馮 波,劉曦遙,王學(xué)鵬,馮守濤,劉 帥,崔振鵬

1.地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(吉林大學(xué)),長(zhǎng)春 130021

2.山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院), 山東 德州 253072

3.山東省地?zé)崆鍧嵞茉刺綔y(cè)開(kāi)發(fā)與回灌工程技術(shù)研究中心,山東 德州 253072

0 引言

地?zé)豳Y源是指貯存于地球內(nèi)部,能夠被人類經(jīng)濟(jì)地開(kāi)發(fā)利用的地?zé)崮?、地?zé)崃黧w及其有用組分,如天然出露的溫泉、可鉆井開(kāi)采的地?zé)崴?、干熱巖中所蘊(yùn)含的熱能等。綜合考慮區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)特征、熱儲(chǔ)傳輸方式、溫度范圍及開(kāi)采利用方式等因素,可將地?zé)豳Y源劃分為淺層地?zé)豳Y源、中深層水熱型地?zé)豳Y源及深層干熱巖型地?zé)豳Y源3類[1]。我國(guó)的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富,以中低溫地?zé)豳Y源為主,其中水熱型地?zé)豳Y源總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.25萬(wàn)億t,年可采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤19億t,相當(dāng)于2020年全國(guó)能源消耗的38%,具有極大的開(kāi)采潛力[2-3]。近年來(lái),隨著化石燃料大規(guī)模使用導(dǎo)致的環(huán)境污染等問(wèn)題的加劇以及“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出,新型替代能源的開(kāi)發(fā)和利用正受到越來(lái)越多的關(guān)注[4-5]。相較于傳統(tǒng)化石能源,地?zé)豳Y源具有較大的環(huán)保優(yōu)勢(shì),且具備儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、開(kāi)采穩(wěn)定等特點(diǎn),是一種理想的新型可再生清潔能源[6-8]。

埕寧隆起位于渤海灣盆地中部,是黃驊坳陷東南的一級(jí)構(gòu)造單元,北臨歧口凹陷,南抵濟(jì)陽(yáng)坳陷[9-10],區(qū)域總面積4 500 km2。綜合考慮熱儲(chǔ)層的地層時(shí)代、含水空間、巖性、結(jié)構(gòu)、厚度、沉積旋回組合、熱水的物理化學(xué)性質(zhì)、水文地質(zhì)特征及地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀等因素,區(qū)內(nèi)可劃分出4個(gè)熱儲(chǔ)層組,按地層年代由老至新分別為:太古界泰山群變質(zhì)巖系塊狀裂隙熱儲(chǔ)層組、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖巖溶-裂隙熱儲(chǔ)層組、新近系館陶組孔隙-裂隙熱儲(chǔ)層組、新近系明化鎮(zhèn)組下段孔隙熱儲(chǔ)層組。其中,寒武系—奧陶系碳酸鹽巖巖溶-裂隙熱儲(chǔ)層組主要由碳酸鹽巖系的石灰?guī)r、白云巖類巖石的古風(fēng)化殼所組成,并發(fā)育有巖溶裂隙與孔隙,該碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層組裂隙、溶孔較發(fā)育,滲透性強(qiáng),表明其具有較高的開(kāi)采潛力,但目前埕寧隆起區(qū)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)利用程度不高[9]。本次研究對(duì)區(qū)內(nèi)寒武系—奧陶系熱儲(chǔ)進(jìn)行資源量估算及開(kāi)發(fā)前景分析,以期探究區(qū)域內(nèi)熱儲(chǔ)資源量,制定合理可持續(xù)的開(kāi)發(fā)方案,為地?zé)豳Y源的進(jìn)一步勘探和綜合開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 埕寧隆起區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造與地層

本次研究區(qū)為位于山東省境內(nèi)、地處魯西北平原北部的埕寧隆起區(qū)(圖1)。研究區(qū)在大地構(gòu)造單元上屬于華北板塊華北坳陷區(qū)(Ⅰ)濟(jì)陽(yáng)坳陷(Ⅰa)的埕子口—寧津潛斷隆(Ⅰa1,包括埕子口潛凸起(Ⅰa11)、寨子潛凸起(Ⅰa12)、長(zhǎng)官潛凹陷(Ⅰa13)、寧津潛凸起(Ⅰa14))和無(wú)棣潛斷隆(Ⅰa2,包括柴胡莊潛凹陷(Ⅰa21)、大山潛凹陷(Ⅰa22)、無(wú)棣潛凸起(Ⅰa23))(圖1、表1)[10]。受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)與燕山運(yùn)動(dòng)的影響,區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,主要構(gòu)造為北東、北北東向,自南向北主要有陵城區(qū)—老黃河口斷裂、邊臨鎮(zhèn)—羊二莊斷裂等(圖1)。埕寧隆起區(qū)是中、晚古生代以來(lái)的長(zhǎng)期隆起區(qū),區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)的基本形態(tài)是西部厚、東部薄,靠近渤海最薄。

