鄉(xiāng)寧縣十里鋪勘查區(qū)地熱資源評價研究

陳建峰

(山西省水文水資源勘測總站，山西 太谷 030800)

1 勘查區(qū)地理地貌概況

1.1 地理位置

研究區(qū)位于鄉(xiāng)寧縣北中部，東經(jīng)110°46′37″～110°51′58″，北緯35°56′55″～36°03′21″；東至拍凹、銀匠莊、西坡一線，西至趙家坪、馱腰坡、內(nèi)陽、柳閣原一線，北到櫻桃角、梁家河一線，南到大石頭、吉家原一線。行政區(qū)域隸屬于昌寧鎮(zhèn)、尉莊鄉(xiāng)管轄，見圖1。

1.2 氣象水文

鄉(xiāng)寧縣屬暖溫帶季風型大陸性干旱一半干旱氣候。據(jù)鄉(xiāng)寧縣氣象站1985-2017年氣象資料：多年平均氣溫8.8℃。一月份最冷，平均氣溫-7.6℃，極端最低值-26.7℃；7月份最熱，平均氣溫23.0℃，極端最高值40.2℃。多年平均降水量526.2 mm，最大年降水量767.4 mm(2003年)，最小年降水量310.9 mm(1997年)。全年集中降水量主要集中在6-9月份，占到全年降水量的82%。山區(qū)較黃土丘陵地區(qū)降水量相對較多。多年平均蒸發(fā)量1 692.7 mm，年最大蒸發(fā)量1 994.8 mm，月平均最高值256 mm。多年平均相對濕度56%。每年11月上中旬開始結(jié)冰至次年3月解凍，最大凍土深度75 cm，無霜期170 d左右。

區(qū)內(nèi)河流屬黃河流域鄂河水系。鄂河是黃河一級支流，從勘查區(qū)南部反帝村一帶流入測區(qū)，大石頭村一帶流出測區(qū)，徑流長約7.5 km，流向由北東向南西徑流。鄂河發(fā)源于鄉(xiāng)寧縣管頭高天山一帶，流經(jīng)管頭、城關(guān)，至張馬村折向西經(jīng)鄉(xiāng)寧與吉縣交界附近的圭山村注入黃河，全長77.4 km， 流域面積625 km2，河床縱坡比降15.4‰。上世紀80年代前，鄂河清水流量為0.05～20 L/s，洪水流量一般300～500 m3/s，最大洪流2 454 m3/s(1936年)，最小洪流54 m3/s(1990年)。年清洪水徑流總量7.2×107 m3，輸沙量75萬 t。本次工作在大石頭村實測河流清水流量為0.067 m3/s。

1.3 地形地貌

勘查區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣晉西黃土高原，總的地勢為北高南低，東高西低。地面標高920～1 398 m，最高點位于測區(qū)北部劉家圪塔西部的黃土塬頂，地面標高為1 398 m，最低點位于測區(qū)西南部大石頭村鄂河河谷，地面標高890.0 m，相對高差508.0 m。區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，沖溝發(fā)育。地貌類型可分為黃土殘塬區(qū)、黃土梁峁區(qū)和山間河谷階地區(qū)。

1.鐵路；2.高速公路；3.國道；4.省級公路；5.縣(鄉(xiāng)鎮(zhèn))級公路；6.縣(市)、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、村莊；7.水系；8.工作區(qū)

2 勘查區(qū)水文地質(zhì)特征分析

通過布設(shè)的孔深為2 008.87 m的 K1勘探孔對該區(qū)域水文地質(zhì)條件進行勘察，地下水類型為埋藏型碳酸鹽巖類巖溶水。主要含水層為奧陶系中統(tǒng)上、下馬家溝組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及寒武系中統(tǒng)張夏組鮞狀灰?guī)r，含水層之間的夾層泥灰?guī)r及孔底徐莊組頁巖為相對隔水層，奧陶系頂板埋深1 184.05 m，成井取水段為1 360.22～2 008.87 m，含水層厚度229.38 m，靜水位埋深903.4 m，水位標高為450.1 m。抽水試驗最大降深38.1 m，涌水量為554.34 m3/d。水質(zhì)類型為SO4-Na·Ca型水，礦化度3 804.2 mg/L，井口水溫41℃。

