７． ４５ｍｇ／ Ｌ，属于咸水—盐水 。ＳｉＯ_２含量为１５． １１ ～２１． ７７ｍｇ／ Ｌ，偏硅酸含量为１９． ６４ ～ ２８． ３０ ｍｇ／ Ｌ，Ｓｒ 含量为４． ６５ ～４２． ７ ｍｇ／ Ｌ，Ｌｉ 含量为０． ４２ ～ １． ５５ ｍｇ／ Ｌ，可作为理疗矿泉水 。同时，水中的Ｆｅ、Ｍｎ、氯化物、硫酸盐、ＴＤＳ 等含量均超过了《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ５７４９—２００６），说明研究区馆陶组地热水不能作为生活饮用水。

２． ６ 热储概念模型

根据前述地热地质条件，参考前人地热资源量计算方法，将不规则的多断块的地质形态，简化为一个理想的几何形态，并建立由热储盖层、热储层、地热源等组成的热储概念模型，具体如图３ 所示。

３ 地热资源量计算

３． １ 主要参数选择

（１） 热储面积。热储面积按整个研究区面积５１５． ２６ ｋｍ^２考虑，同时根据地热地质条件和已有地热井揭露的馆陶组砂岩层厚度及地温梯度，将研究区划分为１１ 个分区（图４），各分区面积为１９． ０５ ～ ６７． １１ｋｍ^２不等。

（２） 热储层厚度。据区内钻孔资料和物探资料，采用厚度近似加权平均值作为地热资源量计算的热储层厚度，为１２５ ～２２５ ｍ。

（３） 热储温度。利用盖层地温梯度及厚度来推算馆陶组的热储温度，可知热储温度为５０． ０ ～５９． ３℃，总体较集中。

（４） 岩石和水的物理参数。根据《地热资源评价方法及估算规程》（ＤＺ／ Ｔ ０３３１—２０２０）查得岩石密度、比热容和地热水比热容，结果显示本区馆陶组热储岩石密度为２ ６００ ｋｇ／ ｍ^３，比热容为８７８ Ｊ／ （ｋｇ·℃）；地热水比热容取４ １８６． ８ Ｊ／ （ｋｇ·℃）。根据区内地热井测井资料等推测岩石孔隙度，然后根据《地热资源评价方法及估算规程》（ＤＺ／ Ｔ ０３３１—２０２０）附录插值求得地热水密度，为９８３． ７ ～９８８． ０ ｋｇ／ ｍ^３。

（５） 热储层水头高度。以区内地热井水位标高的平均值作为本次计算的水头标高，然后根据馆陶组顶面标高计算热储层水头高度，各分区水头高度按近似加权平均取值，为８８９ ～１ ０６９ ｍ。

（６） 热储回收率。根据《地热资源评价方法及估算规程》（ＤＺ／ Ｔ ０３３１—２０２０）附录Ｂ． ２． ３ 中有关规定，馆陶组热储回收率定为２５％。

（７） 热储层水动力参数。根据本次抽水试验资料及区域地质资料，确定热储层的渗透系数、给水度、弹性释水系数取区内地热井平均值，分别为１． ７９７ ２ ｍ／ ｄ、０． ２３、０． ０００ ２１。

