合浦盆地熱傳導型地熱田的開發(fā)潛力

1地質背景及盆地合浦盆地位于廣東省西北部。它是中國-美國斷裂帶向東南的傾斜沉積盆地。它呈白色，在西南開放，像一座像歌劇一樣收縮。盆地寬9.20公里，長68公里，面積2459公里。地勢北東高南西低，海拔高度5.70米。向西南延伸至北部灣。盆地兩側的巖石裸露，山脈形成。合浦盆地的大地構造位于華南準地臺南端的海灣凹陷區(qū)，與欽州剩余地槽和云開臺的隆交。北東向的形成和發(fā)展受到北東向區(qū)域斷裂的控制。基底為古生代亞紀紀念系、粘土系（頁）砂巖、碳酸鹽鹽巖、華力西系和尖山系花崗巖?；茁裆罴s4000米。盆地覆蓋層由白亞系、前近系和第四系組成。該地區(qū)的地質構造發(fā)育，花崗巖種類繁多（圖1）。2盆地周邊地形和熱敏地溫條件2.1砂巖與泥巖的厚度比合浦盆地沒有溫泉直接出露,但淺井的水溫普遍較高,為26～29℃,有的達32℃.石油勘探樂參井綜合測井結果表明,在600～2400m范圍內(nèi),厚大于5m的熱水層有190多層,水溫最高達70多℃.經(jīng)初步圈定,合浦盆地地熱田總面積580km2.綜合地質調(diào)查、地震勘探剖面及石油探孔資料,地熱田地層剖面特征見圖2.新近系上新統(tǒng)—中新統(tǒng)南康組(Nn):雜色河流相粗碎屑洪沖積沉積,巖性為卵石(局部為漂礫)、含粘土卵石、細礫、礫砂、含粘土礫砂夾粘土、粉質粘土.古近系漸新統(tǒng)沙崗組(E3s):上段(E3s2)為泥巖、含礫泥巖、粉砂質泥巖與含礫粉砂巖互層;下段(E3s1)為含礫砂泥巖、礫巖、泥巖與含礫粉砂巖互層.砂巖與泥巖的厚度比為(0.71～1.73)∶1.古近系始新統(tǒng)酒席坑組(E2j):四段為厚層狀泥巖局部夾砂巖及黑色褐煤,厚48.00～225.00m;三段為泥巖或砂礫巖、泥質粉砂巖互層,厚72.00～279.00m;二段為粉砂巖、泥質粉砂巖、砂礫巖等,局部夾碳酸鹽巖,厚44.00～145.00m;一段為炭質泥巖、泥質粉砂巖、細粒砂巖、含礫砂巖互層,厚36.00～284.50m.本組地層砂巖與泥巖的厚度比為(0.19～1.73)∶1.古近系古新統(tǒng)上洋組(E1s):上段為砂質泥巖、含膏泥巖、泥巖,厚152.00m;下段為泥巖、含膏粉細粒砂巖、含泥砂巖、粉砂巖互層,厚度156.80m.砂巖與泥巖的厚度比為為0.23∶1,孔隙度為13%～22.5%.白堊系上統(tǒng)羅文組(K2l):上部粉砂質泥巖、細粒砂巖、粉砂巖,厚501.00m;中部泥巖、粉砂巖、砂巖互層,厚314.00m.下部泥巖,砂巖互層,厚233.50～318.00m.砂巖與泥巖的厚度比為為(0.20～0.49)∶1.前中生界:志留系為一套砂巖頁巖的輕變質碎屑巖系;泥盆系下—中統(tǒng)為砂巖、泥巖,上統(tǒng)為碳酸鹽巖.基底局部地段有燕山期黑云母花崗巖和中?；◢弾r及華力西期黑云母花崗巖.基底巖石受現(xiàn)代活動斷裂帶的擾動,構造裂隙發(fā)育.根據(jù)地震勘探和重力解譯,熱田基底為一北東-南西向兩翼不對稱的向斜構造,總體上形成五洼四突形狀(圖3),即西場凹陷的西場洼地、沙崗南洼地、沙崗東洼地、沙崗低突起、上洋高突起、岑屋低突起和常樂凹陷的大山角洼地、天堂坡—常樂洼地及沙朗村低突起,基底凹陷的埋深在2000～4200m.基底被一系列北東、北西向斷裂切割得支離破碎,斷裂性質以張性為主,向上切割古近系—新近系,規(guī)模一般較大,主斷層形成于加里東期,為區(qū)域上深大斷裂即岑溪—博白斷裂帶西南段主干斷層,屬上地殼斷裂,具有明顯的張性正斷層性質,盆地基底深洼地均沿該斷層分布,它控制著合浦斷陷盆地的形成及發(fā)展演化.