山東省武城縣地?zé)豳Y源開發(fā)利用前景分析

，，

(1.山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州 253072；2.山東省武城縣國(guó)土資源局，山東 德州 253072)

當(dāng)前嚴(yán)峻的大氣污染形勢(shì)再次將地?zé)豳Y源的開發(fā)利用推到了前臺(tái)，作為一種綠色可再生能源，地?zé)崮荛_發(fā)成為了解決北方地區(qū)冬季清潔供暖問題的最佳選擇。武城縣作為山東省最早開展地?zé)峁┡牡貐^(qū)之一，具備得天獨(dú)厚的地?zé)豳Y源優(yōu)勢(shì)。本文旨在對(duì)武城縣地?zé)豳Y源的供暖開發(fā)利用前景進(jìn)行評(píng)價(jià)，為武城縣的清潔供暖提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

武城縣在大地構(gòu)造上位于渤海灣盆地的南部，滄縣隆起與臨清坳陷的相接部位(見圖1)。渤海灣盆地的斷裂構(gòu)造走向以近EW向與NNE-NE向?yàn)橹?，斷裂性質(zhì)主要為正斷層[1]。在此背景下，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有NNE走向的滕莊-老城斷裂，EW走向的恩城斷裂。

滕莊-老城斷裂為滄東斷裂的南段，區(qū)域上為滄縣隆起與臨清坳陷的分界斷裂，斷層面呈上陡下緩的鏟狀特征，走向NE，為西盤上升、東盤下降的正斷裂[2]，傾角10°～80°。斷裂于印支-燕山期開始活動(dòng)[3]，至喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)第一幕[4](始新世)時(shí)活動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到最大，新近紀(jì)時(shí)活動(dòng)消亡[5]，該斷裂具有較強(qiáng)的導(dǎo)水能力[6]，有利于深部高溫流體沿?cái)嗔严驕\部越流補(bǔ)給。

恩城斷裂呈近EW走向，為南升北降的正斷層，斷裂活動(dòng)開始于古新世，始新世Es2+3時(shí)期活動(dòng)最為強(qiáng)烈，新近紀(jì)時(shí)期活動(dòng)消亡[7]。該斷裂僅局部切穿了館陶組的底部，館陶組下伏的東營(yíng)組與沙河街組泥巖發(fā)育，在斷面附近常形成斷層泥，導(dǎo)致斷裂面密封性較好[8]，不利于下部流體對(duì)館陶組熱儲(chǔ)的補(bǔ)給。

1.2 地層

研究區(qū)地層分布特征受構(gòu)造的控制明顯，滕莊-老城斷裂以西的老城潛凸起區(qū)缺乏古近紀(jì)地層，該斷裂以東的德州潛凹陷區(qū)古近紀(jì)地層發(fā)育齊全(見圖2)。

古生界自下而上可劃分為下古生代寒武-奧陶系，巖性主要為碳酸鹽巖；上古生代石炭-二迭系，巖性為砂巖或泥巖。中生界主要發(fā)育有侏羅-白堊系，巖性為砂巖或泥巖。古近系自下而上可分為孔店組、沙河街組、東營(yíng)組，巖性為砂巖或泥巖；其中沙河街組厚度巨大，根據(jù)其巖性特征進(jìn)一步劃分為四段。新近系自下而上劃分為館陶組與明化鎮(zhèn)組，巖性為砂巖或泥巖，其中館陶組下段砂巖是武城縣地?zé)豳Y源開發(fā)的目標(biāo)熱儲(chǔ)。第四系為未成巖的粘性土或砂性土。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置示意圖

圖2 武城縣地層空間分布剖面圖

1.3 巖漿巖

德州潛凹陷內(nèi)石油勘探發(fā)現(xiàn)，在孔店組與沙河街組四段中發(fā)育有多層厚度巨大的安山巖、玄武巖[9]。其中位于研究區(qū)西南邊界處的德參2井巖漿巖尤為發(fā)育，巖漿巖累計(jì)厚度近200 m。

