彭凱，趙振華，房浩

(1.山東省地礦工程勘察院，山東濟南250014;2中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京100081;3北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院 北京100875)

地?zé)豳Y源是指儲存于地下、具有一定質(zhì)量和數(shù)量、可供開發(fā)利用的地?zé)崮芎偷責(zé)崃黧w［1］。地?zé)崮芤呀?jīng)在全球60多個國家得到直接利用，并顯現(xiàn)出較高的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。不過，地?zé)岬暮侠黹_發(fā)必須建立在對其資源量和分布規(guī)律的科學(xué)評價基礎(chǔ)上［2-6］。

濱州市是山東省重要的糧棉產(chǎn)地和勝利油田的重要開發(fā)區(qū)。近年來隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，能源消耗大幅增加，能源和環(huán)保問題日益突出。為進(jìn)一步加快經(jīng)濟建設(shè)步伐，培養(yǎng)新的經(jīng)濟增長點，大力開發(fā)地?zé)嵝履茉磩菰诒匦?。研究區(qū)地處東營凹陷西部，二十世紀(jì)六十年代以來，勝利油田施工了大量石油地質(zhì)勘探孔，部分鉆孔鉆遇了地下熱水，從區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件分析，工作區(qū)具備地?zé)嵝纬傻?/p>

基本條件。然而地下熱水作為一種礦產(chǎn)資源，不能無序地進(jìn)行開采，必須有規(guī)劃、按計劃進(jìn)行。為了合理的規(guī)劃和保護當(dāng)?shù)氐牡責(zé)豳Y源必須查明濱州西部城區(qū)的地?zé)豳Y源情況。

1 國內(nèi)外地?zé)豳Y源研究概況

隨著環(huán)境壓力的增加，加上碳匯等因素，地?zé)嶙鳛榍鍧嵞茉矗沟闷涫袌鲩_發(fā)變得活躍起來。全世界地?zé)醿α?.45×1026J，目前已有110個國家在開發(fā)利用，并以12.8%的速度在遞增。全球地?zé)嶂苯永每傃b機容量和年產(chǎn)能分別為5.058×107kW 和 4.38 ×1014kJ/a，其年均增長幅度分別達(dá)到12%和9.9%。地?zé)崂靡呀?jīng)有許多年歷史，直到1904年意大利才開始利用地?zé)岚l(fā)電。目前，國內(nèi)外一些地質(zhì)學(xué)家開始重視沉積盆地內(nèi)地?zé)崽锏难芯?，國外地質(zhì)學(xué)家也對沉積盆地型地?zé)崽锏某练e特征進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。世界各國對地?zé)豳Y源的開發(fā)利用己取得很大進(jìn)展。2010年4月，在印尼舉辦的“世界地?zé)岽髸敝羞_(dá)成共識，認(rèn)為地?zé)嵯到y(tǒng)資源分布廣泛、開發(fā)潛能巨大。我國地?zé)豳Y源的開發(fā)利用已有上千年的歷史，但是較大規(guī)模的開發(fā)利用則是近30年的事。我國是世界上地?zé)豳Y源豐富的國家之一，儲量居全球第二，其分布主要集中在東部沿海各省和西南部的西藏自治區(qū)、云南省西部及四川省西部等地，形成了分別屬于環(huán)太平洋地?zé)釒Ш筒氐岬責(zé)釒У膬蓚€地?zé)釒АＴ诘責(zé)豳Y源的定量評價方面，前人也做了很多的研究，現(xiàn)有的研究方法主要有:體積法、熱流量法、類比法、巖體熱平衡法、平面裂隙法、蒙特卡羅法等方法。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究地區(qū)構(gòu)造

研究區(qū)為黃河沖積平原，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。在大地構(gòu)造單元上位于華北地臺(Ⅰ)、華北斷陷盆地(Ⅱ級)、濟陽拗陷區(qū)(Ⅲ)中部之東營凹陷(Ⅳ)西緣。經(jīng)歷燕山運動后，區(qū)內(nèi)發(fā)育了一系列NE、NWW及近EW向繼承性的張性大斷裂，內(nèi)部沉降開始，出現(xiàn)了以侏羅系和白堊系下統(tǒng)為主的盆地碎屑沉積。新近紀(jì)時期，研究區(qū)處于強烈的拉張作用下，斷裂活動強烈，發(fā)生了大規(guī)模的不均一的斷陷活動，又形成一系列凹陷與凸起。

