郑州市地热资源类型分布及资源量

0前言

2023年10月《郑州都市圈发展规划》正式获国家发展改革委复函,为河南省的经济再次崛起提供了新的契机,同时也提出了新的挑战———“如何既满足社会经济发展对资源的巨大需求,又能保障生态安全,应对资源短缺、环境污染等,保护并扩大绿色生态空间”。

本文在前人研究的基础上,通过对大量地质研究成果的搜集梳理,对郑州市地热资源类型、分布及其资源量进行了系统的研究。阐明了郑州市地热系统类型,刻画了郑州市热储平面展布特征,划分了郑州市地热分区,最后分区评价计算了郑州市地热资源量。

1区域构造与地层

郑州市位于华北地台南部边缘黄淮中断坳内, 南部嵩山-新郑一带为嵩箕台隆区嵩箕穹褶断束, 北部为洛阳-开封台陷区,洛阳-开封台陷又可划分为郑州断阶、沁阳台凹、开封台凹、新巩台穹、渑池台凹。郑州市属华北地层大区晋冀鲁豫地层区,具明显的基底和盖层二元结构,基底由太古界-下元古界构成。盖层由中元古界-新生界组成,各时代地层的岩相及厚度稳定,地层序列清楚,地层褶皱微弱,基本未受区域变质。

2地热系统类型

根据地质环境、热储能量传递方式,郑州市地热类型可划分为2种:断裂对流型地热系统和盆地热传导型地热系统。

2.1断裂对流型地热系统

主要分布于嵩箕台隆地区,主要有嵩山背斜北翼荥巩煤田区、新密向斜新密—新郑煤田区两大断裂对流型地热系统,分别以郑州西南三李温泉地热田和新郑市区西部新郑矿区地热田为代表。

三李地热田位于嵩山复背斜东倾末端东北翼, 嵩山复背斜东段轴部出露地层为寒武系-奥陶系碳酸盐岩,岩溶发育,接受地下水入渗补给,形成岩溶地下水,顺着地层倾斜向下运移,运移过程中受到深部地层加热。受到北部贾峪断裂阻挡之后,在地形高差造成的水压作用下,岩溶水被迫沿着三李断层向上运移,出露地表形成温泉和地热异常区。

新郑矿区地热田位于嵩箕台隆区东端没入平原部分,新密向斜南翼东段,在新密超化以西地区寒武系-石炭系碳酸盐岩出露地表,岩溶裂隙发育,接受大气降水入渗,形成岩溶裂隙水的补给区。受构造和地层岩性控制,岩溶裂隙水沿着下古生界碳酸盐岩含水层自西向东向新郑矿区一带径流,随着含水层埋深增大,岩溶裂隙水不断吸收岩层中的热能而增温。曲梁断裂以东新郑矿区东侧由于受岗李断层、大隗断层、鸡冠山断层阻水,不能侧向径流,而向上通过背斜轴部断裂裂隙和缺失形成下古生界与新生界之间的天窗,向上部新生界含水层排泄,形成新郑矿区地热田。

2.2盆地热传导型地热系统

盆地热传导型地热系统主要分布于嵩箕台隆以北的其他地区。根据目前钻探和开发利用情况,可以分为新近系弱固结砂岩泥岩热储层(东部又可分为明化镇组热储、馆陶组热储)、古近系砂岩泥岩热储层、二叠系-三叠系砂岩热储层、寒武系-石炭系碳酸盐岩热储层。其热能主要来自于自下而上的深部热传导,除局部受断裂影响外,大部分地区地温为正常的梯度增温。郑州一带恒温带深度为 27 m,恒温带温度为17℃。新生界地温梯度在开封台凹略小于3.0℃/(100 m),约2.96℃/(100 m);在郑州断阶为3.0~3.5℃/(100 m),自山前向平原区逐渐减小;郑州市区地温梯度偏低,平均约2.8℃/(100 m)。新郑北侧地温梯度约3.5℃/(100 m)。

3热储层分布及特征

3.1沉积盆地地区

郑州市沉积盆地地区热储层主要划分为4层: 新近系明化镇组热储层、新近系馆陶组热储层、古近系热储层、寒武系-石炭系岩溶热储层。

(1)新近系明化镇组热储层由新近系明化镇组(N2m)承压含水层组成,分布于郑州断阶、开封台凹、渑池台凹(巩义回郭镇一带)地区。顶板埋深 300~350 m。底板埋深在渑池台凹(巩义回郭镇一带)一般为500~1 000 m;在郑州断阶、开封台凹一带,自西南向东北逐渐加深,西南地区500~700 m, 东北部埋深约800 m。该储层大部分地区地热井地热流体单位产量大于50 m3/(d·m),为产流能力强区, 水温一般为25℃~40℃,为温水储层。

(2)新近系馆陶组热储层由新近系馆陶组 (N1g)承压含水层组成,主要分布于京广铁路以东、 陇海铁路以北范围内,其分布主要受老鸦陈断层和须水断层东段控制。其顶板埋深大于800 m,底板埋深自西南郑州断阶向东北中牟凹陷逐渐加深,西南深度800 m,东北以中牟万滩一带底板埋深最大,达到2 800 m。本储层温度一般大于40℃。在中牟凹陷底板埋深最大处(中牟万滩一带,深达2 800 m左右),根据地温梯度计算,其水温可超过90℃。因此本储层自浅向深,从温热水储层转为热水储层,中牟凹陷区深部可达到中温地热资源(温度≥90℃)。

