论文部分内容阅读
[摘要]地热资源的开发利用越来越显现出其独特的魅力和生命力，开发利用好地热资源，对地区经济的发展将起到不可低估的作用。工作区地热资源丰富，但开发利用程度较低，地热地质条件认识不足。本文根据实际工作经历，从野外工作简述、自然地理概况、地热地质条件、本区地热开发利用工作建议等方面对工作区地热地质条件进行了较为全面的分析和论述。
[关键词]包头地热 地热地质条件 地热开发利用
[中图分类号] P314 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-10-37-2
包头市位于内蒙古自治区中部，是内蒙古自治区最大的工业城市，辖9个区、旗、县。滨河新区为包头市正在开发建设的一个新区，其位于 “呼包鄂”金三角腹地，总面积117 km2，现有人口4万。区内大面积的湿地温泉资源、稳定的地质结构、开阔平坦的地貌地形，地理条件十分优越，极具开发潜力。2009-2011年，受内蒙古自治区地质勘查基金管理中心委托，我院在包头市滨河新区开展了地热资源普查和地热孔钻探施工工作，现根据野外工作情况及室内综合研究成果对包头市滨河新区地热地质条件进行初步总结分析，以便于同行之间互相交流学习。
1野外工作简述
该项目野外工作共分两期实施，一期为地面工作，二期为地热孔钻探施工工作。地面工作主要为资料收集、地面地热测绘及地面物探，其目的是圈出工作区内地热有利地段，确定地热施工孔孔位。通过资料收集与地面地热测绘工作，认为工作区内地热条件较好的地段主要为工作区南部新近系凹陷区，据此，地面物探分别进行了大地电磁测深和二维地震工作，确定了工作区西南部为新近系沉积最厚的区域，最终选择工作区西南部新近系地层作为最终地热勘查目的层，拟定了一眼地热孔孔位，孔深初步确定为2600m。在此基础上，选用ZJ30/1700B型石油钻机，采用牙轮钻头正循环方式全面钻进。施工为二开，一开为0-498.08m，孔径Φ444.5mm，下入外径339.7mm的无缝钢管作为表层套管，并用水泥固井。二开为498.08-2604.34m，孔径Φ222.3mm，下入外径Φ177.8mm的无缝钢管。根据钻探编录及测井资料综合分析，将1577.69-2604.34m之间的含水层作为本地热田的主要热储层，在对应含水层位置下入滤水管，其他部位均为实管，采用水泥止水，最终成井深度为2604.34m。地热井经过替浆后便自流，水头高出地表45.08m，自流量1673.74m3/d，水温64℃。自流十余天后进行正式抽水试验，做了三个降深，第一、二次用潜水泵抽水，第三次为井口自然流量进行观测，抽水试验结束前按规范要求进行了水样采取及送检工作，据此，本次野外工作圆满完成。
2自然地理概况
2.1地形与地貌
工作区位于黄河冲积平原上，地面标高一般1000-1020m，最高为1028m，相对高差一般小于5m，地形平坦，由北东向西南微倾斜，植被覆盖率较高，一般均大于80%。岩性主要由第四系全新统冲积细砂、粉土、粉质粘土等（Q4al）组成。
2.2气象与水文
包头地区属干旱半干旱地区，多年平均降水量为306.5mm，多年平均蒸发量为2273.8mm，多年平均气温6.4℃，每年的九月下旬至翌年四月末为霜冻期，无霜期约130～140天，最大冻土深度1.75m，平均风速3.2m/s，以西风为主。工作区属黄河水系，主要地表水体为黄河，局部发育小型沟谷。
2.3地质概况
