山東省菏澤鄆城地區(qū)地?zé)豳Y源賦存條件評價

閻蓓蓓　李新鳳　楊劍　楊玉剛　王雪蓮　王濤　李孝朋

摘要：山東省菏澤鄆城地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，主要賦存于奧陶系和寒武系灰?guī)r中，為估算評價該區(qū)的地?zé)豳Y源，在收集資料、野外勘查的基礎(chǔ)上，施工1眼地?zé)峋?，結(jié)合收集該區(qū)30余眼地?zé)峋Y料，基本查清了鄆城地區(qū)的地?zé)豳x存條件，確定奧陶系和寒武系熱儲為本次研究對象，對鄆城地區(qū)地?zé)崃黧w質(zhì)量進(jìn)行了評價，地?zé)豳Y源量進(jìn)行了計算。評價結(jié)果，為持續(xù)做好鄆城地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用工作，帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，構(gòu)建能源節(jié)約型社會提供了數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：地?zé)豳Y源；奧陶系熱儲；寒武系熱儲；菏澤鄆城；山東省

中圖分類號：P314.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.002

0引言

地?zé)豳Y源集熱能和水資源為一體，由于其溫度適宜，且富含多種于人體有益的礦物質(zhì)，在取暖、洗浴、工業(yè)、醫(yī)療、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值［17］，是繼太陽能和風(fēng)能之后的又一種可供人們開發(fā)利用，并且具有巨大發(fā)展前景的新型綠色環(huán)保資源，是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略和政策的重要內(nèi)容之一［814］。

鄆城地處山東省西部經(jīng)濟(jì)隆起帶，屬于山東省唯一入選全國首批新型城鎮(zhèn)化綜合試點縣，鄆城地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，開采條件好，開發(fā)潛力大［15］，利用前景廣闊，查清鄆城地區(qū)地?zé)豳Y源的賦存條件并對地?zé)豳Y源進(jìn)行計算和評價，對解決鄆城地區(qū)供暖問題、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有十分重要意義。

1區(qū)域地質(zhì)背景

1.1地層

研究區(qū)屬華北平原地層區(qū)魯西地層分區(qū)。全區(qū)被第四系覆蓋區(qū)，區(qū)內(nèi)隱伏地層發(fā)育較齊全，從老到新依次分布有寒武系、奧陶系，石炭二疊系，古近系、新近系和第四系（圖1）。

（1）寒武系。本區(qū)寒武系發(fā)育長清群和九龍群。長清群：自上而下為朱砂洞組、饅頭組共厚160～240m。九龍群：自下而上分為張夏組、崮山組、炒米店組、三山子組，共厚285～450 m。

（2）奧陶系。本區(qū)奧陶系發(fā)育三山子組和馬家溝群。三山子組：灰?guī)r為主，厚100 m左右。馬家溝群：純灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r互層的組合，厚400 m左右。

（3）石炭二疊系。本區(qū)奧陶系發(fā)育月門溝群和石盒子群。月門溝群：泥巖和粉砂巖為主，厚220～290m。石盒子群：泥巖、粉砂巖和砂巖為主，厚度140 m左右。

（4）古近系。研究區(qū)東北部發(fā)育古近系發(fā)育官莊群，泥巖、砂巖、礫巖為主，厚度約380m。

（5）新近系。本區(qū)新近系隱伏于第四系以下，在區(qū)內(nèi)皆有分布，厚度約400m左右。

（6）第四系。在全區(qū)皆有分布，為雜色黏土、黏土質(zhì)砂、砂、砂礫石層，厚度較大，一般在220m左右。

1.2構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)斷裂主要有鄆城斷裂、曹縣斷裂和巨野斷裂。

2地?zé)岬刭|(zhì)條件

鄆城位于菏澤凸起地?zé)崽铮芯繀^(qū)內(nèi)熱儲主要為奧陶系熱儲和寒武系熱儲，奧陶系地?zé)豳Y源為溫?zé)帷獰崴偷蜏氐責(zé)豳Y源，寒武系屬溫水型低溫地?zé)豳Y源，熱儲呈層狀結(jié)構(gòu)。

