孫軍勝，白何領(lǐng)，潘飛飛

（1.河南省金屬礦產(chǎn)深孔鉆探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000）

地?zé)豳Y源是具有用途廣泛的環(huán)保新能源。開發(fā)利用地?zé)豳Y源有利于構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，對于促進(jìn)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)及提高人們生活質(zhì)量具有重要意義[1-3]。在開封市委、市政府的大力支持下，緊緊圍繞開封市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，充分發(fā)揮地質(zhì)工作的技術(shù)支撐作用，努力破解發(fā)展中的資源環(huán)境問題，助力開封市實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。開封市作為河南省重要城市，其處于開封凹陷區(qū)的核心部位和中心區(qū)域，地?zé)峋植济芏却?，地?zé)峁ぷ餮芯砍潭雀?，地?zé)峁┡幸欢ǖ幕A(chǔ)，作為城市集中供暖對象研究，具有較強(qiáng)的代表性和示范作用[4-6]，因此本次研究以開封市區(qū)為例，對開封凹陷區(qū)深層地?zé)豳Y源進(jìn)行了評價，研究為開封市地?zé)峒泄┡峁┘夹g(shù)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)

1.1 區(qū)域地層

開封凹陷盆地自下而上沉積了古近系、新近系、第四系。

（1）古近系（E）。古近系劃分為沙河街組和東營組，頂板埋深在開封為2 000 m以下、底板埋深在蘭考、封丘延津一線較大，約為4 000～6 500 m。開封地區(qū)新生界地層柱狀見表1。

表1 開封地區(qū)新生界地層柱狀Tab.1 Cenozoic stratigraphic columnar in Kaifeng area

（2）新近系（N）。新近系劃分為館陶組和明化鎮(zhèn)組，頂板埋深在300 m以下，底板埋深在開封市南部約為1 685 m、北部約為1 700 m以下。

（3）第四系（Q）。主要為古河流和黃河歷次泛濫改道沉積物，開封次凹陷第四系底板埋深280～400 m。①下更新統(tǒng)（Q1）。巖性為棕色、棕黃色粉質(zhì)黏土、黏土及細(xì)砂、粉砂、中砂，砂層單層厚3～8 m，最大可達(dá)14 m。屬冰湖—河湖相地層，厚度為50～150 m，底板埋深280～400 m。②中更新統(tǒng)（Q2）。巖性為棕黃色、棕紅色粉質(zhì)黏土、黏土及中砂、粉細(xì)砂，砂層單層厚2～8 m，最大可達(dá)18 m。屬沖洪積層，厚度100～120 m，底板埋深200～260 m。③上更新統(tǒng)（Q3）。巖性為黃灰色、黃褐色粉質(zhì)黏土、粉土及中砂、細(xì)砂，砂層單層厚2～7 m，最大可達(dá)20 m。屬沖洪積層，厚度80～100 m，底板埋深100～140 m。④全新統(tǒng)（Q4）。黃河泛流平原沖積層巖性為黃褐色、灰黃色粉質(zhì)黏土、粉土及粉砂、細(xì)砂，砂層厚20～30 m，底板埋深30～50 m。風(fēng)積層呈砂丘、砂壟、平砂地的形式堆積于地表，巖性均為細(xì)砂、粉細(xì)砂，厚度1～8 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

1.2.1 基底褶皺構(gòu)造

研究區(qū)基底褶皺構(gòu)造主要有濟(jì)源—開封凹陷、通許凸起和嵩箕臺隆等。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。研究區(qū)地處濟(jì)源—開封凹陷的開封次凹陷內(nèi)。

（1）濟(jì)源—開封凹陷。開封次凹陷位于原陽、開封、民權(quán)一帶，面積約3 829 km2，呈北西—南東向展布，南、北、東界分別為鄭州—民權(quán)斷裂、新鄉(xiāng)-商丘斷裂、睢縣斷裂。本區(qū)構(gòu)造線為近東西向，斷裂較發(fā)育，主要有近EW向、NE向及NW向，受焦作—商丘斷裂長期活動影響，使凹陷呈現(xiàn)北深南淺的箕狀斷凹或凹陷。新生界沉積厚度開封次凹中心最大厚度達(dá)6 000 m以上。

