河南省睢县西部奥陶系地热资源特征分析.pdf

1662019 年第 7 期 收稿日期 2019-01-16 作者简介 付海英（1989-），女，汉族，河南周口人，2012 年毕 业于河南理工大学，助理工程师，主要从事地质矿产勘查工作。 河南省睢县西部奥陶系地热资源特征分析 付海英 赵小涛 （河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，河南 郑州 45000） 摘 要 本文根据以往地质、水文、煤田勘探钻孔资料，整理分析了该区地层、地质构造、地热场成因、地温场特征， 通过该区地层地温梯度值和奥陶系底板埋深，保守推算出该区奥陶系地层温度在 60 ～ 100℃。 关键词 奥陶系 地层 地质构造 地热成因 地热场特征 中图分类号 P314 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2019.07.062 Analysis of the Characteristics of Ordovician Geothermal Resources in the West of Suixian in Henan Fu Hai-ying Zhao Xiao-tao （No. 4 Institute of Geological and Mineral Resources Survey, Henan Bureau of Geo-exploration Mineral Development, Henan Zhengzhou 45000） Abstract Based on the present data of geological, hydrological and coalfield exploration, this paper systematically analyzes the strata, geological structure, geothermic causes, geothermal field characteristics in this area. By means of geothermal gradient value and embedded depth of the Ordovician backplane, it is conservatively calculated that the Ordovician geothermal temperature in the area is between 60and 100. Key words Ordovician stratum geological structure geothermic causes geothermal field characteristics 1 引言 河南省睢县西部地热井开采多集中在新生 代 的 古 近 系、 新 近 系， 属 层 状 热 储， 埋 深 在 8001600m，水化学类型为 HCO3-Na、Cl-Na 型， 水温在 4070℃不等。河南省新生界地热资源开发 利用中，郑州、开封、商丘地热资源富集区面临着 超采或较高开采程度，而基岩和 2000m 以深开发利 用程度低 [1]。河南东部平原凸起区奥陶系地热热储 较好，尤其通许凸起区开发价值最大。 2 地质概况 2.1 地层 河南省睢县西部研究区是 2009 年度地质勘查 基金续作项目河南省睢县西部煤普查区范围，位于 河南省睢县、杞县、民权、太康、柘城和扶沟县境 内。该区地层属中朝准地台华北地层区，开封小区， 大部分地区缺失志留系、泥盆系及下石炭系，该区 亦缺失上奥陶系至下石炭系。据本区地质及钻孔资 料，揭露的地层由老至新依次为奥陶系中统马家沟 组、石炭系上统本溪组和太原组、二叠系下统山西 组和下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、新近系 及第四系。