濟(jì)南西北部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)特征研究

張軍，胡彩萍，張新文，王濤，楊時(shí)驕，彭文泉

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

碳酸鹽巖熱儲(chǔ)主要分布在全國主要的沉積盆地(平原)，其作為地?zé)豳Y源儲(chǔ)層潛力巨大，熱儲(chǔ)層以古生界碳酸鹽巖地層為主[1]，具有儲(chǔ)集條件好、儲(chǔ)層多、厚度大、分布廣的特點(diǎn)，是山東省魯中南地區(qū)主要的熱儲(chǔ)類型[2]。有學(xué)者以山西太原地區(qū)為例，分析了碳酸鹽巖熱儲(chǔ)形成機(jī)制及水-巖相互作用，并總結(jié)了不同地下水流動(dòng)模式特征，提出了相應(yīng)的水文地質(zhì)熱儲(chǔ)概念模型[3]。該次研究工作參考以上研究方法，利用區(qū)內(nèi)已有地?zé)峥辈橘Y料，結(jié)合區(qū)內(nèi)地溫場特征、地?zé)崃黧w動(dòng)態(tài)變化和化學(xué)特征等條件，綜合分析研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)特征。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造單元位于華北板塊(Ⅰ級(jí))魯西隆起區(qū)(Ⅱ級(jí))魯中隆起(Ⅲ級(jí))泰山-濟(jì)南斷隆陷(Ⅳ級(jí))的泰山凸起(Ⅴ級(jí))[4]。區(qū)內(nèi)地層由老到新發(fā)育有：古生代寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)地層，新生代新近紀(jì)、第四紀(jì)地層。

研究區(qū)位于濟(jì)南單斜的北部，受齊河-廣饒深大斷裂影響，區(qū)域發(fā)育構(gòu)造主要為NW向和NE向，屬于魯西系外旋回層伴生構(gòu)造，以張性斷裂為主，切割深部奧陶紀(jì)灰?guī)r[5-6]，形成豐富的巖溶裂隙，為地?zé)崴畠?chǔ)集和水源、熱源的運(yùn)移起到了重要控制作用。地?zé)岣患瘶?gòu)造主要有棉花張莊斷裂、西王莊斷裂、曹家圈斷裂和申家莊斷裂。以上4條斷裂構(gòu)造縱橫交錯(cuò)，在深部形成斷裂破碎帶。

區(qū)域內(nèi)巖漿巖為中生代燕山晚期的濟(jì)南序列，巖體在平面上呈近EW向的橢圓狀，東西長約29km，南北最寬16.5km，面積約400km2。多隱伏于第四系和新近系之下，或侵入至古生代寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系中，局部以孤山形式出露地表，形成無影山、藥山、金牛山、匡山等，為一套基性巖-中性侵入巖組合。受濟(jì)南巖體的影響，地下水自南部山區(qū)向北徑流受阻，部分地下水繼續(xù)向北部的深處運(yùn)移，在溶解了大量礦物質(zhì)后，受到地殼深部熱源的加熱，形成了濟(jì)南巖體周圍的地?zé)釡厝猍7]。

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

熱儲(chǔ)層兼有層狀和帶狀熱儲(chǔ)特征，熱源主要來自正常的地殼深部及上地幔傳導(dǎo)熱流；燕山晚期巖漿巖侵入活動(dòng)及地殼運(yùn)動(dòng)形成的一系列斷層和裂隙，對(duì)地殼深部的熱源起到了重要的溝通和對(duì)流作用；在上覆保溫蓋層的作用下儲(chǔ)集熱量，加熱地下水形成了地?zé)豳Y源。

2.1 熱儲(chǔ)特征

熱儲(chǔ)層巖性為寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)的灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，其裂隙、溶孔較發(fā)育，滲透率強(qiáng)，巖溶發(fā)育帶單層厚度一般為1～2m，最厚達(dá)數(shù)米，形成較好的熱儲(chǔ)空間。熱儲(chǔ)層頂板埋深為400～700m，由南向北逐漸加深。上覆有較厚的第四系、新近系、二疊系和石炭系作為保溫蓋層。研究區(qū)內(nèi)NW向申家莊斷裂、曹家圈斷裂，NE向西王莊斷裂、棉花張莊斷裂多期活動(dòng)，斷裂及其影響帶內(nèi)溶孔、裂隙是熱水運(yùn)移、儲(chǔ)集的有利部位，形成了受斷裂構(gòu)造影響明顯的層狀兼帶狀熱儲(chǔ)(圖1)。

