孫振添　何鐵柱　牛升晟

摘 要：為推動延慶三里河地區(qū)的清潔可再生能源規(guī)劃及地熱資源綜合可持續(xù)利用，查清區(qū)域內(nèi)地熱賦存條件。本文以研究區(qū)內(nèi)成功鉆鑿的多眼地熱井的實鉆編錄、記錄和測溫等資料為基礎，對其地熱地質(zhì)條件和熱儲結(jié)構(gòu)特征進行了研究分析，并采用熱儲法計算了區(qū)域內(nèi)的地熱資源儲量和可開采資源量。結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)展布的多條深大斷裂為熱儲提供了較好的導熱導水通道，區(qū)內(nèi)薊縣系霧迷山組為主要熱儲，其賦存的地熱資源儲量為8.27×1018J，地熱水資源量為25.37×107m3，地熱水中的熱量為5.19×1016J，為該地區(qū)今后的地熱資源開發(fā)利用提供了數(shù)據(jù)基礎。

關鍵詞：延慶;熱儲結(jié)構(gòu);地熱資源儲量;可開采資源量;熱儲法;開發(fā)利用

中圖分類號：P314? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0037-06

Abstract： In order to promote sustainable utilization of geothermal resources， a kind of clean and renewable energy， it is necessary to ascertain the occurrence conditions of geothermal resources. Based on the logging， recording and temperature measurement data from the geothermal wells in Sanlihe area of Yanqing District， Beijing， this article has analyzed the geothermal and geological conditions， characteristics of geothermal reservoir structure， and calculated the corresponding geothermal reserves and recoverable resources by finite element reservoir volume method. The result indicates that multiple deep faults provide the favorable channel for geothermal fluids in this area， and Wumishan Formation of Jixian System is the main geothermal reservoir， with the geothermal reserves of 8.27×1018J， water volumes of 25.37×107m3， heat in geothermal water of 5.19×1016J. These data can provide base for the future exploitation and utilization of geothermal resources in this area.

Keywords： Sanlihe area of Yanqing District; Structure of geothermal reservoir; Geothermal reserves; Recoverable resources; Geothermal reservoir method; Exploitation and utilization

0 引言

近年來，延慶區(qū)正在積極創(chuàng)建“綠色北京示范區(qū)”和“全國領先的生態(tài)文明示范區(qū)”，通過出臺一系列相關規(guī)劃政策，明確提出了具體的清潔能源發(fā)展目標。在清潔能源中，地熱能源比化石能源具有清潔、可再生等不可比擬的優(yōu)勢，同時具有區(qū)域?qū)偬匦裕虼嗽诒本┑貐^(qū)開展地熱能的資源勘查和開發(fā)利用具有重要的意義。延慶地熱田是北京已劃定的十大熱田之一，蘊藏著比較豐富的地熱資源（北京市國土資源局，2006），但目前主要以單井開發(fā)利用評價為主，尚未對區(qū)域內(nèi)的地熱資源賦存條件進行系統(tǒng)的整理分析。

為查清延慶區(qū)三里河地區(qū)的地熱資源賦存條件，本文以區(qū)內(nèi)成功鉆鑿的多眼地熱井的實鉆編錄、記錄和測溫等資料為基礎，對其地熱地質(zhì)條件和熱儲結(jié)構(gòu)特征進行了研究分析，并采用熱儲法計算了區(qū)域內(nèi)的地熱資源儲量和可開采資源量，詳細探究了區(qū)內(nèi)地熱地質(zhì)的特征，為今后該地區(qū)的地熱資源開發(fā)利用提供了較強的理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

三里河地區(qū)所處地質(zhì)構(gòu)造單元為延慶新斷陷中部。延慶新斷陷是隸屬于中朝準地臺（Ⅰ級構(gòu)造單元）燕山臺褶帶（Ⅱ級構(gòu)造單元）密云懷來中隆斷（Ⅲ級構(gòu)造單元）的兩個Ⅳ級構(gòu)造單元。研究區(qū)內(nèi)新生界以第四系為主，巖性多為松散的沖積洪積物，顆粒較大，且厚度變化較大（丁連靖等，2007;丁連靖等，2014）。

研究區(qū)內(nèi)新生界基底以白堊系、侏羅系為主，四周山區(qū)有大面積出露。地層從老到新發(fā)育有：太古界密云群、上元古界長城系、薊縣系霧迷山組、中生界侏羅系、白堊系和新生界第四系，地層組合較為簡單（北京區(qū)域地質(zhì)志，1991）;巖漿巖在研究區(qū)內(nèi)有大面積出露。

