基于三维地质建模的宁夏银川平原地热资源储量评价

发布时间：2015-01-01 10:40

 

【摘要】 银川平原蕴含着巨大的地热资源储量，本文在银川平原地热形成有利条件、地热资源特征的研究基础上，通过建立三维地质模型，参考已有的地热井对银川平原地热资源进行了评价。通过大量资料整理，并利用新的物探解译资料，在充分分析银川平原地貌、地质构造、深部热流等特征的基础上，总结出地热形成的有利条件，即山坡汇水经深循环为地下热水提供来源，巨厚的新生界地层、特有的岩性特征造就了有利的储盖条件，深大活动断裂提供了深部热流上移的通道，隆起区聚集热流体并形成高地温异常区，上隆的上地幔软流层和莫霍面、高热流值的地幔流造就良好的深部热源条件。之后通过地温场分布区情况分析，进一步说明地温在深度3000m内可达80℃，浅层地温梯度足够大，银川平原具有巨大的中低温地热资源潜能。对地热资源进行评价的前提是对研究区地质结构有清晰的认识。三维地质模型能够直观地表现地形地貌、地质构造、地层岩性等的空间分布形态，为热储存在区划分、热储埋藏深度确定、热储层段划分、热储厚度取值、热储温度计算等提供依据。以钻探孔数据，及地震和物探资料解译出的地质构造剖面为基础，在GOCAD软件中建立研究区三维地质模型。从经济和技术可行性出发，确定浅层地温梯度在2.5℃/100m以上，热储温度达到25℃，深度在4000m以内且在渐新统底板以上为热储资源评价范围，共有热储面积为1990.473106m2。利用与研究区地质特征相符地热资源评价方法，依照构造特征分5个区进行地热资源储量评价，最终算出银川平原研究区地热资源总量为4518.7731014kJ，地热资源可开采总量为1129.6931014kJ，地热流体储存总量为12742.773108m3，地热流体可开采总量为637.143108m3。通过地热资源开发利用经济和环境影响的评价，可知研究区地热资源整体上属于经济型；地热资源可开采量折合成标准煤为38.613108吨，可节省环境治理费用10737.63亿元；热储层埋深较大，开采地热流体引发地面沉降的可能性不大。本次研究所得三维地质模型和地热资源储量评价结果，对银川平原进行地热资源开发利用，实现能源和经济的可持续发展具有重要的指导意义。 

第1 章 绪论

 

1.1 选题目的和意义

社会经济的快速和稳步增长需要足够的能源作支撑，但现如今中国能源不足问题正逐渐显现，必将影响今后经济的良好发展。地热资源是一种新型的可再生能源（Kepinska B，2003；Zhao L，2004；Kaygusuz K and Kaygusuz A，2004），与煤、石油、天然气等传统的化石能源相比，地热能具有清洁、环保、就地取用等优势（Baradács E, et al. ，2001；Eliasson E T and Bjornsson O B，2003；Bujakowski W and Barbacki A，2004；Jankovic Z，1998；陈墨香等，1996）。从世界来看，地热能已经能比较成熟并广泛的应用于发电、供暖、洗浴、和医疗保健等与居民生活密切相关的领域。我国已初步形成以供暖、洗浴、种植等直接利用方式为主，并积极发展高温发电的地热资源开发利用格局（王贵玲等，2000），另外，近几年利用地源热泵开发浅层地温能进行供暖和制冷在我国各地区发展迅速（詹麒等，2010）。对地热资源的研究及开发利用，有利于缓解能源短缺、保护环境和提高经济效益（仇晓燕等，2005；李志茂等，2007）。

银川平原作为一个工业、农业发展迅速的经济发展区，在西部大开发中占有重要地位。同所有经济发展迅速的地区一样，银川平原也面临着能源短缺的问题。虽然银川平原有着丰富的煤、石油、天然气等传统化石能源，但是若仅仅用这些传统化石能源作为工农业发展的能源支柱，会给该地区带来严重的污染问题。因此，发掘清洁新能源，并将其尽快合理的应用到实际，成为银川平原经济可持续发展的重大研究问题。

银川平原因其有利的地质构造背景和地温条件而蕴含着丰富的地热资源，储量大，水质条件好，分布广泛，具有很高的开发价值。根据“宁夏地热远景调查及银川平原地热资源评价设计书”，银川平原地热将被着重应用与城市、农业和旅游等方面，具体的利用形式包括供暖、洗浴、水产养殖、疗养和娱乐等。为实现地热资源开发利用的合理规划，宁夏国土资源厅、中国地质科学院及宁夏地质工程勘察院都对宁夏平原进行了积极的现场踏勘和资料搜集，另外利用钻探和物探等手段对这一地区的地层结构、地温分布、地热水质条件等进行了详细的探查，为地热资源的储量计算和开发利用规划提供了有力的资料基础。

 

