河北沧县台拱带深部岩溶地热系统成因机制及开发利用的研究结果

本次“河北省中部平原沧县台拱带干热岩资源预查” 工作， 完成了设计工作量， 取得了丰富的地质成果， 达到了干热岩勘查的目的。 本次工作主要取得了以下成果:

(1) 项目的实施， 成功完成了京津冀首口干热岩参数孔， 孔深4 025.82 m；了解了施工区断裂构造的赋存状况； 查明了参数孔4 km 以浅的地层层序； 揭穿了蓟县系地层， 终孔层位为长城系高于庄组， 发现了长城系中温热储层，4 004.93 m温度达107.56 ℃， 出口水温103.50 ℃， 可以广泛应用于发电、 供暖、 养殖、 洗浴等。 完成了我国以碳酸盐岩为目标的干热岩资源勘查工作， 为华北平原区深部地热资源勘查提供了技术依据， 为干热岩资源勘查规范的制定奠定了基础， 开创了该领域的先河。

(2) 首次在沧县台拱带揭穿了蓟县系地层， 并揭露了长城系高于庄组地层，初步查明区内地层层序及地层结构。

本次钻孔GRY1 终孔深度4 025.82 m， 超过设计孔深25.82 m， 揭露地层由老到新依次为: 长城系高于庄组(Chg)， 本次未揭穿， 揭露厚度为258.36 m；蓟县系杨庄组(Jxy) 地层底界深度3 767.46 m， 厚度为744.39 m； 蓟县系雾迷山组(Jxw) 地层底界深度3 023.07 m， 厚度为1 696.47 m； 新近系(N) 地层底界深度1 326.60 m， 厚度为822.64 m； 第四系(Q) 地层底界深度503.96 m，厚度为503.96 m。

(3) 第一次发现了华北平原区长城系高于庄组中赋存中温热水， 是水热型热储层， 证实了它又是一个基岩热储层， 并对此地热资源进行了评价。

对GRY1 号钻孔3 701.16 ～4 025.82 m 进行了三个降深的稳定流抽水试验，最高出口水温为103.50 ℃， 最大降深43.74 m， 实测水量为59.63 m3／h。 钻孔揭露长城系高于庄组岩溶裂隙发育， 含水量较大， 水温高， 底部4 004.93 m 孔底温度达107.56 ℃， 出水温度为103.50 ℃。

(4) 建立了华北沉积盆地型干热岩成藏模式。

研究区为传导型地热系统， 地下热源主要来自地幔供热及放射性元素衰变生热、 厚度适中的热储盖层， 为热流的聚集起到了良好的保温隔热作用。 高于庄热储地热水为古大气降水经溶滤作用形成的古埋藏水， 基岩热储层补给水来源甚微， 为封闭消耗性地下水。 地下热水的径流与排泄受基地构造和古地形地貌及各隔水层的控制， 径流非常缓慢， 雾迷山热储与基岩热储之间水力联系极弱， 地热水的排泄方式主要为人工开采。

(5) 第一次在地热钻孔中开展了压裂试验， 通过压裂试验获得了相关参数，为深部碳酸盐岩热储改造积累了宝贵经验， 为华北平原区深地探测奠定了一定的基础。

通过抽水试验数据对比， 压裂前后降深由89.32 m 降至70.33 m， 变化幅度为18.99 m； 单位涌水量由0.185 4 L／(s·m) 增至0.274 0 L／(s·m)， 压裂效果较明显。

(6) 预测了区内干热岩赋存状况。

GRY1 号钻孔虽然没有直接揭露干热岩， 但是依据所揭露的地层及地温场特征推算了GRY1 号钻孔150 ℃埋藏深度为5 400 m， 岩性为石英砂岩， 符合干热岩资源赋存的地质条件。(www.xing528.com)

利用体积法， 估算研究区6 km 以浅干热岩资源量为4.72 ×1020 J， 折合标准煤为161 亿t。 10 km 以浅干热岩资源量为10.88×1021 J， 折合标准煤为3 710 亿t，如果只开采2%， 折合标准煤为74.20 亿t。

(7) 估算了研究区内4 km 以浅热储资源量。

研究区6 396 km2 范围内4 km 以浅奥陶系—寒武系热储可采资源量为折合标准煤5.97 亿t； 蓟县雾迷山组热储和高于庄组热储可采资源量折合标准煤27 亿t； GRY1 号钻孔控制范围内(30 km2) 高于庄组热储地热资源量折合标准煤9 354 万t， 每年可开采水量87 700 m3。

(8) 初步查明了研究区地温场特征及深部岩溶地层地热特征。

全孔测温数据分析得出， 新生界地温梯度为3.24 ℃／100 m； 雾迷山组上部富水性强， 地温梯度为0.30 ℃／100 m； 雾迷山组中部—杨庄组上部富水性相对较弱， 地温梯度为1.44 ℃／100 m； 杨庄组下部至长城系高于庄组上部， 富水性变强， 地温梯度为-1.69 ℃／100 m； 钻孔孔底地温梯度为1.80 ℃／100 m， 预计长城系底界(5 400 m) 温度150.87 ℃。

(9) 初步查明了研究区内岩石热导率、 生热率、 比热等相关参数。

(10) 通过本次4 km 深孔钻进， 为今后施工类似深孔提供了可借鉴的钻探经验和相关的工艺技术。

(11) 验证了干热岩温度场空间模型， 并根据本次钻探揭示的温度场分布特征， 修正了设计时推算的温度场参数。

(12) 对区内地热资源开发利用前景进行了分析。

分析结果显示， 考虑回灌条件下， 利用深部高于庄组水热型地热可采资源量为200 m3／h， 入口温度103.50 ℃， 发电后排出水温度为79 ℃， 减去抽水的成本可以形成发电能力达到450 kW·h， 年发电量可达360 万度， 每年可减少CO2 排放量为3 092 t， 减少SO2 排放量22.03 t， 减少悬浮质粉尘排放量10.37 t， 煤灰渣排放量1.30 t。 发电余热可供11.2 万m2 住宅取暖， 经济开发潜力巨大。