河南中牟凹陷地热地质背景与深层地热水开发

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1、第 33 卷第 5 期2014 年 10 月河南理工大学学报( 自然科学版)JOUNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVESITY( NATUAL SCIENCE)Vol 33 No 5 Oct 2014河南中牟凹陷地热地质背景与深层地热水开发沈俊超，刘朝武，张灵，郑立军，陈大丽，薛晓梅( 渤海钻探工程公司 井下作业分公司，河北 任丘 062552)摘要: 依据已有的石油勘探、地热开发资料，对中牟凹陷地热地质背景、热储层发育特征进行较 全面论述 该区馆陶组砂岩沉积厚度可达数百米，具有良好的储水、储热特征，孔隙度大、渗透 性好，全组砂岩热储层都具有开发价值，根据地层发育特征，

2、一般可成 3 4 口地热井分段进行 开采，热水温度 60 95 ，单井涌水量 60 100 m3 / h 其深层地热开发潜力巨大，通过利用地 热清洁能源进行城区集中供暖，可有效缓解能源压力，保护自然环境关 键 词: 中牟凹陷; 热储特征; 地热开发; 分段开采中图分类号: TK529文献标识码: A文章编号: 1673-9787( 2014) 05-0598-06Geothermal geological background and deep geothermal water development of Henan Zhongmu sagSHEN Jun-Chao，LIU Chao-Wu，

3、ZHANG Ling，ZHENG Li-Jun，CHEN Da-Li，XUE Xiao-Mei( Downhole Service Company of CNPC，enqiu 062552，Hebei，China)Abstract: According to the existing petroleum exploration and geothermal development data，the geothermal geological background and thermal storage development characteristics of Zhongmu sag has

4、 been comprehen- sively discussed In this area，the sandstone sedimentary thickness of Guantao group can reach hundreds of me- ters It has a good water and heat storage characteristic，and has large porosity and good permeability The sand- stone heat reservoir of the whole group has development value

5、According to its formation development charac- teristics，the segment mining of 3 4 geothermal wells can be generally implemented The hot water tempera- ture of the well can reach is 60 95 ，and single well water inflow 60 100 m3 / h The deep geothermal de- velopment potential of this area is tremendo

6、us We can alleviate the pressure of the energy effectively，and pro- tect the natural environment by using the clean energy for urban central heatingKey words: Zhongmu sag; reservoir characteristics; geothermal development; sublevel0引言中牟凹陷横跨河南省新郑州市中牟县、乡市 原阳县、延津县、封丘县、开封市区及开封县、兰考 县等区县，沿黄河两岸近东西向展布，是一个中隆

7、 新凹型凹陷，其基本特点: 印支期抬升剥蚀，缺失 白垩系地层，侏罗系仅局部发育，厚度薄，但保留了较厚的三叠系地层，喜山期再次沉降，新生界地 层较厚 该凹陷新近系馆陶组地层底界埋深普遍 大于 2 000 m，最深可达 2 800 m 以上1-2( 图 1 ) ， 因此，华北地区最主要的热储层新近系馆陶 组热储层3在本区埋藏深度大，地热井出水温度 高、单井涌水量大，是河南省地热资源最丰富的地 区 虽然本区早已开始地热资源的开发利用，在开 收稿日期: 2014-02-22作者简介: 沈俊超( 1966) ，男，河北涿州人，高级工程师，主要从事地热地质、石油地质工作 E-mail: hbytjxsjc

8、 163 com第 5 期沈俊超，等: 河南中牟凹陷地热地质背景与深层地热水开发599封市区等地开采强度很大，但地热开发利用主要 集中在 1 600 m 以上的热储层，仅有少数几口地 热井深达到 1 800 m1，2，4 1 600 m 以下的馆陶组 深层热储尚未进行有效勘探开发和利用 本文将 依据石油勘探、地热开发资料，对中牟凹陷地质背 景、热储发育特征进行论述，在此基础上对深层地 热水开发方案进行探讨1 地质背景1 1 构造单元划分中牟凹陷位于南华北盆地开封坳陷中部地 区，南北宽 25 50 km，东西长 40 90 km，面积约 3 500 km2 ，其南为太康隆起，北以胙城凸起与内黄

