天津滨海新区小王庄镇地热资源评价及开发潜力分析

天津滨海新区小王庄镇地热资源评价及开发潜力分析

周广新

中石化绿源地热能（陕西）开发有限公司    陕西省咸阳市  712000

摘要：小王庄镇天津滨海新区西南部，处于板桥凹陷之上，馆陶组热储发育较好，地热资源丰富。滨海新区小王庄镇政府为推进节能减排，相应实现“双碳”目标，对小王庄镇地热资源进行评价，查明周边区域地热地质条件和构造特征，为合理开发利用地热资源提供依据。

关键词：地热 地质构造 资源评价 滨海新区

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1区域地质概况

1.1构造特征

滨海新区小王庄地热供暖项目在构造位置上位于中朝准地台(Ⅰ级)、华北断拗(Ⅱ级)、黄骅坳陷(Ⅲ级)、板桥凹陷(Ⅳ级)构造单元西南部。板桥凹陷是大港油田主要的油气勘探开发区之一，西北方向由沧东断层与沧县隆起相接。受西北部边界断层持续活动影响，整体呈北北东向展布的箕状断陷，西侧较陡，向东逐渐趋于平缓。多年勘探证实，板桥凹陷内主要发育古近系沙河街组、东营组及新近系的馆陶组与明化镇组，组成了巨厚的碎屑岩沉积。项目区构造位置如图1所示。项目区周边发育的主控断裂为沧东断裂，主要特征如下：该断裂位于项目区西部，总体走向为北北东(NNE)，倾向南东东(SEE)，为下盘相对上升的正断层。它是沧县隆起与黄骅坳陷的分界断裂。该断裂结构面变化较大，断面多呈铲状。沧东断裂西侧为沧县隆起，基岩以古生界为主，顶板埋深在1000～2000m；东侧为黄骅坳陷，堆积的古近系孔店组很薄，主要以沙河街组和东营组为主，厚度约3000～5000 m。西侧的古生界地层抬升明显。沧东断裂在区内主要控制着中生界和新生界古近系的沉积，该断裂具有同生断层的性质和继承性特点。

沧东断裂是一条隐伏的、控制沧县隆起与黄骅坳陷地质建造的重要断裂，断深在上地壳底部、中地壳上部，断裂自上而下可延伸数十公里，在上地壳浅部能将下部热储层高位热能以热对流形式传递到浅部，影响范围随远离断裂带而减弱。

图1 项目构造位置图

1.2地层特征

根据《天津市深部地热资源普查报告》及周边地区地质资料和钻井资料分析，项目区所处的板桥凹陷形成于新生代，地层主要由前新生代基底与新生代盖层构成，总厚度较大。前新生代基底包括太古界与古元古界结晶基底和上覆沉积盖层中新元古界、古生界和中生界。古近纪地层为主要生、储油气层。对比渤海湾盆地冀中、黄骅、济阳等凹陷，项目区周边新生界厚度大、埋藏深。

项目区周边地层由上到下依次发育有新生界、中生界、古生界、中新元古界、太古界，具体分述如下。

表1  小王庄及周边地层简表

1.2.1新生界（Cz）

1.2.1.1第四系（Q）

第四系主要为未同结黄土，岩性为灰、灰黄色砂层与棕黄色粘士互层，厚度200～500m。

1.2.1.2新近系（N）

1、新近系明化镇组

分上下两部分，上部岩性以浅黄色泥岩与砂岩互层为主，下部岩性以棕红、暗红紫色泥岩，绿灰色砂岩为主，上下两部厚度总和可超1000m。

2、新近系馆陶组

岩性为灰白色砂岩，夹紫红灰绿色泥岩；底为碌岩层，与下伏古近系地层为不整合关系接触，厚度400～500m。

3、古近系（E）

古近系仅分布在沧东断裂以东区域，岩性以棕红色泥岩为主夹砂岩。

1.2.2中生界（Mz）

在项目区西北沧东断裂以西缺失，其余地区普遍分布，岩性主要以紫红、棕红、红褐色泥岩、页岩为主，上部夹少量砾岩砂岩，其它为暗紫色泥岩与紫红色砂岩互层。在项目区周边顶板埋深整体由南向北逐渐增大，欣园里北部地区埋深可达2800m。