從K1孔抽水資料分析認為：鄉(xiāng)寧十里鋪一帶單位涌水量為0.168 L/S·m，巖溶地下水富水性弱，巖溶裂隙差。水質(zhì)類型為SO4型，且礦化度高，表明巖溶地下水沉積環(huán)境以還原環(huán)境為主，且水循環(huán)交替條件差，應是以深循環(huán)為主，且徑流遲緩。鉆探施工中1 184.05～1 576.43 m段及1 650～1 685 m孔段等破碎，溶孔發(fā)育，表明應是K1孔井水的主要地下來水通道。K1孔水位標高與區(qū)外鄉(xiāng)寧縣田家坡自來水公司5#水井水位標高，鄉(xiāng)寧縣管頭永昌源煤氣化焦煤公司水井水位標高對比分析(表1)得出：田家坡水位標高高出K1孔145余米，管頭水位標高高出K1孔162 m。推測測區(qū)巖溶地下水流向應為由東北向西南徑流。

表1 區(qū)域巖溶井資料對比表

3 勘查區(qū)熱儲層特征評價分析

3.1 地熱井田邊界

從區(qū)域地質(zhì)、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及地熱異常顯示分析，區(qū)域上地熱田范圍西北部應以人祖山東麓一帶興縣～石樓南北向褶皺帶與關(guān)王廟北東向褶皺帶分界為界；東北部以紫荊山山前斷裂帶為界；東南部以河底～管頭斷層、高家坡～金橋溝斷層及下炭峪斷層一線為界；西南部以黃河為界。范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相近均以北東向褶皺構(gòu)造為主，水文地質(zhì)條件均為禹門口巖溶泉域補給徑流區(qū)，勘探揭露的寒武、奧陶系熱儲熱流體水質(zhì)類型相近(表2)?？辈閰^(qū)內(nèi)以褶皺為主，無大的斷裂構(gòu)造，地熱地質(zhì)條件相近，地熱井田界限模糊，初步確定K1孔井田范圍與勘查區(qū)范圍相一致。屬人為劃定邊界。即東至拍凹、銀匠莊、西坡一線、南至大石頭、吉家原一線；西至趙家坪、馱腰坡、內(nèi)陽、柳閣原一線；北至櫻桃角、梁家河一線。井田面積約90 km2。

表2 地熱井資料對比表

3.2 熱儲埋深及特征

(1)熱源：勘查區(qū)熱源來自于地球核部。核部熱流通過地殼巖層傳導向地表散熱，在適宜的保溫蓋層和地質(zhì)條件下形成特定范圍內(nèi)的熱儲。據(jù)相關(guān)研究表明地核溫度約6 000℃，熾熱程度與太陽表面相近，熱源在地球運動中每時每刻均在向地殼表部釋放能量。

(2)熱儲：勘查區(qū)屬傳導自然增溫型低溫溫熱水資源。儲熱層為寒武系中、上統(tǒng)及奧陶系中、下統(tǒng)灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等，熱儲頂板埋深1 360.22 m，巖性為奧陶系上馬家溝組灰?guī)r，底板埋深為2 008.87 m，巖性為寒武系中統(tǒng)徐莊組頁巖，熱儲層厚度229.38 m。頂板井溫38.5℃，底板井溫53.7℃，熱流體水循環(huán)井口水溫41℃。

(3)蓋層：熱儲層上覆奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組頂部地層、中統(tǒng)峰峰組地層，石炭系中統(tǒng)本溪組、太原組地層，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組地層，上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組地層，三疊系下統(tǒng)劉家溝組地層，第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)地層為良好的保溫蓋層。巖層分布穩(wěn)定，構(gòu)造裂隙不發(fā)育，蓋層總厚度1 360.22 m。

