鄭州市經(jīng)開區(qū)地熱資源分布及開發(fā)利用研究

黃繼超，榮富強，王鐵霖

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450003；2.三門峽市自然資源和規(guī)劃局，河南 三門峽 472000）

1 引言

鄭州市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)蘊藏有較豐富的地熱資源，地熱資源的合理有序開發(fā)對提高人民生活質(zhì)量和城市品位，營造良好的投資環(huán)境，促進鄭州市綠色城市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展，帶動以鄭州為中心的中原城市群經(jīng)濟的快速崛起有著十分重要的意義。

2 地熱地質(zhì)條件

2.1 熱儲邊界條件

鄭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)地熱田以老鴉陳斷層為西邊界，鄭州市萬三公路為東邊界，隴海鐵路為北邊界，鄭民高速以南1 km為南邊界，鄭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)地熱田總面積為158.50 km2。

老鴉陳斷層屬于西部半隔水邊界，東部邊界、北部邊界屬于無限擴展邊界，南部屬于半無限擴展邊界，見圖1。

圖1 地熱邊界分布簡圖

2.2 熱褚特征及埋藏條件

研究區(qū)新近系地層在工作區(qū)分布較為普遍，根據(jù)目前地熱井開采深度和熱儲埋藏深度，鄭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)熱儲類型分為明化鎮(zhèn)組熱儲（埋深350～800 m）、館陶組熱儲（埋深800～16 000 m）。

2.2.1 明化鎮(zhèn)組熱儲

指埋藏深度在350～800 m以內(nèi)，總厚度24.30～226.30 m，平均厚155.30 m。滲透系數(shù)0.49～2.64 m/d，平均1.46 m/d；導(dǎo)水系數(shù)35.20～273 m2/d，平均141 m2/d；平均壓力傳導(dǎo)系數(shù)4.10×104m2/d；彈性釋水系數(shù)3×10-7～3.80×10-3，平均3.44×10-3；單位涌水量1～3（m3/h·m）。一般井口水溫25℃～39℃。

2.2.2 館陶組熱儲

指埋藏深度800～1 600 m。熱儲層為新近系館陶組下段湖相沉積物，巖性以細砂、中細砂為主，含水層組頂板埋深807.60～943.50 m，總厚度86～187 m。導(dǎo)水系數(shù)17.32～33 m2/d，平均25 m2/d；壓力傳導(dǎo)系數(shù)平均為2.78×104m2/d；彈性釋水系數(shù)平均為8.99×10-4；單位涌水量一般小于1.00（m3/h·m），多數(shù)在0.50（m3/h·m），局部大于1（m3/h·m）。井口水溫40℃～48℃。

2.3 熱下熱水水位動態(tài)特征

2.3.1 明化鎮(zhèn)組熱儲地下熱水水位動態(tài)特征

研究區(qū)多年來地下水位處于連續(xù)下降狀態(tài)。如鄭安花園小區(qū)（YS32）720 m地熱井，2012-2018 年，地下水位由31.37 m，下降至84.76 m，平均年降幅8.89 m。其中最小年變幅0.87 m，最大年變幅11.03 m。

從水位年內(nèi)變化分析，枯水期（4月份）水位埋深83.60 m，豐水期（8月份）水位埋深84.30 m?？梢娔陜?nèi)水位變化主要受控于開采量增減變化，豐水期反而水位持續(xù)下降，屬典型的開采型動態(tài)特征。

2.3.2 館陶組熱儲地下熱水水位動態(tài)特征

研究區(qū)礦業(yè)集團家屬院（YC67）地熱井，井深1 015.00 m，2012 年水位埋深80.53 m，2018 年水位埋深145.85 m，年平均年降幅10.88 m。從水位年內(nèi)變化分析，枯水期（4月份）水位埋深135.60 m，豐水期（8月份）水位埋深138.70 m?？梢娔陜?nèi)水位變化主要受控于開采量增減變化，豐水期反而水位持續(xù)下降，屬典型的開采型動態(tài)特征。

3 地熱資源及淺層地溫能評價

3.1 地熱資源評價

地熱資源計算按照地熱地質(zhì)單元劃分，見圖2。分別計算鄭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)明化鎮(zhèn)組（350～800 m）和館陶組（800～1 600 m）地熱資源，所計算的地熱資源量、預(yù)可開采量及其可利用的熱量均相當于推斷儲量。

圖2 鄭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)地熱熱儲面積計算分區(qū)圖

工作區(qū)明化鎮(zhèn)組熱儲層中儲存熱總量9.11×1017J，地熱流體資源總量6.51×109m3，地熱流體中儲熱總量3.98×1017J；工作區(qū)館陶組熱儲層中儲存熱總量3.01×1018J，地熱流體資源總量9×109m3，地熱流體中儲熱總量1.28×1018J。明化鎮(zhèn)組熱儲區(qū)年可開采熱水量1.63×107m3/a，年可利用熱水中熱能2.76×108kWt；館陶組熱儲區(qū)年可開采熱水量1.79×107m3/a，年可利用熱水中熱能7.12×108kWt。具體地熱資源量及年可開采量情況，見表1。

