山东省汶上县WS01井地热资源评价研究

李荣飞, 孟宪洲

(山东省鲁南地质工程勘察院,山东 济宁 272100)

2017年8月,山东省汶上县城南部钻成井深2 269.28 m的地热井,编号WS01,为济宁市汶上县首眼地热井。山东省鲁南地质工程勘察院在收集区域地热地质资料基础上,对WS01井开展了产能测试及水质化验,并进行了地热资源评价。

图1 汶上凹陷地热田边界条件示意图Fig.1 Schematic map of geothermal field boundary conditions in Wenshang depression1.断裂;2.奥陶系顶板埋深等值线(m)。

1 区域地热地质条件概况

1.1 位置及划分依据

WS01井位于汶上凹陷地热田中部,该地热田位于华北板块、鲁西隆起区(Ⅱ)、鲁西南潜隆起(Ⅱb)的菏泽—兖州潜断隆(Ⅱb1)的汶上—宁阳潜凹陷(Ⅱb13)内(图1)。该地热田以断裂构造为边界,东起孙氏店断裂,南到郓城断裂,西至嘉祥断裂,北达汶泗断裂,是一个边界条件完整的地热田。面积约252.3 km2。

1.2 热储层地热地质特征

汶上凹陷地热田热储层为古生界奥陶系石灰岩层,地热流体主要赋存于汶上断裂破碎带及石灰岩裂隙岩溶孔隙中,热储类型为断裂构造带状热储层及奥陶系—寒武系层状热储层。地表无热流显示,地热资源类型属热传导型。本地热井实测井口地热水温度为61 ℃,判定该区地热资源类型为热水型低温地热资源。

奥陶系热储与月门沟群本溪组成平行不整合接触,其顶板埋深为1 600～2 000 m,从北向南埋深逐渐增大(见图1)。其中WS01井处奥陶系顶板埋深约1 977.90 m,揭露厚度291.38 m,未揭穿底板。

热储层岩溶发育主要受汶上断裂影响,形成岩溶破碎带,其次受地质历史时期风化侵蚀和溶蚀作用,形成层状岩溶发育带,灰岩裂隙岩溶是深层地下水体循环运移的通道及热储的空间,水温较高,富水性一般。该热储层单井最大涌水量31.84 m3/h,水温61 ℃,水化学类型为Cl—Na·Ca型,矿化度24 929.3 mg/L。

图2 热储概念模型图[1]Fig.2 Conceptual model of thermal storage

1.3 地下热水的形成条件

1.3.1热源

本区的热源主要来自地壳深层正常的热流传导,且本区断裂构造发育,对地壳深部的热源起到了重要的沟通和传导作用,地壳深部的热能可通过断裂及破碎影响带的传导和地下水的深循环对流作用,将热能输送至热储层,遇到上覆巨厚的碎屑岩和松散岩盖层的阻热保温,使热能储存下来。

1.3.2补给水源

地热水的补给来源主要有以下几个方面:汶上断裂切割导通了上部含水层的越流补给;大气降水的垂直入渗经深部循环补给;侧向径流补给。

1.3.3热储层

热储层为新生代巨厚层之下的受汶上断裂牵引扰动的带状—层状奥陶系石灰岩热储层,其岩性由灰、深灰色灰岩、白云质灰岩及泥质灰岩组成,灰岩内部裂隙岩溶发育受汶上断裂活动控制,共有五段富水裂隙带,为地热水的径流、赋存提供了良好的导水通道和储水空间,其埋藏深度>1 900 m,热储层的温度和涌水量能够达到开发地热水的要求。

1.3.4盖层

热储盖层为第四系、新近系、古近系、侏罗系和石炭系—二叠系,总厚度达1 977.9 m。以粉质粘土、粘土、泥岩为主的巨厚不透水层切断了含水层间的垂向运移,防止地下热能的扩散,形成了本区奥陶系热储良好的盖层。

1.3.5控热及导水构造

汶上断裂为汶泗凹陷内断裂,其切割深度大、活动时间长,破坏了地壳的连续性,沟通了热储层与深部热源的联系,成为热储层与深部地热的传输通道,是本区主要的控热构造。汶上断裂切割深度>500 m,沟通了不同含水层之间的联系,使其沿断裂进行垂向对流,为该区内的导水构造。

1.3.6热储模型

据前述地热地质条件建立概念模型,见图2。

2 地热井概况

2.1 地热井揭露地层岩性

第四系(Q):埋深0～190.55 m,为松散砂土层。

新近系(N):埋深190.55～351 m,为松散—半胶结粘土、砂质粘土层,夹粉砂—中细砂层和少量砂砾石、钙质结核、石膏等。

古近系(E):埋深351～1 206.20 m,为半胶结砂土层、粘土层,夹砂砾岩层。

侏罗系(J):埋深1 206.20～1 415 m,为泥岩、粉砂岩夹砂岩,其中1 397.65～1 415 m为底砾岩。

石盒子群(P1-2sh):埋深1 415～1 753.05 m,为泥岩、砂岩、粉砂层,其中1 656.25～1 659.40 m为铝土岩。

山西组(P1s):埋深1 753.05～1 822.40 m,主要为砂岩、粉砂层、泥质砂岩,夹煤层。

太原组(C2P1t):埋深1 822.40～1 969.20 m,主要为粉砂层、泥质砂岩、砂岩,夹石灰岩、煤层。

本溪组(C2b):埋深1 969.20～1 977.90 m,为杂色泥岩,底部铝土质泥岩发育。

奥陶系马家沟群(O2m):埋深1 977.90～2 269.28 m,未揭穿,岩性为灰岩,共发育1段断层破碎带、4段裂隙发育带,总厚度约96.6 m,为主要含水层段。