1.2.3古生界（Pz）

1、石炭—二叠系（C-P）

该层分布在沧东断裂以东，上部岩性主要为紫红、棕红、红褐色泥岩，灰黑色、灰色、少量灰色泥页岩；下部以一套灰白色砂岩为主，钙质胶结，本段夹有多层灰色、灰黑色泥页岩；底部地层为大段灰色、灰白色粉细砂岩。石炭—二叠系地层，总厚度大致100～1000m。

2、奥陶系（O）

奥陶系在沧东断裂西北侧缺失，东南侧普遍分布。该地层上部岩性以灰色、深灰色灰岩为主，间夹有白云质灰岩、灰质白云岩，性脆；下部以灰白色、灰色，浅灰色灰岩为主，灰岩岩屑多为碎片状，稍硬性脆。奥陶系各层总厚度为500～800m。

3、寒武系(∈)

上统的长山组石灰岩白云岩，泥灰岩；崮山组主要为泥质灰岩；中统的张夏组上部为石灰岩，下部为鲕粒灰岩；徐庄组以泥灰岩、页岩为主，夹鲕粒灰岩，毛庄组石灰岩夹泥页岩；下统的馒头组顶部为石灰岩，下部为泥灰岩、页岩。寒武系各层总厚度为300～700m。

1.2.4中新元古界（Pt）

1、青白口系（Qb）

项目区内无青白口系地层揭露。在距项目区东南20公里的太平镇有揭露，顶板埋深3444m，厚度130m。该地层岩性上部以暗紫、紫红、灰绿、灰白色泥灰岩为主，夹灰白、蛋青色泥灰岩及棕红、灰绿色页岩；下部为暗紫色夹杂墨绿色页岩，中段为灰白、深绿色石英砂岩，含海绿石砂岩，底部为灰白色石英砂岩。

2、蓟县系雾迷山组（Jx）

项目区内无雾迷山组地层揭露。在距项目区东北20公里的中塘和距项目区东南20公里的太平镇有揭露，太平镇一带揭露顶板埋深3600m，揭露厚度130m（未穿）。岩性上部以灰白、灰黑色白云岩为主，中下部为厚层-巨厚层状白云岩，夹灰黑色燧石条带。白云岩除颜色不同外，其岩性特征基本相同，岩溶、裂隙较为发育。

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图2 项目区及周边基岩地质图

1.3区域地温场特征

受深部地壳结构、基底结构、部分大型断裂以及岩浆活动等控制，黄骅坳陷的地温场在平面上明显具有南，北，中三分性。在黄骅坳陷中部，即板桥凹陷等处，地温梯属于高温区，且表现为西低东高、南高北低；在黄骅坳陷南部，即板桥凹陷以南地区，表现为南低北高的特征，坳陷南区地温梯度属于中值区；在黄骅坳陷北部，即北塘凹陷等处，地温梯度变化范围为低值区。地温异常与布格重力异常相当吻合，两者的高值区同处于基岩的凸起或潜山高部位，低值区则同处四陷部位。地温异常的分布受到岩装活动、深大断裂、基底结构等影响。同时，纵向上来说，在新生代随地质演化历史整体地温梯度在逐渐降低，在沙河街时期地温梯度较高。东营期则降低，馆陶期继续降低。

据小王庄镇及附近区域的盖层地温资料情况，项目区地温梯度在 2.5-4.0℃/100m 之间（图 4-3）。在天津地区盖层中属中温区。其中欣园里周边盖层地温梯度与向阳里周边盖层地温梯度在 3.0-3.5℃/100m 之间，欣园里地温梯度3.25—3.5℃/100m 之间，向阳里3—3.25℃/100m 之间。