(4)地溫梯度：對K1孔進行了物探簡易測溫工作，1 200 m時測溫值為35.4℃，1 500 m時測溫值為39.0℃，1 800 m時測溫值為45.3℃，2 005.8 m時測溫值為53.7℃。經(jīng)測算分析，地熱井的地溫梯度為1.68℃/100m。其中1 600～1 700 m和1 900～1 950 m之間為低溫 區(qū)間。受其影響地溫梯度值偏低。K1孔測溫成果見圖2。分析認為低溫異常的原因應與地下水補給有關(guān)，從低溫區(qū)間來看1 600～1 700 m和1 900～1 950 m孔段正好是處于奧陶系下馬家溝組地層主要含水層灰?guī)r和寒武系張夏組主要含水層灰?guī)r部位，是井中地下水來源的主要通道，受其影響降低了井溫溫度。

圖2 K1孔測溫曲線圖

4 勘查區(qū)地熱資源計算評價

4.1 熱儲主要參數(shù)

本地熱井田位于棗園撓褶帶下平層。侯家峁向斜部位，屬于傳導自然增溫型低溫溫熱水。蓋層厚度1 360.22 m，巖性自上而下為第四系松散層、二疊系和石炭系砂頁巖等；儲熱層主要為奧陶系中、下統(tǒng)及寒武系中、上統(tǒng)灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r，厚度約229.38 m；勘查區(qū)外北東部高家坡斷裂構(gòu)造為導熱通道，地熱流體主要來自東部、東南部逕流補給，自北東向南西徑流。分析本地熱田熱儲范圍較廣，邊界線模糊，故以勘查區(qū)邊界作為本次儲量計算邊界，總面積約90 km2。K1勘探孔孔深2 008.87 m，含水層厚度229.38 m，取水段孔徑155 mm，水位埋深903.4 m，水位標高450.1 m。進行抽水試驗結(jié)果可知：最大降深38.1 m，涌水量554.34 m3/d，單位涌水量0.168 L/s·m；次降深29.6 m，涌水量432.17 m3/d，單位涌水量0.169 L/s·m；最小降深18.6 m，涌水量271.99 m3/d，單位涌水量0.169 L/s·m。K1勘探孔抽水試驗Q-S曲線見圖3。

依據(jù)水文地質(zhì)手冊，抽水試驗Q～s曲線為直線型時，推算最大涌水量不能超過抽水試驗最大降深的1.5倍，推算本地熱井最大降深57.2 m時，單井最大涌水量為831.5 m3/d，按開采100 a、消耗15%左右地熱儲量，采用(1)式估算地熱井開采對熱儲的影響半徑(R)，采用穩(wěn)定流裘布依公式(2)求取儲熱含水層的滲透系數(shù)(K)：

(1)

(2)

式中：Q為地熱井產(chǎn)量，單位(m3/d)； R為地熱井開采100 a排出熱量對熱儲的影響半徑，單位(m)；K為滲透系數(shù)，單位(m/d)；H為熱儲層厚度，單位(m)；取229.38 m；m為含水層厚度，單位(m)，為229.38 m；r為抽水井半徑，單位(m), 取0.077 5 m；s為水位降深，單位(m), 為57.2 m；f為水比熱/熱儲巖石比熱的比值，查表求得4.545。

將各參數(shù)代入公式(1)、(2)得：R=1 129.94 m、K=0.096 58 m/d。

圖3 K1勘探孔抽水試驗Q-S曲線圖

4.2 地熱資源量計算分析

4.2.1 單井計算

1)K1地熱井可采熱水量

K1地熱井可采量為831.5 m3/d，年可采熱水量為：831.5×365=3.03×105(m3)

2)K1地熱井產(chǎn)熱量

按式(3)計算地熱井的熱量

Wt=4.186 8Q(t-t0)

(3)

式中：Wt為熱功率，單位為千瓦(kw)；Q為地熱流體可開采量，單位為升/秒(L/s)，為9.62 L/s；t為地熱井出口溫度，這里取41℃；t0為當?shù)啬昶骄鶜鉁?，這里取8.8℃。

