青海共和盆地新近系熱儲層地?zé)豳Y源量評價(jià)與分析

于漂羅，張盛生，查恩爽

1. 青海省地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查部，西寧 810000；2. 青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院 水文地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810008；3. 吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026

0 引言

地?zé)豳Y源具有清潔可再生、空間分布廣泛和資源儲量巨大等優(yōu)點(diǎn)[1]，可用于電力調(diào)峰、冬季供暖、溫室養(yǎng)殖和溫泉康養(yǎng)等[2--3]，對于中國CO2減排和雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義[4]。地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用通常分為4個階段，包括：資源勘查、資源量評價(jià)、優(yōu)化開采方案設(shè)計(jì)和發(fā)電等綜合利用系統(tǒng)構(gòu)建[5]；其中，地?zé)豳Y源量的合理評價(jià)既是地?zé)岬刭|(zhì)勘查的基礎(chǔ)目標(biāo)，也是開發(fā)利用方案設(shè)計(jì)的重要依托。

地?zé)豳Y源量可指地?zé)豳Y源儲量和允許開采資源量[6--7]。地?zé)豳Y源儲量評價(jià)通常采用體積法，即根據(jù)熱儲層的溫度和儲層體積，通過二者與比熱容乘積計(jì)算獲得[8--10]。該方法簡單、資料要求低，是目前地?zé)犷I(lǐng)域最常用的地?zé)豳Y源估算方式。然而，方法將地?zé)豳Y源視為與石油、天然氣等相似的不可再生資源，未考慮熱儲層內(nèi)部水熱過程動態(tài)特征以及地?zé)豳Y源富集內(nèi)在機(jī)制。例如，受大地?zé)崃鳌醿ιw層厚度和熱儲內(nèi)部地下水滲流過程影響，熱儲層內(nèi)部溫度在空間上存在強(qiáng)烈的非均勻性。若忽略上述過程，采用體積法估算獲得的地?zé)豳Y源儲量將與實(shí)際情況存在較大差異。

地?zé)豳Y源允許開采量計(jì)算可有效彌補(bǔ)地?zé)豳Y儲量計(jì)算中的不足[11--14]。該資源量考慮了地?zé)豳Y源利用方式和天然熱補(bǔ)給之間相互作用條件下、地?zé)豳Y源時空演化過程，為地?zé)豳Y源開發(fā)利用決策的制定提供直接依據(jù)。以中深層水熱型地?zé)豳Y源為例，其開發(fā)利用方式主要以對井采灌、熱能直接利用為主。通過構(gòu)建井--儲耦合數(shù)值模型，可模擬不同開采強(qiáng)度下，儲層內(nèi)部滲流場和溫度場時空演化過程以及開采井在開采周期內(nèi)的溫度演化過程，據(jù)此判斷最優(yōu)開采強(qiáng)度，作為給定水位降深、溫度降幅條件下的地?zé)豳Y源允許開采量。該方法廣泛應(yīng)用于井場尺度地?zé)豳Y源評價(jià)，是目前最準(zhǔn)確的地?zé)豳Y源評價(jià)方式。但受計(jì)算效率制約和地?zé)醿訌?fù)雜地質(zhì)條件影響，數(shù)值模型邊界條件難以界定，使得該方法難以用于盆地尺度地?zé)豳Y源量評價(jià)。

鑒于上述體積法和數(shù)值模擬方法的不足，本次研究考慮地?zé)岣患^程，提出一種操作簡單、精度介于體積法和數(shù)值模擬方法之間、計(jì)算效率高的地?zé)豳Y源量評價(jià)方法，并應(yīng)用于中國共和盆地恰卜恰地?zé)崽?，進(jìn)行新近系水熱型地?zé)豳Y源量計(jì)算和地?zé)豳Y源分布規(guī)律分析，為當(dāng)?shù)氐責(zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)提供依據(jù)，也為中國陸域水熱型地?zé)豳Y源合理評價(jià)提供新的理論參考。

