郑州经济技术开发区地热资源勘查与开发研究

1 地热地质条件

1.1 地热储藏边界条件

根据地热地质背景,研究区以郑州经济技术开发区为中心,北起陇海快速路,南至郑民高速,西起机场高速,东到万三公路附近。地理坐标为东经113°43'15″~ 113°54'36″,北纬34°44'6″~34°38'35″,面积约158.5 km2, 详见图1。

1.2 地热地层特征

新近系地层在研究区分布较为普遍,其主要岩性为硬粘土、粘土与砂、砂砾石互层,自下而上呈多层结构。据已知钻孔资料统计,砂层均40%~50%。本套地层厚度约1000 m。新近系地层在工作区埋藏较深,顶板埋深大于500 m,含水层较厚,补给路径较长,是工作区现行地热资源开发的主要热储层,详见图2。

(1)馆陶组(Ng):工作区底板埋1000~1 600 m。 下部:为褐灰色灰岩、泥灰岩、灰白色钙质砂岩;中部: 灰绿色细砂岩及浅灰绿、棕黄色松散砂层,灰白色砾状砂岩夹紫红色泥岩;上部:浅灰色、灰绿色细砂岩夹紫色泥岩,黑色硬煤与浅灰色粉砂岩。

(2)明化镇组(Nm):在工作区最大厚9 90 m,其岩性自上而下可分为四段:① 棕红、深棕红显紫色泥岩、砂质泥岩及泥质粉岩夹黄白色细粒长石砂岩、粉砂岩,厚3 90 m。② 褐黄色泥质粉砂岩、灰白色黄色粉细砂岩与紫红、棕红、灰绿砂质灰岩、泥岩互层,厚1 50m。③ 棕红色泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩夹棕红色、灰白色、灰绿色粉细砂岩,厚2 50 m。④ 黄褐色、灰白色长石石英细砂岩,灰绿色、黄褐色泥质粉砂岩夹棕红、褐棕色砂质泥岩,厚200 m。

2 地热物理与化学特征

2.1 物理特征

2.1.1 恒温带的确定

采用实测32眼民井5~10 m之间不同深度的水温资料,运用相关分析法,计算的郑州市区恒温带深度为2 7.3 6 m,恒温带温度为1 7.02℃,全年温度变化不超过0.5℃。最后选用郑州市经开区恒温带深度为2 7 m,恒温带温度为1 7℃。

2.1.2 地温梯度的确定研究区的热储类型

主要为新生代沉积盆地型,据对明化镇组和馆陶组地下水井的测温情况分析, 总体规律都是温度随深度增加逐渐递增,未发现明显的异常段。对3 5 0~1 6 0 0 m深度范围内增温梯度计算时,一般在2.6~3.5℃/1 0 0 m,平均在3℃/1 0 0 m左右,属于正常自然增温率的范围。明化镇组热储地温梯度在2.5~3.5℃/1 0 0 m,馆陶组热储地温梯度在2.7~3.6℃/1 0 0 m。符合华北盆地南部地热增温率变化范围及温度随深度增加逐渐递增的规律。

2.1.3 深部热储温度推断

结合开采井的水化学分析资料,经对比3 50~800m、800~1 600 m热储层温度符合区域规律。地温梯度推断法:根据地质情况,利用热储上部的地温梯度推算深部热储温度。

计算公式为:

t=(d-h)×Δt/Δh+ t0 (1)

式中:t—热储温度,℃;

d—热储埋藏深度,m;

h—常温带埋藏深度,m;

Δt/Δh—地温梯度,℃/m;

t0—常温带温度,℃。

根据《郑州市区东部地热资源普查报告》结合本次调查,研究区地热井埋藏深度500 m、800 m、1200 m、1 500m

3 地热资源计算与评价

3.1 热储模型

研究区位于开封次凹陷的西南部边缘地带,新生界沉积厚度500~2200 m,模型中,底部以红色箭头表示郑州市区为大地热流供热模式,传导加热。研究区热储层埋藏较深,由于上部第四系覆盖层还有60~280m厚,新近系热储层不易直接接受大气降水的补给,而是通过侧向径流方式获取上游方向径流来的地下水的补给。模型中,以近似水平的蓝色箭头表示新近系热储层获取侧向径流的补给。由于新近系地层受新构造运动的影响较小,地层产状平缓,地下热水在水平方向的水力坡度很小,径流非常缓慢。

3.2 地热资源计算

地热资源计算方法有热储法、自然放热量推算法、水热均衡法等。热储法是目前国际上广泛运用的计算沉积盆地型地热系统地热资源的计算方法,本次地热资源计算采用热储法。

热储层储存的热量计算公式:

QR=CAd(tr-tj)(2)

式中:QR-热储层储存的热量(J);

