沧州肃宁县地热开发利用及其环境保护问题

前言地热作为一种新能源，具有投资少、见效快的特点，尤其在冬季供暖方面有着锅炉无法拟的优越性，地热又属于洁净能源，不污染环境，能改善人们的生活质量，开发利用地热能有着良好的社会效益和经济效益。

肃宁县是河北省皮毛加工地，是朔黄、京九铁路的交汇处，随着朔黄、京九铁路的相继开通，区位优势越来越明显。

当地经济的不断发展，特别是当地皮毛企业及朔黄铁路公司等相继建设与发展，将对当地经济进一步发展产生更大的活力。

同时，对于能源的需求量将不断增加，随着社会经济发展逐步加快，对地热资源的需求更加迫切。

本区地处冀中拗陷区，地热地质条件良好，地热资源丰富，然而肃宁地热田的地热开发尚处在起步阶段，地热开发利用层次较低，管理粗放，影响了肃宁县县城地热资源的科学、经济、合理、有序的开发与保护。

为避免盲目开采造成的失误和浪费，为科学合理开发肃宁县城区地热资源提供科学依据，本研究小组在河北省地勘局第四水文工程地质大队与肃宁县华硕地热开发有限公司有关人员的帮助下，开展了对肃宁县城区地热资源研究工作。

（一）所做的工作：1．收集了肃宁地区地热资源方面资料，取得河北省地勘局水文四队及当地有关单位的支持，并提供技术指导。

2．到肃宁地区进行实地勘察，对肃宁地区地质构造和地热层进行了解，到现有地热井处提取水样进行化验，并作不同用途的水质评价，为地热资源评价，合理开发肃宁县县城地热资源提供科学依据。

3．了解了肃宁地区经济发展情况，通过对已有地热开发井进行调查研究获得地热发展与利用的相关资料与问题。

4．搜集到各地区地热开发与利用的经验，并结合肃宁地区实地情况提出地热利用可行性方案。

5．在指导老师的帮助下对资料进行了整理，对现存地热开发对环境所产生的问题进行统计，并提出地热资源可持续利用方案为此，我们课题组全面收集了该区的物探、石油探井、水文地质、地热等相关资料，进行了实地勘查，，在综合研究基础上编写了肃宁县地热资源开发与可持续利用报告。

在项目研究过程中得到了河北省地勘局第四水文工程地质大队与肃宁县华硕地热开发有限公司有关人员的大力支持和帮助，并得到了指导老师的大力帮助和精心指导，在此一并表示衷心的感谢。

（二）以往地热资源研究程度本区以往地热资源研究程度相对较低，与本区有关的研究成果主要有：1978-1982年，河北省地质局水文地质远景区划组完成了《河北省地下热水开采利用水文地质远景区划报告》，该报告较细致地论述了区域地质、深部构造、平原区基岩地质、水文地质条件和地热地质，圈定了平原区地热异常区范围。

1988年，科学出版社出版了由陈墨香等人编写的《华北地热》一书，该书对包括本区在内的区域地温场形成机制进行了分析，对地下热水形成、性质、开发利用进行了探索，圈画了浅部可开发的地热区，并将深部地热作为开发利用远景区。

1988-1989年，沧州地区新能源办公室提交了《沧州地区地热资源调查研究及开发利用对策报告》，该报告给出了全区的地热水资源量，并对全区地热水利用情况进行了调查，收集石油勘探井资料265眼。

2001年，河北省地勘局第三水文工程地质大队提交了《河北省地热资源开发利用规划研究报告》，该报告对包括该区在内的全省地热地质条件进行了论述，计算了各热储地热资源/储量，并有针对性地制定了勘查和开发利用规划。

2002年，沧州市国土资源局提交了《沧州市地热资源“十五”计划及2015年规划研究报告》，该报告论述了全市的地热地质条件，估算了全市各热储地热资源，并进行了勘查和开发利用规划。

2003年，华北石油管理局水电厂水文地质勘察工程大队提交了《河北省肃宁县肃热1井地热地质勘查报告》，计算了地热可采资源，确定了合理井距和地热井保护范围。

详见表1。

表1 沧州市区域地热地质条件研究程度一览表二、区域概况（一）区域地理概况肃宁县位于河北省沧州市西部，地形为冲积平原，地势自西向东北倾斜，海拔10－16m，气候属暖温带大陆性季风气候，年平均气温12℃，年平均降水量560mm。

境内有小白河、古洋河、于家河等排水河道。

沧州－定州公路横穿本县，朔黄、京九铁路从县城通过，交通便利（图1）。

工作区位于肃宁县城区，地理坐标为东经115°48′00″至115°51′00″，北纬38°24′30″至38°26′30″，面积13.6km2。

图1（二）区域地热资源开发利用现状肃宁县地热资源开发起步较晚，2004年才打了第一眼地热开采井，但发展速度较快，主要用于供暖、供热水、洗浴、游泳娱乐、皮毛加工及温室种植养殖等，下面介绍两个地热开发利用实例：1、肃宁县一中地热开采井肃宁一中地热开采井为馆陶组地热井，井深2250m，井口水温81℃，涌水量2760 m3/d，矿化度1200 mg/l。

该地热井供暖面积140000m2，其中暖气挂片供暖面积75000m2，待供暖回水温度降至50℃左右进行二级利用，供地板辐射采暖和温泉洗浴，地板辐射采暖面积65000m2，并供5000多师生温泉洗浴和部分教职工家居供热水。