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图3 项目区盖层地温梯度等值线图

1.4热储特征

通过资料收集、周边地热井资料调查、综合分析研究等工作，初步查明欣园里、向阳里区域存在两类热储层：一类是以砂岩为主的孔隙型热储层（主要是新近系名化镇组和馆陶组热储），全区分布；另一类是以碳酸盐岩为主的岩溶裂隙型热储层（主要为蓟县系雾迷山组热储），沧东断裂带及以西埋深较浅，沧东断裂以东埋深大。下面对各热储层的主要特征分别进行描述。

1.4.1新近系明化镇组热储层

明化镇组在天津不再新增矿权，限制开采，故不再赘述。

1.4.2新近系馆陶组热储层

在向阳里欣园里周边广泛分布。顶板埋深在1150～1700m 之间，一般厚度为250～408.02m。热流体富集段岩性以粉-细砂岩和含砾砂岩为主，底部砂砾岩赋水性差异较大。根据区域水文地质资料，该热储层单井涌水量43.75～100m3/h，出水温度57～70.5℃，地热流体化学类型多为 Cl·HCO3-Na 型或HCO3·Cl-Na型，无碳酸钙垢、硫酸钙垢结垢趋势，轻微腐蚀性，矿化度为1800～5865.6mg/L，总硬度为10～45mg/L（以 CaCO3计），pH值为8.1～8.6。

1.4.3蓟县系雾迷山组

向阳里欣园里附近无雾迷山组地热井，在沧东断裂以西，与工作区所在黄骅坳陷非同一构造构造单元的即沧县隆起上，雾迷山组热储开发较多，顶板埋深 1900～2400m，属于海相碳酸盐岩沉积。此外在工作区所在的板桥凹陷以东，所属构造单元为港西凸起，雾迷山组顶板埋深超过3600m。蓟县系雾迷山组岩性主要为白云岩，上部以灰白、灰黑色白云岩为主，中下部为厚层-巨厚层状白云岩，夹灰黑色燧石条带。白云岩除颜色不同外，其岩性特征基本相同，岩溶、裂隙较为发育。三、四段岩性为灰色白云岩。单位涌水量在80m3/h 左右，井口流温88～97℃，地热流体水化学类型为Cl·SO4·HCO3-Na 和 Cl·HCO3-Na，矿化度1900～2800mg/L。

雾迷山组热储埋深较大，综合考虑经济性和风险性，雾迷山组暂不考虑，因此，本次项目新近系馆陶组热储作为主力开采层。

2地热资源量计算

2.1计算方法

本次计算热储中储存热量的方法采用热储法，按下式计算：

Q=Qr+Qw                                                   （1）

Qr=Adρrcr(1-φ)(tr-t0)               （2）

QL=Q1+Q2                                    （3）

Q1=Aφd                            （4）

Q2=ASH                           （5）

Qw=QLcwρw(tr-t0)                     （6）

式中：Q-热储中储存的热量，J；

Qr-岩石中储存的热量，J；

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；

Qw-水中储存的热量，J；

A-计算区面积，m2；

d-热储厚度，m；

ρr-热储岩石密度，kg/m3；

cr-热储岩石比热，J/kg·℃；

φ-热储岩石的空隙度(孔隙度)，无量纲；

tr-热储温度，℃；

t0-当地年平均气温，℃；

ρw-地热水密度，kg/m3；

S-导水系数，无量纲；

H-计算起始点以上高度，m；

cw-水的比热，J/kg·℃。

2.2参数选取

根据前面的分析，天津市小王庄馆陶组砂岩热储为层状砂岩孔隙型热储，近水平状，在全区均有分布，且分布稳定。盖层为上部第四系、新近系明化镇组。热源以传导为主。基于此，对小王庄区域进行资源量计算。

2.2.1储层几何参数

1、热储面积

天津市小王庄镇馆陶组热储顶面埋深、热储厚度变化不大，区域内热储可以不进行分区。根据查询该区域面积105平方千米，即将此面积作为本次热储评价面积。

2、热储厚度

根据物探报告中收集到的老井成井参数，该区域馆陶组分布稳定，顶面埋深1000—1400m，底板埋深1400—1700m，经综合考虑，本次评价以顶板埋深1200m，地层厚度300m，储层厚度144m，砂厚比48%为参数进行计算，具体见表2所示。

