寧晉縣城區(qū)地?zé)豳Y源量計(jì)算方法研究

周 瑩

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第二水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000)

地?zé)豳Y源是一種儲(chǔ)存在地球內(nèi)部的可再生資源，其功能多，用途廣。與常規(guī)能源相比，對(duì)環(huán)境污染小，利于環(huán)境保護(hù)，目前已廣泛被開(kāi)發(fā)利用于洗浴、醫(yī)療、供暖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、蔬菜及特色農(nóng)業(yè)種植行業(yè)。

寧晉縣屬于河北省中南部，邢臺(tái)市東北部，其地?zé)豳Y源分布廣泛，儲(chǔ)量豐富。目前城區(qū)內(nèi)有地?zé)峋?9眼，其中3眼已廢棄，可利用熱儲(chǔ)層均為奧陶系基巖熱儲(chǔ)層，開(kāi)發(fā)利用方式均以供暖為主。本文以“河北省寧晉縣地?zé)豳Y源勘查項(xiàng)目”為依托，在建立地?zé)崮Ｐ偷幕A(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)的地?zé)豳Y源量和地?zé)崃黧w可開(kāi)采量進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)工作取得地?zé)崽镆?guī)模進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 研究區(qū)地質(zhì)條件

構(gòu)造：寧晉斷凸是以太古界、元古界為主體的正向構(gòu)造單位，與東側(cè)束鹿斷凹共存，一起組成寧晉—束鹿斜斷帶。其東為束鹿斷凹、西部為晉縣斷凹、北部為衡水?dāng)嗔选⒛喜繛槁蛲蛊稹Ｒ罁?jù)《中國(guó)區(qū)域地質(zhì)志—河北志》，寧晉斷凸面積約1 650 km2，走向北北東，沿走向長(zhǎng)度50 km。

地層：依據(jù)城區(qū)內(nèi)已有鉆孔資料，揭露地層從新到老依次為：第四系、明化鎮(zhèn)組、新近系館陶組、東營(yíng)組、古近系沙河街組、侏羅系、二疊系、石炭系、寒武-奧陶系。

1.2 地溫場(chǎng)特征

寧晉縣城區(qū)內(nèi)恒溫帶深度為25 m，恒溫帶溫度溫15.3℃。

城區(qū)位于臨清北臺(tái)陷西部的寧晉斷凸中部，新生界平均地溫梯度約為3.07℃/100m，地溫梯度處于異常區(qū)。奧陶系基巖熱儲(chǔ)層，其地?zé)崽荻葹?.2～2.7℃/100m。

2 熱儲(chǔ)模型

寧晉縣城區(qū)所處的地?zé)岙惓^(qū)，屬于以熱傳導(dǎo)為主的中低溫地?zé)崽?，地?zé)崽锬Ｐ陀幸韵聨撞糠謽?gòu)成。

2.1 蓋層

第四系堆積物構(gòu)成其下部各儲(chǔ)層的蓋層，巖性為粘土、粉質(zhì)黏土與粉砂、細(xì)砂互層，地層松散、孔隙度大、導(dǎo)熱性差，且地層厚度較大，總厚度440～580 m，構(gòu)成良好的保溫蓋層。

2.2 儲(chǔ)層

新近系館陶組孔隙熱儲(chǔ)層：頂板埋深為745～890 m，底板埋深1 045～1 175 m，地層厚度285～312 m。巖性上以泥巖砂巖為主，砂巖層中以粗砂巖、含礫砂巖為主，在層的底部為砂礫巖；該層底礫巖是館陶組底部的標(biāo)志層。砂厚比40%～50%，有效孔隙度為24%～33%，推算館陶組熱儲(chǔ)厚度為142.5～156 m，熱儲(chǔ)中部的水溫為42℃～46℃，水化學(xué)類型多為HCO3·Cl-Na型。

基巖熱儲(chǔ)主要指下古生界奧陶系裂隙巖溶熱儲(chǔ)層。奧陶系裂隙巖溶型熱儲(chǔ)層巖性巖性以灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，熱儲(chǔ)層頂板埋深為1 390～3 727 m，揭露地層厚度467～769.87 m，儲(chǔ)厚比平均值為9.9%～28.6%，熱儲(chǔ)層可利用厚度為24.0～210.7 m，熱儲(chǔ)中部溫度42℃～92℃，平均有效孔隙度4.4%左右。水量500～1 000 m3/d，礦化度3～8 g/L，化學(xué)類型為Cl-Na型。

