青海省恰卜恰地區(qū)深部熱儲(chǔ)溫度估算

李永革，藺文靜，邢林嘯，王貴玲，劉志明

1.河南省濮陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，河南 濮陽(yáng)457000；

2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊050000

隨著傳統(tǒng)能源的緊缺，環(huán)境的惡化，人類對(duì)新能源的需求越來(lái)越急切［1-4］.近年來(lái)，地?zé)崮艿难芯块_發(fā)利用，在一定程度上滿足了大家對(duì)清潔環(huán)保綠色能源的要求.熱儲(chǔ)溫度的高低，直觀地表明了地?zé)豳Y源的豐富程度［5-7］.因此熱儲(chǔ)溫度的確定對(duì)于合理開采地?zé)豳Y源具有非常重要的意義.確定熱儲(chǔ)溫度的方法有直接測(cè)量法和計(jì)算法兩種.直接法可靠精準(zhǔn)，但是難度大、投資高，在實(shí)際工作中不易實(shí)現(xiàn)，因此大多采用計(jì)算法對(duì)熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行估算［8］.常用的計(jì)算法包括二氧化硅溫標(biāo)法、鈉鉀溫標(biāo)法、鉀鎂溫標(biāo)法、鈉鉀鈣溫標(biāo)法、多礦物平衡法，但是各種方法計(jì)算的結(jié)果往往相差很大［9-12］.本文使用常規(guī)計(jì)算法和PHREEQC軟件模擬的多礦物平衡法，對(duì)青海省恰卜恰地區(qū)熱儲(chǔ)層溫度進(jìn)行計(jì)算，以期得出合理的熱儲(chǔ)溫度.

1 研究區(qū)概況及熱水化學(xué)基本特征

恰卜恰地?zé)釁^(qū)位于青海省共和盆地的共和凹陷內(nèi)，中心基底埋深大于3 000 m，形成了良好的熱儲(chǔ)層蓋層.區(qū)內(nèi)侵入巖以印支—燕山期花崗巖為主，主要礦物成分是石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、黑云母、角閃石.本文分析的兩個(gè)熱水井（見圖1）均屬于新近系的熱礦水，其水化學(xué)特征見表1.

表1 鉆孔W1、W2水化學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Hydrochemical data of boreholes W1 and W2

圖1 鉆孔W1、W2分布圖Fig.1 Distribution map of boreholes W1and W2

2 熱儲(chǔ)溫度的計(jì)算

近年來(lái)，隨著熱礦水開發(fā)研究的深入發(fā)展，地球化學(xué)方法被廣泛地應(yīng)用于地下熱礦水的勘查和研究中，其中利用地球化學(xué)溫標(biāo)估算深部熱儲(chǔ)溫度已成為重要的應(yīng)用方面［13-16］.地?zé)釡貥?biāo)方法主要有二氧化硅溫標(biāo)、陽(yáng)離子溫標(biāo)、同位素溫標(biāo)［17］、氣體溫標(biāo).限于取樣測(cè)試的結(jié)果，本文選用二氧化硅溫標(biāo)和陽(yáng)離子溫標(biāo)對(duì)熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行估算.

2.1 二氧化硅溫標(biāo)

二氧化硅礦物的溶解度在溶液蒸汽壓力下是溫度的函數(shù)，因此，可以將地?zé)崴卸趸铦舛茸鳛榈販赜?jì)［11］.但是，在應(yīng)用此溫度計(jì)時(shí)，應(yīng)該知道是何種二氧化硅礦物控制了水中二氧化硅的濃度.

如果熱水在上升到地面的過(guò)程中沒(méi)有蒸汽損失，或者僅存在傳導(dǎo)冷卻，石英溫標(biāo)表達(dá)式為：

如果熱水在上升到地面過(guò)程中具有某一溫度下最大蒸汽損失，或者以絕熱冷卻為主，則石英溫標(biāo)表達(dá)式為：

玉髓溫標(biāo)的表達(dá)式為：

式中，CSiO2表示水樣中二氧化硅的含量，單位為mg/L.

