地熱資源是一種蘊藏在地球內(nèi)部分布廣泛、穩(wěn)定可靠、儲量豐富的可再生能源，它具有分布廣、清潔、可直接利用等優(yōu)點。我國開發(fā)利用地熱已有兩千多年的悠久歷史，是世界上利用地熱能較早的國家之一。地熱能的合理開發(fā)利用有利于資源節(jié)約型環(huán)境優(yōu)化型社會的構(gòu)建，對落實碳達峰、碳中和目標具有重要意義。大力推進地熱資源勘查開發(fā)，提高地熱資源利用效率，對于國家調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解能源供需壓力、應對氣候變化均有重要作用。通許縣地處通許凸起的中西部，新生界( 大部分地區(qū)缺失古近系) 熱儲層直接覆蓋于古生代二疊系之上。熱儲層蓋層主要為第四系黏土、粉質(zhì)黏土、粉土夾細砂、細砂層及砂礫石層，其次為新近系上部黏土、 粉質(zhì)黏土與粉細砂巖層，總厚度約為 300 m。蓋層黏性土厚度大、較穩(wěn)定、熱阻率高，具較強的隔熱性能，為良好的保溫蓋層。熱源為來自地球深部的熱能，傳導方式主要是巖石的熱傳導，巖體的熱量再傳輸給深埋的地下水，形成地熱流體。通許縣域內(nèi)分布有80 余口地熱井，成井深度一般為 800 ～ 1 000 m，均開采新近系熱儲，其用途多以溫泉洗浴為主。本次重點研究了通許縣地熱地質(zhì)條件、熱儲結(jié)構(gòu)和熱儲層特征，對通許縣中深層地熱資源進行了資源分區(qū)和潛力分析。研究成果為通許縣地熱資源的開發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

1. 1 地層

通許縣區(qū)域上被新生界覆蓋，基底為石炭—二疊系碎屑巖。地層除缺失古生界志留系、泥盆系和 中生界三疊系、侏羅系、白堊系外，其余發(fā)育較齊全( 表 1) 。

1. 2 地質(zhì)構(gòu)造

通許凸起呈東西向展布于尉氏—通許—商丘一帶( 圖 1) 。北側(cè)西、東部分別以中牟—民權(quán)斷裂及新鄉(xiāng)—商丘斷裂為界與開封凹陷及菏澤凸起為鄰，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。通許凸起為嵩箕山脈的東延，地質(zhì)構(gòu)造特征與嵩箕山區(qū)相似，斷裂構(gòu)造將基底切割成支離破碎的斷塊狀，局部形成新生代小斷陷，差異性升降幅度較小。

通許縣位于通許凸起的中西部，地層總體傾角較緩，一般在 0° ～ 5°，構(gòu)造簡單。周邊對通許縣地熱地質(zhì)條件影響較大的斷裂有半坡—水坡斷裂、朱仙鎮(zhèn)斷裂、尉氏—扶溝斷裂、崔橋斷裂。

圖 1 區(qū)域構(gòu)造綱要

Fig. 1 Outline of regional structure

( 1) 半坡—水坡斷裂( F3 ) 。由半坡南、水坡西北緊鄰通許縣邊界通過，走向 NE，傾向 NW，延伸長度約 40 km，為一正斷層。

( 2) 朱仙鎮(zhèn)斷裂( F4 ) 。由朱仙鎮(zhèn)東側(cè)通過，走向 NE，傾向 NW，延伸長度約 32. 5 km，為一正斷層。該斷層構(gòu)成通許—睢縣地熱田的西北部邊界。

( 3) 尉氏—扶溝斷裂( F5 ) 。由尉氏東經(jīng)扶溝東至淮陽西，走向 NNW，傾向 SW，傾角84° ～ 86°，延伸長度約 105 km，為一正斷層。

( 4) 崔橋斷裂( F6 ) 。由崔橋南側(cè)通過，走向近EW，傾向 S，延伸長度約 35 km，為一正斷層。該斷層構(gòu)成通許—睢縣地熱田的南部邊界。

2 地熱資源特征

2. 1 地熱地質(zhì)條件

( 1) 地熱田邊界。通許縣地處通許—睢縣地熱田的中西部，總體活動特征表現(xiàn)為斷塊的隆起作用。 通許縣周邊無區(qū)域性深大斷裂，基本不受周邊斷裂影響，四周均為過水邊界，北部、西部為弱補水邊界，東部及南部為弱泄水邊界。

