雄安新區(qū)容東片區(qū)地?zé)豳Y源賦存特征及潛力評(píng)價(jià)

余鳴瀟 , 馬 峰 *, 王貴玲 , 張 薇 ,朱 喜 , 張漢雄 , 王延欣

1)中國(guó)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;2)自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北石家莊 050061;3)中國(guó)石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司, 北京 100083

21世紀(jì)人類(lèi)面臨能源緊缺、環(huán)境污染問(wèn)題等巨大挑戰(zhàn), 世界各國(guó)相繼將“碳達(dá)峰、碳中和”加入到戰(zhàn)略規(guī)劃中, 成為綠色低碳可持續(xù)發(fā)展新方向。2020年9月習(xí)近平主席做出了“2030年前碳達(dá)峰,2060前碳中和”重大戰(zhàn)略決策, 提出應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色轉(zhuǎn)型、保障能源安全的“中國(guó)方案”。我國(guó)承諾實(shí)現(xiàn)從“碳達(dá)峰”到“碳中和”的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于發(fā)達(dá)國(guó)家所用時(shí)間, 因此想達(dá)成雙碳目標(biāo)需依賴于能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整, 全面推進(jìn)向綠色低碳能源(可再生能源和核能)轉(zhuǎn)型(王貴玲等, 2020; 馬冰等, 2021)。據(jù)Our World in Data(2021a)最新能源數(shù)據(jù)顯示, 地?zé)崮芘c太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能及海洋能在 2019年全球一次能源消耗總量中占比約是 11.4%, 并稱為全球六大可再生能源。貯存在地球深部的地?zé)崮芫哂袃?chǔ)量大、分布廣、綠色低碳、易于實(shí)現(xiàn)可控制的持續(xù)開(kāi)采等特點(diǎn), 是一種現(xiàn)實(shí)可行且具有競(jìng)爭(zhēng)力的可再生能源(Wang et al., 2018;Long et al., 2019; Wang et al., 2021; Tang et al., 2022;孫明行等, 2022)。我國(guó)是世界上地?zé)豳Y源儲(chǔ)量較大的國(guó)家之一, 且開(kāi)發(fā)歷史悠久, 建國(guó)以來(lái)開(kāi)展了多次地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)工作, 據(jù)初步評(píng)價(jià)我國(guó)水熱型地?zé)豳Y源年可開(kāi)采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤 18.65億噸, 占我國(guó)2020年一次能源消耗總量51.5%, 開(kāi)發(fā)潛力巨大,前景廣闊(藺文靜等, 2013; 王貴玲等, 2017; 孫明行等, 2022)。

雄安新區(qū)屬于典型的沉積地層與古潛山疊加的復(fù)合水熱系統(tǒng), 是我國(guó)中東部地?zé)豳Y源最豐富、開(kāi)發(fā)利用條件最好的區(qū)域之一(王貴玲和藺文靜,2020; 馬峰等, 2020)。前人在雄安新區(qū)開(kāi)展過(guò)地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、地?zé)峥碧健⒌厍蛭锢?、水文地質(zhì)及同位素地球化學(xué)等眾多研究工作, 具備一定研究基礎(chǔ)。陳墨香等(1988)以華北地區(qū)大量實(shí)際資料為依據(jù)論述區(qū)域地溫場(chǎng)特征及其展布規(guī)律, 圈定局部地?zé)岙惓^(qū), 為華北地區(qū)地?zé)嵫芯刻峁┗A(chǔ)資料。吳愛(ài)民等(2018)以雄安新區(qū)高產(chǎn)能地?zé)峋疄橐劳? 研究薊縣系霧迷山組巖溶熱儲(chǔ)主要參數(shù), 進(jìn)一步揭示驗(yàn)證雄安新區(qū)深部存在地?zé)衢_(kāi)發(fā)潛力巨大的第二空間。何登發(fā)等(2018)基于地震及鉆探資料, 研究雄安新區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu), 揭示雄安新區(qū)斷裂系統(tǒng)特征, 復(fù)原雄安新區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成演化過(guò)程。王朱亭等(2019)通過(guò)鉆井測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)及巖石熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果等數(shù)據(jù)分析雄安新區(qū)現(xiàn)今地溫場(chǎng)特征, 為雄安新區(qū)深部熱結(jié)構(gòu)及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Wang et al.(2021)結(jié)合地質(zhì)、測(cè)井等相關(guān)資料與試驗(yàn)分析, 探討雄安新區(qū)薊縣系霧迷山組巖溶裂隙特征, 揭示雄安新區(qū)巖溶與裂隙的形成與構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)。Zhu et al.(2022)基于雄安新區(qū)薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w水化學(xué)及同位素特征, 評(píng)估深部地?zé)崃黧w熱儲(chǔ)溫度, 揭示地?zé)嵯到y(tǒng)的深部熱源及成因機(jī)制。

