雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锼E縣系熱儲特征及資源量評估

高 俊, 李燕燕, 王貴玲, 張保建*, 邢一飛

1)中國地質(zhì)科學(xué)院, 北京 100037;2)自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北石家莊 050061;3)中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北石家莊 050061

雄安新區(qū)具有得天獨厚的地?zé)豳Y源潛力, 水熱型地?zé)豳Y源豐富, 該地區(qū)具有高滲透熱儲和區(qū)域連續(xù)性蓋層的凸起構(gòu)造是我國中東部地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用條件最好的地區(qū)(馬峰等, 2020; 郭颯颯等,2020; 羅寧等, 2021)。雄安新區(qū)包括了牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽铩⑷莩堑責(zé)崽锎蟛糠忠约案哧柕責(zé)崽锉辈?。地?zé)豳Y源分布廣、埋藏淺、溫度高、儲量大、水質(zhì)優(yōu), 屬于地?zé)豳Y源非常豐富的地區(qū)(王貴玲等, 2017; 龐忠和等, 2017, 2020), 但該地區(qū)深部地?zé)豳Y源賦存條件復(fù)雜, 目前深部熱儲結(jié)構(gòu)不明。地?zé)峥茖W(xué)鉆探為獲取深部熱儲空間結(jié)構(gòu)有關(guān)數(shù)據(jù)提供了直接手段, 也為獲取深部流體樣品提供了機(jī)會(趙佳怡, 2020)。牛駝鎮(zhèn)、容城地?zé)崽镉捎谔妓猁}巖熱儲埋深較淺, 已具有多年開發(fā)歷史和較大開發(fā)規(guī)模。吳愛民等(2018)分析了位于容城—牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽镏心喜康牡責(zé)徙@孔, 闡明了3500 m深度的巖溶熱儲的主要參數(shù), 初探了深部巖溶熱儲空間結(jié)構(gòu)。何登發(fā)等(2018)綜合利用最新的高精度地震和深鉆井資料, 建立了雄安新區(qū)的地層和構(gòu)造系統(tǒng), 該區(qū)凸起和凹陷相間發(fā)育的構(gòu)造格局和斷裂分布特征對區(qū)內(nèi)油氣和地?zé)豳Y源的儲集條件和富集規(guī)律有著重要的控制作用。魯鍇(2019)對霧迷山組巖溶熱儲特征和演化過程進(jìn)行了深入研究,霧迷山組巖溶熱儲主要巖性為晶粒白云巖, 巖性及巖相、成巖作用和構(gòu)造應(yīng)力是霧迷山組有利熱儲形成的主控因素。戴明剛等(2019a)總結(jié)了雄安新區(qū)起步區(qū)及周邊地區(qū)地?zé)豳Y源成藏模式與影響因素, 并對雄安新區(qū)3500 m以淺的碳酸鹽巖熱儲可采資源量進(jìn)行了評估, 雄安新區(qū)地?zé)豳Y源量回收率和布井規(guī)模有限制, 目前霧迷山組主流單井產(chǎn)量110 m3/h、回注量165 m3/h、井距500 m合理, 可以滿足100年的地?zé)崽镩_發(fā)壽命且符合國家水熱下降許可指標(biāo)(戴明剛等, 2019b)。唐博寧等(2020)詳細(xì)分析了霧迷山組巖溶裂隙的形成演化與幾何特征, 熱儲中裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育, 連通性好, 具有非常好的導(dǎo)水儲水性能, 為霧迷山組地?zé)豳Y源富集提供了良好條件。胡秋韻等(2020)通過分析容城凸起地?zé)豳Y源成藏模式, 基于COMSOL軟件, 模擬了不同采灌量對可采地?zé)豳Y源量的影響, 通過在各開采區(qū)內(nèi)合理布置開采和回灌井, 評價了容東地區(qū)采灌均衡條件下的地?zé)豳Y源量。馬峰等(2020)分析了容城地?zé)崽餆醿臻g分布特征及資源潛力, 分析了深部薊縣系霧迷山組和高于莊組熱儲空間分布特征, 并對深部熱儲資源潛力進(jìn)行了評價。

雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锵鄬τ谂ｑ勬?zhèn)、容城地?zé)崽锒? 勘查程度較低。雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锾妓猁}巖熱儲埋深較深, 開發(fā)時間較晚, 規(guī)模較小。中國地質(zhì)調(diào)查局在高陽地?zé)崽锉辈可畈刻妓猁}巖地?zé)豳Y源探測取得重要進(jìn)展, 繼2019年探獲了單井供暖面積50萬 m2的華北地區(qū)產(chǎn)能最大地?zé)峋? 又于 2020年探獲了井口溫度達(dá) 123.4 ℃的華北地區(qū)溫度最高的地?zé)峋?。兩口高溫、高產(chǎn)地?zé)峋某晒嵤? 揭示了雄安新區(qū)深部存在地?zé)衢_發(fā)的第二空間, 深部碳酸鹽巖熱儲溫度高、流量大、開發(fā)潛力巨大。王貴玲等(2020)依托雄安新區(qū)高陽地?zé)崽镏斜辈康?D35孔, 通過抽水試驗、水樣測試分析, 研究霧迷山組巖溶熱儲特征、主要參數(shù), 薊縣系霧迷山組巖溶熱儲,巖性主要為白云巖、泥質(zhì)白云巖。D35孔單井供暖潛力達(dá)38.5萬m2, 為目前發(fā)現(xiàn)的雄安新區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)能最大地?zé)峋Ｍ跛肩鞯?2021)分析總結(jié)了雄安新區(qū)高陽地?zé)崽飽|北部深部古潛山地?zé)豳Y源的最新勘查成果, 闡述了雄安新區(qū)深部高溫古潛山熱田的聚熱機(jī)制。

本文基于中國地質(zhì)調(diào)查局在雄安高陽地?zé)崽锏責(zé)峥茖W(xué)鉆探獲取的深部空間數(shù)據(jù)和樣品采集數(shù)據(jù),分析了雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锷畈繜醿臻g結(jié)構(gòu), 并結(jié)合雄安新區(qū)地?zé)衢_發(fā)利用基本原則, 利用數(shù)值模擬方法, 對雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锷畈繜醿Y源潛力進(jìn)行了評價。

1 研究區(qū)概況

1.1 地?zé)岜尘?/h3>

雄安新區(qū)安新縣中南部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上為高陽臺凸的一部分, 也屬于高陽地?zé)崽?。安新縣有華北最大的淡水湖泊白洋淀, 地表水、地下水資源均豐富(劉偉坡等, 2013), 為開發(fā)地?zé)崽峁┝肆己玫臈l件。可開發(fā)利用的地?zé)豳Y源有兩層, 上層地?zé)崽N藏于新生界第三系的館陶組和孔店組, 水溫 45～84 ℃; 下層蘊含在薊縣系, 水溫 70～120 ℃, 其特點是: 貯量大, 埋藏深, 水溫高, 壓力強(qiáng), 水質(zhì)性狀良好。

雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锕灿械責(zé)峋?25口, 其中,新近系館陶組孔隙型熱儲地?zé)峋?19眼, 古生界寒武—奧陶系裂隙巖溶型熱儲地?zé)峋?3眼, 元古界長城—薊縣系裂隙巖溶型熱儲地?zé)峋?眼。地?zé)崴觊_采量 64.32×104m3, 主要用于供暖和洗浴, 供暖面積達(dá)到16.01×104m2, 年洗浴人次13.8萬人(劉現(xiàn)川等, 2018)。

1.2 區(qū)域構(gòu)造

雄安新區(qū)所處的華北平原北部主要由自西向東的太行山隆起、冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷4個呈“凸凹”相間的構(gòu)造單元控制。雄安新區(qū)位于渤海灣盆地西部的冀中坳陷內(nèi), 構(gòu)造單元上包括牛駝鎮(zhèn)凸起、容城凸起、高陽低凸起北部以及部分霸縣凹陷和饒陽坳陷(圖1)。在高陽低凸起及周邊形成“凹中有凸”的構(gòu)造形態(tài)(圖1)(于長春等, 2017; 何登發(fā)等, 2018; 吳愛民等, 2018)。整體位于冀中坳陷北部與中部的構(gòu)造過渡與轉(zhuǎn)換部位(楊明慧等, 2002;郭颯颯等, 2020; 崔悅, 2020)。冀中坳陷基底地層凹凸相間的構(gòu)造格局下產(chǎn)成的熱流側(cè)向再分配造成該區(qū)異常高的地溫場和大地?zé)崃髦?陳墨香等, 1982,1990; 陳墨香, 1988; 熊亮萍和張菊明, 1988)。

圖1 雄安新區(qū)高陽低凸起區(qū)構(gòu)造圖(據(jù)郭颯颯等, 2020修改)Fig. 1 Structural diagram of the Gaoyang low uplift in Xiongan New Area(modified from GUO et al., 2020)