9、隆起相接，西为武陟凸起，东为民权凹陷，四周均 以断层为界 断裂活动是中牟凹陷的主控因素，受 北西向和北东-近东西向的两组断裂控制，该区具 有南北分块、东西分带的构造特点，可划分为南北 两大部分 5 个二级构造单元 北部为原阳次凹、太平镇次凸和延津次凹，主要特点是保存了较完整 的中生界地层; 南部包括东吴次凹、杜营次凹，它 们是在喜山期拉张应力场作用下形成的新生代断 陷，主要特点是古近系地层厚度较大( 图 2) 1 2 断裂特征中牟凹陷处于南华北盆地北西向构造带和华 北盆地北东向构造带的交叉叠合部位，构造作用 强裂，断层比较发育，其走向主要有 3 组: 北西向、 北东向和东西向，它们控制着凹陷的

10、形成及中、新 生界地层的发育 凹陷主要由 7 条大断层控制，其 中原武断层、七里营断层、封丘断层、杨庄断层、中 牟断层为凹陷边界断层，各断层发育特征见表 1 陡门断层为凹陷内南北部分界断层，断层以北上 升盘为 中生界沉积中 心，残 余 厚 度 为 2 000 4 000 m，古近系在次凹中仅有 1 000 m，而下降盘 残余下第三系厚度 7 000 m 左右 由此可见，该断 层开始形成于新生代的喜山期，控制下第三系的 沉积 开封断层东段是东吴次凹与杜营次凹的分 界断层，西段为东吴次凹和中牟斜坡的分界断层， 主要活动期为早、中侏罗系和古近系孔店组沉积 时，断层以北的地区存在侏罗系，断层以南缺失侏

11、 罗系表 1 中牟凹陷主要断层发育特征Tab 1 Main fault development characteristic table of Zhongmu sag序号断层名称性质走向断层要素倾向倾角延伸长度 / km断开层位1原武断层正SNE5532Ng O22七里营断层正EWS4730Ng O23封丘断层正NWSW6077E O24杨庄断层正NENW4440Ng O25中牟断层正NE-NWN30 5880Ng O26陡门断层正NEESSE30 5065Ng O27开封断层正EWN4280Ng O2600河南理工大学学报( 自然科学版)2014 年第 33 卷1 3地层特征根据钻井揭示和地

12、震资料解释，中牟凹陷沉 积地层主要有古生界的寒武-奥陶系、石炭-二叠 系，中生界的三叠系、侏罗系，新生界的古近系、新 近系和第四系，地层分布具有分割性强、受断层控 制、岩性变化大等特点，凹陷发育特征见表 2本区古生代为地台型沉积，地层厚度较为稳 定 早中三叠世，基本沿袭了晚古生代的构造轮 廓，沉积厚度一般为 3 000 3 500 m，中三叠世末， 受印支运动影响，在构造高部位有剥蚀现象 进入 侏罗纪，中牟凹陷北部边界断裂活动较强烈，因此，北部沉积了巨厚的侏罗系地层，最大厚度可达 到 2 000 m，受燕山运动影响，后期部分被剥蚀 古 近纪时期南部边界断裂及中部的陡门断裂活动强 烈，南部地区古

13、近系地层发育，沉积厚度大; 北部 断裂活动微弱，仅局部接受古近系地层沉积 新近 纪时期边界断裂活动微弱，全区进入坳陷期大面 积沉降，普遍接受了较厚的新近系地层沉积，与下 伏古近系地层为不整合接触 至第四纪本区断裂 活动终止，进入全面坳陷期，接受第四系地层沉 积，形成现今构造面貌表 2 中牟凹陷地层发育特征Tab 2 Formation development characteristic table of Zhongmu sag2热储特征2 1可采热储分析中牟凹陷地热资源属于沉积盆地型地热系 统，依据华北地区地热开发经验，能够作为热储层 进行地热开发的有新近系明化镇组、馆陶组砂岩 孔隙型热储层

