1 地熱地質條件

1.1 地熱儲藏邊界條件

根據地熱地質背景,研究區以鄭州經濟技術開發區為中心,北起隴海快速路,南至鄭民高速,西起機場高速,東到萬三公路附近。地理坐標為東經113°43'15″~ 113°54'36″,北緯34°44'6″~34°38'35″,面積約158.5 km2, 詳見圖1。

1.2 地熱地層特征

新近系地層在研究區分布較為普遍,其主要巖性為硬粘土、粘土與砂、砂礫石互層,自下而上呈多層結構。據已知鉆孔資料統計,砂層均40%~50%。本套地層厚度約1000 m。新近系地層在工作區埋藏較深,頂板埋深大于500 m,含水層較厚,補給路徑較長,是工作區現行地熱資源開發的主要熱儲層,詳見圖2。

(1)館陶組(Ng):工作區底板埋1000~1 600 m。 下部:為褐灰色灰巖、泥灰巖、灰白色鈣質砂巖;中部: 灰綠色細砂巖及淺灰綠、棕黃色松散砂層,灰白色礫狀砂巖夾紫紅色泥巖;上部:淺灰色、灰綠色細砂巖夾紫色泥巖,黑色硬煤與淺灰色粉砂巖。

(2)明化鎮組(Nm):在工作區最大厚9 90 m,其巖性自上而下可分為四段:① 棕紅、深棕紅顯紫色泥巖、砂質泥巖及泥質粉巖夾黃白色細粒長石砂巖、粉砂巖,厚3 90 m。② 褐黃色泥質粉砂巖、灰白色黃色粉細砂巖與紫紅、棕紅、灰綠砂質灰巖、泥巖互層,厚1 50m。③ 棕紅色泥巖、砂質泥巖、泥質粉砂巖夾棕紅色、灰白色、灰綠色粉細砂巖,厚2 50 m。④ 黃褐色、灰白色長石石英細砂巖,灰綠色、黃褐色泥質粉砂巖夾棕紅、褐棕色砂質泥巖,厚200 m。

2 地熱物理與化學特征

2.1 物理特征

2.1.1 恒溫帶的確定

采用實測32眼民井5~10 m之間不同深度的水溫資料,運用相關分析法,計算的鄭州市區恒溫帶深度為2 7.3 6 m,恒溫帶溫度為1 7.02℃,全年溫度變化不超過0.5℃。最后選用鄭州市經開區恒溫帶深度為2 7 m,恒溫帶溫度為1 7℃。

2.1.2 地溫梯度的確定研究區的熱儲類型

主要為新生代沉積盆地型,據對明化鎮組和館陶組地下水井的測溫情況分析, 總體規律都是溫度隨深度增加逐漸遞增,未發現明顯的異常段。對3 5 0~1 6 0 0 m深度范圍內增溫梯度計算時,一般在2.6~3.5℃/1 0 0 m,平均在3℃/1 0 0 m左右,屬于正常自然增溫率的范圍。明化鎮組熱儲地溫梯度在2.5~3.5℃/1 0 0 m,館陶組熱儲地溫梯度在2.7~3.6℃/1 0 0 m。符合華北盆地南部地熱增溫率變化范圍及溫度隨深度增加逐漸遞增的規律。

2.1.3 深部熱儲溫度推斷

結合開采井的水化學分析資料,經對比3 50~800m、800~1 600 m熱儲層溫度符合區域規律。地溫梯度推斷法:根據地質情況,利用熱儲上部的地溫梯度推算深部熱儲溫度。

計算公式為:

t=(d-h)×Δt/Δh+ t0 (1)

式中:t—熱儲溫度,℃;

d—熱儲埋藏深度,m;

h—常溫帶埋藏深度,m;

Δt/Δh—地溫梯度,℃/m;

t0—常溫帶溫度,℃。

根據《鄭州市區東部地熱資源普查報告》結合本次調查,研究區地熱井埋藏深度500 m、800 m、1200 m、1 500m

3 地熱資源計算與評價

3.1 熱儲模型

研究區位于開封次凹陷的西南部邊緣地帶,新生界沉積厚度500~2200 m,模型中,底部以紅色箭頭表示鄭州市區為大地熱流供熱模式,傳導加熱。研究區熱儲層埋藏較深,由于上部第四系覆蓋層還有60~280m厚,新近系熱儲層不易直接接受大氣降水的補給,而是通過側向徑流方式獲取上游方向徑流來的地下水的補給。模型中,以近似水平的藍色箭頭表示新近系熱儲層獲取側向徑流的補給。由于新近系地層受新構造運動的影響較小,地層產狀平緩,地下熱水在水平方向的水力坡度很小,徑流非常緩慢。

3.2 地熱資源計算

地熱資源計算方法有熱儲法、自然放熱量推算法、水熱均衡法等。熱儲法是目前國際上廣泛運用的計算沉積盆地型地熱系統地熱資源的計算方法,本次地熱資源計算采用熱儲法。

熱儲層儲存的熱量計算公式:

QR=CAd(tr-tj)(2)

式中:QR-熱儲層儲存的熱量(J);

