低碳化發(fā)展已成為全球共識,具有綠色、清潔、穩(wěn)定優(yōu)勢的地?zé)豳Y源受到高度重視,全球接近50%的國家已將地?zé)?/a>運用于發(fā)電和供暖中。地?zé)豳Y源根據(jù)不同埋深可分為淺層地?zé)豳Y源(地球淺表200 m以內(nèi),溫度低于25℃);中深層地?zé)?/a>(深度介于200~3 000 m,溫度介于 25~150℃);深層(3 000 m以深,溫度高于150℃)。其中, 中國中深層地?zé)崮?/a>可采資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 8.65×108t,主要分布于沉積盆地、東南沿海和隆起山區(qū),開發(fā)潛力大。地?zé)?/a>資源的高效開發(fā)利用有助于改善能源結(jié)構(gòu),減少碳排放,助力實現(xiàn)“碳中和”“碳達(dá)峰”戰(zhàn)略目標(biāo)。

河南省地?zé)豳Y源豐富,主要以沉積盆地傳導(dǎo)型為主。 對于地?zé)崆鍧嵐┡?/a>項目的應(yīng)用試點,目前已在安陽等多地區(qū)開展,效果顯著。開封市擁有占全省12.32%的地?zé)豳Y源可開采量,是下一步資源開發(fā)利用重點區(qū)。

1地?zé)醿?/a>地質(zhì)及溫度場分布特征

1.1儲層地質(zhì)特征

該研究區(qū)塊祥符區(qū)處于開封凹陷區(qū)東部與通許凸起區(qū)北部,由圖1可以看出,鄭州—蘭考斷裂以北位于開封凹陷區(qū),斷裂以南位于通許凸起區(qū)。

1.2溫度場特征

1.2.1熱儲垂向分布特征

祥符區(qū)熱儲溫度場垂向上分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶3部分。增溫帶熱儲溫度場分布特征采用地溫梯度表示,通過式(1)對祥符區(qū)熱儲的地溫梯度進(jìn)行計算。根據(jù)開封及周邊以往地?zé)峋?/a>資料分析,區(qū)內(nèi)地溫梯度隨深度的變化規(guī)律如圖2所示。

式中:G_T為地溫梯度,單位℃/hm;t為鉆孔取水段水溫,單位℃;t₀為恒溫帶溫度,單位℃,取值15.9℃;h為鉆孔取水段平均埋深,單位m;h₀為恒溫帶埋深,單位m,取值20 m。

祥符區(qū)增溫帶熱儲溫度在垂向上的變化特征為:①深度介于300~<800 m為溫水,平均水溫介于3 1.96~42.01℃; ②深度介于800~<1 300 m為溫?zé)崴?平均水溫介于 48.70~65.25℃;③深度為1 300 m以深為熱水,其中深度介于1 300~<1 600 m平均水溫為65℃左右;深度介于1 600~<2 200 m平均水溫可達(dá)75℃。2 200 m以深為古近系熱儲,主要分布在祥符區(qū)中北部開封凹陷區(qū)內(nèi), 厚度大于1 000 m,預(yù)計溫度可達(dá)90℃以上,但根據(jù)上述關(guān)于區(qū)內(nèi)熱儲層特征描述部分可知古近系熱儲地?zé)?/a>條件較差,熱儲溫度計算公式如下：

式中:T為熱儲溫度,單位℃;d為熱儲埋藏深度,單位m;hc為常溫帶埋藏深度,單位m;t c 為常溫帶溫度,單位℃。

1.2.2深層熱儲溫度平面分布

深層溫度平面分布特征采用熱流值進(jìn)行描述,通過式(3)計算發(fā)現(xiàn),開封市祥符區(qū)熱流值約為57.782 mW/m2, 開封市祥符區(qū)周邊區(qū)域地表熱流值平面情況見圖3,可見高地表熱流值位于祥符區(qū)周邊附近,與淺層熱儲溫度分布特征基本一致,該現(xiàn)象也反映出祥符區(qū)在區(qū)域上地?zé)豳x存條件相對更好。

