摘要：为综合研究大庆北部地区地热资源潜力，在明确地质背景的基础上，分析地热地质条件，并采用热储法对其地热资源进行潜力评估。结果表明，大庆北部地区地温梯度较高，莫霍面深度较浅，基底断裂发育，具地热资源形成的有利条件，蕴藏丰富的中低温地热资源，热储层主要为明水组、四方台组、嫩江组、姚家组、青山口组以及泉头组。研究区地热资源总量为316.37×1014kcal，相当于标准煤45.20×108t，可开采基础热能为53.31×1014kcal。
关键词：大庆北部；地热资源；资源量；潜力评价
地热资源是指能够经济地被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分，它集热能、热水和矿产于一体，是一种宝贵的矿产资源，也是环保可再生的清洁能源。大庆位于中国陆地地热水资源集中分布区之一[1]的松辽盆地中北部，有着得天独厚的地热资源，通过综合开发利用，合理配置资源，会取得良好的经济效益、社会效益和环境效益。大庆地处高纬度地区，冬长夏短，取暖期长达半年，冬季供暖消耗大量煤炭，随之而来的大气污染等环境问题严重影响当地生产和生活。地热作为一种清洁能源，对改善大庆地区的能源结构，减轻对化石能源的依赖，保护市区生态环境，促进经济发展，都具有十分重要的意义。
研究区位于大庆市北部地区，南起大庆市，北至林甸县，西起杜尔伯特蒙古族自治县，东至大庆市边界，地理坐标：北纬46°20′00″—47°40′00″，东经124°40′00″—125°20′00″，研究区总面积9222.08km2。本次研究从大庆北部地区的地热地质条件出发，结合地质调查、地球物理勘探、试验测试等手段，明确主要热储层并进行地热资源量估算，研究表明，大庆北部地区地热资源丰富，具有广阔的利用前景。
1 地质概况
1.1 地层
大庆北部地区地层层序自下而上为中生界白垩系登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组，新生界古近系依安组，第四系泰康组、林甸组，具体地层及岩性详见表1-1。
表1-1 大庆北部地区地层岩性简表
1.2 构造
研究区位于松辽盆地的中北部，Ⅰ级大地构造单元为兴安岭—内蒙地槽褶皱区，亚Ⅰ级构造为小兴安岭—松嫩地块，Ⅱ级构造为松嫩中断（坳）陷带，Ⅲ级构造为中央坳陷区，Ⅳ级构造本区以齐家—古龙凹陷、龙湖泡阶地为主，东北部为黑鱼泡凹陷、克山依龙背斜带，东南部为大庆长垣、三肇凹陷，西北部为乌裕尔凹陷，西南部为泰康隆起带。松辽盆地是一个以古生界、前古生界为基底的大型中、新生代含油气盆地。多期的构造活动使盆地内形成了有利于地热资源赋存条件，深、浅层的断裂发育，为地热资源的向上传导提供了便利[2-3]。侏罗纪—白垩纪的火山岩喷发，造成了喷发期局部地层的地热异常，盆地基底中广泛分布华力西、燕山期的花岗岩，第四纪以来的火山活动反映出松辽盆地现今深部地热仍较为活跃[4]。
1.3 水文地质条件
根据研究区地下水赋存条件、水理性质及水力特征，可分为松散岩类孔隙含水岩系、碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩系、基岩裂隙水含水岩系三大类型，同时根据各含水层的埋藏条件、成因类型及水力联系，其中的松散岩类孔隙水含水岩系又分为第四系潜水含水岩组及第四系承压含水岩组；碎屑岩类裂隙孔隙水含水岩系又分为第三系均匀层间承压水含水岩组及白垩系不均匀层间承压水含水岩组；基岩裂隙水含水岩系又分为构造裂隙水含水岩组及风化裂隙水含水岩组。