容東片區(qū)是雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)的第一個(gè)安置區(qū), 位于容城縣城東部, 規(guī)劃面積約 12.7 km2, 涉及八于鄉(xiāng)、大河鎮(zhèn)、容城鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的多個(gè)村莊。作為第一批新區(qū)大型建筑群, 因地制宜推動(dòng)地?zé)豳Y源的科學(xué)開(kāi)發(fā)利用, 將利用地?zé)崮茏鳛橐?guī)劃建設(shè)的亮點(diǎn), 具有理論示范和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)雙重意義。然而,容東片區(qū)相對(duì)于東部牛駝鎮(zhèn)而言勘查程度較低, 主要鉆井多集中在容城縣城, 對(duì)于容東片區(qū)總體勘查程度不高, 針對(duì)其分布特征和深部資源潛力系統(tǒng)性研究相對(duì)薄弱, 在一定程度上制約了容東片區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用。2018年以來(lái)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局與當(dāng)?shù)卣y(tǒng)一組織協(xié)調(diào)在容東片區(qū)完成多口地?zé)峥碧娇资┕? 本文結(jié)合已有的地?zé)峄A(chǔ)資料, 利用深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷裂分布、地溫場(chǎng)與水化學(xué)場(chǎng)等多種探測(cè)手段查明容東片區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件, 揭示深部地?zé)豳Y源賦存機(jī)理并建立采灌均衡評(píng)價(jià)體系綜合評(píng)價(jià)容東片區(qū)深部薊縣系熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量, 為雄安新區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供科學(xué)支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

雄安新區(qū)位于渤海灣盆地的冀中坳陷中北部(圖1a), 規(guī)劃范圍包括河北省雄縣、容城、安新三縣及周邊部分區(qū)域。冀中坳陷是經(jīng)歷海西期整體升降階段、印支和燕山期擠壓褶皺階段以及喜山期拉張斷陷階段等多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后形成的發(fā)育在華北克拉通之上的次級(jí)翹傾塊體、箕狀凹陷、古潛山構(gòu)造單元, 且在這種以新生界作為蓋層, 基巖結(jié)構(gòu)凸凹相間發(fā)育的構(gòu)造格局所控制之下產(chǎn)成的熱流側(cè)向再分配造成本區(qū)較高的大地?zé)崃髦?陳墨香等, 1990;Kong et al., 2017)。冀中坳陷包括廊坊凹陷、牛駝鎮(zhèn)凸起、保定凹陷、高陽(yáng)地凸起、饒陽(yáng)凹陷、武清—霸州凹陷 6個(gè)Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元, 區(qū)域上由兩條近東西—北西西向一級(jí)構(gòu)造變換帶(徐水—安新—文安變換帶和無(wú)極—衡水變換帶)分割。楊明慧等(2002)認(rèn)為這兩條構(gòu)造變換帶起到了顯著的構(gòu)造分區(qū)作用。其中, 徐水—安新—文安構(gòu)造變換帶將冀中坳陷中部劃分為南北兩區(qū), 使兩側(cè)相鄰凹陷在構(gòu)造樣式、變形強(qiáng)度等方面呈明顯的分區(qū)構(gòu)造格局(常健等,2016; 王思琪等, 2021)。雄安新區(qū)整體位于冀中坳陷北部與中部的構(gòu)造轉(zhuǎn)換部位, 通過(guò)徐水—安新—文安變換帶連接。

