海南琼中县地热资源热储特征及开发利用评价

地热勘查区位于海南琼中县上安乡南流村,距琼中县营根镇约25km,交通便利。本次工作调查方法包括:地热钻探、钻孔测温、岩土样采集、物探测井、下管成井、降压试验、水样采集与测试等方法。以查明地热田温度及地热井的生产能力,支撑服务琼中县合理开发利用地热资源。

1区域地热田地质条件

1.1地质构造

勘查区处于地质构造北东与北西向两组构造交汇部位附近,伴随着加里东、海西-印支、燕山、喜马拉雅等构造运动,构成了昌江-琼海、尖峰-吊罗东西向构造带、南北向构造带、北东向构造、北西向构造带等主要构造体系,断裂构造较为发育,除了发育有东西向、南北向和北东向三组主要断裂带,还发育众多的小型断裂、断层。如图1所示。

地热勘查区及附近主要出露第四系全新统冲洪积层,以砾砂、粗砂、含粘土粗砂等砂类土为主;岩石多为燕山期侏罗纪中世二长花岗岩及闪长岩;对热矿水形成起主要控制作用的断裂有4条, 勘查区热矿水的分布、储存、运移和排泄均受断裂构造带控制。

1.2水文地质条件

据含水层介质特征、地下水贮存条件、水力特征划分,琼中县地下水类型主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水,以基岩裂隙水为主,松散岩类孔隙水仅沿河溪两岸小面积分布;据含水层成因、地质条件,基岩裂隙水又可分为层状岩类裂隙水、块状岩类裂隙水及红层孔隙裂隙水三个亚类。

勘查区地热田热储隐伏于燕山期侏罗纪二长花岗岩中,热储盖层主要为第四系全新统河流冲洪积层、花岗岩风化残积层,热储盖层厚8.35m~23.95m,平均厚16.93m。热矿水埋藏较浅、热储厚度大,富水性较好,单孔涌水量264.21m3/d~3690.23m 3/d,水量较丰富。地热流体补给来源主要大气降水补给。大气降水通过裂隙密集花岗岩和断裂破碎带入渗形成地下水经深部地下循环,吸收围岩热量形成热矿水,热矿水经由断裂运移至南流地热田,部分在地势低洼处溢出地表形成温泉,或耗于人工开采。

通过取样测试,初步查明勘查区地热流体水化学类型主要为HCO3-Na型;pH值8.6~9.34,为弱碱性水;矿化度为259mg/L~273mg/L,F含量5.80mg/L~8.17mg/L,H2SiO 3含量66.70mg/L~ 107.00mg/L,为氟水-硅水。同时含有Sr、Li等多种有益于人体健康的微量元素和组分。

1.3区域构造控制作用

勘查区区域大地构造上隶属华南褶皱系五指山褶皱带,尖峰-吊罗东西向构造带与昌江-琼海东西向构造带之间,大断裂带控制了勘查区及周边区域共23处地热田的分布。区域内热矿水的形成与岩浆岩、地质构造和地形地貌有密切的关系。

(1)热矿水与岩浆岩:区域23处地热田,有近20处出露于海西-印支期和燕山期花岗岩、闪长岩中,岩浆岩对于热矿水的分布起到主要控制作用。

(2)热矿水与地质构造:根据资料分析,昌江-琼海断裂带、尖峰-吊罗断裂带周边裂隙型热矿水的形成主要为大气降水在断裂带中部山区渗入地下,经断裂带向深部运移,热矿水的垂向运移深度一般超过3km,同时顺着地形的趋势向四周运移,并在地形低于地下水总水头且存在通道的地方出露成泉。 地热田多出露在北西向或北东向的张扭性断裂带与东西向的两条大断裂交汇的部位。综合分析,断裂构造对区域地热田的形成、储存和运移均起着不同程度的控制作用,也为地热水的运移、出露等提供通道。

(3)热矿水与地形地貌:区域所有的地热田基本全出露于地势相对较低的地形低洼处,说明热泉的出露受到地形的控制。热矿水在中部山区地势较高处形成并经由断裂构造等通道顺着地形趋势向四周运移,在地势相对较低的位置出露地表,表明热泉的出露受到地形的控制。

2热储特征及埋藏成因

2.1地热田边界条件

南流地热田是受控于断裂构造呈带状分布的地热田,其热储分布主要受控热、导水断裂F2'控制。通过收集资料、调查测温、钻井测温及断裂带走向等综合划定地热田分布范围与边界。

根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615-2010)的规定,当水温大于或等于25℃时,属地热资源,由于海南岛地处热带气候区,年平均气温23.8℃,潜水水温与气温相差2℃~5℃,勘查区地下水水温一般27.0℃~29.5℃,综合前人对琼中地热的经验,以地下水水温32℃作为南流地热田的温度界限,统一以孔口水温32℃等值线为基准,根据地表热异常点分布范围、地面调查地质特征、物探解译断裂带产出状态、钻孔揭露热矿水的横向地温梯度(外推至热矿水32℃温度等值线)综合圈定地热田范围及边界。南流地热田边界以32℃水温度为等值线,以控热断裂F2'、F 3'、F 4'为长轴的不规则长椭圆形,地热田面积约0.206km2。如图2所示。

