河南濟源五龍口地熱資源特征與產(chǎn)業(yè)化研究

1 研究區(qū)地質背景

研究區(qū)地處中期準地臺華北臺坳濟源—開封凹陷西北部，區(qū)內(nèi)構造復雜，主要以燕山期以來的高角度正斷層及平緩開闊褶皺為主要構造特征。

1.1 地層巖性

研究區(qū)區(qū)域地層屬于華北地層區(qū)，豫西北地層分區(qū)太行山地層小區(qū)，主要出露新生界、古生界、元古界及太古界地層，地層簡介如下。

1.1.1 新生界

第四系巖性為上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)的黃土狀粉土、粉質粘土、粘土及砂礫卵石，主要分布于河谷兩岸及山前傾斜平原，其成因為沖積、沖洪積和洪積，鉆孔揭露第四系厚約280 m;

古近系巖性主要為礫巖，鉆孔揭露本系厚約293 m。

1.1.2 古生界

二疊系主要巖性為長石石英砂巖、碳質頁巖，零星出露于盤古寺斷裂帶附近，厚度不詳；石炭系，主要巖性為團塊狀石灰?guī)r（含燧石）、粘土巖，零星分布于盤古寺斷層附近，厚度不詳；

奧陶系，巖性底部為頁巖、泥灰?guī)r，中下部為白云巖，上部為厚層狀灰?guī)r，主要發(fā)育奧陶系中統(tǒng)地層，分布于研究區(qū)北部，盤古寺斷層帶南部，五龍口斷層帶內(nèi)，厚約300 m;

寒武系，巖性自下而上分別為頁巖、白云巖，灰?guī)r，白云巖，分布于沁河兩岸及盤古寺斷斷裂帶內(nèi)，厚約660 m。

1.1.3 元古界

巖性主要為粉砂巖夾石英巖及砂巖、礫巖，底部為巨礫巖，分布于山口、白澗河溝口，厚0～40 m。

1.1.4 太古界

巖性為花崗巖、云母綠泥巖、角閃片巖等，分布于山口、白澗河溝口，呈條帶狀展布，厚約715 m。

1.2 地質構造

研究區(qū)處于新華夏系太行山隆起的南端與晉東南山字型構造東翼反射弧的前緣和東秦嶺緯向構造帶北緣相交聯(lián)合弧地帶，區(qū)內(nèi)發(fā)育的構造形跡多為燕山運動以來形成[區(qū)域構造單元位置屬于山西陸臺東南部。主要構造有盤古寺、五龍口斷裂帶；位于研究區(qū)北部的盤古寺斷裂帶，是區(qū)域性大斷層，為高角度的正斷層，次級斷裂發(fā)育，走向近EW，傾角50°～60°，斷層帶寬約600～900 m，斷距550～800 m，上升盤地層有太古界、元古界、寒武系，下降盤底層為寒武系、奧陶系；五龍口斷裂帶位于研究區(qū)的南部，同樣屬于區(qū)域性大斷裂，正斷層，次級斷裂發(fā)育，走向NEE，傾向SSE，傾角50°～55°，斷距>500 m（圖1）。區(qū)內(nèi)構造裂隙及巖溶發(fā)育，主要熱儲含水巖層為寒武-奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，巖性為灰?guī)r、碳酸鹽巖。

2 地熱地質條件

2.1 地熱區(qū)邊界條件

研究區(qū)南部邊界五龍口斷層帶（F17）上盤上部為第四系松散層，下部為古近系、二疊系砂巖、泥巖等隔水地層，下盤上部為第四系松散層，下部為寒武、奧陶系灰?guī)r及太古界片麻巖等含水巖層，由于斷層上盤巖性阻水，導致斷層兩側地下水無法發(fā)生水力聯(lián)系，因此將南部F17斷層概化為隔水邊界；北部盤古寺斷層（F3、F4）由于南北兩盤巖性差異，是阻水性質的斷層，屬于地熱區(qū)的隔水邊界；地熱流體從研究區(qū)西北向東南方向徑流，至區(qū)內(nèi)東部的白澗河作為排泄邊界，將西部沁河概化為定水頭邊界（參見圖1）。

2.2 熱儲埋藏條件及特征

根據(jù)地熱形成的地熱地質環(huán)境，我國地熱類型一般可分為3大類，分別是：斷裂深循環(huán)型（對流型）、沉積盆地型（傳導型）和近現(xiàn)代火山-巖漿巖型。根據(jù)地熱流體賦存空間的不同，地熱熱儲層一般分為層狀熱儲和帶狀熱儲。

由有效空隙度和滲透性的地層構成的熱儲是層狀熱儲，主要賦存在沉積盆地，熱量傳遞以傳導型為主，具有地層或儲層分布面積較大、產(chǎn)狀傾角較緩、地層沉積厚度大等特點；帶狀熱儲一般是指具有有效空隙和滲透性的斷裂帶構成的熱儲，通過深大斷裂溝通地殼淺部巖漿熱源，分布于隆起山地或山前地帶，以對流方式傳遞熱量，一般具有傾角大、空間上成條帶狀延伸的特點。本次工作區(qū)位于濟源—開封沉積盆地地熱田的西部，屬于斷裂深循環(huán)型（對流型）地熱，具有明顯帶狀裂隙熱儲特征。