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造復雜，以北東向和近南北向構(gòu)造為主（圖1），其中北東向的斷裂規(guī)模相對較大，且均為正斷層。北西向斷裂依次發(fā)育有：康莊-沈家營斷裂（F1）、西桑園-谷家營斷裂（F2）及五里營-古城斷裂（F3），它們形成于燕山期，至喜山期異?；钴S，控制了延慶盆地的總體形態(tài);南北向斷裂依次發(fā)育有靳家堡斷裂（F4）和古城-蘇莊斷裂（F5）（牛升晟，2013），與北東向斷裂共同作用，形成了延慶盆地現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

1.2 區(qū)域內(nèi)地熱資源開發(fā)現(xiàn)狀

1994年，鉆探成功“新延熱-1”井（水溫52.5℃、水量1829m3/d），揭露了該地區(qū)基本地層層序和對應厚度，使人們對延慶地區(qū)地熱地質(zhì)條件有了初步的認識。隨后施工的小魯莊地熱井鉆遇了花崗巖體，表明該地區(qū)地質(zhì)條件相對復雜。2002年開展了延慶區(qū)平原區(qū)地熱普查工作，在其指導下相繼鉆探成延熱-2、延熱-4、延熱-2灌、延熱灌-2（水溫65℃～70℃、水量2200～3300m3/d）和延熱-5地熱井（北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，2002），深化了人們對該區(qū)地熱地質(zhì)條件的認識，使得該地區(qū)的地熱勘查和開發(fā)進入了一個新的階段。

目前，研究區(qū)及周邊已知地熱井有新延熱-1、延熱-2、延熱-2灌、延熱灌-2、延熱灌-3、小魯莊地熱井、延熱-4、延熱-5和延熱-6井。其中小魯莊和新延熱-1井位于靳家堡斷裂西側(cè)，而延熱-5井離研究區(qū)較遠，各井揭露地層、出水量、出水溫等參數(shù)見表1。

2 地熱地質(zhì)條件

研究區(qū)劃分為四個構(gòu)造單元，包括西白廟-三里河凹陷、五里營凸起、東卓家營凹陷和西桑園-八里店單斜帶。其中，五里營凸起北側(cè)以黃柏寺斷裂為界，東臨靳家堡斷裂，南側(cè)以五里營-古城斷裂為界并與西白廟-三里河凹陷相接;西白廟-三里河凹陷的西北側(cè)以五里營-古城斷裂為界，東側(cè)以靳家堡斷裂為界并與東卓家營凹陷連接，南側(cè)則為西桑園-谷家營斷裂;西桑園-八里莊單斜帶北臨西桑園-谷家營斷裂，東臨古城-蘇莊斷裂，西側(cè)為靳家堡斷裂，南側(cè)則為康莊-沈家營斷裂;卓家營凹陷則被靳家堡斷裂、五里營-古城斷裂和西桑園-谷家營斷裂包圍（圖1）（北京市地質(zhì)研究所，1995）。

東卓家營凹陷內(nèi)主要分布有延熱-5、延熱-6和延熱灌-3井。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料并結(jié)合實鉆地質(zhì)資料分析，區(qū)內(nèi)第四系埋深由南西到北東逐漸加深，從570m至1200m，凹陷中心可能位于東卓家營附近，而薊縣系霧迷山組頂板埋深從南邊的2000m向北部逐漸加深至2400m。

延熱-2、延熱-2灌、延熱-4和延熱灌-2地熱井分布于西桑園-八里店單斜帶內(nèi)。區(qū)內(nèi)第四系厚度約為530～560m，下伏地層為白堊系和侏羅系，薊縣系頂板埋深在1500～1600m左右。高精度磁測資料顯示，在廣積屯東側(cè)有一橢圓形狀磁力高值異常，推測為花崗巖體。延熱-2灌井和延熱2井的實鉆資料則顯示在1400～1590m有石英正長斑巖巖脈和閃長玢巖巖脈，這也驗證了區(qū)內(nèi)深部存在著侵入巖體。

西白廟-三里河凹陷內(nèi)的新延熱-1井鉆遇第四系厚為580m，在1397m鉆遇薊縣系，且至2006m處未穿;根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及該井資料的綜合分析，區(qū)內(nèi)薊縣系頂板埋深在1400～2000m之間，最深處位于西白廟一帶。

慶2和小魯莊地熱井揭示了五里營凸起內(nèi)的第四系厚度在300～900m之間，薊縣系頂板埋深在500～1000m之間，且從西南到東北逐漸加深，最淺處在五里營一帶。

