章丘地热田地热资源量计算与评价

申中华，薛磊，韩琳，雷耀东，王光凯

(1.山东正元地质资源勘查有限责任公司，山东 济南 250101；2.泗水县自然资源和规划局，山东 济宁 273200； 3.山东省地质矿产勘查开发局801水文地质工程地质大队，山东 济南 250014)

地热资源是一种洁净的可再生、储量丰富、用途广泛、非常宝贵的综合性矿产资源，可用于发电、采暖、理疗、洗浴、温室及养殖。地热资源的勘查开发，对于合理利用自然资源，缓解能源紧张状况，促进经济可持续发展意义重大[1]。济南市东部齐河-广饶断裂以南地热资源属于受断裂构造控制的层状、带状热储类型，主要热储层为奥陶纪灰岩，分布于历城区和章丘市，其典型代表为章丘地热田(1)山东正元建设工程有限责任公司，申中华，隋海波，雷耀东等，济南市东部地热资源调查报告，2014年。。

1 地热田边界条件和热储模型

1.1 章丘地热田边界条件

章丘地热田具备层状热储和带状热储特征，彼此存在成生关系，地质构造条件比较复杂[2]。

1.1.1 北部边界

西北边界：以白云湖附近三叠系—白垩系不整合界线为界。不整合界线以北区域，有巨厚白垩系沉积，由于界线两侧岩性差异，不利于奥陶纪灰岩岩溶水向北运移。因此，将白云湖附近三叠系—白垩系不整合界线视为章丘地热田的西北边界。

东北边界：以齐河-广饶断裂为界，与沉积埋藏型地热田相接。齐河-广饶断裂是一区域性大断裂，控制着区域地层分布，断裂南部上新世明化镇组覆盖在中生代地层之上，缺失古近纪东营组和中新世馆陶组，新近系直接覆盖在古生代侏罗系、二叠系、石炭系和奥陶系之上，奥陶系埋深一般小于3000m；断裂以北有古近系和馆陶组巨厚沉积，且古近纪东营组厚度由南向北增厚。断裂面倾向N，落差2000m左右，局部可达2200m，奥陶系埋深在3000～5000m。因此，确定章丘地热田的北部边界为齐河-广饶断裂。

1.1.2 西部边界

北段以文祖断裂为界，断裂西盘相对下降，地层相对较新，东盘相对上升，地层相对较老，为一高角度张性断裂。断裂西侧奥陶系上部沉积较厚的白垩系、三叠系，热储层埋深大，地下水运动条件差，不利于地热流体运移，推测下部奥陶系岩溶发育条件较差。文祖断裂是一条阻水断层，是明水泉域的西边界、白泉泉域的东边界，该断层降低了两侧奥灰岩溶水的水力联系。因此，可以将文祖断裂视为章丘地热田北段的西边界。

南段以温家庄断裂为界，该断裂为区域深大断裂，断裂西侧奥陶系上部沉积较厚的白垩系、三叠系、侏罗系、石炭-二叠系，热储层埋深一般大于2000m，由于断层的阻隔作用以及两侧地层的岩性差异，降低了东部地热田热储层与西部之间的水力联系。因此，温家庄断裂可视为章丘地热田南段的西边界。

1.1.3 南部边界

西南边界以唐王断裂为界。唐王断裂倾向SW，为正断层，断裂上盘属地下水径流区，地下水径流循环条件好，不具备岩溶水滞留条件。因此，将唐王断裂作为章丘地热田的西南边界。

中南边界:综合区域地热地质条件分析，文祖断裂以西部分，石炭-二叠系界线以南，热储层埋深较浅，地下水温度较低，地热开发利用价值较小。因此该次工作确定以石炭—二叠系地质界线作为章丘地热田的中南边界。

东南边界为文祖断裂以东部分，综合区域地热地质条件分析，明水泉域北部边界为奥陶纪灰岩顶板埋深600m界线。章丘市区附近明水泉群、化肥厂水井，其岩溶水均为冷水，该区域处于明水泉域岩溶水径流区,地下水循环交替强烈，不利于成热。因此，该次调查工作确定，以奥陶纪灰岩顶板埋深800m界线为章丘地热田的东南边界。

1.1.4 东部边界

以明水断裂、辛寨-青阳附近不整合界线及章丘市东北部岩浆岩界线为界。北段为明水断裂、辛寨-青阳不整合界线的东侧奥陶系上部沉积较厚的白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系，热储层埋深一般大于2000m，由于断裂的阻挡作用、两侧地层的岩性差异等，降低了地热田热储层与东部地层之间的水力联系；南段为岩浆岩界线以西奥陶系上覆石炭系、二叠系、侏罗系，由于岩浆岩体的阻挡作用，阻断了奥灰岩溶水向东北部运移，有利于地下水的汇集。