式中:q為地表熱流值,單位mW/m2;λ為測溫度井段圍巖中熱儲層的熱導(dǎo)率,單位W/(m·K);θ為地溫梯度,單位℃/hm,取平均值3.24;λ'、λ″分別為砂巖、黏土層的熱導(dǎo)率,單位W/(m·K);β為熱儲層的砂巖層比(即砂層總厚度與熱儲層總厚度之比)。

熱儲層砂巖層比和熱導(dǎo)率如表1所示,開封市周邊地溫梯度約為3.42℃/hm。開封市周邊為整個開封凹陷區(qū)地溫梯度最高區(qū)域,向東西兩側(cè)地溫梯度呈現(xiàn)明顯降低趨勢。此外,高地表熱流值位于祥符區(qū)附近,與淺層熱儲溫度分布特征基本一致,這也反映出祥符區(qū)在區(qū)域上地?zé)豳x存條件相對更好。1 000 m深度處,開封地區(qū)熱儲溫度大于48℃,最高溫度為53.69℃,平均溫度為48.47℃。

1.2.3熱儲溫度分布的影響因素分析

祥符區(qū)位于開封凹陷與通許凸起2個構(gòu)造單元,2個構(gòu)造單元內(nèi)熱儲層巖性差異不大,蓋層條件也基本一致。 總體上看,熱儲溫度平面分布差異主要受構(gòu)造體系、熱儲層基底(基巖)埋深、地下水活動和蓋層厚度的影響較大。

祥符區(qū)附近受多種構(gòu)造體系的影響,熱水一方面通過蓋層的孔隙和細(xì)小裂隙極其緩慢地向上滲透,另一方面其熱量亦不斷向周圍巖層傳導(dǎo),容易形成熱儲溫度偏高的異常區(qū)。

地下水活動對地?zé)?/a>運移和分布的影響主要表現(xiàn)在兩方面:一是在開封凹陷區(qū)邊緣地帶形成了低溫帶,而凹陷區(qū)中心同深度的熱儲溫度較邊緣偏高;二是古近系及以下地層中深部熱水通過斷裂和裂隙向上施加的影響,構(gòu)造越發(fā)育,新近系地層熱儲溫度也越高。巖性結(jié)構(gòu)是影響熱儲溫度及地溫梯度在縱向上變化的重要因素之一。祥符區(qū)內(nèi)地?zé)醿?/a>的蓋層平均厚度約為300 m,黏土層總厚度約占蓋層總厚度的60%,隔熱性能較好,有利于熱儲層的保溫作用。

1.3地?zé)岢梢蚣盁醿︻愋?o:p>

地?zé)嵯到y(tǒng)的成因模式有傳導(dǎo)型和對流型2種。根據(jù)上述區(qū)域地溫場分布影響分析可知,祥符區(qū)地?zé)岢梢蚴莻鲗?dǎo)和對流雙重影響的結(jié)果。祥符區(qū)內(nèi)新近系地?zé)嵯到y(tǒng)的成因模式為傳導(dǎo)-對流-傳導(dǎo)。一般來說,對流型地?zé)嵯到y(tǒng)的地溫梯度大于4℃/hm,而祥符區(qū)所處開封凹陷區(qū)與通許凸起區(qū)內(nèi)地溫梯度均小于4℃/hm,因此祥符區(qū)內(nèi)地?zé)嵯到y(tǒng)成因機(jī)制中傳導(dǎo)起主要作用,而對流因素對區(qū)域熱儲溫度分布的不均一性有重要影響。

祥符區(qū)中北部開封凹陷區(qū)內(nèi)新生代以來地殼下沉, 沉積物厚超過3 000 m,其南部通許凸起區(qū)內(nèi)缺失古近系,新生界厚度約2 000 m。在這種環(huán)境下,祥符區(qū)地?zé)犷愋椭饕獮槌练e盆地型與斷裂構(gòu)造型熱儲。