將上述數(shù)據(jù)代入公式(3)，計算的熱功率為：Wt=4.186 8×9.62×(41-8.8)=1 296.92 kw

3)K1地熱井年可利用熱能

地熱井年開采累計可利用的熱能按公式(4)計算：

ΣWt=86.4DWt/k

(4)

式中：ΣWt為開采一年可利用的熱能，單位為兆焦(MJ)；D為全年開采日數(shù)，單位為天(d)，按半年計，取180 d；Wt為熱功率取1 296.92 kw；K為熱效比，按燃煤鍋爐的熱效率0.6計算。

將上述數(shù)據(jù)代入公式(4)，則計算的熱能為：

ΣWt=86.4×180×1 296.92÷0.6=33.62×106 MJ

4.2.2 勘查區(qū)范圍計算

工作區(qū)處于預可行性勘查階段，結(jié)合資料具備情況，采用熱儲法進行計算，計算公式如下：

Q=Qr+Qw

Qr=AdρrCr(1-φ)(tr-t0)

Qw=QLCwρw(tr-t0)

(5)

QL=Q1+Q2

Q1=Aφd

Q2=AμeH

S=Km

式中：Q為熱儲中儲存的熱量，單位為J；Qr為巖石中儲存的熱量，單位為J；Qw為水中儲存的熱量，單位為J；QL為熱儲中儲存的水量，單位為m3；Q1為截止到計算時時刻，熱儲孔隙中熱水的靜儲量，單位為m3；Q2為水位降低到目前取水能力極限深度時熱儲所釋放的水量，單位為m3；A為計算區(qū)面積，為90 000 000 m2；d為熱儲層厚度，為229.38 m；ρr、ρw分別為熱儲巖石密度和水的密度，分別為2 700 kg/m3和1 000 kg/m3；Cr、Cw分別為熱儲巖石比熱和水的水熱，分別為920 kg/m3J/kg·℃和4 180 kg/m3J/kg·℃；φ為熱儲巖石的空隙度，無量綱；平均值為2.33%；Tr為熱儲溫度，為41℃；T0為當?shù)啬昶骄鶜鉁?，?.8℃；μe為含水層彈性釋水系數(shù)，S為導水系數(shù)，無量綱；H為計算起點以上高度，按地熱井推算最大降深57.2 m計；K為滲透系數(shù)，計算求得為0.096 58 m/d；m為含水層厚度，為229.38 m；

將上述數(shù)據(jù)代入公式(5)，則計算求得地熱田中儲存的熱量為1.695 5×1012MJ(表3)。

表3 地熱田中儲存的熱量計算結(jié)果表

表4 地熱資源分級表

4.2.3 地熱流體可開采資源計算

根據(jù)地熱資源計算結(jié)果，K1孔單井年可采熱水量3.03×105m3，可利用熱量33.62×106MJ，折合標準煤1147.14 t熱量；勘查區(qū)約90 km2儲存熱量為1.695 5×1012MJ，折合標準煤5 785.02萬 t的熱量?？辈閰^(qū)熱儲層埋藏深度1 360.22 m，鉆探深度、開采深度均小于3 000 m，地熱流體單位產(chǎn)量為14.5 m3/d·m，按GB/T11615-2010《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》，地熱田屬于中淺埋藏、經(jīng)濟較適宜型地熱資源。地熱井出水溫度41℃按地熱資源分級見表4，屬于“低溫溫熱水資源”。地熱田可利用熱量按規(guī)范表5，地熱田規(guī)模屬于“中型”。

表5 地熱田規(guī)模劃分表

5 結(jié)語

十里鋪一帶地熱資源分析與計算，地熱田單井年可采熱水量3.03×105m3，可利用熱量33.62×106MJ，折合標準煤1 147.14 t熱量；勘查區(qū)儲存熱量為1.695 5×1012MJ，折合標準煤5 785.02萬t的熱量。地熱資源屬于低溫溫熱水資源，地熱田規(guī)模屬中型，地熱開發(fā)利用屬經(jīng)濟較適宜型。