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济宁市南部地热资源分析收稿日期：２０１４０８２６；修订日期：２０１５０４１６；编辑：王敏作者简介：李爱军（１９８２—），女，辽宁丹东人，工程师，主要从事水工环地质工作；Ｅｍａｉｌ：２６９７７８８６＠ｑｑ．ｃｏｍ①山东省地勘局第三水文地质工程地质大队，山东省济宁市城区地热资源调查报告，２００２年李爱军１，张丰１，王鹏２（１．山东省鲁南地质工程勘察院，山东兖州 ２７２１００；２．济宁市采煤塌陷地治理中心，山东济宁 ２７２０００）摘要：济宁市南部地处鲁西南潜隆之济宁凹陷，经地质调查、物探、钻孔验证等分析表明，济宁城区南部地热属层控岩溶裂隙型层状热储中低温地热田，经初步概算，区内奥陶系灰岩热储地热资源总量为３．４２４×１０１７Ｊ，折合标准煤１．１７×１０７ｔ，开发利用前景十分可观。关键词：地热资源；勘查；济宁南部中图分类号：Ｐ３１４ 文献标识码：Ａ引文格式：李爱军，张丰，王鹏．济宁市南部地热资源初勘［Ｊ］．山东国土资源，２０１５，３１（６）：３０３３．ＬＩＡｉｊｕｎ，ＺＨＡＮＧＦｅｎｇ，ＷＡＮＧＰｅｎｇ．ＰｒｅｌｉｍｉｎａｒｙＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆＧｅｏｔｈｅｒｍａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓｉｎＳｏｕｔｈｏｆＪｉｎｉｎｇＣｉｔｙ［Ｊ］．ＳｈａｎｄｏｎｇＬａｎｄａｎｄＲｅ⁃ｓｏｕｒｃｅｓ，２０１５，３１（６）：３０３３． 济宁市是典型的资源型城市，能源结构主体为煤炭资源。随着社会经济快速发展，在煤炭资源日益消耗的同时，煤炭燃烧利用过程中造成的环境污染也日趋严重。因此调整济宁市能源结构，加大可替代能源的寻找和可再生资源的开发利用势在必行。根据以往取得的地质、物探、测温等资料迹象表明，济宁市城区南部一带存在地热异常区，显示出该区地热资源具有良好的开发前景。济宁南部地热资源若能加以开发利用，不仅可以缓解能源紧张状况，而且还可以提高该区的环境质量，改善人类生存环境和投资环境，对于强化城市形象，促进社会的可持续发展都具有十分重要的科学意义和现实意义。１ 区域地质背景１．１ 地层区内地层属华北地层区鲁西地层分区的济宁地层小区。区域地层主要发育有古生界奥陶系、石炭系、二叠系，中生界侏罗系以及新生界第四系①。奥陶纪地层主要为马家沟群，厚约５００～７４２ｍ，岩性以灰岩、泥灰岩、白云质灰岩为主，孙氏店断裂东部埋深浅西部深，济宁断层西侧埋深１１００～１６００ｍ，东侧埋深８００～１１００ｍ。与石炭系呈不整合接触。石炭系主要隐伏分布于济宁凹陷内，包含本溪组及太原组。本溪组厚４３．００～７０．５０ｍ，靠近东部孙氏店断层厚度变小，往南往西逐渐增厚，岩性以杂色、灰绿色粘土岩、铝铁质泥岩及灰岩组成。太原组为一套海陆交互相含煤地层，厚约１５８～１９２．０５ｍ，主要由深灰、灰黑色粉砂岩、泥岩、灰色砂岩、细砂岩与粉砂岩互层、石灰岩及煤层组成。二叠系分布与石炭系基本一致，分为山西组和石盒子群。山西组为一套以陆相为主的含煤地层，厚６１．９０～１０２．４９ｍ，主要由灰色、灰白色中细砂岩、灰黑色泥岩、粉砂岩和煤层组成；石盒子群为一砂岩、泥岩夹铝土岩、页岩及煤线组成的岩石组合，残留厚度２０～２８７．２０ｍ，由南向北逐渐增厚。侏罗系主要隐伏分布于济宁凹陷区的南部和西部，主要为淄博群三台组，残厚２４０．２０～６４１．２０ｍ，从北往南、自东向西逐渐增厚，岩性主要为砖红及紫红色砂岩、粉砂岩间夹砾岩。第四系广泛分布全区，厚度１４９．１０～２４６．３０ｍ，平均１８７．４２ｍ，由东北向西南逐渐增厚，由粘土、砂质粘土、粘土质砂及砂砾层组成，与侏罗系呈不整合接触。·１３·第３１卷第６期 山东国土资源 ２０１５年６月１．２ 构造区内断裂构造发育，主要断裂是东部的孙氏店断裂和西部的嘉祥断裂，分别构成济宁凹陷与东部兖州凸起和西部嘉祥凸起的分界线。