2.2 陽(yáng)離子溫標(biāo)

陽(yáng)離子溫標(biāo)是基于熱水與固相間的K、Na、Ca、Mg等陽(yáng)離子的交換與溫度的關(guān)系建立起來(lái)的，所有的陽(yáng)離子溫標(biāo)都是經(jīng)驗(yàn)性的公式.常用的有Na－K溫標(biāo)、Na－K－Ca溫標(biāo)、K－Mg溫標(biāo)等.

Na－K溫標(biāo)表達(dá)式為：

式中，CNa、CK分別代表水樣中鈉、鉀離子的含量，單位為mg/L.

Na－K－Ca溫標(biāo)表達(dá)式為：

式中，當(dāng)t＜100℃時(shí)，β＝4/3；t＞100℃時(shí)，β＝1/3；CNa、CK、CCa分別代表水樣中鈉、鉀、鈣離子的含量，單位為mg/L.

K－Mg溫標(biāo)表達(dá)式為：

式中，CK、CMg分別代表水樣中鉀、鎂離子的含量，單位為mg/L.

運(yùn)用上述各種溫標(biāo)，對(duì)恰卜恰地區(qū)熱水進(jìn)行熱儲(chǔ)溫度的估算（表2），發(fā)現(xiàn)不同方法計(jì)算出的熱儲(chǔ)溫度相差很大.其中石英溫標(biāo)估算結(jié)果最近接取樣時(shí)測(cè)得的水溫；玉髓溫標(biāo)、Na－K溫標(biāo)和K－Mg溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果明顯低于取樣時(shí)測(cè)得的水溫，Na－K－Ca溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果明顯高于石英溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果，故不具有參考價(jià)值.這是因?yàn)槿魏我环N地?zé)釡貥?biāo)的使用前提都是假設(shè)溶液－礦物達(dá)到平衡狀態(tài)，在溶液－礦物沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)的情況下，地?zé)釡貥?biāo)無(wú)法給出正確的結(jié)果.

表2 鉆孔W1、W2熱儲(chǔ)溫度的估算結(jié)果Table 2 Estimation for thermal reservoir temperatures of boreholes W1 and W2

2.3 水巖平衡判斷

選用各種地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算熱儲(chǔ)溫度必須符合一定要求，那就是作為地?zé)釡貥?biāo)的某種溶質(zhì)需與熱儲(chǔ)中的礦物達(dá)到平衡.但是大多數(shù)情況下，熱水在上升過(guò)程中，會(huì)發(fā)生脫氣現(xiàn)象以及與淺層冷水混合作用，導(dǎo)致某些作為地?zé)釡貥?biāo)的溶質(zhì)無(wú)法與熱儲(chǔ)中的礦物達(dá)到平衡［18-21］.

2.3.1 鈉鉀鎂三角圖

Na－K－Mg三角圖解法由Giggenbach于1988年提出，在圖中分為完全平衡、部分平衡和未成熟水3個(gè)區(qū)域，常被用來(lái)評(píng)價(jià)水－巖平衡狀態(tài)以及區(qū)分不同類型的水樣.根據(jù)表1的數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用Na－K－Mg三角圖對(duì)兩個(gè)鉆孔水樣進(jìn)行分析（圖2）.

圖2 鉆孔W1、W2的鈉鉀鎂三角圖Fig.2 The Na－K－Mg triangular diagram of boreholes W1 and W2

由圖2可以看出，兩個(gè)鉆孔的水樣均處于部分平衡區(qū)，說(shuō)明熱水在上升過(guò)程中冷水混入比例較小，或者脫氣作用不明顯，具有較深的熱水循環(huán)特征，故可以選用部分陽(yáng)離子溫標(biāo)計(jì)算熱儲(chǔ)溫度作為參考數(shù)值.這與上述計(jì)算結(jié)果分析一致.