表1 區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐忠挥[表

F1. 邊臨鎮(zhèn)―羊二莊斷裂;F2. 慶云縣—孔鎮(zhèn)斷裂;F3. 陵城區(qū)—老黃河口斷裂;F4. 寨子鎮(zhèn)—?jiǎng)I(yíng)伍斷裂。Ⅰa33.義和莊潛凸起;Ⅰa42.惠民潛凸起;Ⅰa54.濱州潛凸起;Ⅰb11.老城潛凸起。

受差異性升降運(yùn)動(dòng)的影響,區(qū)域深部地層分布具有明顯的差異性。其中:隆起區(qū)一般缺失古近系,新近系直接覆蓋于太古宇、古生界或中生界之上;凹陷區(qū)新生界發(fā)育較齊全,厚度大于3 000 m。區(qū)內(nèi)新生界及其基底地層自老至新依次為太古宇泰山群變質(zhì)巖系,古生界寒武系—奧陶系、石炭系—二疊系,新生界古近系(孔店組、沙河街組、東營(yíng)組)、新近系(館陶組、明化鎮(zhèn)組)及第四系(平原組)[11]。

1.2 區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件

自中生代以來(lái),受燕山期地殼運(yùn)動(dòng)的影響,埕寧隆起區(qū)形成了大規(guī)模的深大斷裂,其使上地幔物質(zhì)上涌或沿深大斷裂巖漿侵入到地殼淺部,形成了區(qū)域溫度或熱流值普遍升高的背景。根據(jù)地?zé)釟怏w氦同位素分析結(jié)果[12],研究區(qū)熱儲(chǔ)地幔熱流為28.51～29.86 mW/m2,平均為29.34 mW/m2;地殼熱流為33.14～34.49 mW/m2,平均為33.82 mW/m2;地殼生熱率為0.90～0.93 μW/m2,平均為0.915 μW/m2;幔源熱流占大地?zé)崃鞯?5.25%～47.40%。

由研究區(qū)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)資源分布特征圖(圖2)可知,研究區(qū)內(nèi)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)與地層分布基本一致,除在埕子口潛凸起、無(wú)棣潛凸起東部缺失外,在其余地區(qū)均有分布[12]。熱儲(chǔ)頂板埋深一般為1 000～3 000 m,因受到基底構(gòu)造的控制起伏較大,熱儲(chǔ)除在研究區(qū)內(nèi)樂(lè)陵一帶隱伏于石炭系—二疊系之下以外,絕大部分隱伏在新生界之下,主要由碳酸鹽巖系的石灰?guī)r、白云巖類的巖溶裂隙及巖石的古風(fēng)化殼組成,具有巖溶裂隙發(fā)育程度高、古風(fēng)化殼厚度大、富水性強(qiáng)的特點(diǎn)。由于巖溶裂隙發(fā)育程度和古風(fēng)化殼發(fā)育厚度除受巖性影響以外,還受基底構(gòu)造及巖石埋藏深度的影響,故熱儲(chǔ)層分布具有不均勻性。區(qū)內(nèi)地?zé)峋笆豌@井資料[10]顯示,寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)熱儲(chǔ)單井出水量可達(dá)90 m3/h以上,井口水溫為50～82 ℃,屬溫?zé)帷獰崴偷蜏氐責(zé)豳Y源。

圖2 埕寧隆起區(qū)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)資源分布特征圖

2 地?zé)崃黧w成因分析

2.1 熱儲(chǔ)蓋層條件

研究區(qū)內(nèi)第四系平原組松散沉積層中的黏性土與砂性土組成的松軟層以及新近系、古近系及石炭系—二疊系所夾的泥巖與砂質(zhì)泥巖具有厚度大、密度小、導(dǎo)熱性能差、阻熱能力強(qiáng)的特點(diǎn),為寒武系—奧陶系地層提供了良好的熱儲(chǔ)蓋層條件。此外,熱儲(chǔ)含水層所夾的厚度大小不等的泥巖,也起到了一定的保溫作用。