1 研究區(qū)概況

青海省共和盆地地處青藏高原東北緣，北鄰祁連造山帶，南靠東昆侖造山帶，東鄰西秦嶺造山帶，在空間上呈菱形展布，面積超過104km2(圖1a)[15]。受構(gòu)造運(yùn)動影響，盆地內(nèi)部及周邊地區(qū)已查明80余處溫泉出露，其中6處溫泉溫度超過60℃。由于區(qū)內(nèi)地表熱異常顯著，2011年以來，青海省自然資源廳在共和盆地東部恰卜恰地區(qū)相繼實(shí)施了“青海省共和縣恰卜恰鎮(zhèn)地下熱水資源勘查”和“青海省共和縣恰卜恰鎮(zhèn)中深層地?zé)崮芸辈椤保塾?jì)完成深部鉆探16處，其中10處鉆孔單井深度超過1 000 m，確定了以恰卜恰地區(qū)為代表的共和盆地?zé)醿涌臻g結(jié)構(gòu)和垂向溫度分布特征。

圖1 共和盆地位置(a)、盆地內(nèi)典型地層結(jié)構(gòu) (b)和恰卜恰地?zé)崽锏匦蔚孛矆D(c)Fig.1 Location of Gonghe Basin (a), typical stratum structure in basin (b) and geomorphology map of Qiabuqia geothermal field (c)

共和盆地基底以中晚三疊紀(jì)變質(zhì)沉積巖、印支期花崗巖和花崗閃長巖為主，上覆新生代碎屑巖類沉積地層，包括新近系砂巖和泥巖地層以及第四系河湖相沉積地層(圖1b)。鉆孔測井?dāng)?shù)據(jù)顯示[16--18]：第四系含水層溫度約為15～40℃，局部形成中低溫?zé)醿?；新近系含水層溫度普遍高?0℃，形成中溫水熱型熱儲層；新近系之下鉆遇多處干熱巖體，其中GR1井在深度3 705 m，溫度達(dá)到236℃(圖1c)。

結(jié)合區(qū)內(nèi)勘查成果，目前初步認(rèn)為共和盆地地?zé)豳Y源富集與巖漿活動關(guān)系密切。例如：鋯石U--Pb法同位素?cái)?shù)據(jù)顯示共和盆地干熱巖體存在中三疊世和晚三疊世兩期侵入體，說明晚三疊世侵入體在不同地段重熔了早期形成的晚二疊世侵入體和中三疊世侵入體，形成規(guī)模較大的重熔巖漿[19]。磁法勘探顯示，在共和盆地20～30 km深度范圍內(nèi)存在低阻異常體，指示小規(guī)模重融巖漿囊的存在[20]。盆地內(nèi)新生代河湖相沉積物(泥巖和粉砂巖等碎屑巖為主)在地表壓力作用下經(jīng)過脫水形成比較致密的隔擋層，有效地阻止了深部熱流向地表淺部的運(yùn)移和擴(kuò)散。

良好的熱源和封閉的儲熱環(huán)境使共和盆地富集深部干熱巖、中淺部地下熱水資源。在現(xiàn)狀經(jīng)濟(jì)與技術(shù)條件下，新近系水熱型熱儲層是勘探和開發(fā)的首選。所開采的熱能可用于當(dāng)?shù)囟竟┡?，溫度超過100℃水熱資源也可用于小規(guī)模發(fā)電，以服務(wù)于共和盆地大型綠色能源基地光伏、風(fēng)電調(diào)峰。

2 方法

本次研究以勘查資料較為豐富的恰卜恰地?zé)崽锼疅嵝偷責(zé)豳Y源量評價(jià)為目標(biāo)，基于區(qū)內(nèi)已有勘探井巖性編錄、溫度測井和導(dǎo)熱系數(shù)測井?dāng)?shù)據(jù)，通過線性回歸分析，判斷新近系熱儲溫度主控因素，并建立回歸方程預(yù)測溫度空間分布；以50 m降深單井涌水量作為地下水可采資源量，計(jì)算熱儲層可采地?zé)豳Y源量；通過克里格插值，獲得恰卜恰地?zé)崽飪?yōu)勢靶區(qū)。

(1) 大地?zé)崃饔?jì)算

為了避免天然地下水流場對垂向溫度梯度影響，此次選取各鉆孔內(nèi)干熱巖段測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行大地?zé)崃饔?jì)算，公式為：