( 2) 地溫場特征。通許縣恒溫帶深度為 12 ～ 18m。本次計算取下限 18 m，溫度為 16. 1 ℃。地溫梯度一般在 2. 6 ～ 3. 9 ℃ /hm，不同區(qū)域存在一定差異。豎崗—大崗李—邸閣一帶地溫梯度大于 3. 4℃ /hm，四所樓—練成—玉皇廟一帶地溫梯度大于3. 8 ℃ /hm，通許縣城地溫梯度在 3. 4 ～ 3. 6 ℃ /hm( 圖 2) 。

圖 2 通許縣地溫梯度分布

Fig. 2 Geothermal gradient distribution of Tongxu County

2. 2 熱儲結(jié)構(gòu)

( 1) 熱儲層。熱儲層有新近系( 明化鎮(zhèn)組、館陶組) 、寒武—奧陶系( ∈-O) 。新近系熱儲具中部及北部厚度大的特點，寒武—奧陶系熱儲頂板埋深1 750 ～ 2 300 m，由東北向西南逐步變淺。

( 2) 熱儲結(jié)構(gòu)。通許縣 3 000 m 以淺，熱儲層結(jié)構(gòu)為新近系、寒武—奧陶系雙層熱儲結(jié)構(gòu)。

3 熱儲層特征

中深層地熱資源主要為新近系孔隙熱儲層和寒武—奧陶系巖溶裂隙熱儲層。其中新近系孔隙熱儲 層是地熱流體的主要開采層位，儲水巖層主要為細砂巖、粉細砂巖，局部為中粒砂巖。隔水層巖性為厚層黏土及粉質(zhì)黏土、泥巖。地熱流體儲層 25 ～ 29 層，單層厚度 3. 5 ～55. 0 m，累積總厚平均 300 ～400 m。

( 1) 新近系孔隙熱儲層。明化鎮(zhèn)孔隙熱儲全區(qū)域均有分布，被厚度較大的第四系覆蓋。熱儲頂板 埋深 300 ～ 400 m，底板埋深 900 ～ 1 000 m。地熱流體的水化學類 型 以 HCO3-Na 為 主，pH 值 7. 07 ～7. 26，屬弱堿性水; 硬度 26. 1 ～ 37. 0 mg /L，屬軟水; 可溶性總固體 672. 4 ～ 724. 5 mg /L，H2 SiO3 含量 ＞ 25 mg /L?，F(xiàn)狀開采條件下水位埋深 36. 95 ～ 71. 14 m，單井產(chǎn)量為 25 ～ 90 m3 /( d·m) 。該層地熱水處于深循環(huán)過渡區(qū)。館陶組熱儲層頂板埋深 900 ～ 1 000 m，厚度250 ～ 350 m，底板埋深 1 200 ～ 1 350 m。含水介質(zhì)主要為半膠結(jié)細砂巖、中細砂巖。地熱流體的水化學類型以 HCO3-Na 和 HCO3·SO2 － 4 -Na 為主，pH 值 7. 01 ～ 7. 35，屬弱堿性水; 硬度 28. 3 ～ 263 mg /L，屬軟水; 可溶性總固體 801. 4 ～ 1 072 mg /L，H2 SiO3 含量 ＞25 mg /L。水位埋深42. 93 ～63. 54 m，井口水溫 40～56 ℃。單井產(chǎn)能為15 ～200 m3 /( d·m) 。該層水處于深循環(huán)過渡區(qū)。

( 2) 寒武—奧陶系巖溶裂隙熱儲層。奧陶系巖溶裂隙熱儲層頂板埋深由西北向東南逐漸變淺，在 大崗李—四所樓一線以南頂板埋深小于 2 000 m，其余地段頂板埋深均大于 2 000 m。 寒武—奧陶系熱儲地熱流體的水化學類型以Cl-Na 型為主，pH 值 7. 39 左右，屬弱堿性水; 硬度大于 1 000 mg /L，屬硬水; 可溶性總固體 6 541 mg /L。 陰離子以 Cl － 為主，陽離子以 Na + 為主。H2 SiO3 含量 35 mg /L，硼酸鹽 4. 1 mg /L，鋰含量 2. 9 mg /L，鍶11. 64 mg /L。該層地熱水與外界交換極弱，循環(huán)更替緩慢。

3 地熱資源潛力分析

3. 1 資源分區(qū)

