湖北咸宁嘉鱼县石泉地热资源勘查可行性研究

作为一种清洁的可再生能源,地热资源在全球范围内受到广泛关注。石泉村位于湖北省嘉鱼县高铁岭镇,地质构造独特,地热资源潜力巨大,已成为地热能开发的重要目标区域。随着碳达峰碳中和目标的提出和绿色能源利用技术的推广,地热资源的科学开发对推动区域经济发展、优化能源结构和保护生态环境具有重要意义。因此,有必要分析石泉村地质背景,明确地热条件及资源分布,提出井位布局与实施建议。研究成果填补区域地热资源勘查的空白,为高效开发和可持续利用提供理论依据。经科学合理开发, 石泉村地热资源有望成为促进地方经济发展的重要动力,同时为全国类似地区提供可借鉴的开发模式。

1 区域地热地质条件

石泉村地处扬子准地台的嘉鱼-赤壁弧形构造带中段。区域地层涵盖寒武-奥陶系至第四系,岩性自表层疏松沉积物向下逐渐过渡为致密碳酸盐岩,构成优质储热与隔水体系。区域构造活动频繁,北东向隐伏断裂和高铁岭断裂控制热流体的迁移与富集,为地热资源的形成提供重要条件。此外,区域的岩溶作用显著,裂隙和溶洞发育,结合隔水性较强的盖层, 共同形成优良的地热储层体系。复杂地质背景为石泉村地热资源的富集与开发奠定基础。石泉村地热资源受区域构造、热储层与盖层条件的综合控制,具备优越的地热地质条件。

1.1 地热储层及盖层特征

石泉村热储层主要为寒武-奥陶系、石炭系及二叠系碳酸盐岩,因岩溶作用形成裂隙、溶沟和溶洞,具备优良的渗透性和储水能力。热储层厚度为 100~300 m,其中奥陶系岩层的岩溶发育程度最高, 是区域内地热资源的主要富集区。热储层的温度为 25~61 ℃,能够满足地热温泉及相关产业开发需求。 地热储层上覆的隔水盖层以志留系泥质粉砂岩、页岩及第四系冲积层为主,志留系地层厚度较大,具有良好的隔水性能,有效阻隔上下热储层的水力联系。第四系沉积物与志留系泥岩共同构成优质的隔水和保温系统,不仅减少热能散失,还为地热储层的热能积累提供有力保障。

1.2 地热场分布规律与资源富集区

石泉村地热资源的分布主要受区域地质构造和热储层特性的共同影响。北东向隐伏断裂和高铁岭断裂控制地热流体运移路径,其周边为主要地热资源富集区。在背斜核部及其两翼,构造应力引发裂隙张开和岩溶作用增强,为地热流体的聚集提供有利条件。同时,该区域地温梯度较高,局部受断裂导热作用影响,形成显著的热流异常带,与地热田的空间分布高度吻合。地质调查和物探成果表明,小蛇屋山地热田和隐伏断裂周边为主要资源富集区,热储埋藏深度为50~250 m,水化学类型为硫酸钙型水,热流体温度为25~61 ℃,资源储量充足,开发潜力巨大。

2 地热资源评估

2.1 热储层储量评估

热储层储量评估通过地温梯度测定和计算,明确石泉村地热资源潜力,为开发提供科学依据。

2.1.1 地温梯度与储量计算方法

根据地质调查和钻孔数据,石泉村地温梯度平均值为3.02 ℃/100 m,局部因断裂导热作用略高于平均值。特别是在隐伏断裂及其周边区域,热流异常显著,表明该区域导热性能较强,是地热流体的重要迁移和富集区。根据《地热资源地质勘查规范》 (GB/T 1 1615—2010),采用体积法估算地热资源储量，采用式（1）进行计算。基于区域地质资料和勘查数据,初步计算显示,石泉村热储层储量约为1.5×1016J,具有良好的开发潜力。

式中:Q为地热储量,J;C为储层岩石和流体的比热容,J/(kg·℃);V为储层体积,m3;ρ为储层岩石和流体的平均密度,kg/m3;?T为储层温升, 即储层温度与环境温度之差,℃。