2.2.1 蓋層

根據(jù)已有地質資料及研究區(qū)地熱開發(fā)現(xiàn)狀，區(qū)內(nèi)發(fā)育較厚的第四系粘性土和寒武系下統(tǒng)頁巖等不透水或弱透水巖層，覆蓋于主要熱儲層之上，形成良好的蓋層，使地熱流體在深部循環(huán)過程中獲得的熱量得以保存。

2.2.2 熱源

使地熱流體增溫的來源，有現(xiàn)代巖漿活動形成的巖漿體，也有來自地殼深部的熱傳導或活動性深大斷裂帶溝通地球深部熱源的熱對流。盤古寺斷裂帶、五龍口斷裂帶是多期次活動的深大斷裂帶，延伸遠，斷距大，一般斷達基巖底界。這些斷裂一直仍在活動，據(jù)河南地震臺資料顯示，2012年9月12日在研究區(qū)附近（北緯35.16°，東經(jīng)112.23°）發(fā)生2.9級地震[地熱地質資料，及物化探和鉆孔資料綜合分析，區(qū)內(nèi)熱儲層主要有3類，自下而上分別是太古界片麻巖裂隙熱儲層、寒武-奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲層、第四系松散巖類孔隙熱儲層。

2.2.3. 1 第四系熱儲層

整個研究區(qū)內(nèi)均分布有第四系松散巖類熱儲層，巖性為砂粘土互層和卵礫石，熱儲層在研究區(qū)北部埋深淺、厚度小，一般埋深在20 m左右，在白澗河沖洪積扇附近地帶埋深最大，最深處達200 m。本層熱儲為混合熱水，水溫25～40℃。

2.2.3. 2 寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲層

熱儲層位于第四系熱儲層之下，是研究區(qū)目前開發(fā)利用的主要熱儲層，主要分布于五龍口斷裂帶以北，F(xiàn)25斷層以西的交匯處，熱儲層頂板埋深15～150 m，底板埋深280～300 m。受地質構造影響，熱儲層裂隙及巖溶發(fā)育程度不均一，富水性差距大，地熱水富集在斷裂帶附近和裂隙巖溶發(fā)育程度大的部位。地熱流體以裂隙巖溶水為主，主要含水巖組為碳酸鹽巖夾碎屑巖類和巖溶類含水巖組，地熱流體溫度60℃≤T<90℃。

2.2.3. 3 太古界片麻巖熱儲層

該熱儲層地熱井出水溫度一般在90～120℃之間，是研究區(qū)所有熱儲層中地熱流體溫度最高的，地熱流體以裂隙水為主，含水巖組為碳酸鹽巖夾碎屑巖類含水巖組、變質巖裂隙類含水巖組。分布范圍與寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲層一致，位于五龍口斷層（F17）以北、F25斷層以西的山前地帶，富水性隨斷裂的發(fā)育程度呈現(xiàn)較強的不均一性。熱儲頂板埋深在300 m左右，由于該熱儲層埋深較大，目前地熱區(qū)內(nèi)地熱井與鉆孔深度<500 m，均未揭穿該熱儲層。

2.2.4 熱儲及地熱流體特征

2.2.4. 1 熱儲模型

研究區(qū)裂隙巖溶水在接受大氣降水入滲補給之后，沿盤古寺深大斷裂深部徑流，遇到深部熱源或受熱源影響的圍巖被加熱升溫，沿F21、F22等斷層向南徑流。徑流至F17、F25斷層交匯處附近，由于斷層上盤巖性阻水，地熱流體在靜水壓力作用下，沿斷層迎水面上升與太古界片麻巖、寒武-奧陶系碳酸鹽巖中冷水混合，形成中低溫熱儲區(qū)；與第四系松散巖類中冷水混合形成低溫熱儲區(qū)，總體屬于受斷裂構造控制呈帶狀分布的對流型中低溫地熱田（圖2）。

2.2.4. 2 地熱資源產(chǎn)能

研究區(qū)地熱屬于受斷裂構造控制呈帶狀分布的對流型中低溫地熱田，地熱資源是通過熱水資源的開發(fā)利用而實現(xiàn)的。利用“熱儲法”、“回采系數(shù)法”等方法計算地熱資源儲量、可采量。經(jīng)計算，濟源市盤古寺—五龍口斷裂帶地熱資源可開采量為4.8×1015 J，地熱流體可開采熱量為8.6×1014 J/a，地熱田產(chǎn)能為27.5 MW，屬中型地熱田。

依據(jù)研究區(qū)地熱井降壓試驗，第四系熱儲層地熱流體單位產(chǎn)量為28.11 m3/d·m，寒武-奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲層為483.35 m3/d·m，太古界片麻巖裂隙熱儲層為445.68 m3/d·m，目前開采的井深基本在200 m以上，地熱井流量均在50 m3/d·m以上，根據(jù)《地熱資源地質勘查規(guī)范》（GB 11615—2010)[化學特征及質量評價