本次地热孔钻遇地层主要为第四系（Q）和新近系中上新统（N1、N2）地层，其中：第四系上更新统-全新统（Q3-4）：（层深0-90m，层厚90m），主要为冲积、湖积相。岩性为灰褐色、黄褐色细砂、中砂和粉土互层；第四系中更新统（Q2）：（层深90-798m，层厚708m），主要为冲湖积相。岩性为深灰色粉砂、细砂、中砂，夹数层粉质粘土、粘土、芒硝层；第四系下更新统（Q1）：（层深798-1130m，层厚332m），主要为湖积相。岩性为灰绿色、深灰褐色粉细砂，灰黄色、灰绿色粉质粘土、粘土层；新近系上新统（N2）：（层深1130-2310m，层厚1180m），为棕色、棕红色泥岩，灰色、褐灰色砂砾岩、砂岩、粉砂岩等；新近系中新统（N1）：（层深2310-2604.34m，层厚294.34m，未揭穿），为褐灰色、棕褐色泥岩、砂岩等。
3地热地质条件
3.1热储层
根据区域资料，工作区地层主要有太古界片麻岩，侏罗系砂砾岩，白垩系砂岩、泥岩，古近系砂岩、泥岩，新近系砂岩、泥岩及第四系粘性土、粉细砂地层，其中太古界、侏罗系、白垩系、古近系本次钻探均未揭露，仅揭露有第四系、新近系上新统和中新统部分地层。其中新近系中上新统砂岩、泥岩层呈近条带状近东西向分布，顶板埋深在880-1250m左右，厚度1800-2200m之间，分布较稳定，从埋藏深度及厚度分布规律分析，该套地层构成工作区主要地热储层。根据本次钻孔揭露，新近系上新统顶板埋深1130m，底板埋深2310m，厚度1180m，中新統揭露厚度294.34m。根据钻探编录及测井资料综合分析，同时考虑到1500m以上温度较低，且1500m至孔底部分含水层厚度也较厚，最终将1577.69-2604.34m之间的含水层作为本地热田的主要热储层，其岩性以细砂岩、粉砂岩为主，共有51层，单层最大厚度达14.7m，总厚度283.0m。热储层内承压水的承压性较好，水头高出地表45.08m，高出承压水含水层顶板1627.08m。富水性较好，自流量1673.74m3/d，抽水试验降深75.32m时涌水量为2863.21 m3/d。水质较好，矿化度3g/L。另外，热水中富含多种微量元素，氟、偏硅酸和温度达到命名矿水浓度，偏硼酸、碘化物达到有医疗价值和矿水浓度，另外还含有溴化物、偏砷酸、锶、钡和硫化氢等对人体有益的化学成分。 3.2热储盖层
工作区内第四系地层和新近系上新统上部地层为主要的热储盖层。第四系地层岩性以粘土、粉质粘土、粉细砂为主，新近系上新统上部地层岩性以泥岩、粉细砂岩为主，这些地层的导热性能均较差，且粘性土与砂性土呈互层状连续分布，同时其厚度巨大，总厚度约1600m，实测它的平均增温率为1.59℃/100m，起到很好的隔热保温作用，形成稳定的热储盖层。
3.3热流通道
工作区位于包头凸起东部，区域上曾经历过多期次的构造运动，构造断裂相当发育，因此，工作区热流通道除靠地层导热性进行地温传导外，主要靠断裂进行热流传导，断裂构造主要包括大青山断裂、兰阿断裂、鄂尔多斯北缘断裂、乌拉山山前断裂以及本次物探工作探明的F3′、F1′、F4′和F0′断裂等，其中大青山断裂、兰阿断裂、鄂尔多斯北缘断裂、乌拉山山前断裂均为深大断裂，断距千米以上，平行于山前断裂的阶梯式隐伏断裂和近南北向断裂，断距也很大，特别各深大断裂的交汇处，均会给地下热水資源上涌，创造极有利的条件，是热流传导的主要通道。而次一级断裂构造由于对深大断裂的切割，使得热量能通过地热流体沿断裂进行深部循环而带到上部形成地热田。
3.4热源
