郑州市郑东新区深部地热资源研究

李海林

(河南省水文地质工程地质勘察院，河南 郑州 450045)

郑州市地处中原，位于河南省中部，为河南省省会。北临黄河，西依嵩山。京广、陇海两大铁路及京珠、连霍两大高速公路在此交汇，县乡公路四通八达，加上新郑薛店国际机场，构成了现代化的立体交通网络，交通非常便利，是我国重要的交通枢纽之一。

郑东新区位于郑州市东部，地处黄河冲积平原中上游，地形较平坦，地面高程82～107 m。属暖温带半湿润气候，四季分明，春季干旱风沙多，夏季炎热雨集中，秋高气爽日照长，冬季寒冷雨雪少为其主要特征。

1 地热能资源赋存条件

郑东新区沉积盆地型地热盖层分布稳定，厚度大，有利于地热资源的富集与储存。根据地热地质条件，结合目前地热井开采深度，区内热储划分了三个热储层:第一深层热储层、第二深层热储层、第三深层热储层。

1.1 第一深层地热能资源赋存条件与特征

1.1.1 赋存条件与热储特征

第一深层地热能资源是指埋藏深度320～850 m的地热能资源。分布于郑东新区的广大地区。热储层主要为新近系上新统(明化镇组)下段和中新统(馆陶组)上、中段湖积地层，其顶板埋深一般在320 m左右，底板埋深850 m。盖层为第四系及新近系粘性土层。热储层岩性以中细砂为主，下部微胶结，总厚度24.3～226.3 m，平均厚 155.3 m。渗透系数 0.49 ～ 2.64 m/d，平均1.456 m/d;导水系数35.2 ～273 m2/d，平均141 m2/d;平均压力传导系数4.1×104m2/d;弹性释水系数3×10－3－7～3.8×10－3，平均3.44×10－3;单位涌水量1～3m3/h·m。一般井口水温25℃～39℃。水化学类型主要为HCO3—Na型，局部为HCO3·SO4—Na型、HCO3—Ca型，矿化度 500 ～700 mg/L，pH 值 7.2 ～8.56，H2SiO3含量25.99 ～45.06 mg/L，Sr含量为0.21 ～1.03 mg/L。

1.1.2 富水程度

按单井实际生产能力计算涌水量，该热储层富水程度划分为富水区、中等富水区和弱富水区。

1)富水区

主要分布于西北部的毛庄东、弓庄一带，面积14.87 km2。热储层顶板埋深300～400 m，岩性在南部和西北部颗粒较粗，为粗砂、中粗砂和中细砂，局部为小砾石。区内共有7～11层，厚86.16～140 m。单层砂层最大厚度为33 m，最小厚度仅3 m。涌水量大于100 m3/h，降深9.3～32 m。

2)中等富水区

区内面积104.14 km2。含水层顶板埋深348～529.3 m，含水层岩性以中细砂为主，西部和东北部含小砾石，局部为细砂，共有7～9层，总厚度80～101.8 m，单层最大厚度为42.5m，最小厚度为 3m。涌水量 100～50 m3/h，降深 12.83～33.65 m。

3)弱富水区

分布于西部的凤凰台、燕庄东、龙湖西区一带，面积14.70 km2。含水层顶板埋深403～539.45 m，岩性为中细砂和细砂，共有6～9层，总厚72.1～100 m。单层最大厚度53 m，最小厚度 3 m。涌水量小于 50 m3/h，降深 31.86～65.73 m。

1.2 第二深层地热能资源赋存条件与特征

该热储是指埋藏深度在850～1 200 m以内，井口水温40℃～48℃的新近系热储。由于受地质构造的严格控制，该热储层主要分布在须水断层以北地区。总面积112.95 km2。埋深850 m以深的地下水补给来源为上游侧向径流补给，总体由西南向东北方向径流，主要排泄方式为人工开采。