雄安新區(qū)新近紀(jì)以來地層沉積穩(wěn)定, 第四系、新近系厚度變化較小。古近系以下地層則受構(gòu)造影響,沉積厚度有較大區(qū)別。南北剖面(圖2)顯示高陽低凸起古近系厚度千米左右, 下伏薊縣系地層厚度大于500 m; 向北至安新轉(zhuǎn)換帶, 古近系最深處厚度增大至 2000 m以上, 已揭露的薊縣系也顯示裂隙發(fā)育,水量較大且溫度較高; 穿越徐水?dāng)嗔阎寥莩堑責(zé)崽锖? 古近系較少沉積, 新近系明化鎮(zhèn)組與下伏薊縣系霧迷山組等地層呈不整合接觸, 薊縣系普通厚度較大, 最深處超過2000 m。北西向剖面(圖3)顯示高陽低凸起西側(cè)的保定凹陷內(nèi), 古近系沉積厚度巨大,但向東至高陽低凸起頂部方向厚度急劇變薄, 且出現(xiàn)寒武、奧陶、青白口等地層(圖1), 至高陽低凸起頂部后新生界直接位于薊縣系之上, 古近系下部地層缺失, 薊縣系頂板埋深在 2900～4000 m, 地層厚度數(shù)百米至近兩千米, 頂部破碎帶發(fā)育。

圖2 雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锬媳毕?B-B’)地質(zhì)剖面(B-B’位置見圖1)Fig. 2 North-south geological section of Gaoyang geothermal field (location of B-B’ as in Fig. 1)

圖3 雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锉蔽飨?F-F’)地質(zhì)剖面(F-F’位置見圖1)Fig. 3 NW geological section of Gaoyang geothermal field(location of F-F’ as in Fig. 1)

1.3 地溫場特征

利用測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行了鉆井的深度-溫度和地溫梯度曲線繪制(圖4), 并計算了鉆井的各熱儲的地溫梯度。在150 m以淺, 井溫受淺部地表水的擾動比較嚴(yán)重, 線性關(guān)系不好; 在 1000 m 以深地?zé)峋木€性關(guān)系良好, 反映了傳導(dǎo)型地溫場的特點, 隨著深度的增加溫度呈線性增加; 3500 m以深是巖溶熱儲,雖然還是線性增加關(guān)系, 但是地溫梯度明顯降低,原因在于巖溶熱儲巖性為灰?guī)r、白云巖, 這類巖石的熱導(dǎo)率明顯高于新生代的砂泥質(zhì)沉積巖(1倍以上)。鉆孔溫度與深度之間呈現(xiàn)較好的線性規(guī)律, 溫度隨深度增加而增加, 地溫梯度值波動不大, 呈現(xiàn)出傳導(dǎo)型增溫特點(圖4)。從平面上看, 從西向東,地溫梯度由 2.33 ℃/(100 m)逐漸增加到東部的2.60～2.70 ℃/(100 m), 反映了從西部保定凹陷到中部高陽低凸起區(qū), 地溫梯度逐漸增大。D35孔古近系孔店組與薊縣系霧迷山組的接觸部位, 地溫梯度2.5 ℃/(100 m)猛增到十幾℃/(100 m), 說明深部基巖地?zé)崴膶α饔绊懯谴嬖诘摹?/p>

圖4 雄安新區(qū)高陽地?zé)崽镢@孔穩(wěn)態(tài)測溫與地溫梯度曲線Fig. 4 Steady-state temperature measurement and geothermal gradient curves of boreholes in Gaoyang geothermal field

研究區(qū)斷裂構(gòu)造及巖溶比較發(fā)育, 利于碳酸鹽巖地下水的深循環(huán)對流加熱后上升, 使深部熱更易到達(dá)淺層, 形成局部淺部熱異常, 因此這些斷裂發(fā)育帶往往是熱儲最發(fā)育的地區(qū)。新生界地溫梯度(2.5 ℃/(100 m)左右)明顯高于薊縣系碳酸鹽巖的地溫梯度(1.0 ℃/(100 m)左右)(圖4), 說明在3500 m深度以下碳酸鹽巖地下水的深循環(huán)熱對流仍然比較強(qiáng)烈。深部碳酸鹽巖熱儲的地溫梯度, 與巖溶發(fā)育程度亦密切相關(guān), D34孔薊縣系高于莊組比D35孔薊縣系霧迷山組巖溶發(fā)育程度更強(qiáng)烈, 相對應(yīng)的 D34孔地溫梯度(1.20 ℃/(100 m))明顯高于 D35孔地溫梯度(0.90 ℃/(100 m))。牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)與容城凸起新生界的地溫梯度較高, 最高分別在 8.0 ℃/(100 m)與6.0 ℃/(100 m)以上, 高陽低凸起地溫梯度較低,在2.5～3.0 ℃/(100 m)之間(圖5), 這主要是因為牛駝鎮(zhèn)凸起區(qū)與容城凸起基巖埋深較淺, 新生界底部碳酸鹽巖熱儲水熱對流明顯而溫度較高, 且熱量容易沿?zé)釋?dǎo)率高的巖層傳遞, 因而使下伏基巖的頂部保持較高的溫度, 對上部新生界有一定的“烘烤”作用。