圖1 雄安新區(qū)在冀中坳陷構(gòu)造位置(a)、中元古界薊縣系頂板埋深圖(b)及容東片區(qū)示意圖(c)Fig. 1 Structural map of the Xiongan New Area in the Jizhong Depression (a), the depth of burial of the top of Jixian System in Mesoproterozoic (b), and sketch map of the Rongdong area(c)

深大斷裂控制區(qū)域構(gòu)造格局, 部分?jǐn)嗔寻l(fā)育的深度甚至可達(dá)結(jié)晶基底, 為地?zé)崃黧w運(yùn)移提供導(dǎo)熱導(dǎo)水通道(朱喜等, 2022)。區(qū)域內(nèi)主要深大斷裂有NE走向的容城斷裂、牛東斷裂和高陽(yáng)—博野斷裂以及NWW走向的徐水?dāng)嗔?、牛南斷裂和安新斷裂?圖1b, 圖2)。其中, 與容東片區(qū)具有密切成因聯(lián)系的容城斷裂斷至結(jié)晶基底, 是控制新近系發(fā)育的生長(zhǎng)性斷層(趙佳怡等, 2020), 為本區(qū)的地?zé)豳Y源形成提供了重要的導(dǎo)熱導(dǎo)水通道。區(qū)域上的其他深大斷裂對(duì)于區(qū)域構(gòu)造格局的形成也具有重要意義: 高陽(yáng)—博野斷裂控制了古近系厚度(王貴玲等, 2020);牛東斷裂是控制牛駝鎮(zhèn)凸起與霸縣凹陷的長(zhǎng)期處于活動(dòng)狀態(tài)的深大斷裂(何登發(fā)等, 2018); 徐水?dāng)嗔咽强刂迫莩峭蛊鸷捅６ò枷莅l(fā)育的深大斷裂。此外,區(qū)域發(fā)育地層有太古界, 中元古界長(zhǎng)城系、薊縣系,古生界寒武系, 新生界古近系、新近系及第四系。新生界蓋層巖性主要是砂巖及砂礫巖等, 深部主要開(kāi)發(fā)利用熱儲(chǔ)巖性是薊縣系白云巖, 巖石裂隙較為發(fā)育且有較好熱物性特征, 均是雄安新區(qū)優(yōu)越地?zé)豳Y源的必要條件。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)剖面示意圖Fig. 2 Geological profile of the study area

2 熱儲(chǔ)特征

容東片區(qū)施工完成的地?zé)峋?4口(圖1c), 部署RD1、D13井目的是揭露薊縣系; RD2井由于靠近容城斷裂, 鉆探漏失嚴(yán)重, 井深所限未能揭露到薊縣系; 部署 RD3用于采灌試驗(yàn), 4口井揭露地層情況見(jiàn)表1。通過(guò)收集本區(qū)已有地質(zhì)、鉆井資料, 初步查明本區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征。本區(qū)熱儲(chǔ)類(lèi)型分為碎屑巖孔隙型和碳酸鹽巖巖溶裂隙型兩種熱儲(chǔ)類(lèi)型, 根據(jù)鉆井揭露地層情況自上而下主要包括第四系、新近系明化鎮(zhèn)組孔隙型砂巖熱儲(chǔ)、薊縣系霧迷山組及高于莊組碳酸鹽巖熱儲(chǔ)(局部缺失楊莊組)、長(zhǎng)城系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)、太古界基底。

表1 容東片區(qū)已有地?zé)峋卣鹘y(tǒng)計(jì)表Table 1 Properties of typical geothermal wells in the Rongdong area

(1)新近系砂巖熱儲(chǔ)

