商丘市市区地热资源量计算评价

王晨旭，姚兰兰，张晓丽

（1.河南省地矿局第四地质勘察院，河南 郑州450001；2.河南省自然资源监测与国土整治院，河南 郑州450016；3.河南省地矿局第二地质矿产调查院，河南 郑州450001）

0 引言

随着城市化进程的加快和绿色发展战略的推进，利用深部地热进行集中供暖步入了快速发展阶段。商丘市位于河南省东部，地貌类型属黄河冲积平原，市域面积1 613.60 km2。地处豫鲁苏皖四省结合部的中心地带，地域平坦而开阔，土地、农业、能源等资源丰富，是四省商品集散地及区域商贸中心，有“豫东门户”之雅称。

1 地热资源开发利用现状

商丘市城区自20世纪70年代中期开始开发利用低温地热水资源。现有地热井125眼，深度在500 m左右，主要分布在城区160 km2范围内，井口出水温度25℃～34℃。目前，地热水年开采量保持在2×107m3以上（2001 年除外）。近20 年来，无序无节制的开采，使地热水水位快速下降：1993—1999 年7 a 间水位下降11.71 m，下降速率达1.67 m/a；地热水漏斗面积不断扩大，漏斗中心水位持续下降。2001年商丘市城区-10 m等水压线闭合圈的面积达197.20 km2，中心水位埋深66.39 m。

2 热储特征

商丘市城区地热田属覆盖沉积型层控地热田，主要分布在黄淮海平原的偏东南缘，为层状孔隙水，具一定的承压性。据地热井开采资料分析，已开采的热储层垂向深度埋藏于350～550 m，赋存于上第三系及第四系下更新统的冲洪积相地层之中。

2.1 热储层划分

依据埋藏条件、水力特征及开发利用状况，商丘市城区地热水含水层、隔热层特征见表1。

表1 工作区地热水热储层含水、隔热特征表

2.2 热储层渗流场特征

现状开采条件下，区内地热水水位、水量、水温动态相对稳定，动水位的变化多受开采量大小的制约，热储层的补、径、排条件及动态渗流场特征见表2。

表2 工作区热储层补径排条件、动态等渗流场特征表

3 地热资源量评价计算

3.1 热储概念模型的建立

根据区域地层及构造条件：热储层岩性均一、顶底板基本水平、厚度变化不大等基本条件，将其概化为均质、各向同性的承压热储层，补给源为遥远山区。故在开采条件下，区内热储层属非稳定的净储量消耗型。热储层地热水与区外同层地热水水力联系密切，而不同含水层间无明显水力联系，为一无越流补给（或排泄）的、水平方向上无限分布的承压热储层。

3.2 计算方法选取

地热资源量的计算方法目前有多种，如热储法、弹性储量法、均匀布井法等，每一种方法都有一定的适用条件。经计算，确定采用弹性储量法，主要是在结合商丘城区地层条件、含水岩组特性、热储特征、开采现状条件的基础上，该法考虑了弱隔水层的弹性给水率、厚度及水位下降值等，计算结果应较为切合实际。

3.3 弹性储量计算法

3.3.1 数学模型

式（1）中：Q弹—热储层弹性释水量（万m3）；S—热储层弹性给水率；S'—弱隔水层的弹性给水率；Mcp—热储层的平均有效厚度（m）；M'cp—弱隔水层的平均厚度（m）；F—计算区面积（m2）；Δh—区域水位（设计）下降值。

3.3.2 参数选取

①面积（F）：规划城区面积300 km2；②水位下降值（△h）：按90 m、110 m 2种水位下降值计算；③热储层弹性给水率（S）：根据实际非稳定流抽水试验及黄淮海、开封市区等地非稳定流抽水试验计算结果，取S=3×10-4；④弱隔水层的弹性给水率（S'）：取豫东平原供水报告中S'=1.81×10-4；⑤热储层平均有效厚度（Mcp）：取含水层平均厚度的80%，为41.32 m；⑥弱隔水层平均厚度（M'cp）：以商丘城区15 眼地热井资料及区域地层资料，选取M'cp=60 m。

3.3.3 计算结果

①地热水资源总量计算，按式（1）计算：Q弹·90m=（S·Mcp+S'·M'cp）·Δh·F=6.28×108m3。Q弹·110m=（S·Mcp+S'·M'cp）·Δh·F=7.67×108m3。

②可采资源量计算地热水消耗以弹性释水量为主，其计算公式为：

式（2）中：a—地热水可采系数，取75%；t—按30 a 开采期计算。

计算得：Q可采·降90m=1.57×107m3/a，Q可采·降110m=1.93×107m3/a。

3.4 开采潜力分析

商丘城区地热水开采层位主要在350～550 m，计算也以此段含水层为计算对象。以2020 年开采量1.71×107m3/a 为已采量，根据潜力指数计算公式：

式中字母含义同上。

根据（3）计算得：P90=0.92， P110=1.13。

依据潜力指数P值的判定标准：P>1.20有开采潜力，1.20≥P≥0.80采补平衡，P＜0.80潜力不足，已超采判定，目前商丘城区范围内的地热水开采已达到采补平衡。

根据商丘市1997—2020 年地热水开采量在2×107m3/a 以上,地热水水位持续下降，区内年地热水开采量控制在为1.71×107m3/a，地热水水位可保持相对稳定，地热开采基本达到采补平衡状态，应可作为当地地热资源开发利用规划的基础依据。

4 结语

商丘市城区地热田属覆盖沉积型层控地热田，为层状孔隙热储类型，地热水具一定的承压性，初步计算商丘市城区地热水可采资源量应控制在约1.50×107m3/a（降深90 m）、1.95×107m3/a（降深110 m），且350～550 m深度范围内的低温地热水资源的开采已达采补平衡，开采潜力不大。为更好地利用宝贵的地热水资源，建议应尽快制定商丘市地热水资源的开发利用规划，合理地开采地热水，同时建立地热水水位、水质、水量等动态的监测网，为科学管理地热水资源开发提供依据。应加大对岩溶热储地热水资源的勘探开发研究，寻找新的可供开发利用的地热水资源，以保证城市能源可持续开发利用。