1.2.1 赋存条件与热储特征

该热储的埋藏深度850～1 200 m。热储层为新近系馆陶组下段湖相沉积物，岩性以细砂、中细砂为主，夹有粉细砂层。多由钙质胶结或半胶结，呈半成岩状态，顶板埋深850 m左右，局部小于850 m。共8～10层，单层厚14～18 m，最厚可达67.82 m，最薄的仅有3.5m，总厚度 86～187 m。导水系数17.32～33.0 m2/d，平均25 m2/d;压力传导系数平均为2.78×104m2/d;弹性释水系数平均为 8.99 ×10－4;单位涌水量一般小于1.0 m3/h·m，多数在 0.5 m3/h·m，局部(老鸦陈 ～柳林一带)大于1.0 m3/h·m。井口水温40℃ ～48℃。水化学类型主要为 HCO3—Na型，个别为 HCO3·SO4—Na型，矿化度 600～900 mg/L，最高可达 1 281 mg/L，pH 值 7.4～8.3，H2SiO3含量 25 ～30 mg/l，Sr含量为 0.2 ～0.3 mg/L。盖层为新近系明化镇组、馆陶组中上段粘土层、各级别砂层和第四系粉质粘土、砂层。

1.2.2 富水程度

按单井生产能力计算涌水量，该热储层组富水程度分为富水区和中等富水区。

1)富水区(大于30 m3/h)

主要分布于西北部，面积12.15 km2。热储岩性主要为中细砂、细砂，局部为中粗砂夹砾石，共 8～11层，总厚度79～122 m，

涌水量大于30 m3/h，降深32～47 m。

2)中等富水区(30～10 m3/h)

广布全区，面积100.80 km2。含水层组岩性为中细砂、细砂、中粗砂、粉细砂，局部含小砾石，共有6～8层，局部达10层之多，单层最大厚度37 m，最小厚度2.5 m。总厚度83.35～165.6 m。涌水量30 ～10 m3/h。降深28.8 ～132.6 m。

1.3 第三深层地热能资源赋存条件与特征

1.3.1 赋存条件与热储特征

指埋藏深度1 200 m—基岩顶板的承压水。含水层顶板埋深1 200 m左右，底板埋深采用以下方法确定:由于该区底板埋深变化较大，且郑东新区面积较小，故采用加权平均法近视计算求得平均底板埋深为2 000 m，热储岩性以粉细砂为主，少量中砂。盖层为新近系明化镇组、馆陶组粘土层。据区外邻近的1600m深孔资料:单井涌水量50 m3/h，井口水温56℃，单位涌水量0.83 m3/h·m，降深60m。水化学类型为 HCO3—Na型水，矿化度720 ～900 mg/L，pH 值7.8 ～8.0，总硬度30.0～33 mg/l(CO3Ca)，第三深层热储层地温梯度为2.93℃ /100 m。

1.3.2 富水程度

据邻近孔资料:按单井生产能力计算涌水量，该热储层富水程度为强富水区，涌水量大于50m3/h，面积112.95 km2。

2 深部地热能资源计算

2.1 地热资源计算及评价原则

(1)郑东新区地热资源属低温地热资源，分为温水型和温热水型，地热能的开发利用是通过热水资源的开发利用来实现的。因此，地热资源计算包括热储中的储存热量、储存地热流体量、地热流体可开采量及其可利用的热能量。主要以新近系热储层为评价对象。

(2)本区地热水资源埋藏深、补给缓慢、评估范围大，在计算时考虑将地下热水资源视为基本上不可再生的资源。因此，在评价中考虑地热流体容积储存量和弹性储存量。

(3)结合热储层的实际情况，规定沉积盆地型热储层计算深度下限为基岩顶板，对在此深度内的新近系热储层地热资源进行统计计算。

2.2 热储概念模型

据钻探资料，各热储层岩性较均一，第一深层热储和第二深层热储岩性为细砂或细中砂，第三深层热储岩性以粉细砂为主，少量中砂，顶板基本水平、底板向东北方向倾斜，厚度变化较大;地下热水径流缓慢;第一深层热储地下热水和区外同层地下热水水力联系密切，第二深层热储地下热水在西边界、南边界与同深度热水水力联系较弱，其它边界水力联系密切;第二深层和第一深层、第三深层地下热水水力联系较弱。因此第一深层热储层概化为四周边界为郑东新区边界，均为透水边界，无越流补给，水平方向无限分布，均质各向同性的热储层。第二深层热储层、第三深层热储层概化为南部边界为须水断层，隔水边界，其余边界为郑东新区边界，为透水边界，无越流补给，水平方向无限分布，均质各向同性的热储层。

根据上述模型概化，将深层地热资源计算划分为三个计算层。热储层结构与分布特征值统计见表1。

表1 热储概念模型特征表

2.3 计算方法及参数选取

2.3.1 计算方法的选择

依据热储类型、热储结构特征以及在此基础上建立的热储概念模型，采用“热储法”计算地热各热储层赋存的地热储量和地热流体储量;采用“最大允许降深法”估算地热流体可采资源量，其中按单井可采量开采100年所消耗的地热流体储存量。