容東片區(qū)新近系明化鎮(zhèn)組孔隙型砂巖熱儲(chǔ)埋藏淺, 揭露厚度 400～500 m, 底界 755～1 000 m, 溫度低且水量較小, 目前該組熱儲(chǔ)由于距地表淺、回灌較難, 全區(qū)已禁止開(kāi)采。在本區(qū)其下部與薊縣系熱儲(chǔ)直接接觸。

(2)薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)

本區(qū)薊縣系熱儲(chǔ)包括霧迷山組和高于莊組兩個(gè)層段, 是一套以碳酸鹽巖為主的海相地層, 主要巖性為白云巖、石英硅質(zhì)巖和泥質(zhì)白云巖等。深部碳酸鹽巖地層經(jīng)歷了漫長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)期的剝蝕、風(fēng)化、淋濾作用, 巖石溶隙、裂隙較為發(fā)育, 在熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流共同作用下形成深循環(huán)構(gòu)造裂隙型熱儲(chǔ)(魯鍇等, 2019)。霧迷山組地層在片區(qū)南部缺失,北部逐漸變厚, 厚度最大處約為 600 m; 高于莊組在全區(qū)均有分布, 厚度由東南向西北逐漸加大, 南部最薄處厚度約為 400 m(上部霧迷山組被全部剝蝕), 西北部厚度最大為600～800 m。

根據(jù)研究區(qū)鉆孔揭露基巖埋深情況顯示, 整個(gè)容東片區(qū)深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)埋深750～1 000 m(圖3),容東片區(qū)西北部靠近容城縣城處薊縣系熱儲(chǔ)埋藏淺,向東南方向埋深有增大的趨勢(shì)。受區(qū)域次級(jí)構(gòu)造和地層風(fēng)化剝蝕作用的影響, 薊縣系厚度空間變化較大, 為 450～1100 m。南部邊界受次級(jí)構(gòu)造影響,太古代變質(zhì)巖上隆, 鉆遇碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層變薄,最薄處地層厚度小于 500 m(D13), 北部逐漸變厚,厚度最大處約為 1000 m(RD3未穿)(圖4)。根據(jù)片區(qū)內(nèi)測(cè)井及抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù), 薊縣系熱儲(chǔ)平均出水溫度約 50 ℃, 儲(chǔ)厚比 20%～40%, 儲(chǔ)層最大孔隙度可達(dá)11.3%, 平均孔隙度5.5%, 單位涌水量5.31～16.8 m3/(h·m)。

圖3 容東片區(qū)薊縣系頂板埋深等值線圖Fig. 3 Buried depth of the top interface of the Jixian System in the Rongdong area

圖4 容東片區(qū)薊縣系厚度等值線圖Fig. 4 Thickness of the Jixian System in the Rongdong area

(3)長(zhǎng)城系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)

長(zhǎng)城系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)在研究區(qū)均有分布, 主要為大紅峪組含燧石白云巖、砂質(zhì)白云巖夾粗面巖、玄武巖、凝灰?guī)r等。該組地層受剝蝕、風(fēng)化、淋濾作用少, 地層相對(duì)完整。頂界埋深為1450～2000 m,厚度為800～1200 m, 片區(qū)內(nèi)D13井鉆至長(zhǎng)城系所揭露的地層出水溫度約 61 ℃, 儲(chǔ)層平均孔隙度2%～8%, 單位涌水量 2.2～3.148 m3/(h·m)。

3 地溫場(chǎng)特征

利用本次測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)繪制研究區(qū)及周邊勘探井鉆井測(cè)溫和地溫梯度曲線圖(圖5), 為本區(qū)地溫場(chǎng)特征分析提供基礎(chǔ)依據(jù)。200 m以淺井溫受淺表因素如地形、淺表地下水等影響, 波動(dòng)較大。在200～1000 m 范圍段, 井溫隨深度呈線性增加趨勢(shì),表明熱量傳遞在該層段以熱傳導(dǎo)為主。在 1000 m以深, 地層巖性由淺部的砂泥巖地層轉(zhuǎn)變?yōu)榘自茙r地層, 相較于上部砂泥質(zhì)沉積蓋層, 白云巖具有較高的熱導(dǎo)率和良好的富水性, 其巖層內(nèi)部溫度表現(xiàn)出均一化, 部分鉆井地溫曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn), 地溫梯度明顯降低, 總體反映出傳導(dǎo)型增溫特點(diǎn)。

