开封祥符区地热资源开发潜力及应用前景评价

低碳化发展已成为全球共识,具有绿色、清洁、稳定优势的地热资源受到高度重视,全球接近50%的国家已将地热运用于发电和供暖中。地热资源根据不同埋深可分为浅层地热资源(地球浅表200 m以内,温度低于25℃);中深层地热(深度介于200~3 000 m,温度介于 25~150℃);深层(3 000 m以深,温度高于150℃)。其中, 中国中深层地热能可采资源量折合标准煤1 8.65×108t,主要分布于沉积盆地、东南沿海和隆起山区,开发潜力大。地热资源的高效开发利用有助于改善能源结构,减少碳排放,助力实现“碳中和”“碳达峰”战略目标。

河南省地热资源丰富,主要以沉积盆地传导型为主。 对于地热清洁供暖项目的应用试点,目前已在安阳等多地区开展,效果显著。开封市拥有占全省12.32%的地热资源可开采量,是下一步资源开发利用重点区。

1地热储层地质及温度场分布特征

1.1储层地质特征

该研究区块祥符区处于开封凹陷区东部与通许凸起区北部,由图1可以看出,郑州—兰考断裂以北位于开封凹陷区,断裂以南位于通许凸起区。

1.2温度场特征

1.2.1热储垂向分布特征

祥符区热储温度场垂向上分为变温带、恒温带和增温带3部分。增温带热储温度场分布特征采用地温梯度表示,通过式(1)对祥符区热储的地温梯度进行计算。根据开封及周边以往地热井资料分析,区内地温梯度随深度的变化规律如图2所示。

式中:G_T为地温梯度,单位℃/hm;t为钻孔取水段水温,单位℃;t₀为恒温带温度,单位℃,取值15.9℃;h为钻孔取水段平均埋深,单位m;h₀为恒温带埋深,单位m,取值20 m。

祥符区增温带热储温度在垂向上的变化特征为:①深度介于300~<800 m为温水,平均水温介于3 1.96~42.01℃; ②深度介于800~<1 300 m为温热水,平均水温介于 48.70~65.25℃;③深度为1 300 m以深为热水,其中深度介于1 300~<1 600 m平均水温为65℃左右;深度介于1 600~<2 200 m平均水温可达75℃。2 200 m以深为古近系热储,主要分布在祥符区中北部开封凹陷区内, 厚度大于1 000 m,预计温度可达90℃以上,但根据上述关于区内热储层特征描述部分可知古近系热储地热条件较差,热储温度计算公式如下：

式中:T为热储温度,单位℃;d为热储埋藏深度,单位m;hc为常温带埋藏深度,单位m;t c 为常温带温度,单位℃。

1.2.2深层热储温度平面分布

深层温度平面分布特征采用热流值进行描述,通过式(3)计算发现,开封市祥符区热流值约为57.782 mW/m2, 开封市祥符区周边区域地表热流值平面情况见图3,可见高地表热流值位于祥符区周边附近,与浅层热储温度分布特征基本一致,该现象也反映出祥符区在区域上地热赋存条件相对更好。

式中:q为地表热流值,单位mW/m2;λ为测温度井段围岩中热储层的热导率,单位W/(m·K);θ为地温梯度,单位℃/hm,取平均值3.24;λ'、λ″分别为砂岩、黏土层的热导率,单位W/(m·K);β为热储层的砂岩层比(即砂层总厚度与热储层总厚度之比)。

热储层砂岩层比和热导率如表1所示,开封市周边地温梯度约为3.42℃/hm。开封市周边为整个开封凹陷区地温梯度最高区域,向东西两侧地温梯度呈现明显降低趋势。此外,高地表热流值位于祥符区附近,与浅层热储温度分布特征基本一致,这也反映出祥符区在区域上地热赋存条件相对更好。1 000 m深度处,开封地区热储温度大于48℃,最高温度为53.69℃,平均温度为48.47℃。

1.2.3热储温度分布的影响因素分析

祥符区位于开封凹陷与通许凸起2个构造单元,2个构造单元内热储层岩性差异不大,盖层条件也基本一致。 总体上看,热储温度平面分布差异主要受构造体系、热储层基底(基岩)埋深、地下水活动和盖层厚度的影响较大。