另外规模较大的断裂尚有刘堤头断裂、八里营断裂、二十里铺断裂、长沟断裂等。该区断裂对地壳深部和岩浆热源起到了重要的沟通和传导作用，并可能构成地下热源的良好通道，有利于地下水循环和储存。２ 地球物理特征２．１ 地温梯度特征收集区内地质勘探过程中钻孔测温资料４６个（测量深度一般５００～１４００ｍ），利用测温资料分析研究该区地温场平面变化特征和垂向变化特征［１］。地温梯度的平面变化与奥陶纪灰岩埋藏深度关系密切［２］，同时受区内隐伏断裂构造和向背斜的影响，在断裂构造密集的地段，背斜轴部地温梯度较高。在工作区内根据测温所圈定的地热异常区附近，断裂构造相对较密集，地温梯度值一般２．２℃／１００ｍ，而在工作区的其他地区，地温梯度一般均小于２．２℃／１００ｍ。测温资料显示，深层地温最高值出现在济宁城区南部白庄—分场一带：１９３号孔深９２０ｍ，温度３８．３℃；１７６号孔深１０００．７５ｍ，温度４０．６℃。济宁城区东南部八里营—前十里营一带的地温也高于地温背景值，区内１０８号孔，孔深８５０ｍ，地温达３５．６℃；９６号孔深７８０ｍ，温度３５．５℃；９５号孔深７５０ｍ，温度达到３５．７℃。在纵向上地温变化与地质结构、地层岩性有关［３］。据区域地质资料反映，区内热储层上覆的石炭—二叠系厚度及岩性较稳定，地温梯度２．５～３．０℃／１００ｍ，是热储层的良好盖层；上覆侏罗系地层厚度变化较大，受近ＳＮ向断裂控制，以砂岩为主，热导率较高，地热梯度２．１５℃／１００ｍ；据物探及钻孔资料，区内第四系在八里营一带厚约１７０ｍ，向南至南阳湖农场一带增厚至２１５ｍ，向测区西南一带增厚至２３０ｍ，地热梯度１．５℃／１００ｍ。利用区内１０８号孔成井时系统测温资料绘制的测温曲线（图１）分析工作区地温场纵向变化特征：区内变温带深度２０～４０ｍ左右，４０ｍ以下为增温带，出现地温持续升高现象，确定该地区年恒温带深度为４０ｍ。４０ｍ深度平均地温为１６．０℃，２０～４０ｍ深度时的温度在１５～３０℃之间变化。地温曲线在４０ｍ深度以下表现为近斜直线型，温度随深度增加而均匀升高，地温梯度为２．２℃／１００ｍ左右。图１ １０８号孔地温梯度变化曲线２．２ 区域重力场特征区域重力场资料反映，济宁凹陷区重力底，西部嘉祥断裂，东部孙氏店断裂表现为重力梯级带。中部刘堤头断裂是重力场“零”值线区，东侧为较缓的重力场升高梯级带，推断由基底及第四系逐渐变浅引起。２．３ 地层电性场特征根据视电阻率测深结果并结合煤炭钻孔资料分析，奥陶系热储层总的趋势是呈水平产出，微微向ＳＷ倾斜，孙氏店断裂以东埋深２００ｍ左右，断裂以西顶板埋深８００～１４００ｍ。３ 热储概念模型根据上述条件分析，该区属层控岩溶裂隙型层状热储中低温地热田，区内地热资源主要受地壳深部及上地幔传导热流影响，并与孙氏店断裂和嘉祥断裂相关；热储层主要为奥陶纪石灰岩。热储层在控热构造作用下，从地球深部获得源源不断的热能，使热储层中的地下水不断升温，而且在巨厚盖层覆盖下热能不断富集。导水构造沟通了含水层间的联系，形成了地下水垂向运移通道，经长期的对流循环，形成了现今可开发利用的地热资源［４］。其顶部分布有较厚的泥岩、砂岩、页岩隔水层及中生代燕山·２３·第３１卷第６期 山东国土资源 ２０１５年６月时期的岩浆侵入岩，导热性较差，构成保温盖层。在水平方向上，该区以白庄背斜为中心，热储厚度分布较稳定，岩性均一。沉积物形成时期保存下来的沉积水和济宁凹陷区东、西、北侧岩溶水的侧向径流补给是该区热水的主要补给来源。其热储概念模型见图２①。１—第四系；２—侏罗系；３—二叠系；４—石炭系；５—奥陶系；６—寒武系；７—新太古代泰山岩群；８—热储层；９—热储盖层；１０—地热水来源；１１—地热水形成过程；１２—深大断裂导热图２ 济宁市城区热储概念模型示意图４ 地热资源计算与评价依据《地热资源地质勘察规范》（ＧＢ／Ｔ１１６１５２０１０）的规定，采用热储法对热储中储存的热量进行计算。