３． ２ 计算结果

３． ２． １ 地热资源量计算结果

本文采用热储法计算热储中储存的地热资源量，计算公式如下：

式中：Ｑ 为热储中储存的总热量；Ｑ_ｒ 为岩石中储存的热量；Ｑ_ｗ 为地热水中储存的热量；Ａ 为计算区面积；Ｍ为热储层厚度；ρｒ 为热储岩石密度；ｃ_ｒ 为热储岩石比热容；ϕ_ｒ 为热储岩石孔隙度；ｔ为热储温度；ｔ_０为当地年平均气温，取１２．８℃；Ｗ 为热储中储存的水量；ｃ_ｗ 为地热水比热容；ρｗ为地热水密度；Ｗ_１ 为截止到计算时刻，热储孔隙中地热水的静储量；Ｗ_２ 为水位降低到目前取水能力极限深度时，热储所释放的水量（弹性储量）；μ 为热储层弹性释水系数；Ｈ 为计算热储起始点以上高度。经计算，研究区馆陶组热储层中的地热资源总量为９． ６７７ ３ ×１０１８ Ｊ，折合标准煤３． ３０２ ０ ×１０８ ｔ，其中岩石储存热量为５． ３８２ １ × １０１８ Ｊ，地热水储存热量为４． ２９５ ２ ×１０１８ Ｊ。从馆陶组各计算分区储存的热量分布可以看出，岩石储存的热量均比地热水储存的热量多（图５），岩石中储存的热量占热储总热量的５５.６％，是地热水储存热量的１． ２５ 倍。

３． ２． ２ 地热水可采资源量计算

（１） 单井可采资源量。按照《地热资源评价方法及估算规程》（ＤＺ／ Ｔ ０３３１—２０２０）附录Ｃ． ３． ２，求取计算区地热水可开采量，计算公式为：

式中：Ｗｗｋ为地热水可开采资源量；Ｔ 为导水系数；ｓ_１ 为计算区中心水位降深；ｔ_ｋ 为开采时间；Ｒ_ｋ 为开采半径；Ｗ_ｗｄ为地热水单井可采量；ｓ_２ 为单井附加水位降深；Ｒ_ｄ为单井控制半径；ｒ 为抽水井半径。经计算，研究区中心水位降深与单井开采附加水位降深之和不大于１００ ｍ 的情况下，地热水开采期限内（１００ ａ）的可采量可达到２ １７１． ３１ 万ｍ^３ ／ ａ，单井可采量为６４． ６６ 万ｍ^３ ／ ａ。可布井数计算及合理井距。可布井数计算公式为：

式中：Ｎ 为可布井数。

计算结果表明研究区可以布设３３ 眼地热井。其合理井距为：

式中：Ｒ′为单井开采权益保护半径。

按照单井开采权益保护面积为矩形进行计算，得出单井开采权益保护半径为１ ９７５ ｍ，则合理井距为３ ９５０ ｍ。

４ 地热资源开发利用建议

通过本次调查可知，区内地热水出口温度为４８ ～５３℃，主要用于取暖。地热水中富含对人体健康有益的Ｓｒ、Ｌｉ 和偏硅酸等微量元素，具有一定的医疗价值，可作为洗浴和理疗保健用水。同时地热水矿化度及Ｃｌ－ 含量较高，属咸水，不宜直接排放，不能作为农田灌溉用水，但可以用于渔业养殖。区内地热资源开发利用存在以下问题：①缺少地热回灌井，未制定回灌方案，应及时制定“以灌定采”措施，并确保回灌质量；②利用方式单一，综合利用程度较低，没有形成地热资源的梯级开发方式；③开采布局不合理，现有地热井主要集中在城区范围，开采时间段集中在采暖季节，在时间、空间上过于集中。针对上述问题，建议采取以下措施：①施工１ 眼回灌井，利用地热尾水回灌，在保证地热资源可持续开发的同时，解决尾水排放问题；②对区内地热资源采取梯级利用，以提高资源利用率；③加强地热资源管理，及时调整开采布局，合理开采利用地热资源，防止地热资源过度开发利用。

５ 结论

（１） 阳信地区地热资源丰富，成因类型为热传导型，最佳热储层为新近系馆陶组砂砾岩层，属层状孔隙—裂隙型热储，热储层顶面埋深９４０ ～ １１００ ｍ，厚２００ ～３４５ ｍ，其中热储砂岩厚度为１２０ ～２２０ ｍ。

（２） 通过地热资源量评价，估算馆陶组热储中地热资源总量为９． ６７７ ３ ×１０１８ Ｊ，折合标准煤３． ３０２ ０ ×１０８ ｔ；地热水可开采量为２ １７１． ３１ 万ｍ^３／ ａ，可布井３３眼，合理井距为３ ９５０ ｍ。