對(duì)華北地區(qū)實(shí)際地溫觀測(cè)資料及區(qū)域地質(zhì)條件分析可知,影響研究區(qū)地溫變化的主要因素為基巖面的起伏和構(gòu)造形態(tài)。正向構(gòu)造區(qū)基巖埋藏淺,蓋層地溫梯度大;負(fù)向構(gòu)造區(qū)基巖埋藏深,蓋層地溫梯度小。為了解埕寧隆起區(qū)地溫場(chǎng)特征,本次研究對(duì)區(qū)內(nèi)淺層地下水進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)溫,并搜集全區(qū)地?zé)峋疁丶叭∷钨Y料,對(duì)區(qū)內(nèi)開(kāi)展了地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查工作。其中共搜集調(diào)查地?zé)峋?3眼,鉆孔數(shù)據(jù)如表2所示。本文綜合地?zé)峋诔鏊疁囟燃暗販靥荻扔?jì)算方法(式(1)),并利用MAPGIS計(jì)算機(jī)成圖技術(shù)編圖,繪制了研究區(qū)巖溶熱儲(chǔ)蓋層地溫梯度等值線圖(圖3)。

表2 研究區(qū)區(qū)域典型地?zé)徙@孔數(shù)據(jù)

圖3 埕寧隆起區(qū)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)蓋層地溫梯度等值線圖

G=(tj-th)/(h-h0)。

(1)

式中:G為地溫梯度,℃/hm;tj為井口測(cè)量溫度,℃;th為恒溫帶溫度,℃;h為取水段中點(diǎn)埋深,m;h0為恒溫帶埋深,m。

由圖3可知,區(qū)內(nèi)巖溶熱儲(chǔ)蓋層地溫梯度變化范圍介于2.8～4.2 ℃/hm之間,蓋層地溫梯度分布受地質(zhì)構(gòu)造格局的控制明顯。蓋層地溫梯度在基底埋藏深的凹陷區(qū)普遍小于3.0 ℃/hm,而在太古界結(jié)晶基底埋藏淺的凸起區(qū)一般大于3.4 ℃/hm。寧津潛凸起和無(wú)棣潛凸起區(qū)域地溫梯度值部分大于3.6 ℃/hm,而與基底凸起相鄰的凹陷區(qū)呈現(xiàn)明顯的低值。受西部埕寧隆起的影響,來(lái)自地球深部的均一熱流向隆起區(qū)集中,造成了隆起區(qū)大地?zé)崃髦底冃?蓋層地溫梯度也相應(yīng)地減小。

2.2 熱源

華北地區(qū)的實(shí)際地溫觀測(cè)資料表明,區(qū)內(nèi)熱源主要為正常的地殼深部及上地幔傳導(dǎo)熱流和深部巖漿熱傳導(dǎo)[13]。如圖1所示,區(qū)內(nèi)存在許多大規(guī)模的深大斷裂。其中陵城區(qū)—老黃河口、邊臨鎮(zhèn)—羊二莊等規(guī)模較大的深大斷裂深度直達(dá)莫霍面,對(duì)地殼深部和上地幔的巖漿熱源起到了不可忽視的溝通和傳導(dǎo)作用,構(gòu)成地下熱流的良好通道,其本身也產(chǎn)生并提供了一定的摩擦熱能。此外,研究區(qū)位于深坳斷陷沉積盆地內(nèi),在巨厚中新生代沉積層壓力下產(chǎn)生重力壓縮熱,新生代古近系的生油、儲(chǔ)油形成過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能也是研究區(qū)內(nèi)的熱源之一。這些熱量在上覆巨厚的松散沉積物蓋層的阻熱保溫作用下在地層中儲(chǔ)存下來(lái),是研究區(qū)主要的地?zé)醽?lái)源。

2.3 水源

根據(jù)氫、氧同位素測(cè)試資料(表3),區(qū)內(nèi)巖溶熱儲(chǔ)地?zé)崴畾溲跬凰攸c(diǎn)均位于大氣降水線(δD=8δ18O+10)之下(圖4),表明寒武系—奧陶系地?zé)崴饕獮榇髿饨邓梢?并通過(guò)深循環(huán)在地溫作用下加熱而形成[14]。該地區(qū)熱水補(bǔ)給一部分來(lái)自于盆地沉積物形成時(shí)保存下來(lái)的沉積水和封存水,另一部分來(lái)源于沉積物形成后漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期中遠(yuǎn)近山區(qū)的大氣降水補(bǔ)給,主要為南部魯中山區(qū)和西部太行山區(qū)大氣降水垂直入滲,并沿構(gòu)造斷裂向平原區(qū)運(yùn)移而形成補(bǔ)給源。