热储中储存的热量包括岩石中储存的热量和热水中储存的热量２部分［５］，计算区为勘查区内奥陶系分布范围，根据奥陶系顶板埋深分为２个计算亚区，分别计算地热资源量，Ⅰ区分布于东部，热储层顶板埋深为９５０～１１００ｍ，面积８．３８ｋｍ２，Ⅱ区分布于西部，热储层顶板埋深为１１００～１２００ｍ，面积１２．４５ｋｍ２。４．１ 岩石中储存的热量计算公式如下：Ｑｒ＝ＡｄρｒＣｒ（１φ）（ｔｒｔｏ）（１）式中：Ｑｒ—岩石中储存的热量（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（无量纲）；ｔｒ—热储温度（℃）；ｔ０—当地年平均气温（℃）；各热储岩石中储存的热量计算结果见表１。表１ 岩石中储存的热量计算结果热储类型计算分区热储层面积Ａ（ｍ２）热储厚度ｄ（ｍ）热储岩石密度ρｒ（ｋｇ／ｍ３）热储岩石比热Ｃｒ（Ｊ／ｋｇ·℃）热储岩石空隙度（φ）热储温度ｔｒ（℃）年平均气温ｔ０（℃）岩石中储存的热量Ｑｒ（Ｊ）奥陶系热储Ⅰ区８．３８×１０６２５０２７００９２００．００９４０．３１６１．２５×１０１７Ⅱ区１２．４５×１０６２５０２７００９２００．００９４３．５１６２．１１×１０１７合计３．３６×１０１７４．２ 水中储存的热量（１）计算公式：ＱＷ＝ＱＬＣｗρｗ（ｔｒｔｏ）（２）ＱＬ＝Ｑ１＋Ｑ２（３）Ｑ１＝Ａφｄ（４）Ｑ２＝ＡＳＨ（５）式中：ＱＷ—水中储存的热量（Ｊ）；ＱＬ—热储中储存的水量（ｍ３）；Ｑ１—热储孔隙中热水的储存量（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）；Ａ—计算区面积（ｍ２）；ｄ—热储厚度（ｍ）；φ—热储岩石的空隙度（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—热储弹性释水系数（无量纲）；Ｈ—计算起始点以上高度（ｍ）；Ｃｗ—水的比热（Ｊ／ｋｇ·℃）。（２）计算结果：经计算，热水静储资源量见表２、表３。４．３ 热储中储存的热量热储中储存的热量为热储岩石中储存的热量和热水中储存的热量之和，计算区范围内奥陶系热储地热资源总量为３．４２４×１０１７Ｊ，相当于１．１７×１０７ｔ标准煤。５ 地热钻孔验证及产能计算根据前期确定的地热探采结合井的位置施工地热勘探孔进行验证。钻探深度为１３０２ｍ，地热井井口水温４３℃，同时对该井进行了３个落程的产能试·３３·第３１卷第６期 地质与矿产 ２０１５年６月①山东省鲁南地质工程勘察院，山东省济宁市城区南部地热资源勘查（预可行性勘查阶段），２０１３年表２ 奥陶系热储层地热水静储水量计算成果计算分区热储层的水平面积Ａ（ｍ２）空隙度（φ）容积储热水量Ｑ１（ｍ３）平均水头高度Ｈ（ｍ）弹性释水系数Ｓ弹性储热水量Ｑ２（ｍ３）热储中储存水量ＱＬ（ｍ３）Ⅰ区８．３８×１０６０．００９１．８９×１０７１０２５５．３×１０４４．５５×１０６２．３４×１０７Ⅱ区１２．４５×１０６０．００９２．８×１０７１１３２５．３×１０４７．４７×１０６３．５５×１０７合计１２．０２×１０６５．８９×１０７表３ 奥陶系热储层地热水静储资源量计算成果计算分区热水密度ρｗ（ｋｇ／ｍ３）热水平均比热Ｃｗ（Ｊ／ｋｇ·℃）热储中储存水量ＱＬ（ｍ３）热储温度ｔｒ（℃）年平均气温ｔ０（℃）地热水中储存热量Ｑｗ（Ｊ）Ⅰ区９９０．０７４１８６．８２．３４×１０７４０．３１６２．３６×１０１５Ⅱ区９８８．６６４１８６．８３．５５×１０７４３．５１６４．０４×１０１５合计６．４×１０１５验及水位恢复试验［４］。依据《地热资源地质勘查规范》（ＧＢ／Ｔ１１６１５２０１０）有关规定，地热井年开采累计可利用的热能量按照公式６计算：∑Ｗｔ＝８６．４ＤＷｔ／Ｋ（６）式中：ΣＷｔ—每年可利用的热能（ＭＪ）；Ｄ—全年开采日数（ｄ）；Ｗｔ—热功率（ｋｗ）；８６．４—单位换算系数；Ｋ—热效比（按燃煤锅炉的热效率０．６计算）。热功率按公式７计算：Ｗｔ＝４．１８６８Ｑ（ｔｔ０）（７）式中：Ｑ—地热水可开采量，单位为升每秒（Ｌ／ｓ）；ｔ—热水温度，单位为摄氏度（℃