2.3 通道

區(qū)內(nèi)的熱流體以傳導(dǎo)型為主?；鶐r是良好的導(dǎo)熱體，熱流在地殼深部均勻地向上傳遞，構(gòu)造或裂隙發(fā)育帶成為熱水產(chǎn)生對(duì)流的通道。

2.4 熱源

寧晉縣地?zé)岙惓^(qū)屬于地?zé)嵴^(qū)范疇，不存在特殊高的地?zé)岜尘皸l件，區(qū)域大地?zé)崃魇潜緟^(qū)熱儲(chǔ)層的恒定“熱源”。

3 地?zé)崴瘜W(xué)特征

奧陶系熱儲(chǔ)是一套以碳酸鹽巖為主的的海相沉積物。根據(jù)采集的15個(gè)地?zé)崃黧w全分析水樣，研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴瘜W(xué)類型為Cl-Na型，pH值在7.31～7.62之間，為中性水；地?zé)崃黧w中溶解性總固體含量較高，含量在4 859～5 517 mg/L之間，為咸水；總硬度達(dá)到933.8～1 128 mg/L，為極硬水。

4 地?zé)豳Y源量計(jì)算

本次研究區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)層部分區(qū)域達(dá)到預(yù)可行性勘查程度(Ⅱ、Ⅲ區(qū))，其地?zé)崃黧w可開(kāi)采量為控制的，面積達(dá)33.99 km2；其余區(qū)域地?zé)崃黧w可開(kāi)采量為推斷的(Ⅳ、Ⅴ區(qū))，面積達(dá)25.20 km2。

依據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)條件劃分為四個(gè)子區(qū)，擬采用熱儲(chǔ)法進(jìn)行計(jì)算。

4.1 計(jì)算公式

Q=Qr+Qw

(1)

Qr=AdρrCr (1-φ)(tr-t0)

(2)

QL=Q1+Q2

(3)

Q1=AφM

(4)

Q2=ASH

(5)

Qw= QLCwρw(tr-t0)

(6)

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；QL為熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的水量，m3；Q1為容積儲(chǔ)存量，m3;Q2為彈性儲(chǔ)存量，m3；Qw為水中儲(chǔ)存的熱量，J；A為計(jì)算區(qū)面積，取m2；M 為熱儲(chǔ)厚度，m；ρr、ρw為熱儲(chǔ)巖石和地?zé)崴芏?，kg/m3；Cr、Cw為熱儲(chǔ)巖石和地?zé)崴葻?，J/(kg·℃ )；φ為熱儲(chǔ)巖石的孔隙度，無(wú)量綱；tr為熱儲(chǔ)溫度，℃；t0為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，℃；S為彈性釋水系數(shù)，無(wú)量綱；H為計(jì)算起始點(diǎn)以上高度，m。

4.2 參數(shù)選取

本次劃分的四個(gè)計(jì)算子區(qū)參數(shù)選取如表1所示。

表1 勘查區(qū)熱儲(chǔ)主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果一覽表

4.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w儲(chǔ)存量為638.48×106m3，奧陶系熱儲(chǔ)總儲(chǔ)存地?zé)豳Y源量為172.41×1016J，其中控制地?zé)豳Y源量為96.52×1016J，推斷地?zé)豳Y源量為75.89×1016J。

5 地?zé)崃黧w可開(kāi)采量計(jì)算

5.1 Ⅱ、Ⅲ區(qū)可開(kāi)采量計(jì)算

5.1.1 開(kāi)采權(quán)益保護(hù)半徑的確定

(1)Ⅱ區(qū)

根據(jù)《單井地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(DB13/T2554-2017)，回灌井與開(kāi)采井的距離主要取決于冷熱水的混合鋒面，自回灌井向開(kāi)采井的運(yùn)移時(shí)間和速度，概化研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件后，回灌井與開(kāi)采井間距計(jì)算公式為：

(7)

式中：R2為回灌井與開(kāi)采井的距離；Q穩(wěn)為穩(wěn)定回灌量，最大穩(wěn)定回灌量為1 728 m3/d；t為冷熱水的混合鋒面到達(dá)開(kāi)采井的時(shí)間(d)，按100 a計(jì)算，每年365 d計(jì)；式中其它符號(hào)意義同前。