（2）通許凸起。呈東西向展布于尉氏—通許—商丘一帶，面積約12 000 km2。北側(cè)西、東部分別以中牟—民權(quán)斷裂及新鄉(xiāng)—商丘斷裂為界與濟(jì)源—開封凹陷及荷澤凸起為鄰，東以濟(jì)陽斷裂為界與永城斷褶帶相鄰，南側(cè)大致以臨潁—周口—柘城一線為界與周口凹陷相鄰，西至嵩箕山前。

（3）嵩箕臺隆?；诪樘沤绲欠馊汉拖略沤玑陨饺海w層為中、上元古界及古生界。構(gòu)造具有明顯的雙層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基底構(gòu)造線方向呈南北向，蓋層構(gòu)造線與基底構(gòu)造線方向近直交，呈近東西向。蓋層褶皺有嵩山復(fù)背斜、登封—新密復(fù)向斜、箕山復(fù)背斜等，呈兩背斜山夾一向斜谷形態(tài)。嵩山、箕山背斜向東傾沒入平原區(qū)新生界地層下，與通許凸起基底地層相連。本區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，主要有近EW向、NW向和NE向3組。近EW向斷裂為高角度正斷層，規(guī)模稍大。NE向和NW向斷裂，為平推正斷層，使近東西向構(gòu)造發(fā)生位移。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Regional geological structure

1.2.2 斷裂構(gòu)造

研究區(qū)斷裂構(gòu)造主要斷裂有朱仙鎮(zhèn)斷裂、半坡—水坡斷裂、祥符—劉店斷裂、開封斷裂、蘭考—東明斷裂等。

（1）朱仙鎮(zhèn)斷裂。由朱仙鎮(zhèn)東側(cè)通過，走向NE，北東盤為上升盤，傾向NW，長約32.5 km，性質(zhì)不清。該斷層構(gòu)成通許—睢縣地?zé)崽锏奈鞅辈窟吔纭?/p>

（2）半坡—水坡斷裂。由半坡南、水坡西北緊鄰?fù)ㄔS邊界通過，斷層兩側(cè)地層均為二疊系上石盒子組，走向NE。

（3）祥符—劉店斷裂。由祥符區(qū)東側(cè)和劉店通過，走向NW，過祥符區(qū)后斷裂深度增加，埋深超過3 km，研究區(qū)內(nèi)長約50 km。

（4）開封斷裂。由開封市南側(cè)通過，走向SE，傾向NW，研究區(qū)內(nèi)長約52 km，可能為階梯狀構(gòu)造。

（5）蘭考—東明斷裂。走向NE，傾向NW，一級區(qū)域性斷裂，東濮斷陷東部邊界斷裂，河道東岸，控制蘭考下游河流流向。

2 地?zé)豳Y源評價原則和熱儲概念模型

2.1 地?zé)豳Y源計算與評價原則

根據(jù)本區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件，擬定地?zé)豳Y源計算、評價的原則。

（1）該區(qū)地?zé)豳Y源屬盆地低溫傳導(dǎo)熱水型，地?zé)崮芤运疄檩d體，利用開采熱水資源而實(shí)現(xiàn)，地?zé)豳Y源評價以分布廣，以具有一定開發(fā)價值和前景的新近系熱儲層為主要對象。新近系熱儲2 200 m以深資源因埋藏較深，缺乏相關(guān)資料，此次進(jìn)行估算。

（2）此次評價，考慮地?zé)崃黧w主要為地層沉積時形成，現(xiàn)狀動態(tài)補(bǔ)給微弱，根據(jù)現(xiàn)有資料及評價性質(zhì)，計算不考慮周邊動態(tài)補(bǔ)給。