圖5 研究區(qū)及周邊鉆孔穩(wěn)態(tài)測(cè)溫及地溫梯度曲線Fig. 5 Steady-state temperature measurement and geothermal gradient curve of boreholes in the study area and surrounding area

選取本區(qū)D13鉆井及周邊具有代表性鉆井D15,以每 20 m厚度為間隔計(jì)算出的地溫梯度隨深度變化(圖5)。在垂向上地溫梯度隨深度變化主要取決于地層巖性的變化, 即上部砂泥質(zhì)沉積蓋層段與下部白云巖熱儲(chǔ)層段, 具有明顯的階段性, 沉積蓋層段地溫梯度相對(duì)穩(wěn)定且較高, 除去波動(dòng)較大淺表(0 ～200 m)影響, D13井第四系地溫梯度為3.5～4.5 ℃/(100 m), 中值 4.2 ℃/(100 m), 新近系地溫梯度中值為4.4 ℃/(100 m), 進(jìn)入碳酸鹽巖地層后地溫梯度降低, 薊縣系地溫梯度平均為 1.1 ℃/(100 m),受到導(dǎo)水導(dǎo)熱斷裂通道或地層破碎帶高滲性影響部分鉆孔地溫梯度出現(xiàn)波動(dòng), 說(shuō)明深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w對(duì)流影響是存在的。在區(qū)域上蓋層地溫梯度與覆蓋層層厚度密切相關(guān), 位于東部洼漕區(qū)的D15井新近系地溫梯度為2.1 ℃/(100 m), 相較于容城凸起的D13鉆孔, 洼漕區(qū)鉆孔蓋層覆蓋厚度超過(guò)2 000 m, 隨著基巖埋深增加, 上覆沉積蓋層地溫梯度逐漸減小。

4 水化學(xué)場(chǎng)特征

4.1 水化學(xué)及同位素特征

本次研究采集并收集水樣樣品 9組, 其中太行山區(qū)泉水樣 3組, 容城地?zé)崽镉晁畼?1組, 片區(qū)內(nèi)薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地?zé)峋畼?組, 均用2.5 L取樣瓶采集水樣后密封保存。根據(jù)水化學(xué)組分測(cè)試結(jié)果(表2)及 Piper圖(圖6a), 太行山區(qū)碳酸鹽巖裸露區(qū)泉水水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca·Mg型, TDS含量為458～544.1 mg/L, 屬于淡水。容東片區(qū)薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w, pH值 6.94～7.55, 屬于弱堿性水, TDS為2809～3678 mg/L, 屬于微咸水。主要陽(yáng)離子是 Na+, 平均含量 739.6～825.3 mg/L, 主要陰離子是, 水化學(xué)類(lèi)型為 Cl·HCO3-Na型水。

圖6 研究區(qū)水樣的Piper圖及δ2H-δ18O關(guān)系圖Fig. 6 Piper and plot of δ2H-δ18O of the study area

表2 太行山區(qū)和研究區(qū)水樣水化學(xué)及同位素測(cè)試結(jié)果Table 2 Hydrochemical analysis data of the geothermal water in the study area and springs from Taihang Mountain

此外, 結(jié)合全球大氣降水線(Craig, 1961)和當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(劉明亮等, 2020)繪制研究區(qū)不同水體δ2H-δ18O關(guān)系圖(圖6b), 可以看到本區(qū)雨水樣和薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)水樣點(diǎn)均在大氣降水線展布,說(shuō)明本區(qū)內(nèi)各類(lèi)水體的補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水。其中太行山區(qū)泉水水樣均落在大氣降水線附近, 太行山區(qū)碳酸鹽巖裸露地表, 賦存環(huán)境較為開(kāi)放, 直接接受大氣降水補(bǔ)給, 本區(qū)深部薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)水樣點(diǎn)則更大程度偏離大氣降水線。結(jié)合水化學(xué)場(chǎng)特征分析, 深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地?zé)崴且源髿饨邓霛B為起源的深部循環(huán)水, 從西部、西北部的太行山碳酸鹽巖裸露區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給經(jīng)歷長(zhǎng)距離運(yùn)移至盆地內(nèi)部在合適部位富集, 地?zé)崃黧w水化學(xué)類(lèi)型由西北向東南從HCO3-Ca·Mg型過(guò)渡到Cl-HCO3-Na型, 礦化度由西北向東南呈遞增趨勢(shì),水巖作用逐漸強(qiáng)烈。

