地热资源作为一种集水、热、矿于一体的可再生能源,具有资源量大、利用效率高、成本低、节能减排效果好等优势
[1]。在全球 “碳达峰、碳中和” 战略加速推进的背景下,其已成为替代传统化石能源、优化区域能源结构的关键突破口。在中国“十四五”能源发展规划中,地热能被明确列为重点发展的非化石能源,预计到2030年地热能在中国能源消费结构中的占比将提升至3%以上
[2]。
南华北盆地地处中国中原经济区核心腹地,横跨豫、皖、苏三省,人口密集、工业基础扎实,城镇供暖、现代农业温室控温、工业工艺用热等领域对地热资源的需求持续攀升,开发潜力极为可观
[3-6]。从资源禀赋来看,南华北盆地地热系统呈现明显的“三层结构”特征:浅层(<1 000 m)新近系馆陶组地热田已实现商业化开发,但资源量有限
[7-11];中深层(1 000~3 000 m)下古生界寒武系-奥陶系岩溶热储面积较大,埋藏适中,热储开发最为有利,是当前开发程度最低而潜力最大的战略接替领域
[12-14];深层(>3 000 m)热干岩资源尚处勘探评价阶段。从中外研究现状来看,地热资源的勘探开发已逐步向中深层领域拓展,形成了一系列的关键技术与理论成果,但多聚焦于构造稳定型盆地,对于南华北盆地这类“秦岭—大别造山带与华北板块过渡区”的叠合盆地,多期构造叠加下的热储形成机制研究仍存在空白,缺乏可直接借鉴的技术方案。
南华北盆地中深层寒武-奥陶系地热资源,因勘探程度低、基础资料零散,系统研究较为薄弱。王贵玲等
[15]对全国地热资源潜力进行了宏观评估,指出南华北盆地中深层地热具有巨大开发价值,但未涉及下古生界具体层系的精细评价;董寒杰等
[16]针对河南省中深层地热资源的勘查开发模式展开研究,强调了奥陶系热储的开发潜力,但未对南华北盆地整体热储特征与有利区带进行系统性圈定;周颖等
[17]聚焦华北南缘长山隆起斜坡带寒武系岩溶地热资源,揭示了局部区域热储特征,但缺乏对全盆地尺度下古生界热储的综合分析。目前全盆地地温梯度分布格局、寒武-奥陶系顶面温度量化模型尚未建立,现有数据仅集中于开封、周口坳陷局部,资源评估缺乏精准参数;这种研究不足与资源潜力之间的巨大反差,使得系统开展南华北盆地下古生界地热资源评价具有紧迫的现实意义。
因此,现通过系统整合南华北盆地下古生界钻井、地质及地球物理资料,开展全盆地尺度寒武系-奥陶系岩溶热储的精细评价。建立全盆地尺度的寒武-奥陶系热储厚度、孔隙度及顶面温度场模型,填补南华北盆地地热研究的理论空白;圈定核心有利区与较有利区,明确不同区域的开发潜力。研究成果旨在填补南华北盆地下古生界系统性进行地热资源评价的空白,为区域地热资源的科学规划、高效开发提供理论依据与实践指导。
1 区域地热地质背景
南华北盆地横跨河南省南部、安徽省北部和江苏省西北部,北部以焦作-丰县-沛县断裂为界,南到秦岭-大别造山带,东以郯庐断裂为界,西到中条山隆起,是一中、新生代叠合盆地,面积15×10
4 km
2。现今表现为“三坳两隆”的正负向构造格局,自北而南依次为济源-开封拗陷带、豫西-太康-徐州隆起带、周口拗陷带、长山-蚌埠隆起、信阳-合肥坳陷(
图1和
图2),又进一步可划分为30余个三级构造单元。
南华北盆地处于秦岭-大别造山带和华北板块之间的过渡带,其构造格局主要受控于其南部的秦岭-大别造山带和东部的郯庐断裂系(SF1、F7)。区域上主要发育北西-北西西向、北东-北北东向两组断裂,它们构成了研究区内基本的断裂体系
[18-19],在盆地演化的早、中期,研究区断裂系统主要受控于近北西-北西西向展布的秦岭-大别造山带的构造作用(SF1);中生代末-新生代,在原有呈北西-北西西向展布断裂系统的基础上,叠加了与郯庐断裂构造作用相伴生的北东-北北东向断裂系统。区域上北西西向至近东西向和北东-北北东向断裂系统一起控制了南华北盆地的次级构造单元的形成和演化,控制着研究区的水热活动(
图3)。
2 热储类型及特征
2.1 热储类型
南华北地区早古生代沉积了巨厚的碳酸盐岩地层,后期表生岩溶作用形成了岩溶热储。下古生界寒武-奥陶系与下伏震旦系呈平行不整合接触,与上覆石炭系或二叠系为平行不整合或微角度不整合接触。
