魯西北平原地熱資源儲量評價

王小剛，李俊峰，董國良

（1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊（山東省魯北地質(zhì)工程勘察院）；2.德州市地熱清潔能源開發(fā)利用中試基地，山東 德州 253000）

地熱資源可以再生，是一種新型清潔能源，對促進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)環(huán)境改善和社會可持續(xù)發(fā)展等都有重要的意義。魯西北平原包括聊城市、德州市、東營市、濱州市的全部及濟南市、淄博市、濰坊市的北部，賦存豐富的地熱資源。魯西北平原在地質(zhì)構(gòu)造上為在太古界及古生界基底上發(fā)育起來的中、新生代斷陷盆地。地熱水主要富集在古、新近系層狀砂巖的孔隙-裂隙和古生界石灰?guī)r的巖溶-裂隙內(nèi)。研究區(qū)內(nèi)已有地熱井的測溫資料表明，地熱水的溫度大多小于90 ℃，它屬于低溫地熱資源。目前，區(qū)內(nèi)中低溫地熱資源已被廣泛用于供暖及洗浴[1]。

1 地熱資源評價方法

根據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）[2]和《地熱資源評價方法及估算規(guī)程》（DZ/T 0331—2020）[3]，魯西北平原可劃分為9 個熱儲層（組），按熱儲所處地層的時代，其由新至老、自上而下依次為：新近系明化鎮(zhèn)組孔隙熱儲層（組）、新近系館陶組孔隙-裂隙熱儲層（組）、古近系東營組孔隙-裂隙熱儲層（組）、古近系大汶口組孔隙-裂隙熱儲層（組）、古近系卞橋組裂隙熱儲層（組）、白堊-侏羅系裂隙熱儲層（組）、二疊-石炭系裂隙熱儲層（組）、奧陶-寒武系碳酸巖巖溶-裂隙熱儲層（組）以及新太古界泰山巖群變質(zhì)巖系塊狀裂隙熱儲層（組）。古近系大汶口組是區(qū)內(nèi)主要生油、儲油地層，為維持儲層壓力，油氣開采一般采用注水驅(qū)油技術(shù)。地熱資源的開采與油氣開發(fā)存在沖突，本研究不對大汶口組熱儲地熱資源進行計算，孔隙-裂隙熱儲的計算深度取東營組熱儲的底板埋深。寒武-奧陶系熱儲的計算深度取熱儲的底板埋深或3 000 m。

賦存于熱儲中的地熱資源能被開發(fā)利用必須具備兩個前提條件，一是要有足夠的熱資源，二是必須有能將熱資源帶至地表的地熱流體。本研究先進行地熱資源量計算，再進行地熱水資源量計算。地熱水可采量的計算應以不產(chǎn)生環(huán)境地質(zhì)問題為原則，主要控制開采期末最大水位降深，防止地面沉降。

1.1 地熱資源量的計算方法

地熱資源量根據(jù)其性質(zhì)可分為靜儲量及可采量。其中，靜儲量是客觀存在于地層中的地熱資源量，可采量是靜儲量中在短期內(nèi)可以被開采出來的地熱資源量。根據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）、《地熱資源評價方法及估算規(guī)程》（DZ/T 0331—2020），地熱資源的豐富程度可從靜儲量與可采量兩個方面進行評價。

1.1.1 地熱資源靜儲量計算方法

地熱資源靜儲量計算采用《地熱資源評價方法及估算規(guī)程》（DZ/T 0331—2020）推薦的熱儲法，計算公式如式（1）所示。其間，巖石和水的平均體積比熱容采用式（2）進行計算。

式中：Qr為地熱資源靜儲量，kJ；C為巖石和水的平均體積比熱容，kJ/（m3·℃）；A為計算區(qū)面積，m2；H為熱儲平均厚度，m；tr為熱儲平均溫度，℃；t0為基準溫度（取當?shù)囟嗄昶骄鶜鉁兀?，℃；ρr、ρw分別為巖石和水的密度，kg/m3；Cr、Cw分別為巖石和水的比熱容，kJ/（kg·℃）；φ為巖石的平均孔隙度，%。

1.1.2 地熱資源可采量計算

地熱資源可采量采用回收率法進行計算，具體公式如式（3）所示。

式中：Qwh為地熱資源可采量，kJ；RE為回收率，%；Qr為地熱資源靜儲量，kJ。

1.2 地熱水資源量計算方法

地熱水資源量根據(jù)其性質(zhì)可分為靜儲量及可采量。其中，靜儲量是客觀存在于地層中的熱水資源量，可采量是靜儲量中在短期內(nèi)可以被開采出來的資源量。

1.2.1 地熱水靜儲量計算方法

地熱水靜儲量可采用地下水儲存量的計算方法，承壓水的靜儲量包括容積儲存量與彈性儲存量兩部分，計算公式如式（4）所示。

式中：W靜為地熱水靜儲量，m3；H砂、H黏為熱儲砂巖段厚度、弱透水層段厚度，m；μ砂、μ黏為熱儲砂巖段給水度、弱透水層段給水度；P砂、P黏為熱儲砂巖段水頭高度、弱透水層段水頭高度，m；S砂、S黏為熱儲砂巖段彈性釋水系數(shù)、弱透水層段彈性釋水系數(shù)。