2.2 主要熱儲層

研究區(qū)為魯北地?zé)崽锏囊徊糠?，屬于層控?-孔隙裂隙亞型地?zé)豳Y源，熱水賦存于新生界砂巖中，溫度相對較高、水量大、水質(zhì)好，是地?zé)衢_發(fā)的良好地段。新近系館陶組和古近系東營組是區(qū)內(nèi)的兩個主要熱儲層。

2.2.1 新近系館陶組碎屑巖孔隙含水巖組(N1g)

工作區(qū)館陶組底板埋深1 150～1 500 m，該組厚度一般在150～450 m。恒溫層深度為20 m，恒溫層地溫一般在14.0～15.0℃，地溫梯度一般在 3.5 ～4.5℃ /100 m;據(jù)推算，館陶組地溫平均值56.5℃。另據(jù)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)資料，孔隙度30% ～36%，滲透率1.0～1.4μm2，水化學(xué)類型為 Cl-Na型，礦化度一般在9.89g/L。

2.2.2 古近系東營組碎屑巖孔隙裂隙含水巖組(E3d)

東營組頂板埋深1 150～1 500 m，底板埋深1 300～1 700 m，厚度一般200～300 m，推測熱儲平均溫度63.5℃，且區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)缺失東營組一段，其二段或三段與上部館陶組熱儲直接接觸。據(jù)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)資料，孔隙度28% ～32%，滲透率0.9～1.2 μm2。

3 地?zé)豳Y源計算與評價

3.1 熱儲概念模型的建立

區(qū)內(nèi)新近系館陶組熱儲層和古近系東營組熱儲層均為層控型熱儲，呈層狀分布，巖性厚度比較穩(wěn)定。其熱儲概念模型可描述如下:

1)熱源及通道

研究區(qū)主要的熱源為地殼深部的傳導(dǎo)熱流，局部存在沿深大斷裂的對流型熱源。工作區(qū)內(nèi)較大的斷裂為惠民斷裂。經(jīng)歷過燕山運動之后工作區(qū)為一種在新生界地層掩蓋下基巖結(jié)構(gòu)呈凸凹相間配置的構(gòu)造格局，這種格局溝通了熱儲層與熱源的聯(lián)系，成為熱源及水的較好通道(見圖1);

2)熱儲層

館陶組、東營組均為均質(zhì)、各向同性、水平展布的熱儲層;

3)蓋層

館陶組和東營組熱儲層的蓋層為上覆的第四系松散和新近系明化鎮(zhèn)組，蓋層巖性由沉積巖、泥巖及砂巖組成，為良好的隔熱保溫層;

4)底板

工作區(qū)內(nèi)古近系沙河街組泥巖構(gòu)成熱儲底板，巖性主要為泥巖、頁巖及砂巖，厚度一般在1 200～2 000 m;

5)補給水源

研究區(qū)地?zé)崴膩碓礊榇髿饨邓?。降水入滲后，一部分沿斷裂帶或巖層孔隙向深部運移，經(jīng)過緩慢的循環(huán)交替徑流運動后被圍巖加熱，形成地?zé)崴?/p>

圖1 熱儲概念模型

3.2 評價方法及原則

研究區(qū)地?zé)豳Y源評價的對象為館陶組和東營組等具有一定開發(fā)利用價值的層狀熱儲，對成熱條件差的地段不予評價，且評價不考慮動態(tài)補給。評價內(nèi)容包括:地?zé)豳Y源量和可利用地?zé)豳Y源量、地下熱水儲存量和地下熱水可采資源量，評價開采年限為100a。根據(jù)現(xiàn)有的方法選擇的評價方法為:采用熱儲法計算地?zé)豳Y源量，采用回收率法計算可利用地?zé)豳Y源量，采用體積法計算地下熱水儲存量，采用水熱均衡法和開采強度法計算地下熱水可采資源量。

3.3 主要參數(shù)選擇

對于熱儲層的參數(shù)、巖石和水的物理參數(shù)以及熱儲層內(nèi)地下水動力參數(shù)，則根據(jù)區(qū)內(nèi)前人勘探資料及本次勘察成果分析計算和直接確定。具體數(shù)值(見表1)。

