供暖地熱鉆井選址與資源預測方法研究
——以徐州市泉山區(qū)為例

徐愛民，宋 濤，陸俊杰，韓文斌，易建民，盧 俊

（1.江蘇華東八一四地球物理勘查有限公司，南京 210007；2.中鋁礦業(yè)有限公司，鄭州 450041；3.江蘇省地質局，南京 210001）

地熱資源是一種可再生的清潔能源，因其廣泛分布、儲量巨大等特點備受關注。我國的地熱資源非常豐富，資源總量約占全球的7.9%，可采儲量相當于4 626.5 億t標準煤。當前，地熱資源開發(fā)利用領域主要為工業(yè)、取暖、浴療及農業(yè)等，截至2020 年底，我國地熱能消費規(guī)模折合7 000 萬t標準煤，地熱供暖（制冷）面積累計達到16 億m2[1-3]，已形成產業(yè)化優(yōu)勢。城鎮(zhèn)是人口集中居住區(qū)，有巨大的地熱供暖需求，但復雜的城市建筑、地下管網(wǎng)及電磁干擾給地熱資源勘查帶來巨大挑戰(zhàn)。基于地熱資源勘查，評價區(qū)域地熱資源開發(fā)潛力，估算地熱資源儲量，是地熱供暖規(guī)劃的基礎。本文以徐州市泉山區(qū)（翟山街道）為研究區(qū)，結合區(qū)域地質，通過地球物理勘探分析源、通、儲、蓋等地熱地質條件，優(yōu)選地熱鉆井，結合鄰近的同類地熱鉆井數(shù)據(jù)，估算并預測地熱資源供熱能力，為地熱供暖可行性研究和遠景規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持，降低投資風險。

1 區(qū)域地質背景

如圖1 所示，研究區(qū)位于中朝準地臺南緣徐-宿弧形斷褶帶中北段中樞部位，結晶基底由晚太古代-古元古代的沉積巖、中基性火山巖和花崗巖為源巖的變質巖組成，基底之上為青白口系-古生界海相碳酸鹽巖夾陸相碎屑巖系為主的脆性變形推覆巖片，上覆沉積蓋層主要為侏羅系-新近系紅色碎屑巖夾火山巖系地層。加里東運動時期區(qū)域抬升，沉積缺失奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系及石炭系下統(tǒng)。地表出露的地層以下古生界寒武系與奧陶系為主，基巖出露面積小，余者多被第四系覆蓋[4-5]。

圖1 區(qū)域大地構造及研究區(qū)地質簡圖

2 地熱地質條件

2.1 區(qū)域熱背景

我國陸區(qū)巖石圈厚度總體呈東薄西南厚的特征，我國溫泉多分布在熱巖石圈厚度小于150 km的區(qū)域，其中高溫泉主要位于100 km 以內更薄的地區(qū)。徐州市巖石圈厚度為85 ～95 km，顯示與高溫地幔流體有相對小的距離。莫霍面深度為35 ～40 km，居理面深度為28 ～34 km，顯示大地熱流由地球深部向地球表面?zhèn)鲗Ь哂休^好的條件。我國陸區(qū)的大地熱流預測平均值為63.54 mW/m2，徐州市地處華北陸塊區(qū)南部，大地熱流值在60 ～65 mW/m2。徐州市井溫實測資料顯示，淺部1 600 m 以內平均地溫梯度為17.4 ～25.0 ℃/km，1 600 ～2 000 m 平均地溫梯度大于43 ℃/km，深部具明顯的地溫梯度異常。研究區(qū)東南部約8 km 的潘塘盆地內揭露燕山早期的中酸性侵入巖和中基性火山巖。徐州市區(qū)周邊無溫泉集中出露區(qū)，沒有明顯的地表釋熱形跡。區(qū)域熱背景具有較好的條件，但地表未有明顯的地熱異常表現(xiàn)，反映徐州市的地熱資源勘探工作應重點關注深部。