2熱儲流體特征

2.1地?zé)崃黧w化學(xué)類型

祥符區(qū)熱儲縱向上由于溫度差異主要包含溫水層(深度介于300~<800 m)、溫?zé)崴畠?深度介于 800~<1 300 m)、熱水儲層(深度為1 300 m以下),不同熱儲層位地?zé)崃黧w表現(xiàn)出不同的化學(xué)類型,溫水儲層的水屬弱堿性水,pH值一般介于7.6~8.3;溫?zé)崴畠拥乃畬偃鯄A性水,pH值一般介于7.4~8.1;熱水儲層pH值約 8.2,屬弱堿性水。而祥符區(qū)西羌寨北部2 004 m深KR2 地?zé)峋?/a>水質(zhì)化驗結(jié)果分析可知,祥符區(qū)通許凸起區(qū)內(nèi)該層地?zé)崃黧w水化學(xué)類型為Cl—Ca·Mg型,pH值約6.89, 屬弱酸性水。

2.2地?zé)崃黧w化學(xué)組分分布特征

祥符區(qū)所處開封凹陷區(qū)內(nèi)熱儲層深度介于 300~<800 m、800~<1 300 m層位水化學(xué)類型以 HCO3—Na型為主,1 300 m以深層位水化學(xué)類型以Cl—Na 型、Cl—Ca·Mg型為主。深度介于300~1 300 m水化學(xué)類型為HCO3—Na型水,1 300 m以深主要為Cl—Na型、 Cl—Ca·Mg型水,且隔水層良好。另外,在1 300 m以深熱儲中水化學(xué)成分有以下特點:①祥符區(qū)城區(qū)附近Na+、 K+離子含量由406 mg/L向下增大至1 668 mg/L,祥符區(qū)西南西羌寨附近Na+、K +離子總含量降低至1 15 mg/L,而 HCO3-離子含量由572 mg/L向下下降到305 mg/L;②溶解性自上而下增大,由721 mg/L上升至10 400 mg/L,含鹽量顯著上升,水質(zhì)由淡水變?yōu)橄趟?③地?zé)崃黧w上部總硬度32 mg/L,屬極軟水,下部總硬度增加到5 354 mg/L,屬特硬水。地?zé)崃黧w化學(xué)組分空間分布見圖4。

2.3地?zé)崃黧w同位素特征

開封凹陷區(qū)內(nèi)大氣降水和地?zé)崃黧w的同位素分析成果值如表2所示。由表1和表2可以看出,位置相近的地?zé)峋?/a>隨著熱儲層埋深增加,地?zé)崃黧w年齡也在增大;各熱儲層地?zé)崃黧w年齡的差異表明各熱儲層間相互之間無明顯的水力聯(lián)系。

3地?zé)豳Y源開發(fā)及回灌潛力

3.1區(qū)塊地?zé)?a href="http://m.dlbonc.top/t/資源.html" >資源特征

開封市祥符區(qū)位于開封凹陷區(qū)與通許凸起區(qū)2個地質(zhì)構(gòu)造單元,根據(jù)區(qū)域地層、構(gòu)造發(fā)育以及周邊地?zé)峋@探資料,祥符區(qū)可劃分為2個熱儲分區(qū)。Ⅰ區(qū)位于開封凹陷區(qū)(面積677 km2),Ⅱ區(qū)位于通許凸起區(qū)(面積 576 km2)。Ⅰ區(qū)垂向上可劃分為3個熱儲層,分別為新近系明化鎮(zhèn)組熱儲、館陶組熱儲、古近系熱儲;Ⅱ區(qū)垂向上可劃分為2個熱儲層,分別為新近系明化鎮(zhèn)組熱儲與館陶組熱儲。

3.2地?zé)?a href="http://m.dlbonc.top/t/資源量評估.html" >資源量評估

祥符區(qū)地?zé)崃黧w可開采總量為9.39×108m³(日開采量為25 703 m³)。其中溫水儲層地?zé)崃黧w可開采量為6.89×108m³(日開采量為1 8 853 m³);溫?zé)崴畠拥責(zé)崃黧w可開采量為2.06×108m³(日開采量為5 65 1 m³);熱水儲層地?zé)崃黧w可開采量為0.44×108m³(日開采量為1 199 m³)。地?zé)崃黧w可開采資源所含熱量計算結(jié)果見表3所示,地?zé)崃黧w可開采資源所含熱量計算公式如下