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

區(qū)內(nèi)上古生代、中生代與古近紀(jì)地層中砂巖的巖性以粉砂巖為主，結(jié)構(gòu)致密，孔隙度低，當(dāng)前技術(shù)條件下開采成本較高，暫不作為地?zé)衢_發(fā)的目標(biāo)熱儲(chǔ)；老城潛凸起區(qū)下古生代寒武-奧陶系碳酸鹽巖埋深2 000 m左右，可作為下步開發(fā)的重點(diǎn)。新近紀(jì)館陶組熱儲(chǔ)最具開發(fā)利用價(jià)值[10-11]，也是區(qū)內(nèi)現(xiàn)有地?zé)峋哪繕?biāo)取水段，本次僅對(duì)該熱儲(chǔ)中地?zé)豳Y源的形成條件進(jìn)行評(píng)述。

2.1 蓋層

區(qū)內(nèi)館陶組地層之上覆蓋有厚1 000～1 200 m的明化鎮(zhèn)組與第四系，巖性為泥巖或砂巖，熱導(dǎo)率低，成為了館陶組熱儲(chǔ)的良好蓋層。

2.2 熱源與地溫場(chǎng)特征

區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源類型為沉積盆地傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源，熱源主要來自地球內(nèi)部的大地?zé)崃鱗12-13]。以往研究表明區(qū)內(nèi)平均大地?zé)崃髦禐?7.45 mw/m2[14]。地球內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過大地?zé)崃餍问皆丛床粩嗟叵蛲廨椛洌?jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期在熱儲(chǔ)中淀積形成可供開發(fā)的地?zé)豳Y源。

以地?zé)峋膶?shí)測(cè)井口溫度與取水段平均埋深為參數(shù)，計(jì)算館陶組及其上覆地層的平均地溫梯度。結(jié)果表明，全區(qū)為地溫梯度>3.0℃/100m的地?zé)岙惓^(qū)(見圖3)，其中滕莊-老城斷裂具有明顯的導(dǎo)熱特征，沿?cái)嗔逊植加械販靥荻?3.4℃/100m的高異常帶。

圖3 武城縣館陶組及上覆地層平均地溫梯度等值線圖

圖4 館陶組熱儲(chǔ)分布與W18井身結(jié)構(gòu)圖表1 地?zé)峋疁囟扰c出水量一覽表

編號(hào)地點(diǎn)孔深/m溫度/℃降深/m出水量/m3/hW34魯騰家園1 411.715735.772W16利城金岸1 5916234.585W45張莊村1 574.46625890W20濱湖麗都1 558.4623880W19金馬商城1 5826145.495W1時(shí)代花園1 5706237.890

2.3 流體通道與熱儲(chǔ)特征

館陶組地層中分布有厚度巨大的砂巖、砂礫巖層，即是流體的通道，又是地?zé)崃黧w的儲(chǔ)集空間。根據(jù)鉆探資料，區(qū)內(nèi)館陶組熱儲(chǔ)可分為上下兩段，館上段熱儲(chǔ)巖性較細(xì)，以細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖為主，單層厚度薄，砂巖與地層的厚度比25%左右，熱儲(chǔ)孔隙度約30%。館下段熱儲(chǔ)巖性較粗，以粗砂巖、含礫砂巖及砂礫巖為主，單層厚度大，砂巖與地層的厚度比50%左右，熱儲(chǔ)孔隙度約28%，該段熱儲(chǔ)是目前區(qū)內(nèi)地?zé)峋闹饕_采層段(見圖4)，熱儲(chǔ)溫度57℃～62℃，單井涌水量72～95 m3/h(見表1)。

圖5 館陶組熱儲(chǔ)底板埋深等值線圖

館陶熱儲(chǔ)底板埋深在德州潛凹陷區(qū)1 600～1 800 m，南深北淺、東深西淺；在老城潛凸起區(qū)1 450～1 500 m，南深北淺。其中滕莊-老城斷裂兩側(cè)館陶組底板落差約150 m左右，東深西淺。恩城斷裂兩側(cè)館陶組底板落差約50 m 左右，

