山東省高青地區(qū)地?zé)豳Y源環(huán)境效益研究

華 斌，王 威，李霄燕

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250014;2.山東高新工程設(shè)計有限公司，山東 濟南 250100)

高青縣隸屬山東省淄博市，地處黃河下游沖積平原，區(qū)內(nèi)地形平坦，平均地面高程12 m左右，是山東省內(nèi)重要的農(nóng)業(yè)縣和產(chǎn)棉區(qū)之一，油區(qū)經(jīng)濟為工業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)。2008年初步勘察發(fā)現(xiàn)城區(qū)一帶地?zé)岬刭|(zhì)背景條件有利，低溫地質(zhì)資源豐富，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景[1]。近些年來，相繼在高青縣開展了多項地?zé)岬刭|(zhì)物探和鉆探工作，本文將詳細(xì)描述高青縣地?zé)岬刭|(zhì)背景，建立該地區(qū)的地?zé)岬刭|(zhì)概念模型，在此基礎(chǔ)上開展地?zé)豳Y源評價和環(huán)境效益評估。

1 地?zé)岬刭|(zhì)背景

研究區(qū)位于華北斷拗次一級構(gòu)造單元濟陽拗陷的南部，齊～廣深大斷裂(F2)以北，包括東營凹陷西南部和高青凸起東部。

1.1 地層

研究區(qū)內(nèi)東營凹陷以太古界、古生界、中生界為基底，其上沉積的新生界地層厚度達(dá)3 000 m以上。高青凸起帶新生界地層沉積厚度為900～1 240 m。

太古界(Ar)巖性主要為花崗片麻巖、角閃巖類及混合花崗巖。下古生界寒武－奧陶系(∈、O)巖性主要為碳酸鹽巖類和碎屑巖。中生界侏羅－白堊系(J、K)巖性為碎屑巖類、火山巖類等。

新生界古近系包括孔店組、沙河街組、東營組?？椎杲M(Ejk)巖性為泥巖夾碳質(zhì)頁巖。沙河街組(Ejs)巖性以灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，是本區(qū)主要的含油地層。東營組(EjD)巖性以淺灰、灰、綠灰色粉砂巖、粉細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，頂界埋深1 000～1 400 m，厚度200～350 m，在高青斷裂以西地區(qū)缺失。

新近系包括館陶組和明化鎮(zhèn)組。館陶組(NhG)巖性以棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，頂界埋深800～1 050 m，高青斷裂以東地區(qū)厚度200～350 m，高青斷裂以西地區(qū)厚度約100～150 m。明化鎮(zhèn)組(NhM)巖性為土黃色、棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖與灰白色砂巖。頂界埋深160～450 m，厚度400～600 m。

新生界(QP)第四系平原組上部巖性為土黃、灰黃色砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土;下部以土黃、灰黃、灰綠、灰褐色粘質(zhì)砂土、砂質(zhì)粘土為主，厚度240～280 m。

1.2 構(gòu)造

高青城區(qū)西側(cè)近北東向的高青斷裂為東營凹陷與青城凸起的分界斷裂，在研究區(qū)內(nèi)延伸長度約7.5 km，傾角50°～60°，落差大于500 m，傾向近南東。它從中生代末期開始活動，早第三紀(jì)活動最為強烈，至晚第三紀(jì)活動強度減弱直至基本停止。高青斷裂控制了區(qū)內(nèi)第三系地層的沉積。

1.3 水文地質(zhì)條件

按埋藏條件、地層巖性等，研究區(qū)含水巖組分為塊狀巖類裂隙含水巖組(Ar)、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組(∈、O)、碎屑巖孔隙、裂隙含水巖組(J、K、E、N)及第四系松散巖類孔隙含水巖組。Ar、∈、O、J、K含水巖組埋藏深、富水性差，孔店組、沙河街組含水巖組為油、氣、水混合層，水質(zhì)差，目前經(jīng)濟技術(shù)條件下具有開發(fā)意義的幾個含水巖組為古近系東營組碎屑巖孔隙裂隙含水巖組，以及新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系平原組松散巖類孔隙含水巖組。

