敦煌盆地地热资源特征及开发利用方向研究

敦煌位于河西走廊最西端,是世界历史名城,亦是丝路重镇,战略地位极其显著。2000年以来,有关单位在敦煌盆地先后施工地热勘探井4眼,获得井口出水温度28.7℃~ 3 8℃,单井涌水量1 000~2 000 m3/d的低温地热资源。

敦煌虽地热资源丰富,但开发利用程度极低,且开发方式粗犷单一,仅敦煌太阳温泉酒店地热井在旅游旺季开采用于洗浴康养。摸清敦煌盆地地热资源家底,有效利用、规范开发是亟须开展的工作。本文通过系统分析地热地质条件,探讨地热资源成因及开发利用方向,以期能为敦煌盆地地热资源的勘查和开发提供参考。

1 区域地质背景

研究位于敦煌盆地内,地层分区属塔里木-南疆地层区,地层主要有太古宇-古元古界敦煌岩群(ArPtD)、侏罗系(J)、新近系(N)、第四系(Q)。太古宇-古元古界敦煌岩群(ArPtD)由变质深、变形强烈的岩石构筑了有层无序的岩群,厚度>2 882 m。侏罗系(J)为碎屑岩夹灰岩和火山碎屑岩沉积,下伏于新近系之下,厚度>1 892 m。新近系疏勒河组(NS)为碎屑岩沉积,厚度287.5~664.7 6 m。第四系(Q) 为松散岩,无胶结,厚度1 50~3 1 5 m。研究区构造单元属塔里木板块-敦煌地块-敦煌地体,主体构造均呈东西向及北东东向。敦煌盆地是中新生代坳陷盆地,基底隆起及沉降带的边界均受断层所限,盆地轴向北东,具压性边缘。

2 地热地质条件

2.1热储特征

根据已有勘探孔揭露,埋深590~98 1 m段的新近系疏勒河组下段热储是敦煌盆地最为理想的热储层,热储岩性为砂砾岩、砾岩等,热储厚度36.00~1 50.00 m。热储顶面温度 34.5℃,底面温度36.7℃,地温梯度2.14℃/1 00m。单层渗透率0.1~1.25 mD,孔隙度5.2%~14.6%。井口出口水温 28.7℃~3 8℃,单井涌水量1 000~2 000 m3/d。该热储层具有孔隙度大,水温较低,水量大的特点。第四系松散岩和下伏新近系疏勒河组上段泥岩、含砾粉砂质泥岩共同构成热储盖层。

2.2热源

通过研究区域成热条件和已有勘探井地温测量数据分析,初步认为研究区热源来自于地球深部热传导、三危山山前深大断裂及盆地基底断裂导热和三危山山前深大断裂及盆地基底断裂经摩擦、变质,释放出巨大的能量所转化的热能。其中,地球深部热传导为主要热源。

2.3地温场特征

依据敦煌盆地勘探孔不同孔段所测地温绘制的地温梯度图(图1)可以看出,0~30 m为上部变温带,温度1 7℃~ 22℃,30~75 m段为恒温带,温度1 7℃,75 m以下为增温带, 地热井揭露段最大地温57.6℃。据太阳温泉酒店地热井测温数据,75~400 m段地温增幅较大,属快速增温段,地温梯度达4.86℃/1 00m,400~800 m段地温增幅变小,属缓慢增温带,地温梯度2.0℃/1 00m,800~1 200 m段地温梯度 1.5℃/1 00m,1 200~1 600 m段地温梯度1.25℃/1 00m, 1 600~1 900 m段地温梯度1.08℃/1 00m,平均地温梯度 2.14℃/1 00m。

2.4地热概念模型

敦煌盆地属沉积盆地型传导型低温地热田(图2),热储为层状孔隙型热储。地热水接受南部山区大气降水补给,流体沿盆地地层间孔隙自南向北运移,受南部山前隐伏压扭性断裂及盆地基底断裂的导热作用及以深循环热水为载体的热源加热, 形成热水储存于热储层中。新近系疏勒河组上段碎屑岩及第四系巨厚的松散岩,特别是巨厚的泥质沉积层是良好的热储盖层,为敦煌盆地地热田的形成提供了良好的条件。

