山东省碣石山地热区块地热地质特征与资源量评价

0 引言

地热资源是一种清洁和可再生能源,具有可循环、无污染、可直接利用等优点,已成为全球能源领域的研究热点。我国作为地热资源大国,开展地热资源评价及开发,逐步减少对煤炭、石油等化石燃料的依赖,是实现“双碳”目标,向发展清洁、绿色、低碳能源转型的重要方式。

山东省地热热储类型多、分布广,地热资源储量丰富,开采条件好,是我国的地热资源大省,全省 1 6地市均已成功钻获地热井,发现了大中型地热田。刘咏明等以地质背景条件、控热构造、地热地质条件等为依据,将山东省地热资源划分为鲁东隆起地热区、沂沭断裂带地热区、鲁西隆起地热区和鲁西北地热区4个大的地热区,康凤新等则从热储类型、开放程度、热源水源及其运移和可更新能力等方面论述了4个地热区的地热资源赋存规律及富集机制。丁朋朋等采用资料收集和实验测试相结合的方法对鲁西北平原砂岩热储层、地温场、水化学和水位动态变化特征进行了研究,获得了该地区的地热地质特征和成因模式。前人的研究提供了一定的基础资料,但多侧重于鲁西北地热资源特征的整体描述,对以地热田为单元的地热地质特征及资源量评价未作深入分析。碣石山地区位于鲁西北地热区,第四系咸水覆盖、断裂构造复杂,具有地热成矿地质条件好,资源分布广,储量大,易开采的特征,具备良好的勘探开发前景。

地下热水不仅能满足人们对能源的需求,还具有洗浴、疗养、养殖、采暖、农业温室种植等方面的功效,具有较显著的生态效益和经济效益。碣石山所处的无棣县碣石山镇具有十分丰富的矿产资源、渔业资源和旅游资源,且有多处村民集中居住小区,在该区块开展地热资源开发利用工作,对促进当地旅游事业,带动当地经济发展,助力乡村振兴有着重要意义。

本文以无棣县碣石山地热区块为研究对象,通过资料收集、地热地质调查、物探勘查等手段,查明了研究区的地热地质条件和地层结构、热储盖层和热储层岩性、埋深、空间分布规律及地热水的赋存条件,建立了热储概念模型,分区计算了新近纪馆陶组和古近纪东营组热储层的地热资源量和地热水可采量,为无棣县碣石山地区的地热资源开发利用、地热资源规划管理提供依据。

1 区域地质背景

碣石山地区位于黄河泛滥冲积平原,地貌以滨海海积平原为主,地形平坦开阔略有起伏,自西南向东北倾斜。行政区划属滨州市无棣县,年平均气温 1 2℃左右,四季分明,属北温带大陆性半干旱半湿润季风气候区。降水量年内分配不均,年平均降水量为6 7 6.8 mm,年蒸发量是年降水量的1.90倍,区内淡水资源匮乏,黄河水是最主要的淡水资源。

碣石山地热区块在大地构造单元上位于济阳坳陷区的东北端,车镇凹陷北部与埕子口凸起的交会地带(图1)。埕子口断裂横穿研究区南部,为埕子口凸起与车镇凹陷的分界断裂。埕子口断裂北侧为断层下盘,受构造抬升剥蚀,导致古近纪东营组地层缺失,新近纪馆陶组部分剥蚀,下古生界发育完整, 即新近系与新太古代泰山岩群直接接触;断裂南侧为断层上盘,接收沉积,新近纪馆陶组和古近纪东营组发育完整。

研究区地层结构简单,自下而上依次为新太古代泰山岩群(黑云斜长片麻岩、角闪片麻岩),新生界古近纪孔店组(红色泥岩、砂砾岩)、沙河街组(细砂岩、灰绿色泥岩)、东营组(砂岩、泥岩交互沉积),新近纪馆陶组(砾状砂岩、细砂岩)、明化镇组(泥岩、砂质泥岩),及第四纪平原组(砂质黏土、粉砂质黏土)。 其中,明化镇组、馆陶组、东营组沉积层与热储关系密切。