經(jīng)計(jì)算，Ⅱ區(qū)回灌井與開(kāi)采井的距離為725.60 m。

(2)Ⅲ區(qū)

根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ-T0331-2020)中相關(guān)要求，按單井允許開(kāi)采量開(kāi)采100 a、消耗15%左右的地?zé)醿?chǔ)存量，用熱儲(chǔ)法及圓面積計(jì)算估算地?zé)峋_(kāi)采對(duì)熱儲(chǔ)的影響范圍，視為其單井開(kāi)采權(quán)益保護(hù)的范圍。公式如下：

(8)

(9)

ρeCe=φρwCw+(1-φ)ρrCr

(10)

式中：R為地?zé)峋_(kāi)采100面排放出熱量對(duì)熱儲(chǔ)的影響半徑，m；Q為地?zé)峋a(chǎn)量，取1 668.72 m3/d；式中其它符號(hào)意義同前。

經(jīng)計(jì)算，Ⅲ區(qū)地?zé)峋畣尉_(kāi)采權(quán)益保護(hù)半徑為1 184.09 m。

5.1.2 未回灌條件下可開(kāi)采量計(jì)算

本次擬采用平均布井法計(jì)算未回灌條件下地?zé)崃黧w可開(kāi)采量。本次計(jì)算勘查區(qū)面積為近似方形，因此將單井影響范圍概化為方形，勘查區(qū)內(nèi)可布開(kāi)采井?dāng)?shù)公式如下：

(11)

式中：N為勘查區(qū)可布開(kāi)采井?dāng)?shù)；R為地?zé)峋_(kāi)采權(quán)益保護(hù)半徑，m；A為勘查區(qū)計(jì)算面積，m2。

經(jīng)計(jì)算，Ⅱ、Ⅲ區(qū)未回灌條件下地?zé)崃黧w總可開(kāi)采量為100.74×106m3，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為2.67×1016J。

5.1.3 回灌條件下可開(kāi)采量計(jì)算

本次擬采用單井開(kāi)采權(quán)益保護(hù)半徑法計(jì)算回灌條件下地?zé)崃黧w可開(kāi)采量。對(duì)于盆地型地?zé)崽铮?dāng)滿足假設(shè)條件：(1)除了抽取和回灌的熱量外，系統(tǒng)與外界沒(méi)有能量交換；(2)按回灌條件下開(kāi)采100 a，熱儲(chǔ)溫度下降2℃；(3)回灌未發(fā)生熱突破且抽水井井口溫度與回灌前溫度一致；采用下式估算回灌條件下地?zé)峋畬?duì)熱儲(chǔ)的影響半徑，以及回灌條件下流體可開(kāi)采量：

(12)

(13)

(14)

式中：R2為回灌條件下地?zé)峋畬?duì)熱儲(chǔ)的影響半徑，m；β為回灌率，取95%；δ為熱儲(chǔ)溫度下降2℃減少的地?zé)醿?chǔ)存量的比例；Qa為回灌條件下允許開(kāi)采量，單位為m3/d；th為回灌溫度，單位為℃；tr為回灌前熱儲(chǔ)溫度，取值25℃。

經(jīng)計(jì)算，Ⅱ、Ⅲ區(qū)回灌條件下地?zé)崃黧w總可開(kāi)采量為122.31×106m3，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為3.27×1016J。

5.2 Ⅳ、Ⅴ區(qū)可開(kāi)采量計(jì)算

本次擬采用開(kāi)采系數(shù)法、比擬法Ⅳ、Ⅴ區(qū)地?zé)崃黧w可開(kāi)采量進(jìn)行計(jì)算。

5.2.1 開(kāi)采系數(shù)法

Qwk=Q儲(chǔ)·X

(15)

式中：Qwk為地?zé)崃黧w可開(kāi)采量(m3)；Q儲(chǔ)為地?zé)崃黧w總儲(chǔ)存量(m3)，取305.20×106m3；X為可采系數(shù)，取5%。

經(jīng)計(jì)算，Ⅳ、Ⅴ區(qū)100 a內(nèi)地?zé)崃黧w可開(kāi)采量為15.26×106m3，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為0.40×1016J。