式中:Qc為地?zé)崃黧w允許開采資源量,單位m3;μ為熱儲彈性釋水系數(shù);A為熱儲面積,單位m2;Sm ax 為最大允許降深,單位m;P為地?zé)崃黧w可開采資源量之所含熱量,單位J;ρw為地?zé)崃黧w密度,單位kg/m3;c w 為地?zé)崃黧w比熱容,單位J/(kg·℃);T為熱儲平均溫度,單位℃;t0為恒溫帶溫度,單位℃。

3.3回灌潛力及開發(fā)利用前景

3.3.1回灌條件下地?zé)崃黧w可開采量

對于盆地型地?zé)崽?/a>,根據(jù)熱量平衡原理,其計算公式如下:

Q 式中:R為回灌條件下地?zé)峋?/a>對熱儲的影響半徑,單位 m;α為巖石的溫度系數(shù);β1為回灌率,根據(jù)本次先導(dǎo)性地?zé)峋毓?/a>試驗,回灌率為100%;δ為熱儲溫度下降2℃減少的熱儲存量的比例;M為熱儲平均有效厚度,單位m; t為時間,單位d,取值為36 500 d;th為回灌溫度,單位℃,取25℃;tr為熱儲溫度,單位℃;t 0 為恒溫帶溫度,單位℃, 取15.9℃;Qh為回灌量,單位m3/d;Q為地?zé)峋a(chǎn)量,單位m3/d,該次計算按1 920 m³/d;Qa為回灌條件下允許開采量,單位m3/d;f為水比熱容與熱儲熱容的比值?；毓鄺l件下祥符區(qū)地?zé)崃黧w可開采總量為36.07×10⁹m³(日開采量為988 286 m³)。其中,溫水儲層地?zé)崃黧w可開采量為21.98×10⁹m³(日開采量為602 256 m³);溫?zé)崴畠拥責(zé)崃黧w可開采量為8.93×10⁹m³(日開采量為 244 6 15 m³);熱水儲層地?zé)崃黧w可開采量為5.16×10⁹m(日開采量為141 415 m³)?；毓鄺l件下祥符區(qū)地?zé)崮?/a>可開采總量為4.89×10¹⁸J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為16 680×10⁴t,其中溫水儲層可利用熱量為2.09×10¹⁸J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為 7 130×10⁴t,供熱能力為15 906 MW;溫?zé)崴畠涌衫脽崃繛?.38×10¹⁸J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為4 7 10×10⁴t,供熱能力為10 502 MW;熱水儲層可利用熱量1.42×10¹⁸J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為4 840×10⁴t,供熱能力為10 807 MW,見表4。

3.3.2熱儲開發(fā)利用前景

祥符區(qū)新生界熱儲地?zé)崃黧w推斷無回灌條件下地?zé)崃黧w可開采總量為9.39×10⁸m³(日開采量為2.57×10⁴m³, 可開采熱量為10.96×10¹⁶J),折合標(biāo)準(zhǔn)煤為3.75×10⁶t,供熱能力為34.79 MW。完全回灌條件下推斷可采地?zé)崃黧w總量為36.07×109m³(日開采量為988 286m³),可開采熱量為4.89×10¹⁸J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為16 680×10⁴t,供熱能力為37 215 MW,開采潛力巨大。

4結(jié)論

1)祥符區(qū)具有顯著的地?zé)豳Y源開發(fā)潛力。無回灌條件下,地?zé)豳Y源有限,總量為9 390×104m 3,完全回灌條件下,可開采量顯著增加,顯示出巨大的開發(fā)潛力。

2)祥符區(qū)的地?zé)豳Y源受地質(zhì)構(gòu)造和溫度場分布的影響較大。祥符區(qū)附近的熱儲層溫度較高,地質(zhì)條件優(yōu)越,適宜進(jìn)行地?zé)豳Y源開發(fā)。

3)不同深度的熱儲層間水化學(xué)類型存在明顯差異, 各熱儲層之間具有良好的隔層。這種特征有利于不同熱儲層的獨立開發(fā)和利用,提高了地?zé)豳Y源開發(fā)的效率。