3 熱儲結(jié)構(gòu)特征

延慶地熱田屬于沉積盆地型低溫（小于90℃）地熱類型，主要靠地層增溫聚熱（丁連靖等，2007）。

（1）導熱導水通道

研究區(qū)北東部的佛峪口-黃柏寺斷裂是一條燕山期形成的規(guī)模較大、走向多變的張性大斷裂，與北東走向的五里營-古城斷裂共同控制了延慶盆地的北部邊界;南部的康莊-沈家營斷裂控制著盆地的南側(cè)邊界;而研究區(qū)中部則發(fā)育有西桑園-谷家營斷裂。南北向的古城-蘇莊斷裂、靳家堡斷裂在一定深度上與上述4條大斷裂交匯，形成良好的縱橫交錯熱通道網(wǎng)絡（丁連靖等，2007）。區(qū)內(nèi)已鉆探成功的地熱井的出水量及出水溫度均較理想，說明上述斷裂是地下熱能向上運移的良好通道。

（2）熱儲蓋層

研究區(qū)內(nèi)熱儲蓋層為第四系、白堊系、白堊系和侏羅系（李春昱，2004），地層巖性致密、厚度大，隔熱、隔水性能好，是比較好的熱儲蓋層。

（3）熱儲

研究區(qū)內(nèi)熱儲為薊縣系霧迷山組，地層巖性主要為硅質(zhì)白云巖（張進平，2019），巖溶裂隙發(fā)育，厚度較大，有利于熱水賦存。

（4）地溫場分布特征

區(qū)內(nèi)已知地熱井的測溫資料詳見表2，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，該地區(qū)每百米的平均地層增溫率較高，第四系可達到4.0℃/100m以上，白堊系和侏羅系約為2.0℃/100m以上;薊縣系的地層增溫率也達到了1.0℃/100m以上，說明該地區(qū)具有較好的熱儲蓋層條件。

4 地熱資源量估算

4.1 估算方法

熱儲法是熱水資源評價中最為常用的方法，其優(yōu)點在于用熱儲法計算熱儲的熱量時，巖石和水的比熱、密度和孔隙度都可在實驗條件下獲得較為準確的數(shù)據(jù)，而且適用范圍較為廣泛，不僅適用于孔隙型熱儲，對裂隙型熱儲也同樣適用。依據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T11615-2010），有關的熱儲計算公式如下：

式中：A為計算區(qū)面積（m2）; d為熱儲厚度（m）;pr為熱儲巖石密度（kg/m3），cr為熱儲巖石比熱（J/（kg·℃））;φ為熱儲巖石的空隙度，無量綱;tr為熱儲溫度（℃）;to為當?shù)啬昶骄鶜鉁兀ā妫?pw為地熱水密度（kg/m3）;cw為水的比熱（J/（kg·℃））。

4.2 參數(shù)選取

（1）熱儲面積（A）

研究區(qū)的總面積約為48km2。由于區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，首先根據(jù)斷裂構(gòu)造和地層展布規(guī)律將研究區(qū)劃分為4個區(qū)域，分別為五里營凸起（Ⅰ區(qū)）、西白廟-三里河凹陷（Ⅱ區(qū)）、卓家營凹陷（Ⅲ區(qū)）和西桑園-八里店單斜帶（Ⅳ區(qū)），詳見圖1。

Ⅰ區(qū)：面積約為12km2，區(qū)域內(nèi)地熱井主要有慶-2和小魯莊地熱井。

Ⅱ區(qū)：面積約為7.65km2，區(qū)域內(nèi)地熱井為新延熱-1井。

Ⅲ區(qū)：面積約為18.5km2，區(qū)域內(nèi)地熱井主要有延熱灌-3、延熱-5和延熱-6地熱井。

Ⅳ區(qū)：面積約為9.85km2，區(qū)域內(nèi)地熱井主要有延熱-2、延熱-2灌、延熱灌-2和延熱-4地熱井（表3）。

（2）熱儲厚度（d）

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)熱儲的展布特征，以薊縣系霧迷山組作為主要熱儲，即主要計算霧迷山組熱儲內(nèi)的地熱資源。

由于區(qū)內(nèi)已有地熱井均未揭露霧迷山組底板埋深，且已有地熱井均未穿透3000m深度，則本次工作以3000m作為霧迷山組底板埋深進行資源量估算。則研究區(qū)內(nèi)4個區(qū)域的熱儲厚度分別為：Ⅰ區(qū)，2000m;Ⅱ區(qū)，1600m;Ⅲ區(qū)，1000m;Ⅳ區(qū)，1600m。