（3）地?zé)豳Y源計算包括儲存資源（熱水儲存量僅計算容積儲量）和可采資源2部分，分別計算二者相應(yīng)的熱水量和熱能量，分區(qū)、分層進(jìn)行評價。

（4）采用“最大允許降深法”，以區(qū)域水頭平均下降100 m，計算地?zé)崃黧w可采資源量。

（5）地?zé)崃黧w可采資源量（可開采熱水量及其所含熱能量）評價以50年為開采年限。

2.2 熱儲概念模型

研究區(qū)各個分區(qū)內(nèi)熱儲層處于同一大地構(gòu)造背景，主要為新近系熱儲為砂（砂巖）孔隙含水巖組、古近系熱儲為孔隙裂隙含水巖組。各個分區(qū)內(nèi)巖性較為均一、厚度變化不大，熱儲層間為相對隔水的黏性土（或泥巖），垂向視為無越流作用；側(cè)向徑流微弱，開采主要為消耗含水砂層彈性儲量。

結(jié)合前述本次工作所取得的地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、地球物理、地球化學(xué)、水文地質(zhì)試驗(yàn)和測試資料，研究區(qū)各個分區(qū)（亞區(qū)）內(nèi)熱儲概念模型可以概化為均質(zhì)、各向同性、無限邊界，各熱儲垂向上無越流（上、下各有一個相對隔水的泥巖層）的承壓含水層水文地質(zhì)模型。

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料綜合分析，建立研究區(qū)熱儲概念模型。

3 地?zé)豳Y源計算分區(qū)和參數(shù)確定

3.1 計算分區(qū)

（1）分區(qū)依據(jù)。結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造和物探解譯構(gòu)造結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)存在的開封斷裂和祥符—劉店斷裂把研究區(qū)切割為4個區(qū)塊，各個區(qū)塊內(nèi)含水層厚度、埋藏條件明顯不同，故將研究區(qū)分為4個區(qū)塊進(jìn)行計算。其中，Ⅳ區(qū)內(nèi)又存在鄭州—民權(quán)斷裂，斷裂兩側(cè)館陶組熱儲層頂?shù)装迓裆钕嗖?50 m左右，所以又把Ⅳ區(qū)劃分為2個亞區(qū)。

（2）分區(qū)結(jié)果。參考分區(qū)依據(jù)，全區(qū)劃分為4個計算區(qū).其中Ⅳ區(qū)分為2個亞區(qū)，如圖2所示。各分區(qū)面積及含、隔水層見表2。

3.2 參數(shù)確定

（1）計算面積。根據(jù)各熱儲層在相應(yīng)計算區(qū)的沉積分布，厚度變化，由計算機(jī)分別量取面積，詳見表2。

（2）熱儲層厚度。根據(jù)本次物探資料解譯成果，并結(jié)合該區(qū)鉆孔資料進(jìn)行修正，各個區(qū)內(nèi)計算厚度取該區(qū)所有點(diǎn)修正后結(jié)果的平均值；缺乏鉆孔資料的地段，類比附近區(qū)塊計算得出，詳見表2。

圖2 地?zé)豳Y源計算分區(qū)Fig.2 Geothermal resource computing partition

表2 熱儲分區(qū)各個含水層平均厚度Tab.2 Average thickness of each aquifer in the thermal storage area

（3）計算層平均溫度及基準(zhǔn)溫度。平均溫度依據(jù)計算層平均深度及平均地溫梯度值計算求??；基準(zhǔn)溫度根據(jù)淺層測溫資料確定，取16.0 ℃。研究區(qū)熱儲層埋深及溫度統(tǒng)計見表3。

