北京小湯山地?zé)崽锏責(zé)豳Y源量及地?zé)崴畠?chǔ)存量計(jì)算與評(píng)價(jià)

何鐵柱

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100037）

0 引言

北京市是世界上幾個(gè)為數(shù)不多的擁有地?zé)豳Y源的首都之一。在北京地?zé)崽镏?，尤以小湯山地?zé)崽镩_(kāi)發(fā)歷史最悠久，其研究程度也較高（圖1）。清朝的《人海記》對(duì)小湯山溫泉作了記載，書(shū)中曰：“在昌平州東卅里南，山下有湯泉，行宮在山之東，跨泉為浴池”?！度障屡f聞考》曰：“湯山泉康熙五年始加疏引，甃池二，并恭建行宮”。小湯山地?zé)崽镂挥诒本┢皆臇|北部，其地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)由最初為宮廷洗浴的自流湯泉點(diǎn)，到今日近200km2的地?zé)崽?，?jīng)歷了一場(chǎng)人類認(rèn)識(shí)自然、利用自然和改造自然的科學(xué)過(guò)程。

1 熱田開(kāi)發(fā)歷史

最早的記載見(jiàn)于南北朝時(shí)魏人酈道元便在《水經(jīng)注》，元代更把小湯山溫泉稱為“圣湯”，清朝時(shí)康熙、乾隆皇帝在小湯山修建了行宮，并御筆題詞“九華兮秀”。慈禧太后浴池遺址至今猶存。1956年，在蘇聯(lián)專家的指導(dǎo)下圈定了不足1km2的溫度較高的中心區(qū)及6km2的溫度較低的外圍區(qū)。1970年，李四光倡導(dǎo)地?zé)衢_(kāi)發(fā)，“將地?zé)岚验_(kāi)采熱水與采煤、石油放在同等地位”。1985年《北京市小湯山地?zé)崽锏叵聼崴Y源評(píng)價(jià)勘察報(bào)告》，把熱田面積擴(kuò)大到20km2。1998年《北京市小湯山地?zé)崽锏責(zé)豳Y源評(píng)價(jià)報(bào)告》，地?zé)崽锩娣e增至44.14km2。到了2000年以后，由于大量地產(chǎn)資本的注入，小湯山地?zé)崽镞M(jìn)入了快速發(fā)展期，到2005年，地?zé)峋倲?shù)近100眼，年開(kāi)采量超過(guò)350萬(wàn)m3，圈定的熱田總面積為170.82 km2。時(shí)至今日，小湯山地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)涵蓋醫(yī)療、洗浴、養(yǎng)殖、種植等多方面，有力帶動(dòng)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

圖1 北京地區(qū)地?zé)崽锓植紙D

2 地?zé)岬刭|(zhì)概況

小湯山熱田西部以北西向的南口—孫河斷裂為界，西北以阿蘇衛(wèi)—小湯山阻水?dāng)嗔褳榻?，東北以黃莊—高麗營(yíng)斷裂為界，南部區(qū)域以埋深小于2000m溫度大于40℃的范圍為界，形成了一個(gè)“V”形展布的形狀，熱田總面積約86.5 km2。小湯山地?zé)崽锏臒醿?chǔ)蓋層主要由第四系和薊縣系上部地層組成。熱儲(chǔ)層主要由元古界霧迷山組和薊縣系鐵嶺組構(gòu)成，儲(chǔ)層埋深一般小于500m，在小湯山鎮(zhèn)西北側(cè)的大湯山、小湯山有薊縣系地層出露，東南側(cè)儲(chǔ)層深度逐漸增加，在大東流地區(qū)的湯熱-54井見(jiàn)薊縣系深度為2971m，儲(chǔ)層溫度達(dá)到80℃以上。

小湯山地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造格局表現(xiàn)為一系列平行斷裂為邊界定，相間排列的凹陷及隆起，整體構(gòu)造展布方向?yàn)镾W—NE向。這些斷裂與構(gòu)造走向一致，控制了區(qū)域地質(zhì)特征，在熱田的北部發(fā)育的3條SN或近SN向的小斷裂均具有導(dǎo)水導(dǎo)熱性質(zhì)，構(gòu)成了重要的地下水通道，也是主要的熱通道（圖2）。

熱田的地溫場(chǎng)以1000m深出的地層等溫線進(jìn)行說(shuō)明，共有兩個(gè)地溫高值區(qū)，西北區(qū)最高地溫為55℃，東南區(qū)的高溫區(qū)則為60℃。西北區(qū)55℃以小湯山鎮(zhèn)為中心圈定，面積約為2 km2東南區(qū)以湯7、湯11、湯22井的范圍圈定，面積約3 km2。從垂向上來(lái)講，小湯山地?zé)崽镏行膮^(qū)的地溫增溫率達(dá)到了于2.5℃/100m。