2.1熱儲特征

（1）奧陶系熱儲。研究區(qū)主要熱儲層為奧陶系石灰?guī)r層狀熱儲，熱儲頂板埋深700～1300m，石炭二疊系、新近系、第四系共同組成熱儲蓋層，蓋層巖性由多層黏性土、砂性土、砂層、黏土巖、泥巖組成，隔熱性能好，為良好的熱儲保溫層（圖2）。據(jù)本次施工的地?zé)峋―RK）測井資料并結(jié)合區(qū)域其他30余眼地?zé)峋Y料，研究區(qū)內(nèi)奧陶系熱儲含水層厚度100～164.3m，含水層平均孔隙度為6.28%～12.93%，滲透率為（0.10～24.56）×10¹⁴m²。區(qū)內(nèi)熱儲埋藏深度適中，蓋層厚度一般在700～1300 m之間，單井出水量40～320 m³/h，井口水溫一般介于43～53℃之間，地?zé)崴瘜W(xué)類型主要為SO₄Ca 型，屬溫?zé)釤崴偷蜏氐責(zé)豳Y源。

（2）寒武系熱儲。研究區(qū)內(nèi)寒武系含水層（主要為二類、三類裂縫層）厚度33.6m，頂?shù)装迓裆?700～2400m，含水層平均孔隙度為1.51%，滲透率為（0.10～0.35）×10¹⁴m²，綜合測井熱儲溫度51.27～60.95℃，單井出水量7.2 m³/d，礦化度3～4g/L，水化學(xué)類型為SO₄Ca型，水溫60℃左右，屬溫水型低溫地?zé)豳Y源。

2.2地溫梯度特征

（1）水平變化特征。研究區(qū)地溫梯度變化較大，在1～4℃/100 m之間。受斷裂影響研究區(qū)地溫梯度在F₀斷裂、F₁斷裂和鄆城斷裂附近較高，最高可達(dá)3.0～4.0℃/100 m；F₀斷裂以東，由西北向東南方向遞增；研究區(qū)整體上，西部地溫梯度高于東部。

（2）垂向變化特征。地溫在垂向上的變化規(guī)律是在恒溫帶以下，地溫隨深度的增加而增加。本次施工的DRK地?zé)峋?177.02 m，垂向變化特征見圖3，結(jié)合研究區(qū)已有的30余眼地?zé)峋Y料，本區(qū)奧陶紀(jì)地層溫度為49～50℃，地溫梯度值偏小，平均地溫梯度值1℃/100m左右。寒武紀(jì)地層溫度為50～60.95℃，平均地溫梯度值1.66℃/100m左右。

2.3地?zé)崴瘜W(xué)特征

本次DRK地?zé)峋謱映樗RK奧陶及DRK寒武水樣進(jìn)行分析測試，結(jié)果顯示，兩層地?zé)崃黧w的水化學(xué)特征基本一致，水化學(xué)類型均屬SO₄Ca·Na型。

（1）常規(guī)離子成分。地?zé)崃黧w礦化度一般在3490.64～4361.38mg/L，DRK奧陶平均值為3623.10mg/L，DRK寒武平均值為3600.35mg/L，屬咸水；pH為6.80～7.80，DRK奧陶平均值為7.6，DRK寒武平均值為6.8；全硬度（CaCO₃計）2052.50～2534.58mg/L，DRK奧陶平均值為2097.33mg/L，DRK寒武平均值為1857.42mg/L，屬極硬水；地?zé)崴兄饕栯x子為Na⁺和Ca²⁺，其含量介于180.00～360.00mg/L和606.76～723.60mg/L間，DRK奧陶Na⁺和Ca²⁺平均值分別為357.77mg/L，634.58mg/L，DRK寒武Na⁺和Ca²⁺平均值分別為413.75mg/L，546.39mg/L；陰離子主要為Cl和SO24，其含量一般在229.19～383.02mg/L和2014.51～2547.08mg/L間，DRK奧陶Cl^-和SO^2-₄平均值分別為320.89mg/L，2023.01mg/L，DRK寒武Cl^-和SO4^2-平均值分別為348.26mg/L，2095.04mg/L，見表1。