1.4 地溫梯度

研究區(qū)地?zé)嵘w層平面地溫梯度為 2.9～3.5℃ /100m，其變化特征受地質(zhì)構(gòu)造和蓋層厚度等因素的影響，與基巖起伏呈正相關(guān)的關(guān)系[2]。在高青凸起區(qū)，基巖埋藏淺，蓋層薄，蓋層地溫梯度相對較大，而在博興凹陷區(qū)，基巖埋藏深，蓋層厚，蓋層地溫梯度相對較小。

地溫梯度垂向變化主要受巖石熱傳導(dǎo)率控制。第四系與新近系地層結(jié)構(gòu)疏松，熱傳導(dǎo)率小;古近系地層結(jié)構(gòu)較第四系緊密，熱傳導(dǎo)率大于第四系。根據(jù)測溫資料，博興凹陷第四紀(jì)地層地溫梯度為2.6～3.3℃/100m，明化鎮(zhèn)組上部地溫梯度為 2.8～3.6℃ /100m。

坳(凹)陷區(qū)垂向上地溫梯度總的特征是:新生界上部比下部地溫梯度高;以泥巖為主的井段比以砂巖為主的井段地溫梯度高。但由于新生界均為較松散沉積巖類，其垂向地溫梯度差異不甚明顯，其差值一般在1.0℃/100m以下。

2 地?zé)岬刭|(zhì)概念模型

2.1 熱源與水源

本區(qū)熱源主要來自地殼深處及上地幔的傳導(dǎo)熱。根據(jù)物探資料該區(qū)地殼厚度為30～34 km，為莫霍面相對隆起區(qū)，可從地球內(nèi)部向地表傳導(dǎo)相對較高的熱流量，有利于地下水升溫。除來自地殼深處及上地幔的傳導(dǎo)熱外，本區(qū)熱源還有可能來自新生代古近系中廣泛存在著生油、儲油層，石油形成過程中的化學(xué)反應(yīng)熱。

本區(qū)地下熱水的δD－δ18O投影點均位于大氣降水氫氧同位素組成線附近，表明本區(qū)地下熱水主要由大氣降水補給形成。大氣降水在東部魯中山區(qū)入滲，在漫長的地質(zhì)歷史中，沿斷裂帶或巖層的孔隙向深處運移，被圍巖加熱，并與圍巖發(fā)生水－巖反應(yīng)，溶解了大量的微量元素成分[3]。受熱的地下水由于密度差異引起自然對流，加上補給區(qū)水頭差的驅(qū)動，因而得以緩慢地進(jìn)行循環(huán)交替運動，并在熱儲層中保存下來[4]。

2.2 主要熱儲層

依據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)背景，本區(qū)熱儲層主要為新近紀(jì)館陶組和古近紀(jì)東營組熱儲，屬層狀砂巖類裂隙－孔隙型熱儲。

館陶組熱儲在區(qū)內(nèi)廣泛分布，頂板埋深700～800 m，底板埋深900～1 100 m，地層厚度300 m左右，熱儲含水層巖性以粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及含礫砂巖為主，滲透率為0.6 μm2左右，地?zé)崴疁囟葹?2℃ ～52℃，水化學(xué)類型為 SO4—Na型，礦化度5 g/L左右，單井涌水量為20～40 m3/h。

東營組熱儲在區(qū)內(nèi)廣泛分布，為本區(qū)發(fā)育最好的熱儲層，頂板埋深900～1 100 m，底板埋深1 200～1 400 m，地層厚度250～350 m，熱儲含水層巖性以粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖為主，地?zé)崴疁囟?2℃ ～77℃，水化學(xué)類型為 Cl—Na型，礦化度 7.2 ～ 26.7 g/L，單井涌水量為 30 ～ 60 m3/h。[3]

2.3 導(dǎo)水通道

受高青斷裂的影響，館陶組、東營組兩個熱儲層埋藏深度由南向北方向逐漸增大，熱儲層厚度亦有自南向北逐漸變厚的規(guī)律。斷裂溝通了熱儲層與熱源的聯(lián)系，具有一定的導(dǎo)熱和導(dǎo)水作用，地下熱水及熱量在斷裂處易集中，使水溫增高。

2.4 熱儲蓋層

本區(qū)熱儲蓋層以第四系和新近系黃驊群明化鎮(zhèn)組為主，由多層粘性土、砂性土、砂層、泥巖及砂巖組成，熱導(dǎo)率低，粘性土和泥巖單層厚度大，一般為數(shù)米至數(shù)十米，是良好的隔水層和保溫層，使熱能得以保存和儲集。蓋層總厚度在凸起部位和凹陷邊緣地帶相對較小，為600～900 m;在凹陷區(qū)內(nèi)部總厚度較大，為 900 ～1 300 m[9]。