多年研究表明，小湯山地?zé)崽镅a(bǔ)給來(lái)源來(lái)自北部、西北部山區(qū)降水，越往南往東南，熱田地?zé)崴哪挲g越大。地?zé)崴乃|(zhì)類型多為HCO3-Na?Ca型水。

圖2 小湯山地?zé)崽锘鶐r地質(zhì)構(gòu)造圖

3 評(píng)價(jià)方法及參數(shù)

熱儲(chǔ)資源量計(jì)算是地?zé)峥沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)。當(dāng)?shù)責(zé)衢_(kāi)采量超過(guò)允許開(kāi)采量,會(huì)造成地?zé)崴^急劇降低、熱儲(chǔ)的生產(chǎn)能力下降等問(wèn)題。因此,進(jìn)行可開(kāi)采地?zé)豳Y源評(píng)價(jià),對(duì)于指導(dǎo)區(qū)域地?zé)衢L(zhǎng)期開(kāi)采是十分重要的。地?zé)崽锏脑u(píng)價(jià)方法變焦多，通常采用的有熱儲(chǔ)法、開(kāi)采動(dòng)態(tài)法和比擬法。

本次評(píng)價(jià)擬采用比較成熟的，被廣泛采用的熱儲(chǔ)法，將熱田劃分為兩個(gè)分區(qū)，分別為湯-1和湯-2。參數(shù)的取值主要有：

（1）熱儲(chǔ)的體積：薊縣系儲(chǔ)層的厚度按2650m計(jì)算，奧陶系地層的厚度按750m計(jì)算，并按3000m以淺和3000～4000m的深度進(jìn)行劃分。

（2）熱儲(chǔ)溫度：根據(jù)《北京市21世紀(jì)初期地?zé)豳Y源可持續(xù)利用規(guī)劃》得出的北京地區(qū)熱儲(chǔ)層地溫梯度經(jīng)驗(yàn)值，薊縣系鐵嶺組為1℃/100m，薊縣系霧迷山組為1.2℃/100m，奧陶系為0.8℃/100m。

（3）孔裂隙率：儲(chǔ)層孔裂隙率可由鉆孔取芯通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得，也可利用地?zé)峋删螳@得的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層孔裂隙率的計(jì)算，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中:φ：孔裂隙率，%；B：液體的體積系數(shù)；μ：液體的粘度，CP(1CP=1mPa?s)；H：熱儲(chǔ)層的有效厚度，m；R：試驗(yàn)井的影響半徑，m；R：試驗(yàn)井的半徑，m；Kc：產(chǎn)量指數(shù)

另外需要指出的是，儲(chǔ)層有效厚度H為熱水井的實(shí)際出水井段厚度，H值可用綜合測(cè)井資料結(jié)合鉆井時(shí)鉆井液漏失情況及巖屑資料來(lái)確定。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，有效厚度約為揭示儲(chǔ)層厚度的15%。在本次孔裂隙率計(jì)算過(guò)程中，儲(chǔ)層有效厚度均按揭露儲(chǔ)層厚度的15%確定，小湯山地?zé)崽锏湫豌@孔的參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

4 資源量計(jì)算

資源量可分為基礎(chǔ)資源量和地?zé)豳Y源量。以下分別進(jìn)行計(jì)算。

表1 小湯山地?zé)崽锏湫偷責(zé)峥讌?shù)統(tǒng)計(jì)表

4.1 基礎(chǔ)資源量

基礎(chǔ)資源量又稱為資源底數(shù)，是指某一深度以淺（本報(bào)告按4000m以淺）中能被開(kāi)發(fā)出來(lái)的熱量。即儲(chǔ)層內(nèi)平均溫度與當(dāng)?shù)啬昶骄鶝鏊疁囟龋ㄈ?4℃）之差計(jì)算出來(lái)的資源量。

資源量常用熱儲(chǔ)法計(jì)算，它是依據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)工作中提供的熱儲(chǔ)形狀及體積作基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的，因此也稱為體積法。它的計(jì)算公式如下：

式中：R：熱量，kcal；V：儲(chǔ)層體積，m3；ρc 、ρw：分別為儲(chǔ)層巖石和水的密度，g/cm3；Cc、Cw：分別為儲(chǔ)層巖石和水的比熱，cal/g?℃；φ：巖石的孔裂隙率，無(wú)因次；T：儲(chǔ)層平均溫度℃；T：基準(zhǔn)溫度，℃；η：熱量回收率，取15%。地層條件下水的密度ρw取1.00 g/cm3（與溫度有關(guān)：15℃時(shí)ρw=0.9954 g/cm3；95℃時(shí)ρw=0.9647 g/cm3；兩者相差約3%，若取1.00誤差小于4%）。水的比熱取1.00 cal/g?℃，石灰石密度ρw取2.788g/cm3，比熱為0.227 cal/g?℃。

該地?zé)崽锘A(chǔ)資源量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2?？偀崃繛?746.03×1012kcal，其中，3000m以淺的熱量為1119.32×1012kcal，3000～4000m深度上為626.71×1012kcal。