F=λ·ΔT/Δz

(1)

式中:F代表大地?zé)崃鳎琖/m2;λ代表導(dǎo)熱系數(shù)，W/m/℃;ΔT/Δz為溫度梯度，℃/m。

(2) 回歸分析

新近系熱儲溫度影響要素包括大地?zé)崃?、蓋層厚度(即上覆第四系地層厚度)、熱儲層內(nèi)部地下水流速和地層非均質(zhì)條件等，本次采用熱儲層溫度回歸方程為：

(2)

(3)

(3) 產(chǎn)熱能力計(jì)算

基于研究區(qū)內(nèi)不同勘探孔穩(wěn)定抽水試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定50 m降深條件下單井涌水量，采用普通克里格插值方法，獲得研究區(qū)范圍內(nèi)涌水量空間分布，在此基礎(chǔ)上計(jì)算不同位置熱儲層產(chǎn)熱能力：

E=ε·C·Q·(T-T0)

(4)

式中:E為產(chǎn)熱能力，W;ε為能力轉(zhuǎn)化系數(shù)，取0.85;C為比熱容，J/m3/℃;Q為單井涌水量，m3/s;T0為參考溫度，根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?，?5℃。

3 結(jié)果與討論

(1) 新近系熱儲溫度經(jīng)驗(yàn)方程構(gòu)建

選取6處鉆遇深部干熱巖體鉆孔(DR3、DR4、DR7、DR9、DR10、HG1)的測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行大地?zé)崃饔?jì)算(圖2)，熱傳遞系數(shù)取值為2.5 W/m/℃[21]。計(jì)算結(jié)果顯示(圖3a)：DR9、DR10和HG1大地?zé)崃髦递^高、變化幅度大，平均大地?zé)崃髦党^110 mW/m2；DR3、DR4、DR7大地?zé)崃髦底兓刃?，平均?shù)值介于80～110 mW/m2。

圖2 共和盆地恰卜恰地?zé)崽?處深部鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)和地層結(jié)構(gòu)Fig.2 Temperature logs in six deep wells within Qiabuqia geothermal field in Gonghe Basin and stratum structure

新近系熱儲溫度與埋藏深度和大地?zé)崃飨嚓P(guān)分析顯示(圖3b)：隨著熱儲層埋藏深度(蓋層厚度)的增加，熱儲溫度總體呈現(xiàn)線性增加的趨勢。而熱儲溫度與大地?zé)崃麝P(guān)系并不顯著(圖3a)：DR3、DR4、DR7三處鉆孔中新近系溫度隨著大地?zé)崃髟黾佣龃?，而DR9、DR10、HG1中新近系溫度與大地?zé)崃鳠o關(guān)。結(jié)合鉆孔內(nèi)部垂向溫度分布圖可以看出，DR3--DR7鉆孔中新近系溫度隨著埋深增加呈現(xiàn)線性增加的趨勢，且在新近系熱儲與干熱巖體界面位置，溫度并未出現(xiàn)明顯突變現(xiàn)象，這意味著三處鉆孔所在位置新近系熱儲地下水流速度緩慢，熱儲熱量傳遞以傳導(dǎo)為主，受對流作用影響較小。與之不同的是，DR9、DR10和HG1鉆孔中新近系熱儲溫度在垂向上增長趨勢受到壓制，在新近系和干熱巖體界面附近出現(xiàn)明顯的地溫梯度增加現(xiàn)象。這是由于三處鉆孔靠近北側(cè)補(bǔ)給邊界(圖1c)，新近系熱儲內(nèi)部地下水流速較大，對流作用相對活躍；受地下水補(bǔ)給作用影響，新近系熱儲溫度低于純粹熱傳導(dǎo)作用下的溫度，也導(dǎo)致了干熱巖體和新近系熱儲界面附近地溫梯度和大地?zé)嶂颠^估計(jì)。

圖3 新近系熱儲層溫度與大地?zé)崃?a)和頂板埋深(b)關(guān)系Fig.3 Relationship between temperatures in Neogene geothermal reservoir and heat flux (a) and depth of reservoir