本次工作在研究区三个地块进行地下热水取样及同位素分析，可以计算出地热水年龄并确定地下热水的运移方向。测得结果为：大庆区块> 43500年、林甸区块> 43500年、杜蒙区块38510年，进而计算出地下热水的运移方向及速率（见图1-1），杜蒙取样点至林甸取样点的运移速率小于10m/年，杜蒙取样点至大庆取样点的运移速率小于9.8 m/年。
图1-1 地下热水年龄及运移方向示意图
2 地热地质条件
2.1 地温场特征
松辽盆地地温梯度较高，平均为3.3℃/100m。通过本次工作收集的区内探井资料，计算出地温梯度在3.4~4.6℃/100m，平均可达4℃/100m。研究区地下500m、1000m、1500m、2000m不同深度下的平均地层温度分别为18℃~27℃、38℃~52℃、55℃~70℃、70℃~95℃（详见图2-1）。研究区大地热流的变化范围在40~90mW/m2，平均热流值为70mW/m2，高于世界平均大地热流值。区内莫霍面埋深介于29~33km之间，大部分的地区均小于31km，本区地壳相对较薄，莫霍面相对抬升，从而提高了地幔供热能量，这也是本区形成高地温场及丰富热资源的主要因素之一。
图2-1 地温分布等值线图
2.2 地热资源形成条件
（1）热源
地球的内热能是地下可利用热资源的主要热能来源，对地热资源形成起重要影响的热源是地幔供热、放射性元素衰变生热、岩浆体供热等[5]。研究区具有高热流、高地温和高地温梯度的特点，莫霍面埋藏浅，基底花岗岩分布广泛，使区内具有丰富的深部热源，为各热储层提供了统一的热源。
（2）热储层
考虑开采技术经济条件的可行性以及远景发展的需要，研究区内有效热储不宜太深；考虑获得的地热流体温度不低于25℃，热储埋深也不宜太浅。按照这个要求，根据松辽盆地的演化历史和地层的发育特征，研究区能满足上述要求的热储层主要为明水组、四方台组、嫩江组、姚家组、青山口组以及泉头组。
通过大地电磁测深工作给出的热储层电性特征可知，区内热储层的岩性以砂岩、砂砾岩、粉砂岩为主。再结合大地电场岩性探测工作，可较为明确的了解各岩组热储层数量、厚度等信息（例如图2-2）。
图2-2 岩性探测点与地热井结构柱状对比图（以YK2-8点为例）
①泉头组热储系统：由泉头组三段、四段地层构成，埋藏较深，沉积厚度一般为1800~2200m，地层温度较高可达63.1℃，热储较发育，以青一段泥岩地层为区域性隔水层与上部热储分开。
②青山口组热储系统：由青山口组二、三段地层构成，埋藏较深，沉积厚度一般为1500~2000m，地层温度较高可达58.4℃，热储较发育，以姚一段泥岩地层为区域性隔水层与上部热储分开。
③姚家组热储系统：由姚家组二、三段地层构成，埋藏较深，沉积厚度一般为1400~1600m，地层温度较高可达54.1℃，热储较发育，以嫩江组一段泥岩地层为区域性隔水层与上部热储分开。
④嫩江组热储系统：由嫩江组二、三、四段地层构成，埋藏较深，沉积厚度一般为650~850m，地层温度较高可达45.4℃，热储较发育，以嫩江组五段泥岩地层为区域性隔水层与上部热储分开。
⑤四方台组热储系统：沉积厚度一般为570~680m，地层温度较高可达35.6℃，热储较发育，以四方台组上层泥岩为区域性隔水层与上部热储分开。
⑥明水组热储系统：由明水组一段地层构成，沉积厚度一般为310~470m，地层温度较高可达30.4℃，热储较发育，以明水组二段泥岩为区域性隔水层与上部热储分开。
（3）热流体通道
松辽盆地内发育着四组隐伏深大断裂，将盆地基底切割成大小不等的网状块体，以北东向和近南北向最发育，控制了盆地主要构造框架，为地下热流、水流提供了运移通道。区内中浅层断裂呈密集条带状展布，平面上展布方向呈现北北东、北北西两组方向的断裂密集带，与基底深大断裂基本一致，与下部基底断裂相连构成了良好的流体输导系统。
（4）盖层