表2 小湯山地?zé)崽锘A(chǔ)資源量計(jì)算結(jié)果表

4.2 地?zé)豳Y源量

地?zé)豳Y源量是儲(chǔ)層內(nèi)巖石和水中蘊(yùn)藏的全部可利用的熱量，包括地?zé)崃黧w及其有用部分。依北京市目前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件和相關(guān)法規(guī)，以地?zé)崃黧w溫度大于25℃作為地?zé)豳Y源，開(kāi)采深度在3000m以淺者為經(jīng)濟(jì)型，3000～4000m為亞經(jīng)濟(jì)型，根據(jù)上述公式和參數(shù)，地?zé)豳Y源量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

4.3 地?zé)崴o儲(chǔ)量(儲(chǔ)存量)計(jì)算

地?zé)崴畠?chǔ)存量是指儲(chǔ)存于熱儲(chǔ)層孔裂隙內(nèi)的全部熱水體積，也稱為靜儲(chǔ)量，以熱儲(chǔ)體積與平均孔裂隙率的乘積近似計(jì)算確定。公式為：

表3 小湯山地?zé)崽锏責(zé)豳Y源量計(jì)算結(jié)果表

式中：Vw：儲(chǔ)存熱水的總體積；Vc：儲(chǔ)層的體積；φ ：儲(chǔ)層的孔裂隙率；計(jì)算結(jié)果換算成熱量，其轉(zhuǎn)換公式為：

式中：Qw：地?zé)崴刑N(yùn)藏的總熱量，kcal；Vw：地?zé)崴畠?chǔ)存量，m3；wρ ：水的密度，g/cm3；Cw：水的比熱，cal/g?℃；t：地?zé)崴钠骄鶞囟龋捎脽醿?chǔ)溫度代替），℃；t0：基準(zhǔn)溫度，℃。

計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)濟(jì)型地?zé)崴畠?chǔ)量為16.97×108m3，亞經(jīng)濟(jì)型儲(chǔ)量為8.46×108m3（表4）。

5 結(jié)語(yǔ)

本文將小湯山地?zé)崽锓譃?個(gè)分區(qū)，通過(guò)對(duì)熱田地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)條件的綜合分析，對(duì)熱田內(nèi)典型地?zé)峋畢?shù)的統(tǒng)計(jì)分析，采用熱儲(chǔ)法計(jì)算了熱田內(nèi)的基礎(chǔ)資源量，結(jié)果表明，在小湯山熱田170.82 km2面積上，總基礎(chǔ)資源量1746.03×1012kcal，其中，3000m以淺的1119.32×1012kcal，3000～4000m深度626.71×1012kcal。地?zé)豳Y源計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)濟(jì)性地?zé)豳Y源量817.08×1012kcal，亞經(jīng)濟(jì)性地?zé)豳Y源量472.82×1012kcal。地?zé)崴o儲(chǔ)總量為25.43×108m3，其中3000m以淺的16.97×108m3，3000～4000m深的地?zé)崴o儲(chǔ)量為8.46×108m3，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤總量為25.47×106t。目前小湯山地?zé)崽镆呀?jīng)在10多眼地?zé)峋祥_(kāi)展著回灌，已經(jīng)發(fā)展到生產(chǎn)性回灌的規(guī)模，進(jìn)一步提高了地?zé)崴睦眯?，有效的緩解熱?chǔ)壓力的下降。相信小湯山地?zé)崽镞€會(huì)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]潘小平,增瑞祥,王治等.北京市小湯山地?zé)崽锏責(zé)豳Y源評(píng)價(jià)報(bào)告[R].北京:北京市地質(zhì)工程勘察院,1998.

[2]鄭克棪,潘小平.北京小湯山地?zé)崽锶壕責(zé)峄毓郲C]//中國(guó)地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)100例.北京:地質(zhì)出版社,2005:101～102.

[3]鄭克棪.促進(jìn)地?zé)峥稍偕茉吹目辈殚_(kāi)發(fā)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2006,33(4):扉頁(yè).

[4]中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)社,GB11615-89.地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1990.

[5]增瑞祥,王 治,張進(jìn)平等.北京小湯山地?zé)崽锼慌c開(kāi)采量變化關(guān)系研究[A].見(jiàn):劉久榮等主編:北京地?zé)釃?guó)際研討會(huì)論文集.北京:地質(zhì)出版社.2002.228～232.

[6]潘小平.2000.地?zé)釡貥?biāo)在北京小湯山地?zé)崽锏膽?yīng)用[A].見(jiàn):中國(guó)礦業(yè)聯(lián)合會(huì)地?zé)衢_(kāi)發(fā)管理專業(yè)委員會(huì)編.21世紀(jì)中國(guó)地?zé)峥沙掷m(xù)發(fā)展論文集.111～116.

[7]孫 穎，劉久榮，韓 征等.北京市地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用狀況[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（16）：7564～7566.