太原市地热资源概况及开发利用前景
地热资源是一种清洁、廉价的新能源,同时又是一种具有医疗保健等多种用途的新资源。太原市位于汾渭地堑地热带,根据地热地质条件推测,太原市三给地垒以南,太原东山大断裂以西和太原西边山大断裂以东的亲贤地垒区、边山断阶带和晋源凹陷区地热资源丰富。尤其是位于市中心的亲贤地垒区地热资源更为丰富,而且热储层埋藏深度小(小于1500m),单井可开采量大(1000m3/d～2000m3/d),水温高(可达50℃～70℃),是适宜开采和开采条件经济的地区。
目前太原市的地热资源尚未得到合理规划,充分利用,一个重要原因是对太原市地热地质条件、地热资源状况认识不清,文章是在以往工作基础上,对太原市热矿水分布状况、地热地质背景、热储模型、地热资源状况和勘探开发利用前景进行了初步研究,为今后太原市可持续发展和合理开发利用地热资源,减少风险提供了水文地质科学依据。
1太原市热矿水分布状况
地下热水作为能源开发主要的物性指标是温度,因为温度的高低标志着它载运热能的大小,从而决定了其开发利用的方式和经济效益,根据已有规范,将地下热水的下限温度确定为25℃。太原市煤炭资源丰富,是以煤炭为主要能源的省会城市,几十年来太原市很少进行过地下水热水调查研究工作,这方面的成果也很少见。
太原市的地热普查工作始于七十年代,1972年3月山西省地质局水文队在太原及清徐一带进行过地热物探普查工作,并提交了普查报告。山西省地质工程勘察院1995年5月在太原近郊的神堂沟施工两眼热矿水井,S1号热水井:井深603.71m,井口水温43℃,出水量1728m3/d;S2号热水井:井深801.08m,井口水温42℃,出水量1440m3/d。打出了具有理疗作用的热矿水,揭开了太原盆地热矿水的面纱,结束了太原盆地没有热矿水的历史。
此后,太原东山统计学校、煤炭学校、伞儿树村等地钻凿了井深1000m左右的岩溶水热矿水井三眼。其中统计学校井深1166.76m,水温39℃,出水量1328.16m3/d。2003年12月山西省地质工程勘察院在本院西院钻凿成功一眼深1339m的岩溶热矿水井,井口水温54℃,涌水量2000m3/d,是目前太原市井深深,水温高,水量大的热矿水井。太原市地下热水点主要集中太原断陷盆地东西山边山断裂带,两侧隆起山区很少,而盆地中部至今还未打出热矿水。
2地热田地质背景
太原断陷盆地位于山西陆台新生代汾渭地堑的中部,它呈北东向镶嵌在沁水复式向斜的北隅,西部为南北向的吕梁复背斜,北部为北东向的五台背斜,南部为南北向斜的太行复背斜。四周被断裂围限,定型于新生代第三纪。太原断陷盆地大致依太原———榆次交界的田庄断裂分为南北两部分,太原断陷盆地北部在新生代处于SSE—NNW向拉张作用为主阶段,发育了SN向地堑系。太原断陷盆地北段晚近时期控制性断裂主要为东、西边山断裂带,汾河断裂带及田庄断
裂带。这些断裂均为晚近时期的活动断裂。太原断陷盆地北段可进一步划分为次级地垒和凹陷。三给地垒以南发育有城区凹陷,亲贤地垒和晋源凹陷。各凹陷的周边是地垒和断阶。
断阶是指隆起山区和凹陷之间的过渡带,呈阶梯状跌落。太原城区凹陷新生界厚400m～600m,西铭断阶新生界厚100m～200m,城东断阶新生界厚200m,三给地垒新生界厚50m～200m,亲贤地垒新生界厚200m～400m,黄陵断阶新生界厚200m～500m,晋源凹陷新生界厚600m～1000m。太原盆地除三给地垒和部分断阶带上基底为石炭二叠系外,亲贤地垒及其他凹陷和断阶带上基底均为三叠系。热矿水主要分布于三给地垒以南太原盆地区。
3热储模型太原盆地地热田热储模型由盖层、热储层、热源及地下热水源组成。