5.2.2 比擬法

比擬法是利用已知地?zé)崽锏牡責(zé)豳Y源儲(chǔ)量推算地?zé)岬刭|(zhì)條件相似的地?zé)崽锏牡責(zé)豳Y源儲(chǔ)量，或者同一地?zé)崽飪?nèi)已知地?zé)豳Y源儲(chǔ)量的部分來(lái)推算其他部分的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量?？辈閰^(qū)內(nèi)Ⅳ、Ⅴ區(qū)與Ⅱ、Ⅲ區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件相似，因此根據(jù)面積采用比擬法推算Ⅳ、Ⅴ區(qū)的地?zé)崃黧w可開(kāi)采量。

(16)

式中：A0為Ⅱ、Ⅲ區(qū)面積，km2；A為Ⅳ、Ⅴ區(qū)面積，km2；Q0為Ⅱ、Ⅲ區(qū)地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量，取100.74×106m3；Q為Ⅳ、Ⅴ區(qū)地?zé)崃黧w可開(kāi)采量，m3。

經(jīng)計(jì)算，Ⅳ、Ⅴ區(qū)100 a的地?zé)崃黧w可開(kāi)采量為74.67×106m3，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為1.96×1016J。

根據(jù)研究區(qū)目前地?zé)崃黧w實(shí)際開(kāi)采量，取比擬法計(jì)算結(jié)果。

5.3 地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

5.3.1 地?zé)豳Y源/儲(chǔ)量查明程度

依據(jù)前文，工作內(nèi)Ⅱ、Ⅲ區(qū)未回灌條件下地?zé)崃黧w總可開(kāi)采量為100.74×106m3，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為2.67×1016J；回灌條件下地?zé)崃黧w總可開(kāi)采量為122.31×106m3，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為3.27×1016J，儲(chǔ)量查明級(jí)別為控制的。Ⅳ、Ⅴ區(qū)100 a的地?zé)崃黧w可開(kāi)采量為74.67×106m3，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為1.96×1016J，儲(chǔ)量查明級(jí)別為推斷的。

5.3.2 回灌條件下地?zé)豳Y源/儲(chǔ)量規(guī)模劃分

依據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ/T 0331-2020)6.2.2及6.2.3相關(guān)要求，需要對(duì)地?zé)崽锘虻責(zé)衢_(kāi)采地區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)。公式如下：

∑Wt=86.4DWt

(17)

Wt=4.186 8Q (t-t0)

(18)

式中：Wt為熱功率，kw；∑Wt為開(kāi)采一年可利用的熱能，MJ；Q為地?zé)崃黧w可開(kāi)采量，取30.07 L/s。

經(jīng)計(jì)算，Wt=10.67 MW，∑Wt=1.84×108MJ。按地?zé)崽镆?guī)模分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于中型地?zé)崽铩?/p>

6 結(jié)語(yǔ)

(1)研究區(qū)內(nèi)利用的熱儲(chǔ)層為奧陶系基巖熱儲(chǔ)層，采用熱儲(chǔ)法計(jì)算研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w儲(chǔ)存量為638.48×106m3，奧陶系熱儲(chǔ)總儲(chǔ)存地?zé)豳Y源量為172.41×1016J，其中控制地?zé)豳Y源量為96.52×1016J，推斷地?zé)豳Y源量為75.89×1016J。

(2)采用平均布井法計(jì)算Ⅱ、Ⅲ區(qū)100 a內(nèi)未回灌條件下地?zé)崃黧w總可開(kāi)采量為100.74×106m3，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為2.67×1016J；采用開(kāi)采單井開(kāi)采權(quán)益保護(hù)半徑法計(jì)算Ⅱ、Ⅲ區(qū)100 a內(nèi)回灌條件下地?zé)崃黧w總可開(kāi)采量為122.31×106m3，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為3.27×1016J。儲(chǔ)量查明級(jí)別為控制的。

(3)采用開(kāi)采系數(shù)法、比擬法對(duì)Ⅳ、Ⅴ區(qū)地?zé)崃黧w可開(kāi)采量進(jìn)行計(jì)算，取比擬法計(jì)算結(jié)果：100 a內(nèi)地?zé)崃黧w可開(kāi)采量為74.67×106m3，地?zé)崃黧w可開(kāi)采熱量為1.96×1016J，儲(chǔ)量查明級(jí)別為推斷的。

(4)回灌條件下地?zé)崃黧w可利用熱資源量約為10.67 MW，按地?zé)崽镆?guī)模分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于中型地?zé)崽铩?/p>