4.2 熱儲(chǔ)溫度和循環(huán)深度

4.2.1 熱儲(chǔ)溫度估算

熱儲(chǔ)溫度是評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源潛力不可或缺的參數(shù), 而作為估算熱儲(chǔ)溫度中最經(jīng)濟(jì)而有效的方法,地球化學(xué)溫標(biāo)法包括SiO2地?zé)釡貥?biāo)、陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)、同位素地?zé)釡貥?biāo)等。將地?zé)峋畼訑?shù)據(jù)在Na-K-Mg三角圖(Giggenbach, 1988)上繪制出來(lái), 發(fā)現(xiàn)水樣點(diǎn)均處在未成熟水(圖7), 說(shuō)明地下熱水與鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石及鎂長(zhǎng)石礦物的水-巖反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短未達(dá)到平衡狀態(tài), 因此陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)不適用于本研究。

圖7 研究區(qū)水樣的Na-K-Mg平衡三角圖Fig. 7 Na-K-Mg ternary diagram of geothermal water in the study area

水中溶解的SiO2不易受離子效應(yīng)、其他絡(luò)合物揮發(fā)散失及稀釋的影響, 只受二氧化硅多晶型物溶解度的控制。在未平衡條件下, SiO2地?zé)釡貥?biāo)可以提供比陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)更為可靠的結(jié)果, 主要包括石英溫標(biāo)、石英溫標(biāo)(無(wú)蒸汽損失)、石英溫標(biāo)(最大蒸汽損失)及玉髓溫標(biāo)等(Fournier and Truesdell,1974; Fournier, 1977)。在低于180 ℃溫度下SiO2的溶解度通常由玉髓控制而不是石英(Belhai et al.,2017), 石英溫標(biāo)多用于高溫?zé)醿?chǔ), 玉髓溫標(biāo)普遍適用于中低溫?zé)醿?chǔ), 因此本文選取玉髓溫標(biāo)估算研究區(qū)深部熱儲(chǔ)溫度:

式中T—熱儲(chǔ)溫度(℃), SiO2濃度單位mg/L。根據(jù)公式估算得到薊縣系熱儲(chǔ)溫度在60～74 ℃范圍內(nèi),深部熱儲(chǔ)實(shí)際情況復(fù)雜因此該計(jì)算結(jié)果僅供參考。

4.2.2 熱儲(chǔ)循環(huán)深度估算

前文已求得深部熱儲(chǔ)溫度, 熱水溫度變化主要由深循環(huán)地?zé)嵩鰷孬@得, 可以利用以下公式粗略估算熱水的循環(huán)深度(Zhu et al., 2022):

式中:H—熱水循環(huán)深度(m);I—地溫梯度(℃/(100 m));Tz—地下熱儲(chǔ)溫度(℃);T0—多年平均氣溫(℃);h—恒溫帶深度(m)。研究區(qū)地溫梯度取3.8 ℃/(100 m), 年平均氣溫12.5 ℃, 恒溫帶深度取區(qū)域值25 m(朱喜等, 2021)。根據(jù)公式估算得到的研究區(qū)深部熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w循環(huán)深度為 1748～2462 m,此深度與研究區(qū)已鉆基巖井最大深度基本吻合。

