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產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究

山東省陽(yáng)信縣東部地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征及資源量評(píng)價(jià)

地?zé)豳Y源是儲(chǔ)存在地球內(nèi)部的可再生熱能,具有對(duì)環(huán)境污染小、可就近利用的特點(diǎn),是目前最受關(guān)注的清潔能源類(lèi)型。魯北平原位于渤海灣盆地西南部,屬華北平原的一部分,是在華北地臺(tái)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的中—新生代斷陷盆地,其地?zé)豳Y源豐富,發(fā)育典型的沉積盆地型砂巖孔隙熱儲(chǔ),屬傳導(dǎo)型地?zé)?/a>資源。陽(yáng)信縣屬于魯北平原地?zé)崽?/a>的一部分,熱儲(chǔ)層主要為新近系館陶組(N1g),其地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)工作始于2005年,隨著地?zé)?/a>資源開(kāi)發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境條件的逐步變化,以往獲取的地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在時(shí)效性上已大不如前,不能正確地反映當(dāng)前該縣地?zé)豳Y源的實(shí)際情況;而且以往該縣開(kāi)展的地?zé)峥辈?/a>工作多集中在城區(qū),因此縣域其他地區(qū)的館陶組熱儲(chǔ)層地?zé)?/a>資源量還不清楚,嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)?a href="http://4fav.cn/t/地?zé)岙a(chǎn)業(yè).html" >地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為進(jìn)一步查明陽(yáng)信縣地?zé)?/a>資源家底,以該縣東部地區(qū)為研究區(qū),通過(guò)資料收集、地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、大地電磁測(cè)深、地?zé)徙@探、產(chǎn)能測(cè)試、水質(zhì)檢測(cè)分析等手段,查明研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件、地溫場(chǎng)分布特征及地?zé)崴?/a>水化學(xué)特征,建立熱儲(chǔ)概念模型并分區(qū)計(jì)算館陶組熱儲(chǔ)層的地?zé)豳Y源量和地?zé)崴?/a>可采量,提出地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用建議,以期為陽(yáng)信縣地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用、當(dāng)?shù)?a href="http://4fav.cn/t/地?zé)豳Y源規(guī)劃.html" >地?zé)豳Y源規(guī)劃管理等提供重要依據(jù)。


1 研究區(qū)概況

陽(yáng)信縣地處魯北平原區(qū)之三角洲平原亞區(qū),地形較平坦,地勢(shì)南高北低、西高東低,自西南部向東北部?jī)A斜,形成了緩崗、微坡平地和淺平洼地相間的地貌。地面高程一般在5~13m,平均約9m,坡度為1/5000~1/10000。陽(yáng)信縣地處中緯度地區(qū),屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,多年平均氣溫為12.8℃,最冷月為1月,最熱月為7月。境內(nèi)年降水量較少且不穩(wěn)定、不均勻,歷年平均降水量為567.7mm,1月最少,為3.8 mm;7月最多,為191.6mm。境內(nèi)排澇河道主要是南部的鉤盤(pán)河和北部的白楊河,兩河橫貫縣境東西,東流入海。在大地構(gòu)造位置上,陽(yáng)信縣主體位于惠民潛凹陷,北部邊緣為無(wú)棣潛凸起, 東部邊緣為沾化潛凹陷(圖1)?;菝駶摪枷萏幱跐?jì)陽(yáng)坳陷中部,為中—新生代斷陷盆地。受斷陷盆地深部的地幔結(jié)構(gòu)、巖漿活動(dòng)和地殼淺部的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地下水活動(dòng)等影響,區(qū)內(nèi)具備良好的熱演化條件。山東省大地熱流值由西往東逐漸升高,表現(xiàn)出東高西低的分布規(guī)律。華北地區(qū)大地熱流值平均為47. 155 mW/ m,而研究區(qū)所在區(qū)域的大地熱流值達(dá)到60 ~ 70 mW/m,高于華北地區(qū)平均值,具備良好的大地熱流背景。館陶組上覆第四系平原組(Qpp)和新近系明化鎮(zhèn)組(Nm),下伏古近系東營(yíng)組(Ed),巖性主要為砂巖、泥巖、砂礫巖,富水性強(qiáng),具備較好的儲(chǔ)集空間,構(gòu)成了區(qū)內(nèi)最主要的孔隙—裂隙層狀熱儲(chǔ)層。


山東省陽(yáng)信縣東部地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征及資源量評(píng)價(jià)-地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用-地大熱能 

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件熱儲(chǔ)概念模型

2.1 熱儲(chǔ)蓋層

研究區(qū)全區(qū)被第四系所覆蓋,館陶組上覆的平原組和明化鎮(zhèn)組屬于黏性土與砂性土組成的松軟層,沉積厚度為900~ 1 100 m,其巖性多為黏性土,結(jié)構(gòu)致密,富水性差,巖性熱導(dǎo)率低,屬隔水層和隔熱層,為該區(qū)地?zé)岢刹靥峁┝肆己玫纳w層條件。