本区为地热增温型热源。根据本次施工地热孔，2600m孔底温度为70.8℃，另外，根据周边已有地热井资料，3000m孔底温度为99.1℃左右，5560m孔底温度为163.4℃，这些与3℃/100m正常地热增温都基本相符，说明盆地内有较好的热源存在。工作区北部为大青山，断裂构造发育，岩石破碎，渗透性强，大气降雨后，通过孔隙、裂隙和断层，曲折向下渗透补给到第三系含水层（热储层），同时在地热增温率的影响下逐渐增温，到达热储层，最终形成地下热水资源，水源补给条件也较好。
4本区地热开发利用工作建议
（1）通过本次施工地热井资料，认为在包头地区开发利用地热，应以新近系中上新统含水层作为主要热储层，由于本次施工地热井为2604.34m，仅揭露200余米第三系中新统地层，结合周边地热孔资料，推测下部应该还有热储层存在，因此，结合施工的经济性考虑，建议本地区地热井成井深度在2000-3000m为宜，为了取得较高温度，建议止水位置在1200-1500m。
（2）应尽快制定包头地区地热开发利用规划。
（3）由于该地区以前没有深钻孔资料，仅通过地面物探进行了解译，对深部地热地质认识还有一定局限，故今后工作中，有必要再增加部分地面物探工作和工作技术方法。
（4）地热资源不是取之不尽用之不竭的，因此需要我们合理地加以利用，坚持“在保护中开发，在开发中保护”的原则，不断开发更多节能环保新工艺，使地热资源的开发利用达到“有序有偿，供需平衡，结构优化，集约高效，采灌结合，综合利用”的总体要求，实现资源与环境协调，开发与保护并重的地热发展模式，一定可以在开发和利用地热能的同时达到能源的可持续发展。
参考文献
[1]内蒙古自治区第一区域地质调查队，1982年，区域地质调查报告包头市幅、土默特右旗幅（K-49-32、K-49-33）.
[2]内蒙古自治区第一水文地质工程地质勘查院，2001年，包头市地热资源普查（地面部分）报告.
[3]内蒙古自治区第一水文地质工程地质勘查院，2013年，内蒙古自治区包头市滨河新区地热资源普查报告.
[关键词]包头地热 地热地质条件 地热开发利用
[中图分类号] P314 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-10-37-2
包头市位于内蒙古自治区中部，是内蒙古自治区最大的工业城市，辖9个区、旗、县。滨河新区为包头市正在开发建设的一个新区，其位于 “呼包鄂”金三角腹地，总面积117 km2，现有人口4万。区内大面积的湿地温泉资源、稳定的地质结构、开阔平坦的地貌地形，地理条件十分优越，极具开发潜力。2009-2011年，受内蒙古自治区地质勘查基金管理中心委托，我院在包头市滨河新区开展了地热资源普查和地热孔钻探施工工作，现根据野外工作情况及室内综合研究成果对包头市滨河新区地热地质条件进行初步总结分析，以便于同行之间互相交流学习。
1野外工作简述
该项目野外工作共分两期实施，一期为地面工作，二期为地热孔钻探施工工作。地面工作主要为资料收集、地面地热测绘及地面物探，其目的是圈出工作区内地热有利地段，确定地热施工孔孔位。通过资料收集与地面地热测绘工作，认为工作区内地热条件较好的地段主要为工作区南部新近系凹陷区，据此，地面物探分别进行了大地电磁测深和二维地震工作，确定了工作区西南部为新近系沉积最厚的区域，最终选择工作区西南部新近系地层作为最终地热勘查目的层，拟定了一眼地热孔孔位，孔深初步确定为2600m。在此基础上，选用ZJ30/1700B型石油钻机，采用牙轮钻头正循环方式全面钻进。