北深南淺(見圖5)。館下段熱儲(chǔ)的累計(jì)厚度110～150 m，南厚北薄(見圖6)。

圖6 館陶組熱儲(chǔ)底板埋深等值線圖

3 地球化學(xué)特征

區(qū)內(nèi)館下段熱儲(chǔ)地?zé)崴嘘栯x子以Na+為主，當(dāng)量濃度百分比為82.73%～90.83%。陰離子以Cl-為主，當(dāng)量濃度百分比為70.62%～74.65%；其次為SO42-，當(dāng)量濃度百分比為20.61%～25.09%。水化學(xué)類型為Cl-Na或Cl·SO4-Na 型。地?zé)崴V化度4.67～4.81 g/L(見表2)。

表2 地?zé)崴饕x子含量一覽表

采用美國(guó)地調(diào)局免費(fèi)軟件PHREEQC軟件對(duì)地?zé)崴兄饕V物的飽和指數(shù)進(jìn)行計(jì)算[15]，結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)定的反應(yīng)溫度接近熱儲(chǔ)溫度時(shí)，方解石的飽和指數(shù)達(dá)到“0”(見表3)，說明地?zé)崴兄饕x子濃度受方解石的水巖平衡反應(yīng)控制。

4 地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀

武城縣現(xiàn)有地?zé)峋?4眼(見圖7)，其中有25眼集中分布在武城縣城區(qū)，多建于2012年以前，由于當(dāng)時(shí)城市供暖基礎(chǔ)設(shè)施不完善，房地產(chǎn)商為解決新建住宅冬季供暖問題建設(shè)的。其余19眼地?zé)峋疄榻鉀Q各鄉(xiāng)鎮(zhèn)新建農(nóng)村社區(qū)供暖問題而建設(shè)的。2016年底，鑒于地?zé)峁┡菜欧诺沫h(huán)保壓力，武城縣對(duì)城市集中供暖設(shè)施可以輻射到的地?zé)峋畬?shí)行了關(guān)停，城區(qū)內(nèi)僅保留了對(duì)地?zé)峁┡菜M(jìn)行了回灌的6眼地?zé)峋r(nóng)村社區(qū)的19眼地?zé)峋笙奁陂_展地?zé)嵛菜毓唷?/p>

5 地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

5.1 地?zé)豳Y源量

本次采用《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》[16]中推薦的熱儲(chǔ)法對(duì)館下段熱儲(chǔ)中蘊(yùn)藏的熱資源量進(jìn)行計(jì)算，由于區(qū)內(nèi)主要開采館下段熱儲(chǔ)中地?zé)崴M(jìn)行住宅供暖，計(jì)算的溫度下限取地?zé)峁┡菜疁囟?0℃。通過非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)求取的館下段熱儲(chǔ)彈性釋水系數(shù)約為4.2×10-4，比熱儲(chǔ)的孔隙度小2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，流體彈性儲(chǔ)存量中蘊(yùn)含的熱資源量在計(jì)算中予以忽略，計(jì)算公式如下：

Q=A·d·[ρs·Cs·(1-φ)+ρw·Cw·φ]·(tr-t0)

(1)

式中：Q為熱資源量(J)；A為熱儲(chǔ)面積(m2)；d為熱儲(chǔ)厚(m)；ρs為熱儲(chǔ)巖石密度(kg/m3)；Cs為巖石的比熱[J/(kg·℃)]；φ為熱儲(chǔ)孔隙度，無量綱；ρw為地?zé)崴芏?kg/m3)；Cw為地?zé)崴谋葻醄J/(kg·℃)]；tr為熱儲(chǔ)平均溫度(℃)；t0為溫度下限(℃)。

經(jīng)計(jì)算，武城縣館下段熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱資源量為8.11×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.77億 t。

5.2 地?zé)崴o儲(chǔ)存量

熱儲(chǔ)中地?zé)崴o儲(chǔ)存量包括熱儲(chǔ)孔隙中容積儲(chǔ)量與高壓下地?zé)崴詮椥詨好苄问酱嬖诘膹椥詢?chǔ)量，計(jì)算公式如下：

Q=A·d·φ+A·μe·H

(2)