通許縣地處同一地質(zhì)構(gòu)造背景，無大的斷裂構(gòu)造，地質(zhì)條件差異不大，依據(jù)寒武—奧陶系熱儲層埋藏深度、熱儲厚度將通許縣劃分為 2個區(qū)( 圖3)。①Ⅰ區(qū):大崗李—四所樓以北區(qū)域,奧陶系頂板埋深大于2 000 m。②Ⅱ區(qū):大崗李—四所樓以南區(qū)域,奧陶系頂板埋深小于2 000 m。

圖3中深層地熱資源分區(qū)

Fig.3 Zoning of geothermal resources in middle and deep layers

3.2潛力分析

(1)分析方法。根據(jù)評價原則及熱儲概念模型,新近系和寒武—奧陶系地熱流體可開采熱水資

源評價方法采用水頭允許降深法。

(2)計算公式。中深層熱儲層儲存的熱水資源包括含水介質(zhì)(砂巖)和相對隔水層(泥質(zhì)巖)兩部

分,熱能量包括熱水蘊含熱能、巖石所包含熱能及熱流補給。

3.3井間距論證

3.3.1邊界條件

根據(jù)新近系熱儲層地熱流體的地熱地質(zhì)特征,賦予合適的初始邊界水頭值,使模型驗證流場符合實測水頭等值線。模型頂部主要為第四系黏土、粉質(zhì)黏土、細砂層及砂礫石層,總厚度約為400 m。蓋層黏性土厚度大,隔水性能較好,可視為隔水邊界。底部邊界為基巖,上下地層水力聯(lián)系較弱或無水力聯(lián)系,故將底部邊界設為隔水邊界。熱源主要為深部大地熱流,模型的底部受到深層熱源傳來的熱量,頂部向上傳遞一部分熱量。因此將模型的底部邊界設為定溫度邊界,頂部地表劃分一層18 m厚且溫度為16.1℃的常溫層,由溫度等值線在QGIS中矢量化后,通過軟件自帶的插值功能賦值到模型底板。

3.3.2模型分層

三維高程模型。模型共分為第四系上覆層、新近系館陶組和新近系明化鎮(zhèn)組三層,其中新近系館陶組和新近系明化鎮(zhèn)組為本次主要研究熱儲層。利用收集到的物探成果資料和水文地質(zhì)資料,將各層等高線在QGIS中矢量化并插值賦到各層底板。最終所建三維模型如圖4所示。

(2)網(wǎng)格劃分。回灌井和抽水井按照一抽兩回的平行方式布置(圖5),對回灌井和抽水井所在的點位進行加密處理。

(3)地質(zhì)參數(shù)選取。新近系地層在成巖過程中內(nèi)外界條件較為穩(wěn)定,故暫不進行分區(qū)刻畫,僅將其做單一整體來進行刻畫。綜合抽水試驗資料及相關(guān)經(jīng)驗值。

(4)模型的識別與驗證。模型識別是地下水數(shù)值模擬中極為重要的一項工作,需要對通許縣的水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件、源匯項等反復調(diào)整,使得計算水位與模擬水位擬合。根據(jù)本次模擬研究的需要以及收集的資料,以2019年5月—2020年7月為模型綜合識別驗證期,以2020年7月流場作為模擬流場擬合驗證的目標,經(jīng)過“對照—調(diào)參”的參數(shù)循環(huán)優(yōu)化模型流場。模擬流場各觀測點水位的實測值與模擬值,誤差均符合《地下水資源管理模型工作要求》(GB/T 14497—1993)中對水位擬合的要求,所建地下水模型可用于后續(xù)模擬研究。本次模擬假設模擬期內(nèi)地熱井溫度保持不變,底板采用定溫度邊界。將模擬溫度與收集到的實測資料對比,模擬溫度場溫度和實測溫度差值在±0.5℃以內(nèi)。

(5)熱突破。本次模擬在抽水井溫度下降1℃時視為發(fā)生熱突破。對50、75、100 m3/h三種回灌量,15℃和20℃兩種回灌溫度,250、350、450 m三種井間距進行模擬。

4結(jié)語

本文通過對通許縣所處區(qū)域地質(zhì)條件、地熱地質(zhì)條件、熱儲層結(jié)構(gòu)和熱儲特征的分析研究。對通許縣中深層地熱資源進行了分區(qū),并依據(jù)《地熱資源評價方法及估算規(guī)程》(DZ/T0331—2020)計算了不同熱儲層的地熱資源量、回灌條件下可采量,并對不同抽灌井井間距、抽灌量、回灌溫度進行了模擬論證。結(jié)合通許縣地熱地質(zhì)條件,給出了合理的抽灌井井間距,為通許縣后續(xù)地熱資源的開發(fā)利用提供了依據(jù)。