通许县中深层地热资源分布规律

地热资源是一种蕴藏在地球内部分布广泛、稳定可靠、储量丰富的可再生能源，它具有分布广、清洁、可直接利用等优点。我国开发利用地热已有两千多年的悠久历史，是世界上利用地热能较早的国家之一。地热能的合理开发利用有利于资源节约型环境优化型社会的构建，对落实碳达峰、碳中和目标具有重要意义。大力推进地热资源勘查开发，提高地热资源利用效率，对于国家调整能源结构、缓解能源供需压力、应对气候变化均有重要作用。通许县地处通许凸起的中西部，新生界( 大部分地区缺失古近系) 热储层直接覆盖于古生代二叠系之上。热储层盖层主要为第四系黏土、粉质黏土、粉土夹细砂、细砂层及砂砾石层，其次为新近系上部黏土、 粉质黏土与粉细砂岩层，总厚度约为 300 m。盖层黏性土厚度大、较稳定、热阻率高，具较强的隔热性能，为良好的保温盖层。热源为来自地球深部的热能，传导方式主要是岩石的热传导，岩体的热量再传输给深埋的地下水，形成地热流体。通许县域内分布有80 余口地热井，成井深度一般为 800 ～ 1 000 m，均开采新近系热储，其用途多以温泉洗浴为主。本次重点研究了通许县地热地质条件、热储结构和热储层特征，对通许县中深层地热资源进行了资源分区和潜力分析。研究成果为通许县地热资源的开发利用提供技术支撑。

1 区域地质条件

1. 1 地层

通许县区域上被新生界覆盖，基底为石炭—二叠系碎屑岩。地层除缺失古生界志留系、泥盆系和 中生界三叠系、侏罗系、白垩系外，其余发育较齐全( 表 1) 。

1. 2 地质构造

通许凸起呈东西向展布于尉氏—通许—商丘一带( 图 1) 。北侧西、东部分别以中牟—民权断裂及新乡—商丘断裂为界与开封凹陷及菏泽凸起为邻，南侧大致以临颍—周口—柘城一线为界与周口凹陷相邻，西至嵩箕山前。通许凸起为嵩箕山脉的东延，地质构造特征与嵩箕山区相似，断裂构造将基底切割成支离破碎的断块状，局部形成新生代小断陷，差异性升降幅度较小。

通许县位于通许凸起的中西部，地层总体倾角较缓，一般在 0° ～ 5°，构造简单。周边对通许县地热地质条件影响较大的断裂有半坡—水坡断裂、朱仙镇断裂、尉氏—扶沟断裂、崔桥断裂。

图 1 区域构造纲要

Fig. 1 Outline of regional structure

( 1) 半坡—水坡断裂( F3 ) 。由半坡南、水坡西北紧邻通许县边界通过，走向 NE，倾向 NW，延伸长度约 40 km，为一正断层。

( 2) 朱仙镇断裂( F4 ) 。由朱仙镇东侧通过，走向 NE，倾向 NW，延伸长度约 32. 5 km，为一正断层。该断层构成通许—睢县地热田的西北部边界。

( 3) 尉氏—扶沟断裂( F5 ) 。由尉氏东经扶沟东至淮阳西，走向 NNW，倾向 SW，倾角84° ～ 86°，延伸长度约 105 km，为一正断层。

( 4) 崔桥断裂( F6 ) 。由崔桥南侧通过，走向近EW，倾向 S，延伸长度约 35 km，为一正断层。该断层构成通许—睢县地热田的南部边界。

2 地热资源特征

2. 1 地热地质条件

( 1) 地热田边界。通许县地处通许—睢县地热田的中西部，总体活动特征表现为断块的隆起作用。 通许县周边无区域性深大断裂，基本不受周边断裂影响，四周均为过水边界，北部、西部为弱补水边界，东部及南部为弱泄水边界。

