济北地热田齐河经济开发区地热勘探与开发研究

Question

如题所述

Answer 1

李传磊¹ 程秀明¹ 史忠民² 刘玉仙¹

（1.山东省地矿工程勘察院，济南250014；2.山东省第七地质矿产勘查院，临沂276006）

作者简介：李传磊（1975—），山东莘县人，助理工程师，主要从事水、工、环技术工作。

摘要：通过对济北地热田的地质背景分析，阐明了济北地热田的储、盖、通、源等地热地质条件。齐河地热井的成功完成使济北地热资源勘查取得了突破性进展，为尽快全面开发齐河一带地热资源起到了示范作用。

关键词：济南地热田；地热概念模型；水化学场；水动力场；水温度场；医疗矿水

为了尽快开发齐河经济开发区一带地热资源，开辟新的经济增长点，山东省地矿工程勘察院在山东省地矿局的支持下，决定在齐河经济开发区一带勘探开发地热资源，并于2003年7月施工了一眼探采结合地热钻孔，该地热钻孔的成功完成使济南北部地热资源的勘查获得了突破行进展。

1 齐河地热资源地质背景

1.1 齐河地热地质条件

1.1.1 地层特征

根据地热勘探及研究成果，济南以北为一面积较大的地热田，称为济南地热田（简称济北地热田）。济北地热田范围大致是：南至济南岩体北界，北至齐河-广饶大断裂，西到长清断裂东到鸭旺口断裂（详见图1）。从地热田内各地热钻孔揭露的地层分析，该地热田热储主要为奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层，盖层为第四系、新近系、二叠系和石炭系。

1.1.2 构造特征

该区位于济南单斜前缘，受北部齐河-广饶深大断裂的影响，断裂构造发育，钻孔附近主要有NNE、NNW向两组断裂，它们归属于鲁西系外旋回层伴生构造，均为张性断裂，切割了深部的奥陶系灰岩，是地下热水的富集区，对地下热水的运移和分布起了重要作用。

1.1.3 岩浆岩特征

本区最重要的侵入体为济南岩体，该岩体近东西向展布，椭圆状，东西长30km，岩性主要为辉长岩，边缘相为闪长岩，该岩体对本区地热形成起重要作用，表现为：

图1 济北地热田边界条件图

（1）阻挡了南部大量冷水向北径流，对北部热水起了重要保护作用；

（2）迫使南部一部分岩溶水向地下深处循环，形成增温作用；

（3）岩体侵入过程中，压应力使含水层产生裂隙和一系列的断裂，有利于热水的对流传导；

（4）岩浆岩侵入体带来大量可溶性物质成分，使地下热水溶滤出了多种对人体有益的成分，对形成医疗矿水有重要意义（详见图2）。

1.1.4 热储的水文地质特征

该区地热水为裂隙岩溶水，根据区域水文地质条件，岩溶水的补给来自南部山区，地下水由南向北径流，南部山前地带或济南岩体以南，裂隙岩溶发育，水交替循环条件良好，加上上覆第四系很薄，不具备良好的保温作用。水温低，一般16～20℃，济南岩体以北，岩溶含水层（即热储）上覆为巨厚的第四系、新近系、二叠系和石炭系，地热田地带其厚度可达1300m以上，构成一个保温、隔水性能良好的盖层。本次钻孔地层揭露，热储岩性以厚层质纯灰岩、云斑灰岩为主，上覆盖层厚度达1306.53 m。由于受岩体的阻挡和埋深大等因素的影响，该区地下水处于一种半封闭状态，水交替循环微弱，经深循环的地下热水在此聚集，其矿化度较高，该井矿化度3.424g/L，孔口水温57℃。

1.2 地热水运动特征

1.2.1 水动力场

前以所述，该区地热水为裂隙岩溶水，根据区域水文地质条件，岩溶水的补给来自南部山区，地下水由南向北径流，南部山前地带或济南岩体以南的岩溶地下水分布区，从补给区到排泄区水循环条件良好，水位变幅由大到小；岩溶水一部分在山前地带以泉水的形式排泄，另一部分穿过岩体向深处运动，进入半封闭状态被地温加热，水温度增加，压力增大，据钻孔资料，水头高出地面13 m。

图2 济北地热田地热形成概念模型图

1.2.2 水化学场

地下水由南向北径流，南部山前地带，裂隙岩溶发育，水交替循环条件良好，从补给区到排泄区某些离子含量逐步增加；济南岩体以北齐河附近，由于受岩体的阻挡和埋深大等因素的影响，该区地下水处于一种半封闭状态，水交替循环微弱，经深循环的地下热水在此聚集，其矿化度较高，为3.424g/L，水化学类型为SO₄·Cl-Ca·Mg型，岩浆岩侵入体带来大量可溶性物质成分，使地下热水溶滤出了多种对人体有益的成分，对形成医疗矿水有重要意义（其主要化学组分见表1）。

