乡宁县十里铺勘查区地热资源评价研究

陈建峰

(山西省水文水资源勘测总站，山西 太谷 030800)

1 勘查区地理地貌概况

1.1 地理位置

研究区位于乡宁县北中部，东经110°46′37″～110°51′58″，北纬35°56′55″～36°03′21″；东至拍凹、银匠庄、西坡一线，西至赵家坪、驮腰坡、内阳、柳阁原一线，北到樱桃角、梁家河一线，南到大石头、吉家原一线。行政区域隶属于昌宁镇、尉庄乡管辖，见图1。

1.2 气象水文

乡宁县属暖温带季风型大陆性干旱一半干旱气候。据乡宁县气象站1985-2017年气象资料：多年平均气温8.8℃。一月份最冷，平均气温-7.6℃，极端最低值-26.7℃；7月份最热，平均气温23.0℃，极端最高值40.2℃。多年平均降水量526.2 mm，最大年降水量767.4 mm(2003年)，最小年降水量310.9 mm(1997年)。全年集中降水量主要集中在6-9月份，占到全年降水量的82%。山区较黄土丘陵地区降水量相对较多。多年平均蒸发量1 692.7 mm，年最大蒸发量1 994.8 mm，月平均最高值256 mm。多年平均相对湿度56%。每年11月上中旬开始结冰至次年3月解冻，最大冻土深度75 cm，无霜期170 d左右。

区内河流属黄河流域鄂河水系。鄂河是黄河一级支流，从勘查区南部反帝村一带流入测区，大石头村一带流出测区，径流长约7.5 km，流向由北东向南西径流。鄂河发源于乡宁县管头高天山一带，流经管头、城关，至张马村折向西经乡宁与吉县交界附近的圭山村注入黄河，全长77.4 km， 流域面积625 km2，河床纵坡比降15.4‰。上世纪80年代前，鄂河清水流量为0.05～20 L/s，洪水流量一般300～500 m3/s，最大洪流2 454 m3/s(1936年)，最小洪流54 m3/s(1990年)。年清洪水径流总量7.2×107 m3，输沙量75万 t。本次工作在大石头村实测河流清水流量为0.067 m3/s。

1.3 地形地貌

勘查区位于鄂尔多斯盆地东缘晋西黄土高原，总的地势为北高南低，东高西低。地面标高920～1 398 m，最高点位于测区北部刘家圪塔西部的黄土塬顶，地面标高为1 398 m，最低点位于测区西南部大石头村鄂河河谷，地面标高890.0 m，相对高差508.0 m。区内沟壑纵横，冲沟发育。地貌类型可分为黄土残塬区、黄土梁峁区和山间河谷阶地区。

1.铁路；2.高速公路；3.国道；4.省级公路；5.县(乡镇)级公路；6.县(市)、乡(镇)、村庄；7.水系；8.工作区

2 勘查区水文地质特征分析

通过布设的孔深为2 008.87 m的 K1勘探孔对该区域水文地质条件进行勘察，地下水类型为埋藏型碳酸盐岩类岩溶水。主要含水层为奥陶系中统上、下马家沟组灰岩、白云质灰岩及寒武系中统张夏组鲕状灰岩，含水层之间的夹层泥灰岩及孔底徐庄组页岩为相对隔水层，奥陶系顶板埋深1 184.05 m，成井取水段为1 360.22～2 008.87 m，含水层厚度229.38 m，静水位埋深903.4 m，水位标高为450.1 m。抽水试验最大降深38.1 m，涌水量为554.34 m3/d。水质类型为SO4-Na·Ca型水，矿化度3 804.2 mg/L，井口水温41℃。

从K1孔抽水资料分析认为：乡宁十里铺一带单位涌水量为0.168 L/S·m，岩溶地下水富水性弱，岩溶裂隙差。水质类型为SO4型，且矿化度高，表明岩溶地下水沉积环境以还原环境为主，且水循环交替条件差，应是以深循环为主，且径流迟缓。钻探施工中1 184.05～1 576.43 m段及1 650～1 685 m孔段等破碎，溶孔发育，表明应是K1孔井水的主要地下来水通道。K1孔水位标高与区外乡宁县田家坡自来水公司5#水井水位标高，乡宁县管头永昌源煤气化焦煤公司水井水位标高对比分析(表1)得出：田家坡水位标高高出K1孔145余米，管头水位标高高出K1孔162 m。推测测区岩溶地下水流向应为由东北向西南径流。