研究区收集的钻孔资料表明，明水组二段，沉积稳定，泥岩纯而且厚度大、分布面积广，封盖性能好，是非常好的区域性隔水层，由此，可将热储概化为以明水组二段为隔热盖层的热储体系。
3 地热资源量计算
3.1 计算公式
根据《地热资源地质勘查规范》（GB11615-2010），目前主要用热储法计算热储中储存的热量，估计地热田地热资源的潜力，可按下式计算：
Q = Qr + Qw
Qr = Adρr cr（1 – φ）（tr – t0）
Qw = QLcwρw（tr – t0）
QL = Q1 + Q2
Q1 =Aφd
Q2 =ASH
式中：Q—热储中储存的热量，kcal；
Qr—岩石中储存的热量，kcal；
Qw—水中储存的热量，kcal；
QL—热储中储存的水量，m3；
Q1—截止到计算时刻，热储孔隙中热水的静储量，m3；
Q2—水位降低到目前取水能力极限深度时热储所释放的水量，m3；
A—计算区面积，m2；
d—热储厚度，m；
ρc—热储岩石密度，kg/m3；
ρw—地热水的密度，kg/m3；
Cc—热储岩石比热，kcal/m3•℃；
Cw—水的比热，kcal/m3•℃；
—岩石的孔隙度，%。
tr—热储温度，℃；
tj—基准温度（当地年平均气温），℃；
S―热储的弹性释水系数，无量纲；
H―计算起始点以上高度，m。
用热储法计算出的资源量不可能全部被开采出来，只能开采出一部分，二者的比值称为采收率。采收率的大小根据热储的岩性、有效孔隙度确定。
Qwh = QR RE
式中：Qwh—可开采基础热能，即从井口得到的热量，kcal。；
RE—采收率，无量纲
3.2 计算结果
将参数带入计算公式，计算结果见表3-1，研究区地热资源总量为316.37×1014kcal，相当于标准煤45.20×108t，可开采基础热能为53.31×1014kcal。
表3-1 大庆北部地区地热资源量计算成果表
根据地热流体的不同用途，《地热资源勘查规范》（GB11615-2010）对地热资源温度分级，并明确主要用途。参照表3-2，按温度指标进行评价。
表3-2 大庆北部地区地热资源量计算成果表
研究区明水组和四方台组热储温度在25≤t＜40范围内，属于低温地热资源的温热水，可用于农业灌溉、养殖、土壤加温；嫩江组、姚家组和青山口组热储温度在40≤t＜60范围内，属于低温地热资源的温热水，可用于医疗、洗浴、温室；泉头组热储温度均在60≤t＜90范围内，属于低温地热资源的热水，可用于采暖和工艺流程。
4 结论
（1）大庆北部地区地温梯度较高，莫霍面深度较浅，基底断裂发育，具地热资源形成的有利条件，蕴藏丰富的中低温地热资源，热储层主要为明水组、四方台组、嫩江组、姚家组、青山口组以及泉头组。
（2）研究区地热资源总量为316.37×1014kcal，相当于标准煤45.20×108t，可开采基础热能为53.31×1014kcal，有较大的开发利用空间。
（3）在研究区进行地热资源开发利用时，应合理规划、有序发展、综合利用，优化布井设计，严格控制地热开采量并防止破坏性、掠夺性开采，同时提高地热水的梯级利用，减少资源浪费，防止出现热污染等环境问题，重视地热水尾水回灌工作，实现资源可持续利用。
参考文献：
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作者简介：刘光（1980-），男，河北沧州人，高级工程师，主要从事水工环地质工作。
论文作者:刘光1,马翠1,孟祥菲2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/16
标签：地热论文; 地层论文; 资源论文; 明水论文; 盆地论文; 嫩江论文; 地温论文; 《基层建设》2018年第20期论文;