2.3.2 多礦物平衡法

多礦物平衡法是將水中的多種礦物的溶解狀態(tài)當(dāng)成溫度的函數(shù).若一組礦物在一定的溫度下同時(shí)接近平衡，則說(shuō)明熱水與水中的礦物達(dá)到了平衡；反之，則說(shuō)明熱水與水中的礦物未達(dá)到平衡.對(duì)研究區(qū)采集的兩組熱水樣用PHREEQC進(jìn)行模擬（圖3），由于水樣分析結(jié)果中鋁離子濃度未檢測(cè)出，假設(shè)W1、W2兩鉆孔的鋁離子的濃度都為0.05 mg/L.由圖3a可以看出，鉆孔W1數(shù)據(jù)分析出的水中可能的礦物不收斂，說(shuō)明水－巖還未達(dá)到平衡，可能是冷水的混入比較嚴(yán)重.雖然鉆孔W2水樣中的部分礦物在一點(diǎn)收斂，但是交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度低于水樣測(cè)試的溫度（圖3b），說(shuō)明可能有冷水混入，導(dǎo)致礦物在更低的溫度下達(dá)到平衡，估算的溫度也不是深部熱儲(chǔ)的溫度.但是由圖3可以看出，石英呈現(xiàn)收斂的的趨勢(shì)，可以推斷出該地區(qū)二氧化硅含量由石英控制.

圖3 鉆孔W1、W2的多礦物平衡圖解Fig.3 Multi-mineral equilibrium diagram of boreholes W1 and W2

3 混合與脫氣作用的校正

地?zé)崴谏仙^(guò)程中與冷水的混合是地?zé)嵯到y(tǒng)中常見的問(wèn)題之一，這導(dǎo)致多礦物平衡圖中缺少平衡［12］.由于所研究的水樣點(diǎn)處于部分平衡區(qū)，可能是因?yàn)橛欣渌烊?，?dǎo)致估算的熱儲(chǔ)溫度不能反映深部熱儲(chǔ)溫度，故需對(duì)混入的冷水進(jìn)行計(jì)算.

3.1 用計(jì)算法求混合水中冷水的份額及熱水的溫度

A.H.特魯斯德爾和R.O.福尼埃在1981年總結(jié)了冷熱水摻和過(guò)程，總結(jié)出了如下混合的冷水份額X的解：

式中，Sc為近地表冷水的焓，Sh為熱水的初焓，Ss為取樣點(diǎn)的焓值.

對(duì)于研究區(qū)冷水點(diǎn)的溫度，選當(dāng)?shù)乩渌c(diǎn)溫度17.63℃，對(duì)應(yīng)的二氧化硅含量為12.2 mg/L，分別計(jì)算W1、W2冷水混入比例（圖4）.

圖4 鉆孔W1、W2冷水混入比例計(jì)算圖解Fig.4 Diagram of cold water mixing proportions in boreholes W1 and W2

由圖4可以算出，W1、W2鉆孔冷水混入比例分別為0.29、0.32，對(duì)應(yīng)的混合前的熱水溫度分別為113℃、103℃.

3.2 硅焓圖解法計(jì)算冷水混入比例

A.H.特魯斯德爾和R.O.福尼埃設(shè)計(jì)了石英溶解度－熱水焓值曲線圖求解，作圖方法為：根據(jù)當(dāng)?shù)乩渌屎蚐iO2含量在坐標(biāo)系中投下點(diǎn)A，再根據(jù)井水焓和SiO2含量投下點(diǎn)B，A、B兩點(diǎn)連成直線，延長(zhǎng)該直線與石英溶解度曲線相交于點(diǎn)C，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的焓值即為混合水前的初焓.AB、AC兩線段的長(zhǎng)度比即為地下熱水在混合水中的比例.

