开封凹陷区深层地热资源评价

孙军胜，白何领，潘飞飞

（1.河南省金属矿产深孔钻探工程技术研究中心，河南 郑州 450000；2.河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院，河南 郑州 450000）

地热资源是具有用途广泛的环保新能源。开发利用地热资源有利于构建资源节约型和环境友好型社会，优化能源结构，对于促进节能减排目标的实现及提高人们生活质量具有重要意义[1-3]。在开封市委、市政府的大力支持下，紧紧围绕开封市经济社会发展，充分发挥地质工作的技术支撑作用，努力破解发展中的资源环境问题，助力开封市实现高质量发展。开封市作为河南省重要城市，其处于开封凹陷区的核心部位和中心区域，地热井分布密度大，地热工作研究程度高，地热供暖有一定的基础，作为城市集中供暖对象研究，具有较强的代表性和示范作用[4-6]，因此本次研究以开封市区为例，对开封凹陷区深层地热资源进行了评价，研究为开封市地热集中供暖提供技术依据。

1 区域地质

1.1 区域地层

开封凹陷盆地自下而上沉积了古近系、新近系、第四系。

（1）古近系（E）。古近系划分为沙河街组和东营组，顶板埋深在开封为2 000 m以下、底板埋深在兰考、封丘延津一线较大，约为4 000～6 500 m。开封地区新生界地层柱状见表1。

表1 开封地区新生界地层柱状Tab.1 Cenozoic stratigraphic columnar in Kaifeng area

（2）新近系（N）。新近系划分为馆陶组和明化镇组，顶板埋深在300 m以下，底板埋深在开封市南部约为1 685 m、北部约为1 700 m以下。

（3）第四系（Q）。主要为古河流和黄河历次泛滥改道沉积物，开封次凹陷第四系底板埋深280～400 m。①下更新统（Q1）。岩性为棕色、棕黄色粉质黏土、黏土及细砂、粉砂、中砂，砂层单层厚3～8 m，最大可达14 m。属冰湖—河湖相地层，厚度为50～150 m，底板埋深280～400 m。②中更新统（Q2）。岩性为棕黄色、棕红色粉质黏土、黏土及中砂、粉细砂，砂层单层厚2～8 m，最大可达18 m。属冲洪积层，厚度100～120 m，底板埋深200～260 m。③上更新统（Q3）。岩性为黄灰色、黄褐色粉质黏土、粉土及中砂、细砂，砂层单层厚2～7 m，最大可达20 m。属冲洪积层，厚度80～100 m，底板埋深100～140 m。④全新统（Q4）。黄河泛流平原冲积层岩性为黄褐色、灰黄色粉质黏土、粉土及粉砂、细砂，砂层厚20～30 m，底板埋深30～50 m。风积层呈砂丘、砂垄、平砂地的形式堆积于地表，岩性均为细砂、粉细砂，厚度1～8 m。

1.2 地质构造

1.2.1 基底褶皱构造

研究区基底褶皱构造主要有济源—开封凹陷、通许凸起和嵩箕台隆等。区域地质构造如图1所示。研究区地处济源—开封凹陷的开封次凹陷内。

（1）济源—开封凹陷。开封次凹陷位于原阳、开封、民权一带，面积约3 829 km2，呈北西—南东向展布，南、北、东界分别为郑州—民权断裂、新乡-商丘断裂、睢县断裂。本区构造线为近东西向，断裂较发育，主要有近EW向、NE向及NW向，受焦作—商丘断裂长期活动影响，使凹陷呈现北深南浅的箕状断凹或凹陷。新生界沉积厚度开封次凹中心最大厚度达6 000 m以上。

（2）通许凸起。呈东西向展布于尉氏—通许—商丘一带，面积约12 000 km2。北侧西、东部分别以中牟—民权断裂及新乡—商丘断裂为界与济源—开封凹陷及荷泽凸起为邻，东以济阳断裂为界与永城断褶带相邻，南侧大致以临颍—周口—柘城一线为界与周口凹陷相邻，西至嵩箕山前。

（3）嵩箕台隆。基底为太古界登封群和下元古界嵩山群，盖层为中、上元古界及古生界。构造具有明显的双层结构特点，基底构造线方向呈南北向，盖层构造线与基底构造线方向近直交，呈近东西向。盖层褶皱有嵩山复背斜、登封—新密复向斜、箕山复背斜等，呈两背斜山夹一向斜谷形态。嵩山、箕山背斜向东倾没入平原区新生界地层下，与通许凸起基底地层相连。本区断裂构造比较发育，主要有近EW向、NW向和NE向3组。近EW向断裂为高角度正断层，规模稍大。NE向和NW向断裂，为平推正断层，使近东西向构造发生位移。