1—碳酸鹽巖裂隙熱儲(chǔ)分布區(qū)；2—基巖裂隙熱儲(chǔ)分布區(qū)；3—二疊紀(jì)石盒子群；4—二疊紀(jì)山西組；5—石炭-二疊紀(jì)太原組；6—石炭紀(jì)本溪組；7—奧陶紀(jì)馬家溝群；8—燕山期濟(jì)南序列；9—研究區(qū)范圍；10—隱伏斷裂；11—地質(zhì)界線；12—不整合地質(zhì)界線；13—碳酸鹽巖熱儲(chǔ)頂板埋深等值線；14—地溫梯度等值線；地溫梯度(℃/100m)圖1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)圖

2.2 地溫場特征

地溫場直接反映地球內(nèi)熱能的變化程度，地溫的變化是地質(zhì)構(gòu)造條件和地質(zhì)歷史的綜合反映。影響地殼淺部地溫的主要因素一般有基底面的起伏、構(gòu)造形態(tài)、地下水活動(dòng)和巖漿活動(dòng)等。區(qū)內(nèi)恒溫帶埋藏深度為20m，溫度為13.5℃。

2.2.1 地溫場的垂向(縱向)變化特征

地溫梯度在垂向上的變化，主要受深度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖性的控制。地溫梯度垂向變化受巖石熱傳導(dǎo)率控制，熱傳導(dǎo)率低，地溫梯度高；反之則低。區(qū)內(nèi)地溫梯度垂向變化特征為：石炭-二疊系和新近系地溫梯度值相對(duì)較高，一般為1.2～2.9℃/100m和1.3～2.8℃/100m；寒武-奧陶紀(jì)灰?guī)r段地溫梯度值相對(duì)較小，一般低于1.0℃/100m(圖2)。

根據(jù)DR1地?zé)峋疁y溫曲線顯示，蓋層溫度隨深度的增加上升，總體上呈線形正相關(guān)關(guān)系。在垂向上地溫值隨鉆孔深度的增加而遞增，曲線上局部存在波折主要與地層巖性變化有關(guān)。

2.2.2 蓋層地溫場的平面變化特征

據(jù)測溫資料發(fā)現(xiàn)，在棉花張莊和東曹家莊一帶地溫梯度值較大，R1和R2兩個(gè)測溫孔蓋層的地溫梯度分別為4.20℃/100m和3.92℃/100m[8]，大于華北平原區(qū)平均地溫梯度3.49℃/100m[9]，以該異常為中心，由里向外逐漸降低，至JR-046和DR1地?zé)峋幧w層地溫梯度分別為2.50℃/100m和2.27℃/100m(圖3)。R1和R2測溫孔地?zé)岙惓?yīng)該是由于靠近深部地?zé)嵘嫌客ǖ酪鸬摹?/p>

2.3 地?zé)崃黧w水位動(dòng)態(tài)變化特征

據(jù)動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù)顯示，JR-046地?zé)峋蛔兓容^大，年變幅為2.29m，且水位高低隨降水量多少變化明顯(圖4)，2019年8月11日臺(tái)風(fēng)“利奇馬”帶來強(qiáng)降水，8月21日J(rèn)R-046地?zé)峋辉鲩L了1.61m，水位變化滯后強(qiáng)降水時(shí)間較短，推測該地?zé)峋疅醿?chǔ)層巖溶裂隙發(fā)育，地?zé)崃黧w補(bǔ)給條件良好。

1—第四系和古近系；2—二疊系；3—石炭系；4—奧陶系圖2 DR1地?zé)峋疁y溫曲線圖

2.4 地?zé)崃黧w化學(xué)特征

1—地溫梯度測量井井編號(hào)·地溫梯度；2—地溫梯度等值線及數(shù)值(℃/100m)；3—斷裂；4—不整合地質(zhì)界線；5—研究區(qū)范圍圖3 地溫梯度等值線圖

