沉积盆地中深层水热型地热资源评价体系研究与应用

　　地热能是一种绿色、低碳、可循环利用的清洁能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点。根据国家地热能中心第四届指导委员会暨技术委员会统计结果，截至2020 年底，全国地热能供暖、制冷面积达13.9×108m，相较 2015 年，地热供暖、制冷面积提高了 181.4%。“十四五”期间中国地热供暖、制冷面积还将翻一番。目前，中深层水热型地热资源开发已经成为重点领域，2020年底地热供暖面积达 5.8×108m。以河北曹妃甸为代表的砂岩孔隙型水热型热储和以河北雄安为代表的灰岩岩溶裂隙型水热型热储地热能供暖已安全平稳高效运行。河北曹妃甸地热供暖示范项目以新近系馆陶组砂岩为主要储层，2018 年项目投产，为曹妃甸新城提供了 230×104m用热需求，并实现100%回灌，年节约标准煤 5.4×104t，获得良好的社会效益和经济效益。中深层水热型地热资源的开发利用是一项系统工程，项目开发涉及选项、立项、建设与运行等多个阶段，每个阶段都需要相应的资源评价方法和结果来支撑。不同的地质条件、研究阶段及评价需求对地热资源评价方法提出了不同要求。从目前沉积盆地中深层水热型地热资源评价体系来看，仍缺乏一套能够支撑不同开发阶段选区评价与生产实践的综合评价方法。为了进一步加强沉积盆地中深层水热型地热资源评价的系统性、针对性、应用性和实践性，本文在参考已有相关资源评价方法的基础上，针对不同阶段的地热开发情景，提出了一套沉积盆地中深层 水热型地热资源的评价体系，以期为沉积盆地中深层水热型地热资源的综合评价和勘探开发提供有效支撑。

　　地热能利用作为资源开发类利用，需要在地热项目开展前期及开发过程中进行资源评价，为科学合理开发打下基础。目前，中国对水热型地热资源主要以 DZ40—1985《地热资源评价方法》、GB/T11615—2010《地热资源地质勘查规范》和 DZ/T 0331—2020《地热资源评价方法及估算规程》等为基础编制的一批国家级、省市级资源勘查及评价规范作为评价标准。这些规范对地热资源评价的专业术语进行了定义，针对地热勘查工程的控制程度要求、工作质量、热储资源量、热水资源量计算、资源级别等方面进行了规范和定义，具备广泛的指导意义。 同时，中国也有许多学者对地热资源评价进行了较多的探讨［12-15］。如：王社教等［13-14］强调要针对研究目标的区域地质背景、热储条件、水文地质条件、资源量计算、关键参数进行全面评价；张薇等［15］对中国沉积盆地型地热资源特征进行了详细描述，从基础的大地构造、沉积充填方面对地热资源进行评价，并指出了有利的地热能利用区域。在资源评价方法方面，主要提出了随机模拟法（蒙特卡洛法），计算不同概率下地热能资源和地热水资源；单元容积法，计算地热资源、水资源、可采资源、地热资源丰度，计算不同划分单元的资源量； 类比法，建立类比评价标准，类比评价相似单元的 地热资源。虽然方法较多、进展较大，但目前仍缺乏一套针对性的指导地热开发选区、论证、建设和运营等不同情景、不同目的的地热资源评价体系。

　　地热项目从酝酿选择到建设投运，一般要经历选区、立项、建设、运营 4 个阶段，本文尝试建立一套能够解决不同开发阶段存在问题的沉积盆地中深层水热型地热资源评价体系，评价要素详见表 1。

　　在项目建设之前的选择阶段，需要开展区域评价，确定项目是否能建设，解决目标地区地热资源“有没有”的问题，包括地热地质背景、地热资源类型、地热资源潜力、地面需求等。

　　首先，通过区域大地热流值、区域地温梯度、区域地幔隆起幅度等全国区域性资料，明确宏观地热资源分布规律与趋势，确定宏观地热分布有利区。根据邱楠生等[16,17]的研究成果，中国高热流地区和高地温梯度区主要分布在两类区域：一是青藏高原附近造山带和华南山区，二是中国东部的断陷盆地区。高原、丘陵区和中西部大型叠合盆地的大地热流值和地温梯度相对较低。

　　然后，在对地质背景进行分析的基础上，开展盆地地热资源类型、区域储盖等初步的定性地质分析，明确这些盆地的储层性质。如，通过全国区域资料分析，渤海湾盆地、南华北盆地、南黄海盆地、山西小型裂谷盆地群和渭河盆地等中国东部断陷盆地大地热流值较高、地温梯度较高、地幔隆起明显、热源充足，这些盆地是常规的水热型砂岩热储或碳酸盐岩热储，储层规模大、分布广泛、物性较好，且开发技术相对成熟，是地热能下一步的重点开发利用地区。

