吳陳冰潔

深澤縣地?zé)豳Y源條件研究＊

吳陳冰潔

（中石化新星（北京）新能源研究院有限公司，北京 100083；中石化地?zé)豳Y源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

河北省深澤縣地?zé)豳Y源具有良好的開發(fā)利用價(jià)值，目前境內(nèi)主要開采新近系館陶組砂巖熱儲(chǔ)。對(duì)深澤縣地?zé)岬刭|(zhì)條件、熱儲(chǔ)層特征、地?zé)峋a(chǎn)能等方面展開系統(tǒng)分析。經(jīng)計(jì)算，館陶組砂巖熱儲(chǔ)儲(chǔ)量豐富，地?zé)豳Y源量可達(dá)8.33×1012MJ，可采量為2.08×1012MJ。在目前回灌條件下，地?zé)峋_采權(quán)益保護(hù)半徑為505.80 m。結(jié)合本研究結(jié)果和目前深澤縣地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀，為該地區(qū)地?zé)豳Y源的合理開發(fā)利用提出建議。

地?zé)豳Y源；熱儲(chǔ)特征；地質(zhì)條件；產(chǎn)能

現(xiàn)代社會(huì)中人們對(duì)舒適的建筑熱環(huán)境要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)以燃煤鍋爐為主的供暖方式環(huán)保問(wèn)題突出，采用清潔能源供暖的需求愈加迫切。地?zé)豳Y源是一種清潔可再生能源，因其分布地域廣、儲(chǔ)量大、穩(wěn)定性強(qiáng)，在供暖方面優(yōu)勢(shì)突出，且運(yùn)行維護(hù)成本相對(duì)較低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的開發(fā)利用前景。目前世界上已有30多個(gè)國(guó)家利用地?zé)崮苓M(jìn)行供暖，且規(guī)模還在繼續(xù)擴(kuò)大。近幾年，中國(guó)的地?zé)峁┡a(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，特別是京津冀地區(qū)，已經(jīng)成為地?zé)豳Y源開發(fā)利用的主戰(zhàn)場(chǎng)。

深澤縣隸屬河北省石家莊市，位于石家莊城區(qū)以東 36 km，東、北兩側(cè)分別與衡水市和保定市相接，如圖1所示，轄區(qū)總面積296.39 km2。2008年以來(lái)，深澤地區(qū)地?zé)峁┡秶粩鄶U(kuò)大，良好的供暖效果進(jìn)一步證實(shí)了該區(qū)地?zé)豳Y源的開發(fā)潛力[1]。但是前期地?zé)豳Y源勘探開發(fā)過(guò)程中，地?zé)峋狈Φ刭|(zhì)、水文資料及詳細(xì)研究，對(duì)后期的可持續(xù)開發(fā)利用存在不利影響。近年來(lái)，新鉆鑿的地?zé)峋訌?qiáng)了資料獲取的力度，為深澤縣區(qū)域地?zé)豳Y源系統(tǒng)研究和評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造背景

深澤縣在地質(zhì)構(gòu)造上位于華北板塊（Ⅰ級(jí)）渤海灣盆地（Ⅱ級(jí)）冀中坳陷（Ⅲ級(jí)），跨越饒陽(yáng)凹陷與高陽(yáng)低凸起兩個(gè)Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元，以北北東走向的高陽(yáng)—安國(guó)斷裂為界。饒陽(yáng)凹陷構(gòu)造位于冀中坳陷中部，西南部跨過(guò)衡水?dāng)嗔褎t為無(wú)極—藁城低凸起、晉縣凹陷。深澤縣城及縣城以東地區(qū)均屬饒陽(yáng)凹陷內(nèi)的深澤—?jiǎng)⒋宓屯蛊穑挥陴堦?yáng)凹陷西南端，如圖1所示。

安國(guó)斷裂從縣城西側(cè)穿過(guò)，縣城南部的舊城北斷裂為饒陽(yáng)凹陷和深縣凹陷的分界斷裂，為北西西向南掉正斷層。

圖1 深澤縣行政位置與區(qū)域構(gòu)造綱要圖

1.2 地層發(fā)育特征

深澤縣地區(qū)基底主要發(fā)育有太古界，中上元古界，下古生界奧陶系、寒武系地層，石炭-二疊系地層零星分布。新生界沉積蓋層發(fā)育完整，古近系與下伏基底呈不整合接觸。新近系自下而上發(fā)育館陶組、明化鎮(zhèn)組地層，整體厚度為800～1 500 m，埋藏深度西淺東深，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖與灰白色砂礫巖、含礫砂巖、砂礫巖互層，館陶組底部發(fā)育一套礫巖。第四系以灰黃色粘土、亞粘土、粉細(xì)砂巖互層為主，結(jié)構(gòu)松散，底界埋深約400 m。