2.2 地熱資源成礦條件

目前，江蘇省以開發(fā)水熱型低溫地熱資源為主，根據(jù)賦存狀態(tài)及成因，江蘇省水熱型地熱資源大致可分為盆地傳導型和構造對流型兩大類。下?lián)P子地塊淺部的盆地和斷凹內分布中新生代以來的砂礫巖、火山巖等具有較好孔隙度的巖石，其中賦存的地下水經(jīng)深部傳導的地熱直接加熱，形成盆地傳導型地熱資源；下?lián)P子地塊褶皺隆起區(qū)、蘇魯造山帶、華北地臺南緣經(jīng)歷印支-燕山期多期構造運動或巖漿活動的改造，斷裂發(fā)育、脆性巖石破碎、巖溶發(fā)育等有利構造因素為地熱流體的循環(huán)、熱量的運移提供良好條件，形成構造對流型地熱資源。

2.2.1 控熱導熱構造

受印支期揚子板塊向華北板塊擠壓和后期重力滑覆作用影響，徐州市構造發(fā)育，主要體現(xiàn)在軸向呈弧形展布的褶皺褶曲與逆（沖）斷層的廣泛分布。北東向斷層穿過研究區(qū)，東南側上盤的奧陶系下統(tǒng)蕭縣組-馬家溝組逆沖于北西側下盤的馬家溝組之上，斷層上下盤均為寒武系-奧陶系碳酸鹽巖組成的褶皺構造，是徐-宿弧形構造的經(jīng)典模式。北東向深大斷裂導通深部熱源，是良好的導熱構造。北西西走向的廢黃河斷裂（帶）是研究區(qū)附近的水源地集中分布帶，巖溶裂隙發(fā)育，富水性好，單井涌水量多大于3 000 m3/d。徐州市泉山區(qū)具有良好的北東向斷層導熱構造，鄰近北西西向導熱（水）構造，具備較好的通道條件。

2.2.2 熱儲層與熱儲構造

實測重力資料顯示，徐州市泉山區(qū)整體構造格局呈北東向，自西北向東南，一系列北東軸向的向斜與背斜相間分布。研究區(qū)中部是一背斜核部，重力高值具有北東走向分布特點，但線性異常特征不明顯，反映翟山街道一帶擠壓后可能存在局部重力滑覆現(xiàn)象。北西及南東兩側的重力梯度是褶皺地層與斷層的綜合顯示，如圖2 所示。

圖2 實測布格重力異常

廣域電磁法是一種大功率人工源電磁法，因其抗干擾能力強、探測深度大，被廣泛應用于油氣和地熱資源勘查，尤其在城鎮(zhèn)地熱勘查中發(fā)揮重要作用。廣域電磁勘探二維反演斷面如圖3 所示，其電阻率整體呈高阻背景，符合震旦系-奧陶系碳酸鹽巖的電阻率特征。斷面東南端低阻顯示表層0 ～200 m 由薄層第四系覆蓋，西北端表層低阻反映小規(guī)模巖溶發(fā)育；深部兩處規(guī)模較大的橢圓狀低阻為發(fā)育規(guī)模較大的巖溶，南部巖溶發(fā)育區(qū)埋深為500 ～1 600 m，寬度為200 ～1 000 m，規(guī)模較大，經(jīng)推斷，原因是斷層切割和長期溶蝕造成多期、多段巖溶充水，北部巖溶發(fā)育區(qū)埋深為900 ～1 600 m，寬度為200 ～700 m，經(jīng)推測，其與淺部小規(guī)模巖溶均是由斷層破碎和長期溶蝕造成的。深部的斷裂破碎帶和巖溶發(fā)育區(qū)是良好的對流型熱儲賦存位置，重力與廣域電磁聯(lián)合勘探結果顯示，徐州市泉山區(qū)厚層碳酸鹽巖廣泛分布，1 000 ～2 000 m 深度內褶皺、斷層與巖溶均較發(fā)育，斷層切割深度大，導熱導水性較好。