施工为二开，一开为0-498.08m，孔径Φ444.5mm，下入外径339.7mm的无缝钢管作为表层套管，并用水泥固井。二开为498.08-2604.34m，孔径Φ222.3mm，下入外径Φ177.8mm的无缝钢管。根据钻探编录及测井资料综合分析，将1577.69-2604.34m之间的含水层作为本地热田的主要热储层，在对应含水层位置下入滤水管，其他部位均为实管，采用水泥止水，最终成井深度为2604.34m。地热井经过替浆后便自流，水头高出地表45.08m，自流量1673.74m3/d，水温64℃。自流十余天后进行正式抽水试验，做了三个降深，第一、二次用潜水泵抽水，第三次为井口自然流量进行观测，抽水试验结束前按规范要求进行了水样采取及送检工作，据此，本次野外工作圆满完成。
2自然地理概况
2.1地形与地貌
工作区位于黄河冲积平原上，地面标高一般1000-1020m，最高为1028m，相对高差一般小于5m，地形平坦，由北东向西南微倾斜，植被覆盖率较高，一般均大于80%。岩性主要由第四系全新统冲积细砂、粉土、粉质粘土等（Q4al）组成。
2.2气象与水文
包头地区属干旱半干旱地区，多年平均降水量为306.5mm，多年平均蒸发量为2273.8mm，多年平均气温6.4℃，每年的九月下旬至翌年四月末为霜冻期，无霜期约130～140天，最大冻土深度1.75m，平均风速3.2m/s，以西风为主。工作区属黄河水系，主要地表水体为黄河，局部发育小型沟谷。
2.3地质概况
本次地热孔钻遇地层主要为第四系（Q）和新近系中上新统（N1、N2）地层，其中：第四系上更新统-全新统（Q3-4）：（层深0-90m，层厚90m），主要为冲积、湖积相。岩性为灰褐色、黄褐色细砂、中砂和粉土互层；第四系中更新统（Q2）：（层深90-798m，层厚708m），主要为冲湖积相。岩性为深灰色粉砂、细砂、中砂，夹数层粉质粘土、粘土、芒硝层；第四系下更新统（Q1）：（层深798-1130m，层厚332m），主要为湖积相。岩性为灰绿色、深灰褐色粉细砂，灰黄色、灰绿色粉质粘土、粘土层；新近系上新统（N2）：（层深1130-2310m，层厚1180m），为棕色、棕红色泥岩，灰色、褐灰色砂砾岩、砂岩、粉砂岩等；新近系中新统（N1）：（层深2310-2604.34m，层厚294.34m，未揭穿），为褐灰色、棕褐色泥岩、砂岩等。
3地热地质条件
3.1热储层
根据区域资料，工作区地层主要有太古界片麻岩，侏罗系砂砾岩，白垩系砂岩、泥岩，古近系砂岩、泥岩，新近系砂岩、泥岩及第四系粘性土、粉细砂地层，其中太古界、侏罗系、白垩系、古近系本次钻探均未揭露，仅揭露有第四系、新近系上新统和中新统部分地层。其中新近系中上新统砂岩、泥岩层呈近条带状近东西向分布，顶板埋深在880-1250m左右，厚度1800-2200m之间，分布较稳定，从埋藏深度及厚度分布规律分析，该套地层构成工作区主要地热储层。根据本次钻孔揭露，新近系上新统顶板埋深1130m，底板埋深2310m，厚度1180m，中新統揭露厚度294.34m。根据钻探编录及测井资料综合分析，同时考虑到1500m以上温度较低，且1500m至孔底部分含水层厚度也较厚，最终将1577.69-2604.34m之间的含水层作为本地热田的主要热储层，其岩性以细砂岩、粉砂岩为主，共有51层，单层最大厚度达14.7m，总厚度283.0m。热储层内承压水的承压性较好，水头高出地表45.08m，高出承压水含水层顶板1627.08m。富水性较好，自流量1673.74m3/d，抽水试验降深75.32m时涌水量为2863.21 m3/d。水质较好，矿化度3g/L。另外，热水中富含多种微量元素，氟、偏硅酸和温度达到命名矿水浓度，偏硼酸、碘化物达到有医疗价值和矿水浓度，另外还含有溴化物、偏砷酸、锶、钡和硫化氢等对人体有益的化学成分。 3.2热储盖层