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 地溫場(chǎng)特征

華北平原是中國(guó)地?zé)豳Y源賦存最為豐富的區(qū)域之一，屬于大地?zé)崃髯饔脵C(jī)制下，以熱傳導(dǎo)為主的中低溫地?zé)豳Y源區(qū)[2-3]。深澤地區(qū)屬于非地?zé)岙惓^(qū)的中低溫地?zé)豳Y源區(qū)[4]。區(qū)域大地?zé)崃髦?2.5～57.5 mW/m2，屬于中等熱流區(qū)。地溫梯度大多在2.7～3.3 ℃/100 m，略低于冀中坳陷內(nèi)平均值3.47 ℃/100 m[5]。

2.2 蓋層和熱儲(chǔ)層

根據(jù)深澤縣地?zé)豳Y料顯示，區(qū)域熱儲(chǔ)蓋層為第四系松散堆積物以及新近系明化鎮(zhèn)組地層，總厚度400～1 500 m。由于地層結(jié)構(gòu)松散、導(dǎo)熱性差，分布穩(wěn)定且沉積厚度大，是良好的保溫蓋層。本區(qū)自上而下發(fā)育三套主要熱儲(chǔ)層，分別為新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層、館陶組熱儲(chǔ)層及基巖熱儲(chǔ)層。目前縣內(nèi)供暖使用的所有地?zé)峋_采新近系館陶組砂巖孔隙型熱儲(chǔ)[1，6]。館陶組巖性為棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾灰綠色、灰白色中細(xì)砂巖、砂礫巖，為粒度向上變細(xì)的正旋回。儲(chǔ)層中、下部單個(gè)砂體厚度較大，底部為大套雜色礫巖，測(cè)井顯示明顯。區(qū)域內(nèi)熱儲(chǔ)底板埋深1 300～1 700 m，砂體厚度150～350 m，砂厚比38%～47%。單井有效熱儲(chǔ)層厚度173～285 m，平均227.7 m，孔隙度22%～30%，滲透率20～ 750 mD。單井涌水量1 800～2 208 m3/d，水溫57～63 ℃。

3 水質(zhì)評(píng)價(jià)

深澤地區(qū)地?zé)崃黧w水質(zhì)化驗(yàn)分析結(jié)果顯示，開采的館陶組熱水中主要陽(yáng)離子為Na+，離子含量（毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)）超過(guò)95%；主要陰離子為HCO3-，其次為Cl-和SO42-，按水化學(xué)類型分類多為HCO3-Na、HCO3·Cl-Na或HCO3·SO4- Na型水。礦化度600～1 200 mg/L，按礦化度分類為微咸水；pH值7.5～8.4，為弱堿性水；總硬度（CaCO3）平均值為16.3 mg/L，屬極軟水。該地?zé)崴畬儆诜歉g性水，鍋垢很少、碳酸鈣不易結(jié)垢。

4 地?zé)峋a(chǎn)現(xiàn)狀

深澤縣部分地?zé)峋厩闆r如表1所示。2012年以前，深澤縣境內(nèi)已在王場(chǎng)村、銀都花園、深澤縣賓館、王場(chǎng)溫泉小區(qū)等地陸續(xù)建成地?zé)峋?2口[1]。2017年以來(lái)在深澤華麗小區(qū)又陸續(xù)鉆鑿地?zé)峋?2口。目前地?zé)峋a(chǎn)層段均為新近系館陶組砂巖熱儲(chǔ)，井口水溫56～61 ℃，水量75～ 120 m3，成井井深1 500～1 900 m。華麗小區(qū)地?zé)峋ㄟ^(guò)合理的生產(chǎn)井、回灌井配置，為保持區(qū)域地下水環(huán)境和地?zé)豳Y源的可持續(xù)發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

表1 深澤縣部分地?zé)峋厩闆r表

序號(hào)地?zé)峋Q井深/m水溫/℃水量/（m3·h-1）取水段深度/m開采層系 1 王場(chǎng)村地?zé)峋? 55460751 369～1 442館陶組 2銀都花園地?zé)峋? 50560801 300～1 500 3深澤賓館地?zé)峋? 56060801 350～1 500 4富澤園小區(qū)地?zé)峋? 65061801 380～1 600 5馬莊村北地?zé)峋? 60060801 350～1 580 6華麗小區(qū)A井1 85259.51021 510～1 817 7華麗小區(qū)B井1 782601001 460～1 750 8華麗小區(qū)C井1 936581201 400～1 900

5 地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

5.1 區(qū)域地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)