1.2 研究现状

1.2.1 地热研究和利用现状

目前国内对地热的科研研究主要围绕存在条件、资源量评价、开采技术。在存在条件方面，有学者论述了地热大范围存在的条件（毕玉荣，2011）；还有学者通过对地热形成机理的探索，总结出“储、盖、通、源、滞”为地热形成的充要条件（程秀明，2013）；对于中国而言陈墨香对地热形成特点做了详细的介绍（陈墨香等，1994）。在资源量评价方面，主要是针对某一特定地区进行热储量的评价（刘向阳，2007；刘志明，2011），具体方法根据各地区特点和开采方式而不同。在开采技术方面，早在上世纪七十年代就有学者提出地热和石油、天然气等开采一样，都是对深层能源的获取，必须要有先进的钻井技术支撑，目前中石油长城钻探工程公司的高端钻井技术在全国范围内比较有名。国外对地热的研究主要集中于地热能的开发利用优点和现状（Enrico Barbier,2002；Ruggero Bertani,2005），以及地热利用较为成功国家的开发技术论述（Nationl Energy Authority，2006）。

早在 10000 年前，温泉就被应用于来做饭、洗澡和供暖等日常生活中了（John W.Lund, 2002）。1990 年以后，世界地热研究和开发取得了比价大的进展（张季生等，2001）。地热资源因其节能环保、高效利用、廉价、量稳等优势（刘桂英等，2010）在全球范围内得到了广泛的重视。目前全球正在开发利用地热资源的国家有120 多个，包括冰岛、意大利、中国、日本、美国（郑秀华，笔耕文化推荐期刊，2001）等。地热利用的方式主要为地热发电和直接利用。全球各国开始重视地热发电是在意大利建成了世界上首座地热发电站之后，经过不懈努力已实现了高发电产量的理想，我国比较成功的是西藏羊八井地热发电站（周大吉，2003）。直接利用主要指利用中低温地热进行供暖、洗浴、旅游等，中低温地热资源在我国范围内储量巨大，各地对于地热的直接利用有了很大成果，并积累了很多宝贵的经验（刘时彬，2002；关梓，2010）。

 

第2 章 地热形成区域地质背景

 

银川平原位于断陷盆地中间，主要的构造演化发生在新生代，是鄂尔多斯活动断裂系的一部分。在地质历史时期，由于地层经历了多次拉张和闭合运动，盆地内伴生性岩浆活动发生次数较多。盆地内新生界沉积物的厚达可达7000 多米，主要是由于青藏高原在新生代发生抬升，盆地地层随之发生幅度巨大的拉张断陷作用。银川地热属中低温地热资源，储量巨大，这与区内独特的地质构造特点和深部频繁的水热活动密切相关。以下较为简要介绍银川平原自然地理概况，从地层、构造、深部热流等方面较为详细的阐述银川平原地热形成原因。

 

2.1 自然地理及地貌概况

银川平原整体上在宁夏回族自治区北部，与华北平原区相邻，南北长165km，东西宽 42－60km。从地理位置上银川平原是西北的前沿阵地，在西部大开发策略中具有重要的战略地位。本文划分的研究区范围如图2-1所示，大致上为南起青铜峡，北至石嘴山，西傍贺兰山，东到黄河边界。

银川平原是受东部黄河冲积和西部贺兰山洪积而成的一个盆地式平原，平原内海拔在 1090 到 1400 米之间，地形较平，是宁夏回族自治区地势最低处。以黄河为界，西部地形向东倾斜，坡降较大，南部海拔高于北部，坡降较小；东部地形向西倾斜，坡降小。

根据地貌的成因、形态将银川平原划分为冲洪积台地、山前洪积斜平原、冲洪积平原、冲湖积平原和风积地形，分布情况如图 2-1 所示，各自的具体特征如表2-1所示。

 

 

 

 

2.2 地层结构

银川平原拥有厚度很大的第四系盖层和巨厚的第三系基底。根据平原内已有的钻孔资料，第四系厚度可达 1605m；新近系厚度大于 2535m；古近系厚度大于1094m，未揭露到底。主要地层厚度和岩性情况可从各已有地热井（Y1、Y2、NSR-1井）和石油参数井（银参1、2、3）的柱状岩层资料（表2-2）、遥感解译探测剖面图（图2-2）得知，其中在研究区位置见图2-3。

从6个钻探井的地层资料可知，银川平原第三系以泥岩和砂岩互层为特征。其中，根据 3个地热井更加详细的地层厚度统计资料，可分析出根据地质年代不同，第三系有三个热储层，每个热储层上都有良好的盖层条件，各井热储层和盖层厚度如表2-3 所示。盖层岩性以泥岩层为主，砂泥比小于0.5，为相对隔水层或保温层；热储层岩性以砂岩层为主，砂泥比大于 0.5，为相对含水层或热储层。

 

 

 

 

 