2 地热地质特征

2.1 源、运、储、盖特征

研究区地处鲁北地区,其在地质构造上是在太古界及古生界基底上发育起来的中、新生代断陷盆地。受差异性升降运动的影响,沉积了巨厚的中、新生代陆相碎屑岩沉积层。地热水主要富集在古、新近系层状砂岩的孔隙裂隙和古生界石灰岩的岩溶裂隙内。

(1)源:区内JS1地热井的测温资料表明,地热水的温度小于90℃,属于低温地热资源中的温热水型地热资源。按地热资源的形成条件,区内地热资源属于传导型地热资源。研究区的主要热源来自上地幔传导热流和地壳深部的传导热流,热储层中地下水在缓慢侧向径流过程中,接受下部大地热流而增温,通过埕子口断裂向上传导,亦形成对流型热源。

(2)运:埕子口断裂为大山潜凹陷和埕子口凸起构造单元的划分边界。该断裂具有深切割、多期长期活动的特征,其深切特性为深部流体提供了良好的垂向输导通道;断裂的长期活动驱动并加剧了深部地下水循环,在深部高温环境下形成有效的热对流系统,从而使该断裂成为区域内主要的导水、导热构造。

(3)储:研究区内古近纪东营组上部为灰绿、灰白色砂岩、细砂岩及泥岩;中部为棕红色泥岩、细砾岩;下部为灰白、灰绿色细砾岩、细砂及泥岩。顶板埋深为1 1 2 7~1 430 m,厚度在1 2~707 m之间,地层沉积厚度呈由西往东增大的趋势,顶板埋深表现为由北往南逐渐增大。新近纪馆陶组上部为灰白色砾状砂岩、细砂岩、灰绿色细砂岩和棕红色泥岩的交互沉积,底部为含石英、黑色燧石的砾状砂岩、砂砾岩。顶板埋深为7 1 2~1 001 m,厚度在301~807 m 之间,厚度呈现由西往东增大的趋势,顶板埋深表现为由北往南增大的趋势。新近纪馆陶组与古近纪东营组为本研究的主要目的层,二者均为碎屑岩孔隙含水岩组,具有较好的地热基本条件,砂层厚度较厚,水量较大,是区内较为理想的层状热储,也是最具开发价值的热储层。

(4)盖:新近纪明化镇组在区内分布稳定,顶板埋深为140~302 m,沉积厚度为528~807 m,其岩性多为泥岩,结构致密,富水性差,岩石热导率低,隔热性能良好,加之埋藏浅,温度低,可将其和第四纪平原组视为下伏热储层的保温盖层,为该区地热成藏提供了良好的盖层条件。

2.2 地温场特征

根据《地热资源地质勘查规范》及区域地质资料,砂岩的热导率(K)为2.596 W/(m·℃),泥岩的热导率为1.71 W/(m·℃),区内馆陶组与东营组地层砂岩厚度占地层厚度的56%左右,据此推算,馆陶组与东营组地层的平均热导率为2.20 W/(m·℃)[1 8]。 以区内现有地热井(JS1井)综合物探测井中的温度测井资料所计算的馆陶组与东营组平均地温梯度为参数,得到馆陶组与东营组大地热流值平均值为1.45 HFU(1 HFU=41.868 mW/m2)[1 9]。由区内钻孔测温和恒温带地温资料计算结果可知,平面上,研究区地温梯度范围为3.31~3.39℃/100m,由南向北逐渐增大(图2),全区均呈现较明显的地热异常;纵向上,地温梯度随深度的增加逐渐降低,受地层岩性影响较大,馆陶组、东营组地层地温梯度分别为 3.57℃/100 m和3.32℃/100 m。

3 地热资源计算与评价

3.1 热储概念模型

在对研究区源、运、储、盖特征及地温场特征进行综合分析的基础上,借鉴前人地热资源评价的方法,将区内形态复杂、分布不规则的地质体简化为理想化的几何模型,构建了包含热储盖层、热储层及热储底板等元素的热储概念模型(图3)。

(1)将第四系松散沉积物及新近纪明化镇组的砂、泥岩互层序列统视为热储盖层。

(2)将新近纪馆陶组和古近纪东营组的砂砾岩层概化为一个均质、各向同性,且在水平方向上连续展布的热储层,位于埕子口断裂北侧的新近纪馆陶组砂岩层与下伏热储底板直接接触。