由地?zé)峋|(zhì)分析資料對(duì)比顯示(表1)，位于研究區(qū)外東南的10-08-1地?zé)峋渖细采w層為第四系、新近系和中生代濟(jì)南巖體，其地?zé)崃黧w中偏硅酸和鍶含量明顯高于研究區(qū)內(nèi)兩個(gè)地?zé)峋?。巖體發(fā)育的輝長巖和蘇輝長巖中含有的大量游離二氧化硅和鍶，通過溶濾和水巖相互作用[11]，向地?zé)崃黧w中擴(kuò)散，導(dǎo)致靠近巖體的地?zé)崃黧w中偏硅酸和鍶含量高于遠(yuǎn)離巖體地?zé)崃黧w中含量。

表1 研究區(qū)地?zé)峋|(zhì)分析統(tǒng)計(jì)

注：由國土資源部濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心檢測

圖4 JR-046地?zé)峋粍?dòng)態(tài)變化曲線圖(降水資料來源自濟(jì)南市氣象局)

2.5 地?zé)崴畞碓捶治?/h3>

2.5.1 離子分析

利用6個(gè)淺井常溫地下水樣和3個(gè)地?zé)峋畼拥乃|(zhì)分析數(shù)據(jù)繪制的piper三線圖顯示(圖5)，淺井常溫地下水和DR1井地?zé)崴嘘庪x子均以重碳酸根為主，陽離子均以鎂和鈣為主，且離子濃度接近，結(jié)合JR-046地?zé)峋^變化滯后，降水時(shí)間較短，推測地?zé)崴c淺井地下水為同源，均為大氣降水。

圖5 研究區(qū)水質(zhì)piper三線圖

10-08-1井地?zé)崃黧w與淺井常溫地下水中主要的陰陽離子含量存在一定差別，分析認(rèn)為該地?zé)峋挥跐?jì)南巖體分布區(qū)，地?zé)崴谘h(huán)過程中與巖體相互作用，使地?zé)崃黧w中離子含量發(fā)生了微弱變化[3]。

2.5.2 鈉氯系數(shù)與同位素分析

研究區(qū)地?zé)崃黧w中鈉氯系數(shù)(變質(zhì)系數(shù))rNa/rCl=1.02～2.27，明顯高于標(biāo)準(zhǔn)海水的平均值0.85，發(fā)映出地?zé)崴哂写箨懭転V水的特征，地?zé)崴淖罱K來源為大氣降水。DR1地?zé)崴凰卅腄為-66.88×10-3，δO18為-9.04×10-3，DR1地?zé)峋畼拥摩腄和δO18值在克雷格標(biāo)準(zhǔn)降水直線附近(圖6)[14]，說明該區(qū)地?zé)崴闹饕a(bǔ)給來源為大氣降水，通過徑流循環(huán)在地溫作用下加熱形成[15]。

圖6 DR1地?zé)崃黧w中δD、δO18值與標(biāo)準(zhǔn)雨水線對(duì)比圖

3 熱儲(chǔ)概念模型

研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w為碳酸鹽巖巖溶裂隙水，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，補(bǔ)給水源為南部山區(qū)裸露或淺埋的灰?guī)r接受的大氣降水，匯集成地表徑流，經(jīng)過垂直入滲沿巖層傾向深遠(yuǎn)循環(huán)，在各含水層中地下水自南向北徑流[16]，研究區(qū)位于地下水的徑流-排泄區(qū)，徑流途徑較短，流速快，交替迅速，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，既溝通了深部熱源，同時(shí)也溝通了淺部水源。地下水在徑流入滲過程中不斷下行，被上升的熱流加熱，經(jīng)過斷裂構(gòu)造帶附近時(shí)上行，地?zé)崴c淺部冷水混合。無論是大地?zé)崃骷訜徇€是水-巖相互作用都不充分，導(dǎo)致水溫較低，礦化度也偏低，形成了區(qū)內(nèi)低溫淡水型地?zé)豳Y源(圖7)[3]。