通過(guò)對(duì)容東片區(qū)的構(gòu)造特征、熱儲(chǔ)特征及水化學(xué)場(chǎng)特征綜合分析, 建立深部巖溶熱儲(chǔ)概念模型:西部太行山碳酸鹽巖裸露區(qū)大氣降水入滲側(cè)向徑流補(bǔ)給后, 地下水沿?cái)嗔呀?jīng)深循環(huán)(1748～2462 m)被深部熱源加熱, 深層熱儲(chǔ)溫度為60～74 ℃, 而后沿導(dǎo)水?dāng)嗔褞н\(yùn)移至凸起處強(qiáng)巖溶裂隙發(fā)育的碳酸鹽巖地層中匯集, 形成水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)。區(qū)域新近系明化鎮(zhèn)組和第四系為薊縣系巖溶熱儲(chǔ)的直接蓋層,起到良好的保溫作用。

5 地?zé)豳Y源量計(jì)算

5.1 評(píng)價(jià)內(nèi)容與方法

本次研究區(qū)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)內(nèi)容為薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ), 評(píng)價(jià)深度4000 m, 由于熱儲(chǔ)溫度以及頂板埋深區(qū)域變化較小, 且受風(fēng)化剝蝕作用碳酸鹽巖儲(chǔ)層厚度空間變化較大, 故選取地層厚度等值線作為評(píng)價(jià)分區(qū)依據(jù), 將片區(qū)按照薊縣系儲(chǔ)層厚度劃分為4個(gè)區(qū)(圖8)。本次參考DZ/T 0331-2020《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(自然資源部, 2020)選擇熱儲(chǔ)法和采灌均衡法進(jìn)行資源量評(píng)價(jià), 其中熱儲(chǔ)法較為成熟且廣泛應(yīng)用于沉積盆地水熱型地?zé)豳Y源量計(jì)算(郭世炎和李小軍, 2013; Wang et al., 2019)。采灌均衡法基于熱突破公式(劉志明等, 2016)考慮熱儲(chǔ)回灌, 符合實(shí)際開(kāi)發(fā)條件, 最終計(jì)算得出地?zé)豳Y源量、地?zé)崃黧w儲(chǔ)存量、地?zé)崃黧w可開(kāi)采量、地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量四個(gè)指標(biāo)。

圖8 地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)薊縣系熱儲(chǔ)分區(qū)圖Fig. 8 The distribution of thermal reservoirs of the Jixian System

5.2 主要參數(shù)

容東片區(qū)薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)在研究區(qū)普遍分布, 評(píng)價(jià)面積為12.14 km2。鉆井揭露薊縣系埋藏深度在750～1 000 m, 地層厚度為450～1100 m。由地?zé)釡貥?biāo)估算本區(qū)薊縣系熱儲(chǔ)溫度為60～75 ℃,通過(guò)D13井穩(wěn)態(tài)測(cè)井曲線獲取容東片區(qū)薊縣系熱儲(chǔ)中部溫度穩(wěn)定在 60～63 ℃, 由于熱儲(chǔ)溫度區(qū)域變化較小, 本次評(píng)價(jià)統(tǒng)一取62 ℃?？紫堵?、水位埋深及總壓縮系數(shù)參數(shù)取自朱喜等(2022), 其中孔隙率根據(jù)測(cè)井結(jié)果取熱儲(chǔ)平均孔隙率為 4%, 水位埋深選取地?zé)峋骄? 總壓縮系數(shù)薊縣系熱儲(chǔ)取3.6 MPa-1, 恒溫層溫度取14.5 ℃。水的比熱及密度均引用DZ/T 0331-2020《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(自然資源部, 2020)中數(shù)據(jù), 水的比熱取4 186.8 J/(kg·℃), 水的密度取982 kg/m3。巖石的比熱和密度均來(lái)自室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平均值。