( 2) 地温场特征。通许县恒温带深度为 12 ～ 18m。本次计算取下限 18 m，温度为 16. 1 ℃。地温梯度一般在 2. 6 ～ 3. 9 ℃ /hm，不同区域存在一定差异。竖岗—大岗李—邸阁一带地温梯度大于 3. 4℃ /hm，四所楼—练成—玉皇庙一带地温梯度大于3. 8 ℃ /hm，通许县城地温梯度在 3. 4 ～ 3. 6 ℃ /hm( 图 2) 。

图 2 通许县地温梯度分布

Fig. 2 Geothermal gradient distribution of Tongxu County

2. 2 热储结构

( 1) 热储层。热储层有新近系( 明化镇组、馆陶组) 、寒武—奥陶系( ∈-O) 。新近系热储具中部及北部厚度大的特点，寒武—奥陶系热储顶板埋深1 750 ～ 2 300 m，由东北向西南逐步变浅。

( 2) 热储结构。通许县 3 000 m 以浅，热储层结构为新近系、寒武—奥陶系双层热储结构。

3 热储层特征

中深层地热资源主要为新近系孔隙热储层和寒武—奥陶系岩溶裂隙热储层。其中新近系孔隙热储 层是地热流体的主要开采层位，储水岩层主要为细砂岩、粉细砂岩，局部为中粒砂岩。隔水层岩性为厚层黏土及粉质黏土、泥岩。地热流体储层 25 ～ 29 层，单层厚度 3. 5 ～55. 0 m，累积总厚平均 300 ～400 m。

( 1) 新近系孔隙热储层。明化镇孔隙热储全区域均有分布，被厚度较大的第四系覆盖。热储顶板 埋深 300 ～ 400 m，底板埋深 900 ～ 1 000 m。地热流体的水化学类 型 以 HCO3-Na 为 主，pH 值 7. 07 ～7. 26，属弱碱性水; 硬度 26. 1 ～ 37. 0 mg /L，属软水; 可溶性总固体 672. 4 ～ 724. 5 mg /L，H2 SiO3 含量 ＞ 25 mg /L。现状开采条件下水位埋深 36. 95 ～ 71. 14 m，单井产量为 25 ～ 90 m3 /( d·m) 。该层地热水处于深循环过渡区。馆陶组热储层顶板埋深 900 ～ 1 000 m，厚度250 ～ 350 m，底板埋深 1 200 ～ 1 350 m。含水介质主要为半胶结细砂岩、中细砂岩。地热流体的水化学类型以 HCO3-Na 和 HCO3·SO2 － 4 -Na 为主，pH 值 7. 01 ～ 7. 35，属弱碱性水; 硬度 28. 3 ～ 263 mg /L，属软水; 可溶性总固体 801. 4 ～ 1 072 mg /L，H2 SiO3 含量 ＞25 mg /L。水位埋深42. 93 ～63. 54 m，井口水温 40～56 ℃。单井产能为15 ～200 m3 /( d·m) 。该层水处于深循环过渡区。

( 2) 寒武—奥陶系岩溶裂隙热储层。奥陶系岩溶裂隙热储层顶板埋深由西北向东南逐渐变浅，在 大岗李—四所楼一线以南顶板埋深小于 2 000 m，其余地段顶板埋深均大于 2 000 m。 寒武—奥陶系热储地热流体的水化学类型以Cl-Na 型为主，pH 值 7. 39 左右，属弱碱性水; 硬度大于 1 000 mg /L，属硬水; 可溶性总固体 6 541 mg /L。 阴离子以 Cl － 为主，阳离子以 Na + 为主。H2 SiO3 含量 35 mg /L，硼酸盐 4. 1 mg /L，锂含量 2. 9 mg /L，锶11. 64 mg /L。该层地热水与外界交换极弱，循环更替缓慢。