1.2 热储模型

章丘地热田可概化为由热储层、盖层、通道和热源组成的地热模型(图1)[3-5]。

1.2.1 热储层

奥陶纪马家沟群灰岩、寒武-奥陶纪九龙群灰岩和寒武纪长清群灰岩组成了该区主要热储层，热储层裂隙岩溶较发育，具有较好的储水空间和运移通道。受区域构造控制，热储埋藏深度由南至北逐渐增大，热储层温度也相应升高。

1.2.2 盖层

新生代第四系松散沉积层、新生代新近系、中生代侏罗系、中生代三叠系、二叠系和石炭系构成下伏基岩热储层的保温层。

1—第四系；2—三叠系；3—二叠系；4—石炭系;5—奥陶纪马家沟群；6—寒武系图1 章丘地热田奥陶纪灰岩热储概念模型图

1.2.3 通道

在南部山区与齐河-广饶断裂之间分布规模较大的两组断裂，NNE向断裂，如历城断裂、鸭旺口断裂、港沟断裂、温家庄断裂等；NNW向断裂，如东坞断裂、文祖断裂、明水断裂等。区内一些断裂本身也具有导水性，沟通了深部与浅部的联系，使深部地下热水能够向浅部运移和聚集，是地热流体与深部热源沟通的通道。

1.2.4 热源

主要包括大地热流和断裂的附加供热。大地热流为其主要热源，一部分来自地壳深部8～16km的花岗岩中的放射性元素衰变释放的地壳热流，一部分来自于上地幔热流，供热方式为热传导。

2 主要参数选择

在综合分析热储的空间分布、边界条件和渗透特征，研究地热流体的补给和运移规律，研究地热的成因、热传导方式、地温场特征，并在建立地热系统概念模型的基础上进行[3-5]。主要参数选择分别计算热储中的地热储量、储存的地热流体量、地热流体可开采量及可利用的热能量。

2.1 热储面积

按照热储层埋深、章丘地热田的边界所圈定的范围确定计算分区，各计算分区内根据勘查工程控制程度、地质构造情况又分为几个亚区，储量计算分区见图2，储量计算分区面积(表1)[6-7]，由于Ⅲ区奥陶系埋深大于2000m，研究程度较差、成井风险较高，因此不作为该次工作的计算范围。

需要注意的是，虽然重组tPA及其变异体都属于tPA，但其溶栓治疗的疾病有所不同。阿替普酶于1987年获美国FDA批准用于治疗急性心肌梗死，之后又于1996年获美国FDA批准用于治疗AIS和急性肺动脉大栓塞。瑞替普酶和替奈普酶分别于1996年和2000年获美国FDA批准仅用于治疗急性心肌梗死。

表1 章丘地热田储量计算分区统计

1—奥陶系热储埋深800m以浅区；2—奥陶系热储埋深2000m以浅区；3—奥陶系热储埋深大于2000m区；4—储量计算分区编号；5—C-P地质界线；6—断层；7—岩浆岩界线；8—角度不整合界线；9—奥陶系埋深等值线；10—明水泉域边界图2 储量计算分区图

2.2 热储层厚度

储厚度依据已施工地热井实际热储层厚度平均值确定(2)山东省地矿工程勘察院，山东省济南市历城区坝子地热单井地质报告，2006年。(3)山东省地质环境监测总站，山东省章丘市枣园桃花山地热资源普查报告，2011年。，由已施工的章桃1地热井得知热储层厚度为48.77m。对没有控制钻探孔的区域，取相邻区域热储层厚度最小值，由章丘地热田相邻的济北地热田可知热储层厚度平均值为131.94m。

2.3 热储温度

有地热井的计算区，利用已有地热井温度推算温度的平均值；无地热井的计算区，利用该区盖层地温梯度平均值和盖层平均厚度进行推算[8]。其中，Ⅰ区根据地温梯度推算和相邻地区地热井实际温度推测取38℃，Ⅱ-1区、Ⅱ-2区、Ⅱ-3区和Ⅱ-4区根据地温梯度推算和济北地热田热储埋深800～2000m的井口实际温度平均值取51.6℃。

2.4 岩石和水的物理参数

根据《地热资源评价方法》(DZ40-85)，热储岩石和水的平均热容量由下列公式计算得出[9]：

C均=ρc×Cc×(1-ψ)+ρw×Cw×ψ

(1)