表1 区域岩溶井资料对比表

3 勘查区热储层特征评价分析

3.1 地热井田边界

从区域地质、构造、水文地质条件及地热异常显示分析，区域上地热田范围西北部应以人祖山东麓一带兴县～石楼南北向褶皱带与关王庙北东向褶皱带分界为界；东北部以紫荆山山前断裂带为界；东南部以河底～管头断层、高家坡～金桥沟断层及下炭峪断层一线为界；西南部以黄河为界。范围内地质构造相近均以北东向褶皱构造为主，水文地质条件均为禹门口岩溶泉域补给径流区，勘探揭露的寒武、奥陶系热储热流体水质类型相近(表2)。勘查区内以褶皱为主，无大的断裂构造，地热地质条件相近，地热井田界限模糊，初步确定K1孔井田范围与勘查区范围相一致。属人为划定边界。即东至拍凹、银匠庄、西坡一线、南至大石头、吉家原一线；西至赵家坪、驮腰坡、内阳、柳阁原一线；北至樱桃角、梁家河一线。井田面积约90 km2。

表2 地热井资料对比表

3.2 热储埋深及特征

(1)热源：勘查区热源来自于地球核部。核部热流通过地壳岩层传导向地表散热，在适宜的保温盖层和地质条件下形成特定范围内的热储。据相关研究表明地核温度约6 000℃，炽热程度与太阳表面相近，热源在地球运动中每时每刻均在向地壳表部释放能量。

(2)热储：勘查区属传导自然增温型低温温热水资源。储热层为寒武系中、上统及奥陶系中、下统灰岩、白云岩、泥灰岩等，热储顶板埋深1 360.22 m，岩性为奥陶系上马家沟组灰岩，底板埋深为2 008.87 m，岩性为寒武系中统徐庄组页岩，热储层厚度229.38 m。顶板井温38.5℃，底板井温53.7℃，热流体水循环井口水温41℃。

(3)盖层：热储层上覆奥陶系中统上马家沟组顶部地层、中统峰峰组地层，石炭系中统本溪组、太原组地层，二叠系下统山西组、下石盒子组地层，上统上石盒子组、石千峰组地层，三叠系下统刘家沟组地层，第四系中更新统、上更新统地层为良好的保温盖层。岩层分布稳定，构造裂隙不发育，盖层总厚度1 360.22 m。

(4)地温梯度：对K1孔进行了物探简易测温工作，1 200 m时测温值为35.4℃，1 500 m时测温值为39.0℃，1 800 m时测温值为45.3℃，2 005.8 m时测温值为53.7℃。经测算分析，地热井的地温梯度为1.68℃/100m。其中1 600～1 700 m和1 900～1 950 m之间为低温 区间。受其影响地温梯度值偏低。K1孔测温成果见图2。分析认为低温异常的原因应与地下水补给有关，从低温区间来看1 600～1 700 m和1 900～1 950 m孔段正好是处于奥陶系下马家沟组地层主要含水层灰岩和寒武系张夏组主要含水层灰岩部位，是井中地下水来源的主要通道，受其影响降低了井温温度。

图2 K1孔测温曲线图

4 勘查区地热资源计算评价

4.1 热储主要参数

本地热井田位于枣园挠褶带下平层。侯家峁向斜部位，属于传导自然增温型低温温热水。盖层厚度1 360.22 m，岩性自上而下为第四系松散层、二叠系和石炭系砂页岩等；储热层主要为奥陶系中、下统及寒武系中、上统灰岩、白云岩、泥灰岩，厚度约229.38 m；勘查区外北东部高家坡断裂构造为导热通道，地热流体主要来自东部、东南部迳流补给，自北东向南西径流。分析本地热田热储范围较广，边界线模糊，故以勘查区边界作为本次储量计算边界，总面积约90 km2。K1勘探孔孔深2 008.87 m，含水层厚度229.38 m，取水段孔径155 mm，水位埋深903.4 m，水位标高450.1 m。进行抽水试验结果可知：最大降深38.1 m，涌水量554.34 m3/d，单位涌水量0.168 L/s·m；次降深29.6 m，涌水量432.17 m3/d，单位涌水量0.169 L/s·m；最小降深18.6 m，涌水量271.99 m3/d，单位涌水量0.169 L/s·m。K1勘探孔抽水试验Q-S曲线见图3。

依据水文地质手册，抽水试验Q～s曲线为直线型时，推算最大涌水量不能超过抽水试验最大降深的1.5倍，推算本地热井最大降深57.2 m时，单井最大涌水量为831.5 m3/d，按开采100 a、消耗15%左右地热储量，采用(1)式估算地热井开采对热储的影响半径(R)，采用稳定流裘布依公式(2)求取储热含水层的渗透系数(K)：

(1)

(2)