区域上奥陶系岩性主要由厚层状灰岩、 白云质灰岩、白云岩组成，奥陶系马家沟组最大揭 露厚度490m。 本区内共有2孔揭露奥陶系马家沟组， 岩性主要为浅灰、灰色隐晶质～细晶质、中厚～厚 层状石灰岩，上部含黄铁矿晶体，岩溶裂隙较发育， 新生界厚度 10001800m，平均 1250m，奥陶系底 板埋深主要在 20003000m 之间，如图 1 所示。 2.2 构造 本区位于华北板块南缘，北部为一近东西向的 巨型凹陷开封凹陷，南部为周口拗陷系，中部为 通许隆起，可谓“两拗夹一隆”[2]。该区构造形态 以断层 SDF15 为界，断层 SDF15 及其以北构造复 杂程度简单，构造形态为一地层走向北西、倾向南 西、倾角为 3 10的单斜构造。断层 SDF15 以 南、DF10 断层以西至催桥断层构造复杂程度中等， 构造形态为一地层 走向北东、倾向北西、倾角为 3 12的单 1672019 年第 7 期 斜构造。断层 SDF15 以南、DF10 断层以东构造复 杂程度复杂，地层走向变化较大，构造形态为一不 完整、轴向 SE 的不对称向斜构造，太康向斜东北 翼保存较完整，地层较缓，倾角 320；向斜西南 翼保存较差，地层倾角 522，被走向 NE、倾向 SE 的断层所切割，形态不完整。本区构造形式主要 有断层、褶曲，发育 68 条高角度正断层，北部发 育常寺背斜、南部发育太康向斜。本区内断层走向 以NE、 NNE为主， 其中NE向断层断距大、 延伸远。 这些地壳的隆起（凸起）、坳陷（凹陷）、深、大 断裂是构成地温异常的重要控制因素。 图 1 该区地质构造及奥陶系底板埋深等值线图 3 该区地热地质条件 3.1 埋藏特征及热储条件 本区奥陶系底板埋深主要在20003000m之间， 仅在太康向斜轴部和区西南边缘深度达 4000m，热 储以太古届、中、上元古界为基底，中生届、新生 界为盖层，区内构造断裂发育，褶皱发育较差，主 要发育有聊兰断层 FQ18、睢县断层 FQ22、民权 虞城断层 FQ4、崔桥断层 DFQ11、付草楼断层等 高角度正断层，详见表 1。在区内有 2 钻孔揭露了 奥陶系马家沟组石灰岩岩溶承压含水层。 3.2 地温场特征 本区恒温带温度采用睢县与太康气象站多年 地面温度平均值增加 2℃代替，即 16.3℃，深度按 20m。根据钻孔实测温度和恒温带温度资料计算地 温梯度，计算公式为 Gt-t0100/H （1） 式中 G- 地温梯度，℃ /100m； t- 测温点温度，℃； t0- 恒温带温度，℃； H- 测温点与恒温带深度之差，m。 根据煤田钻孔资料和测井资料，全区 28 个钻 孔进行了简易井温测量，地温梯度在 2.14 ～ 3.76℃ / hm 之间，平均 2.81℃ /hm。其中 10 个钻孔地温梯 度大于 3.00℃ /hm，属于地温异常区。 地温梯度随地层埋深和年龄的增加而呈下降的 趋势，主要是受各段岩石热导率的控制，基底的热 导率往往高于盖层。岩性差异导致了纵向上不同组 段地温梯度有明显变化。通过统计邻区商丘地区胡 襄煤普查 39 个煤田勘探测温孔，得出新生界（大 部分埋深在 1000m 以浅，56 次测温）地温梯度在 2.374.07℃ /hm，平均 2.92℃ /hm；二叠系（埋深 在 1300m 左右，56 次测温，去除 5 次异常值）地 温梯度在 1.813.80℃ /hm，平均 2.76℃ /hm；石炭 系测温往往只有几米到十几米，甚至不测，所以不 足以支撑统计该层地温梯度。按照以往前人总结 的该区地层地温梯度值，新生界地温梯度 2.80℃ / hm，煤系地层地温梯度 2.20℃ /hm，奥陶系地温梯 度 1.30℃ /hm，据此保守推算本区奥陶系底板温度 在 60100℃，在太康向斜轴部和区西南区边缘超过 100℃，具体如图 2 所示。 