圖5 雄安新區(qū)新生界地溫梯度等值線圖(據(jù)戴明剛等修改, 2019a)Fig. 5 Contour map of geothermal gradient in the Cenozoic region of Xiongan New Area(modified from DAI et al., 2019a)

2 熱儲空間結(jié)構(gòu)

2.1 熱儲特征

根據(jù)地層時代沉積韻律旋回, 熱儲發(fā)育程度,穩(wěn)定隔水層的分布及其水文地質(zhì)特征, 將本區(qū)熱儲類型分為兩種類型: 一種是以熱傳導(dǎo)為主的, 在大地?zé)崃骺刂谱饔孟滦纬傻目紫缎蜔醿? 即第三系熱儲; 另一種是在熱傳導(dǎo)與熱對流共同作用下形成的深循環(huán)構(gòu)造裂隙型熱儲, 即基巖熱儲。雄安新區(qū)高陽地?zé)崽镒陨隙聼醿χ饕獮榘ㄐ律缧陆叼^陶組、古生界寒武系和中元古界薊縣系、長城系等熱儲(圖6)。目前5000 m以淺可開采熱儲為館陶組孔隙熱儲與基巖熱儲。基巖裂隙巖溶熱儲包括奧陶寒武系、薊縣系熱儲。中元古界薊縣系熱儲在區(qū)內(nèi)分布廣泛, 為區(qū)內(nèi)最重要的熱儲, 具有埋藏淺、溫度高、水量大、易采易灌的優(yōu)點。

圖6 雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锏湫偷貙泳C合柱狀圖(據(jù)何登發(fā)等修改, 2018)Fig. 6 Comprehensive histogram in Gaoyang geothermal field (modifed from HE et al., 2018)

(1)新近系館陶組孔隙熱儲

新近系館陶組熱儲在雄安新區(qū)均有分布, 包括安新轉(zhuǎn)換帶和高陽低凸起地區(qū), 巖性以砂巖、泥巖為主。地層頂界埋深一般為1000～1600 m, 底界埋深 1200～2200 m。地層厚度為300～500 m, 熱儲厚度一般為 60～206 m, 厚者達(dá) 340 m。巖性以砂巖、砂礫巖為主, 呈微固結(jié)-半固結(jié)。熱儲層數(shù)一般為5～11層, 單層厚度一般為7～15 m, 最薄2.0 m,最厚可達(dá) 33.3 m。砂厚比為 24%～51.4%, 孔隙度22%～30%。熱儲中部溫度為47～75 ℃。地?zé)峋樗囼烇@示, 館陶組熱儲單井出水量 65～87 m3/h,水溫50～70 ℃。是本區(qū)主要的熱儲之一。

(2)薊縣系霧迷山組熱儲

霧迷山組熱儲主要為白云巖, 在高陽低凸起的頂部與蠡縣斜坡北部的雁翎潛山一帶, 頂界埋深為3000～3500 m, 深部頂界埋深為3500～4000 m。霧迷山組熱儲厚度約為 300～1000 m儲厚比均值為19.0%左右。巖石孔隙度一般小于6.0%, 最大孔隙度可達(dá)22.4%, 平均孔隙度為3.39%。滲透率分布范圍較大, 從0.01～1 000 mD及以上均有分布, 主要分布于0.01～100 mD之間, 所占比達(dá)87.8%。熱儲溫度一般在 100～120 ℃, 出水量 90～170 m3/h左右,礦化度2～6.5 g/L。

(3)薊縣系高于莊組熱儲

高于莊組熱儲頂深1425～3 600 m, 一般厚度不低于800 m, 巖性主要為灰色白云巖夾泥質(zhì)白云巖、硅質(zhì)白云巖, 含燧石團(tuán)塊或條帶, 孔隙度為2%～6%,滲透率為 0.1～160 mD。熱儲溫度一般在110～140 ℃, 出水量50～100 m3/h, 礦化度3 g/L左右。