表2 评价区地层和储层厚度统计表

2.1.1.1热储物理性质

1、热储层温度

根据前期物探报告及收集到的邻井资料，该区域馆陶组区域水温60—65℃左右，因此本次计算热储温度按62℃计算。

2、热储压力

根据邻井地热井资料，馆陶组属于常压地层。

3、热储的比热、密度、热导率

由《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)得到热储参数评价区热储层比热、密度、热导率等参数取值详见表3。

表3 评价区热储层比热、密度、热导率取值表

2.1.1.2其他参数

1、恒温带深度及温度

恒温带温度的确定，一般采用多年平均地面温度略高于多年平均气温1～3℃的方法。确定评价区恒温带温度为13.5℃，深度为30m。

2、回收率

根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)，确定该区砂岩孔隙热储的回收率为25％。其余参数取值参考GB/T 11615—2010。

2.1.2地热资源量估算

根据上述各参数取值及相关公式，计算结果如下：评价目标区馆陶组总地热资源量1.82×1018J，折合标准煤6.22×107t；可利用地热资源量4.56×1017J，折合标准煤1.55×107t；评价区地热资源量计算见表4-4。

表4 评价区地热资源量计算表

2.2单井资源评价分析

2.2.1水温预测

地层温度随深度的加深而增高，但地温梯度在纵向上的变化因岩性而异。一般情况下，新生界盖层的地温梯度随深度基本上呈线性增长，只是不同地区的梯度值有所差异。盖层热储温度依据公式（7）进行推算：

TRgR=GRiR（DR1R-DR2R）+TR0     (7)

式中：

TRgR ---- 盖层底板温度（℃）

GRiR ---- 盖层平均地温梯度（欣园里3.25~3.5℃/100m，向阳里3~3.25℃/100m）；

DR1R ---- 盖层底板埋深（欣园里1400m，向阳里1600m）；

DR2R ---- 常温层埋深（取30m）；

TR0R---- 常温层温度（取13.5℃）。

结合区域地温场特征等参数对井口水温进行计算，具体计算结果见表5所示。

表5 欣园里、向阳里温度预测计算表格

经计算，欣园里井口水温预测58—61℃，向阳里井口水温预测61—65℃，因此，综合预测，本项目拟建地热井欣园里水温60℃，向阳里水温预测63℃。

2.2.2水量预测

根据周边已成井参数，本次项目按照降深50m对井口出水量进行预测，计算公式为：

Q=q×H×50                （4-8）

Q：井口出水量（m3/h）；

q：单位降深每米砂岩出水（m3/h·m2）；

H：热储层砂岩厚度（m）；

据前所述，结合周边资料，本井馆陶组砂厚

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比48%，开采厚度300m，馆陶组单位降深每米砂岩出水量取0.012m3/h·m2（表6）。

表6项目区拟建井井口水量计算表

由上述计算结果，考虑拟建井所处构造背景和沉积特征，预测在降深50m的条件下，预测拟建井口水量80m3/h左右。

3结论

1、滨海新区小王庄地热供暖项目在构造位置上位于中朝准地台(Ⅰ级)、华北断拗(Ⅱ级)、黄骅坳陷(Ⅲ级)、板桥凹陷(Ⅳ级)构造单元西南部。

2、项目区欣园里新生界地温梯度3.25～3.5℃/100m，向阳里新生界地温梯度3～3.25℃/100m。

3、评价区馆陶组总地热资源量1.82×1018J，折合标准煤6.22×107t，可利用地热资源量4.56×1017J，折合标准煤1.55×107t。

4、结合水温水量计算，预测欣园里地热井水温60℃，水量70m3/h；向阳里水温63℃，水量80m3/h。

参考文献：

[1]赵苏民，高宝珠，黎雪梅，等．沧东断裂（天津段）特征及导水导热性质分析[J]．地质调查与研究，2007，30（2）：122．

[2]李鹏，刘志龙，邵炳松，等[R]天津市滨海新区欣园里向阳里区块地热资源地球物理勘查成果报告,2021

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