李榮飛, 孟憲洲

(山東省魯南地質工程勘察院,山東 濟寧 272100)

2017年8月,山東省汶上縣城南部鉆成井深2 269.28 m的地熱井,編號WS01,為濟寧市汶上縣首眼地熱井。山東省魯南地質工程勘察院在收集區(qū)域地熱地質資料基礎上,對WS01井開展了產能測試及水質化驗,并進行了地熱資源評價。

圖1 汶上凹陷地熱田邊界條件示意圖Fig.1 Schematic map of geothermal field boundary conditions in Wenshang depression1.斷裂;2.奧陶系頂板埋深等值線(m)。

1 區(qū)域地熱地質條件概況

1.1 位置及劃分依據

WS01井位于汶上凹陷地熱田中部,該地熱田位于華北板塊、魯西隆起區(qū)(Ⅱ)、魯西南潛隆起(Ⅱb)的菏澤—兗州潛斷隆(Ⅱb1)的汶上—寧陽潛凹陷(Ⅱb13)內(圖1)。該地熱田以斷裂構造為邊界,東起孫氏店斷裂,南到鄆城斷裂,西至嘉祥斷裂,北達汶泗斷裂,是一個邊界條件完整的地熱田。面積約252.3 km2。

1.2 熱儲層地熱地質特征

汶上凹陷地熱田熱儲層為古生界奧陶系石灰?guī)r層,地熱流體主要賦存于汶上斷裂破碎帶及石灰?guī)r裂隙巖溶孔隙中,熱儲類型為斷裂構造帶狀熱儲層及奧陶系—寒武系層狀熱儲層。地表無熱流顯示,地熱資源類型屬熱傳導型。本地熱井實測井口地熱水溫度為61 ℃,判定該區(qū)地熱資源類型為熱水型低溫地熱資源。

奧陶系熱儲與月門溝群本溪組成平行不整合接觸,其頂板埋深為1 600～2 000 m,從北向南埋深逐漸增大(見圖1)。其中WS01井處奧陶系頂板埋深約1 977.90 m,揭露厚度291.38 m,未揭穿底板。

熱儲層巖溶發(fā)育主要受汶上斷裂影響,形成巖溶破碎帶,其次受地質歷史時期風化侵蝕和溶蝕作用,形成層狀巖溶發(fā)育帶,灰?guī)r裂隙巖溶是深層地下水體循環(huán)運移的通道及熱儲的空間,水溫較高,富水性一般。該熱儲層單井最大涌水量31.84 m3/h,水溫61 ℃,水化學類型為Cl—Na·Ca型,礦化度24 929.3 mg/L。

圖2 熱儲概念模型圖[1]Fig.2 Conceptual model of thermal storage

1.3 地下熱水的形成條件

1.3.1熱源

本區(qū)的熱源主要來自地殼深層正常的熱流傳導,且本區(qū)斷裂構造發(fā)育,對地殼深部的熱源起到了重要的溝通和傳導作用,地殼深部的熱能可通過斷裂及破碎影響帶的傳導和地下水的深循環(huán)對流作用,將熱能輸送至熱儲層,遇到上覆巨厚的碎屑巖和松散巖蓋層的阻熱保溫,使熱能儲存下來。

1.3.2補給水源

地熱水的補給來源主要有以下幾個方面:汶上斷裂切割導通了上部含水層的越流補給;大氣降水的垂直入滲經深部循環(huán)補給;側向徑流補給。

1.3.3熱儲層

熱儲層為新生代巨厚層之下的受汶上斷裂牽引擾動的帶狀—層狀奧陶系石灰?guī)r熱儲層,其巖性由灰、深灰色灰?guī)r、白云質灰?guī)r及泥質灰?guī)r組成,灰?guī)r內部裂隙巖溶發(fā)育受汶上斷裂活動控制,共有五段富水裂隙帶,為地熱水的徑流、賦存提供了良好的導水通道和儲水空間,其埋藏深度>1 900 m,熱儲層的溫度和涌水量能夠達到開發(fā)地熱水的要求。

1.3.4蓋層

熱儲蓋層為第四系、新近系、古近系、侏羅系和石炭系—二疊系,總厚度達1 977.9 m。以粉質粘土、粘土、泥巖為主的巨厚不透水層切斷了含水層間的垂向運移,防止地下熱能的擴散,形成了本區(qū)奧陶系熱儲良好的蓋層。

1.3.5控熱及導水構造

汶上斷裂為汶泗凹陷內斷裂,其切割深度大、活動時間長,破壞了地殼的連續(xù)性,溝通了熱儲層與深部熱源的聯系,成為熱儲層與深部地熱的傳輸通道,是本區(qū)主要的控熱構造。汶上斷裂切割深度>500 m,溝通了不同含水層之間的聯系,使其沿斷裂進行垂向對流,為該區(qū)內的導水構造。