　　接下来，在确定盆地背景作为优质地热能富集区域后，即开展盆地内各二级构造单元的评价，确定有利的坳陷和隆起区。在这个阶段主要是利用在各个盆地的油气、水文勘探取得的地震、钻井、测试资料，开展区域储盖组合等地质条件对比分析。从生产实践来看，一般隆起区沉积的带状热储地下水交替快，水量充足，有助于水流快速补给，因此岩溶裂隙型储层水流补给速度及回灌能力要优于砂岩型储层。而砂岩地层具有较为稳定的储热能力，其有效厚度、储层物性、温度及产水量是直接影响项目建设的重要经济指标。

　　最后，在二级构造单元评价之后，需要对构造单元，即坳陷内的凹陷和凸起进行进一步的解剖，开展局部储盖分析（见表2）。将地下地热条件与地面的用热地区结合分析，明确地热资源好的地区是否适合进行地热开发；或者地面上有用热需求，地下是否有地热资源，解决一个地区“有没有”地热资源，能不能进行地热立项的问题。

　　2017年环境保护部发布了《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》，提出了“京津冀大气污染传输通道城市”并将其定义为“2+26”城市。这些城市处于中国第三阶梯咽喉部位，属于华北地区重工业城市，同时面临环保和能源的双重压力，是下步地热资源开发建设的重点目标区。针对“2+26”城市或部分区域，应用区域评价方法，按照全国—盆地—坳陷—凹陷的步骤进行区域评价。

　　实钻资料显示，沉积盆地型的层状热储和带状热储沉积稳定，盖层厚度大，普遍较隆起山地型热储资源品质更高。以河北省唐山市为例，唐山北部的燕山褶皱带在3 204 m深度时，温度为70℃[18]；唐山南部的渤海湾盆地，在2 200 m深度时，温度超过80℃，局部地区在1 500 m深度时，温度超过130℃[12]。盆地内地热资源条件明显好于山区。因此，将临近热源、储层沉积稳定且通道良好等条件下的传统沉积盆地型地热系统定义为资源一类地区；处于山间盆地的局部具有优质地热条件地区定义为二类地区；处于隆起山地，缺失盖层，储层沉积非均质性强的地区定义为三类地区。

　　本文研究对象“2+26”重点城市中，有10座城市（或部分）位于东部断陷盆地内凹陷和凸起上，评价为一类地区，地热资源较优；另外有4座城市（或部分）位于这些盆地之外，评价为二类地区，地热资源较好；部分城市或区域为三类地区，需进一步深化评价。

　　在资源评价选区阶段完成之后，需要针对目标区开展进一步的重点资源评价，以便确定目标区是否有进一步开展地热项目利用的可行性，明确地下资源“行不行”的问题。

　　对一个地区地热资源的重点评价，应该包括热源、盖层、储层、水质和热传输通道等5个主要方面[19,20,21,22,23]。

　　热源是地热田聚热成藏的基础条件[24]。热源主要来自上地幔热传导、岩石放射性生热以及局部火山活动等3个方面。板块构造与地表热量之间的关系十分密切。地热系统的位置与特定的地质背景有关，中国的地热地质背景条件主要为伸展和挤压两种类型[1]。

　　在伸展环境中，地幔对流系统流向相反方向的发散端，并驱动地壳侧向运移。在这个过程中，上涌地幔携带其熔化物形成热的、年轻的、新的地壳，这些位置普遍存在较好的地热系统，是目前和将来很长一段时间内地热能开发的主要目标区。中国东部的地热资源富集区，如，渤海湾盆地、南华北盆地等几个主要盆地构造属伸展环境，局部地壳变薄，减少了下伏地幔上的压力，使熔化物得以上升。

　　在挤压环境中，板块聚集导致一个板块俯冲到另一个板块之下的区域，产生于这种环境的熔化物上升穿过地幔，最终像火山一样喷发到仰冲板块之上，这种火山系统长期活动，提供了持续热源。中国西南部的挤压特征明显，如，地区的喜马拉雅地热带处于亚欧板块与印度洋板块交界处，印度洋板块不断北移，挤压导致熔化物形成，上升穿过地幔，形成地热带。