1—第四系；2—新近系；3—二疊系—石炭系；4—奧陶系；5—寒武系；6—斷裂；7—地?zé)峋恢眉熬幪?hào)圖7 熱儲(chǔ)概念模型圖

研究區(qū)熱儲(chǔ)層為奧陶紀(jì)和寒武紀(jì)灰?guī)r，灰?guī)r段巖溶裂隙較發(fā)育，是理想的熱儲(chǔ)層；第四紀(jì)粉砂質(zhì)黏土、新近紀(jì)砂巖、二疊紀(jì)和石炭紀(jì)砂巖、泥巖、頁巖等地層厚度自南向北逐漸加深，連續(xù)性好，保溫作用良好，是較好的熱儲(chǔ)蓋層；NE向和NW向斷裂構(gòu)造相互切割，溝通了深部熱源，形成的破碎帶巖溶較發(fā)育，為地下水深循環(huán)、對(duì)流和富集形成了運(yùn)移通道和儲(chǔ)集空間[17]。

4 地?zé)豳Y源潛力評(píng)價(jià)

根據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)條件，圈定碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲(chǔ)分布面積約9.8km2，地?zé)峋鏊跍囟葹?1～34.5℃，熱儲(chǔ)含水層厚度65～122.9m，孔隙度為4.00～25.50%，平均11.74%。地層滲透率(0.1～2311.80)×10-3·m2，平均257.60×10-3·m2，彈性釋水系數(shù)為5.16×10-6，合理降深30m時(shí)，單井允許開采量為2540m3/d。采用熱儲(chǔ)法[18]計(jì)算研究區(qū)碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量為4.53×1016J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.55×106t。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲(chǔ)層以古生代寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)灰?guī)r為主，其頂板埋深400～700m，熱儲(chǔ)層裂隙、溶孔發(fā)育，滲透率強(qiáng)；熱儲(chǔ)蓋層為第四系、新近系、二疊系和石炭系，由南向北逐漸增厚，蓋層地溫梯度為2.20～4.20℃/100m；區(qū)內(nèi)北西向和北東向斷裂構(gòu)造發(fā)育，是地下水源和熱源運(yùn)移的良好通道。

(3)根據(jù)區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w水位動(dòng)態(tài)變化特征及地?zé)崃黧w水化學(xué)特征與第四系淺水井水化學(xué)特征相近，推斷區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造較發(fā)育，既溝通了深部熱源的，也溝通了淺部水源，地?zé)崴谏嫌窟^程中與淺部冷水混合，大地?zé)崃骷訜岷退?巖相互作用不充分，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地?zé)崴疁剌^低，礦化度偏低，形成了區(qū)內(nèi)低溫淡水型地?zé)豳Y源。

(4)在曹家圈村施工的DR1地?zé)峋鏊谒疁貫?1℃，水位降深30m時(shí)，單井涌水量為2638m3/d，產(chǎn)能為2236.90kW。開采一年可利用的熱能1.18×108MJ，與之相當(dāng)?shù)墓?jié)煤量3753.29t/a。單井開采權(quán)益保護(hù)半徑為800m。地?zé)崃黧w礦化度為448.5mg/L，鍶含量為0.61mg/L，為含鍶型天然礦泉水。研究區(qū)地?zé)豳Y源量為4.53×1016J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.55×106t，單井允許開采量為2540m3/d，地?zé)岙a(chǎn)能9600kW，開采一年可利用熱能5.05×108MJ，折合節(jié)煤量21871t/a。

(5)根據(jù)研究區(qū)地?zé)峋樗囼?yàn)資料，求得在合理降深30m時(shí)，單井開采權(quán)益影響半徑為800m，區(qū)內(nèi)可布井?dāng)?shù)為4個(gè)，區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源可開采量為10160m3/d。研究區(qū)地?zé)崴呛币姷牡偷責(zé)豳Y源，可以作為溫泉理療、漁業(yè)養(yǎng)殖、溫室種植和農(nóng)業(yè)灌溉等用途，同時(shí)也可以作為生活直飲水和礦泉水進(jìn)行綜合開采，開發(fā)利用前景良好。