3.3 地温场异常成因分析 地热场异常区主要分布在大地构造的隆起（凸 起）、坳陷（凹陷）、深大断裂处，主要受大地构造、 基底起伏、岩浆活动、岩性、断层、地下水活动等 因素的影响，起主导作用和具全局性影响的是大地 构造性质。但是在广大平原地区，基底的构造形态 对区域地温场起着控制作用，如基底起伏，由于基 底的热导率往往高于盖层，深部热流向基底隆起处 集中，使得基底隆起区具有高热流、高地温梯度特 征，坳陷（凹陷区）具有低地温特征，本区正处在 通许凸起（隆起）构造带内，地层稳定。 1682019 年第 7 期 表 1 断层发育情况一览表 分类 走向 落 差（m） 合 计 H ＜ 5050 ≤ H ＜ 100100 ≤ H ＜ 200200 ≤ H ＜ 500 500 ≤ H ＜ 1000H1000 NE DF31、DF33、 DF35、DF41、 PDF2 DF27、DF37、 DF42、 PDF1、PDF3 DF1、DF3、DF9、DF16、 DF17、DF21、DF22、 DF30、DF32、DF36、 DF40、DF45、DF47、 DF48、PDF5 DF2、DF4、 DF5、DF8、 DF11、DF12、 DF15、DF55、 PDF6 DF13、DF14 DF6、DF7、 DF10、睢县断层 FQ22、聊兰断层 FQ18 41 NNE DF28、DF34、 DF39、DF44 DF43、DF46DF19杞县断层 FQ308 NWWDF29、DF49DF50DF20DF185 SNDF25DF23、DF38、 PDF44 NWDF24 崔桥断层 DFQ11 民权虞城断层 FQ4、DF53、包 屯断层 FQ31 5 NEEDF26DF51DF52DF54、 付草楼断层5 小计128201251168 图 2 该区奥陶系底板温度等值线图 4 地热水化学特征 地热地球化学研究是以地热水中各种常量和微 量元素及其同位素化合物（液态和气态）化学成分 的分析为基础的，主要用于解决划分地热系统的成 因类型、确定补给源、估算热储温度、计算地热水 年龄、研究地热水与其他天然水之间的相互关系、 研究与地热水成分的组成与演化有关的水热化学作 用等。本区地热水资料较少，故仅作简单陈述。区 （下转第 171 页） 域水文地质资料，单位涌水量 0.0023.15L/sm， 渗透系数为 0.00855.02m/d，水化学类型为 SO4- NaCa 型，矿化度 13g/L，属于微咸水。通常热 储层中阳离子、离子总量、矿化度与地下埋深关系 密切，具有随深度增加而增高的趋势。本区地下热 水是大气降水经缓慢的侧向径流补给热储层中与沉 积水的混合物，补给源为西部山区，补给高程约 320m，热水年龄约为 2.044 万年 [3]。 现在地热回灌技术日渐成熟，推广完全回灌， 逐步实现地热能资源“只取热不取水”良性循环。 5 地热资源总体分析 该区热储层岩性主要为灰岩、白云质灰岩、白 云岩，奥陶系底板埋深主要在 20003000m 之间， 埋深从东北、东往西南、西逐渐增加，多条深大断 裂带、断层、裂隙发育，构成了地下热水良好的储 存及运移通道。区内有钻孔揭露了奥陶系马家沟组 石灰岩岩溶承压含水层，水化学类型为 SO4-NaCa 型，矿化度 13g/L，F- 含量较低。温度主要在 60100℃之间。综上推测该区奥陶系中低温地热资 源量丰富，水质好，是较有利勘查开发地段。 6 结 论 （1）本文通过对该区的地层、地质构造、埋 藏特征、热储条件、地温场及地热异常成因、地热 水等因素的系统分析，为该区地热资源更深程度勘 查与开发提供较有力数据与技术支撑。 （2）本区地热井资料较少，奥陶系埋藏较深， 1712019 年第 7 期 至发生多次较大涌水量的突水。