1.3.6熱儲模型

據前述地熱地質條件建立概念模型,見圖2。

2 地熱井概況

2.1 地熱井揭露地層巖性

第四系(Q):埋深0～190.55 m,為松散砂土層。

新近系(N):埋深190.55～351 m,為松散—半膠結粘土、砂質粘土層,夾粉砂—中細砂層和少量砂礫石、鈣質結核、石膏等。

古近系(E):埋深351～1 206.20 m,為半膠結砂土層、粘土層,夾砂礫巖層。

侏羅系(J):埋深1 206.20～1 415 m,為泥巖、粉砂巖夾砂巖,其中1 397.65～1 415 m為底礫巖。

石盒子群(P1-2sh):埋深1 415～1 753.05 m,為泥巖、砂巖、粉砂層,其中1 656.25～1 659.40 m為鋁土巖。

山西組(P1s):埋深1 753.05～1 822.40 m,主要為砂巖、粉砂層、泥質砂巖,夾煤層。

太原組(C2P1t):埋深1 822.40～1 969.20 m,主要為粉砂層、泥質砂巖、砂巖,夾石灰?guī)r、煤層。

本溪組(C2b):埋深1 969.20～1 977.90 m,為雜色泥巖,底部鋁土質泥巖發(fā)育。

奧陶系馬家溝群(O2m):埋深1 977.90～2 269.28 m,未揭穿,巖性為灰?guī)r,共發(fā)育1段斷層破碎帶、4段裂隙發(fā)育帶,總厚度約96.6 m,為主要含水層段。

2.2 地熱井管結構

(1) 0～526 m孔徑377 mm、下入273 mm×8.89 mm鋼級J-55石油套管526 m,用27 t G級油井水泥壁后注漿固管。

(2) 526～1 701.15 m孔徑244.5 mm、488.52～1 701.15 m下入177.8 mm×8.05 mm鋼級J-55石油套管1 212.63 m,用16 t G級油井水泥壁后注漿固管;177.8 mm與273 mm套管采用喇叭口抄手連接,抄手長度34.88 m。

(3) 1 701.15～2 100.20 m孔徑152.4 mm,1 680.11～2 100.20 m下入133 mm×6.5 mm無縫鋼管套(花)管420.09 m。其中套管總長247.50 m,花管總長172.59 m,下置位置1 697.86～2 100.20 m;133 mm套管與177.8 mm套管抄手21.04 m。

(4) 2 100.20～2 269.28 m孔徑133 mm,裸孔。

地熱井揭露地層及井管結構見圖3。

圖3 地層柱狀及鉆孔結構示意圖Fig.3 Structural sketch of stratum columnar and borehole

3 單井產熱量

3.1 地熱井產能測試

WS01井先后開展了3個落程的產能測試,測試設備采用200QJ(R)32-299型井用潛水泵,電機型號為YQST200-45,最大流量31.84 m3/h,功率45 kW,揚程299 m,下入深度260 m;通過變頻設備控制抽水水量;用流量表觀測水量;用水銀溫度計測量水溫;用測繩及電流表測量水位埋深。產能測試數據及參數計算結果見表1、圖4。

表1 WS01井產能測試數據及參數計算結果表[2]Table 1 Well WS01 productivity test data and calculating table of parameters

圖4 產能測試Q-S曲線圖[1]Fig.4 Q-S curve of productivity test

3.2 地熱井單井產熱量

根據WS01井產能測試資料,計算不同降深情況下地熱井產熱量及單井產熱能,結果見表2。公式[3]如下:

Qk=ρwCwQ(tr-t0)×10-6t

q=Qk/86 400

式中:Qk為單井可采熱量,MJ/d;q為單井地熱能,MW;Cw為熱水的比熱,J/(kg·℃);ρw為熱水比重,kg/m3;Q為單井涌水量,m3/d;tr為地熱井井口水溫,℃;t0為地熱井尾水溫度(取當地年平均氣溫值),℃。

4 地熱水水質評價

4.1 地熱水水化學特征

WS01井在產能測試過程中采取水樣進行了全分析。地熱水pH值為6.69,總硬度9 015.97 mg/L,礦化度24 929.30 mg/L,地熱水水化學類型為Cl—Na·Ca型。

4.2 理療熱礦水水質評價

WS01井地熱水微量元素檢測結果:溴26.3 mg/L,碘1.21 mg/L,鍶107.54 mg/L,鋰2.76 mg/L,偏硼酸13.90 mg/L,偏硅酸35.91 mg/L。可命名為含碘鋰偏硼酸偏硅酸的溴鍶型熱礦水。洗浴對皮膚病、慢性濕疹、蕁麻疹、痤瘡、腳氣等有一定的療效。

表2 WS01井地熱井產熱量及單井產熱能計算表Table 2 Calculating table for heat production of geothermal well WS01 and single well

4.3 地熱水腐蝕性評價

參照工業(yè)上用腐蝕系數來衡量地熱流體(水)的腐蝕性,計算結果見表3。

式中:r為離子含量的每升毫克當量(毫摩爾)數,mmol/L。

4.4 地熱水結垢性評價

參照工業(yè)上用鍋垢總量來衡量地熱流體(水)的結垢性,計算結果見表4。

表4 地熱流體結垢性評價表[2]Table 4 Evaluation table of scalability of geothermal fluids

計算公式:H0=S+C+36rFe3++17rAl3++20rMg2++59rCa2+

式中:H0為鍋垢總量,mg/L;S為懸浮物含量,mg/L;C為膠體含量,mg/L;r為離子含量的每升毫克當量(毫摩爾)數,mmol/L。

5 結論

山東省汶上WS01地熱井孔深2 269.28 m,井口出水溫度61 ℃,熱儲層為古生界奧陶系灰?guī)r,降深210.054 m時出水量764.16 m3/d,單井可采熱量140 681.27 MJ/d,單井地熱能1.63 MW,地熱水pH值為6.69,礦化度24 929.3 mg/L,可命名為含碘鋰偏硼酸偏硅酸的溴鍶型熱礦水。地熱水不適宜飲用,可用于理療洗浴。地熱水腐蝕性強烈,鍋垢很多。建議以地熱鹽水進行采礦權出讓,以提高資源的有效利用和資源的社會、經濟、環(huán)境效益。