工作区内第四系地层和新近系上新统上部地层为主要的热储盖层。第四系地层岩性以粘土、粉质粘土、粉细砂为主，新近系上新统上部地层岩性以泥岩、粉细砂岩为主，这些地层的导热性能均较差，且粘性土与砂性土呈互层状连续分布，同时其厚度巨大，总厚度约1600m，实测它的平均增温率为1.59℃/100m，起到很好的隔热保温作用，形成稳定的热储盖层。
3.3热流通道
工作区位于包头凸起东部，区域上曾经历过多期次的构造运动，构造断裂相当发育，因此，工作区热流通道除靠地层导热性进行地温传导外，主要靠断裂进行热流传导，断裂构造主要包括大青山断裂、兰阿断裂、鄂尔多斯北缘断裂、乌拉山山前断裂以及本次物探工作探明的F3′、F1′、F4′和F0′断裂等，其中大青山断裂、兰阿断裂、鄂尔多斯北缘断裂、乌拉山山前断裂均为深大断裂，断距千米以上，平行于山前断裂的阶梯式隐伏断裂和近南北向断裂，断距也很大，特别各深大断裂的交汇处，均会给地下热水資源上涌，创造极有利的条件，是热流传导的主要通道。而次一级断裂构造由于对深大断裂的切割，使得热量能通过地热流体沿断裂进行深部循环而带到上部形成地热田。
3.4热源
本区为地热增温型热源。根据本次施工地热孔，2600m孔底温度为70.8℃，另外，根据周边已有地热井资料，3000m孔底温度为99.1℃左右，5560m孔底温度为163.4℃，这些与3℃/100m正常地热增温都基本相符，说明盆地内有较好的热源存在。工作区北部为大青山，断裂构造发育，岩石破碎，渗透性强，大气降雨后，通过孔隙、裂隙和断层，曲折向下渗透补给到第三系含水层（热储层），同时在地热增温率的影响下逐渐增温，到达热储层，最终形成地下热水资源，水源补给条件也较好。
4本区地热开发利用工作建议
（1）通过本次施工地热井资料，认为在包头地区开发利用地热，应以新近系中上新统含水层作为主要热储层，由于本次施工地热井为2604.34m，仅揭露200余米第三系中新统地层，结合周边地热孔资料，推测下部应该还有热储层存在，因此，结合施工的经济性考虑，建议本地区地热井成井深度在2000-3000m为宜，为了取得较高温度，建议止水位置在1200-1500m。
（2）应尽快制定包头地区地热开发利用规划。
（3）由于该地区以前没有深钻孔资料，仅通过地面物探进行了解译，对深部地热地质认识还有一定局限，故今后工作中，有必要再增加部分地面物探工作和工作技术方法。
（4）地热资源不是取之不尽用之不竭的，因此需要我们合理地加以利用，坚持“在保护中开发，在开发中保护”的原则，不断开发更多节能环保新工艺，使地热资源的开发利用达到“有序有偿，供需平衡，结构优化，集约高效，采灌结合，综合利用”的总体要求，实现资源与环境协调，开发与保护并重的地热发展模式，一定可以在开发和利用地热能的同时达到能源的可持续发展。
参考文献
[1]内蒙古自治区第一区域地质调查队，1982年，区域地质调查报告包头市幅、土默特右旗幅（K-49-32、K-49-33）.
[2]内蒙古自治区第一水文地质工程地质勘查院，2001年，包头市地热资源普查（地面部分）报告.
[3]内蒙古自治区第一水文地质工程地质勘查院，2013年，内蒙古自治区包头市滨河新区地热资源普查报告.