　　伸展和挤压环境都是形成地热带的有利背景条件，喜马拉雅地热带大地热流值普遍在110m W/m2以上[25]，东部主要盆地大地热流值为60～70m W/m2[26,27,28]。由此可见，挤压环境能形成更高温度的地热带，而伸展环境能形成更大范围的地热带。

　　岩样测定表明，岩石导热率大小与岩石埋深（层位）无关，而与岩石矿物组成、化学成分及岩石的致密程度有关。如，结晶基底的片麻岩、变质岩和混合岩等，其导热率在2.27～3.66 W/（m·K)[29]；碳酸盐岩的导热率随着白云石含量的减少和泥质含量的增加而有规律地减少。

　　通常情况下，低热导率岩层埋深越浅，地幔热量传导至热储层的过程中损耗就越小，储层温度相对较高，因此低热导率岩层的埋深对热源有较大控制作用[30,31,32]。中国华北地区低热导率岩层有古生界碳酸盐岩、元古界页岩或太古界变质岩，导热率明显高于新生界的砂泥岩地层，能够有效将深部热能向上传导。同时，放射性衰变生热也是形成局部异常高温的重要因素[31,32,33]。研究表明，用于地热应用的热量约40%来源于地核早期形成时的余热，剩余60%的热量来源于长寿命放射性同位素[1]。

　　对于水热型地热资源，地下水的迳流作用也是热源之一。大气降水经过深循环吸取围岩热量并与围岩发生水-岩相互作用，同位素组成、水化学成分发生改变，形成较高温度的热水[34]。

　　储层的地温梯度是各种因素综合控制的结果，在地热地质背景条件好、基岩埋深浅、热源条件优越的地区，地温梯度通常高于3.6℃/100 m。根据实钻数据，河北省唐山市马头营地区为沉积盆地背景下的局部隆起构造，太古界基岩顶界埋深为1 200～1 500 m，上覆新生界储层，同时存在上地幔热源与元素衰变生热，该地区地温梯度普遍在5.0℃/100 m以上，最高达8.4℃/100 m。

　　盖层是影响地热资源品质的关键因素。盖层作为位于储层之上能够有效封隔储层、阻止深部热源逸散的保护层，对于地热异常带的形成有着明显控制作用。

　　中国东部渤海湾盆地、南华北盆地等多个构造单元内地热田的盖层主要为新生界第四系松散堆积和新近系上段（明化镇组）的砂泥岩，部分地区沉积元古界青白口系泥灰岩。盖层主要由松散堆积物、泥岩、砂泥岩、页岩、板岩构成，这些岩石导热率较低，能够有效阻止深部热能逸散，地温梯度一般为2.5～3.5℃/100 m。

　　中国北方城市采暖热指标推荐值一般为35～70 W/m2[35]。以河北省为例，供暖高峰期供回水温差在40℃以上，在没有大幅政策支持条件下，地热井的井口温度要达到60℃以上才具备工业开发的资源条件，否则需要大幅提高热泵效率来保证供暖质量，如此将导致项目效益下降。按照河北地区恒温带深度20 m、恒温带温度8℃计算[36]，储层埋深至少需要1 400～2 000 m，才具备60℃以上工业开发价值。

　　储层条件是决定项目是否具有商业开发价值的重要影响因素。不同岩石的导热率差异较大（见表3），其中，花岗岩和灰岩的导热率最高，砂岩略低，泥岩最低。适合经济开发的储层，应具备下覆地层导热率高、上覆地层导热率低两个条件。下覆地层导热率高，能够有效将上地幔热源传导至储层内，上覆地层导热率低，能够有效阻止热能逸散。

　　水质条件评价包括对矿化度、硬度、离子类型、富水性的评价，这些评价指标对开发阶段设备的腐蚀、结垢性影响较大，是影响地热开发经济指标的重要因素。

　　矿化度是决定地热水用途的重要指标。GB/T14848—1993《地下水质量标准》将地下水划分为5类：矿化度小于1 000 mg/L的为淡水，1 000～3 000mg/L的为微咸水，3 000～10 000 mg/L的为咸水，以上3种可作为生活饮用水；矿化度在10 000～50 000mg/L的为盐水，可作为农业和工业用水，适当处理后也可作为生活饮用水；矿化度大于50 000 mg/L的为卤水，不宜饮用。矿化度过低，说明水流补给充分，热交换较快，通常地层水温度不会太高；矿化度过高，则存在腐蚀和结垢风险。

　　硬度反映了水中多价金属离子含量的总和，水的硬度也是开发利用地下热水的一项重要指标。硬度过高的水会对健康和工业生产造成危害。工业用水若硬度过大，在回收或循环利用的过程中，在管道壁及设备壁会产生结垢，缩小管道与设备的流通面积，减少循环水流量，甚至堵塞管道及设备，给生产造成严重后果。