5.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

本次研究區(qū)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)內(nèi)容為薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量、地?zé)崃黧w儲(chǔ)存量、地?zé)崃黧w可開(kāi)采量、地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量四個(gè)指標(biāo)。依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615-2010)和《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ /T 0331—2020)采用熱儲(chǔ)法進(jìn)行地?zé)豳Y源量計(jì)算, 地?zé)崃黧w可開(kāi)采量采用采灌均衡法進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算, 得到容東片區(qū)薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量為 51.32×1016J, 地?zé)崃黧w存儲(chǔ)量為1.82×108m3, 采灌均衡條件下熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w可開(kāi)采量為1.33×104m3/a, 采灌均衡條件下地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為0.95×1015J/a(表3, 表4),折合標(biāo)準(zhǔn)煤 3.23萬(wàn)噸/年, 可滿足供暖面積305萬(wàn)m2。此外, 開(kāi)采利用本區(qū)深部地?zé)崃黧w可減排二氧化碳量 7.72萬(wàn)噸/年, 減排二氧化硫量3.29萬(wàn)噸/年, 減排氮氧化物量 3.25萬(wàn)噸/年, 減少懸浮物粉塵量 3.26萬(wàn)噸/年, 開(kāi)發(fā)利用地?zé)崆鍧嵞茉粗π聟^(qū)綠色低碳能源轉(zhuǎn)型, 碳中和潛力顯著。

表3 容東片區(qū)地?zé)豳Y源量主要計(jì)算參數(shù)匯總表Table 3 Summary of main calculation parameters in the Rongdong area

表4 容東片區(qū)薊縣系熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Results of resource calculations of the Jixian System in the Rongdong area

6 結(jié)論

(1)雄安新區(qū)容東片區(qū)地?zé)豳Y源賦存條件好, 地溫場(chǎng)分布主要受基底構(gòu)造形態(tài)控制, 地溫梯度隨深度變化主要受控于地層巖性變化, 具有明顯階段性。本區(qū)熱儲(chǔ)類(lèi)型分為碎屑巖孔隙型和碳酸鹽巖巖溶裂隙型兩種熱儲(chǔ)類(lèi)型, 碎屑巖孔隙型熱儲(chǔ)為新近系明化鎮(zhèn)組孔隙型砂巖熱儲(chǔ), 碳酸鹽巖巖溶裂隙型熱儲(chǔ)包括薊縣系霧迷山組及高于莊組碳酸鹽巖熱儲(chǔ)、長(zhǎng)城系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)等。其中, 薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)為地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)主要目標(biāo)層段, 全區(qū)普遍分布, 受容城斷裂等斷裂控制, 厚度變化較大, 平均出水溫度約 50 ℃, 儲(chǔ)厚比 20%～40%, 儲(chǔ)層最大孔隙度 11.3%。薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w pH值7.04～8.18, TDS為2 325～3 678 mg/L, 水化學(xué)類(lèi)型為 Cl·HCO3-Na 型。

(2)西北部太行山地區(qū)大氣降水是本區(qū)地?zé)豳Y源的補(bǔ)給水源, 地下水沿?cái)嗔呀?jīng)深循環(huán)(1748～2462 m)被深部熱源加熱, 深層熱儲(chǔ)溫度為60～75 ℃, 而后沿導(dǎo)水?dāng)嗔褞н\(yùn)移至凸起處強(qiáng)巖溶裂隙發(fā)育區(qū), 形成水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)。區(qū)域新近系明化鎮(zhèn)組和第四系為薊縣系巖溶熱儲(chǔ)的直接蓋層,起到良好的保溫作用。

(3)采用熱儲(chǔ)法計(jì)算得到容東片區(qū)薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量為 51.32×1016J, 地?zé)崃黧w存儲(chǔ)量為1.82×108m3, 采灌均衡條件下熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w可開(kāi)采量為1.33×104m3/a, 采灌均衡條件下地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為 0.95×1015J/a, 折合標(biāo)準(zhǔn)煤3.23萬(wàn)噸/年, 可滿足供暖面積305萬(wàn)m2。本區(qū)地?zé)豳Y源豐富, 建議加強(qiáng)深部資源賦存條件好的薊縣系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)力度, 因地制宜開(kāi)展勘查開(kāi)發(fā),提升地?zé)崂眯省?/p>

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research & Development Program of China (No.2019YFB1504101), and China Geological Survey(Nos. DD20189112 and DD20221676).