式中：Q為地?zé)崴o儲(chǔ)存量(m3)；μe為熱儲(chǔ)彈性貯水系數(shù)，數(shù)值等于熱儲(chǔ)的新熱的彈性釋水系數(shù)，無量綱；H為熱儲(chǔ)中點(diǎn)至地?zé)崴杂伤娴木嚯x(m)。

經(jīng)計(jì)算，武城縣館下段熱儲(chǔ)中蘊(yùn)藏的地?zé)崴o儲(chǔ)量為2.75×1010m3。

5.3 地?zé)崴|(zhì)量評(píng)價(jià)

區(qū)內(nèi)館下段熱儲(chǔ)地?zé)崴饕糜诮ㄖ锕┡?，針?duì)供暖需求進(jìn)行地?zé)崴慕Y(jié)垢性與腐蝕性評(píng)價(jià)。因地?zé)崴新入x子含量高，采用拉申指數(shù)判斷地?zé)崴妓徕}結(jié)垢趨勢(shì)與腐蝕性，公式如下：

(3)

式中：LI為拉申指數(shù)，無量綱；Cl為氯離子濃度(mg/L)；SO4為硫酸根離子濃度(mg/L)；ALK為總堿度(mg/L )。經(jīng)計(jì)算，LI為12.61～14.86，地?zé)崴唤Y(jié)垢，具有強(qiáng)腐蝕性。

表3 不同溫度下地?zé)崴兄饕V物飽和指數(shù)一覽表

圖7 武城縣地?zé)峋植紙D

6 地?zé)豳Y源開發(fā)利用前景

2016年，武城縣對(duì)城區(qū)的6眼地?zé)峋畬?shí)施了配對(duì)回灌井，地?zé)崴墓嗖杀葹?3.98%～97.94%，證明了地?zé)峁┡菜毓嗍乔袑?shí)可行的。在回灌-開采的地?zé)豳Y源利用方案下，將供暖尾水全部回注入熱儲(chǔ)中，只取熱不取水，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用前景主要受熱儲(chǔ)中蘊(yùn)含的熱資源量限制。根據(jù)中低溫地?zé)豳Y源開發(fā)利用年限100年計(jì)算，武城縣館下段熱儲(chǔ)中蘊(yùn)藏的年可利用熱資源量為8.11×1016 J/a。以單位面積住宅供暖定額50 W估算，館下段熱儲(chǔ)可滿足1.56×108m2的建筑面積供暖需求。

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的2016年全國(guó)人均居住面積40.8 m2，武城縣2010年統(tǒng)計(jì)人口為390 412，人口自然增長(zhǎng)率7.98‰，推測(cè)2017年武城縣人口約為41.27萬人，則住宅的總供暖面積需求約為1 688萬 m2。100 a后武城縣預(yù)計(jì)人口數(shù)為86.44萬人，供暖總需求約為3 527萬 m2。由此可見，館下段熱儲(chǔ)中蘊(yùn)含的熱資源量完全可滿足未來100 a內(nèi)武城縣居民住宅的供暖需求。

7 結(jié)語

(1)武城縣在地質(zhì)構(gòu)造上可劃分為老城潛凸起與德州潛凹陷兩個(gè)構(gòu)造單元，館陶熱儲(chǔ)底板埋深在德州潛凹陷區(qū)1 600～1 800 m，南深北淺、東深西淺；在老城潛凸起區(qū)1 450～1 500 m，南深北淺。

(2)館陶組熱儲(chǔ)可劃分為上、下兩段，其中館下段熱儲(chǔ)是武城縣地?zé)豳Y源開采的主要目標(biāo)熱儲(chǔ)，熱儲(chǔ)巖性以粗砂巖、含礫砂巖及砂礫巖為主，熱儲(chǔ)厚110～150 m；熱儲(chǔ)溫度57℃～62℃，單井涌水量72～95 m3/h。

(3)武城縣館下段熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱資源量為8.11×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.77億 t；蘊(yùn)藏的地?zé)崴o儲(chǔ)量為2.75×1010m3。

(4)武城縣館下段熱儲(chǔ)可支持建筑供暖面積1.56×108m2，完全可滿足未來100年內(nèi)武城縣居民住宅的供暖需求。

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