祥符区附近受多种构造体系的影响,热水一方面通过盖层的孔隙和细小裂隙极其缓慢地向上渗透,另一方面其热量亦不断向周围岩层传导,容易形成热储温度偏高的异常区。

地下水活动对地热运移和分布的影响主要表现在两方面:一是在开封凹陷区边缘地带形成了低温带,而凹陷区中心同深度的热储温度较边缘偏高;二是古近系及以下地层中深部热水通过断裂和裂隙向上施加的影响,构造越发育,新近系地层热储温度也越高。岩性结构是影响热储温度及地温梯度在纵向上变化的重要因素之一。祥符区内地热储层的盖层平均厚度约为300 m,黏土层总厚度约占盖层总厚度的60%,隔热性能较好,有利于热储层的保温作用。

1.3地热成因及热储类型

地热系统的成因模式有传导型和对流型2种。根据上述区域地温场分布影响分析可知,祥符区地热成因是传导和对流双重影响的结果。祥符区内新近系地热系统的成因模式为传导-对流-传导。一般来说,对流型地热系统的地温梯度大于4℃/hm,而祥符区所处开封凹陷区与通许凸起区内地温梯度均小于4℃/hm,因此祥符区内地热系统成因机制中传导起主要作用,而对流因素对区域热储温度分布的不均一性有重要影响。

祥符区中北部开封凹陷区内新生代以来地壳下沉, 沉积物厚超过3 000 m,其南部通许凸起区内缺失古近系,新生界厚度约2 000 m。在这种环境下,祥符区地热类型主要为沉积盆地型与断裂构造型热储。

2热储流体特征

2.1地热流体化学类型

祥符区热储纵向上由于温度差异主要包含温水层(深度介于300~<800 m)、温热水储层(深度介于 800~<1 300 m)、热水储层(深度为1 300 m以下),不同热储层位地热流体表现出不同的化学类型,温水储层的水属弱碱性水,pH值一般介于7.6~8.3;温热水储层的水属弱碱性水,pH值一般介于7.4~8.1;热水储层pH值约 8.2,属弱碱性水。而祥符区西羌寨北部2 004 m深KR2 地热井水质化验结果分析可知,祥符区通许凸起区内该层地热流体水化学类型为Cl—Ca·Mg型,pH值约6.89, 属弱酸性水。

2.2地热流体化学组分分布特征

祥符区所处开封凹陷区内热储层深度介于 300~<800 m、800~<1 300 m层位水化学类型以 HCO3—Na型为主,1 300 m以深层位水化学类型以Cl—Na 型、Cl—Ca·Mg型为主。深度介于300~1 300 m水化学类型为HCO3—Na型水,1 300 m以深主要为Cl—Na型、 Cl—Ca·Mg型水,且隔水层良好。另外,在1 300 m以深热储中水化学成分有以下特点:①祥符区城区附近Na+、 K+离子含量由406 mg/L向下增大至1 668 mg/L,祥符区西南西羌寨附近Na+、K +离子总含量降低至1 15 mg/L,而 HCO3-离子含量由572 mg/L向下下降到305 mg/L;②溶解性自上而下增大,由721 mg/L上升至10 400 mg/L,含盐量显著上升,水质由淡水变为咸水;③地热流体上部总硬度32 mg/L,属极软水,下部总硬度增加到5 354 mg/L,属特硬水。地热流体化学组分空间分布见图4。

2.3地热流体同位素特征

开封凹陷区内大气降水和地热流体的同位素分析成果值如表2所示。由表1和表2可以看出,位置相近的地热井随着热储层埋深增加,地热流体年龄也在增大;各热储层地热流体年龄的差异表明各热储层间相互之间无明显的水力联系。