2.3.2 计算参数的选择

采用上述方法进行计算所需参数主要有:热储几何参数、热储物理性质参数、热储渗透性和贮存能力参数等。根据地热地质条件及开发利用情况，参考《地热资源评价方法》(DZ40—85)，综合确定计算所需参数。

2.4 地热资源和地热水资源储量计算

根据地热地质条件，选用热储法进行计算。

计算公式:

式中:Qr为地热资源储量，J;QR为地热水资源储量，J;A为热储面积，m2;d为热储平均有效厚度，m;Pr为热储介质平均密度，kg/m3;Cr为热储介质平均比热，J/kg·℃;Pw为地热水密度，kg/m3;Cw为地热水比热，J/kg·℃;φ为热储介质平均孔隙度;tr为热储平均温度，℃;t0为恒温带温度，℃。

计算结果:郑东新区地热资源储量:第一深层热储层为1.76 ×1018J，第二深层热储层为 2.29 ×1018J，第三深层热储层为2.04×1018J，合计6.09×1018J;地热流体资源储量:第一深层热储层为1.36×1018J，第二深层热储层为1.79×1018J，第三深层热储层为 1.24 ×1018J，合计 4.39 × 1018J。

2.5 地热流体弹性储量计算

区内热储平均有效含水岩层厚度:第一深层热储层155.3 m，第二深层热储层136.5 m，第三深层热储层150 m;平均区域水头下降第一深层热储层20 m、第二深层热储层100 m、第三深层热储层100 m，计算地热流体弹性储量。

式中:QC为弹性储量，m3;A为热储面积，m2;△h为热储压力降，m;Ss为有效含水岩层弹性释放系数，m－1;d为有效含水岩层厚度，m。

经计算，区内地热流体弹性储量第一深层热储层为1.43×109m3，第二深层热储层为1.39×109m3，第三深层热储层6.95 ×108m3，合计为 3.52 ×109m3。

2.6 地热水可采资源量

采用“最大允许降深法”计算，拟定开采年限30年，第一热储层、第二热储层、第三热储层区域水头下降分别为20 m、100 m、100 m。

式中:QWH为地热水可采资源量，J;N为布井数;Q为单井流量，m3/d;P为开采年限，d。

其它符号同前。

计算结果:区内30年地热流体可采资源量第一热储层、第二热储层、第三热储层分别为 1.45×108m3、4.73×107m3、1.18 ×108m3，合计 3.10 × 108m3;含热量第一热储层、第二热储层、第三热储层分别为 9.68 ×1015J、5.55 ×1015J、1.93×1016合计3.45×1016J;折合电能第一热储层、第二热储层、第三热储层分别为 10.24MW、5.87MW、20.43MW，合计36.54MW;折合煤第一热储层、第二热储层、第三热储层分别为 3.29 ×108kg、1.89 ×108kg、6.6 ×108kg标准煤，合计1.18×109kg标准煤。

3 地热流体评价

3.1 医疗热矿水评价

根据《医疗热矿水水质标准》(GB11615—89)的规定指标，结合地热水水质分析资料，郑东新区地热水中偏硼酸、氟含量局部达到了有医疗价值浓度的标准，偏硅酸含量达到了矿水浓度标准，并且地热水温度均大于25℃，具有一定的医疗效果。

3.2 饮用热矿水评价

根据《饮用天然矿泉水》(GB8537－1995)，区内地热水中锶含量和偏硅酸含量达到了饮用天然矿泉水标准中规定含量的指标。各限量指标除个别井中氟化物超标外均符合规定，污染物除少数井中亚硝酸盐超标外均满足要求，微生物指标符合规定。

3.3 饮用水评价

根据《生活饮用水标准》(GB5749—2006)，对地热水进行生活饮用水评价:第一深层热水除pH值和铁个别点超标外，其余测试指标均符合《生活饮用水标准》(GB5749—2006);第二深层热水除pH值和SO42－、Cl－、溶解性总固体个别点超标外，其余测试指标均符合《生活饮用水标准》(GB5749—2006);第三深层热水除铁个别点超标外，其余测试指标均符合《生活饮用水标准》(GB5749—2006)。

3.4 农业灌溉用水评价

根据《农田灌溉水质标准》(GB5084－92)，结合水质分析资料，第一热储层地热水除部分井温较高外，其它成分均符合农业灌溉用水标准;而第二热储层地热水中超标的项目有水温、全盐量、氯化物、硒，其它均不超标，符合农业灌溉用水标准。