3.1盖层热
储盖层主要由新生界第三系及第四系松散层和二叠、三叠系碎屑岩及石炭系煤系地层所构成。一般地区厚500m～1500m,晋源凹陷2000m～2500m。第四系松散层多为粘土,只含少量砂层及砂砾石层,厚100m～300m,第三系主要由红色粘土所组成(底部夹少量砂砾石),厚100m～700m不等。新生界第三系及第四系地层总厚100m～1000m,不成岩。结构疏松、孔隙度大,密度小,导热性能差,热阻大,是盆地奥陶系灰岩上部的热储保温层。二叠、三叠系及石炭系地层以泥岩类地层为主,导热率小于下部奥陶系灰岩层,是奥陶系灰岩热储层的*热储保护层。
3.2热储层
太原盆地热储层主要由中奥陶系碳酸盐岩所组成,其中峰峰组上段及上、下马家沟组上段以灰岩及白云质灰岩为主,裂隙、岩溶普遍发育,是太原盆地深部主要岩溶类型热储层,厚350m左右,岩石密度2700kg/m3,孔隙度20%,水温40℃～60℃,日产热水量1000m3/d～3000m3/d。寒武系白云岩及鲕状灰岩热储层厚300m～400m左右,当埋深在1000m以下时,岩溶裂隙不发育,水温可达40℃,但产水量小(小于300m3/d～400m3/d),开采不经济,成本高,利用价值不大。
3.3热源
居里等温面是判断地下热状态的物理面,山西居里等温面总体上是一条北东向的隆起带,其轴线与山西汾河断陷盆地的轴线基本重合,太原盆地居里等温面小于20km,盆地东西山区埋深显著增大,一般在28km以上,说明两侧山区与太原盆地中部热物理状态存在明显差异,据山西大地电磁测深资料,盆地中部中地壳为低速高导层(为高温半熔融状态)也具有温度高
(600℃)等物理特性,使盆地区形成热异常区。另据山西大地热流值等值线图可知,太原盆地大地热流值普遍大于17HFU(71MW/m2),而盆地东、西山区大地热流值小于1.3HFU(545MW/m2)。居里等温面与莫霍面在盆地中部都有上拱现象,处于半熔融状态的岩浆热会在地壳薄的盆地深部向地表进行热传导。热流值会在上拱的地壳部位集中形成高热流值。从以上几方面均说明盆地深部热物理状态高,因此深部热传导是太原盆地区地热田的恒定供热源。太原盆地东、西山边山断裂带及盆地中部的汾河大断裂、三给地垒、田庄断裂等断裂是新生代活动断裂,有些深断裂可勾通盆地深部热源,有利于地下水下渗深循环加热上升形成岩溶热矿水。
3.4地下热水源
从同位素资料及水文地球化学资料证实,本区地下热水是来自古代大气降水。大气降水及汾河水,从东、西山裸露灰岩区、断裂破碎带或岩层孔隙裂隙向地下渗入,在漫长的地质年代和水头差位能作用下,*地向深处运移,水向深处运移过程中被围岩加热后产生密度差(有些水可直接沿深断裂渗透至半熔融高温层),造成自然的水热对流,受热流体循环上升,送至地壳浅部的奥陶系岩层,并在岩溶裂隙孔隙中储存下来,成为当今的地下热矿水。据14C测年结果为8000年～10000年,说明为老水。热水中SiO2和氟离子含量高说明经深循环与围岩充分溶滤有关。说明太原盆地深部热矿水与东西山区岩溶水水利不密切。
4热储层温度推算
本次采用化学温标法和地温梯度法,对太原盆地地热田的热储层温度进行了推算。用SiO2温标和Na—Li温标推算神堂沟S1孔热水井热储温度为49℃～72℃(S1孔井口温度43℃),与实际基本相符。用地温梯度法,对DKY—1孔(山西地质工程勘察院西院)推测热储量温度为63℃,与实际基本相符。实测井口温度54℃,孔深970m,揭露奥陶系峰峰组后实测井底温度为47℃。用SiO2温标及钾镁温标推测热储层温度为94.5℃～110.3℃(与实际出入较大仅供参考)。