2.2 地熱源

研究表明,區(qū)域上地?zé)嶂饕獙賯鲗?dǎo)型地?zé)幔?a href="http://4fav.cn/t/熱源.html" >熱源為正常的大地?zé)崃髟鰷?。館陶組地層中發(fā)育良好的孔隙、裂隙空間,起到了導(dǎo)熱、導(dǎo)水作用。從區(qū)域水文地質(zhì)條件來(lái)看,本區(qū)地?zé)崴?/a>的補(bǔ)給來(lái)源很遠(yuǎn)。地下水在水頭差和密度差的作用下,緩慢地進(jìn)行循環(huán)交替運(yùn)動(dòng),逐漸加熱并在館陶組孔隙—裂隙中存儲(chǔ)??傮w上,區(qū)域上徑流條件較差,因此將地?zé)崴?/a>視為靜態(tài),可以不考慮其側(cè)向徑流補(bǔ)給和垂向越流補(bǔ)給。

2. 3 熱儲(chǔ)

館陶組砂礫巖層為本區(qū)可供開(kāi)發(fā)利用的最佳熱儲(chǔ)層,該套地層中砂礫成分多,孔隙度高,含水性好,形成了良好的孔隙—裂隙層狀熱儲(chǔ)。研究區(qū)館陶組頂面埋深在940 ~1 100 m,底面埋深在1 200 ~1 400 m,厚度為200 ~345 m,熱儲(chǔ)砂巖一般厚120 ~ 220 m;地層產(chǎn)狀平緩,研究區(qū)西南部底面埋深> 1 300 m,地層厚度>300 m;東北部底面埋深<1 200 m,地層厚約200 m(圖2)。

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2. 4 地溫梯度

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)恒溫帶深度約為20 m,平均地溫為14℃,20 m 以下為增溫帶。研究區(qū)現(xiàn)有6眼地?zé)峋?/a>,取水層段均為館陶組,井口水溫為48 ~53℃。根據(jù)地?zé)峋?/a>井口水溫、井深及恒溫帶深度,計(jì)算出區(qū)內(nèi)地溫梯度為2. 93 ~ 3. 70℃ /100 m,平均為3. 50℃ /100 m,由南向北逐漸升高,全區(qū)均顯示明顯的地?zé)岙惓!?/p>

2. 5 地?zé)崴?a href="http://4fav.cn/t/化學(xué)特征.html" >化學(xué)特征

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果, 研究區(qū)地?zé)崴V化度為6 476. 37 ~ 13 975. 68 mg/ L, 總硬度為534. 20 ~1 448. 26 mg/ L,pH 值為7. 2 ~ 8. 0。水中陰離子以Cl- 為主,含量為2 734 ~ 8 009 mg/ L,毫摩百分?jǐn)?shù)為42% ~93. 86%;其次為SO2 -4 ,含量為596 ~ 1 368mg/ L,毫摩百分?jǐn)?shù)為5. 16% ~ 25. 07%。陽(yáng)離子以Na + 為主,含量為2 117 ~4 715 mg/ L,毫摩百分?jǐn)?shù)為85. 94% ~89. 65%。TDS 含量為6 477. 64 ~13 997. 45mg/ L,屬于咸水—鹽水 。SiO含量為15. 11 ~21. 77mg/ L,偏硅酸含量為19. 64 ~ 28. 30 mg/ L,Sr 含量為4. 65 ~42. 7 mg/ L,Li 含量為0. 42 ~ 1. 55 mg/ L,可作為理療礦泉水 。同時(shí),水中的Fe、Mn、氯化物、硫酸鹽、TDS 等含量均超過(guò)了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006),說(shuō)明研究區(qū)館陶組地?zé)崴荒茏鳛樯铒嬘盟?/p>

2. 6 熱儲(chǔ)概念模型

根據(jù)前述地?zé)岬刭|(zhì)條件,參考前人地?zé)豳Y源量計(jì)算方法,將不規(guī)則的多斷塊的地質(zhì)形態(tài),簡(jiǎn)化為一個(gè)理想的幾何形態(tài),并建立由熱儲(chǔ)蓋層、熱儲(chǔ)層、地熱源等組成的熱儲(chǔ)概念模型,具體如圖3 所示。

山東省陽(yáng)信縣東部地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征及資源量評(píng)價(jià)-地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用-地大熱能 