圖3 廣域電磁二維反演解譯斷面

2.2.3 蓋層發(fā)育特征

結合區(qū)域地質和地球物理勘探成果可知，翟山街道西北部寒武系-奧陶系碳酸鹽巖出露地表，其他大部被第四系覆蓋，第四系厚度小于200 m。碳酸鹽巖熱導率分布區(qū)間在2.34 ～6.55 W/（m·K），屬高熱導巖石，第四系松散沉積因孔隙度較大具有一定的保溫作用。由此可見，研究區(qū)蓋層保溫條件較差，這也是徐州市淺部地溫梯度較低的主要原因之一。對流型地熱資源流體溫度的影響因素主要是流體循環(huán)深度和不同流體換熱前的初始溫度，受蓋層影響較小，因此本次地熱鉆井選址的主要目標為深部裂隙巖溶中賦存的對流型熱儲。

3 地熱鉆井選址與地熱資源預測

3.1 地熱鉆井選址

在2 條主要斷層所經(jīng)的巖溶發(fā)育區(qū)設計地熱探井ZS01 和ZS02，鉆探深度為2 500 m，勘探目標為寒武系-奧陶系裂隙巖溶熱儲。ZS01 井目標位置是埋深1 000 ～2 000 m 的斷裂破碎及巖溶發(fā)育帶，ZS02 井的目標位置是埋深1 000 ～1 800 m 的斷裂破碎及巖溶發(fā)育帶。鑒于地球物理勘探方法的多解性以及深部可能賦存優(yōu)質地熱資源的可能性，兩井均加深至2 500 m。

3.2 地熱資源預測

周邊地熱鉆井較少，已知潘塘盆地邊緣西側施工地熱井揭露1 465.88 ～2 064.35 m 震旦系灰?guī)r熱儲層，地熱井出水溫度為54 ℃，核定地熱水可開采量為226 m3/d；徐州市賈汪區(qū)地熱井深度為2 280 m，最終井口出水溫度為48 ℃，涌水量為1 032 m3/d[6]。據(jù)地球物理勘探成果，本區(qū)裂隙巖溶發(fā)育規(guī)模較大，結合鄰區(qū)已知地熱井數(shù)據(jù)，預測單井井口水溫為60 ℃，出水量為960 m3/d，設計一采兩注地熱開采換熱系統(tǒng)2 組，即取水井2 口、回灌井4 口。采用地熱水“換熱+壓縮式”熱泵供熱，地熱水首先經(jīng)過換熱器與二級網(wǎng)熱水直接換熱，換熱后的地熱水溫度降低至38 ℃，然后經(jīng)過壓縮式熱泵，將熱量傳遞給二級網(wǎng)熱水，地熱水最終降至18 ℃左右回灌。通過換熱器換熱的二級網(wǎng)熱水和經(jīng)過熱泵換熱的二級網(wǎng)熱水匯集在一起，進入熱用戶供暖。根據(jù)《地熱資源評價方法及估算規(guī)程》（DZ/T 0331—2020），采用式（1）、式（2）估算居室采暖面積和熱水產能。

式中：F為采暖面積，m2；En為熱水產能，W；Qf為居室采暖熱指標，取66.5 W/m2；Q為熱水流量，m3/d，取1 920 m3/d；T為進水溫度，取60 ℃；T0為回水溫度，取18 ℃。

經(jīng)計算，研究區(qū)2 口地熱井的居室供暖面積約為58 764 m2，當實際供暖面積大于該面積時，地熱資源開發(fā)利用規(guī)劃應注意提高天然氣、淺層地溫能等其他附加供熱方式在供熱系統(tǒng)中的占比。

4 結論

本文以徐州市泉山區(qū)為研究區(qū)，結合區(qū)域地質背景，分析沉積建造特征、熱構造活動規(guī)律，明確地熱地質要素的宏觀分布規(guī)律，為地熱資源勘查奠定地質基礎?？傮w來看，從源、通、儲、蓋等方面分析地熱地質條件，判斷地熱資源成因模式與熱儲層賦存特征，結合地球物理勘探成果優(yōu)選最佳熱儲位置，部署地熱探井揭露目標熱儲，是地熱資源勘查的關鍵環(huán)節(jié)。按照《地熱資源地質勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010），基于設計地熱鉆井的預測數(shù)據(jù)和鄰近地熱鉆井成果，分析并估算地熱資源供熱能力，對地熱資源開發(fā)潛力進行預測性評價，可為后續(xù)地熱供暖規(guī)劃提供重要依據(jù)。