在計算地熱水靜儲量時，可以忽略地熱水的彈性儲存量。簡化后，地熱水靜儲量的計算公式如式（5）所示。

1.2.2 地熱水可采量計算方法

地熱水可采量由熱儲及其相鄰的弱透水層在限定降深條件下的彈性釋放量組成，采用式（6）進行計算。

式中：Q可采為地熱水可采量，m3；P為限定的水位降深，m。

1.3 地熱田劃分

研究區(qū)內(nèi)明化鎮(zhèn)組熱儲與館陶組熱儲在平面上分布較均勻，地熱田無明顯的物理邊界。根據(jù)東營組熱儲與寒武-奧陶系熱儲的分布特征，可采用構(gòu)造單元的邊界劃分地熱田，將研究區(qū)劃分為6 個地熱田。一是臨清坳陷地熱田，面積約為7 721 km2。二是埕子口-寧津潛凸起地熱田，面積約為3 646 km2。三是惠民-臨邑潛凹陷地熱田，面積約為7 509 km2。四是車鎮(zhèn)-沾化潛凹陷地熱田，面積約為6 941 km2。五是東營潛凹陷地熱田，面積約為8 794 km2。六是魯中隆起地熱田，面積約為8 740 km2。

2 地熱資源量計算

地熱資源的計算分區(qū)以地熱田的劃分為基礎(chǔ)，分為6 個計算區(qū)。

2.1 地熱資源靜儲量

根據(jù)式（1）計算，研究區(qū)內(nèi)明化鎮(zhèn)組熱儲的地熱資源靜儲量為9.97×1020J，折合標準煤340.04 億t；館陶組熱儲的地熱資源靜儲量為9.966×1020J，折合標準煤339.04 億t；東營組熱儲的地熱資源靜儲量為4.747×1020J，折合標準煤161.9 億t；寒武-奧陶系熱儲的地熱資源靜儲量為6.04×1020J，折合標準煤206.14 億t。

2.2 地熱資源可采量

根據(jù)式（3）計算，研究區(qū)內(nèi)明化鎮(zhèn)組熱儲的地熱資源可采量為7.18×1019J，折合標準煤24.51 億t；館陶組熱儲的地熱資源可采量為1.06×1020J，折合標準煤36.18 億t；東營組熱儲的地熱資源可采量為4.34×1019J，折合標準煤14.81 億t；寒武-奧陶系熱儲的地熱資源可采量為9.06×1019J，折合標準煤30.92 億t。

2.3 地熱水靜儲量

根據(jù)式（5）計算，研究區(qū)內(nèi)明化鎮(zhèn)組熱儲的地熱水靜儲量為2.25×1012m3，蘊含熱量為2.31×1020J；館陶組熱儲的地熱水靜儲量為1.41×1012m3，蘊含熱量為2.495×1020J；東營組熱儲的地熱水靜儲量為4.44×1011m3，蘊含熱量為8.02×1019J；寒武-奧陶系熱儲的地熱水靜儲量為2.20×1011m3，蘊含熱量為5.09×1019J。

2.4 地熱水可采量

地熱水最大允許降深的確定主要是從地熱資源保護及環(huán)境保護角度出發(fā)，確保地熱資源的開發(fā)不會誘發(fā)地面沉降。本次計算中，明化鎮(zhèn)組熱儲的最大允許降深取100 m，館陶組熱儲的最大允許降深取150 m，東營組熱儲的最大允許降深取200 m，寒武-奧陶系熱儲的最大允許降深取300 m。根據(jù)確定的地熱水最大允許降深，采用式（6）計算研究區(qū)地熱水可采量。經(jīng)計算，明化鎮(zhèn)組熱儲的地熱水可采量為1.00×1011m3，熱儲中提取熱量為9.84×1018J；館陶組熱儲的地熱水可采量為1.954×1011m3，熱儲中提取熱量為3.458×1019J；東營組熱儲的地熱水可采量為1.10×1010m3，熱儲中提取熱量為1.89×1018J；寒武-奧陶系熱儲的地熱水可采量為2.66×109m3，熱儲中提取熱量為6.16×1017J。

3 結(jié)語

地熱資源是一種可再生的新型清潔能源，應用領(lǐng)域廣泛，潛在經(jīng)濟效益和環(huán)境效益十分可觀。以地熱供暖為例，其運行費用僅為燃油（氣）鍋爐的10%左右，為燃煤鍋爐的25%左右[4]。為獲得更好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，要合理有序開發(fā)地熱資源，提高地熱資源的利用效率[5]。魯西北平原地熱資源埋藏較深，補給途徑遠，補給極其微弱，它屬于消耗型資源，在地熱資源的開發(fā)中，應當重視對資源的保護與充分利用。