式中：ρc，ρw—岩石和水的密度(kg/m3)；Cc，Cw—岩石和水的比热容(kcal/kg·℃)；φ—岩石的孔隙度(%)。各项参数取值主要来源于DZ40-85《地热资源评价方法》中有关要求、经验值及区域地质报告中的实测值。其中，岩石密度为2690kg/m3，比热为920J/kg·℃，孔隙度为5.5%；热水密度为992.96kg/m3，比热为4180J/kg·℃，温度为38℃。

2.5 热储层水动力参数

热储层水动力参数包括渗透系数(K)、导水系数(T)、贮水系数(μ*)等，利用区内地热井抽水试验资料[9]和相关公式求其平均值，计算结果如表2所示。

表2 热储层水动力参数计算结果

3 地热资源计算

3.1 地热能资源量计算

3.1.1 计算公式

依据地热地质条件及章丘地热田勘查研究程度，采用热储法[6，10]计算地热资源量，公式为[6]：

Q=Qr+Qw

Q=AdρrCr(1-ψ)(tr-t0)

QL=Q1+Q2

Q2=Aμ×H

Qw=QLCwρW(tr-t0)

(2)

式中：Q—热储中储存的热量(J)；Qr—岩石中储存的热量(J)；QL—热储中储存的水量(m3)；Q1—截止到计算时刻，热储孔隙中热水的静储量(m3)；Q2—水位降低到目前取水能力极限深度时热储所释放的水量(m3)；QW—水中储存的热量(J)；A—计算区面积(m2)；d—热储厚度(m)；ρr—热储岩石密度(kg/m3)；cr—热储岩石比热(J/kg·℃)；φ—热储岩石的空隙度(无量纲)；tr—热储温度(℃)；t0—当地年平均气温(℃)；ρw—地热流体密度(kg/m3)；μ*—贮水系数(无量纲)；H—计算起始点以上高度(m)；cw—水的比热(J/kg·℃)。

3.1.2 计算结果

计算参数取经验值[6]并通过试验、测试取得，该次计算ρr取2700kg/m3，取920 J/kg·℃。将上述参数代入热储法公式分别计算各区的资源量，在章丘地热田Ⅰ,Ⅱ计算分区385.225km2范围内，地热资源总量为1.337×1018J，折合标准煤0.4562×108t(表3)。

3.2 地热流体可开采量计算

3.2.1 计算公式

一般的地热流体可采量计算主要有热储法、解析法、统计分析法和数值模拟法等4种方法[12]。章丘地热田地热流体运动滞缓[13]，是具有一定补给的地热田，采用解析法中的开采强度法[13-14]计算可开采量较符合地下水动力学原理。该次计算按照设计开采服务年限100年，根据《地热资源地质勘查规范》(GB11615-2010)规范要求，开采区中心部位最大允许压力降低值取0.3MPa[6]。

表3 章丘地热田地热资源量计算结果

将章丘地热田各计算分区概化矩形面积(图3)，在矩形开采区内，任取一点(ξ，η)为中心，取一微分面积dF=dξdη，并把它看成开采量为dQ的一个点井，在此点井的作用下，开采区内外将形成水位降深的非稳定场，对任一点引起的水位降深dS，可用下列公式计算：

(3)

式中：dQ—开采量；τ—计算时刻；T—导水系数；a—压力传导系数；t—时间；r—点井到点A(x,y)的距离。

图3 概化的矩形开采区示意图

图中，r2=(x-ξ)2+(y-η)2，设开采强度为ε，则dQ=εdξdη，同时置换T=αμ*，μ*为贮水系数(弹性释水系数)。代入公式(3)，并在矩形区内积分，即得到A点的总水位降深：

s*(α2,β1)s*(α2,β1)]

(4)

地热流体可开采量可表示为：

Q=ε·A

(5)

式中：Q—可开采量(m3/d)；A—开采区面积(km2)。

由于地热能资源量不可能全部被开采出来，只能开采出一部分，因此，二者的比值称为回收率，用以下公式表示：

RE=Qwh/QR

(6)

式中：RE—回收率；Qwh—开采出的热量，即从井口得到的热量；QR—埋藏于地下热储中的地热资源量。

3.2.2 计算结果

在进行地热资源评价时，碳酸盐岩裂隙热储回收率一般取0.15。为了合理确定章丘地热田地热流体的可开采量，采用地热资源量与地热流体开采产生热量对比，按照回收率对地热流体可开采量进行修正，将修正后的估算结果作为地热流体的可开采量[14]。综合以上计算分析，得出章丘地热田地热流体可开采量为6620.56m3/d。