3 地?zé)豳Y源量評價

區(qū)內(nèi)館陶組地層以高青斷裂為界，東厚西薄，且高青凸起區(qū)的館陶組地層中含水砂層少，此外，東營組熱儲主要分布在高青斷裂以東地區(qū)，故高青地區(qū)地?zé)豳Y源評價對象為高青斷裂以東范圍內(nèi)的館陶組和東營組熱儲層。

3.1 地?zé)豳Y源量評價

本區(qū)熱儲為層狀熱儲，參照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615－2010)，用熱儲法開展地?zé)豳Y源評價。

3.1.1 熱儲面積

高青縣全縣面積831 km2，在高青斷裂以東范圍的面積為548.9 km2，館陶組和東營組的熱儲面積定為548.9 km2。

3.1.2 熱儲含水層厚度

區(qū)內(nèi)6眼地?zé)峋?，把粉砂巖、細(xì)砂巖及中砂巖巖層中孔隙度大于20%的巖層均看作熱儲含水層，館陶組熱儲平均厚度為35.7 m，東營組熱儲平均厚度為191.4 m。

3.1.3 孔隙度及彈性釋水系數(shù)

根據(jù)測井資料館陶組熱儲層加權(quán)平均孔隙度為28%，東營組熱儲層加權(quán)平均孔隙度取26%。彈性釋水系數(shù):根據(jù)前人工作經(jīng)驗，彈性釋水系數(shù)均選為S=2×10－4。

3.1.4 熱儲層中熱水的水頭壓力

館陶組熱儲平均埋深850 m，本次估算取850 m。2014年供暖季結(jié)束后，區(qū)內(nèi)東營組地?zé)峋骄宦裆钤?～12 m左右，本次估算取平均值10 m，則東營組平均水頭壓力為東營組平均埋深1 200 m－10 m=1 190 m。

3.1.5 熱儲層溫度及常溫層溫度

根據(jù)測溫孔的測井資料、抽水試驗資料，同時結(jié)合已有石油部門資料，綜合確定館陶組熱儲的平均溫度為55℃，東營組熱儲的平均溫度為65℃。常溫層溫度取當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?3℃。

計算結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)館陶組熱儲的地?zé)豳Y源量為2.32×1018J，東營組熱儲的地?zé)豳Y源量為 1.51×1019J，共計 1.74×1019J。

3.2 地?zé)崃黧w可開采量評價

地?zé)崃黧w可開采量評價方法為:采用計算單井允許開采100年、消耗15%左右的地?zé)醿α?，得出的開采權(quán)益保護(hù)半徑，進(jìn)而計算單井的開采保護(hù)面積，用查明范圍的面積和推測范圍的面積除以開采保護(hù)面積得出相應(yīng)的可布井?dāng)?shù)，由此計算可開采的水量及熱量。

表1 高青地區(qū)地?zé)豳Y源量

3.2.1 開采權(quán)益保護(hù)半徑

高青地區(qū)屬盆地型地?zé)崽?，采用下列公式作為單井開采權(quán)益保護(hù)半徑:

式中:R為單井開采權(quán)益保護(hù)半徑，m;Q為地?zé)峋克?，館陶組500 m3/d，東營組1 000 m3/d;f為水比熱與砂巖比熱的比值，經(jīng)計算為4.76，無量綱;H為熱儲層厚度，館陶組取 35.72 m，東營組取 191.4 m。

經(jīng)計算得館陶組和東營組熱儲層的單井開采權(quán)益保護(hù)半徑分別為2 300 m和1 400 m。

3.2.2 地?zé)崃黧w可采量

以館陶組和東營組的開采權(quán)益保護(hù)半徑值為0.5倍邊長，按照正方形均勻的在工作區(qū)內(nèi)布井，經(jīng)計算分別可布井?dāng)?shù)為6眼和15眼。依據(jù)各熱儲層已查明的單井涌水量(館陶組500 m3/d，東營組1 000 m3/d)，計算得出高青地區(qū)地?zé)崃黧w可開采總量為6.570×106m3/a(18 000 m3/d)，其中館陶組為 1.095×106m3/a(3 000 m3/d)，東營組為 5.475×106m3/a(15 000 m3/d)。