5热矿水化学特征及医疗价值
太原盆地热矿水经检测和分析为SO4—Ca·Mg型,矿化度2g/l～2.1g/l,Na:23mg/l～26.2mg/l,Ca:434mg/l～536mg/l,Mg:97mg/l～114mg/l,HCO3:184mg/l～
201mg/l,SO4:1290mg/l～1337mg/l,HSiO3:23mg/l～44mg/l,Srll:1mg/l～
11.9mg/l,H2S:097mg/l～2.7mg/l,F-:2.8mg/l～5.8mg/l(补给区黄坡沟X1孔水质为SO4·HCO3—Ca·Mg型,矿化度0.5g/l～0.9g/l,HSiO3:10mg/l～13mg/l,F:0.9mg/l～
1.2mg/l,水温25℃),其中锶、溴、钼、锌、锰、钴、硼等达医疗浓度,锶、氟、偏硅酸达到定名标准。锶含量高与二、三叠系地层中Sr含量较高有关,SiO2及F含量较高与深循环充分溶滤有关。根据中华医协会和日本中央温泉研究所分析认为,该地区热矿水可治疗消化系统慢性病、神经痛、关节痛、皮肤病、动脉硬化、慢性浓疱、荨麻珍、慢性肝、胆道疾病、便秘及脚气等多种疾病。此外还有镇静作用,有利伤口愈合和病后恢复。
6地热资源计算
6.1地热资源总量Qr=C·A.d·(tr-t0)C=ρr·Cr·(1-)+ρw·Cw·式中:Qr—热储中储存的热量(J);A—计算区面积(390km×106m2);d—热储层厚度(取350m);tr—热水平均温度(取平均值50℃);t0—当地年平均气温(按10℃取);C—热储岩石和水的平均比热容(取
2811496J/m3·℃);C=2700×920×(1-0.2)+986×4180×0.2=2811496J/m3·℃;ρr—热储岩石密度(取2700kg/m3);Cr—热储岩石比热(取920J/kg·℃);pw—热水的密度(取
986kg/m3);Cw—水的比热(取4180J/kg·℃);—热储岩石的空隙度取20%。地热资源总量Qr=1.54×1019J折合成标准煤1.54×1019J/2.85×1010J=5.4×108吨标准煤(一吨标准煤=7×106千卡×4.1868J=2.93×1010J)。注:1cal=4.1868J
6.2地热可采资源计算
Qw=Qr×K=1.526×1019J×0.15=0.23×1019J折合成标准煤
=2.3×1018J/2.93×1010J=0.78×108吨标准煤。式中:Qw—可采地热资源量(J);Qr—地热资源总量(J);K—回采系数(取15%)。
6.3热水储存量计算W=F·S·h式中:W—承压热储层弹性储存量(m3);F—地热田分布面积390km2×106(m2);h—承压热储含水层自顶板算起的压力水头高(取1000m);S—弹性释水系数(取5.76×10-4)。则W=390×106×5.76×10-4×1000=2.25×108(m3)
7勘探开发利用前景
根据太原盆地构造条件,热储模型和已有热矿水开发利用情况,对今后太原盆地地热田的开发目的层、分区开采条件、开发利用方式及建议分述如下:
a)勘探开发目的层。奥陶系上、下马家沟组热储层,水温高、水量大、水质也较好,具有勘探开发利用前景,应作为太原市今后勘探开发利用的主要目的层。峰峰热储层水质较差,寒武系风山组、张夏组白云岩及鲕状灰岩,岩溶不发育(特别是在深埋条件下),水温高,但产水量小,不是今后开发利用的目的层。
b)太原盆地地热田为中低温地热田,以层状热储为主,兼有裂隙带状分布特点
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