2.2 熱儲分區(qū)

雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锕膊渴饘嵤?4口地?zé)峥碧骄? 其中部署D33孔, 用于采灌試驗; D32井目的揭露薊縣系地層, 但由于井深所限, 未能揭露到薊縣系; 在地?zé)崽飽|北部雁翎潛山的西北部與南部邊緣分別部署了D35、D34井, 目的是揭露高陽地?zé)崽?雄安新區(qū)范圍內(nèi))的薊縣系(表1, 圖6)。結(jié)合已有的地?zé)峋Y料, 基本查明了高陽地?zé)崽?雄安新區(qū)范圍內(nèi))的地層、構(gòu)造、熱儲的空間分布情況。雄安新區(qū)高陽地?zé)崽餃\部以新近系館陶組熱儲為主, 深部以薊縣系霧迷山組、高于莊組熱儲為主要熱儲。

表1 雄安新區(qū)高陽地?zé)崽镢@孔揭露地層情況Table 1 The strata exposed by drilling holes in Gaoyang geothermal field

根據(jù)基巖埋深等值線圖(圖7), 整個地?zé)崽锓譃槿? 由西向東分別為西部凹陷區(qū)、中央隆起區(qū)、東部斜坡區(qū)(圖8)。西部凹陷區(qū): 由于由西向東逐漸覆蓋了寒武系、石炭二疊系, 因此, 霧迷山組熱儲頂板埋深由西向東從3700 m到超過4200 m, 地?zé)峋鏊疁囟冉橛?60～80 ℃之間; 中央隆起區(qū): 該區(qū)構(gòu)造上為雁翎潛山, 霧迷山組熱儲頂板埋藏深度為3000～3600 m, 埋藏深度由隆起中心向東西兩側(cè)逐漸加深, 地?zé)峋鏊疁囟瘸^100 ℃, 南高北低, 典型地?zé)峋?D35和 D34(表1), 單井出水量一般超過100 m3/h; 東部斜坡區(qū): 霧迷山組上部為古近系地層覆蓋, 熱儲頂板埋深為3650～3900 m。

圖7 雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锘鶐r埋深等值線圖(據(jù)戴明剛等修改, 2019a)Fig. 7 Contour map of bedrock burial depth in Gaoyang geothermal field (modified from DAI et al., 2019a)

圖8 雄安新區(qū)高陽地?zé)崽镬F迷山組熱儲分區(qū)圖(據(jù)戴明剛等, 2019a修改)Fig. 8 Geothermal reservoir zoning map of Wumishan Formation in Gaoyang geothermal field(modified from DAI et al., 2019a)

3 資源量評估

3.1 基本原則

針對雄安新區(qū)碳酸鹽巖熱儲, 充分結(jié)合區(qū)域熱儲發(fā)育特征, 按照區(qū)塊化管理的要求制定采灌均衡條件下地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)評價方法, 為地?zé)豳Y源開發(fā)利用規(guī)劃提供支撐。本研究評價規(guī)則來自雄安新區(qū)地?zé)崆鍧嵞茉凑{(diào)查評價報告(張保建等, 2021),結(jié)合項目鉆探熱儲深度, 水量平衡標(biāo)準(zhǔn)取已有開發(fā)地?zé)峋臀磥黹_發(fā)地?zé)峋毓嗦实钠骄?馬峰等,2020)。

(1)在地?zé)崽锶S地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上計算主要熱儲靜態(tài)地?zé)豳Y源量及地?zé)崃黧w儲存量。

(2)運用長期動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)(溫度、水位)開展動態(tài)評價, 評價區(qū)塊地?zé)豳Y源可持續(xù)開采量和地?zé)崃黧w可持續(xù)開采量。

(3)評價深度5000 m, 評價熱儲為薊縣系熱儲。

(4)水量平衡: 區(qū)塊內(nèi)地?zé)崴毓嗦蔬_(dá)到90%; 水位年降幅小于2 m; 地下水水位埋深不低于150 m。

(5)熱量平衡: 預(yù)測評價 100年不發(fā)生熱突破;開采井水溫10年降幅小于1 ℃; 回灌井供暖恢復(fù)后,溫度下降小于2 ℃。

3.2 熱儲法

研究區(qū)碳酸鹽巖裂隙熱儲為薊縣系、長城系兩層熱儲, 其中薊縣系包括霧迷山組和高于莊組熱儲,薊縣系熱儲為目前主要利用熱儲, 長城系熱儲為未來潛力熱儲。雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锩娣e615.88 km2(白洋淀水體除外), 高陽地?zé)崽?5000 m深度內(nèi)對薊縣系熱儲進(jìn)行評價。采用熱儲法計算地?zé)豳Y源量, 包含了巖石中的熱量和巖石孔隙中流體所蘊含的熱量(中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會, 1985),基本公式如下:

式中:Q為地?zé)豳Y源量(kJ);Cr、Cw分別為熱儲巖石比熱和水的比熱(kJ/(kg·℃));ρr、ρw分別為熱儲巖石密度和水的密度(kg/m3); Φ 為熱儲巖石孔隙率(或裂隙率);qw為流體儲量, 包括靜儲量和彈性儲量(m3);T1為熱儲溫度(℃);T0為恒溫層溫度(℃);V為熱儲體積(m3)。評價參數(shù)值取自雄安新區(qū)地?zé)崆鍧嵞茉凑{(diào)查評價報告(張保建等, 2021), 見表2, 水的密度和比熱參照不同溫度下水的密度表查表獲取, 巖石密度取2870 kg/m3; 巖石比熱取921.14 kJ/(kg·℃)。經(jīng)計算雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锼E縣系熱儲地?zé)峥砷_采資源量為 66.8×106m3/a, 地?zé)崃黧w可開采熱量為255.14×1014J/a, 折合標(biāo)準(zhǔn)煤86.72萬t/a, 其中霧迷山組資源量占 29.7%, 高于莊組地?zé)豳Y源量占70.3%。

表2 雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锼E縣系碳酸鹽熱儲地?zé)豳Y源評價參數(shù)選取表Table 2 Table of geothermal resources evaluation parameters for Jixian Carbonate Reservoir in Gaoyang Geothermal Field, Xiongan New Area

3.3 數(shù)值法

對熱儲構(gòu)建數(shù)值模型是目前被認(rèn)為最有效的地?zé)豳Y源評價方法, 首先構(gòu)建研究區(qū)三維可視化地?zé)岬刭|(zhì)模型, 并根據(jù)該區(qū)的熱儲形成條件及類型, 可以推斷地下熱儲有利位置, 較直觀地揭示了地下地質(zhì)體的空間展布規(guī)律, 為該區(qū)熱資源評估提供了有價值的參考資料依據(jù); 同時借助強(qiáng)大的計算機(jī)功能可以將已有的開發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷的擬合, 逐漸提高評價的精度(Ciriaco et al., 2020)。

在收集大量物探解譯、鉆探、熱儲等值線、測井解譯等資料基礎(chǔ)上, 綜合考慮熱儲的空間分布特征, 選擇 SKUA-GOCAD作為建立區(qū)域內(nèi)第四系至太古宙的地層空間結(jié)構(gòu)模型。將三維地質(zhì)模型中要模擬的區(qū)域轉(zhuǎn)換成六面體網(wǎng)格, 導(dǎo)入TOUGH2中進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.3.1 模型概化

雄安新區(qū)高陽地?zé)崽飪?nèi)分布的主要地層包括第四系、新近系、古近系、寒武奧陶系、薊縣系、長城系、太古界。本次模擬將高陽地?zé)崽锓秶鷥?nèi)的地層概化為第四系、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組、沙河街組、寒武—奧陶系、薊縣系(霧迷山組、高于莊組)、長城系、太古界等10個地層?？紤]地層的各向異性, 每個地層具有不同的熱物性特征, 建立了區(qū)域內(nèi)第四系至太古界的地層空間結(jié)構(gòu)模型。模型的底邊界定義為等溫面邊界, 熱量不斷地通過地層和斷裂傳導(dǎo)對熱儲進(jìn)行補(bǔ)給; 頂邊界為熱量散失邊界;側(cè)邊界為外延邊界, 根據(jù)模型內(nèi)部水位的變化, 確定水熱的流入或流出, 見圖9。

圖9 雄安新區(qū)高陽地?zé)崽?D地質(zhì)體模型Fig. 9 3D geological body model of Gaoyang geothermal field in Xiongan New Area

3.3.2 主要參數(shù)