表1 地熱資源可開采量計算成果一覽表

3.2 淺層地溫能資源評價

鄭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)處于黃河沖積平原，淺層含水層巖性由中粗砂、中細砂、細砂組成，含水層頂板埋深10～30 m，底板埋深40～50 m，含水層由3～6 層中砂、細砂、細粉砂組成，自上而下由細變粗，厚度10～25 m，單井涌水量20～50 m3/h。頂板埋深50 m 以下至150 m 的中深層含水層組，含水層總厚度12～56 m，由3～6 層細砂、中砂組成。單位涌水量25～57.50（m3/h·m）。淺層地熱能利用層位淺，單井出水量較大，水質(zhì)一般，適宜淺層地熱能利用。因此，鄭州市淺層地熱能資源豐富，開發(fā)利用條件良好。

3.2.1 計算原則

計算范圍為地埋管適宜區(qū)和較適宜區(qū)內(nèi)，恒溫帶深度至150 m以淺第四系與新近系松散層厚度。

3.2.2 計算方法

將工作區(qū)150 m以淺地層概化為均勻?qū)訝?，按照穩(wěn)定傳熱條件計算U型地埋管的單孔換熱功率，然后根據(jù)單孔換熱功率計算評價區(qū)換熱功率。

3.2.3 計算結(jié)果

根工作區(qū)地埋管地源熱泵功率計算結(jié)果見表2。

表2 地埋管地源熱泵換熱功率計算成果表

3.3 對比評價

熱資源可開采量計算成果見表3。

表3 地熱資源可開采量計算成果一覽表

4 地熱資源開發(fā)利用評價

4.1 地熱資源現(xiàn)狀開采量統(tǒng)計

目前開發(fā)區(qū)地下水年總開采量為726.80×104m3/a，其中，淺層（井深50～100 m）地下水年開采量為64.80×104m3/a，中深層（井深150～500 m）地下水年開采量為447×104m3/a ，明化鎮(zhèn)組（熱儲層深600～800 m）地熱礦泉水年開采量為150×104m3/a，館陶組（熱儲層深800～1 600 m）地熱礦泉水年開采量為290×104m3/a，則各層分別占地下水開采總量的6.81%，46.96%，15.76%和30.47%。

4.2 開發(fā)利用可行性評價

鄭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)地熱田新近系底板埋深700～1 600 m，成井深度800～1 200 m，向東延伸之中牟邊界成井深度達到1 800 m。就成井深度考慮開采成本，部分地熱井井深小于1 000 m，為開采最經(jīng)濟的，部分地熱井井深大于1但小于2 000 m，為開采經(jīng)濟的地熱井。

4.3 開發(fā)利用潛力分析

研究區(qū)，集中區(qū)地熱水開采潛力指數(shù)1.05介于1.20～0.80之間，屬于采補平衡，不建議對該區(qū)進行大規(guī)模的地熱開發(fā)。分散開采區(qū)地熱水開采潛力指數(shù)P=25.80＞1.20 ，屬于有開采潛力區(qū)，可以擴大開采，可增加允許開采量為11.20×104（m3/km2.a），屬于潛力中等區(qū)。工作區(qū)內(nèi)后張莊村以東可以列為重點勘查開發(fā)區(qū)。

5 地熱資源開發(fā)利用環(huán)境影響評價

5.1 大氣環(huán)境影響評價

研究區(qū)沉積盆地地熱田地熱流體屬低溫地熱資源中的溫水，地熱流體中不含二氧化碳（CO2）和硫化氫（H2S）等非凝氣體。因此，開發(fā)利用沉積盆地地熱田地熱資源，不會對大氣環(huán)境造成污染。

5.2 水環(huán)境影響評價

根據(jù)《污水綜合排放標準》調(diào)查鄭州市水質(zhì)分析匯總資料，井口水溫27.20℃～35℃，絕大多數(shù)水井水溫超標，其它評價指標均符合污水排放標準。800～1 200 m 的深井，井口水溫31℃～46.50 ℃，水溫全部超標，PH值、溶解性總固體各有1眼井超標，其它評價指標均符合污水排放標準。

5.3 地面塌陷影響評價

對地下熱儲層水資源開發(fā)仍然要采取謹慎態(tài)度，以防止長期大規(guī)模開采地熱水，更應(yīng)密切注意并防止超采，建議應(yīng)加強不同開采層位的地面變形監(jiān)測。

6 結(jié)語

研究區(qū)明化鎮(zhèn)組熱儲層中儲存熱總量9.11×1017J；館陶組熱儲層中儲存熱總量3.01×1018J；150 m 以淺土壤源地源熱泵換熱功率為5.40×1010kWt/a；大部分地區(qū)地熱井地熱流體單位產(chǎn)量10～50 m3/（d·m），為較適宜開采區(qū)，空間分布上呈現(xiàn)出東部（后張莊村以東）優(yōu)于西部的趨勢。工作區(qū)內(nèi)后張莊村以東可以列為重點勘查開發(fā)區(qū)；地熱資源開發(fā)利用不會對大氣環(huán)境和水環(huán)境造成污染；目前開采條件下，不易產(chǎn)生地面沉降問題。今后，應(yīng)繼續(xù)謹慎和科學合理地開采地熱水，嚴格防止長期大規(guī)模超采熱儲層水資源。應(yīng)重視因熱儲壓力下降，導(dǎo)致地面變形和沉降的問題。