基于上述相關(guān)性分析，構(gòu)建溫度與熱儲埋深線性回歸方程，在此基礎(chǔ)上，選擇大地?zé)崃髦悼煽康腄R3、DR4和DR7數(shù)據(jù)，增加建立殘差與大地?zé)崃飨嚓P(guān)方程，地下水流速對熱儲溫度影響以常數(shù)項(xiàng)體現(xiàn)于回歸方程之中。所構(gòu)建的回歸方程表達(dá)為：

(5)

σT=123.4-1.13F

(6)

(7)

(2) 新近系熱儲溫度和涌水量空間分布

以恰卜恰地?zé)崽?6處鉆孔巖性編錄為基礎(chǔ)(圖1b)，構(gòu)建研究區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(圖4a)，確定新近系熱儲層頂板埋深。大地?zé)崃髦蹈鶕?jù)前述計(jì)算結(jié)果，假設(shè)其服從均勻分布，數(shù)值范圍為80～110 mW/m2，進(jìn)行隨機(jī)抽樣。根據(jù)新近系熱儲埋深和大地?zé)崃骺臻g分布，采用式4計(jì)算獲得新近系熱儲溫度空間分布估計(jì)。結(jié)果顯示(圖4b)：恰卜恰地?zé)崽餃囟确植伎傮w呈現(xiàn)西部高、東部低的趨勢，與新近系熱儲的蓋層厚度分布趨勢基本一致；同時，受大地?zé)崃鞣蔷鶆蛐院偷叵滤饔绊懀瑴囟确植家渤尸F(xiàn)一定的擾動。

結(jié)合16處新近系熱儲抽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推測50 m降深單井涌水量。利用普通克里格插值，獲得單井涌水量空間分布，空間分辨率為100 m×100 m(圖4c)。結(jié)果顯示：區(qū)內(nèi)單井涌水量介于50～3 600 m3/d，空間上表現(xiàn)為西北區(qū)域涌水量大，而向南側(cè)和東側(cè)單井涌水量降低。

(3) 新近系熱儲產(chǎn)熱能力評價(jià)與靶區(qū)優(yōu)選

根據(jù)式3計(jì)算可得每100 m×100 m熱儲層產(chǎn)熱能力。結(jié)果顯示(圖4d)：恰卜恰地?zé)崽镂鞅眳^(qū)塊溫度高、單井涌水量大，產(chǎn)熱能力最強(qiáng)，局部地區(qū)可達(dá)20 MW/104m2。但在靠近北側(cè)補(bǔ)給邊界位置，受天然補(bǔ)給過程影響(冷水源)，產(chǎn)熱能力偏低。結(jié)合產(chǎn)熱能力空間分布圖，圈定面積約25 km2區(qū)塊作為共和恰卜恰地?zé)崽镄陆禑醿﹂_采優(yōu)勢區(qū)域，估算平均產(chǎn)熱能力可達(dá)18 MW/104m2。

圖4 共和盆地恰卜恰地?zé)崽锶S地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(a)，新近系熱儲溫度空間分布預(yù)測結(jié)果(b)， 50 m穩(wěn)定降深條件下涌水量空間分布圖(c)和熱儲產(chǎn)熱能力空間分布圖(d)Fig.4 3D stratigraphy of Qiabuqia geothermal field in Gonghe Basin (a), spatial distribution of temperature in Neogene geothermal reservoir(b), groundwater yield under drawdown of 50 m (c) and heat production rate (d)

4 結(jié)論

(2) 估算了恰卜恰地?zé)崽镄陆禑醿訙囟瓤蛇_(dá)160℃，在空間上呈現(xiàn)西高東低的趨勢；單井涌水量最高可達(dá)3 600 m3/d，高值區(qū)域出現(xiàn)于恰卜恰地?zé)崽镂鞅眳^(qū)域。

(3) 計(jì)算了新近系熱儲層產(chǎn)熱能力，并圈定恰卜恰地?zé)崽镂鞅眳^(qū)域、共和縣城西側(cè)約30～40 km、面積約25 km2優(yōu)勢靶區(qū)，平均產(chǎn)熱能力可達(dá)18 MW/104m2。