表1 齐河地热井地热水化学组分一览表

1.2.3 水温度场

济南岩体以南，为灰岩的裸露区及半裸露区，第四系很薄，由于灰岩的地温梯度较小，为0.5～1.0℃/100m，不具备良好的保温作用，因此，水温低，一般为16～20℃。济南岩体以北，岩溶含水层（即热储）上覆有巨厚的第四系、新近系、二叠系和石炭系，地热田地带其厚度可达1300m以上，其岩性为粉质粘土、砂岩、页岩、泥岩，地温梯度为3.0～3.8℃/100m，构成一个保温、隔水性能良好的盖层，随着盖层厚度的增加，其温度也逐渐升高，齐河附近水温高，一般为40～60℃。如济南市华山镇桃园地热井盖层厚度413m，水温36℃；齐河地热井盖层厚度为1306.53m，水温57℃。

2 齐河地热单井可采资源量计算

根据齐河地热井抽水试验资料。抽水前测得该井自流量为65.03m³/h，自流时水头高出地面 4.90m。抽水时，测得压力水头高出地面 13m。降深为 17.55m，出水量为107.73m³/h，经山东省储委办公室组织专家评审，该钻孔单井可采资源量为2585.52m³/d。计算得出岩层渗透系数（K）为0.8620m/d。抽水时，孔口水温为57℃，以上参数可用于开采资源计算与评价。

2.1 单井可采地热资源计算

（1）热水中获得的热资源量

Q_W＝Qc（t_w-t₀）

式中：Q_W为单井可采地热资源量，J/d；Q 为可采热水量，m³/d；c 为水的比热容，取4.18×10⁶J/（m³·℃）；t_w为井口水温，取57.0℃；t₀为基础温度，以济南市年平均气温13.5℃。

计算结果：Q_W＝4.71×10¹¹J/d，折合标准煤16.1t/d（煤的热值2.93×10⁷J/kg）。

（2）100年所放的总热量

W＝36500Q_W＝1.72×10¹⁶J，折合标准煤5.87×10⁵t。

2.2 可有效利用资源量计算

Q_W＝Qc（t_w-t_i）

式中：Q_W为可有效利用热资源量；t_i为热水利用后废弃温度根据利用方式不同分别取（1）供暖（40℃）；（2）洗浴（37℃）；（3）游泳（30℃）；（4）土壤加热（25℃）；（5）养鱼（18℃）。

计算结果如下：

（1）t_i＝40℃，Q_W＝1.84×10¹¹J/d，折合标准煤6.28t/d。

（2）t_i＝37℃，Q_W＝2.17×10¹¹J/d，折合标准煤7.41t/d。

（3）t_i＝30℃，Q_W＝2.92×10¹¹J/d，折合标准煤9.97t/d。

（4）t_i＝25℃，Q_W＝3.46×10¹¹J/d，折合标准煤11.81t/d。

（5）t_i＝18℃，Q_W＝4.22×10¹¹J/d，折合标准煤14.4t/d。

3 地热资源开发利用前景分析

地热能一直以“清洁能源”而著称，它可以用来发电，取暖，养殖、洗浴。我国地热利用发展最快的是供暖和养殖。地热能直接利用的技术性、可靠性、经济性、环境的可接受性已经被世界各地的实际利用所证实。

济南市是个文化底蕴较浓厚的城市，旅游资源十分丰富，趵突泉、千佛山、大明湖名扬天下，济南北部齐河一带地热开发使济南不仅拥有冷泉而且还有温泉，从而丰富了泉文化的内涵。

根据济南市城市发展规划，齐河地热开发为济南市区北跨、招商引资、绿色农业等都有着十分重要的意义。为此，齐河地热开发前景十分广阔。

4 开发过程中应注意的问题

4.1 化学污染

化学污染主要是地热流体中的可容固体，非凝结气体如NH₃，H₂S等，热水中

Cl^-含量较高，矿化度也较高，尾水若要回渗到地下，腐蚀和结垢会很严重，会污染附近浅层地下水。

4.2 地面沉降

当从热储中抽取地热水后，改变了原系统的压力分布，从而产生地面沉降，沉降与地质条件密切相关，地热井开采利用后建议加强水质、水量、地面沉降等方面的监测。

5 结语

（1）齐河地热井其实测井口水温为57℃，属低温地热资源中的温热水。

（2）该井热储层为奥陶系八陡组、五阳山组灰岩，补给来源充足。该地热井自流量为1506.72m³/d，压力水头高出地面13m，当降深为17.55m时，出水量为2585.52m³/d，单井可开采量为2585.52m³/d。

（3）该井地下热水水化学类型为水化学类型为SO₄—Ca型水；按其所含的微量元素根据有关规范规定可命名为锶水、氟水，偏硅酸含量达到矿水浓度，偏硼酸浓度达到有医疗价值的浓度。可用于医疗洗浴、温室、土壤加温等。

（4）在开发利用时对该井的水质应进行综合评价，并对水温、水位、水质进行长期动态监测，以便为合理开发利用提供科学依据。

该区地热资源开发，要做到“统一规划、依法管理，合理布局，综合利用”，以便使地热这种宝贵的资源可持续开发利用。

参考文献

GB 11615-89.地热资源地质勘查规范.国家技术监督局.

中华人民共和国地质部.1979.水文地质钻探规程（试行）.