（3）熱儲溫度（tr）

根據(jù)表1和表2中所示已有地熱井的出水溫度和地熱增溫率，計算各區(qū)域內(nèi)熱儲頂板溫度和底板溫度的平均值作為該熱儲的溫度，則研究區(qū)內(nèi)4個區(qū)域的熱儲溫度分別為：Ⅰ區(qū)，42℃;Ⅱ區(qū)，58.85℃;Ⅲ區(qū)，63.5℃;Ⅳ區(qū)，70℃。

（4）當?shù)啬昶骄鶞囟龋╰o）

根據(jù)以往工作經(jīng)驗，取當?shù)氐哪昶骄鶜鉁?℃作為基準溫度。

（5）熱儲巖石密度（ρr）

據(jù)《地熱資源評價方法》（DZ40-85），石灰?guī)r密度取2600kg/m3。

（6）熱儲巖石比熱（cr）

據(jù)《地熱資源評價方法》（DZ40-85），石灰?guī)r比熱取220cal/（kg·℃），取1cal=4.1868J，則巖石比熱為921.096 J/（kg·℃）。

（7）地熱水密度（ρw）

地熱水的密度取1000 kg/m3。

（8）水的比熱（cw）

取1000cal/kg/℃，取1cal=4.1868J，則巖石比熱為4186.8 J/（kg·℃）;

（9）熱儲巖石的孔隙度（φ）

據(jù)《北京市地熱資源潛力的勘查評價》，16組薊縣系霧迷山組孔隙率數(shù)據(jù)分布在0.12%～0.6%范圍內(nèi)，均值為0.36%（表4）。

4.3 估算結(jié)果

研究區(qū)內(nèi)的地熱資源評價結(jié)果見表4，薊縣系霧迷山組的熱儲存量為8.27×1018J，折合標準煤2.82億噸;熱水資源量為25.37×107m3，地熱水中熱量為5.19×1016J，折合標煤177萬噸。取回采率RE為0.25，則可采地熱水熱儲存量為1.3×1016J，折合標準煤44.25萬噸。

5 地熱資源開發(fā)利用評價

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地熱井的成井深度判斷，該區(qū)內(nèi)的熱儲地熱資源的開采主要為經(jīng)濟型（成井深度為1000～3000m），即B級;依據(jù)地熱井的地熱流體單位產(chǎn)量判斷，則該區(qū)為較適宜性開采區(qū)（地熱京地熱流體單位產(chǎn)量大于50m3/d·m），等級同樣為B級;同時，區(qū)域內(nèi)地熱流體溫度均低于90℃，屬于低溫地熱資源，適合直接利用，可用于供暖、洗浴等方面。

研究區(qū)內(nèi)地熱流體溫度高于50℃的地熱資源儲存量為6.31×1018J，折合標煤2.15億噸。研究區(qū)內(nèi)地熱流體溫度高于50℃的熱水資源量為16.73×107m3，地熱水中熱量為3.96×1016J，折合標煤135萬噸。為確定這一區(qū)域內(nèi)利用深層地熱資源進行建筑物供暖的能力，取回采率RE為0.25，則可采地熱水熱儲存量為0.99×1016J，折合標準煤33.75萬噸。以開采100年計，且該部分熱量全部用于冬季供暖（以165天計），居室采暖熱指標取50W/m2，則每年可供暖面積約1.07×105m2。若加用調(diào)峰負荷占供熱總量30%計，則每年可供暖面積約1.53×105m2。可見在使用地源資源進行采暖可大大減少排放到大氣中的污染物，其環(huán)境效益十分可觀。

6 結(jié)論

研究區(qū)位于延慶盆地地熱開采遠景區(qū)，鉆探資料揭示了區(qū)內(nèi)深部地層層序為第四系、 白堊系、白堊系加侏羅系和薊縣系霧迷山組。薊縣系霧迷山組為研究區(qū)內(nèi)的主要熱儲，且地熱增溫率在1.0℃/100m以上。

研究區(qū)內(nèi)熱儲量約為8.27×1018J，折合標準煤2.82億噸;熱水資源量為25.37×107m3，地熱水中熱量為5.19×1016J，折合標煤177萬噸。取回采率RE為0.25，則可采地熱水熱儲存量為1.3×1016J，折合標準煤44.25萬噸。如果將地熱流體溫度高于50℃的地熱資源用于建筑物供暖，每年可供暖面積約為1.07×105m2。若加用調(diào)峰負荷占供熱總量30%計，則每年可供暖面積約1.53×105m2。

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