4 地热资源开发利用及保护

4.1 加强地热资源保护

根据郑东新区地热资源分布及开发利用情况，将郑东新区地热资源保护分区划分为一般保护区、鼓励开发区。

1)一般保护区

主要分布于西部地带。由于开采量大，开采强烈，在西部地带已形成降落漏斗，将这一区域划为深层热储适度开发一般保护区。这一区域要注意井距控制，可适度增加开采量。

2)鼓励开发区

区内第三热储层资源丰富，有极大的潜力。目前，郑东新区第三热储层刚刚起步，各单位应结合自身条件，开发利用这一热储层。政府部门应鼓励各单位向深部开采热水。

4.2 加强地下热水动态监测工作

目前，对郑州各热储层地下水动态监测已开展多年，但监测井点密度，监测项目均选定均不尽合理，甚至个别单位禁止监测的现象时有发生。只有加强对各地热田内各热储层水位、水温、水质监测，才能掌握各热储层变化，只有加大监测投入力度，才能加密监测网点，提高监测质量，为地热资源开发管理与保护，提供更加充实的监测资料。

5 结论及建议

5.1 结论

根据地热地质条件，分别建立了热储概念模型，采用“热储法”计算地热各热储层地热资源储量和地热流体资源储量;采用“最大允许降深法”估算地热流体可采资源量。第一深层热储层为1.76×1018J，第二深层热储层为2.29×1018J，第三深层热储层为2.04×1018J，合计6.09×1018J;地热流体资源储量:第一深层热储层为1.36×1018J，第二深层热储层为 1.79 ×1018J，第三深层热储层为 1.24 × 1018J，合计 4.39×1018J。

区内地热流体可采资源量第一热储层、第二热储层、第三热储层分别 为 1.45 ×108m3、4.73 ×107m3、1.18 ×108m3，合计3.10×108m3;含热量第一热储层、第二热储层、第三热储层分别为 9.68 ×1015J、5.55 ×1015J、1.93 ×1016合计3.45×1016J;折合电能第一热储层、第二热储层、第三热储层分别为10.24MW、5.87MW、20.43MW，合计 36.54MW;折合煤第一热储层、第二热储层、第三热储层分别为3.29×108kg、1.89 ×108kg、6.6 ×108kg标准煤，合计 1.18 ×109kg标准煤。

对区内地热水进行了地热流体质量评价。该地热水偏硼酸、氟含量局部达到了有医疗价值浓度的标准，偏硅酸含量达到了矿水浓度标准，并且地下热水温度均大于25℃，具有一定的医疗效果;锶含量和偏硅酸含量达到了饮用天然矿泉水标准中规定含量的指标，各限量指标除个别井中氟化物超标外均符合规定，污染物除少数井中亚硝酸盐超标外均满足要求，微生物指标符合规定;该地热水除少数成份超标外，可以直接饮用;第一热储层地热水除部分井温较高、硼局部超标外，其它成分均符合农业灌溉用水标准;第二热储层地热水中超标的项目有水温、全盐量、氯化物、硒、硼，其它均不超标，考虑超标因素，不易直接进行农业灌溉;地下热水水质总体符合渔业用水水质标准，适合用热水养鱼;地热水水质总体符合渔业用水水质标准，适合用热水养鱼;区内第一、第二、第三深层热储层地热水均为沉淀物较少、软硬垢、起泡、非腐蚀性水。

5.2 建议

(1)加强地热能资源动态监测体系建设，建立地热资源信息化管理系统，提高地热资源的管理水平。

(2)努力提高地热资源的综合利用，建立地热能资源的梯级开发利用工作，积极推广热泵技术，节能减排，提高地热能资源的附加值。

(3)加强地热资源的基础研究工作，积极进行更深层地热资源的勘探和研究工作。以利于地热资源的开发利用与保护。

［1］赵云章，朱中道，王继华，等.河南省地下水资源与环境［M］.北京:中国大地出版社，2004.

［2］张德祯.更新观念调整方向促进我省地热能资源开发产业又好又快发展［J］.河南矿业，2007，71:11 －14.

［3］河南省地质局水管处、科技处.河南省地热资源调查研究报告，1981.

［4］中华人民共和国地质矿产部.地热资源评价方法(DZ40～85)，1986.

［5］河南省地勘局第一水文地质工程地质队.郑州市东区地热资源研究评价报告，2001.