14、和寒武-奥陶系灰岩、白云岩岩溶型 热储层寒武-奥陶系地层在本区普遍分布，其岩性主 要为灰岩、白云岩，如果地质历史时期长期裸露地 表遭受风化剥蚀及溶蚀，就会形成缝洞串通的良好热储层 位于太平镇次凸上的 ZG1 井，奥陶系 地层钻凿厚度 305 m，测井解释级裂缝 19 m， 级裂缝 68 m，测试产水量仅为 0 35 m3 / d，进行酸 压施工后产水量为 0 57 m3 / d，明显为干层 由此 可知，本区因沉积有较厚的石炭-二叠系地层，造 成奥陶系地层被掩埋时间早，岩溶裂缝不发育 同 时，由于本区奥陶系储层埋深普遍在 4 000 m 以 上，地层处于高温高压状态，裂缝往往被次生矿物 充填，造

15、成储层连通性及储集能力差 因此，中牟 凹陷寒武-奥陶系岩溶型热储层基本没有开发价 值第 5 期沈俊超，等: 河南中牟凹陷地热地质背景与深层地热水开发601新近系明化镇组地层底界埋深一般为 1 300 1 400 m，其砂岩储层发育，具有孔隙度大、渗透率高的特点，井深 1 300 m 左右的地热井出水温 度可达 50 左右4-5，开封地区单井涌水量最大 为 55 m3 / h，单 位 涌 水 量 0 75 2 81 m3 / ( h m) 5 表明本区明化镇组热储层具有一定的开发 价值，但由于地热井出水温度相对较低，地热水一 般仅用于医疗、洗浴等方面新近系馆陶组地层底界埋深普遍 2 000 m，

16、 最深可达 2 800 m 以上，地层沉积厚度大，砂岩储 层发育，埋藏深，因此，馆陶组地热井水温高、涌水 量大，预计出水温度最高可达 95 以上，是本区 最有价值、最具开发潜力的热储层 其热水可用于 城区集中供暖，尾水可用于医疗、洗浴、游泳等方 面2 2 地温场特征依据开封及邻近地区已开发地热井出水温度 资料，中牟凹陷新近系地层地温梯度分布存在区 域差异，地温梯度 3 0 3 6 /100 m，开封地区 地温梯度最高，为 3 4 3 6 /100 m，原阳至封 丘一线地温梯度为 3 0 3 4 /100 m，兰考地区 地温梯度为 3 4 3 5 /100 m6-7，地温梯度值 分布基本按凹陷延

17、伸方向由西向东增高前人研究认为浅部地温影响的因素一般为基 岩的起伏和构造形态、地下水的活动和岩浆活动 对华北地区而言，基岩面的起伏和构造形态对地 温分布的影响是区域性的，对地壳浅部地温起着 主导的作用; 地下水活动对山前平原和某些断裂带附近的地温有着重要的影响; 岩浆活动可能的裂上涌至浅部可形成对流型的地热异常，但因奥 陶系基岩上部覆盖有厚达数千米的石炭-二叠系、 中生界、古近系砂泥岩沉积层，其影响只可能在局 部，不会是普遍的 地热水同位素研究表明本区地 下热水的主要补给源是位于区外西南、西部山区 的大气降水9-10，大气降水在补给区渗入地下后 受构造形态控制由西向东缓慢径流 受冷水流影 响，

18、距离补给区近的地区地温梯度低，如西部郑州 地区浅部地温梯度为 2 8 /100 m 左右6 地下 水径流过程中因吸收围岩的热量不断被加热，至 凹陷中心区已具有与周围介质相同的温度 由此 可见，本区地温梯度值分布由西向东增高主要影 响因素是地下水由西向东径流过程中不断吸收围 岩热量被加热 而开封地区地温梯度值最高除了 因为该区位于凹陷中东部，距离补给区较远外，与 该区位于中牟斜坡地带，与太康隆起( 通许隆起) 相邻，因而基岩埋深相对较浅有很大的关系2 3馆陶组热储特征中牟凹陷新近系馆陶组砂岩孔隙型热储层埋 藏深、发育厚度大，具有良好的储热、储水特性，其 底界埋深普遍大于 2 000 m，最深达

19、2 800 m 以下 ZG1 井馆陶组底界深度 2 856 m，沉 积 厚 度 达 1 547 m，砂岩热储层单层最大厚度 18 m，7 m 以上 砂层共 40 余层，累计厚度 450 m，砂厚比 30% 随着热储层埋深的增大，地层压实作用也在 增强，因此馆陶组砂岩热储层有效孔隙度、渗透率 具有随地层深度增加而降低的趋势( 图 3 ) ZG1 井 2 000 m 以上热储层有效孔隙度一般为 24% 影响仅限于晚近期发生较大规模岩浆活动的局部31% ，最大 33 4% ，渗透率 112 441 10-3m2 ，地段 在新生界盖层一定的深度范围内，正向构造最高 745 10-3m2 ，而 2 00

