安徽省亳州市王花园井地热资源可行性勘查研究

０ 引言

作为一种绿色低碳和可循环利用的非化石清洁能源，地热能具有储量大、分布广、稳定可靠等其他能源不可比拟的优点，是实现碳达峰和碳中和的重要能源利用途径。进入2１世纪以来，生态和环境保护越来越受到重视，在一定程度上推动了地热能的开发利用和勘查研究。地热资源可行性勘查是指在预可行性勘查或开发利用选定工程区，通过地质地热调查、地球物理勘查、动态监测等方法，查明地质地热条件、建立热储模型、计算地热资源量等的系统工作，对于后续开采设计和开发规划具有重要意义。王花园井位于亳州市城区西北涡河北岸、药王大道西，自２０世纪７０年代至今广大地质工作者在该区周边及亳州市开展了基础地质、水文地质及地热地质工作。其中亳州市城南地热资源可行性勘查及王花园井地热成井工作等成果，反映了王花园井周边具备地热资源开发利用的较好潜力。基于以上，本次在综合前人研究的基础上，在王花园井周边开展了以专项水文地质调查、取样测试、动态监测等技术方法为主的地热资源可行性勘查工作，在勘查区地热地质条件、地热田成因、热储概念模型、地热资源量等方面取得丰硕成果，为该区后续探矿权申请和开发利用规划提供了重要依据。

１ 勘查区地质地热条件

１．１ 地质构造特征

１．１．１ 地层结构

勘查区主要为新近系、古近系和第四系地层，新近系和第四系松散层厚７５０～８７０ｍ左右。古近系分为：（１）古近系古新统双浮组（Ｅ_１ｓｈ），岩性下部主要为细砂岩与泥岩、砂质泥岩互层，上部主要为泥岩、砂质泥岩与砂岩、粉砂岩互层，厚度大于５００ｍ，顶板埋深１１９６．８０ｍ；（２）古近系始新统界首组（Ｅ_２ｊ）：岩性下部主要为泥岩与细砂岩互层，中部为泥岩与细砂岩、粉砂岩互层，上部为泥岩夹细砂岩、粉砂岩，总厚约４２０．８５～４２７．１５ｍ。新近系分为：(1) 新近系中新统馆陶组（Ｎ_１ｇ），岩性下部主要细砂，中部粘土与中砂、细砂、粉砂互层，上部为粘土夹细砂、中细砂，总厚约２０５．２０～３１５．９０ｍ；（２）新近系上新统明化镇组（Ｎ２ｍ）：下部为粘土、亚粘土与粉砂、细砂、中砂互层，上部为粉砂、细砂、中砂与粘土、粉质粘土互层，总厚约３６７．８５～３９５．４９ｍ。

勘查区第四系厚约１６６．２５～１８１．７８ｍ，自老到新分为：

（１）下更新统，分上、中、下三段，总厚７５～９３．６２ｍ；（２）中更新统，分上、下两段，总厚约４１．３０～６２．０５ｍ；（３）上更新统，分上、下两段，总厚约２５．９０～４８．３２ｍ；（４）全新统，勘查区总厚约０．５５～１３．０５ｍ，南部厚度较小。

１．１．２ 断裂构造及基底构造

勘查区内主要断裂构造均为区域性断裂的次生断裂，主要有ＮＮＥ向张完集断裂Ｆ１和ＥＷ 向的涡河断裂Ｆ推１（图１）。前人在区内布设有两条大地电磁测深平行剖面（１线、２线），通过明显的“Ｖ”型宽大低阻异常和同步向下弯曲典型断裂异常特征，于区内东侧边界解译推断了走向约４０°、ＮＷＷ 倾的张完集断裂Ｆ１（图２）。涡河断裂Ｆ推１位于勘查区南侧亚珠石油城—化肥厂一线，该断裂为亳州隆起的北界断裂，其主要通过重力资料推测为ＥＷ 走向、Ｎ倾的正断层。

勘查区基底为阜阳拗陷，坳陷地区自下而上沉积有厚度大于１４６７ｍ的古近纪沉积物，８４８ｍ厚的新近纪沉积物，１６０ｍ厚的第四纪沉积物。钻探和物探工作均未揭穿基底，基底埋深大于２５００ｍ。