第 3 章 地温场分析........... 17

3.1 地温分布特征 ....... 17

3.2 地温梯度 ......... 18

3.3 地热地温要求 ............. 19

第 4 章 三维地质建模 ......... 20

4.1 建模目的 ......... 20

4.2 建模方法 ............ 21

第 5 章 地热资源储量评价........ 33

5.1 评价内容和范围.............. 33

5.2 评价区域划分及计算分区............ 33

 

第5 章 地热资源储量评价

 

5.1 评价内容和范围

本次评价是针对主要储存量的计算，内容包括地热资源量、地热资源可开采量、地热流体储存量、地热流体可开采量四个方面的计算。

评价范围主要根据开采技术可行性、经济合理性，及开发利用价值最优性进行划定。虽然成井深度达到 3000m 以上时有经济风险，但地热井在北方一般孔深多在 3000-4000m 之间，先进的钻机可钻孔深达 4500m 左右（李国栋，2008）,并且根据银川平原热储条件来看，热储深度可达4000m 以上，因此本次计算最大深度为4000m，底界地层计算到渐新统。

为使热水温度有较高的利用价值，且评价范围内一定内的热水能够得到有效利用，本次评价在温度上要求浅层地温梯度在2.5℃/100m以上，热储温度在25℃以上。

 

5.2 评价区域划分及计算分区

地热评价区域的划分首先要达到规定的温度要求。利用三维地质模型可得到新生界地层厚度等值线（图5-1）。将上图与浅层地温梯度等值线图（图3-2）结合，可圈定出在研究区内4000m 深度以上，浅层地温梯度 2.5℃/100m 以上，地层温度可达到 25℃以上，且范围和厚度都较大的热储评价区（图 5-2），其中为保证温度可达到25℃以上，新生界地层厚度总和保守估计至少在1000m 以上。

由于所划分出的评价区域较大，但能用于参数确定的钻孔较少，并且由于断裂构造的存在，地层厚度在断裂界限两侧变化较大，本次评价按照断裂分布情况进行计算区分区，如图5-2 所示。

 

 

 

第6 章 总结

本次研究在搜集前人资料和本次调查所得资料的基础上，通过对银川平原研究区的区域地质、构造、深部热流资料等进行系统分析，总结了地热形成的有利条件；通过对温度场及热储埋藏条件的分析，确定了热储类型；根据地热井、石油参数井、地震和物探资料解译所得地质结构剖面建立了三维地质模型；结合三维地质模型、地热井参数、地温场分布等情况对地热资源储量进行了详细计算，并对开发利用的经济和环境影响做了简要分析。研究结论如下：

1、银川平原阶梯状地层构造有利于地下水向盆地中心汇集，贺兰山山坡汇水经山前断裂深循环补给地下水；平原区内新生界地层分布广且发育厚度大，提供了有利的储盖条件，使得该区地热水储量巨大；数量较多、规模较大、深度较深的活动断裂，为深部热流的上涌提供重要通道；局部隆起形成高地温异常区；软流层和莫霍面明显上隆, 深部热流向上汇集, 为该区提供了良好的深部热源条件；具有高热流值的地幔流为地表热流提供来源。上述情况为研究区地热形成提供了有利条件。

2、根据已有地热井资料，研究区深层地温梯度在 2℃/100m 左右，热储温度在25-90℃之间，为中低温地热资源；热储类型为沉积盆地型，包括第四系砂质孔隙型热储和第三系砂岩裂隙型热储。

3、建立的三维地质模型反映出研究区主要的地质构造特征，第三系和第四系地层都发育良好，从盆地边缘向盆地中心增厚；南北向和东西向都出现大型地堑构造，地堑内第四系和第三系地层厚度很大。

4、通过对浅层地温梯度 2.5℃/100m 以上，地下深度 4000m 以内、渐新统地层底板以上、热储温度大于 25℃的地热资源进行圈定，全区热储面积为 1990.473106m2，热储厚度平均约1550m；根据构造特征可分为5个计算分区，最终算出银川平原研究区地热资源总量为 4518.7731014kJ，地热资源可开采总量为1129.6931014kJ，地热流体储存总量为 12742.773108m3，地热流体可开采总量为 637.143108m3；根据不同年代热储层厚度情况可知，研究区主要的热储层位于第三系地层。

5、地热资源开发利用经济与环境影响评价结果优良；热储埋深主要在500-3400m 之间，整体上属于经济型；地热资源可开采量折合成标准煤为38.613108吨，若加以利用可明显减少污染排放量，节省治理费用 10737.63 亿元；研究区热储层顶板埋深在 500-700m 之间，开采地热流体引发地面沉降的可能性不大。 

综上，银川平原地热资源潜力巨大，可被用于农业、工业、医疗、旅游等多个方面。地热资源经过合理规划，可为银川平原地区的能源提供强大支撑，有利于整个地区环境、经济和社会的可持续发展。

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本文编号：10974