薊縣系霧迷山組熱儲在研究區(qū)普遍分布, 面積約為727.15 km2。鉆井揭露頂板埋深為2671～4200 m,揭露厚度為200～270 m; 薊縣系高于莊組熱儲鉆井揭露頂板埋深為3693～4500 m, 揭露厚度為300～800 m。三維地質(zhì)模型模擬薊縣系霧迷山組頂板埋深平均值為3 653.37 m, 厚度平均值為255.19 m, 底板埋深平均值為 3 921.36 m; 高于莊組頂板埋深平均值為3 754.76 m, 厚度平均值為856.23 m, 底板埋深平均值為4610.99 m。熱儲體積來自地質(zhì)建模, 根據(jù)資料收集分析、抽水試驗、熱響應(yīng)試驗、巖性熱物性測試等結(jié)果, 獲得研究區(qū)霧迷山組熱儲基本參數(shù)(表3)。

表3 模型計算參數(shù)賦值表Table 3 Hierachical parameter table based on numerica model

霧迷山組熱儲溫度采用溫度測井中獲取的熱儲平均溫度111 ℃, 水位埋深采用地?zé)峋骄? 裂隙率根據(jù)測井結(jié)果取熱儲的平均裂隙率為 3.3%, 高于莊組熱儲溫度采用溫度測井中獲取的熱儲平均溫度123.4 ℃, 水位埋深采用地?zé)峋骄? 裂隙率根據(jù)測井結(jié)果取熱儲的平均裂隙率為 1.87%, 以上參數(shù)取值取自雄安新區(qū)地?zé)崆鍧嵞茉凑{(diào)查評價報告(張保建等, 2021)。壓縮系數(shù)考慮水和巖石的綜合壓縮系數(shù), 取值 3.6 MPa-1, 彈性釋水系數(shù)根據(jù)熱儲體積、孔隙度和壓縮系數(shù)求取, 為 3.28×10-5。水的密度采用相應(yīng)熱儲溫度下水密度值, 63 ℃下取983.03 kg/m3, 115 ℃下取944.2 kg/m3, 水的比熱隨溫度變化較小, 這里統(tǒng)一取值4 186.8 J/(kg·℃); 以上參數(shù)取自地?zé)豳Y源評價方法DZ 40-85(1985)。碳酸鹽巖的密度和比熱均來自室內(nèi)試驗測試的平均值。

3.3.3 評價結(jié)果

本次評價的標(biāo)準(zhǔn)為水位和溫度綜合標(biāo)準(zhǔn), 根據(jù)開采井靜水位埋深和溫度降低情況設(shè)定標(biāo)準(zhǔn), 即開采100年時間內(nèi), 開采井靜水位埋深不超過150 m、170 m, 且開采井溫度降低小于2 ℃、4 ℃。以此為標(biāo)準(zhǔn), 通過設(shè)計不同的采灌量方案, 評價最大可采資源總量。共設(shè)計四種方案, 方案結(jié)果如下:

(1)方案一(2 ℃, 150 m)

高陽地?zé)崽锼E縣系熱儲年地?zé)崃黧w開采量為67.93×106m3, 在 100年時, 開采井水位降低小于26 m, 即埋深低于150 m, 此時開采井最大溫度降低為1.85 ℃, 滿足標(biāo)準(zhǔn)的2 ℃。總的地?zé)崃黧w可開采熱量為 2 658.83 MW, 即 264.37×1014J/a。

(2)方案二(4 ℃, 150 m)

高陽地?zé)崽锼E縣系熱儲年地?zé)崃黧w開采量為76.48×106m3, 在 100年時, 開采井水位降低小于33 m, 即埋深低于150 m, 此時開采井最大溫度降低為3.77 ℃, 滿足標(biāo)準(zhǔn)的4 ℃?？偟牡?zé)崃黧w可開采熱量為 4 639.86 MW, 即 461.34×1014J/a。

(3)方案三(2 ℃, 170 m)

高陽地?zé)崽锼E縣系熱儲年地?zé)崃黧w開采量為117.26×106m3, 在 100年時, 開采井水位降低小于55 m, 即埋深低于170 m, 此時開采井最大溫度降低為1.95 ℃, 滿足標(biāo)準(zhǔn)的2 ℃?？偟牡?zé)崃黧w可開采熱量為 3 239.24 MW, 即 316.12×1014J/a。

(4)方案四(4 ℃, 170 m)

高陽地?zé)崽锼E縣系熱儲年地?zé)崃黧w開采量為107.98×106m3, 在 100年時, 開采井水位降低小于52 m, 即埋深低于170 m, 此時開采井最大溫度降低為3.87 ℃, 滿足標(biāo)準(zhǔn)的4 ℃?？偟牡?zé)崃黧w可開采熱量為4 951.76 MW, 即493.67×1014J/a。四種方案的平均水位埋深和溫度變化歷時曲線對比見圖10。統(tǒng)計得出雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锼E縣系熱儲回灌情況下可采地?zé)豳Y源量見表4。