(3)埕子口断裂南北两侧的热储底板均由新太古代泰山岩群的变质岩系构成。

(4)地壳深部的传导热流是地下热水的主要热量来源,也存在沿埕子口断裂形成的对流型热源。

图2 研究区地温梯度等值线图

图3 研究区热储概念模型图

3.2 分区及主要参数

根据研究区的地热地质特征及砂岩热储层发育层位,在热储资源计算中可将其划分为2个区域。

Ⅰ区位于埕子口断裂南侧,地层沉积相对连续稳定,热储层主要包括新近纪馆陶组与古近纪东营组的砂岩层,热储面积为0.3 1 5 km2。

Ⅱ区位于埕子口断裂北侧,受断裂活动影响,地层遭受强烈剥蚀,古近纪东营组基本缺失,热储层仅由残留的新近纪馆陶组砂岩构成,热储面积为 3.1 85 km2。

3.3 地热资源开发利用展望

研究区地热水主要蕴藏在砂岩中,但在泥质岩 (泥质砂岩)中,也有少量的水和热能存在,本次计算未考虑泥岩中的热量和水量,仅对砂岩进行计算。本研究只针对新近系馆陶组和古近系东营组2个2 000 m以浅含水层段进行计算,均为经济型地热资源。区内地热水径流缓慢,计算时未考虑热水的外来补给量。

本区总体上是以热传导为主的大地热流作用机制下形成的温热水型地热资源。热储类型主要为新近系馆陶组与古近系东营组的砂岩热储,构成热储的源、运、储、盖结构完整。

埕子口断裂以南(Ⅰ区)主要热储层为新近系馆陶组与古近系东营组砂岩层,热储层厚度大,地热资源总量为1.024×101 6J,折合标准煤为3.50×105t, 地热水可开采资源量为1 900.93 m3/d;埕子口断裂以北(Ⅱ区)受断层抬升影响,地层遭受严重剥蚀,东营组缺失,砂岩层厚度薄,但面积较大,地热资源总量为1.5 7 5×101 6J,折合标准煤为5.38×105t,地热水可采资源量为4 1 3 1.2 5 m3/d。

全区热储的总产能可达9.93 9 MW,按每年冬季供暖1 20 d开采计算,研究区地热流体年开采累计可利用的热能量为1.7 1 7×108MJ,折合标准煤 5 85 9.83 t。

本区赋存的低温地热资源(温度<90℃)具有广阔的开发前景,为实现其经济与社会价值最大化, 并推动资源的可持续利用,可从以下方面系统规划其开发利用路径,并开展后续研究。

(1)大力推进地热清洁供暖,替代传统燃煤方式,借鉴“取热不取水”或“取热不耗水”等技术, 确保资源开发与环境保护相协调。

(2)若地热流体水质符合医疗热矿水标准(如富含锂、氟、偏硅酸等有益组分),可积极发展温泉康养、旅游休闲等产业。

(3)拓展农业领域应用范围,用于温室种植与水产养殖,并通过“一次取水,梯级利用”的模式[2 6],显著提升热能利用效率和项目经济性。为确保资源的长期可持续利用,后续工作应聚焦于地热流体质量的精准评价,并建立严格的资源保护与动态监测体系,定期监测水位、水温、水量变化,评估开采对地质环境的影响,为资源的科学规划与长效管理提供关键依据。

4 结论

(1)通过对碣石山地热区块的自然概况、地层岩性、地质构造及地热地质条件进行收集和总结,系统分析了地层岩性分布特征、构造分布、热储特征及地温的分布特征及规律,构建了研究区的热储概念模型。研究区内馆陶组与东营组热储地热资源丰富, 构成热储的源、运、储、盖结构完整,属于传导型地热资源,热储类型为砂岩热储。

(2)利用热储法计算得到研究区内馆陶组和东营组热储中地热资源总量为2.599×101 6J,折合标准煤 8.88×105t;可利用地热资源总量为6.496×101 5J,折合标准煤为2.22×105t。区内馆陶组及东营组热储的产能为9.939 MW。按照每年冬季供暖季120 d开采计算,得到地热流体年开采累计可利用的热能量为 1.71 7×108MJ,折合标准煤5 859.83 t。