　　离子类型反映了地下水溶滤作用强度。距离补给区越近，离子类型越复杂。在地热水常见离子类型中，CO32-、SO42-、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Sr2+结垢风险较高，而Cl-、Na+、K+等离子结垢风险较低[37]。

　　断层作为热和水的双向通道，是影响地热资源品质的重要条件。断层对地热资源品质的控制作用主要表现在两个方面：其一，深大断层通常作为构造的边界，直接影响地热地质背景条件；其二，作为热和水的双向通道，起到疏导和传递的作用[38,39]。

　　根据对多个地区地层水的化学分析，中国东部大部地区地层水来源以大气降水为主，水流运移至深部经加热后沿断层向上运移。断层深度大，可以更好地沟通热源和水源，有利于形成温度更高的水热型地热系统；而断层宽度大，可以形成更大体积的水热对流通道和热储层，有利于形成规模更大的地热系统。张性断层和张扭性断层对地热系统的形成有利，尤其是断层交汇区，有利于大规模热储的沉积。

　　根据中国东部40余个城市和地区的地热资源评价结果，将目标区的资源评价分为3类7级（见表4）。

　　Ⅰ类区域为资源优势区，其热源条件好，盖层稳定沉积、隔热效果好，储层条件优越、孔隙度和渗透率高，且临近地区一级断层，热和水都能与地层深部有效沟通，是建立第一批地热开发利用项目的建议目标区；Ⅱ类区域为资源富集区，其地热资源较好，在综合考虑地面需求和经济评价结果后可进行工业或公益开发；Ⅲ类区域为资源不富集区，该区域的地热资源平面分布非均质性强，往往缺乏稳定沉积盖层、水流交替速度过快，建议谨慎开发。

　　以山东省德州市为例。德州市是京津冀大气污染传输通道“2+26”城市之一，位于黄河冲积平原区，属沉积盆地型地热系统。武城县位于德州市西北部，根据武城县政府规划，全县“十四五”期间将新增地热供暖面积235×104 m2，热能需求较大。武城县构造位置位于中国东部渤海湾盆地临清坳陷德州凹陷，是一个中-新生代断陷盆地[40]。

　　武城县地区处于伸展条件下沉积盆地内凹陷地热背景。热源为地幔热能，变质岩内元素衰变放射作为附加热源，低热导率岩层埋深超过3 500 m。热源条件综合评价为Ⅱ-2类。

　　武城县地区仍然以新生界第四系堆积和新近系明化镇组泥岩、砂泥岩为盖层，盖层厚度为1 000～1 400 m。盖层条件综合评价为Ⅰ-1类。

　　武城县储层自上而下依次为新生界新近系明化镇组、馆陶组及古近系东营组，目前开发主力层系为新近系馆陶组。根据2021年在该地新钻探的12口地热井显示，储层砂地比为42%～53%，平均孔隙度28%，储层埋深1 200～1 800 m，储层厚度180～230 m，产水量为120～160 m3/h，储层温度60～65℃，地温梯度在3.2～3.7℃/100 m。储层条件综合评价为Ⅱ-2类。

　　武城县新近系馆陶组地热水矿化度为4 450～4 970 mg/L，总硬度为3.53～4.11 m Eq/L，属咸水、硬水，水化学类型为Cl-Na。水质条件综合评价为Ⅱ-1类。

　　区内断层活动主要受新华夏构造体系的影响，断层沉积方向主要为北北东和北东向，断层构造均隐伏于新近系之下。本区涉及断层构造主要有沧东断层、边临镇—羊二庄断层等。沧东断层为主要控热断层，深切至上地幔，该断层控制着区域地热异常带形态。热传输通道条件综合评价为Ⅱ-1类。

　　山东省德州市武城县地热资源品质整体评定为Ⅱ-2类，属资源富集区，满足工业开发条件。2021年，中国石油天然气股份有限公司（简称中国石油）冀东油田分公司在山东省武城县完成中国石油首个矿权外地热供暖项目建设，满足该地区235.52×104m2取暖需求，成为山东省目前最大的集中式地热供暖项目。

　　当明确一个目标区地热资源“行不行”之后，这个目标区就可能进入了准备开发建设阶段。此阶段需要开展精细评价，明确各项开发参数，做好地面地下一体化经济评价，解决项目整体效益“好不好”的问题。其评价结果应具备较高的应用性，能够对该项目是否开发建设提出决定性的指导意见。