(3)古近系热储层由古近系含水层组成,分布于中牟凹陷区,其顶板埋深1 500~2 800 m,底板埋深2 000~4 000 m,在中牟万滩-东漳一带大于4 000 m。 热储层储水介质为半胶结的砂、泥岩。该储层在本区无钻孔揭露。

(4)寒武系-石炭系热储层由石炭系上统太原组(C3t)灰岩含水层、奥陶系、寒武系灰岩、白云岩含水层以及碎屑岩含水层组成,上下层水力联系紧密,形成寒武系-石炭系含水层组。全区广为分布, 深埋于二叠系之下,属于层状热储兼具带状热储特征,由于埋深较大,目前郑州市尚未开发。根据岩溶含水层一般规律,推测该热储层具有水温高、富水性强、回灌能力强的特征,但同时也具有岩溶发育程度极不均匀的缺点。

3.2隆起山地地区

严格地说,任何地层岩性都可成为断裂对流型地热系统带状热储,但从富水性和地热开发的角度来看,寒武系-石炭系碳酸盐岩是嵩箕台隆区主要热储,郑州三李、新郑矿区两地对流型地热系统均以寒武系-石炭系碳酸盐岩为主要热储。此外,在荥巩煤田西部大峪沟煤矿等地也形成岩溶地层对流型地热系统。该热储水温多在25℃~48℃,为温水、温热水储层。荥巩煤田2008年所施工地热1井,在深度为1 218~1 400 m的奥陶系灰岩含水层中取得了温度为64℃的热水,说明该区深部热储可达到热水储层。

4地热分区

根据主要地热系统类型将郑州市划分为构造隆起断裂对流型地热系统(嵩箕台隆地热区)、构造沉陷层状热储传导型地热系统(洛阳-开封台凹地热区)两大分区;在构造沉陷层状热储传导型地热区 (洛阳-开封台凹地热区),结合次级凹陷、凸起构造分区、热储层的平面展布与垂向叠置关系,进行二级分区;在构造隆起断裂对流型地热区(嵩箕台隆地热区),考虑地热流体的形成与运移、储存,结合岩溶水系统划分,进行二级分区。

依据上述地热区划分原则,郑州市地热分区结果,如表1所示。

5地热资源评价 

5.1资源量评价原则

地热资源评价限定为地下热水资源,以具有实际开发利用前景的新近系明化镇组热储层、馆陶组热储层和寒武系-石炭系热储层资源量进行计算评价。

嵩箕台隆地热区断裂对流型地热分布不均、资料较少,仅对三李地热田、新郑矿区地热田资源量进行评价。

5.2地热资源量评价

5.2.1新近系热储层资源量评价

(1)热储概念模型对于新近系砂岩层与泥岩层频繁交互叠置的复杂沉积结构,简化为如下热储概念模型:在平面上为无限伸展的,在垂直剖面上为 1个主要含水砂层,其上、下为相对隔水的泥岩层所组成的3层结构系统。

(2)新近系热储层概念模型热储顶板、底板均为不透水边界;忽略侧向径流量;热储层为弹性可压缩的含水层。

(3)地热资源量计算方法新近系热储热能、地热流体储量以体积法计算。新近系热水资源包括含水层(砂岩)和相对含水层(泥质岩)中两部分。本次评价资源量包括了整个热储层(砂岩、泥质岩)的所包含的地热资源。计算结果如表2所示。 5.2.2寒武系-石炭系层状热储资源量评价

(1)热储概念模型盆地埋藏岩溶热水储层的概念模型包含了2层内容:①储层系数,即储集层占地层厚度之比;②储集层的裂隙孔隙度分布模式。对下古生界储层系数设定0.2,并设定碳酸盐岩岩溶储层的裂隙孔隙度分布由潜山表面向深处衰减,自潜山顶面至其下500 m深范围内为5%, 自该深度以下,衰减1/3,降为3.3%,直至计算热储层底板。

(2)评价方法热储热能、地热流体储量以体积法计算。计算结果如表3所示。 

5.2.3断裂型热储资源量评价

断裂型地热资源形成条件复杂,主要受断裂控制, 热储分布面积、热储厚度不易确定,因此本次仅对三李温泉及新郑煤矿2处地热显热区计算。本次断裂型热储资源量计算采用体积法进行计算。依据体积法,三李、新郑煤矿2处地热显热区的地热资源量计算结果,如表4所示。

6结语

(1)郑州市划分为构造隆起断裂对流型地热系统(嵩箕台隆地热区)、构造沉陷层状热储传导型地热系统(洛阳-开封台凹地热区)两大分区。

(2)洛阳-开封台凹地热区主要热储层有新生界新近系热储层及下古生界碳酸盐岩类热储层。新近系热储层地热产流能力一般为中等-强。嵩箕台隆地热区以碳酸盐岩裂隙带热储为主,地热产流能力强。

(3)嵩箕台隆地热区多处显示断裂对流型地热异常,在三李、新郑矿区形成具有一定面积的地热田。

(4)凹陷区寒武系-石炭系碳酸盐岩热储层温度高、地热流体产量大,且其岩溶裂隙渗透性好,有利于回灌开采,具有较好的地热开发前景。

(5)地热应用中要开展地热流体动态监测工作, 了解地热流体压力、温度以及质与量的动态变化规律,为地热资源开发管理与保护,提供更加充实的监测资料。

(6)本次工作未对郑州市区一带集中开采区采用数值法、统计法等进行资源量计算,今后可以开展此项工作。