沿斷裂帶有巖漿巖體侵入,現(xiàn)代地震活動頻繁發(fā)生,新構造活動明顯,預測基底地層中的許多斷裂和裂隙膠結程度差,為熱水的運移和賦存提供良好的途徑和空間.2.2儲層與儲層結構熱儲層:據(jù)石油測井資料,熱水賦存于新近系上新統(tǒng)—古近系漸新統(tǒng)砂巖熱儲孔隙裂隙與其它基巖熱儲構造裂隙中,按熱田熱儲埋藏條件與介質特征,劃分為3種類型:孔隙熱儲、孔隙裂隙熱儲和基巖構造裂隙、溶隙熱儲層(表1).熱儲溫度按下式推算tr=(D-h)G+t0.(1)式中:tr為熱儲溫度(℃);D為熱儲埋藏深度(m);h為常溫層埋藏深度(m),取25m;G為平均地溫梯度(℃/m);t0為常溫層溫度(℃),取25.0℃.推算結果見表2.根據(jù)有利于熱水儲集的各地層中砂巖、砂礫巖、粉砂巖的厚度、介質特征,又將地熱田熱儲按優(yōu)劣程度劃分3個等級:(Ⅰ)好的熱儲層.包括西場凹陷的南康組和沙崗組,以及常樂凹陷的南康組、沙崗組和酒席坑組孔隙與孔隙裂隙熱儲.南康組砂巖與泥巖厚度比為為1∶1,呈互層狀;沙崗組砂巖泥巖呈互層狀;酒席坑組在常樂凹陷呈泥巖夾砂巖至互層狀;砂巖厚度大,成巖程度低,孔隙度大,滲透性能較好,分布面廣,是熱田開發(fā)的目的熱儲層.(Ⅱ)一般熱儲層.包括分布于西場凹陷的酒席坑組一段和二段孔隙裂隙熱儲層和熱田基底基巖構造裂隙、巖溶裂隙熱儲層.酒席坑組一段和二段以砂、泥巖互層為主,成巖程度差、孔隙度高,但砂巖熱儲累計厚度相對常樂凹陷小而影響熱水的富集.古生界基底中的砂巖、灰?guī)r層,受現(xiàn)代活動斷裂帶擾動,裂隙極為發(fā)育,灰?guī)r層在熱水的作用下,可形成溶蝕裂隙,有利于熱水賦存.同時,基底基巖構造裂隙、巖溶裂隙熱儲層埋深大,與其它熱儲相比,具有熱水溫度最高的優(yōu)點.(Ⅲ)差的熱儲層.包括西場凹陷的酒席坑組4～3段,上洋組及羅文組熱儲層.它們均以泥巖為主,含煤、螺、瀝青、油、膏鹽等不良成分,砂巖的單層厚度及累計厚度小.上洋組及羅文組成巖程度高、孔隙度小、滲透性差,該熱儲的賦水條件較差,基本上不具可利用性.蓋層:泥巖熱導率低,導熱性能明顯低于砂巖特別是飽水砂巖層.熱田內(nèi)泥巖單層厚度與累計厚度大,分布穩(wěn)定,對大地熱流具有很強的滯留作用.熱田內(nèi)的泥巖橫向分布到邊,豎向分布則與砂巖呈相間疊置狀產(chǎn)出,單層厚度多在數(shù)米至十數(shù)米之間,累計厚度占巖層總厚度一半以上,厚度巨大且連續(xù)分布.新生代斷裂在上部成巖程度較低的地層中,錯動小,巖層松軟,后期容易自行閉合,因而泥巖層形成了對熱田的圈閉作用,且密封性好,是熱田良好的隔熱保溫蓋層.2.3熱田地溫梯度地熱來自地球內(nèi)部的熱量,地殼結構決定了區(qū)域性熱流強度.本區(qū)鄰近太平洋板塊和印度洋板塊交接地帶,以及大陸性地殼過渡到大洋性地殼的變異地帶,莫氏面埋深29.5～30.5km、康氏面埋深14～15.5km、結晶基底埋深僅為4～5.5km,處于廣西地殼最薄、地幔埋深最淺的地段.本區(qū)地殼相對較新,經(jīng)歷了華力西等多期次的構造運動,存在多期次巖漿侵入活動,控制合浦盆地熱田的合浦斷層,切割深約25km,深達上地殼.在盆地內(nèi)由8條大斷層組成,沿斷裂帶有花崗巖體充填及多處溫泉分布.該斷裂形成于加里東期,至今仍有活動,屬張扭性,是深大斷裂即博白—岑溪斷裂帶向西南延伸部分.