图1 区域地质构造Fig.1 Regional geological structure

1.2.2 断裂构造

研究区断裂构造主要断裂有朱仙镇断裂、半坡—水坡断裂、祥符—刘店断裂、开封断裂、兰考—东明断裂等。

（1）朱仙镇断裂。由朱仙镇东侧通过，走向NE，北东盘为上升盘，倾向NW，长约32.5 km，性质不清。该断层构成通许—睢县地热田的西北部边界。

（2）半坡—水坡断裂。由半坡南、水坡西北紧邻通许边界通过，断层两侧地层均为二叠系上石盒子组，走向NE。

（3）祥符—刘店断裂。由祥符区东侧和刘店通过，走向NW，过祥符区后断裂深度增加，埋深超过3 km，研究区内长约50 km。

（4）开封断裂。由开封市南侧通过，走向SE，倾向NW，研究区内长约52 km，可能为阶梯状构造。

（5）兰考—东明断裂。走向NE，倾向NW，一级区域性断裂，东濮断陷东部边界断裂，河道东岸，控制兰考下游河流流向。

2 地热资源评价原则和热储概念模型

2.1 地热资源计算与评价原则

根据本区地热地质条件，拟定地热资源计算、评价的原则。

（1）该区地热资源属盆地低温传导热水型，地热能以水为载体，利用开采热水资源而实现，地热资源评价以分布广，以具有一定开发价值和前景的新近系热储层为主要对象。新近系热储2 200 m以深资源因埋藏较深，缺乏相关资料，此次进行估算。

（2）此次评价，考虑地热流体主要为地层沉积时形成，现状动态补给微弱，根据现有资料及评价性质，计算不考虑周边动态补给。

（3）地热资源计算包括储存资源（热水储存量仅计算容积储量）和可采资源2部分，分别计算二者相应的热水量和热能量，分区、分层进行评价。

（4）采用“最大允许降深法”，以区域水头平均下降100 m，计算地热流体可采资源量。

（5）地热流体可采资源量（可开采热水量及其所含热能量）评价以50年为开采年限。

2.2 热储概念模型

研究区各个分区内热储层处于同一大地构造背景，主要为新近系热储为砂（砂岩）孔隙含水岩组、古近系热储为孔隙裂隙含水岩组。各个分区内岩性较为均一、厚度变化不大，热储层间为相对隔水的黏性土（或泥岩），垂向视为无越流作用；侧向径流微弱，开采主要为消耗含水砂层弹性储量。

结合前述本次工作所取得的地热地质调查、地球物理、地球化学、水文地质试验和测试资料，研究区各个分区（亚区）内热储概念模型可以概化为均质、各向同性、无限边界，各热储垂向上无越流（上、下各有一个相对隔水的泥岩层）的承压含水层水文地质模型。

结合区域地质资料综合分析，建立研究区热储概念模型。

3 地热资源计算分区和参数确定

3.1 计算分区

（1）分区依据。结合研究区构造和物探解译构造结果，研究区内存在的开封断裂和祥符—刘店断裂把研究区切割为4个区块，各个区块内含水层厚度、埋藏条件明显不同，故将研究区分为4个区块进行计算。其中，Ⅳ区内又存在郑州—民权断裂，断裂两侧馆陶组热储层顶底板埋深相差150 m左右，所以又把Ⅳ区划分为2个亚区。

（2）分区结果。参考分区依据，全区划分为4个计算区.其中Ⅳ区分为2个亚区，如图2所示。各分区面积及含、隔水层见表2。

3.2 参数确定

（1）计算面积。根据各热储层在相应计算区的沉积分布，厚度变化，由计算机分别量取面积，详见表2。

（2）热储层厚度。根据本次物探资料解译成果，并结合该区钻孔资料进行修正，各个区内计算厚度取该区所有点修正后结果的平均值；缺乏钻孔资料的地段，类比附近区块计算得出，详见表2。

图2 地热资源计算分区Fig.2 Geothermal resource computing partition

表2 热储分区各个含水层平均厚度Tab.2 Average thickness of each aquifer in the thermal storage area

（3）计算层平均温度及基准温度。平均温度依据计算层平均深度及平均地温梯度值计算求取；基准温度根据浅层测温资料确定，取16.0 ℃。研究区热储层埋深及温度统计见表3。