（2）微量元素。地?zé)崃黧w由于深層循環(huán)過程中的水—巖相互作用，同時受到高溫對溶濾作用的影響，地?zé)崴泻胸S富的微量元素組分，根據(jù)DRK地?zé)峋瑠W陶熱儲鍶13.19mg/L，偏硅酸31.78mg/L。但從化驗測試結(jié)果中可以看出污染元素含量大部分低于檢出限（表2）。

（3）放射性元素及其特征。放射性元素含量總體上可以表明放射性元素的含量高，地?zé)崮艽蟮奶攸c，本區(qū)放射性元素較其他地下水偏高，DRK奧陶、DRK寒武地?zé)崴姆派湫酝凰睾恳姳?。

（4）同位素及其特征。地下水氚的含量一般情況下僅受衰變規(guī)律的影響，而不發(fā)生與巖石介質(zhì)的交換，可以利用氚計算地下水的年齡、確定含水層的補(bǔ)給源和速度［1617］。一般采用經(jīng)驗法估算地下水的年齡，通常是根據(jù)地下水是否受到了核爆的標(biāo)記，將地下水形成時間分為核試驗前與核試驗后2個階段［1819］。天然情況下大氣降水的氚濃度為10TU，對此類地下水進(jìn)一步劃分如表4所示。

DRK奧陶地?zé)崃黧w氚的含量為（2.2±0.8）TU，DRK寒武地?zé)崃黧w氚的含量為（1.4±0.8）TU，即DRK奧陶、DRK寒武地?zé)崃黧w1953年以前的補(bǔ)給水與近代補(bǔ)給水的混合水。

3地?zé)崃黧w質(zhì)量評價

依據(jù)《地?zé)豳Y源評價方法及估算規(guī)程》（DZ/T0331—2020）附錄F《理療熱礦泉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，奧陶系地?zé)崃黧w偏硅酸達(dá)到礦水濃度標(biāo)準(zhǔn)，寒武系地?zé)崃黧w鍶元素達(dá)到命名標(biāo)準(zhǔn)，鋰元素達(dá)到命名標(biāo)準(zhǔn)。DRK井井口溫度為50℃，根據(jù)地?zé)豳Y源溫度分級，該區(qū)地?zé)豳Y源為低溫地?zé)豳Y源，溫水型，可用于理療、洗浴、溫室、養(yǎng)殖。

根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2006），DRK地?zé)峋畩W陶系熱儲地?zé)崃黧w中檢測到的項目總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物超標(biāo)，不能作為生活飲用水；DRK地?zé)峋湎禑醿Φ責(zé)崃黧w中檢測到的項目總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、色度、錳元素超標(biāo)，不能作為生活飲用水。

根據(jù)《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084—2021），DRK地?zé)峋畩W陶系及寒武系該地?zé)崃黧w溫度、溶解性總固體均超標(biāo)，均不可作為農(nóng)田灌溉用水。

根據(jù)《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB11607—89），DRK奧陶系熱儲地?zé)崃黧w中NH+4、氟化物超標(biāo)，寒武系熱儲地?zé)崃黧w中NH+4超標(biāo)，均不宜直接作為漁業(yè)用水。