由此可見,合浦盆地具有地殼厚度薄、結晶基底埋深較淺、深大斷裂深切等有利于地殼深部和地幔熱流向地表淺部快速傳遞的地殼結構和構造條件.根據(jù)熱田地熱地質條件以及鉆孔溫度測量成果,鉆孔的深度—溫度曲線基本上呈直線(圖4),直線斜率基本上相當于區(qū)域背景地溫梯度值,屬典型的大地熱流傳導型曲線.至今可供利用的熱田地溫梯度值資料很少,根據(jù)收集到的前人資料整理分析,其地溫梯度值見表3.由于受熱田上部豐富冷水影響,區(qū)內(nèi)的地溫梯度與有利的殼層構造條件比較,卻相對較低,但影響熱田地溫梯度的因素很多,除受淺部冷水影響外,還受基底起伏形態(tài)及構造影響;地溫梯度值與介質的熱導率有密切聯(lián)系,介質熱導率高,則地溫梯度小,熱田巖層介質在橫向上的變化較大,地溫梯度也將隨之有所變化.熱田區(qū)內(nèi)大地熱流值平均為52.43mW/m2,高于所處構造地塊的平均值45.0mW/m2,這與本地區(qū)殼層埋深淺的背景條件相吻合,合浦地熱田具有良好的熱源供給條件.3初步評估地熱資源3.1熱儲層儲存率評價地熱地質條件分析表明,該地熱田屬典型的熱傳導中低溫隱伏地熱田,地熱能包括兩部分:一是儲積于熱儲體內(nèi)巖石介質的熱能量;二是儲存在熱儲層地下熱水中的熱能量.這兩部分能量之和即為熱田的地熱資源量,其中可采收的部份即為可利用資源量.根據(jù)目前的經(jīng)濟技術條件,地下熱水的開發(fā)是熱能開發(fā)的主要方式,因而在進行地熱資源量評價時重點需要評價地下熱水的儲存量及可開采量.本次按垂向從埋深約600m、溫度約40℃起算至基底埋深約3000m為止,作為本熱田能利用地熱資源量的評價范圍,熱田面積為580km2.評價對象為古近系—新近系砂質巖孔隙裂隙熱儲層(局部為孔隙熱儲),對地下熱水資源的利用按孔隙度來確定地熱能采收率.地熱資源量采用“熱儲法”進行計算QR=Cˉˉˉ?V?(tr?tj).(2)QR=Cˉ?V?(tr-tj).(2)式中:QR為地熱儲積總能量即地熱資源總量(J);V為熱儲體積(m3);tr為熱儲溫度(℃);tj為基準溫度(即恒溫帶溫度),取25.0℃;CˉˉˉCˉ為熱儲巖石和水的平均熱容量(J/(m3·℃)).可利用資源量的計算:采用地熱資源總量與熱能采收率的乘積.熱能采收率與熱儲巖性、孔隙裂隙發(fā)育程度有關,據(jù)經(jīng)驗,新生代沉積盆地砂巖熱儲,孔隙率一般在20%以上,采收率取25%;孔隙度在15%～20%時,采收率取20%;孔隙度小于15%時,采收率取15%.故可利用能量用下式求得QWh=QR·RE.(3)式中:QWh為可利用能量(J);QR為地熱儲積總能量(J);RE為熱能采收率(%).地下熱水儲存量計算:地下熱水儲存量是指儲存于含水熱儲層中的重力水體積,它包括容積儲量和彈性儲量,即:W總=W容+W彈=AH?+μ*A·h.(4)式中:W總為熱儲系統(tǒng)內(nèi)儲存的地下熱水總儲存量(m3);W容為熱儲層巖石空隙中的地下熱水容積(m3);W彈為承壓熱儲層的彈性儲存量,即儲層在開采過程中,由于減壓后從儲層介質中釋放出的熱水量(m3);A為熱儲面積(m2);H為熱儲含水層厚度(m);?為熱儲層巖石孔隙度(%);μ*為熱儲層儲水(或釋水)系數(shù),無因次;h為熱儲層自頂板算起的壓力水頭高度(m).3.2地熱儲積資源由于篇幅所限,計算過程從略,最終計算結果為:全熱田地下熱水總儲存量(W總)為568.74億m3,熱水儲存總能量為83.596×1017J,相當于2.860億t標準煤的熱能量.