表1 主要參數(shù)值

3.4 熱儲層地?zé)嵩u價計算結(jié)果討論

傳統(tǒng)的地?zé)豳Y源評價一般采用熱儲法。熱儲法是直接對熱儲能力進(jìn)行估算，參與計算的儲量為地下水靜儲量，而地?zé)崃黧w具有流動性和可再生性，按地下水井流公式計算更適合確定地?zé)崃黧w的可采儲量(岳正喜等，2007)。因此，按照《供水水文地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB50027-2001)的條文說明關(guān)于承壓水體積的論述，承壓水的儲存量可分為容積儲存量和彈性儲存量。按照地下水動力學(xué)中關(guān)于有弱透水層彈性釋水補給和越流補給的完整井流理論，在層狀含水層分布區(qū)一個含水層常被弱透水層覆蓋或下伏有弱透水層，形成雙層或多層結(jié)構(gòu)的含水層組。從含水層中抽水時，會引起弱透水層彈性釋水補給抽水含水層。當(dāng)弱透水層厚度較大時這種補給相當(dāng)大，不能忽略不計(郭祥旭等，2010)，本次工作采用熱儲法和體積法對地?zé)豳Y源進(jìn)行計算。

3.4.1 地?zé)豳Y源量計算結(jié)果

經(jīng)計算，區(qū)內(nèi)館陶組地?zé)豳Y源總量為4.98×1018J，東營組地?zé)豳Y源總量為1.41×1018J。若煤的熱值按29.3×106J/kg計算，則館陶組可利用地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤16 996.4萬噸，東營組可利用地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤4 914.68萬噸。熱儲層地?zé)豳Y源量不可能全部被開采利用，只能開采一部分，二者比值稱為采收率。此次評價中，采收率采用25%，經(jīng)計算館陶組可利用地?zé)豳Y源量為1.245×1018J;東營組可利用地?zé)豳Y源量為3.60×1017J。則館陶組可利用地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤4 249.1萬噸，東營組可利用地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 228.67萬噸。

3.4.2 地下熱水資源量計算結(jié)果

根據(jù)區(qū)內(nèi)館陶組、東營組熱儲層的埋藏條件、水力性質(zhì)，對熱儲層熱水總儲存量和可開采儲存量分別進(jìn)行計算。計算結(jié)果顯示:區(qū)內(nèi)館陶組地下熱水總儲存量為12.87×108m3，其中容積儲存量12.57×108m3，彈性儲存量0.30×108m3;區(qū)內(nèi)東營組地下熱水總儲量為29.64×108m3，其中容積儲存量29.22×108m3，彈性儲存量0.42 ×108m3。

地下熱水可采資源量是最具實用價值的資源量，本次利用開采試驗資料及鄰近東營城區(qū)資料及前述有關(guān)參數(shù)，采用水熱均衡法和開采強度法分別對館陶組和東營組熱儲可采資源量進(jìn)行計算。通過計算對比，布井原則應(yīng)以能最大限度地開采可采資源量和目前及將來開采技術(shù)條件能達(dá)到為原則;再根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件和人文地理條件及經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，分析研究認(rèn)為濱州市西部城區(qū)地?zé)崽镳^陶組布井?dāng)?shù)15眼，布井間距為3 720 m，可采地?zé)豳Y源量為25 200 m3/d，100年末降深126 m;東營組布井?dāng)?shù)27眼，布井間距為2 773 m，可采地?zé)豳Y源量為32 173.2 m3/d，100年末降深148 m。濱州市西部城區(qū)地?zé)崽锟偟目刹少Y源量為57 373.2 m3/d。

4 結(jié)語

(1)區(qū)內(nèi)館陶組頂界埋深900～1 200 m，底界埋深1 150～1 500 m，地層厚度150～450 m，平均溫度56.5℃;東營組頂界埋深1 150～1 500 m，底界埋深1 200～1 700 m，地層厚度200～300 m，平均溫度63.5℃。

(2)館陶組:熱儲法計算的地?zé)豳Y源總量為4.98×1018J，可利用地?zé)豳Y源量為1.245×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤4249.1萬噸。地下熱水總儲存量為12.87×108m3，其中容積儲存量12.57×108m3，彈性儲存量0.30×108m3?？刹少Y源量為25200 m3/d，開采期限100年，降深126 m。東營組:熱儲法計算的地?zé)豳Y源總量為1.41×1018J，可利用地?zé)豳Y源量為3.60×1017J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1228.67萬噸。地下熱水總儲量為29.64×108m3，其中容積儲存量29.22×108m3，彈性儲存量0.42×108m3?？刹少Y源量為32173.2 m3/d，開采期限100年，降深148 m。區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源蘊藏豐富且資源潛力大。

(3)本文加強了地面沉降的研究，以取得評價沉降的可靠數(shù)據(jù)，防止因盲目開采地下熱水引發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題。

(4)通過濱州西部的水文地質(zhì)條件的分析，建立熱儲概念模型，并計算其地?zé)豳Y源量，為以后類似的層控型熱儲的分析、計算與評價提供了參考依據(jù)。

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