DRK井奧陶系熱儲地?zé)崃黧w的pH為7.1，為堿性水，本次K_k取值選用公式K_k=1.008（rMg²⁺－rHCO₃^-），經(jīng)計算，K_k=15.60＞0，鍋垢總量H₀=1442.13＞500，即DRK井奧陶系熱儲地?zé)崃黧w為腐蝕性鍋垢較多地?zé)崴?；DRK井寒武系熱儲地?zé)崃黧w的pH為6.8，為堿性水，本次K_k取值選用公式K_k=1.008（rH⁺+rAl³⁺rMg²⁺+rFe²⁺-rHCO₃^--rCO^2-₃），經(jīng)計算，K_k=16.03＞0，鍋垢總量H₀=1242.42＞500，即DRK井寒武系熱儲地?zé)崃黧w為腐蝕性鍋垢較多地?zé)崴?，因此在地?zé)崴_發(fā)利用過程中要考慮地?zé)崴畬饘俚母g性。

4地?zé)豳Y源計算

4.1地?zé)豳Y源量計算

依據(jù)研究區(qū)內(nèi)斷裂分布及熱儲埋深不同，把研究區(qū)分為4個分區(qū)（圖4）。依據(jù)施工的探采孔結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果，按《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）的規(guī)定，采用熱儲法進(jìn)行計算。采用熱儲法估算公式（1）—公式（6）為：

Q=Q_r+Q_w（1）

Q_r=Adρ_rC_r（1-φ）（t_r-t₀）（2）

Q_L=Q₁+Q₂（3）

Q₁=Aφd（4）

Q₂=ASH（5）

Q_w=QLρ_wC_w（t_r-t₀）? ? （6）

式中：Q—熱儲中儲存的熱量（J）；Q_r—巖石中儲存的熱量（J）；Q_L—熱儲中儲存的水量（m³）；Q₁—截止到計算時刻，熱儲孔隙中熱水的靜儲量（m³）；Q₂—水位降低到目前取水能力極限深度熱儲所釋放的水量（m³）；Q_w—水中儲存的熱量（J）；A—計算區(qū)面積（m²）；d—熱儲厚度（m）；t_r—熱儲溫度（℃）；t0—當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁兀ā妫?；?sub>r、ρ_w—分別為熱儲巖石和地?zé)崴拿芏龋╧g/m³）；C_r、C_w—分別為熱儲巖石和水的比熱（J/kg·℃）；φ—熱儲巖石的孔隙度，無量綱；S—彈性釋水系數(shù)，無量綱；H—計算起始點以上高度（m）。

本次研究t₀取14.0℃，彈性釋水系數(shù)S參數(shù)采用抽水試驗Theis曲線配線法計算，彈性釋水系數(shù)為9.025×10^-4；奧陶系熱儲厚度取56.4m，依據(jù)DRK地?zé)峋臏y井資料統(tǒng)計，寒武系二類裂隙為8.2m，無一類裂隙，寒武系熱儲總厚度估算為8.2m；各分區(qū)奧陶系熱儲層溫度以區(qū)內(nèi)地?zé)峋蜞弲^(qū)地?zé)峋畬嶋H井口溫度當(dāng)作其熱儲溫度，但考慮到Ⅰ區(qū)各地?zé)峋拷麱1斷裂附近，而其西部奧灰埋深較淺，部分熱儲隱伏與第四系以下，運用內(nèi)插法計算，Ⅰ區(qū)取經(jīng)驗值40℃；根據(jù)DRK測溫資料知，寒武紀(jì)地層地溫梯度值約1.66 ℃/100m，故各分區(qū)寒武系熱儲的溫度利用各分區(qū)奧陶系熱儲的溫度及寒武系地層的地溫梯度值計算；根據(jù)《地?zé)豳Y源評價方法》（GB/T 11615—2010）附錄C以及用內(nèi)插法求得灰?guī)r的比熱容和不同溫度下水的密度；依據(jù)DRK測井資料，研究區(qū)奧陶系熱儲層孔隙度取7.5%，寒武系熱儲的孔隙度Ⅰ區(qū)取1.52%，其余各區(qū)取鄰區(qū)經(jīng)驗值2.5%。計算結(jié)果顯示（表5），研究區(qū)內(nèi)奧陶系熱儲地?zé)豳Y源總量為11.836×10¹⁷J，奧陶系熱儲中儲存的水量Q_L為10.518×10⁸m³；寒武系熱儲地?zé)豳Y源總量為2.261×10¹⁷J，寒武系熱儲中儲存的水量QL為0.854×10⁸m³。