式中：Q为地热井产量，单位(m3/d)； R为地热井开采100 a排出热量对热储的影响半径，单位(m)；K为渗透系数，单位(m/d)；H为热储层厚度，单位(m)；取229.38 m；m为含水层厚度，单位(m)，为229.38 m；r为抽水井半径，单位(m), 取0.077 5 m；s为水位降深，单位(m), 为57.2 m；f为水比热/热储岩石比热的比值，查表求得4.545。

将各参数代入公式(1)、(2)得：R=1 129.94 m、K=0.096 58 m/d。

图3 K1勘探孔抽水试验Q-S曲线图

4.2 地热资源量计算分析

4.2.1 单井计算

1)K1地热井可采热水量

K1地热井可采量为831.5 m3/d，年可采热水量为：831.5×365=3.03×105(m3)

2)K1地热井产热量

按式(3)计算地热井的热量

Wt=4.186 8Q(t-t0)

(3)

式中：Wt为热功率，单位为千瓦(kw)；Q为地热流体可开采量，单位为升/秒(L/s)，为9.62 L/s；t为地热井出口温度，这里取41℃；t0为当地年平均气温，这里取8.8℃。

将上述数据代入公式(3)，计算的热功率为：Wt=4.186 8×9.62×(41-8.8)=1 296.92 kw

3)K1地热井年可利用热能

地热井年开采累计可利用的热能按公式(4)计算：

ΣWt=86.4DWt/k

(4)

式中：ΣWt为开采一年可利用的热能，单位为兆焦(MJ)；D为全年开采日数，单位为天(d)，按半年计，取180 d；Wt为热功率取1 296.92 kw；K为热效比，按燃煤锅炉的热效率0.6计算。

将上述数据代入公式(4)，则计算的热能为：

ΣWt=86.4×180×1 296.92÷0.6=33.62×106 MJ

4.2.2 勘查区范围计算

工作区处于预可行性勘查阶段，结合资料具备情况，采用热储法进行计算，计算公式如下：

Q=Qr+Qw

Qr=AdρrCr(1-φ)(tr-t0)

Qw=QLCwρw(tr-t0)

(5)

QL=Q1+Q2

Q1=Aφd

Q2=AμeH

S=Km

式中：Q为热储中储存的热量，单位为J；Qr为岩石中储存的热量，单位为J；Qw为水中储存的热量，单位为J；QL为热储中储存的水量，单位为m3；Q1为截止到计算时时刻，热储孔隙中热水的静储量，单位为m3；Q2为水位降低到目前取水能力极限深度时热储所释放的水量，单位为m3；A为计算区面积，为90 000 000 m2；d为热储层厚度，为229.38 m；ρr、ρw分别为热储岩石密度和水的密度，分别为2 700 kg/m3和1 000 kg/m3；Cr、Cw分别为热储岩石比热和水的水热，分别为920 kg/m3J/kg·℃和4 180 kg/m3J/kg·℃；φ为热储岩石的空隙度，无量纲；平均值为2.33%；Tr为热储温度，为41℃；T0为当地年平均气温，为8.8℃；μe为含水层弹性释水系数，S为导水系数，无量纲；H为计算起点以上高度，按地热井推算最大降深57.2 m计；K为渗透系数，计算求得为0.096 58 m/d；m为含水层厚度，为229.38 m；

将上述数据代入公式(5)，则计算求得地热田中储存的热量为1.695 5×1012MJ(表3)。

表3 地热田中储存的热量计算结果表

表4 地热资源分级表

4.2.3 地热流体可开采资源计算

根据地热资源计算结果，K1孔单井年可采热水量3.03×105m3，可利用热量33.62×106MJ，折合标准煤1147.14 t热量；勘查区约90 km2储存热量为1.695 5×1012MJ，折合标准煤5 785.02万 t的热量。勘查区热储层埋藏深度1 360.22 m，钻探深度、开采深度均小于3 000 m，地热流体单位产量为14.5 m3/d·m，按GB/T11615-2010《地热资源地质勘查规范》，地热田属于中浅埋藏、经济较适宜型地热资源。地热井出水温度41℃按地热资源分级见表4，属于“低温温热水资源”。地热田可利用热量按规范表5，地热田规模属于“中型”。

表5 地热田规模划分表

5 结语

十里铺一带地热资源分析与计算，地热田单井年可采热水量3.03×105m3，可利用热量33.62×106MJ，折合标准煤1 147.14 t热量；勘查区储存热量为1.695 5×1012MJ，折合标准煤5 785.02万t的热量。地热资源属于低温温热水资源，地热田规模属中型，地热开发利用属经济较适宜型。