2.1.2 热流体资源分布及其特性

热流体资源主要分布于小蛇屋山地热田及断裂带周边,热储层深度为50~250 m,富集面积约为67 500 m2,水体分布范围面积达96 000 m 2,构成稳定的地热资源储备区。区域内热流体为硫酸钙型水, 矿化度适中,水质清澈,无明显杂质,热水温度范围为25~61 ℃,流量稳定,经估算,日可开采量约为 2 000 m3,符合地热温泉及相关产业开发要求。小蛇屋山地热水形成机理如图1所示。

2.2 地热资源开发潜力评估

石泉村地热资源开发潜力评估需要从热储层的温度特性、补给来源以及开采条件和技术可行性等角度进行综合分析。

2.2.1 热储层温度与补给来源分析

根据区域地质调查和钻孔测温数据,石泉村热储层温度为25~61 ℃,浅层温度较低,深部温度更高,这与地温梯度和断裂导热作用密切相关。该温度范围适合进行温泉开发、农业种植、养殖加温及工业用水加热等应用,具备较高的市场适应性。石泉村热储层的主要补给来源为大气降水,地表碳酸盐岩的广泛分布及岩溶作用为热储层提供良好的补给条件。同位素分析显示,热水主要来源于当地大气降水,水化学分析表明其补给稳定。隐伏断裂等主要断裂系统为热流体的运移和储层补给提供高效通道,使热流体能够快速循环并吸收地温梯度热能。区域水动力条件优越,热储层循环能力强,补给充足且排泄稳定,为长期开发提供可靠保障。

2.2.2 开采条件与技术可行性

石泉村热储层以寒武-奥陶系碳酸盐岩为主, 岩溶发育程度高,溶洞和裂隙广泛分布,具有良好的储热性能。志留系泥岩作为隔水盖层,厚度大且隔水性强,有效减少热能散失并维持储层压力。钻孔数据估算显示,热流体日可开采量达2 000 m3,单井开采能力强,足以满足商业化开发需求。地热资源分布集中且富集范围明确,为高效开发和集中利用提供有利条件。石泉村热储层埋深为50~250 m,采用中深井钻探技术即可实现高效开采。资源适合直接或梯级利用,技术成熟且经济性强。

3 井位设计与论证

3.1 井位选址原则

井位设计是地热资源开发的关键环节,其科学性直接影响资源开发的效率与效益。在石泉村,井位选址应以地质构造和资源富集区为基础,优先选择靠近隐伏断裂、高铁岭断裂及其周边区域的断裂延伸部位及碳酸盐岩热储层交汇区域,这些区域导水性能良好且资源富集。裂隙发育区和储层渗透性高的地带也是优选位置,以确保资源开发的稳定性和效率。选址还需要兼顾热储层厚度大、温度较高(40~61 ℃) 的区域,同时避开补给不足或排泄强度过大的区域。结合广域电磁法成果,在地热异常带集中分布区域布设井位,以提高开采量和热能利用效率。此外,井位设计需要考虑埋藏深度适中(50~250 m)、靠近基础设施的区域,降低钻井成本,并避开生态敏感区和居民集中区,减少对环境的影响,确保资源开发的可持续性。

3.2 井位分析

3.2.1 物探与化探成果叠加分析

广域电磁法测量表明,隐伏断裂与高铁岭断裂为热流体富集的主要通道,交汇区域储层厚度和导水性增强。热储层的埋藏深度集中在50~250 m,浅部储层相对集中,深部储层局部异常富集,显示出适合井位布置的优良条件。化探工作通过氡气测量圈定地热异常区域,在小蛇屋山地热田和断裂带周边,氡气浓度异常值显著高于背景值,显示出断裂导水作用显著,热流体活动频繁。氡气高值区与物探低阻区的高度重合进一步验证这些区域为地热资源富集区,同时明确断裂构造在热流体运移中的关键作用。综合物探和化探成果的叠加分析,明确石泉村资源富集区域的空间分布,其重点集中在断裂带周边、碳酸盐岩储层厚度较大的小蛇屋山区域及隐伏断裂集中带。这些结果为后续的井位布设提供科学依据。