3.3 地热田产能计算

3.3.1 计算公式

依据地热流体可开采量所采出的热量，按公式计算地热田的产能(热能或电能)[6]。

Wt=4.1868Q(t-t0)

(7)

式中：Wt—热功率(kW)；Q—地热流体可开采量(L/)s；t—地热流体温度(℃)；t0—当地年平均气温(℃)；4186.8—单位换算系数。

将有关参数代入公式(7)，得到章丘地热田产能Wt=1.083×104kW=10.83MW。

章丘地热流体年开采累计可利用的热能量计算公式如下：

∑Wt=86.4DWt/K

(8)

式中：∑Wt—开采一年可利用的热能(MJ)；D—全年开采日数(按24h换算的总日数，d)；Wt—计算得出的热功率值(kW)；86.4—单位换算系数；K—热效比(按燃煤锅炉的热效率0.6计算)。

3.3.2 计算结果

取D=365，K=0.6，计算得出章丘地热田年开采累计可利用的热能量为5.690×108MJ，折合标准煤1.941×104t/a。

4 地热资源及其开发利用评价

4.1 地热资源计算结果的评价

该文对章丘地热田地热资源计算所采用的热储法，不仅适用于松散岩类地区，也适用于基岩区[11,15]，章丘地热田的热储模型和相关参数均通过前人资料的分析研究、野外试验和实测数据，可得区内无钻探孔的情况下参考当地经验数据，计算方法简便可行，为今后章丘地热田地热资源量的开发利用潜力评价提供了数据支持。

(1)地热流体资源可开采量是进行地热开发设计和总体规划的依据。章丘地热田内热水井开采必将引起水头压力降低，该次工作采用最大允许压力降低值0.3MPa，对地热流体资源可开采量进行了计算，并通过回收率对可开采量进行修正。根据现状条件下地热流体实际水头高度一般高出地面数米，设计最大允许压力降低0.3MPa就目前的经济条件、开采技术和提水设备是完全可以达到的，也是切实可行的。

(2)章丘地热田地热资源总量为1.337×1018J，地热流体可开采量为6620.56m3/d。可开采地热资源量与采水产生热量对比见表4，地热流体100年可开采总量所能采出的总热量为5.690×1016J，仅占地热田热储中储存热量的4.26%。从热量的角度来说，地热流体可采资源量能够得到保证[9,16]。

4.2 地热资源的开发利用评价

4.2.1 地热采暖

章丘地热田地热流体温度一般在35～43℃，将水温控制在38℃左右，利用低温地热流体进行地板式采暖完全可行。

表4 可利用地热资源量与采水产生热量对比

4.2.2 温泉洗浴、理疗

章丘地热田地热流体中富含氟、锂、锶、硫化氢、偏硼酸、偏硅酸等多种微量元素和组分，具有一定的理疗和保健作用。依托温泉浴疗，可以开发游泳馆、嬉水乐园、康乐中心、会议中心、疗养中心、温泉饭店、温泉度假村、高级宾馆等一系列娱乐旅游项目。

4.2.3 种植、养殖

依托章丘地热田资源和已施工地热井，建造温泉温室，种植名优花卉、特种蔬菜、培养菌种等，也可以用来发展旅游农业、渔业养殖等。

4.3 地热资源的保护

章丘地热田地热资源利用结构单一，缺乏综合利用、梯级开发。地热资源的开发利用会引起一系列环境问题，应合理开发利用和保护地热流体资源，保障地热流体资源的健康可持续利用。为了保护地热资源和环境，必须统一部署，统一规划，综合管理。比如，统一规划、制定完善的管理办法；综合开发利用，提高地热流体资源利用技术和利用水平；建立区域地热流体资源监测系统；提高环保意识，制定尾水、废水达标排放标准及措施等。

5 结论

(1)章丘地热田总面积为468.524km2，在计算分区Ⅰ，Ⅱ区385.225km2范围内，地热资源总量为1.337×1018J，折合标准煤0.4562×108t。按照最大允许压力降低值0.3MPa计算，章丘地热田热储地热流体资源可开采量为6620.56 m3/d。按照地热流体可开采量计算的地热田产能为10.83MW，年开采累计可利用的热能量为5.690×108MJ，折合标准煤1.941×104t/a。

(2)该次计算与评价为章丘地热资源的勘查、开发和科学合理的规划利用提供了数据支撑，对带动当地经济发展，构建能源节约型社会提供借鉴。