１．２ 热储特征

根据地热田热储埋藏条件，将勘查区热储划分为新近系热储和古近系上部热储。新近系热储在勘查区全区分布，顶板埋深约５４６．５ｍ，底板埋深约８４８ｍ，勘查区内顶板埋深和厚度变化不大。热储主要由较松散的粉细砂、中细砂组成，局部微固结。本次通过分析物探测井资料，划出７层含水层，揭露总厚度１０４．１ｍ，测井温度３８．６℃ ～４４．８℃。根据区域地质资料，单井涌水量１０００～２０００ｍ^３／ｄ。

古近系上部热储在勘查区全区分布，顶板埋深９２９．８ｍ，底板未揭穿，勘查区内顶板埋深和厚度变化不大。热储主要由细粒砂岩、粉砂岩，局部中砂岩组成，呈固结状。本次通过分析物探测井资料，划出５３层含水层，揭露总厚度４９３．７ｍ，测井温度３８．６℃ ～７２．２９６℃，井口出水地热水温度６９．５℃。

１．３ 地温场特征

１．３．１ 垂向分布特征

根据勘查区内王花园井测温资料，本区恒温带１７℃，恒温带深度２０ｍ。本井２４０～２３０５ｍ井段温度为３４．５６３℃ ～７２．２９６℃，计算得到本井地温梯度２．４２℃ ／１００ｍ。根据前人已完成的亳州市（城南）地热资源可行性勘查成果，区内盖层地温梯度３．０８～３．８８℃ ／１００ｍ；新近系热储层地温梯度１．２℃ ／１００ｍ，古近系上部热储层地温梯度２．０４～２．０６℃ ／１００ｍ；平均地温梯度２．８４～３．２３℃ ／１００ｍ。

１．３．２ 平面分布特征

本次统计了１０ｍ埋深处的温度数据，并依据测温数据进行地温梯度晕图绘制。由图３（ａ）可见，１０ｍ埋深处地温约１５．９℃ ～１８．３℃，地温高异常区主要位于探矿权南部和西北部。

考虑浅部地温受多因素影响，为有效识别浅层地温异常区域，本次求取了７．５ｍ埋深处地温梯度公式（１），并绘制了７．５ｍ埋深地温梯度晕图。由图３（ｂ）可见可见，７．５ｍ埋深

与１０ｍ埋深地温梯度晕图，在平面布局上发生存在较大差异性，７．５ｍ埋深高地温梯度区主要分布在勘查区北部和中部。

式中：Ｔ１０为１０ｍ埋深处的地温，Ｔ５ 为５ｍ埋深处的地温，ΔＴ／Δｈ７．５为７．５ｍ埋深处的地温梯度。

２ 地热田成因分析

２．１ 地下水补给来源

对地热流体、地表水和浅层地下水分别采取样品测定氢氧稳定同位素氘δＤ（ＶＳＭＯＷ‰）和δ１８Ｏ（ＶＳＭＯＷ‰），测定结果为：王花园井地热流体δＤ＝－６７．０、δ１８Ｏ＝－８．０，ＢＲ０３井地热流体分别为δＤ＝－６８．０、δ１８Ｏ ＝－８．７，地表水δＤ＝－５０．０、δ１８Ｏ ＝－７．４，浅层地下水分别为δＤ＝－６２．０、δ１８Ｏ ＝－８．９。

如图４所示，地表水与浅层地下水均落在全国大气降水线附近，说明该区域浅层地下水的补给与大气降水关系密切。王花园井与ＢＲ０３井地热水投影点均落在全国大气降水线δＤ＝７．８３δ１８Ｏ＋８．１６附近，略向左偏移，说明其补给来源来自大气降水。

２．２ 地下水年龄

本次通过测定地下水中３Ｈ与大气降水中的３Ｈ含量比较确定年龄，测试结果表明：区域内地表水和雨水中的３Ｈ含量分别为８．０～１９．８４ＴＵ、１６．４０ＴＵ，为现代水标准值；研究区位于内陆地区，古近系３Ｈ含量４．５±１．１ＴＵ，说明地热流体主要为１９５４年以前补给的地下水并混有一部分现代大气降水。

２．３ 地热成因

本区古近系地热流体溶解性总固体含量约１４４３０～１８６４７ｍｇ／Ｌ，为Ｃｌ－ －Ｎａ＋型，说明古近系地热流体水交替缓慢，补给源微弱，水文地质环境封闭，天然状态下勘查区地热流体补给和迳流缓慢。地热流体中大部分为万年前大气降水补给，少部分为近带大气降水溶滤而成。

３ 热储概念模型建立

综合与前人资料与本次浅部地温测量、氢氧同位素地球化学测试、区内典型地热井的抽水试验等成果，分别从热源、热储层、盖层、地热流补给及运移通道建立了勘查区热储概念模型（图５）。