A-计算区面积(m2);

d-热储厚度(m);

tr-热储温度(℃);

tj-基准温度(当地地下恒温层温度或年平均气温,℃);

C-热储岩石和水的平均比热容(J/m3·℃)。 计算参数的选定参考《地热资源评价方法》 (DZ40—85)中比热、岩石密度、孔隙度及《河南省郑州市地热资源普查与开发利用保护》中取样分析结果和华北盆地同热储层热力学参数。

3.3 地热资源评价

由于本次资源计算为调查阶段,地热资源量、可开采量即相当于预可行性勘查阶段推断储量。研究区明化镇组热储层中储存热总量9.1 1×101 7J,地热流体资源总量6.51×109m3,地热流体中储热总量3.98×1017 J;研究区馆陶组热储层中储存热总量3.01×1018 J,地热流体资源总量9.0×109m3,地热流体中储热总量1.28×101 8J。明化镇组热储区年可开采热水量1.63×107m3/a,年可利用热水中热能2.76×108 kWt; 馆陶组热储区年可开采热水量1.7 9×107 m3/a,年可利用热水中热能7.1 2×108 kWt。

4 地热资源开发利用评价

4.1 开发利用现状评价

依据研究区有关部门近几年对城区地下水开采量统计资料,目前区内地下水年总开采量为72 6.8×104m3/a,其中,浅层(井深50~100m)地下水年开采量为64.8×104 m3/a,中深层(井深1 50~500 m)地下水年开采量为447×104 m3/a ,明化镇组(热储层深600~800 m)地热矿泉水年开采量为1 50×104 m3/a,馆陶组(热储层深800~1 600 m)地热矿泉水年开采量为2 90×104 m3/a,则各层分别占地下水开采总量的6.81%、46.9 6%、1 5.7 6%和30.47%。由于研究区地热流体埋藏较深,其水源除少量大气降水补给外,大部分为古沉积水。近几年经开区政府主管部门严格地热井建井审批制度,静水位埋深基本趋于稳定。

4.2 利用范围评价

依据《地热资源地质勘查规范》(GB/T1 1 6 1 5- 2010)中的地热资源温度分级表,进行利用范围评价。研究区地热流体温度3 1℃~46℃。依据地热资源温度分级表,地热流体一部分属低温地热资源中的温水,主要利用范围为洗浴、温室、农业灌溉、养殖等;另一部分属低温地热资源中的温热水,主要利用范围为医疗、洗浴、采暖、温室、养殖等。

4.3 开采适宜性评价

依据《地热资源地质勘查规范》(GB/T1 1 6 1 5- 2010)的评价标准,进行开采适宜性评价。评价标准为:地热井地热流体单位产量>50 m3/d·m,为适宜开采区;地热井地热流体单位产量10~50 m3/d·m,为较适宜开采区;地热井地热流体单位产量<10 m3/d·m,为不适宜开采区。

根据《郑州市区东部地热资源普查报告》及本次野外调查情况,参与统计的9眼地热井,适宜开采的地热井(>50 m3/d·m)有1眼,占统计井数的1 1.1%; 较适宜开采的(10~50 m3/d·m)有5眼,占统计井数的5 5.5 5%;不适宜开采的(<10 m3/d·m)有3 眼,占统计井数的33.33%。最适宜开采和适宜开采的地热井占6 6.6 5%,适宜开采和较适宜开采的所占比例明显较高,不适宜开采的所占比例明显较低。对于大型沉积盆地地热田来说,这些是正常的。因此, 研究区应划为较适宜开采的地区。

5 结论

(1)研究区热储类型主要为新生代沉积盆地型, 据对明化镇组和馆陶组地下水井的测温情况分析350~1 600m深度范围地温梯度,一般在2.6~3.5℃/ 100m,平均在3℃/100 m左右;明化镇组热储地温梯度在2.5~3.5℃/100 m,馆陶组热储地温梯度在 2.7~3.6℃/100 m。地热水水化学类型主要为 HCO3—Na型,其次为HCO3—Na·Ca、HCO3—Ca ·Na 和HCO3·SO4—Na类型。

(2)研究区内2000 m以浅地热水主要补给途径来源于北部和东部热储层无限边界的古沉积水地下径流,少量来源于大气降水垂向补给和西南部一带浅部径流补给,地热水开采是主要排泄途径。

(3)研究区地热资源开发利用可行性评价结果显示,馆陶组集中区地热水开采潜力指数1.05介于1.2 ≥P≥0.8之间,属于采补平衡,可能处于超采状态,不建议对该区进行大规模的地热开发。分散开采区地热水开采潜力指数P=25.8>1.2 ,属于有开采潜力区, 可以扩大开采,可增加允许开采量为1 1.2×104 m3/ km2.a,属于潜力中等区。研究区内后张庄村以东可以列为重点勘查开发区。