（4）新生界砂岩及泥岩孔隙率。依《中国地热资源分布特点及潜力评估》根据华北地区12口钻孔资料建立的新生界砂岩、泥岩孔隙率—深度统计曲线（图3），结合《河南省地热、矿泉水资源调查报告》、《豫北平原地热资源调查报告》、《开封凹陷区地热资源调查报告》给定的新生界砂岩及泥岩孔隙率，考虑本区实际，综合确定。研究区砂岩及泥岩孔隙率取值见表4。

表3 研究区热储层埋深及温度统计Tab.3 Buried depth and temperature statistics of thermal reservoirs in the study area

图3 新生界砂岩、泥岩孔隙率—深度统计曲线Fig.3 Cenozoic sandstone and mudstone porosity-depth statistical curve

表4 研究区砂岩及泥岩孔隙率取值Tab.4 Value of sandstone and mudstone porosity in the study area

（5）岩石及水的比热、密度。参考《地热资源评价方法及估算规程》（GB/T 0331—2020）及《地热勘查规范》（GB/T 11615—2010）确定如下：石英砂（含水率8.3%）比热为1 003 J/（kg·℃），密度为1 750 kg/m3；相对隔水层泥岩比热为2 230 J/（kg·℃），密度为1 800 kg/m3；水的比热为4 180 J/（kg·℃），密度为1 000 kg/m3。

（6）最大允许降深（Smax）及设计开采年限（t）。根据水文地质条件和水泵扬程及开采经济性能，年最大允许降深设定为2 m，开采年限设计为50 年。

（7）渗透系数、弹性释水系数（μe）及弹性释水率（μ）。此次工作分别对试验1号井、试验2号井和试验3号井进行了稳定流和非稳定流抽水试验，试验目的层为新近系馆陶组。

新近系层状热储厚度、岩性分布较稳定，可近似认为均质各向同性、无限边界；热储层顶底板分布有厚度稳定的隔水层，相邻热储含水层的越流补给可忽略不计；此外，由于地热流体径流极其缓慢，又无越流补给，试验井抽水量实际来自热储含水介质的弹性释放量。以上特征符合泰斯井流模型的假定条件，可以将试验的前段近似作为承压完整井非稳定流抽水试验，根据试验时降深（S）及时间（t）数据，绘制S=f（lgt）关系曲线（图4），计算公式如下：

（1）

式中，T为导水系数；K为渗透系数；Α为导压系数；μe为弹性释水系数（无量纲）；μ为弹性释水率；Q为单井涌水量；M为含水层厚度；rw为井孔半径；ΔS为对数周期降深；t0为起始计算时间。

试验1号井静水位埋深71.00 m，井半径0.156 m，抽水对数周期降深为2.75 m；试验2号井静水位埋深102.00 m，井半径0.135 m，抽水对数周期降深为3.34 m。试验3号井静水位埋深81.50 m，井半径0.156 m，抽水对数周期降深为2.88 m；其他主要参数计算结果见表5。

图4 试验1号、2号、3号井抽水试验s-lgt曲线Fig.4 s-lgt curve of pumping test of No.1，No.2 and No.3 wells

表5 研究区抽水试验计算参数Tab.5 Calculation parameters of water pumping test in the study area

根据本次抽水试验及本区热储层水文地质条件并参考周边地区不同热储层抽水试验资料（表6）、已有区域评价报告，综合确定本区热储层弹性释水率。

表6 周边地区抽水试验计算参数Tab.6 Calculation parameters of water pumping test in surrounding areas

综上，新近系明化镇组上段弹性释水系数取5.70×10-4，下段取3.86×10-4；馆陶组上段弹性释水系数取平均值4.34×10-4，下段平均值4.17×10-4；古近系弹性水系数取3.40×10-4。

4 地热资源量计算

4.1 评价方法

根据评价原则及热储概念模型，地热储存资源评价采用热储法；地热可开采资源评价：新生界新近系热储层采用最大允许降深法。新生界热储层储存的热水资源包括含水介质（砂岩）相对隔水层（泥质岩）中2部分，热能量包括热水蕴含热能及岩石所包含热能2部分。

（1）储存资源（热水量、热能量）计算公式：

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

（2）

式中，QQR为储存热水量；QRE为储存热能量；A为计算热储面积；D为热储层平均有效厚度；Φ为热储层有效孔隙率；Pr、Pw分别为热储岩石和地热水的密度；Cr、Cw为分别为热储岩石和水的比热；T为热储层计算段的平均温度；T0为基准温度。

（2）可开采资源（热水量、热能量）计算公式：

（3）

式中，Qw为可开采热水量；QwE为可利用热能量；μ为热储层弹性释水率；M为热储层计算段平均厚度；F为热储层计算面积；Smax为热储层水位最大允许降深；t为设计开采年限。其他符号意义同前。