表3 巖溶熱儲(chǔ)地?zé)崴畾溲跬凰財(cái)?shù)據(jù)

圖4 研究區(qū)巖溶熱儲(chǔ)地?zé)崴蠨、18O同位素關(guān)系圖

基于上述分析,本次研究確定了研究區(qū)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)成因模式(圖5)。在高處凸起、低處凹陷的構(gòu)造格局下,深部地?zé)嵫刂魈幧畲髷嗔褌鬏斨羶?chǔ)水性能良好的寒武系—奧陶系,高熱阻的蓋層將熱量封存,循環(huán)至深部的大氣降水被不斷加熱,形成了該地區(qū)的地下熱水儲(chǔ)層。

圖5 埕寧隆起區(qū)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)成因模式示意圖

3 地?zé)豳Y源量計(jì)算

地?zé)醿?chǔ)層能被有效地開(kāi)發(fā)和利用需要其具有足夠的熱量和能將熱量帶至地表的地?zé)崃黧w。故本次研究先進(jìn)行地?zé)峥衫觅Y源量的計(jì)算,再進(jìn)行地?zé)崴o儲(chǔ)量及可開(kāi)采量的計(jì)算。其中,地?zé)崴刹少Y源量計(jì)算中應(yīng)考慮開(kāi)采過(guò)程中引起的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,例如地面沉降、地震等,在計(jì)算與實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中主要依靠控制開(kāi)采期末最大水位降深的方法防止環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的產(chǎn)生。

3.1 計(jì)算分區(qū)

熱儲(chǔ)厚度與熱儲(chǔ)溫度是進(jìn)行地?zé)豳Y源估算時(shí)的主要參數(shù)。本次地?zé)豳Y源估算分區(qū)根據(jù)儲(chǔ)層頂板埋深與熱儲(chǔ)厚度進(jìn)行劃分。研究區(qū)內(nèi)凹陷區(qū)熱儲(chǔ)埋深一般大于3 000 m,寒武系—奧陶系熱儲(chǔ)主要分布于凸起區(qū),其受地質(zhì)構(gòu)造控制明顯且不連續(xù),根據(jù)頂板埋深及熱儲(chǔ)厚度可劃分為17個(gè)計(jì)算分區(qū),如圖6所示。

圖6 埕寧隆起區(qū)寒武系—奧陶系熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源估算分區(qū)圖

3.2 參數(shù)選擇

3.2.1 熱儲(chǔ)厚度

依據(jù)前期研究的大地電磁測(cè)深解譯結(jié)果,本次計(jì)算地層厚度取值為3 000 m[15]。區(qū)域鉆孔資料[12]顯示,寒武系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層厚度約占地層厚度的20%～35%,奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層厚度約占地層厚度的25%～45%,故本次計(jì)算取地層厚度的30%作為熱儲(chǔ)的平均厚度。各計(jì)算分區(qū)面積及熱儲(chǔ)厚度見(jiàn)表4。

表4 研究區(qū)計(jì)算分區(qū)及相應(yīng)參數(shù)

3.2.2 熱儲(chǔ)地?zé)岬刭|(zhì)參數(shù)

1)熱儲(chǔ)溫度和基準(zhǔn)溫度

熱儲(chǔ)溫度是儲(chǔ)層內(nèi)不同深度地?zé)崴幕旌蠝囟?地?zé)醿?chǔ)層溫度可以從調(diào)查地?zé)峋蟮某鏊疁囟扰c鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)地?zé)峋姆謱訙y(cè)溫兩方面進(jìn)行測(cè)定,也可以通過(guò)地?zé)嵩鰷靥荻鹊戎稻€計(jì)算得出[16]。因此,依據(jù)研究區(qū)巖溶熱儲(chǔ)蓋層地溫梯度等值線圖(圖3),可計(jì)算各分區(qū)地溫梯度近似加權(quán)平均值,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱儲(chǔ)溫度的計(jì)算。根據(jù)本次淺井測(cè)溫資料及區(qū)內(nèi)氣溫變化規(guī)律,計(jì)算過(guò)程中恒溫帶深度取值20 m,基準(zhǔn)溫度統(tǒng)一取值12.9 ℃,溫度計(jì)算點(diǎn)埋深取熱儲(chǔ)中點(diǎn)埋深。熱儲(chǔ)溫度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