做出石英溶解度曲線，并將取樣點(diǎn)和冷水點(diǎn)連線延長(zhǎng)與石英溶解度曲線相交（圖5）.交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)焓值即為深部熱儲(chǔ)平衡時(shí)的焓值.并可以算出W1、W2鉆孔熱水中冷水混合比例分別為0.24、0.34，對(duì)應(yīng)的熱儲(chǔ)溫度分別為107℃、96℃，這與用計(jì)算法算出來(lái)的結(jié)果基本相符.

圖5 鉆孔W1、W2的硅－焓圖Fig.5 The silica-enthalpy diagram of boreholes W1 and W2

綜合計(jì)算法和硅焓圖解法得出的冷水混入比例，對(duì)兩者求平均值，得出W1、W2熱水井混入冷水比例最終分別為0.26、0.33，則熱水比分別為0.74、0.67.

3.3 用PHREEQC對(duì)混合和脫氣作用進(jìn)行校正

通過(guò)上述方法分析得知，研究區(qū)兩個(gè)鉆孔水樣均有冷水混入.現(xiàn)場(chǎng)取樣發(fā)現(xiàn)，液體中有氣泡現(xiàn)象，故可以判斷深部液體同時(shí)有氣體脫出.故需對(duì)深部液體進(jìn)行重建，模擬混合作用和脫氣作用對(duì)采樣點(diǎn)水化學(xué)平衡的影響，進(jìn)而判斷深部熱儲(chǔ)溫度.圖6是考慮了水混合作用、脫氣作用的固定鋁的PHREEQC模擬結(jié)果.圖6的模擬計(jì)算條件都是假定Al＝0.05 mg/L，其余組分的濃度均除以各自的熱水比，即分別為0.74、0.67，同時(shí)在溶液中加入適量CO2氣體.由圖6可見各礦物的收斂性很好，如石英、滑石粉、方解石等礦物均與SI＝0相交于某一溫度附近，同時(shí)說(shuō)明該采樣點(diǎn)地下熱水中石英控制著熱水和二氧化硅之間的平衡.由此可知鉆孔W1、W2深部熱儲(chǔ)溫度分別為110℃、86℃.

圖6 鉆孔W1、W2的PHREEQC模擬結(jié)果Fig.6 PHREEQC simulation results of boreholes W1 and W2

綜合上述各種方法計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度，可以發(fā)現(xiàn)石英溫標(biāo)計(jì)算的結(jié)果與PHREEQC模擬的熱儲(chǔ)溫度很接近，因此取兩種計(jì)算方法的溫度的平均值作為深部熱儲(chǔ)溫度（表3）.同時(shí)由兩井深度可以算出地溫梯度大約為：

表3 鉆孔W1、W2的熱儲(chǔ)溫度Table 3 Thermal reservoir temperatures of boreholes W1 and W2

4 結(jié)論

1）恰卜恰地區(qū)深部熱水中二氧化硅的含量主要是由石英控制的，故熱儲(chǔ)溫度的估算應(yīng)用石英溫標(biāo)公式計(jì)算.Na－K溫標(biāo)、K－Mg溫標(biāo)估算的熱儲(chǔ)溫度明顯低于石英溫標(biāo)，Na－K－Ca溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果偏高，故陽(yáng)離子溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確.

2）由于鉆孔混入了冷水，并伴有脫氣現(xiàn)象的發(fā)生，需對(duì)水樣進(jìn)行重新定義.重新定義過(guò)的熱水樣用PHREEQC進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與石英溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果結(jié)合，可以確定深部熱儲(chǔ)溫度.

3）由估算結(jié)果可知恰卜恰地區(qū)的新近系熱儲(chǔ)溫度在86～107℃，地溫梯度約為6℃/100 m，屬于地?zé)岙惓^(qū)，具有理想的地?zé)豳Y源開發(fā)利用前景.