３．１ 热源

勘查区总体属于地热正常区，热源来自上地幔。同时，由于勘查区与相邻地区相比莫霍面相对较浅，对地幔热能的传递较为有利；其基底起伏及断裂构造分布有利于地球内热能向勘查评价的热储层传递。

３．２ 热储层

勘查区主要有新近系中新统馆陶组和古近系古新统界首组、双浮组两个热储层，其中新近系中新统馆陶组热储层顶板埋深５４６．５ｍ，热储层砂层平均厚度约１０４．１ｍ。古近系古新统界首组、双浮组热储层顶板埋深９２９．８ｍ，由粉细砂岩、粉砂岩组成，平均厚度约４９３．７ｍ。

３．３ 盖层

勘查区５４６．５ｍ以浅为地热第一盖层，由新近系和第四系组成，岩性为粘土、粉质粘土交互成层，其保温性能较好、热导率较低，是新近系热储的良好保温盖层。勘查区总厚约８００ｍ的古近系古新统泥岩、粉砂岩为地热第二盖层，其渗透性差、热导率低、保温性能好。

３．４ 地热流补给及运移通道

区域上地热流体在自然状态下以远处的侧向补给为主，在开采状态下可通过无限边界从区外补给，垂向补给微弱。地热流体一部分为盆地沉积物形成时保留下来的古沉积水，一部分为大气降水溶滤而成。地热流体受近代补给较少，径流缓慢，与近代水交替条件差。

４ 地热资源量计算

４．１ 计算方法

地热资源量计算常用方法为热储法和比拟法，基于勘查区已有王花园井钻探、试验、测试等一线数据，热储法计算更为精准，故而本次使用热储法计算地热资源量ＱＲ。地热资源量ＱＲ 由热储层平均热容量等Ｃ参数计算得到公式（２），热储层平均热容量Ｃ由比热容等参数计算得到公式（３）。ＱＲ ＝Ｃ·Ａ·Ｈ·（ｔｒ－ｔｊ） （２）Ｃ＝ρｃＣｃ（１－φ）＋ρｗＣｗφ （３）式（２）中：ＱＲ 为地热资源量（Ｊ）；Ｃ为热储层平均热容量（Ｊ／ｍ３·℃）；Ａ为热储面积（ｍ２）；Ｈ 为热储层砂层厚度（ｍ）；ｔｒ为热储温度（℃）；ｔｊ为基准温度（常温层温度℃）。式（３）中：ρｃ、ρｗ 分别为岩石和水的密度（ｋｇ／ｍ３）；Ｃｃ、Ｃｗ 分别为岩石和水的比热容（Ｊ／ｍ３·℃）；φ为热储中岩石孔隙度，无量纲。

４．２ 计算参数及结果

区内热储层划分为两层，新近系中新统下部为第一热储层组，古近系古新统热储层为第二热储层组，热储层平均热容量计算参数如表１所示。经计算得到新近系热储层平均容量＝２．９３５×１０６ Ｊ／ｍ３·℃，古近系热储层平均容量＝２．７３９×１０６Ｊ／ｍ３·℃。综合前述热储层平均热容量Ｃ计算结果及本次统计、采取的热储温度和面积等参数，计算得到新近系热储地热资源量ＱＲ ＝２．４７×１０１７ Ｊ，古近系热储地热资源量ＱＲ ＝３３×１０１６Ｊ，勘查区地热资源总量ＱＲ ＝２．８０３×１０１７Ｊ。

５ 结语

（１）根据前人已开展的亳州市城南地热资源可行性勘查及王花园井地热成井工作等成果，认为亳州市王花园井周边具备开发利用地热资源的巨大潜力。出于后期开发利用对查明地热资源量和评价开发风险的现实需求，迫切需要开展安徽省亳州市王花园井地热资源可行性勘查工作。

（２）综合前人研究与本次开展的专项水文地质调查、取样测试、动态监测等成果，系统总结了勘查区地热地质条件，利用氢氧同位素分析了勘查区地热田成因，科学建立了勘查区热储概念模型，并合理利用热储法计算得到勘查区地热资源总量ＱＲ ＝２．８０３×１０１７Ｊ。

（３）安徽省亳州市王花园井地热资源可行性勘查具备系统性，为采矿权的申请和后续开发提供了必须的地质资料，也为下一步勘查区地热资源的开发利用前景指明了方向。