4.2地?zé)岙a(chǎn)能計算與評價

按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）要求，依據(jù)地?zé)崃黧w開采量所采出的熱量，按式7、式8計算地?zé)崽锏漠a(chǎn)能：

W_t=4.1868Q（t-t₀）? ? ?（7）

∑W_t=86.4D W_t/K? ? ? （8）

式中：W_t—熱功率（kW）；Q—地?zé)崃黧w可開采水量（m³/h）（本次按照“以灌定采”的原則估算地?zé)崃黧w可開采水量，據(jù)對研究區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀的調(diào)查，區(qū)域內(nèi)地?zé)豳Y源回灌量為12650m³/d，合527.08 m³/h，本次把區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w可開采量估算為146.41L/s）；t—地?zé)崃黧w溫度（℃），本次計算取50℃；t0—當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，本次計算?4.0℃；4.1868為單位換算系數(shù)；∑W_t—開采一年可利用的熱能（MJ）；D—全年開采日數(shù)（按24h換算），本次按采暖季取120d；86.4—單位換算系數(shù)；K—熱效比（按燃煤鍋爐的熱效率0.6計算）。

經(jīng)計算，研究區(qū)內(nèi)地?zé)岙a(chǎn)能約為22067.62 kW，開采一年可利用的熱能為3.81×108 MJ，屬于中、低溫中型地?zé)崽?，地?zé)崴_采一年可獲得熱量與之相當(dāng)?shù)墓?jié)煤量1.3萬t/a。

5結(jié)論

（1）研究區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源主要賦存于奧陶系和寒武系熱儲中。

（2）研究區(qū)奧陶系地?zé)豳Y源為溫?zé)釤崴偷蜏氐責(zé)豳Y源，寒武系屬溫水型低溫地?zé)豳Y源。

（3）研究區(qū)地?zé)崴捎糜诶懑?、洗浴、溫室、養(yǎng)殖，不能用于生活飲用、農(nóng)田灌溉、漁業(yè)，屬腐蝕性鍋垢較多地?zé)崴?/p>

（4）研究區(qū)內(nèi)奧陶系熱儲地?zé)豳Y源總量為11.836×10¹⁷J，奧陶系熱儲中儲存的水量Q_L為10.518×10⁸m³；寒武系熱儲地?zé)豳Y源總量為2.261×10¹⁷J，寒武系熱儲中儲存的水量Q_L為0.854×10⁸m³。研究區(qū)地?zé)岙a(chǎn)能約為22067.62kW，開采一年可利用的熱能為3.81×10⁸MJ，屬于中、低溫中型地?zé)崽?，地?zé)崴_采一年可獲得熱量與之相當(dāng)?shù)墓?jié)煤量1.3萬t/a。

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Study on Characteristics of Geothermal Resources

in Yuncheng Area in Heze City

YAN Beibei，LI Xinfeng，YANG Jian，YANG Yugang，WANG Xuelian，WNAG Tao，LI Xiaopeng

（Geophysical Prospecting and Surveying Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau，Shandong Ji'nan 250104， China）

Abstract： Yuncheng area is rich in geothermal resources， which are mainly stored in the Ordovician and Cambrian systems. In order to estimate and evaluate geothermal resources in this area， one geothermal well has been constructed. In combination with the collected data of more than 30 geothermal wells in this area， geothermal occurrence conditions in Yuncheng area have been basically found out， and the Ordovician and Cambrian thermal reservoirs have been determined as the object of this study. The quality of geothermal fluid in Yuncheng area has been evaluated， and the amount of geothermal resources has been calculated. The evaluation provides data support for sustainable development and utilization of geothermal resources in Yuncheng， driving local economic development and building an energy conservation society.

Key words： Geothermal resources; Ordovician thermal reservoir; Cambrian thermal reservoir; Yuncheng city; Shandong province