20、0 m 以深热储层有效孔的地温高，地温梯度大; 负向构造的地温低，地温隙度一般为 22% 26% ，最大 27 8% ，渗透率 54梯度小; 地壳浅部地温分布与基岩面的起伏呈正 相关的关系，但当基岩埋深 4 000 m 时，地温梯 215 10显-3 m2，最高 282 10-3m2 ，变化趋势明度几乎无变化，收敛为一个定值 在受冷水源补给 的地下水强径流区，往往使地温出现负异常; 在热 水排泄区或某些断裂带附近，则形成正异常 不仅 山麓地带受到冷水流的影响，而且即使山前 30 60 km 的范围内，仍然不同程度受到冷水流的影 响8中牟凹陷的大部分区域古生界基岩埋深大于 4 000 m，最深可

21、达 7 000 m 以下，因此，基岩起伏 对地温的影响趋于稳定，仅在局部地区有一定的 作用 本区边界断裂发育，多数断层切穿新近系馆 陶组至古生界奥陶系地层，深循环的地下水沿断开封地区 1 600 m 深馆陶组热储层地热井出水温度可达 60 以上，单位涌水量 1 91 m3 / ( h m) ; 1 800 m 深地热井出水温度可达 70 左右， 单位涌水量 1 24 m3 / ( hm) ，展示了深层馆陶组 热储层良好的储热、储水性质，具备地热开发利用 价值3地热水开发方案中牟凹陷地区地热 开 发 已 有 20 多 年，至 2010 年仅开封市区就有开采深度大于 600 m 的 热水井 88

22、口，开采强度很大，已属于超采区1，11，602河南理工大学学报( 自然科学版)2014 年第 33 卷但由于受经济条件及地热勘查评价工作滞后的影 响，地热开发井段主要集中在 1 600 m 以上的新置 3 4 口地热井进行分段开采，由于热储层有效 孔隙度、渗透率随埋藏深度增加而减小，地热井利 用储层砂岩厚度应随取水层段埋深增加而适当加 大，以保证地热井在一定的涌水量情况下水位降 深在可控范围内 本区地热开发利用主要集中在 各市、县城区，由于深层馆陶组热储层温度高、涌 水量大，地热资源已达到地热供暖的要求，可用于 对城区进行地热供暖 供暖利用后的尾水可进行 洗浴、游泳等方面的综合开发，以进行地热

23、资源的 梯级利用，提高地热利用率为科学、合理利用本区深层地热资源，应对区 域地热地质条件进行勘查评价，以确定地热井合 理井距、单井可采热水量，从而减小地热井间干 扰，保证开采年限 开采的同时还应进行地热尾水 回灌试验，为地热资源的持续开发利用奠定基础4 结 语中牟凹陷地区未来最具开发价值的热储层为 新近系馆陶组热储层，该地层底界埋深普遍大于 2 000 m，最深可达 2 800 m 以上，具有沉积厚 度 大、砂岩储层发育、井口出水温度高、单井涌水量 大的特点 其砂岩热储层厚度可达数百米，具备分 段开采的地质条件，一般可布置 3 4 口地热井分 段进行开采，预计出水温度 60 95 ，涌水量 6

24、03近系明化镇组和馆陶组上部热储层，仅在开封等 100 m/ h 该区目前地热水开采深度 一 般 在地有少数几口地热井深达到 1 800 m1-2，12，区域 内 1 600 m 以下馆陶组深层热储尚未进行有效勘 探开发和利用 依据本区地热地质条件，深层地热 资源丰富，具有出水温度高、单井涌水量较大的特 点，具备地热开发条件，其开发利用将产生比上部 地热资源开发更大的社会、经济效益本区馆陶组热储层底界埋藏深、储水砂岩发 育厚度大，具备分段开采的地质条件，按 ZG1 井 馆陶组砂岩发育情况，其分段开采方案见表 3表 3 中牟凹陷馆陶组热储层分段开采方案 Tab 3 Sublevel plan o