南流地热田是受控于断裂构造的带状分布地热田,其热储分布主要受控热、导水断裂F2'、F 3'、 F4'控制;以热矿水温度32℃等值线和40℃温度等值线圈定的地热田范围均是以控热断裂F 2'、F 3'、F 4' 为长轴的不规则长椭圆形。按地热田的温度、热储形态、规模和断裂构造发育的复杂程度,将其划分为中低温带状地热田(Ⅱ-2),地热田规模分级为小型。

2.2热储特征及埋藏条件

热储是指埋藏于地下、具有有效孔隙和渗透性的地层、岩体或构造带,其中储存的地热流体可供开发利用。南流地热田热储层主要为F2'、F3'、F4'构造断裂带中破碎带岩层组成,地热流体主要赋存于断裂破碎带和岩石裂隙中,地热流体沿构造裂隙运移,在合适的通道处上移至地表,南流地热田是以对流传热为主、平面上呈带状延伸的热储。地热勘查区出露黑云母二长花岗岩、黑云角闪闪长岩,结合勘探井岩芯采样分析,热储岩性主要为黑云母二长花岗岩,揭露热储层最大厚度约378.91m。

根据收集历史资料分析,DR1井附近20m~30m有温泉出露,常年自流,自流泉水口相对较为固定;钻孔地温显示南流地热异常区以地热井(DR1)为中心,与F1'、F 2'、F 3'、F 4'断裂走向有一定的关联,即北西向及北东地温相对异常。其中,F1'断层位于地热田西部,呈向北弯曲的弧形,走向北东东,F3'、F 4'断层位于南流地热田中部,呈北北东向分布,倾向北西,为热矿水的导水构造;F 1'、F 3'、 F4'与F 13应为同一组构造,该断裂为地热水的入渗、运移、深循环等提供通道;F 2'断层位于地热田中部,地表被第四系覆盖未出露地表,走向北西西,倾向北东,倾角约70°~80°,为主要的控热构造,是热矿水的储水与导水构造。

南流地热田热储埋藏于F1'、F 2'、F 3'及F 4'断裂破碎带中,断裂带多为脆性岩石压扭性断裂,断层倾角较大;沿断裂构造部位,钻孔岩心破碎,节理裂隙发育,热蚀变、热溶蚀现象明显,节理中见有方解石填充,这些空隙通道为地下热水的形成提供了良好的储存和运移条件。据钻探揭露,南流地热田热储盖层主要为第四系全新统河流冲洪积层和岩浆岩风化残积层,盖层以含砂粉质粘土、砂质粘性土为主,热储盖层厚度8.35m~23.95m,平均厚度16.93m。由于热储的主要部分被覆盖,同时主要的热矿水流通通道DR1位于河床中,地表河水常年径流不断,整体对热储有一定的散热和降温作用。

2.3地热田成因分析

南流地热田属于断裂构造带状型地热田,地热水起源于大气降水,大气降水在地壳浅部经过循环过程中吸收围岩中热量,沿断裂带及其附近裂隙向上运移,以温泉的形式出露于地表。通过收集分析地热田地热水氢氧同位素测试及1 4C同位素测龄结果,结合本次地质勘查成果及勘查的地质环境,从补给来源、补给高程及水化学年龄等进行分析研究,南流地热田的形成原因主要有以下几个方面。

(1) 南流地热田的形成受断裂构造控制。南流地热田在区域上处于四条构造断裂带(F1'、F 2'、 F3'、F 4')交汇处,主要的控热断裂带(F 2')对地热田的形成和发展起到一定的控制作用,从揭露的钻孔及出露的温泉位置关系,充分说明了断裂带对地热田的控制。

(2) 地下水经深部地下循环加热。南流地热田两侧均为山区,地热水补给高程约800m~830m,大气降水在重力作用下沿岩石裂隙、节理及断裂带入渗和赋存,在深部地下循环过程中,接受地温加热, 其热源主要来自自然梯度增温和浆活动带来的热能,地下水在深部循环径流的过程中将这些热能吸收富集于水中形成热矿水,远源补给南流地热田,其循环径流深度约2242m~2921m。其热传递形式有热对流和热传导两种,其中热对流主要为传热介质地下水在储热、导热断裂破碎带内传递热能,如DR1井因位于主控断裂带上,井深200m范围内其温度波动没受多大影响,井口水温较高,为地热水的对流; 热传导主要通过岩石的导热性能来传递热能,受储热岩石及传热构造裂隙通道的影响,如ZK2井因远离了主控热断裂,其温度虽然整体地温梯度异常,但没有热矿水的直接补给,仅为岩石热传递,井口水温较低。