其突水特点是涌 水持续时间长，峰值高，衰减慢，给开采造成严重 的影响。如一采区均位于井田东南部，开采的 3下煤 层距离上侏罗统底界 23.7768.64m，平均 53.96m。 3下煤层厚 3.177.42m，平均 5.80m。采用综采放顶 煤开采，导水裂隙带最大高度 80.88m。而 3下煤层 与侏罗统底界的距离最大 68.64m，因此，上侏罗 统下部砂砾岩含水段便成为矿井直接充水含水层， 造成回采工作面多次大量突水。一采区工作面生产 中共发生涌水量 65m3/h 以上的突水 18 次，单个工 作面最多突水 6 次（1301 工作面），最大突水量 533.84m3/h（1301 工作面，2000 年 11 月 14 日）， 最长突水期 50d（1306 工作面），严重地影响了工 作面的安全生产。 图 1 3上煤顶板导水裂隙带波及红层范围 4 水害防治措施 （1）对水文地质条件不清或预计涌水较大地点， 提前进行井下物探，视探测结果超前进行探放水。 （2）在充分分析研究开采地质、水文地质条 件的基础上，合理确定开采顺序与时间，提前开展 井下疏放水工作，避免突水事故发生。 5 结论 （1）采用现场实测得出的公式计算了 3上煤和 3下煤的顶板导水裂隙带高度。3上煤层导水裂隙带 高度 9.3069.76m，平均 21.62m，3下煤层导水裂隙 带高度 8.6893.96m，平均 53.29m。 （2）开采 3 煤层时“两带”高度内的充水含 水层包括 3 煤层顶板砂岩含水层和上侏罗统砂砾岩 含水层。另外，西区为下行开采，3上煤层老空水在 3下煤层导水裂隙带内，3下煤开采时将受 3上煤顶板 老空水影响。 （3）3 煤顶板砂岩以静储量为主，易于疏干， 但其富水性不均一，在断裂破碎带、构造裂隙发育 区等部位富水性较好，容易造成突水事故。矿井东 部、东南部，由于 3 煤与上侏罗统底界距离多小于 采后导水裂隙带高度，上侏罗统下含水段水沿导水 裂隙进入矿井，且矿井涌水量大，涌水持续时间长， 严重影响矿井开采。 图 2 3下煤顶板导水裂隙带波及红层范围 【参考文献】 ［1］ 煤矿防治水综合技术手册编委会 . 煤矿防治 水综合技术手册 [M]. 长春吉林音像出版社， 200332-37. ［2］ 王新 . 煤矿顶板突水机理探讨 [J], 煤矿开采， 2007（05）74-76. ［3］ 陈香菱 . 多煤层开采覆岩水害评价研究以济三 煤矿十二采区为例 [D]. 青岛山东科技大学， 2009. ［4］ 杭远 . 煤矿顶板水砂灾害及防治对策 [J], 西部探 矿工程，2006（01）39-42. ［5］ 苏宝成 . 华丰煤矿顶板突水机理及防治技术研究 [D]. 青岛山东科技大学，2005. （上接第 168 页） 地温梯度值随深度增加而降低。按照以往前人总结 的该区地层地温梯度值推算该区奥陶系底板地层温 度属保守推算，实际地温可能高于此次推算结果， 此次推算仅为更深一步工作提供参考，最终该区地 层地温特征还需补充资料和地热井实际验证。 （3） 本区奥陶系岩性主要是灰岩、 白云质灰岩、 白云岩，通许凸起、断裂带、断层、岩溶裂隙发育 是很好的热储条件，水资源丰富，水质好，温度在 60100℃， 深度主要在20003000m， 开发前景良好。 （下转第 179 页） 1792019 年第 7 期 整性差，裂隙较发育，岩石渗透性中等，静止水位 埋深为 25.04m，满足真空回灌条件。 根据松柏 1 号井在 1524m 处钻井液全部漏失以 及产能测试成果可知，工作区存在一定回灌空间。 松柏 1 号井开发利用后，随着地热水开采量增大及 开采时间增加，会在工作区形成一个较大的降落漏 斗，有利于回灌的实施。当热储层水位下降后可进 行真空回灌，真空回灌至水位高度超出地表时，可 进行加压回灌。 