地熱儲積資源總能量為301.074×1017J,折合標準煤為10.275億t;其中可利用能量44.426×1017J,折合標準煤1.516億t,熱田單位面積儲積能量0.519×1017J/m2.算得Q有效為5.0186×1015J/a,達大型中低溫地熱田規(guī)模.4熱水開發(fā)的前景評估4.1熱儲計算單井出水量熱田熱水單井出水量的估算,按出水段井徑130mm,降深30m估算.估算對象主要是指2400m深度范圍內(nèi)南康組、砂崗組和酒席坑組熱儲層單井出水量.這樣對熱田單井出水量起控制作用的是熱儲層的厚度、孔隙度和滲透率.據(jù)南寧地熱田三塘地熱井資料,三塘地熱井開采熱儲層深度為550.40～1181.0m,熱儲層累計厚度為224.0m,水位降深29.73m時,涌水量為30.74m3/h,其每米熱儲厚度單井出水量為:q=30.74÷224=0.14m3/(h·m),合浦熱田熱儲平均孔隙度達25.1%,大體與南寧地熱田熱儲層孔隙度相當,而合浦熱田熱儲平均滲透率略小.又據(jù)煤田勘探抽水資料,合浦地熱田砂崗組每米熱儲層厚單井出水量為0.37m3/(h·m),南康組(Nn)為0.52m3/(h·m),取上述三者的平均值乘以0.60系數(shù),即0.34m3/(h·m)×0.6=0.204m3/(h·m)作為基本值進行熱水單井出水量的估算.熱田地溫梯度,據(jù)已有資料采用最保守的梯度值,即西場凹陷取2.93℃/100m,常樂凹陷取2.25℃/100m進行計算.根據(jù)南寧市地熱田三塘地熱井的經(jīng)驗,由多層熱儲構成的地熱井,井口混合熱水溫度等于開始利用的頂層熱儲(550m處)溫度(42℃)與井底熱儲溫度(64.8℃)的平均值(53.5℃).故地熱井井口混合水溫估算時采用熱儲起始和終止溫度的平均值.熱儲溫度按(1)式計算,計算結果見表2.4.2地熱田熱水的性質研究至今尚無法獲得熱田深部熱水的水化學資料,然而淺層低溫溫水與深部熱水的化學成分密切相關,故采用淺層低溫溫水與冷水的混合水化學成分特征作簡要分析,根據(jù)水質測試結果并結合水化學背景條件分析,推斷地熱田的熱水具有以下水化學特征:(1)地下熱水的水質類型主要為HCO3-Na、HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、SO4-Ca·Mg型,隨著深度的增加和水溫的提高,推斷重碳酸根、硫酸根離子數(shù)值將進一步增加.局部地段可能出現(xiàn)Cl-Na或SO4-Ca型水;(2)溶解性總固體含量一般較低,總體屬低礦化淡水;(3)除淺層水pH值偏低呈弱酸性-酸性外,一般呈中性水;(4)一般總硬度較低,呈軟水-極軟水;(5)熱水的特殊組份中,偏硅酸、鍶及CO2氣體等的含量較高.隨著深度增大水溫增高,其含量還會進一步增加,可達醫(yī)療熱礦水標準.4.3熱儲單井開發(fā)地熱資源因為其清潔、價廉、用途廣泛而得到人們的重視和普遍利用.合浦盆地地熱田地熱資源豐富,地熱田可利用的資源量達44.426×1017J,折合標準煤1.516億t.熱田熱水溫度、單井出水量視熱儲層的埋藏條件及累計厚度的不同而不同,在深度600～2400m范圍內(nèi),推算熱田古近系—新近系熱儲單井出水量在16.1～152.5m3/h,熱水溫度在40.19～66.8℃,根據(jù)《地熱資源勘查規(guī)范》(征求意見稿,GB/T11615-200x)屬最經(jīng)濟和經(jīng)濟型地熱田開發(fā)類型.水質可達到醫(yī)療熱礦泉標準,對照地熱礦水利用評價表(表4),其用途十