3地热资源开发及回灌潜力

3.1区块地热资源特征

开封市祥符区位于开封凹陷区与通许凸起区2个地质构造单元,根据区域地层、构造发育以及周边地热井钻探资料,祥符区可划分为2个热储分区。Ⅰ区位于开封凹陷区(面积677 km2),Ⅱ区位于通许凸起区(面积 576 km2)。Ⅰ区垂向上可划分为3个热储层,分别为新近系明化镇组热储、馆陶组热储、古近系热储;Ⅱ区垂向上可划分为2个热储层,分别为新近系明化镇组热储与馆陶组热储。

3.2地热资源量评估

祥符区地热流体可开采总量为9.39×108m³(日开采量为25 703 m³)。其中温水储层地热流体可开采量为6.89×108m³(日开采量为1 8 853 m³);温热水储层地热流体可开采量为2.06×108m³(日开采量为5 65 1 m³);热水储层地热流体可开采量为0.44×108m³(日开采量为1 199 m³)。地热流体可开采资源所含热量计算结果见表3所示,地热流体可开采资源所含热量计算公式如下

式中:Qc为地热流体允许开采资源量,单位m3;μ为热储弹性释水系数;A为热储面积,单位m2;Sm ax 为最大允许降深,单位m;P为地热流体可开采资源量之所含热量,单位J;ρw为地热流体密度,单位kg/m3;c w 为地热流体比热容,单位J/(kg·℃);T为热储平均温度,单位℃;t0为恒温带温度,单位℃。

3.3回灌潜力及开发利用前景

3.3.1回灌条件下地热流体可开采量

对于盆地型地热田,根据热量平衡原理,其计算公式如下:

Q 式中:R为回灌条件下地热井对热储的影响半径,单位 m;α为岩石的温度系数;β1为回灌率,根据本次先导性地热井回灌试验,回灌率为100%;δ为热储温度下降2℃减少的热储存量的比例;M为热储平均有效厚度,单位m; t为时间,单位d,取值为36 500 d;th为回灌温度,单位℃,取25℃;tr为热储温度,单位℃;t 0 为恒温带温度,单位℃, 取15.9℃;Qh为回灌量,单位m3/d;Q为地热井产量,单位m3/d,该次计算按1 920 m³/d;Qa为回灌条件下允许开采量,单位m3/d;f为水比热容与热储热容的比值。回灌条件下祥符区地热流体可开采总量为36.07×10⁹m³(日开采量为988 286 m³)。其中,温水储层地热流体可开采量为21.98×10⁹m³(日开采量为602 256 m³);温热水储层地热流体可开采量为8.93×10⁹m³(日开采量为 244 6 15 m³);热水储层地热流体可开采量为5.16×10⁹m(日开采量为141 415 m³)。回灌条件下祥符区地热能可开采总量为4.89×10¹⁸J,折合标准煤为16 680×10⁴t,其中温水储层可利用热量为2.09×10¹⁸J,折合标准煤为 7 130×10⁴t,供热能力为15 906 MW;温热水储层可利用热量为1.38×10¹⁸J,折合标准煤为4 7 10×10⁴t,供热能力为10 502 MW;热水储层可利用热量1.42×10¹⁸J,折合标准煤为4 840×10⁴t,供热能力为10 807 MW,见表4。

3.3.2热储开发利用前景

祥符区新生界热储地热流体推断无回灌条件下地热流体可开采总量为9.39×10⁸m³(日开采量为2.57×10⁴m³, 可开采热量为10.96×10¹⁶J),折合标准煤为3.75×10⁶t,供热能力为34.79 MW。完全回灌条件下推断可采地热流体总量为36.07×109m³(日开采量为988 286m³),可开采热量为4.89×10¹⁸J,折合标准煤为16 680×10⁴t,供热能力为37 215 MW,开采潜力巨大。

4结论

1)祥符区具有显著的地热资源开发潜力。无回灌条件下,地热资源有限,总量为9 390×104m 3,完全回灌条件下,可开采量显著增加,显示出巨大的开发潜力。

2)祥符区的地热资源受地质构造和温度场分布的影响较大。祥符区附近的热储层温度较高,地质条件优越,适宜进行地热资源开发。

3)不同深度的热储层间水化学类型存在明显差异, 各热储层之间具有良好的隔层。这种特征有利于不同热储层的独立开发和利用,提高了地热资源开发的效率。