3  地热水水化学特征

3.1常量组分及特征组分特征

根据研究区地热水常量组分、特征组分分析结果可知, 地热水的温度介于28.7℃~3 8℃间,pH平均值为8.05。地热水中阳离子以Na+为主,平均浓度49 1.25 mg/L。阴离子以Cl-、SO4 2-为主,平均浓度分别为592.7 mg/L、549.63 mg/L。利用舒卡列夫分类方法进行分类,地热水水化学类型为Cl·SO4-Na型。地热水中含量较高的特征组分是F、Sr, F介于0.564~2.20 mg/L,平均含量1.1 7 mg/L,Sr介于1.09 1~1 3.50 mg/L,平均5.32 mg/L。

3.2同位素特征

本次研究工作利用3H和 14C测年法来测定地下水的年龄,氚含量地下水年龄测量法判断标准见表1

根据3H、14C样品检测结果可知(表2),地热水 3H含量均<1.0TU,表明地热水年龄基本在1 952年以前。1 4C检测结果现代碳含量在百分数介于6.1 0±0.88~40.58±1.70%之间,1 4C表观年龄介于7.46±0.35~23.24±1.20(ka)之间,表明研究区地热水形成年龄超过7 000 a,证实敦煌盆地地热水是形成时间较早,属“古水”。

4开发利用方向

水温、水量是地热供暖的重要参数。水温越高,热品位越高,经济性越好;水量越大,热能越多,经济性越好。敦煌盆地地热水具有温度较低、水量大的特点。参照北京市延庆区、陕西眉县等地的成功案例,可采用大温差热泵机组+燃气锅炉调峰补热的多能互补形式进行供暖。地热水中氯离子含量偏高,Larson指数1.1 8~8.37, 具轻-中腐蚀性,不能直接进入供热系统,需利用水源热泵技术进行换热。

依据规范[《地热资源地质勘查规范》:GB/T 1 1 6 1 5- 20 1 0],地热水可命名为氟水、锶水,地热水经除砂、脱盐、曝气等工序后输送至保温热水箱,经热水循环泵送至用户作为理疗热矿水直接使用和生活热水使用。

地热水中锶含量(平均5.3 1 mg/L)达到规范《食品安全国家标准饮用天然矿泉水》:GB8537-20 中理化指标, 可命名为锶型饮用天然矿泉水,但因水中钡、砷及氟化物超出限值,故不能直接利用。可采用地热水电渗析技术、反渗透技术、地热GQ-JS系列直饮水设备等深度净化后直接供给用户或灌装水作为饮用天然矿泉水使用。

5结语

(1)敦煌盆地地热资源属沉积盆地传导型低温地热资源,新近系疏勒河组下段砂砾岩、砾岩为热储层,第四系松散岩和新近系疏勒河组上段泥岩、含砾粉砂质泥岩为热储盖层。地热水主要受大气降水补给,流体沿盆地地层间孔隙自南向北运移。热源主要来自于地球深部热传导。

(2)地热水水化学类型为Cl·SO4-Na型,水温介于 28.7℃~3 8℃间,pH平均值为8.05,水中氟、锶平均含量分别为1.1 7 mg/L、5.32 mg/L,可命名为氟水、锶水。同位素3H含量均<1.0 TU,1 4C现代碳含量在百分数介于6.1 0±0.88 ~40.58±1.70%之间,1 4C表观年龄介于7.46±0.35~ 23.24±1.20(ka)之间,证实敦煌盆地地热水是形成时间较早的“古水”。

(3)敦煌盆地地热水具有温度较低、水量大的特点,可采用大温差热泵机组+燃气锅炉调峰补热的多能互补形式进行供暖。地热水属氟水、锶水、饮用天然矿泉水,经处理后可作为理疗热矿水、生活热水、饮用天然矿泉水。