3.2.3 地?zé)崃黧w熱量可采量

高青地區(qū)地?zé)豳Y源利用方式主要為地?zé)峁┡?，查明高青地區(qū)地?zé)岙a(chǎn)能，參照供暖熱流公式計算地?zé)崃黧w可采量。

地?zé)崽锏漠a(chǎn)能的計算公式為:

Wt=4.186 8Q(Tr－T0)

式中:Wt為熱功率，(kW);Q為地?zé)崃黧w可開采量L/s;Tr為熱儲溫度;T0為多年平均氣溫。

地?zé)崃黧w年開采累計可利用熱能量的計算公式為:

∑Wt=86.4DWt/K

式中:∑Wt為開采一年可利用的熱能，MJ;D為一個供暖季120 d;Wt為計算得出的熱儲熱功率，(kW);K為熱效比(燃煤鍋爐熱效率0.6)，無量綱。

經(jīng)計算，館陶組可利用的熱能量為1.76×107MJ，東營組可利用的熱能量為4.35×108MJ。

表2 高青地區(qū)地?zé)豳Y源可利用量

3.3 地?zé)豳Y源環(huán)境效益

地?zé)崮転榫G色資源，地?zé)崮荛_發(fā)利用具有十分巨大的環(huán)境效益[5]。高青地區(qū)地?zé)豳Y源利用主要為地?zé)峁┡?，通過地?zé)豳Y源可替代的常規(guī)能源量(以每年多少噸標(biāo)準(zhǔn)煤計量)，計算可減少多少污染物的排放量，減少的排放量即為地?zé)豳Y源環(huán)境效益。參照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615－2010)中地?zé)豳Y源節(jié)煤量計算方法，評估高青地區(qū)地?zé)豳Y源環(huán)境效益結(jié)果見表3，合計節(jié)煤量25 879.71 t/a，減少二氧化碳排放61 748.99 t/a，減少二氧化硫排放439.96 t/a，減少氮氧化物排放 155.28 t/a，減少懸浮質(zhì)粉塵 207.04 t/a，減少煤灰渣 2 587.97 t/a。

表3 高青地區(qū)地?zé)豳Y源環(huán)境效益

4 結(jié)語

山東高青地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)背景條件有利，地下熱源主要來自地殼深處及上地幔的傳導(dǎo)熱，熱儲層主要為新近紀(jì)館陶組和古近紀(jì)東營組熱儲，屬層狀砂巖類裂隙 －孔隙型熱儲，熱儲平均厚度分別為35.7 m和191.4 m。高青斷裂為導(dǎo)水?dāng)嗔眩瑢?dǎo)熱和導(dǎo)水作用明顯，地下熱水及熱量在斷裂處易集中。熱儲蓋層以第四系和新近系黃驊群明化鎮(zhèn)組為主，蓋層總厚度為600～1 300 m。

高青縣地?zé)豳Y源量為1.74×1019J，其中館陶組熱儲資源量2.32×1018J，可布6眼地?zé)峋?，東營組熱儲資源1.51×1019J，可布15眼地?zé)峋?。地?zé)崃黧w可開采總量為6.57×106m3/a(18 000 m3/d)，其中館陶組為1.095 ×106m3/a(3 000 m3/d)，東營組為5.475×106m3/a(15 000 m3/d)。高青地區(qū)地?zé)豳Y源利用主要為地?zé)峁┡?，有效利用地?zé)豳Y源，節(jié)煤量可達(dá)25 879.71 t/a，減少相應(yīng)數(shù)量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、懸浮質(zhì)粉塵和煤灰渣排放，環(huán)境效益顯著。

[1]張保建.高青縣城區(qū)地?zé)豳Y源及開發(fā)利用.山東國土資源.2008，24(11):30 －33.

[2]劉善軍.山東省溫泉分布規(guī)律及地下熱水資源預(yù)測.山東地質(zhì).1998，14(2):34 －36.

[3]山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.華北平原北部地溫場及地?zé)豳Y源研究報告[R].1988.

[4]陳墨香.華北地?zé)?北京:科學(xué)出版社.1988.

[5]朱家玲.地?zé)崮荛_發(fā)與應(yīng)用技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2006.