3.2.2 优选井位布局

结合物探与化探成果的叠加分析,对石泉村井位布局进行优化,以提高热流体开采的效率和经济性。井位优选布局的原则包括3个方面。一是优先选择靠近隐伏断裂的区域,确保良好的补给与热流体迁移条件;二是在氡气异常高值区与物探低阻区交汇部位布置井位,确保资源开发的稳定性和可持续性;三是避开岩层厚度过薄、隔水层破碎及补给不足的地质不良区,以保障开采的安全性和经济性。基于上述原则, 提出井位优化建议。第一,布置井位于小蛇屋山地热田中心区域,该地热田热储层埋藏深度为80~150 m, 地温梯度较高,资源富集程度显著,是地热开发的理想选择。第二,在隐伏断裂东南延伸带布置井位,该区域与碳酸盐岩储层交汇,储热性能优越,适合作为补充开采井。第三,选择高铁岭断裂交汇区布置井位, 该区域热流体补给充足,井位布局有助于提升资源开采率,可作为后备井位使用。该优化布局充分考虑储层特性、资源富集区分布及施工条件,既降低钻井成本,又提高单井开采效率,为地热资源的规模化开发奠定坚实基础。

3.3 井位建议

根据石泉村地热资源勘查的物探、化探和地质调查成果,结合区域地热资源分布特点与开发需求, 科学确定具体钻孔位置并提出实施建议。

3.3.1 具体钻孔位置

小蛇屋山地热田中心井(井位1)位于小蛇屋山地热田的核心区域(东经1 14.605°,北纬29.913°), 该井热储层厚度为80 150 m,埋藏深度适中,储层裂隙和溶洞发育,热储温度为4 061 ℃,且氡气浓度异常显著,表明热流体富集程度高。该井功能定位为开发主井,主要用于开采地热流体,以满足温泉开发及农业综合利用需求。隐伏断裂东南延伸井(井位2) 位于隐伏断裂的东南延伸区域(东经1 14.610°, 北纬29.910°),该井与碳酸盐岩热储层相交,储层渗透性良好,热流体富集程度较高,埋藏深度为 100~180 m,具备优良的储热条件。其功能定位为辅助开发井,用于保障热流体供给的稳定性,并提升整体开采效率。高铁岭断裂交汇区井(井位3)位于多条断裂交汇区域(东经1 14.615°,北纬29.917°), 裂隙系统发育,地温梯度较高,热储资源丰富,埋藏深度为120~250 m。其功能定位是备用井,为后期扩展开发或其他用途提供资源保障,以支持区域地热资源的长期可持续开发。

3.3.2 实施建议

为确保钻井过程的顺利实施,建议采用中深井钻探技术,钻进方式以空气潜孔锤为主,泥浆护壁为辅,以保证井壁稳定性。设备方面,应选用高效空气钻机,配备多级泵送设备和降温装置,以适应地热井钻探的特殊需求。钻探深度应根据热储层的埋藏情况控制在80~250 m,井口直径建议不小于200 mm, 以确保热流体的输送能力。同时,在钻探过程中实时监测地温、流量、矿化度和水质等水文地质参数,动态调整钻孔深度和方向,确保钻探与资源分布高度匹配。为维持热储层的压力并防止干涸,建议在主井开发的基础上配套回灌井,形成闭合的水循环系统,实现资源的可持续开发。同时,建议避开生态敏感区,采用低干扰施工,严格控制泥浆排放,减少对地下水与地表环境的污染,从而实现资源开发与生态保护的双赢。另外, 规划输送管道,减少热损失,部署监控系统实时监测流体温度、压力及流量,保障安全与持续利用。

4 结论

综合分析嘉鱼县高铁岭镇石泉村的地质构造、 热储层特性及地热资源分布规律,可以明确区域地热资源的开发优势和潜力。研究发现,石泉村地热资源富集性显著,主要集中于小蛇屋山地热田及隐伏断裂周边,热储层具备良好的渗透性与储水能力,覆盖层具有优质的隔水和保温性能,为资源的富集和开发提供保障。同时,优选井位布局及具体钻孔位置,为热流体的高效开采提供科学依据。科学钻探技术与资源回灌措施可有效降低环境影响,实现资源可持续开发。研究成果不仅填补区域地热资源勘查的空白,还为推动当地绿色能源开发和经济发展提供重要支撑,为类似区域的地热资源开发提供借鉴。