3 地?zé)豳Y源量計(jì)算

3. 1 主要參數(shù)選擇

(1) 熱儲(chǔ)面積。熱儲(chǔ)面積按整個(gè)研究區(qū)面積515. 26 km考慮,同時(shí)根據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)條件和已有地?zé)峋?/a>揭露的館陶組砂巖層厚度及地溫梯度,將研究區(qū)劃分為11 個(gè)分區(qū)(圖4),各分區(qū)面積為19. 05 ~ 67. 11km不等。

(2) 熱儲(chǔ)層厚度。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料和物探資料,采用厚度近似加權(quán)平均值作為地?zé)豳Y源量計(jì)算的熱儲(chǔ)層厚度,為125 ~225 m。

(3) 熱儲(chǔ)溫度。利用蓋層地溫梯度及厚度來(lái)推算館陶組的熱儲(chǔ)溫度,可知熱儲(chǔ)溫度為50. 0 ~59. 3℃,總體較集中。

(4) 巖石和水的物理參數(shù)。根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ/ T 0331—2020)查得巖石密度、比熱容和地?zé)崴葻崛?,結(jié)果顯示本區(qū)館陶組熱儲(chǔ)巖石密度為2 600 kg/ m,比熱容為878 J/ (kg·℃);地?zé)崴葻崛萑。?186. 8 J/ (kg·℃)。根據(jù)區(qū)內(nèi)地?zé)峋?/a>測(cè)井資料等推測(cè)巖石孔隙度,然后根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ/ T 0331—2020)附錄插值求得地?zé)崴芏?,為983?7 ~988. 0 kg/ m。

(5) 熱儲(chǔ)層水頭高度。以區(qū)內(nèi)地?zé)峋粯?biāo)高的平均值作為本次計(jì)算的水頭標(biāo)高,然后根據(jù)館陶組頂面標(biāo)高計(jì)算熱儲(chǔ)層水頭高度,各分區(qū)水頭高度按近似加權(quán)平均取值,為889 ~1 069 m。

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(6) 熱儲(chǔ)回收率。根據(jù)《地?zé)?a href="http://4fav.cn/t/資源評(píng)價(jià).html" >資源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ/ T 0331—2020)附錄B. 2. 3 中有關(guān)規(guī)定,館陶組熱儲(chǔ)回收率定為25%。

(7) 熱儲(chǔ)層水動(dòng)力參數(shù)。根據(jù)本次抽水試驗(yàn)資料及區(qū)域地質(zhì)資料,確定熱儲(chǔ)層的滲透系數(shù)、給水度、彈性釋水系數(shù)取區(qū)內(nèi)地?zé)峋骄?,分別為1. 797 2 m/ d、0. 23、0. 000 21。

3. 2 計(jì)算結(jié)果

3. 2. 1 地?zé)豳Y源量計(jì)算結(jié)果

本文采用熱儲(chǔ)法計(jì)算熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的地?zé)豳Y源量,計(jì)算公式如下:

山東省陽(yáng)信縣東部地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征及資源量評(píng)價(jià)-地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用-地大熱能 

 

山東省陽(yáng)信縣東部地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征及資源量評(píng)價(jià)-地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用-地大熱能 

式中:Q 為熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的總熱量;Q 為巖石中儲(chǔ)存的熱量;Q 為地?zé)崴袃?chǔ)存的熱量;A 為計(jì)算區(qū)面積;M為熱儲(chǔ)層厚度;ρr 為熱儲(chǔ)巖石密度;c 為熱儲(chǔ)巖石比熱容;? 為熱儲(chǔ)巖石孔隙度;t為熱儲(chǔ)溫度;t為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?,?。保玻浮妫唬?為熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的水量;c 為地?zé)崴葻崛荩沪眩鳛榈責(zé)崴芏?;?sub>1 為截止到計(jì)算時(shí)刻,熱儲(chǔ)孔隙中地?zé)崴撵o儲(chǔ)量;W 為水位降低到目前取水能力極限深度時(shí),熱儲(chǔ)所釋放的水量(彈性?xún)?chǔ)量);μ 為熱儲(chǔ)層彈性釋水系數(shù);H 為計(jì)算熱儲(chǔ)起始點(diǎn)以上高度。經(jīng)計(jì)算,研究區(qū)館陶組熱儲(chǔ)層中的地?zé)豳Y源總量為9. 677 3 ×1018 J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤3. 302 0 ×108 t,其中巖石儲(chǔ)存熱量為5. 382 1 × 1018 J,地?zé)崴畠?chǔ)存熱量為4. 295 2 ×1018 J。從館陶組各計(jì)算分區(qū)儲(chǔ)存的熱量分布可以看出,巖石儲(chǔ)存的熱量均比地?zé)崴畠?chǔ)存的熱量多(圖5),巖石中儲(chǔ)存的熱量占熱儲(chǔ)總熱量的55.6%,是地?zé)崴畠?chǔ)存熱量的1. 25 倍。