對研究區(qū)內(nèi)3種熱儲層的地熱流體分別取樣化驗，分述地熱水化學類型及質量評價如下：

(1）第四系熱儲層，地熱流體水化學類型HCO3·SO4-Ca·Mg型，PH值7.7，溶解性總固體569 mg/l；該熱儲層地熱流體中鍶含量為0.61 mg/l，達到飲用天然礦泉水標準（國家標準≥0.2 mg/l[地下水在北部山區(qū)的盤古寺斷裂帶接受大氣降水、地表水補給，沿斷裂帶向東南徑流，經(jīng)深部循環(huán)遇熱源加熱，使地熱流體水溫變高，然后沿斷裂等通道向南徑流，在五龍口斷層（F17）處的迎水面匯集，形成了地熱區(qū)。

天然狀態(tài)下，以側向徑流的方式向下排泄，遇地熱井揭露并開發(fā)利用熱儲含水層，則受人為影響排出地表。根據(jù)區(qū)內(nèi)地熱井觀測，水位埋深范圍為30.7～12.87 m，主要受大氣降水量與地熱流體開采量綜合影響。

3 地熱成因分析

為分析研究區(qū)地熱成因，采集3種熱儲層地熱流體測試樣品各1組，做同位素化學特征分析，測試項目氘、18O。測試結果見表1。

4 地熱資源產(chǎn)業(yè)化研究及建議

地熱資源產(chǎn)業(yè)化是指參與地熱資源勘探、開發(fā)、應用等一系列過程活動的企事業(yè)單位集合體。地熱產(chǎn)業(yè)主要由地熱調(diào)查評價與監(jiān)測、地熱應用技術、地熱人才培養(yǎng)體系、地熱設備制造、地熱工程設計施工以及地熱環(huán)境管理等要素構成。

4.1 地熱資源勘查

研究區(qū)地層、構造和熱儲埋深基本查清，下一步的地熱資源勘查，根據(jù)地質條件選擇不同的鉆井工藝，實現(xiàn)高質量的快速鉆井是關鍵。目前已知3種類型的熱儲埋深較淺（300～500 m），屬于覆蓋層薄，地層堅硬、漏失的類型。

空氣潛孔錘鉆進技術是一種低鉆壓、低轉速、高沖擊破巖回轉的鉆進技術，與常規(guī)正循環(huán)泥漿鉆進相比，空氣潛孔錘鉆進效率高10～20倍，而且地層硬度越大，鉆效優(yōu)勢越明顯；另外空氣潛孔錘鉆進采用氣體作為鉆井介質，鉆井過程能始終保持井孔內(nèi)負壓狀態(tài)，能減少對含水層的損害，同時破碎的巖屑會被空氣由環(huán)空從井眼帶出，相當于邊鉆進邊洗井。

所以，在研究區(qū)采用空氣潛孔錘鉆進技術進行地熱資源勘查開發(fā)，是最佳選擇，可以解決鉆井效率低、熱儲污染、洗井困難等問題，實現(xiàn)綠色高效勘查開發(fā)目的。

4.2 地熱資源應用領域

第四系松散巖熱儲層地熱流體可作為飲用天然礦泉水進行開發(fā)利用；寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲與太古界片麻巖熱儲層地熱流體氟、偏硅酸含量均達到理療熱礦水指標，為氟硅復合型理療熱礦水，溫度>60℃，可用于供暖、地熱康養(yǎng)、溫泉度假、觀光農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)。

4.3 建議

(1）利用人工智能和深部鉆探技術，進一步查明500～1500 m深部高溫地熱資源，擴大該區(qū)的地熱資源量，當溫度≥150℃時優(yōu)先地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)。

(2）編制研究區(qū)地熱資源勘查開發(fā)利用規(guī)劃，對優(yōu)質地熱資源實行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一利用，實現(xiàn)資源的高效、持續(xù)、穩(wěn)定利用。

(3）針對地熱流體特點，采用供暖、康養(yǎng)、溫泉度假、溫室大棚梯級綜合利用，避免資源浪費。

5 結論

(1）研究區(qū)地熱屬于受斷裂構造控制呈帶狀分布的對流型中低溫地熱田。熱儲類型有3個，分別為第四系松散巖類孔隙熱儲、寒武-奧陶系裂隙巖溶熱儲和太古界片麻巖裂隙熱儲層。熱儲結構完整，控熱導熱斷裂、熱儲及蓋層齊全。

(2）經(jīng)地熱流體產(chǎn)能計算及開發(fā)經(jīng)濟性分析，研究區(qū)屬中型地熱田，為適宜開采區(qū)。

(3）不同熱儲層的地熱流體，可用于飲用天然礦泉水、供暖、理療康養(yǎng)、農(nóng)業(yè)等，應開展綜合梯級利用。