　　地热开发关键参数包括埋深、水量、水温、水质、回灌能力等5个要素，这些参数对建设方案和经济效益有着直接的影响，对其进行评价是为了确定地热资源的优劣。这些参数虽然在前期的重点评价里已涉及，但在项目建设前的关键阶段仍需精细研究、精准落实。这一阶段需要进行规范化的采灌试验，为后面的建设方案设计和经济评价提供第一手资料。如，热储层产状及埋深关系到地热井钻井成本和投资，水量和水温直接影响着地下热量的产出，由于全国各地基本都要求地热开发要“以灌定采”，因此回灌能力是项目能否继续进行的决定性因素。同时，地热水回灌可缓解由于过度开采地下热水导致的水位下降的问题，是实现沉积盆地中深层地热资源可持续开采利用的最直接有效的手段[41]。

　　在地面建设方案研究中，主要是根据地面建筑情况及热负荷需求等，结合开发关键参数，开展方案设计，明确建设规模，即：泵房、平台、换热站、管道规格及长度等。地热资源是否能被开发利用，最终取决于项目能否取得经济效益，因此经济评价是地热项目前期研究的重要内容。在对开发参数进行评价和编制建设方案的基础上，对拟建地热供暖项目的经济性进行分析论证，做出全面的经济评价，为企业对地热开发项目科学决策提供依据。

　　以曹妃甸新城地热项目建设为例。曹妃甸所在唐山市是京津冀大气污染传输通道“2+26”城市之一。该项目位于河北省唐山市南部，处于渤海湾盆地内，地热资源优越，区内有唐山港、曹妃甸港等多个大型港口，地面用热需求较大。该项目为包括华北理工大学在内的17所高等院校提供供暖服务。曹妃甸新城构造位置位于黄骅坳陷南堡凹陷老爷庙—高尚堡—柳赞地热田，有利开发面积290 km2。其地热供暖工程地热异常带与地面工程位置见图1。

　　华北断陷盆地是一个中-新生代断陷盆地，形成演化过程决定了该地区区域热背景[17,42]。华北断陷盆地平均大地热流值为（64.4±8.1)m W/m2[17]，高于中国平均热流值60 m W/m2；东部的济阳、渤中和辽河坳陷热流值相对较高，为60～80 m W/m2；向西热流值逐渐降低，中部的黄骅坳陷热流值主要为60～70 m W/m2，西部的冀中和临清坳陷热流值偏低，为55～65 m W/m2[43,44]。盆地内在凸凹相间的构造格局下，因基岩热导率高于沉积盖层，凹陷内潜山低隆起及凸起区呈现地热高异常。

　　来自上地幔和沉积层放射性元素衰变，其地质背景条件属伸展条件，低热导率岩层埋深超过4 000m，地温梯度为3.0～4.0℃/100 m。热源条件综合评价为Ⅱ-2类。

　　储层自上而下为新生界新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组，古生界奥陶系。目前主力开发层系为新近系馆陶组，热储资源量2 188.2×1016 J，可采热储资源量为547.1×1016 J，热水资源总量400.3×108 m3，可采热水资源量120.1×108 m3。根据实钻的40余口地热井显示，该地区储层砂地比为45%～65%，孔隙度为30%～33%，渗透率为497×10-3～1 176×10-3μm2，储层埋深为2 200～2 600 m，储层厚度在120～220 m，产水量为100～120 m3/h。储层条件综合评价为Ⅱ-1类。

　　曹妃甸地区以新生界第四系堆积和新近系明化镇组泥岩、砂泥岩为盖层，盖层厚度1 800～2 200 m。盖层条件综合评价为Ⅰ-2类。是较理想的开发效果。

　　在曹妃甸项目开发前期，通过热场模拟形成一套开采方案：间歇开采场景最优井距为450 m，持续开采场景最优井距为700 m。按照目前39口地热井的布井模式，在回灌温度不低于30℃、给定回灌率为100%的前提下，流量不超过120 m3/h的情景下，采用间歇开采井距450 m方案，30年内不发生热突破；而在流量不超过80 m3/h的情景下，50年内不发生热突破。此模型需要输入新的生产数据进行验证与修改，为后期的方案优化与调整提供依据。

　　目前，沉积盆地中深层水热型地热资源的评价体系停留在规范化、标准化阶段，在生产实践过程中缺乏系统性、针对性、应用性和实践性较强的量化综合评价指标。基于此，本文从区域评价、重点评价、精细评价、动态评价4个层次建立了地热资源评价体系，其评价结果能够直接应用于地热开发利用和生产建设。