河北省衡水区域地热地质特征研究

近年来,常规资源枯竭、全球气候变暖、雾霾不断加剧等现象的出现,使得能源供给与环境保护已成为当今社会面临的主要问题。地热资源以其资源储量巨大、分布广泛、开发利用稳定、安全、清洁、高效和可再生的独特优势,成为实现能源生产革命、缓解环境压力的战略性资源。

衡水区域地热资源较丰富,全市新生界平均地温梯度值3.16℃/100 m,初步查明地热田及地热异常区 9处,分别为:安平-深州地热田、街关-护驾迟地热田、武强-武邑地热田、王家井地热田、阜城地热田、桃城区地热田、码头李-官道李地热异常区、枣强地热田和故城地热田,总面积4 504.20 km2,占全区总面积的51.1%。 但是,该区域地处华北平原东部,地热地质条件较为复杂,地热差异较大。

本文拟通过在收集地质、构造、物探、水质及地热井钻孔资料的基础上,揭示河北省衡水市地热资源分布规律,查明主要热储层地热地质条件,充分发挥本区资源优势、减少开发风险,为衡水区域地热资源下一步勘探开发提供科学依据。

1区域地质特征

衡水区域位于渤海湾盆地中西部,跨越冀中坳陷、 沧县隆起和临清坳陷3个Ⅲ级构造单元,10个Ⅳ级构造单元(图1)。无极-衡水断裂横跨整个区域,西起曲阳、行唐以西,向东经无极、衡水,于德州以南延入山东, 呈北西西向展布,倾向NE,倾角39~55°,正断层,总体上西段活动性较强,中段沿线地热异常即衡水区域。

受地质历史时期地质构造活动的影响,衡水区域发生了多次不均匀升降,呈现出坳中有凸、隆中有凹的凹凸相间的构造格局;接受了间断性沉积及岩浆侵入, 在太古界-下元古界变质岩性的基础上,沉积了中上元古界、古生界、中生界和新生界,局部分布辉长岩、闪长岩等侵入岩类。

2热储特征

衡水区域热储属于平原区圈闭型热储,依据热水的赋存空间及热水通道的不同分为2种类型:一种是以热传导为主的大地热流控制作用下形成的中低温热储,即新近系热储;另一种是在热传导与热对流共同作用下形成的深构造裂隙岩溶型热储,即基岩热储。通过收集该区已有地质、钻井等资料,将本区热储层自上而下主要划分为馆陶组砂岩热储层和奥陶系基岩热储层。

2.1馆陶组砂岩热储

馆陶组孔隙型砂岩热储层除沧县隆起部分地区缺失外,其他地区均有发育,呈层状分布,岩性稳定,具有埋藏浅、水温较低、出水量较大等特点。馆陶组顶界埋深在700~2 000 m,饶阳县城区域最深,2 000 m左右, 阜城县西南侧、冀州区管道李-小寨区域、故城县南侧、 枣强县城、李寺村一带埋藏较浅,小于1 000 m(图2); 底板埋深900~2 400 m,沉积厚度一般200~500 m,最厚可达880 m。热储岩性以砂岩、含砾砂岩、砂砾岩、砾岩为主,夹粉砂岩。热储厚度一般50~450 m,深州市清辉头热储厚度最大,达350~450 m;冀州市码头李、枣强县城、娄子一带热储厚度较薄,小于50 m,与馆陶组顶界埋深平面变化趋势大体一致。单层厚度一般10~ 20 m,最厚达72 m。砂厚比一般为33%~60%,最大达 75%,孔隙度16%~32%,渗透率一般93~500 mD。单井出水量50~90 m3/h,最大达116.67 m3/h(安热1井)。井口水温主要分布于50~55℃,其中西北区域深州、安平、饶阳、武强高达70~80℃。

2.2奥陶系基岩热储

奥陶系裂隙型岩溶热储层除饶阳县东北部分区域缺失外,其他区域均有发育,呈带状分布,非均质性较强,岩溶裂隙发育不一,受断裂控制明显。中生代发育的无极-衡水隐伏大,断裂横跨整个区域,是控制区内构造发展和热田形成的重要断裂。奥陶系顶面埋深在2 000~4 600 m,中南大部分区域分布在2 800 m 以浅,深州区域最深,高达4 600 m(图3);热储厚度 600~800 m;热储岩性主要为灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩。根据地热井实钻资料表明,奥陶系热储层遭受风化岩溶作用强度不一,裂隙率、有效热储层厚度差异较大,主要受构造部位、相应盖层影响,一般凸起部位风化作用较强,富水性较好,单盖层同样可为下伏基岩经历较长时间淋滤作用创造条件。3 000 m以浅基岩热储,据地温梯度推测,水温一般高于70℃, 属中-高温地热水。

3地热水特征

3.1水化学特征

衡水区域地下热水中溶解性总固体(TDS)分布具有差异性,北部较低,为1~3 g/L,中南部较高,为5~9 g/L, 属咸水。水化学特征在水平上分为两大水化学类型区, 呈条带状分布,西北区以氯化物·硫酸-钠型水为主,东南部以重碳酸·氯化物型-钠型水为主,具有冲积扇型水化学分布规律(图4)。pH在7.0~8.7之间,属弱碱性。

3.2氢氧同位素特征

地下水主要起源于大气降水和各种地表水的渗入补给,氢氧稳定同位素特征在确定地下水来源和演化等方面具有重要意义。克雷格降水线可用于判断地下水补给来源的依据,该区域雨水、地表水及第四系地下水氢氧同位素水样点均落在克雷格降水线上, 馆陶组砂岩热储和奥陶系基岩热储地下水的氢氧同位素分布点落在克雷格降水线右侧(图5),表明热储层中的地下热水主要来源于古降水,且由于地热水温度高、径流距离远,与围岩发生水-岩交互作用,产生了氧漂移。

4地热资源量计算

根据衡水区域地热成因机制分析,该区域为沉积盆地传导型,采用GB/T 11615—2010《地热资源地质勘查规范》中“热储体积法”分别估算衡水地区馆陶组砂岩热储和奥陶系基岩热储地热资源量。

依据DZ 40—1985《地热资源评价方法》规定,对大型沉积盆地的新生代砂岩,当孔隙度大于20%时,热储回收率定为25%;碳酸盐岩裂隙热储定为15%。通过可采资源量公式计算,衡水地区馆陶组砂岩热储可采资源量1 755×1016J,折合标煤6.03×108t;奥陶系基岩热储可采资源量986×1016J,折合标煤3.37×108t(表 1)。按照开发利用年限100年计算,年可采地热资源量折合标煤为9.40×106t。根据设计计算及运行经验,按照每平米每采暖季消耗热量相当于0.014 2 t标煤(热指标40 W/m2)计算,衡水地区地热资源量可满足供暖面积6.62×104万m2。

5结论及建议

衡水区域地热资源丰富,主要有馆陶组砂岩和奥陶系基岩2套热储层。馆陶组热储富水性较好,但由于埋藏较浅,水温偏低;奥陶系热储水温较高,但风化岩溶作用不一,富水差异较大。结合实际情况,可以考虑馆陶组热储层与奥陶系热储层混合开采,以获得更高的水温、水量,提高地热水利用。为实现地热资源可持续开发利用,避免热突破,要合理设置井间距,科学规划、合理布局。