25、f Guantao heat reservoir of Zhongmu sag1 600 m以上，1 600 m 以下的馆陶组深层热储尚未进行规模化开采，因此，深层地热开发潜力巨 大 开发地热清洁能源用于城区集中供暖，可有效 缓解能源压力，减少废弃物排放，保护自然环境， 对促进当地经济发展，提高居民生活质量有积极 的作用参考文献:1 朱红丽 开封市超深层地热水人工回灌补源研究 D 河南: 河南理工大学，20112 张良 开封市城区地热水资源评价及可持续开发利 用研究D 河南: 河南理工大学，20113 田光辉，林建旺，阮传侠，等 天津滨海新区馆陶组序号井深 / m11 60021 90032

26、300储水砂层厚度 / m预计出水温度 / 预计涌水量 /( m3 h 1 )地热资源水位动态浅析J 河南理工大学学报: 自 然科学版，2008，27( 2) : 173-17680 906080 10080 907070 90100 1208060 80 42 800120 1509560 80 根据本区馆陶组热储层发育特点，一般可布4 齐玉峰 河南省开封凹陷区地热田地热资源分析J 西南科技大学学报，2009，24( 3) : 75-785 王心义，李建华，林雪钰，等 开封市地热系统特征J 水科学进展，2002，13( 2) : 191-1966 张心勇，马传明 开封凹陷区地温场特征分析J

27、工程勘察，2009，37( 10) : 44-49第 5 期沈俊超，等: 河南中牟凹陷地热地质背景与深层地热水开发6037 王心义，聂新良，赵卫东 开封凹陷区地温场特征及 成因机制探析J 煤田地质与勘探，2001，29 ( 5) : 4-78 陈墨香 华北地热M 北京: 科学出版社，1988: 3- 239 马传明，张心勇 河南开封凹陷区地热水的同位素 研究J 矿物岩石地球化学通报，2009，28 ( s) : 10410 朱红丽，刘小满，杨芳，等 开封市深层地热水回灌试验分析与研究J 河南理工大学学报: 自然科学 版，2011，30( 2) : 215-21911 王心义，黄丹 河南省地热资

28、源开发利用现状评价J 地下水，2010，32( 1) : 54-5512 齐玉峰，王现国，王关杰，等 开封凹陷区地热资源 开发利用与保护J 地下水，2007，29( 4) : 77-79( 责任编辑李文清)( 上接第 597 页)参考文献:1 李连崇，唐春安，梁正召，等 含断层煤层底板突水 通道形成过程的仿真分析J 岩石力学与工程学 报，2009，28( 2) : 290-2972 王国际，杨腾飞，王公忠，等 基于“下三带”理论的 底板隔水层破坏机理研究J 中 州 煤 炭，2011 ( 11) : 4-5，243 施龙青 底板突水机理研究综述J 山东科技大学 学报: 自然科学版，2009，28

29、( 3) : 17-234 孙建，王连国，侯化强 底板复合隔水关键层的隔水 性能研究J 中国矿业大学学报，2013，42 ( 4 ) : 560-5665 汤友谊，杨参参，申江，等 煤层底板灰岩含水层突 水危险性评价J 河南理工大学学报: 自然科学 版，2012，31( 3) : 268-2716 梁运培，孙东玲 岩层移动的组合岩梁理论及其应用研究J 岩石力学与工程学报，2002，21 ( 5 ) :654-6577 尹光志，李贺，鲜学福，等 煤岩体失稳的突变理论 模型J 重庆大学学报，1994，17( 1) : 23-288 高忠红，何富连，孟筠青，等 回采工作面发生冲击 与突出耦合危险的尖点突变模型研究J 煤矿安 全，2010，41( 6) : 1-39 张思强，陈国锋，韩颂，等 尖点突变理论在浅埋煤 层周期来压步距研究中 的 应 用J 煤 矿 安 全， 2013，44( 8) : 42-4410 武强，朱 斌，刘 守强 矿井断裂构造带滞后突水的 流-固耦合模拟方法分析与滞后时间确定J 岩石 力学与工程学报，2011，30( 1) : 93-10411 贾明魁 岩层组合劣化型冒顶机制研究J 岩土力 学，2007，28( 7) : 1343-1347( 责任编辑李文清)