2)巖石和水的比熱與密度

依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615—2010)[17],并參考周邊地區(qū)資料,取水的比熱為4.2×103J/(kg·℃),巖石比熱為8.78×102J/(kg·℃),巖石密度為2.6×103kg/m3,并確定熱水密度如表4所示。

3.2.3 熱儲(chǔ)水文地質(zhì)參數(shù)

1)彈性釋水系數(shù)

場(chǎng)地抽水試驗(yàn)測(cè)得寒武系—奧陶系熱儲(chǔ)的貯水率約為2.14×10-6m-1,本次各計(jì)算分區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)彈性釋水系數(shù)按照式(2)進(jìn)行求取,結(jié)果見(jiàn)表4。

S=SsM。

(2)

式中:S為彈性釋水系數(shù);Ss為貯水率;M為熱儲(chǔ)層厚度,m。

2)孔隙度

研究區(qū)巖溶熱儲(chǔ)屬埋藏型,巖溶-裂隙發(fā)育程度主要受巖石的可溶性、裂隙的發(fā)育程度及水的溶蝕能力控制,具有不均勻性。結(jié)合文獻(xiàn)[18]及區(qū)域鉆孔資料分析可知,研究區(qū)內(nèi)寒武系—奧陶系灰?guī)r平均孔隙度為5.3%。

3)水頭高度

即從熱儲(chǔ)層頂板算起的水頭高度(m)。區(qū)內(nèi)深部巖溶埋藏一般大于1 000 m,且僅在局部地區(qū)開(kāi)發(fā)利用巖溶熱儲(chǔ),故水頭高度受開(kāi)發(fā)利用影響較小。因此為方便計(jì)算,區(qū)內(nèi)水頭高度統(tǒng)一取熱儲(chǔ)頂板到地面的距離,即頂板埋深。

綜上,本次研究所選取的各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

3.3 資源量估算

3.3.1 地?zé)豳Y源量估算

地?zé)豳Y源量是客觀存在于地層巖石及熱流體中的熱量,依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615—2010)[17]、《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ/T 0331—2020)[19]中的相關(guān)規(guī)定,區(qū)內(nèi)層狀熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量計(jì)算宜采用熱儲(chǔ)法,計(jì)算公式如下。

Q=Qr+Qw;

(3)

Qr=A1dρrCr(1-φ)(tr-t0);

(4)

QL=Wx+Q1;

(5)

Wx=A1φM;

(6)

Q1=A1SH1;

(7)

Qw=QLCwρw(tr-t0)。

(8)

式中:Q為熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量,J;Qr為巖石中儲(chǔ)存的熱量,J;Qw為水中儲(chǔ)存的熱量,J;QL為熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的水量,m3;Wx為截止到計(jì)算時(shí)刻孔隙中熱水的靜儲(chǔ)量,m3;Q1為水位降低到取水能力極限深度時(shí)熱儲(chǔ)釋放的水量,m3;A1為計(jì)算區(qū)面積,m2;d為熱儲(chǔ)厚度,m;ρr為熱儲(chǔ)巖石密度,kg/m3;Cr為巖石比熱容,J/(kg·℃);φ為孔隙度;tr為熱儲(chǔ)溫度,℃;t0為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?℃;ρw為熱水密度,kg/m3;H1為計(jì)算熱儲(chǔ)起始點(diǎn)以上水頭高度;Cw為水的比熱容,J/(kg·℃)。

將各參數(shù)代入式(7)(8),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5?？芍芯繀^(qū)寒武系—奧陶系熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量為1.31×1020J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤44.71×108t。其中,埕子口—寧津潛斷隆地?zé)崽锏責(zé)豳Y源量為2.53×1019J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤8.63×108t;無(wú)棣潛斷隆地?zé)崽锏責(zé)豳Y源量為1.06×1020J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤36.08×108t。

表5 研究區(qū)地?zé)豳Y源量估算結(jié)果

3.3.2 可利用地?zé)豳Y源量估算

本次研究采用回收率法進(jìn)行地?zé)豳Y源可開(kāi)采量的計(jì)算:

Qk=REQ。

(9)