(3) 径流区具有良好的隔热保护层。地下水沿断裂带深部径流、运移并接受地温加热过程中,其径流区具有厚度较大的花岗岩及其风化残积土隔热保护层,地下水在径流过程中经深部加热而不散热; 高温的地下水在径流到地质环境条件适宜的深度后,在长期侵蚀和热蚀水化学作用下,地热水的排泄通道得以拓展和贯通,从而形成一定规模的热水储存空间。

(4) 地热田区具备赋存地热水的有利条件。南流地热田地势相对周边低洼,属于山间河谷地形,地热田热储埋藏于F1'、F 2'、F 3'及F 4'断裂破碎带中,沿断裂构造部位,岩石破碎,节理裂隙发育,这些空隙通道为地下热水形成提供了良好的储存和运移条件。南流河水不断侵蚀切割基底岩石,为温泉的产生和地热异常提供有利的地形条件,当切割至断裂导水带时,地热水也在水头压力作用下流出地表。

综上,南流地热田地处丘陵地区,大气降水入渗补给深大断裂构造并向深部运移,在运移的过程中接受地温加热,形成热水,并在2242m~2921m时,水温达103.01℃~126.78℃,后经由F13、F3'及F 4' 断裂运移至F2'主控断裂中,并通过F 2'与F 3'断裂交会破碎带处向上运移形成温泉溢出地表。 3地热资源计算评价及开发利用与保护本次在南流地热田施工地热勘查孔(井)4个,成井3个,3个热水井统一编号R1、R2、R4。本次试验前后及抽试验过程中,往次施工的2口热水井一直关闭,没有抽水,故可以本次降压试验资料为基础,根据涌水量方程式(经验公式)推算本地热田的可开采量。

为了确定各开采井设计(最大)降深和统一管径的可开采储量,本次根据降压试验资料及各试验曲线类型,采用相应的公式计算。其中,R2、R4号热水井只做一个落程的降压试验,只能采用直线型公式推算设计(最大)降深的涌水量;R1号热水井进行了2个落程的降压试验,根据抽水试验资料绘制Q=f(x)曲线及曲线类型判别式判别,其曲线类型为指数型,根据管井涌水量经验公式的指数型方程式推算设计(最大)降深的涌水量。计算公式:

(1) 曲线类型判别式:m=(lgS2-lgS 1)/(lgQ 2 -lgQ1); (2)钻孔(井)涌水量计算经验公式:直线型方程:Q=q·S;指数型方程:Q=n·S1 /m;经验系数关系式:lgn=lgQ1-1/mlgS 1;管径水量换算式:η=(1+r/r 1)/2 式中:Q、Q1、Q 2分别为管井设计(最大)降深涌水量、降压试验第一、第二落程的涌水量(m3/d); S、S1、S 2分别为管井设计降深、降压试验第一、第二落程降深(m);n为经验系数;sm为降深—水量关系数;η为管径—水量换算系数;r、r1分别为设计开采井内径和实际抽水井内径(直径)(mm)。

根据上述计算公式及相关参数,利用涌水量方程式(经验公式)推算南流地热田地热流体可开采量为6462.76m3/d,如表1所示。

南流地热田属于深大断裂引起的带状地热田,地热井孔口水温34.0℃~52.0℃,最高56.0℃;地热井成井深度200m~400m,成井深度小于1000m,为最经济的地热井的成井深度;地热井地热流体单位产量大于50m3/d.m,为地热资源的适宜开采区;地热流体中偏硅酸和氟含量均较高,达到了理疗热矿水水质标准,可用于理疗洗浴等。热矿水的成因决定了其具有一定矿化度和多组分的特点,地热流体的长期排放,可能会诱发一些环境问题。南流地热田热矿水中pH值8.6~9.56,水温43.3℃~56.0℃, 氟化物含量5.5mg/L~8.17mg/L,地热田在开发利用中可能产生高氟、土壤板结等环境问题。

4结语

琼中县地热资源隐伏于燕山期侏罗纪中世二长花岗岩中;热储盖层主要为第四系全新统河流冲洪积层、花岗岩风化残积层及表层强风化花岗岩,热储盖层岩性以粗砾砂、含砂粉质粘土及强风化花岗岩等为主,热储盖层厚度8.35m~23.95m;地热田具有埋藏较浅、热储厚度大,富水性较好,水量较丰富的特点。地热流体水化学类型主要为HCO3-Na型;pH值8.6~9.34,为弱碱性水;矿化度259mg/L~273mg/L,F含量5.80mg/L~8.17mg/L,H2SiO 3含量高达66.70mg/L~107.00mg/L,为氟水-硅水。同时含有Sr、Li等多种有益于人体健康的微量元素和组分。其中,控制的地热流体可开采量为4356.29m3/d(159.00万m 3/a)。

建议在地热田开发利用的过程中,应科学确定地热井的开采布局和开采方式,严格控制开采量,防止水质恶化与资源枯竭;同时,建立完善地热流体排放管网和处理措施,做好地热流体排放的处理工作,确保废地热流体达标排放,防止污染环境。