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3. 2. 2 地?zé)崴刹少Y源量計(jì)算

(1) 單井可采資源量。按照《地?zé)?a href="http://4fav.cn/t/資源評(píng)價(jià).html" >資源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ/ T 0331—2020)附錄C. 3. 2,求取計(jì)算區(qū)地?zé)崴?a href="http://4fav.cn/t/開(kāi)采.html" >開(kāi)采量,計(jì)算公式為:


山東省陽(yáng)信縣東部地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征及資源量評(píng)價(jià)-地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用-地大熱能
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式中:Wwk為地?zé)崴?a href="http://4fav.cn/t/開(kāi)采.html" >開(kāi)采資源量;T 為導(dǎo)水系數(shù);s 為計(jì)算區(qū)中心水位降深;t開(kāi)采時(shí)間;R開(kāi)采半徑;Wwd為地?zé)崴畣尉刹闪?;?sub>2 為單井附加水位降深;R為單井控制半徑;r 為抽水井半徑。經(jīng)計(jì)算,研究區(qū)中心水位降深與單井開(kāi)采附加水位降深之和不大于100 m 的情況下,地?zé)崴_(kāi)采期限內(nèi)(100 a)的可采量可達(dá)到2 171. 31 萬(wàn)m / a,單井可采量為64. 66 萬(wàn)m / a??刹季?dāng)?shù)計(jì)算及合理井距。可布井?dāng)?shù)計(jì)算公式為:

山東省陽(yáng)信縣東部地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征及資源量評(píng)價(jià)-地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用-地大熱能 

式中:N 為可布井?dāng)?shù)。

計(jì)算結(jié)果表明研究區(qū)可以布設(shè)33 眼地?zé)峋?。其合理井距為?o:p>

山東省陽(yáng)信縣東部地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征及資源量評(píng)價(jià)-地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用-地大熱能 

式中:R′為單井開(kāi)采權(quán)益保護(hù)半徑。

按照單井開(kāi)采權(quán)益保護(hù)面積為矩形進(jìn)行計(jì)算,得出單井開(kāi)采權(quán)益保護(hù)半徑為1 975 m,則合理井距為3 950 m。


4 地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用建議

通過(guò)本次調(diào)查可知,區(qū)內(nèi)地?zé)崴隹跍囟葹椋矗?~53℃,主要用于取暖。地?zé)崴懈缓瑢?duì)人體健康有益的Sr、Li 和偏硅酸等微量元素,具有一定的醫(yī)療價(jià)值,可作為洗浴和理療保健用水。同時(shí)地?zé)崴V化度及Cl- 含量較高,屬咸水,不宜直接排放,不能作為農(nóng)田灌溉用水,但可以用于漁業(yè)養(yǎng)殖。區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用存在以下問(wèn)題:①缺少地?zé)峄毓?/a>井,未制定回灌方案,應(yīng)及時(shí)制定“以灌定采”措施,并確保回灌質(zhì)量;②利用方式單一,綜合利用程度較低,沒(méi)有形成地?zé)豳Y源的梯級(jí)開(kāi)發(fā)方式;③開(kāi)采布局不合理,現(xiàn)有地?zé)峋饕性诔菂^(qū)范圍,開(kāi)采時(shí)間段集中在采暖季節(jié),在時(shí)間、空間上過(guò)于集中。針對(duì)上述問(wèn)題,建議采取以下措施:①施工1 眼回灌井,利用地?zé)嵛菜?/a>回灌,在保證地?zé)豳Y源可持續(xù)開(kāi)發(fā)的同時(shí),解決尾水排放問(wèn)題;②對(duì)區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源采取梯級(jí)利用,以提高資源利用率;③加強(qiáng)地?zé)豳Y源管理,及時(shí)調(diào)整開(kāi)采布局,合理開(kāi)采利用地?zé)豳Y源,防止地?zé)豳Y源過(guò)度開(kāi)發(fā)利用。


5 結(jié)論

(1) 陽(yáng)信地區(qū)地?zé)豳Y源豐富,成因類(lèi)型為熱傳導(dǎo)型,最佳熱儲(chǔ)層為新近系館陶組砂礫巖層,屬層狀孔隙—裂隙型熱儲(chǔ),熱儲(chǔ)層頂面埋深940 ~ 1100 m,厚200 ~345 m,其中熱儲(chǔ)砂巖厚度為120 ~220 m。

(2) 通過(guò)地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià),估算館陶組熱儲(chǔ)中地?zé)豳Y源總量為9. 677 3 ×1018 J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤3. 302 0 ×108 t;地?zé)崴砷_(kāi)采量為2 171. 31 萬(wàn)m/ a,可布井33眼,合理井距為3 950 m。