2.2 地热井管结构

(1) 0～526 m孔径377 mm、下入273 mm×8.89 mm钢级J-55石油套管526 m,用27 t G级油井水泥壁后注浆固管。

(2) 526～1 701.15 m孔径244.5 mm、488.52～1 701.15 m下入177.8 mm×8.05 mm钢级J-55石油套管1 212.63 m,用16 t G级油井水泥壁后注浆固管;177.8 mm与273 mm套管采用喇叭口抄手连接,抄手长度34.88 m。

(3) 1 701.15～2 100.20 m孔径152.4 mm,1 680.11～2 100.20 m下入133 mm×6.5 mm无缝钢管套(花)管420.09 m。其中套管总长247.50 m,花管总长172.59 m,下置位置1 697.86～2 100.20 m;133 mm套管与177.8 mm套管抄手21.04 m。

(4) 2 100.20～2 269.28 m孔径133 mm,裸孔。

地热井揭露地层及井管结构见图3。

图3 地层柱状及钻孔结构示意图Fig.3 Structural sketch of stratum columnar and borehole

3 单井产热量

3.1 地热井产能测试

WS01井先后开展了3个落程的产能测试,测试设备采用200QJ(R)32-299型井用潜水泵,电机型号为YQST200-45,最大流量31.84 m3/h,功率45 kW,扬程299 m,下入深度260 m;通过变频设备控制抽水水量;用流量表观测水量;用水银温度计测量水温;用测绳及电流表测量水位埋深。产能测试数据及参数计算结果见表1、图4。

表1 WS01井产能测试数据及参数计算结果表[2]Table 1 Well WS01 productivity test data and calculating table of parameters

图4 产能测试Q-S曲线图[1]Fig.4 Q-S curve of productivity test

3.2 地热井单井产热量

根据WS01井产能测试资料,计算不同降深情况下地热井产热量及单井产热能,结果见表2。公式[3]如下:

Qk=ρwCwQ(tr-t0)×10-6t

q=Qk/86 400

式中:Qk为单井可采热量,MJ/d;q为单井地热能,MW;Cw为热水的比热,J/(kg·℃);ρw为热水比重,kg/m3;Q为单井涌水量,m3/d;tr为地热井井口水温,℃;t0为地热井尾水温度(取当地年平均气温值),℃。

4 地热水水质评价

4.1 地热水水化学特征

WS01井在产能测试过程中采取水样进行了全分析。地热水pH值为6.69,总硬度9 015.97 mg/L,矿化度24 929.30 mg/L,地热水水化学类型为Cl—Na·Ca型。

4.2 理疗热矿水水质评价

WS01井地热水微量元素检测结果:溴26.3 mg/L,碘1.21 mg/L,锶107.54 mg/L,锂2.76 mg/L,偏硼酸13.90 mg/L,偏硅酸35.91 mg/L。可命名为含碘锂偏硼酸偏硅酸的溴锶型热矿水。洗浴对皮肤病、慢性湿疹、荨麻疹、痤疮、脚气等有一定的疗效。

表2 WS01井地热井产热量及单井产热能计算表Table 2 Calculating table for heat production of geothermal well WS01 and single well

4.3 地热水腐蚀性评价

参照工业上用腐蚀系数来衡量地热流体(水)的腐蚀性,计算结果见表3。

式中:r为离子含量的每升毫克当量(毫摩尔)数,mmol/L。

4.4 地热水结垢性评价

参照工业上用锅垢总量来衡量地热流体(水)的结垢性,计算结果见表4。

表4 地热流体结垢性评价表[2]Table 4 Evaluation table of scalability of geothermal fluids

计算公式:H0=S+C+36rFe3++17rAl3++20rMg2++59rCa2+

式中:H0为锅垢总量,mg/L;S为悬浮物含量,mg/L;C为胶体含量,mg/L;r为离子含量的每升毫克当量(毫摩尔)数,mmol/L。

5 结论

山东省汶上WS01地热井孔深2 269.28 m,井口出水温度61 ℃,热储层为古生界奥陶系灰岩,降深210.054 m时出水量764.16 m3/d,单井可采热量140 681.27 MJ/d,单井地热能1.63 MW,地热水pH值为6.69,矿化度24 929.3 mg/L,可命名为含碘锂偏硼酸偏硅酸的溴锶型热矿水。地热水不适宜饮用,可用于理疗洗浴。地热水腐蚀性强烈,锅垢很多。建议以地热盐水进行采矿权出让,以提高资源的有效利用和资源的社会、经济、环境效益。