式中:Qk為地?zé)豳Y源開(kāi)采量,J;RE為回收率。

回收率結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況及《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程(DZ/T 0331—2020)》[19]進(jìn)行確定。其中:松散孔隙類熱儲(chǔ)孔隙率大于20%時(shí),回收率可取25%,本次計(jì)算取25%;巖溶裂隙類熱儲(chǔ)回收率可取15%～20%,本次計(jì)算取15%。可利用地?zé)豳Y源量估算結(jié)果見(jiàn)表5。計(jì)算結(jié)果表明:寒武系—奧陶系熱儲(chǔ)可利用地?zé)豳Y源量為1.97×1019J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤6.72×108t。其中,埕子口—寧津潛斷隆地?zé)崽锟衫玫責(zé)豳Y源量為3.79×1018J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.30×108t;無(wú)棣潛斷隆地?zé)崽锟衫玫責(zé)豳Y源量為1.59×1019J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤5.42×108t。

3.3.3 地?zé)崴o儲(chǔ)量估算

靜儲(chǔ)量是客觀存在于地層中的熱水資源量[20]。靜儲(chǔ)量由兩部分組成,一部分為熱儲(chǔ)層的容積儲(chǔ)量,另一部分為彈性儲(chǔ)存量。其計(jì)算公式為:

Wj=Wr+Wt=Vμ+A2LSe;V=A2H2。

(10)

式中:Wj為靜儲(chǔ)量,m3;Wr為容積儲(chǔ)量,m3;Wt為彈性儲(chǔ)量,m3;V為熱儲(chǔ)層的體積,m3;A2為熱儲(chǔ)面積,m2;H2為熱儲(chǔ)厚度,m;μ為熱儲(chǔ)層平均給水度;L為熱水的水頭高度,m;Se為熱儲(chǔ)層平均彈性釋水系數(shù)。

將所確定的各類參數(shù)代入式(10),計(jì)算結(jié)果如表6所示?？芍芯繀^(qū)寒武系—奧陶系熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w資源靜儲(chǔ)量為195.12×108m3,蘊(yùn)含熱量6.238 7×1015kJ。其中:埕子口—寧津潛斷隆地?zé)崽餆醿?chǔ)地?zé)崃黧w資源靜儲(chǔ)量為97.33×108m3,蘊(yùn)含熱量3.053 9×1015kJ;無(wú)棣潛斷隆地?zé)崽餆醿?chǔ)地?zé)崃黧w資源靜儲(chǔ)量為97.79×108m3,蘊(yùn)含熱量3.184 8×1015kJ。

表6 研究區(qū)靜儲(chǔ)量估算結(jié)果

3.3.4 地?zé)崴砷_(kāi)采量估算

本次研究目標(biāo)儲(chǔ)層具有較大的地?zé)醿?chǔ)存量,本文采用開(kāi)采強(qiáng)度法進(jìn)行地?zé)崴砷_(kāi)采量的估算:

Qka=4εbL;

(11)

(12)

a=T/S。

(13)

式中:Qka為年均地?zé)峥砷_(kāi)采量,萬(wàn)m3/a;ε為開(kāi)采強(qiáng)度,10-4m3/(d·m2);smax為最大允許降深,m;a為導(dǎo)壓系數(shù),cm2/s;T為開(kāi)采時(shí)間,a;σ為折減系數(shù);2L為開(kāi)采區(qū)長(zhǎng)度,km;2b為開(kāi)采區(qū)寬度,km。

根據(jù)地?zé)崴壳暗乃^情況、取水設(shè)備能力以及規(guī)范要求,確定地?zé)衢_(kāi)采期限為100 a;再根據(jù)開(kāi)發(fā)后造成的環(huán)境影響、社會(huì)效益及可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用等因素,設(shè)定100 a末地?zé)崴^最大允許降深為150 m。將各計(jì)算分區(qū)概化為長(zhǎng)為2L、寬為2b的等面積矩形,將各參數(shù)代入式(11)—(13)計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表7。可知寒武系—奧陶系熱儲(chǔ)地?zé)崴昃刹闪繛?9 777.40 萬(wàn)m3/a。其中,埕子口—寧津潛斷隆地?zé)崽餆醿?chǔ)地?zé)崴昃刹闪繛?1 787.94 萬(wàn)m3/a,無(wú)棣潛斷隆地?zé)崽餆醿?chǔ)地?zé)崴昃刹闪繛?7 989.46 萬(wàn)m3/a。

4 巖溶熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源開(kāi)采條件評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)方法