（4）新生界砂巖及泥巖孔隙率。依《中國地?zé)豳Y源分布特點(diǎn)及潛力評估》根據(jù)華北地區(qū)12口鉆孔資料建立的新生界砂巖、泥巖孔隙率—深度統(tǒng)計曲線（圖3），結(jié)合《河南省地?zé)?、礦泉水資源調(diào)查報告》、《豫北平原地?zé)豳Y源調(diào)查報告》、《開封凹陷區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查報告》給定的新生界砂巖及泥巖孔隙率，考慮本區(qū)實(shí)際，綜合確定。研究區(qū)砂巖及泥巖孔隙率取值見表4。

表3 研究區(qū)熱儲層埋深及溫度統(tǒng)計Tab.3 Buried depth and temperature statistics of thermal reservoirs in the study area

圖3 新生界砂巖、泥巖孔隙率—深度統(tǒng)計曲線Fig.3 Cenozoic sandstone and mudstone porosity-depth statistical curve

表4 研究區(qū)砂巖及泥巖孔隙率取值Tab.4 Value of sandstone and mudstone porosity in the study area

（5）巖石及水的比熱、密度。參考《地?zé)豳Y源評價方法及估算規(guī)程》（GB/T 0331—2020）及《地?zé)峥辈橐?guī)范》（GB/T 11615—2010）確定如下：石英砂（含水率8.3%）比熱為1 003 J/（kg·℃），密度為1 750 kg/m3；相對隔水層泥巖比熱為2 230 J/（kg·℃），密度為1 800 kg/m3；水的比熱為4 180 J/（kg·℃），密度為1 000 kg/m3。

（6）最大允許降深（Smax）及設(shè)計開采年限（t）。根據(jù)水文地質(zhì)條件和水泵揚(yáng)程及開采經(jīng)濟(jì)性能，年最大允許降深設(shè)定為2 m，開采年限設(shè)計為50 年。

（7）滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)（μe）及彈性釋水率（μ）。此次工作分別對試驗(yàn)1號井、試驗(yàn)2號井和試驗(yàn)3號井進(jìn)行了穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康膶訛樾陆叼^陶組。

新近系層狀熱儲厚度、巖性分布較穩(wěn)定，可近似認(rèn)為均質(zhì)各向同性、無限邊界；熱儲層頂?shù)装宸植加泻穸确€(wěn)定的隔水層，相鄰熱儲含水層的越流補(bǔ)給可忽略不計；此外，由于地?zé)崃黧w徑流極其緩慢，又無越流補(bǔ)給，試驗(yàn)井抽水量實(shí)際來自熱儲含水介質(zhì)的彈性釋放量。以上特征符合泰斯井流模型的假定條件，可以將試驗(yàn)的前段近似作為承壓完整井非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)時降深（S）及時間（t）數(shù)據(jù)，繪制S=f（lgt）關(guān)系曲線（圖4），計算公式如下：

（1）

式中，T為導(dǎo)水系數(shù)；K為滲透系數(shù)；Α為導(dǎo)壓系數(shù)；μe為彈性釋水系數(shù)（無量綱）；μ為彈性釋水率；Q為單井涌水量；M為含水層厚度；rw為井孔半徑；ΔS為對數(shù)周期降深；t0為起始計算時間。

試驗(yàn)1號井靜水位埋深71.00 m，井半徑0.156 m，抽水對數(shù)周期降深為2.75 m；試驗(yàn)2號井靜水位埋深102.00 m，井半徑0.135 m，抽水對數(shù)周期降深為3.34 m。試驗(yàn)3號井靜水位埋深81.50 m，井半徑0.156 m，抽水對數(shù)周期降深為2.88 m；其他主要參數(shù)計算結(jié)果見表5。

圖4 試驗(yàn)1號、2號、3號井抽水試驗(yàn)s-lgt曲線Fig.4 s-lgt curve of pumping test of No.1，No.2 and No.3 wells

表5 研究區(qū)抽水試驗(yàn)計算參數(shù)Tab.5 Calculation parameters of water pumping test in the study area

根據(jù)本次抽水試驗(yàn)及本區(qū)熱儲層水文地質(zhì)條件并參考周邊地區(qū)不同熱儲層抽水試驗(yàn)資料（表6）、已有區(qū)域評價報告，綜合確定本區(qū)熱儲層彈性釋水率。