寒武系为一套厚度稳定的台地相及潮坪、澙湖相白云岩、颗粒灰岩为主,夹粉细砂岩及泥岩的台地型沉积,热储以膏溶、断裂构造引起的缝洞型储层为主,主要发育两种类型:一种是寒武系辛集-朱砂洞组不整合面形成溶洞;另一种是寒武系张夏组鲕粒灰岩。钻井资料显示:ZC7井在寒武系不整合面下128~160 m段膏溶缝洞发育,漏失泥浆1 122.76 m3;ZC6井寒武系取心收获率低,地层破碎,断裂/构造缝洞发育且未完全充填;X5井、Z20井和XC6井寒武系试油产水量0~120 m3/d。
奥陶系主要为中奥陶统马家沟组,为一套台地相碳酸盐岩建造,岩性为灰色白云岩、浅灰色灰岩夹薄层灰岩、含泥灰岩及含灰白云岩、局部含膏岩层,且顶部遭受风化剥蚀,易于形成溶蚀孔洞。岩溶热储主要分布于奥陶系顶不整合面之下100 m以内,以表生岩溶热储为主。钻井证实马家沟组岩溶发育,多口井解释多层水层,且钻井过程中漏失严重,TC3井在奥陶系1 904.14~2 313 m井段测试产水16.7 m
3,折算68.6 m
3/d,并在井段1 973~2 010 m发生严重井漏现象,折算漏失量可达203.5 m
3/h,测井解释水温在80 ℃以上
[20]。
2.2 热储厚度
根据测井解释和实钻结果,奥陶系热储厚度在一般在40~100 m。其中,在太康隆起郑州-开封-杞县、周口坳陷淮阳-柘城-商丘、淮北隆起永城以东厚度相对较大,在80~100 m,其他地区厚度在40~60 m(
图4)。热储孔隙度在4%~7%,局部高值孔隙度6%~8%,主要位于太康隆起尉氏-开封-杞县、周口坳陷柘城地区(
图5)。
寒武系热储厚度相比奥陶系厚度较小,厚度10~20 m,分布范围较奥陶系广,在太康隆起、周口坳陷、淮北隆起热储厚度相对较大,在10~15 m,其他地区均< 10 m(
图6)。储层孔隙度也较奥陶系低,2%~4%,在太康隆起-周口坳陷郑州-开封-柘城、周口坳陷蔡庄-倪丘集、淮北隆起永城以东一带,孔隙度稍高,在4%左右(
图7)。
2.3 热储温度
根据收集到的钻井地温数据,井温随井深变化关系良好,南华北地区现今地温梯度分布在1.96 ~ 2.9 ℃/100 m,平均为2.69 ℃/100 m。地温等值线走向主体以NWW和NNE向带状分布,局部有异常的高值点,总体呈现北高南低、东高西低的特点(
图8)。
根据构造演化史,并结合地温场特征计算寒武-奥陶系顶面温度
T。计算公式为
T=
kH+
T0,其中
k为地温梯度,
T0为地表温度,
H为寒武-奥陶系顶面深度。开封坳陷现今平均地温梯度高达2.95 ℃/100 m,寒武-奥陶系顶面埋深多为3 000~4 000 m,差异性大,现今地温大多分布在100~200 ℃;太康隆起古生代稳定沉降,中生代强烈的抬升剥蚀,寒武-奥陶系顶面埋深相对较浅,大部分< 3 000 m,但现今地温梯度较高,地温分布在100~150 ℃
[21-25];周口坳陷在接受古生代稳定沉积之后,中生代沉降格局表现为较大规模的隆升与沉降作用并存,新生代接受大规模的沉积,因而各拗陷带现今热状态分布不均,差异性大,地温梯度不同坳陷差别较大,分布在2.0~3.20 ℃/100 m,而寒武-奥陶系顶面深度> 3 000 m, 现今地温多数在100~150 ℃;徐州-蚌埠隆起在古生界沉积后遭受中、新生代强烈抬升剥蚀,虽现今地温梯度较高,但地层埋藏较浅,多数出露地表,埋深< 1 000 m,寒武-奥陶系顶面现今地温多数分布在< 50 ℃(
图9)。
3 地热资源潜力评估及有利目标
3.1 地热勘探有利地区及层系
根据经济性分析,地热井成井深度可分为3个区间:小于1 000 m为最经济区间,1 000~3 000 m为经济区间,超过3 000 m则存在经济风险。因此,本项目将研究区地热评价深度确定为3 000 m以浅区域,重点覆盖太康-淮北隆起、息县-长山隆起、豫西隆起及坳陷内凸起区。
研究区下古生界奥陶系与寒武系地热资源均属水热型,成因以热传导为主。通过系统分析断裂体系、地温场分布及热储特征,结合已有钻井测井、试水测温数据及周边地热开发现状,确定奥陶系马家沟组为区内重点勘查层系。