影響深部巖溶熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用條件的因素較多,且地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用條件優(yōu)劣等級(jí)界限以及影響因素的分級(jí)界限也存在不明確性,為減小人為因素的影響,本次采用綜合指數(shù)法對(duì)區(qū)內(nèi)深部巖溶熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用條件進(jìn)行評(píng)價(jià)分區(qū)。首先根據(jù)各地?zé)崽镆蜃拥臓顟B(tài)得到評(píng)價(jià)因子分值(Pi),然后通過(guò)式(14)求取各評(píng)價(jià)單元的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P,再根據(jù)P值的大小,按一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分區(qū)。

(14)

式中:P為綜合評(píng)價(jià)指數(shù);N為參與評(píng)價(jià)要素?cái)?shù)目;wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重;Pi為第i個(gè)參與評(píng)價(jià)因子分值。

4.2 評(píng)價(jià)因子及權(quán)重

研究區(qū)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)開(kāi)采條件的優(yōu)劣主要受到地?zé)豳Y源豐富程度及熱水資源開(kāi)采潛力的控制,與熱儲(chǔ)溫度及巖溶發(fā)育程度也具有較強(qiáng)的相關(guān)性。此外,深部巖溶熱儲(chǔ)埋深也直接影響著地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)效益。因此,本次研究選取的評(píng)價(jià)因子為地?zé)豳Y源量、熱水資源潛力、熱儲(chǔ)埋深、熱儲(chǔ)溫度及巖溶熱儲(chǔ)孔隙度。本次根據(jù)計(jì)算結(jié)果按10分制原則確定其分值。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),本區(qū)灰?guī)r巖溶熱儲(chǔ)孔隙度大于0.05的多在0.05～0.06之間,其分布范圍較大,而大于0.06分布范圍較小,故分值取為6,而不取10。各評(píng)價(jià)因子分值標(biāo)準(zhǔn)如表8所示。

各評(píng)價(jià)因子權(quán)重根據(jù)其在單因素中的貢獻(xiàn)和重要程度,按傅勒德三角形法進(jìn)行確定。傅勒得三角形法是確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重的一種方法。具體方法是:將評(píng)價(jià)因子(A、B、C、D、E、F、G、H)列成傅勒三角形(圖7)。各評(píng)價(jià)因子兩兩比較它們的相對(duì)重要程度,給重要者計(jì)數(shù)加1,如果同等重要,則兩者均計(jì)數(shù)加1。計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)因子與其余因子相比較重要的次數(shù),其與總比較次數(shù)的比值,即為該評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。計(jì)算公式為

圖7 確定各評(píng)價(jià)因子權(quán)重的傅勒三角形

(15)

式中:Ai為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子較重要的次數(shù);B為總比較次數(shù);n為評(píng)價(jià)因子數(shù)目。

4.3 分區(qū)閾值確定

根據(jù)計(jì)算所得的各分區(qū)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P值,繪制地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用條件綜合指數(shù)的累計(jì)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)縱向直方圖(圖8),根據(jù)計(jì)算出的綜合分值及該地區(qū)地?zé)豳Y源可持續(xù)開(kāi)發(fā)能力,設(shè)定研究區(qū)內(nèi)深部巖溶熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源開(kāi)采利用條件的分區(qū)閾值為:開(kāi)發(fā)利用條件好區(qū),P>6.0、開(kāi)發(fā)利用條件較好區(qū),5.0

圖8 研究區(qū)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的累計(jì)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖

4.4 評(píng)價(jià)結(jié)果及分區(qū)

根據(jù)以上評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)結(jié)果,區(qū)內(nèi)深部巖溶熱儲(chǔ)計(jì)算分區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用條件按優(yōu)劣程度可劃分為3種,即開(kāi)采條件好區(qū)、開(kāi)采條件較好區(qū)、開(kāi)采條件較差區(qū)(表9、圖9),各計(jì)算分區(qū)開(kāi)發(fā)利用條件分級(jí)如下。

表9 埕寧隆起區(qū)開(kāi)采條件評(píng)價(jià)分級(jí)表

圖9 埕寧隆起區(qū)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)開(kāi)采條件分區(qū)圖

開(kāi)采條件好區(qū)巖溶熱儲(chǔ)面積為1 019.66 km2,占巖溶熱儲(chǔ)總面積的57.13%,地?zé)豳Y源開(kāi)采潛力較大,熱儲(chǔ)頂板埋深一般為1 000～2 000 m,單位面積平均可利用地?zé)豳Y源量12.48×1012kJ/km2,單位面積平均地?zé)崴刹闪?2.40×106m3/km2。