3 地热资源潜力分析

3. 1 资源分区

通许县地处同一地质构造背景，无大的断裂构造，地质条件差异不大，依据寒武—奥陶系热储层埋藏深度、热储厚度将通许县划分为 2个区( 图3)。①Ⅰ区:大岗李—四所楼以北区域,奥陶系顶板埋深大于2 000 m。②Ⅱ区:大岗李—四所楼以南区域,奥陶系顶板埋深小于2 000 m。

图3中深层地热资源分区

Fig.3 Zoning of geothermal resources in middle and deep layers

3.2潜力分析

(1)分析方法。根据评价原则及热储概念模型,新近系和寒武—奥陶系地热流体可开采热水资

源评价方法采用水头允许降深法。

(2)计算公式。中深层热储层储存的热水资源包括含水介质(砂岩)和相对隔水层(泥质岩)两部

分,热能量包括热水蕴含热能、岩石所包含热能及热流补给。

3.3井间距论证

3.3.1边界条件

根据新近系热储层地热流体的地热地质特征,赋予合适的初始边界水头值,使模型验证流场符合实测水头等值线。模型顶部主要为第四系黏土、粉质黏土、细砂层及砂砾石层,总厚度约为400 m。盖层黏性土厚度大,隔水性能较好,可视为隔水边界。底部边界为基岩,上下地层水力联系较弱或无水力联系,故将底部边界设为隔水边界。热源主要为深部大地热流,模型的底部受到深层热源传来的热量,顶部向上传递一部分热量。因此将模型的底部边界设为定温度边界,顶部地表划分一层18 m厚且温度为16.1℃的常温层,由温度等值线在QGIS中矢量化后,通过软件自带的插值功能赋值到模型底板。

3.3.2模型分层

三维高程模型。模型共分为第四系上覆层、新近系馆陶组和新近系明化镇组三层,其中新近系馆陶组和新近系明化镇组为本次主要研究热储层。利用收集到的物探成果资料和水文地质资料,将各层等高线在QGIS中矢量化并插值赋到各层底板。最终所建三维模型如图4所示。

(2)网格划分。回灌井和抽水井按照一抽两回的平行方式布置(图5),对回灌井和抽水井所在的点位进行加密处理。

(3)地质参数选取。新近系地层在成岩过程中内外界条件较为稳定,故暂不进行分区刻画,仅将其做单一整体来进行刻画。综合抽水试验资料及相关经验值。

(4)模型的识别与验证。模型识别是地下水数值模拟中极为重要的一项工作,需要对通许县的水文地质参数、边界条件、源汇项等反复调整,使得计算水位与模拟水位拟合。根据本次模拟研究的需要以及收集的资料,以2019年5月—2020年7月为模型综合识别验证期,以2020年7月流场作为模拟流场拟合验证的目标,经过“对照—调参”的参数循环优化模型流场。模拟流场各观测点水位的实测值与模拟值,误差均符合《地下水资源管理模型工作要求》(GB/T 14497—1993)中对水位拟合的要求,所建地下水模型可用于后续模拟研究。本次模拟假设模拟期内地热井温度保持不变,底板采用定温度边界。将模拟温度与收集到的实测资料对比,模拟温度场温度和实测温度差值在±0.5℃以内。

(5)热突破。本次模拟在抽水井温度下降1℃时视为发生热突破。对50、75、100 m3/h三种回灌量,15℃和20℃两种回灌温度,250、350、450 m三种井间距进行模拟。

4结语

本文通过对通许县所处区域地质条件、地热地质条件、热储层结构和热储特征的分析研究。对通许县中深层地热资源进行了分区,并依据《地热资源评价方法及估算规程》(DZ/T0331—2020)计算了不同热储层的地热资源量、回灌条件下可采量,并对不同抽灌井井间距、抽灌量、回灌温度进行了模拟论证。结合通许县地热地质条件,给出了合理的抽灌井井间距,为通许县后续地热资源的开发利用提供了依据。