4.2 计算结果

根据计算，新生界热储储存热水资源总量为107.47×1010m3；地热储存热量为439.90×1018J，其中地热流体储量为101.43×1018J、岩石储量为338.47×1018J。热能折合标准煤150.10×108t。

5 地热流体可开采量计算与评价

5.1 储存资源

根据计算，研究区400～3 000 m深度范围，热储储存热水资源总量为107.47×1010m3，其中，新近系明化镇组、馆陶组热储分别占总量的39.84%、44.21%，古近系热储占15.95%；储存热能总量为439.90×1018J，其中，新近系明化镇组、馆陶组热储分别占热能总量的16.22%、41.99%，古近系热储占41.79%。根据《地热资源评价方法及估算规程》（GB/T 0331—2020），松散岩热储储存热能量回采率取25%，则新近系明化镇组、馆陶组热储储存和古近系热储的热能量可回收总量为109.97×1018J，新近系明化镇组、馆陶组热储和古近系热储可回收热能量占可回收热能总量的比例分别为16.22%、41.99%和41.79%。

研究区热储储存地热资源量及储存热能可回收量见表7。

5.2 地热流体可开采资源

研究区3 000 m深度范围，属最经济—经济性地热资源。可开采热水资源总量为875.31×104m3/a（23 981.11 m3/d），其中，新近系明化镇组、馆陶组热储和古近系热储分别占可开采热水总量的44.55%、39.61%和15.84%。可利用热能总量为162.87×1013J/a（446.22×1010J/d），热能折合标准煤55 424.7 t/a（152.26 t/d），新近系明化镇组、馆陶组热储和古近系热储分别占热能总量的26.69%、45.61%和27.70%。

表7 研究区地热储存资源Tab.7 Geothermal storage resources in the study area

5.3 回灌条件下地热流体可开量计算

按照目前地热资源“以灌定采”的原则，地热资源开采要求100%回灌，所以采用热突破公式计算回灌条件下地热流体可采量，计算公式为：

（4）

式中，Qh为回灌条件下允许开采量；A为评价面积；M为热储层厚度；ψ为热储岩石孔隙率；ρw为热储岩石的密度；ρr为热储流体的密度；ρr为热储层的密度；cw为地热流体的比热容；cr为地热岩石的比热容；ce为地热层的比热容。

回灌条件下每平方千米地热流体可采量见表8。

综上所述，在一抽一回的情况下，采用热突破公式，评价每平方千米范围内研究区明化镇组上段地热流体可采量为2 077.07～5 227.16 m3/d，明化镇组下段地热流体的可采量为1 767.03～7 579.37 m3/d，馆陶组上段地热流体的可采量为4 579.85～9 684.54 m3/d，馆陶组下段地热流体可采量为6 457.14～14 626.81 m3/d，古近系地热流体可采量为2 077.07～5 227.16 m3/d，古近系地热流体可采量为4 598.50～2 7214.53 m3/d。

6 年可利用热能及地热田规模划分

6.1 地热田产能及年可利用热能

地热田产能根据地热流体可开采量所采出的热量，按以下公式计算：

Wt=4.186 8Q（t-t0）

（5）

式中，Wt为热功率；Q可采为地热流体可开采量（按每年供暖季开采120 d算）；t为地热流体温度；t0为当地年平均气温，取14.7 ℃。

地热流体年开采累计可利用热能量估算公式：

∑W=86.4DWt/K

（6）

式中，∑W为开采一年可利用的热能；D为全年开采日数；K为热效比（按燃煤锅炉的热效率0.6计算）。

表8 回灌条件下每平方千米地热流体可采量Tab.8 Recoverable volume of geothermal fluid per square kilometer under recharge conditions

对地热田的产能进行计算，见表9。

表9 研究区年可利用热能计算结果Tab.9 Calculation results of annual available thermal energy in the study area

6.2 地热田规模划分

根据《地热资源地质勘查规范》（GB 11615—2010）对地热田规模的划分，计算结果见表10。

7 结语

本次工作地热资源计算主要依据《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615—2010）、《地热资源评价方法及估算规程》（GB/T 0331—2020）等国家、行业规范进行。新生界热储计算采用的热储层物理性质参数及水文地质参数，根据工作实际调查、现场试验、钻孔资料、物探资料，结合本省区域性地热资源评价成果、华北盆地地热资源评价成果、经验值等，并结合研究区实际情况，在前人成果的基础上综合确定，与区域分布规律相吻合，可信度较高，据此计算的地热资源结果较为可靠，计算结果可以作为本区地热资源开发利用规划的依据。

表10 地热田规模划分Tab.10 Geothermal field size division