開(kāi)采條件較好區(qū)巖溶熱儲(chǔ)總面積為518.63 km2,占巖溶熱儲(chǔ)總面積的29.05%,地?zé)豳Y源開(kāi)采潛力一般,熱儲(chǔ)頂板埋深一般為2 000～2 500 m,單位面積平均可利用地?zé)豳Y源量17.64×1012kJ/km2,單位面積平均地?zé)崴刹闪?.24×106m3/km2。

開(kāi)采條件較差區(qū)巖溶熱儲(chǔ)總面積246.63 km2,占巖溶熱儲(chǔ)總面積的13.82%,地?zé)豳Y源開(kāi)采潛力較差,熱儲(chǔ)頂板埋深一般大于2 500 m,單位面積平均可利用地?zé)豳Y源量3.17×1012kJ/km2,單位面積平均地?zé)崴刹闪?.37×106m3/km2。

綜上所述,寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布,地?zé)豳Y源儲(chǔ)量巨大,開(kāi)采條件好—較好區(qū)面積為1 538.29 km2,占巖溶熱儲(chǔ)總面積的86.18%,開(kāi)采條件總體較好,具有較高的開(kāi)發(fā)利用潛力。

地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用會(huì)引起一系列環(huán)境問(wèn)題,合理開(kāi)發(fā)和保護(hù)地?zé)崃黧w資源是資源可持續(xù)利用的前提。為保護(hù)地?zé)豳Y源,緩解水位下降,避免地質(zhì)災(zāi)害,開(kāi)發(fā)過(guò)程必須應(yīng)用合適的開(kāi)采設(shè)備與工藝,合理布局,統(tǒng)一規(guī)劃。分為以下兩個(gè)方面。

工程工藝方面:①開(kāi)采井成井工藝的選擇。如前所述,區(qū)內(nèi)巖溶熱儲(chǔ)蓋層差異較大。具體成井結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合該區(qū)域具體地層條件及巖性特征,選擇合適的井身結(jié)構(gòu)。若巖溶熱儲(chǔ)地層巖石較破碎,則應(yīng)下入濾水管;如果巖溶熱儲(chǔ)地層巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,則可以選擇裸眼成井。②開(kāi)采井止水材料的選擇。巖溶熱儲(chǔ)地?zé)峋m合采用水泥固井止水。止水時(shí),根據(jù)地層巖性及地下水水溫等條件選擇不同型號(hào)的水泥、水泥外加劑以及用量計(jì)算方法等。當(dāng)?shù)責(zé)峋怀^(guò)1 500 m,水溫不超過(guò)50 ℃時(shí),可采用普通水泥止水;當(dāng)?shù)責(zé)峋疃却笥? 500 m,水溫超過(guò)50 ℃時(shí),可采用油井水泥止水(固井)。

布局規(guī)劃方面:①開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)考慮抽水影響半徑,設(shè)置合理的地?zé)崮荛_(kāi)采井間距,減緩地下水位下降速率,避免開(kāi)采地區(qū)集中的問(wèn)題。②加強(qiáng)對(duì)取熱設(shè)備的研究和應(yīng)用,提高熱能提取率。③該地區(qū)地?zé)豳Y源主要應(yīng)用于采暖與洗浴方面,綜合利用率低。將地?zé)崴旨?jí)利用可以大大提高地?zé)崮苜Y源的利用效率,做到熱盡其用。④制定尾水、廢水排放標(biāo)準(zhǔn),將尾水處理之后再排放等。

5 結(jié)論

1)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布,僅在埕子口潛凸起、無(wú)棣潛凸起東部有所缺失,地?zé)釤嵩粗饕獊?lái)自正常的地殼深部及上地幔傳導(dǎo)熱流,地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。

2)研究區(qū)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量為1.31×1020J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤44.71×108t;可利用地?zé)豳Y源量為1.97×1019J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤6.72×108t;地?zé)崃黧w資源靜儲(chǔ)量為195.12×108m3,年均可采量為29 777.40 萬(wàn)m3/a。

3)區(qū)內(nèi)寒武系—奧陶系巖溶熱儲(chǔ)開(kāi)采條件總體較好。其中,開(kāi)采條件好區(qū)巖溶熱儲(chǔ)面積為1 019.66 km2,占巖溶熱儲(chǔ)總面積的57.13%;開(kāi)采條件較好區(qū)巖溶熱儲(chǔ)面積為518.63 km2,占巖溶熱儲(chǔ)總面積的29.05%;開(kāi)采條件較差區(qū)巖溶熱儲(chǔ)面積246.63 km2,占巖溶熱儲(chǔ)總面積的13.82%。