基于新生界盖层厚度(>500 m)、顶板埋深(<3 000 m)、顶板温度(80 ℃)、地温梯度(>3 ℃/100 m、热储厚度(>80 m)及孔隙度(>4%)等关键指标,优选太康隆起为南华北奥陶系热储勘探最优靶区。该区域具有显著优势:3 000 m以浅地层温度普遍超过100 ℃,奥陶系岩溶热储厚度逾100 m,平均孔隙度达6%以上。
3.2 地热资源量
根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615—2010)
[26],南华北下古生界岩溶地热资源评价可采用地表热流量法、热储法等多种方法。由于研究区勘探程度较低且缺乏动态监测数据,选择热储法对太康隆起区进行地热岩石中储存的热量计算。
根据热储法计算地热岩石中储存的热量的公式,即
式(1)中:Qr为岩石中储存的热量,J;A为面积,m2;M为热储厚度,m;ρr为热储岩石密度,kg/m3;cr为热储岩石比热容,J/(kg·℃);ϕ为热储岩石的孔隙度,无量纲;tr为热储温度,℃;t0为当地年平均气温,取15 ℃。
计算太康隆起区下古生界岩溶岩石中热储热量为55 623.78×10
17 J。按20%热能回收率,岩溶岩石中地热资源的可采量为11 124.76×10
17 J(折合379.68×10
17 t标准煤)。其中奥陶系岩溶岩石中热储热量占比达82%,寒武系因储层欠发育,资源量较小(
表1)。该评价结果基于沉积构造、岩溶储层等综合研究,实现热储厚度、孔隙度及热储温度等关键参数的精准刻画,精准圈定太康隆起为南华北盆地下古生界岩溶地热勘探的最优靶区。
3.3 地热资源有利区
根据太康隆起奥陶系热储地热资源量分布及开发条件,圈定郑州市-尉氏县一带,扶沟县东部-太康县-柘城县一带为两个地热有利区,尉氏县-通许县-杞县一带为较有利区(
图10)。
郑州市-尉氏县一带构造位置位于太康县西部,发育北西向及北东向两组断裂,热储厚度80~100 m,孔隙度5%~7%,根据水资源分布,中牟县最有目标,其次是尉氏县。
根据《开封市“十四五”地热供暖发展规划》,寒武奥陶系通许地区热储顶板埋深2 400 m左右,厚度800 m左右,热储温度95 ℃。单井出水量 280 m3/d。根据区域地质资料,该区岩溶裂隙较发育,水质较好。适用于休闲洗浴、采暖、烘干。郑州东部豫热1井,热储层奥陶系马家沟组,温度 57 ℃, 流量55 m3/h(自然流淌)。这些证实郑州市-尉氏一带具备良好的地热资源成藏条件和成藏禀赋,资源开发利用潜力大,与所圈定的地热有利区结论高度契合。
4 结论及认识
(1)南华北盆地下古生界地热资源主要分布在寒武系张夏组(鲕粒灰岩)、辛集-朱砂洞组以及奥陶系马家沟组。马家沟组岩溶热储中。奥陶系热储厚度大(40~100 m)、孔隙度高(4%~7%),资源量占比达82%,是开发的核心层系;寒武系热储厚度较薄(< 15 m)、物性较差(孔隙度< 3%),资源潜力有限。
(2)南华北盆地受中、新生代构造的影响,不同坳陷地温差别较大,地温梯度呈北高南低、东高西低格局,平均2.69 ℃/100 m。开封坳陷地温最高(100~200 ℃),太康隆起和周口凹陷次之(100~150 ℃),徐州-蚌埠隆起因地层剥蚀严重,地温最低(<50 ℃)。断裂系统(北西-北西西向为主)与岩溶发育共同控制热储分布。
(3)估算下古生界岩溶岩石中热储热量为55 623.78×1017 J(折合379.68×108 t标煤)。圈定两处核心有利区:西部(郑州-尉氏县):热储厚度80~100 m,孔隙度5%~7%;东部(扶沟县-太康县-柘城县):热储厚度>100 m,地温>100 ℃,孔隙度>6%。中部尉氏县-通许县-杞县为较有利区,热储条件略逊但具开发价值。
(4)优先开展奥陶系马家沟组勘探,重点关注断裂带与岩溶叠加区。需结合经济性评估(埋深<3 000 m、地温>80 ℃)优化井位部署,西部中牟县、东部太康县清集镇等目标可作为首批试点。
PDF
(15925KB)