圖10 四種開采方案水位埋深和溫度變化歷時曲線對比Fig. 10 Water depth and temperature change diagram of four different conditions

表4 雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锼E縣系(霧迷山組和高于莊組)熱儲回灌情況下可采地?zé)豳Y源量Table 4 Recoverable geothermal resources of balanced mining and reinjection in the Jixian Systerm of Gaoyang geothermal field

4 結(jié)論與建議

本文初步查明了地?zé)崽镄郯残聟^(qū)范圍 5000 m深度內(nèi)的熱儲分布和性質(zhì)。雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锷畈恐饕獮樘妓猁}熱儲包括薊縣系霧迷山組、高于莊組。薊縣系霧迷山組頂界埋深 3000～3500 m, 厚度300～1000 m, 熱儲溫度100～120 ℃, 出水量90～170 m3/h, 具有溫度高、水量大、熱儲易于回灌的特點; 高于莊組熱儲頂深 3500～4200 m, 一般厚度不低于800 m, 熱儲溫度一般在110～140 ℃, 水量50～100 m3/h, 可作為新區(qū)的后備資源。分析了深部碳酸鹽熱儲空間結(jié)構(gòu), 結(jié)果表明整個地?zé)崽锓譃槿? 由西向東分別為西部凹陷區(qū)、中央隆起區(qū)、東部斜坡區(qū)。西部凹陷區(qū)由于由西向東逐漸覆蓋了寒武系、石炭二疊系, 因此, 薊縣系霧迷山組熱儲頂板埋深由西向東從3700 m到超過4200 m, 地?zé)峋鏊疁囟冉橛?60～80 ℃之間; 中央隆起區(qū)由于構(gòu)造上為雁翎潛山, 霧迷山組熱儲頂板埋藏深度為 3000～3600 m,埋藏深度由隆起中心向東西兩側(cè)逐漸加深, 地?zé)峋鏊疁囟瘸^100 ℃, 南高北低, 單井出水量一般超過 100 m3/h; 東部斜坡區(qū)霧迷山組上部為古近系地層覆蓋, 熱儲頂板埋深為3650～3900 m。

本文通過熱儲法計算了雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锼E縣系熱儲(霧迷山組和高于莊組)地?zé)峥砷_采資源量為 66.8×106m3/a, 地?zé)崃黧w可開采熱量為255.14×1014J/a, 年地?zé)峥刹少Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤86.72萬t, 其中霧迷山組資源量占 29.7%, 高于莊組地?zé)豳Y源量占 70.3%; 構(gòu)建了雄安新區(qū)高陽地?zé)崽飻?shù)值模型, 對四種開采限定條件下的薊縣系熱儲可采資源量進(jìn)行了評價, 結(jié)果顯示在開采井水位下降不超過150 m, 熱儲溫度下降小于2 ℃條件下, 地?zé)崃黧w可開采熱量為 67.93×106m3/a, 可開采熱量264.37×1014J/a, 年地?zé)峥刹少Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤89.86 萬 t 熱儲法與數(shù)值法結(jié)果相近, 評價結(jié)果可為高陽地?zé)豳Y源規(guī)劃開發(fā)提供參考。

雄安新區(qū)高陽地?zé)崽锷畈康責(zé)豳Y源埋藏深, 溫度高, 水量大, 地?zé)豳Y源賦存條件好, 有利于地?zé)豳Y源的規(guī)模化開發(fā)利用。建議加強(qiáng)地?zé)衢_發(fā)利用過程中對水量、水質(zhì)、水溫的長期動態(tài)監(jiān)測, 形成年度評價機(jī)制和預(yù)測預(yù)警機(jī)制, 每年對區(qū)域地?zé)豳Y源條件以及可供暖面積進(jìn)行評價, 結(jié)合能源站布設(shè)和需求情況, 形成長期動態(tài)調(diào)整機(jī)制, 保障熱儲平衡; 同時借助數(shù)值模擬, 建立地?zé)崽锶S地質(zhì)模型評價熱儲基本參數(shù)孔隙率、滲透率、回灌率等基礎(chǔ)參數(shù), 建立地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)評價模型, 評價可持續(xù)開釆量。

致謝:感謝審稿專家對本文的審閱及提出的寶貴修改建議。

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research & Development Program of China(No．2019YFB1504102), China Geological Survey(Nos. DD20189114, DD20190129 and DD20221677),and Geological Bureau of Hunan Province (No.HNGSTP202102).