表6 周邊地區(qū)抽水試驗(yàn)計算參數(shù)Tab.6 Calculation parameters of water pumping test in surrounding areas

綜上，新近系明化鎮(zhèn)組上段彈性釋水系數(shù)取5.70×10-4，下段取3.86×10-4；館陶組上段彈性釋水系數(shù)取平均值4.34×10-4，下段平均值4.17×10-4；古近系彈性水系數(shù)取3.40×10-4。

4 地?zé)豳Y源量計算

4.1 評價方法

根據(jù)評價原則及熱儲概念模型，地?zé)醿Υ尜Y源評價采用熱儲法；地?zé)峥砷_采資源評價：新生界新近系熱儲層采用最大允許降深法。新生界熱儲層儲存的熱水資源包括含水介質(zhì)（砂巖）相對隔水層（泥質(zhì)巖）中2部分，熱能量包括熱水蘊(yùn)含熱能及巖石所包含熱能2部分。

（1）儲存資源（熱水量、熱能量）計算公式：

QR=A·D·Φ，QRE=A·D[PwCwΦ+PrCr（1-Φ）]（T-T0）

（2）

式中，QQR為儲存熱水量；QRE為儲存熱能量；A為計算熱儲面積；D為熱儲層平均有效厚度；Φ為熱儲層有效孔隙率；Pr、Pw分別為熱儲巖石和地?zé)崴拿芏?；Cr、Cw為分別為熱儲巖石和水的比熱；T為熱儲層計算段的平均溫度；T0為基準(zhǔn)溫度。

（2）可開采資源（熱水量、熱能量）計算公式：

（3）

式中，Qw為可開采熱水量；QwE為可利用熱能量；μ為熱儲層彈性釋水率；M為熱儲層計算段平均厚度；F為熱儲層計算面積；Smax為熱儲層水位最大允許降深；t為設(shè)計開采年限。其他符號意義同前。

4.2 計算結(jié)果

根據(jù)計算，新生界熱儲儲存熱水資源總量為107.47×1010m3；地?zé)醿Υ鏌崃繛?39.90×1018J，其中地?zé)崃黧w儲量為101.43×1018J、巖石儲量為338.47×1018J。熱能折合標(biāo)準(zhǔn)煤150.10×108t。

5 地?zé)崃黧w可開采量計算與評價

5.1 儲存資源

根據(jù)計算，研究區(qū)400～3 000 m深度范圍，熱儲儲存熱水資源總量為107.47×1010m3，其中，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲分別占總量的39.84%、44.21%，古近系熱儲占15.95%；儲存熱能總量為439.90×1018J，其中，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲分別占熱能總量的16.22%、41.99%，古近系熱儲占41.79%。根據(jù)《地?zé)豳Y源評價方法及估算規(guī)程》（GB/T 0331—2020），松散巖熱儲儲存熱能量回采率取25%，則新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲儲存和古近系熱儲的熱能量可回收總量為109.97×1018J，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲和古近系熱儲可回收熱能量占可回收熱能總量的比例分別為16.22%、41.99%和41.79%。

研究區(qū)熱儲儲存地?zé)豳Y源量及儲存熱能可回收量見表7。

5.2 地?zé)崃黧w可開采資源

研究區(qū)3 000 m深度范圍，屬最經(jīng)濟(jì)—經(jīng)濟(jì)性地?zé)豳Y源?？砷_采熱水資源總量為875.31×104m3/a（23 981.11 m3/d），其中，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲和古近系熱儲分別占可開采熱水總量的44.55%、39.61%和15.84%?？衫脽崮芸偭繛?62.87×1013J/a（446.22×1010J/d），熱能折合標(biāo)準(zhǔn)煤55 424.7 t/a（152.26 t/d），新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲和古近系熱儲分別占熱能總量的26.69%、45.61%和27.70%。