4 回灌井定井及回灌技术方案 4.1 回灌井井位的确定 为保证回灌井的定位准确，需要确定大致靶区， 在靶区开展物探施工。采用可控源大地音频电磁法， 对重点区加密施工，与松柏 1 号地热井物探数据相 对比，确保回灌井与开采井揭露同一条含水构造， 寻找水文地质条件相对较好的地段，提高回灌井的 成功率。 4.2 回灌井与开采井间距 把温度较低的水灌入热储层是一项比较复杂的 技术，回灌井与开采井的间距过近，可能引起回灌 水加热温度不够，形成热突破，降低开采井的出水 温度；距离太远，有可能受断层分叉、裂隙导水条 件的限制，造成回灌水向开采井渗流速度过慢、渗 流量低，开采井水位恢复慢，失去了回灌的作用。 松柏地热 1 号井属构造裂隙含水层带状热储，裂隙 含水层灌采井间距应比孔隙含水层大，建议间距大 于 1000m。 4.3 回灌井防堵塞措施 为防止堵塞含水层，对回灌水采取除砂、过滤 措施，管路全密闭，防止接触空气。回灌过程中要 定期回扬 [4]，回扬周期通过试验确定。根据 2017 年 兖州地区松散岩类含水层回灌试验研究数据，在定 流量回灌试验过程中，稳定一段时间后，水位逐渐 上升，水位上升至井口后，回灌试验终止。需要回 扬至水清砂净，恢复含水层的出水能力后，再进行 回灌试验。根据试验结果，不加过滤器的原水回灌 试验，回扬周期为 4.5d；加粗效过滤器和精密过滤 器的水处理后回灌试验， 回扬周期为11d。 在回扬时， 仅仅回扬至水清砂净不能达到疏通含水层的目的， 根据实际回灌试验，长时间的回扬，可以对含水层 进行更好的疏通。回扬时应观测井内水位变化，待 水位稳定， 或者回扬水量与初始开采量相近为止[5]。 采取定期回扬清除物理沉淀、管路密封防止地 下水氧化、定期清洗或者更换过滤器解决生物堵塞 问题，是延长回灌井服务年限的有效手段。另外， 开采井、回灌井采用交替采灌法也是解决回灌井堵 塞的有效措施，即两井交替抽水、交替回灌，互为 采灌井，交替时间为一个水文年。 5 结 论 五莲县松柏地热 1 号井属典型的带状热储地热 资源，此类地热资源的回灌研究程度低，回灌井的 施工及回灌工艺尚处于探索阶段。松柏 1 号井所揭 露的松柏 - 叩官断裂，断裂破碎带宽度较大，岩石 破碎，导水及储水性能较好，适宜布置回灌井。采 取适当的水文地质调查分析，结合物探手段，经分 析论证施工回灌井是可行的。回灌井采用与松柏 1 号井相同的管井结构、相似的钻井深度，形成一对 互为采灌的地热井，采用合适的回灌工艺，可以提 高地热开采量，大幅度延长地热田服务年限，防止 地热资源过早枯竭，实现经济效益、社会效益、环 境效益的和谐统一。 【参考文献】 ［1］ 秦福锋 . 山东省五莲县松柏一号井单井地热资源 勘查报告 [R]. 滕州山东省煤田地质局第一勘探 队 .2018. ［2］ 白平 . 山东省五莲县东部地区地热资源调查报告 [R]. 日照山东省第八地质矿产勘查院 .2017. ［3］ 梅博，郭亮，王鹏，等 . 地热井尾水回灌技术及 其应用进展[J].中国资源综合利用， 2018， 36 （1） 168-170. ［4］ 张新文，胡彩萍，胡松涛，等 . 东营市中心城区 地热田地热回灌可行性分析 [J]. 山东国土资源， 2009，25（8）17-20. ［5］ 刘柱 . 水源热泵系统回灌技术专题研究成果报告 [R]. 滕州山东省煤田地质局第一勘探队 .2018. 【参考书目】 ［1］ 卢予北，张古彬，陈莹 . 河南省地热资源开发利 用现状与问题研究[J].探矿工程岩土钻掘工程， 2010，37（10）35-39. ［2］ 李文勇，夏斌，路文芬 . 河南省东部地球物理特征 与找煤远景 [J]. 物探与化探，2004（01）26-31. ［3］ 朱命和，付中，刘彦兵 . 应用地球化学方法讨论 开封地热田地下热水的补给来源[J].物探与化探， 2005（06）493-496. （上接第 171 页）