采用熱儲(chǔ)體積法公式（1）計(jì)算深澤縣館陶組砂巖熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源地質(zhì)儲(chǔ)量。經(jīng)計(jì)算，館陶組地?zé)豳Y源量為8.33× 1012MJ。新生代砂巖熱儲(chǔ)中孔隙度高于20%的按回收率25%[7]，館陶組地?zé)豳Y源可采量為2.08×1012MJ。

式（2）中：r、w為巖石和水的密度，kg/m3；r、w為巖石和水的比熱容，J/kg·℃；為熱儲(chǔ)巖石孔隙度。

5.2 單井開采影響半徑

該地?zé)崽锇凑諉尉_采100年，供暖季實(shí)際每年生產(chǎn)120 d，消耗15%左右地?zé)醿?chǔ)量，采用公式（3）（4）分別估算未回灌和回灌條件下的地?zé)峋畬?duì)熱儲(chǔ)的影響半徑[6]。

假設(shè)地?zé)嵯到y(tǒng)中，除了地?zé)峋槿『突毓嗟臒崃?，不存在與外界的能量交換，且生產(chǎn)井井口水溫等于回灌前的熱儲(chǔ)溫度。

式（3）（4）中：為水比熱與熱儲(chǔ)巖石比熱的比值；為回灌率。

=（2－0）（1－0） （5）

式（5）中：2為回灌溫度，℃；0為基準(zhǔn)溫度，取恒溫帶溫度；1為熱儲(chǔ)回灌前溫度，℃。

計(jì)算結(jié)果顯示，無(wú)回灌時(shí)地?zé)峋畣尉_采影響半徑為767.73 m，在目前的回灌溫度條件下影響半徑減小為 505.80 m。地?zé)嵛菜毓嗄軌蚪档偷責(zé)崴_采對(duì)熱儲(chǔ)層的影響，同時(shí)可以減小井間距，增加布井?dāng)?shù)量。如果后期地?zé)峁┡娣e增大，在不鉆新井的條件下需要適當(dāng)降低回灌溫度以提供更多的熱量，該影響半徑也會(huì)相應(yīng)增大。綜合考慮，地?zé)峋g距至少保持在1 000 m以上為宜。評(píng)價(jià)參數(shù)取值與計(jì)算結(jié)果分別如表2、表3所示。

表2 評(píng)價(jià)參數(shù)取值

A/km2H/mT0/℃T1/℃T2/℃β 296.39227.714.959.2540100% ρr/（kg·m-3）Cr/（J·kg-1·℃-1）ρw/（kg·m-3）Cw/（J·kg-1·℃-1）φQ/（m3·d-1） 2 6008781 0004 18626.7%2 880

表3 計(jì)算結(jié)果

fαQr/MJR1/mR2/m 1.830.4388.33×1012767.73505.80

注：巖石比熱和密度為經(jīng)驗(yàn)值，熱儲(chǔ)層厚度、井口水溫、孔隙度等均采用實(shí)測(cè)平均值。

6 結(jié)論與建議

深澤地區(qū)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，應(yīng)當(dāng)加以合理開發(fā)。新近系館陶組砂巖熱儲(chǔ)埋深為1 000～1 700 m，井口水溫可達(dá)到60 ℃，水量超過(guò)80 m3/h，水質(zhì)較好。地?zé)豳Y源地質(zhì)儲(chǔ)量為8.33×1012MJ，可采資源量為2.08×1012MJ，能夠滿足地?zé)峁┡枨?。在目前回灌條件下，地?zé)峋畣尉_采影響半徑由無(wú)回灌時(shí)的767.73 m縮小為505.80 m。為減小地下水開采對(duì)周圍熱儲(chǔ)層和環(huán)境造成的影響，延長(zhǎng)地?zé)崽飰勖?，井距?yīng)至少保持在1 000 m以上，同時(shí)確保地?zé)嵛菜?00%回灌。建議對(duì)區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源統(tǒng)一規(guī)劃，進(jìn)行整體井網(wǎng)部署，以提高地?zé)峋W(wǎng)效率和資源利用率。地?zé)峋褂眠^(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)管理，加強(qiáng)地?zé)崴膭?dòng)態(tài)觀測(cè)工作，避免無(wú)序開發(fā)，為地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用提供保障。

［1］劉慶宣，劉志明，藺文靜，等.河北省深澤縣地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)［C］//中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)水文地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)年會(huì)暨氣候變化與地下水環(huán)境學(xué)術(shù)研討會(huì)，2012.

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.008

2095－6835（2020）14－0027－03

中國(guó)工程院重點(diǎn)咨詢項(xiàng)目（編號(hào)：2019-XZ-35-02）

〔編輯：王霞〕