表7 研究區(qū)地?zé)醿Υ尜Y源Tab.7 Geothermal storage resources in the study area

5.3 回灌條件下地?zé)崃黧w可開量計算

按照目前地?zé)豳Y源“以灌定采”的原則，地?zé)豳Y源開采要求100%回灌，所以采用熱突破公式計算回灌條件下地?zé)崃黧w可采量，計算公式為：

（4）

式中，Qh為回灌條件下允許開采量；A為評價面積；M為熱儲層厚度；ψ為熱儲巖石孔隙率；ρw為熱儲巖石的密度；ρr為熱儲流體的密度；ρr為熱儲層的密度；cw為地?zé)崃黧w的比熱容；cr為地?zé)釒r石的比熱容；ce為地?zé)釋拥谋葻崛荨?/p>

回灌條件下每平方千米地?zé)崃黧w可采量見表8。

綜上所述，在一抽一回的情況下，采用熱突破公式，評價每平方千米范圍內(nèi)研究區(qū)明化鎮(zhèn)組上段地?zé)崃黧w可采量為2 077.07～5 227.16 m3/d，明化鎮(zhèn)組下段地?zé)崃黧w的可采量為1 767.03～7 579.37 m3/d，館陶組上段地?zé)崃黧w的可采量為4 579.85～9 684.54 m3/d，館陶組下段地?zé)崃黧w可采量為6 457.14～14 626.81 m3/d，古近系地?zé)崃黧w可采量為2 077.07～5 227.16 m3/d，古近系地?zé)崃黧w可采量為4 598.50～2 7214.53 m3/d。

6 年可利用熱能及地?zé)崽镆?guī)模劃分

6.1 地?zé)崽锂a(chǎn)能及年可利用熱能

地?zé)崽锂a(chǎn)能根據(jù)地?zé)崃黧w可開采量所采出的熱量，按以下公式計算：

Wt=4.186 8Q（t-t0）

（5）

式中，Wt為熱功率；Q可采為地?zé)崃黧w可開采量（按每年供暖季開采120 d算）；t為地?zé)崃黧w溫度；t0為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，?4.7 ℃。

地?zé)崃黧w年開采累計可利用熱能量估算公式：

∑W=86.4DWt/K

（6）

式中，∑W為開采一年可利用的熱能；D為全年開采日數(shù)；K為熱效比（按燃煤鍋爐的熱效率0.6計算）。

表8 回灌條件下每平方千米地?zé)崃黧w可采量Tab.8 Recoverable volume of geothermal fluid per square kilometer under recharge conditions

對地?zé)崽锏漠a(chǎn)能進(jìn)行計算，見表9。

表9 研究區(qū)年可利用熱能計算結(jié)果Tab.9 Calculation results of annual available thermal energy in the study area

6.2 地?zé)崽镆?guī)模劃分

根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB 11615—2010）對地?zé)崽镆?guī)模的劃分，計算結(jié)果見表10。

7 結(jié)語

本次工作地?zé)豳Y源計算主要依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）、《地?zé)豳Y源評價方法及估算規(guī)程》（GB/T 0331—2020）等國家、行業(yè)規(guī)范進(jìn)行。新生界熱儲計算采用的熱儲層物理性質(zhì)參數(shù)及水文地質(zhì)參數(shù)，根據(jù)工作實(shí)際調(diào)查、現(xiàn)場試驗(yàn)、鉆孔資料、物探資料，結(jié)合本省區(qū)域性地?zé)豳Y源評價成果、華北盆地地?zé)豳Y源評價成果、經(jīng)驗(yàn)值等，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，在前人成果的基礎(chǔ)上綜合確定，與區(qū)域分布規(guī)律相吻合，可信度較高，據(jù)此計算的地?zé)豳Y源結(jié)果較為可靠，計算結(jié)果可以作為本區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用規(guī)劃的依據(jù)。

表10 地?zé)崽镆?guī)模劃分Tab.10 Geothermal field size division