A-計算區面積(m2);

d-熱儲厚度(m);

tr-熱儲溫度(℃);

tj-基準溫度(當地地下恒溫層溫度或年平均氣溫,℃);

C-熱儲巖石和水的平均比熱容(J/m3·℃)。 計算參數的選定參考《地熱資源評價方法》 (DZ40—85)中比熱、巖石密度、孔隙度及《河南省鄭州市地熱資源普查與開發利用保護》中取樣分析結果和華北盆地同熱儲層熱力學參數。

3.3 地熱資源評價

由于本次資源計算為調查階段,地熱資源量、可開采量即相當于預可行性勘查階段推斷儲量。研究區明化鎮組熱儲層中儲存熱總量9.1 1×101 7J,地熱流體資源總量6.51×109m3,地熱流體中儲熱總量3.98×1017 J;研究區館陶組熱儲層中儲存熱總量3.01×1018 J,地熱流體資源總量9.0×109m3,地熱流體中儲熱總量1.28×101 8J。明化鎮組熱儲區年可開采熱水量1.63×107m3/a,年可利用熱水中熱能2.76×108 kWt; 館陶組熱儲區年可開采熱水量1.7 9×107 m3/a,年可利用熱水中熱能7.1 2×108 kWt。

4 地熱資源開發利用評價

4.1 開發利用現狀評價

依據研究區有關部門近幾年對城區地下水開采量統計資料,目前區內地下水年總開采量為72 6.8×104m3/a,其中,淺層(井深50~100m)地下水年開采量為64.8×104 m3/a,中深層(井深1 50~500 m)地下水年開采量為447×104 m3/a ,明化鎮組(熱儲層深600~800 m)地熱礦泉水年開采量為1 50×104 m3/a,館陶組(熱儲層深800~1 600 m)地熱礦泉水年開采量為2 90×104 m3/a,則各層分別占地下水開采總量的6.81%、46.9 6%、1 5.7 6%和30.47%。由于研究區地熱流體埋藏較深,其水源除少量大氣降水補給外,大部分為古沉積水。近幾年經開區政府主管部門嚴格地熱井建井審批制度,靜水位埋深基本趨于穩定。

4.2 利用范圍評價

依據《地熱資源地質勘查規范》(GB/T1 1 6 1 5- 2010)中的地熱資源溫度分級表,進行利用范圍評價。研究區地熱流體溫度3 1℃~46℃。依據地熱資源溫度分級表,地熱流體一部分屬低溫地熱資源中的溫水,主要利用范圍為洗浴、溫室、農業灌溉、養殖等;另一部分屬低溫地熱資源中的溫熱水,主要利用范圍為醫療、洗浴、采暖、溫室、養殖等。

4.3 開采適宜性評價

依據《地熱資源地質勘查規范》(GB/T1 1 6 1 5- 2010)的評價標準,進行開采適宜性評價。評價標準為:地熱井地熱流體單位產量>50 m3/d·m,為適宜開采區;地熱井地熱流體單位產量10~50 m3/d·m,為較適宜開采區;地熱井地熱流體單位產量<10 m3/d·m,為不適宜開采區。

根據《鄭州市區東部地熱資源普查報告》及本次野外調查情況,參與統計的9眼地熱井,適宜開采的地熱井(>50 m3/d·m)有1眼,占統計井數的1 1.1%; 較適宜開采的(10~50 m3/d·m)有5眼,占統計井數的5 5.5 5%;不適宜開采的(<10 m3/d·m)有3 眼,占統計井數的33.33%。最適宜開采和適宜開采的地熱井占6 6.6 5%,適宜開采和較適宜開采的所占比例明顯較高,不適宜開采的所占比例明顯較低。對于大型沉積盆地地熱田來說,這些是正常的。因此, 研究區應劃為較適宜開采的地區。

5 結論

(1)研究區熱儲類型主要為新生代沉積盆地型, 據對明化鎮組和館陶組地下水井的測溫情況分析350~1 600m深度范圍地溫梯度,一般在2.6~3.5℃/ 100m,平均在3℃/100 m左右;明化鎮組熱儲地溫梯度在2.5~3.5℃/100 m,館陶組熱儲地溫梯度在 2.7~3.6℃/100 m。地熱水水化學類型主要為 HCO3—Na型,其次為HCO3—Na·Ca、HCO3—Ca ·Na 和HCO3·SO4—Na類型。

(2)研究區內2000 m以淺地熱水主要補給途徑來源于北部和東部熱儲層無限邊界的古沉積水地下徑流,少量來源于大氣降水垂向補給和西南部一帶淺部徑流補給,地熱水開采是主要排泄途徑。

(3)研究區地熱資源開發利用可行性評價結果顯示,館陶組集中區地熱水開采潛力指數1.05介于1.2 ≥P≥0.8之間,屬于采補平衡,可能處于超采狀態,不建議對該區進行大規模的地熱開發。分散開采區地熱水開采潛力指數P=25.8>1.2 ,屬于有開采潛力區, 可以擴大開采,可增加允許開采量為1 1.2×104 m3/ km2.a,屬于潛力中等區。研究區內后張莊村以東可以列為重點勘查開發區。