采暖后的大部分地热尾水直接排放。

2、肃宁县华硕地热开采井肃宁县华硕地热1井为馆陶组地热井，井深2274.4m，井口水温82℃，涌水量2640 m3/d，矿化度1525 mg/l。

该地热井供暖面积100000m2；带动了九州、泉香等13家洗浴理疗中心；给两家洗毛厂供热水，地热水洗毛，色泽鲜艳，手感好，质量高；并建了多个共计1万多平方米温室大棚，种植蔬菜、花卉及药材。

采暖后的大部分地热尾水直接排放于下水道。

三、地热地质条件（一）构造特征肃宁县城区在构造上位于冀中坳陷饶阳凹陷蠡县斜坡底部肃宁洼槽内，饶阳凹陷是一个东断西坡发育完整的大型单断凹陷，蠡县斜坡位于凹陷西缘，基底是高阳大背斜的东翼，其内幕构造为东倾单斜，由元古界、下古生界和中生界组成。

沿潜山面地层出露上老下新，背斜轴部是蓟县系雾迷山组，顺东坡而下，是寒武系、奥陶系，到坡脚有巨厚的中生界。

潜山顶面新生代地层各组层段沉积具全，没有典型的层层超复关系。

单物源方向，来自西部太行山区，地层西薄东厚，碎屑颗粒西粗东细，砂岩比例西大东小。

断裂具有两期性，早期断层一般都没有穿过沙三段地层，晚期断裂发育于渐新世以后，向下一般穿过沙一段，向上穿过馆陶组地层，活动规模小，断距垂直落差一般在50－200m，同生断层很少，断裂继承性差。

肃宁城区基底为寒武系，西高东低，埋深4800m左右，处在斜坡底部如（图2）。

（二）地层特征本区发育有第四系、上第三系和下第三系，因本区主要热储层为上第三系明化镇组、馆陶组热储层，所以下面由浅至深分层详述上第三系地层特征。

1、第四系（Q）底界深度303.0m－401.0m，为黄灰色、灰黄色粘土夹灰白色砂层。

与下伏上第三系明化镇组呈不整合接触。

2、上第三系明化镇组上段（N m上）底界深度934.5m－1225.0m，为灰黄色、浅棕红色中、粗砂岩互层，泥质纯、性软，吸水膨胀，造浆性强，砂岩颗粒较粗，成岩性差，胶结物少，呈散砂状。

3、上第三系明化镇组下段（N m下）底界深度1724.0m－1965.0m。

岩性主要为棕红色、暗棕红色、紫红色泥岩与浅灰色粗砂岩、含砾砂岩呈不等厚互层，泥岩质纯、性软，砂岩分选较差，泥质胶结，疏松，岩屑呈散砂状。

与馆陶组呈整合接触。

4、上第三系馆陶组（N g）底界深度2300－2350m，为紫红色泥岩夹浅灰色、灰白色粗砂岩、含砾砂岩、砂砾岩，底部为杂色砾岩。

泥岩质不纯，性软，成岩性差；砂岩、含砾砂岩、砂砾岩，粒度自上而下逐渐变粗，分选性较差，泥质胶结，疏松；砾岩成份以石英，燧石为主，砾岩坚硬，颜色混杂，分选差，泥质胶结，疏松。

（三）地温场特征肃宁地热田属沉积盆地传导型地热田，其热源来自地壳深处，区域大地热流是本区的恒定热源。

在地壳深部，热流平均分布，当进入地壳上部后，在基岩凸起与凹陷构造格局的制约下，热流重新分配布局，在正向构造与负向构造的交接转换部位，热流方向发生偏转，不再保持完全的垂直向上，有从凹陷部位向凸起部位相对加大而在凹陷部位相对减弱的趋势。

依据相关资料（见表2），本区地温梯度一般＞3.0℃/100m，西部地温较高，而东部较低，这与基岩埋深由西向东加深呈负相关。

表2 肃宁地区油井试油测温资料（四）热储层特征本区热储层自上而下可分为上第三系热储层、下第三系热储层及基岩热储层。

上第三系热储层包括明化镇组和馆陶组两套热储层，是本区最具开发价值的热储层。

本区明化镇组热储层以上部第四系地层为盖层，属孔隙热储层，地层底界深度1724.0m－1965.0m，分为上、下两段，其砂层发育，岩性为灰白色、浅灰色中、粗砂岩、含砾砂岩。

1050m-1350m层段砂岩厚度达94－153m（表3），孔隙度30％，根据区域资料，单井出水量1200m3 /d，水温可达45℃以上，矿化度在1000mg/l左右。

馆陶组热储层在冀中坳陷内普遍发育，岩性稳定，旋回性强，是本区一个最重要的热储层，也是热流体的富集层，其具有埋藏适中、水温较高、出水量大的特点。

该热储层以上部第四系和明化镇组地层为盖层，属孔隙型热储层，岩性为浅灰色、灰白色粗砂岩、含砾砂岩、砂砾岩、砾岩。

储水砂层具有层数多，但单层厚度薄的特点，单层厚度4－15m，一般6－9m，底部砂层总厚81－101m不等，声波孔隙度一般25－27％，底砾岩声波孔隙度偏低，一般20％左右。

本区馆陶组底界埋深2300-2350m，根据区域资料，单井出水量1200m3 /d，水温大于80℃，矿化度小于2000mg/l。

表3 肃宁地区油井砂层厚度表基岩热储层埋藏深，达4800m左右，构造复杂，勘探程度低，进行地热开发投资高、风险大，目前经济技术条件下不适合进行地热勘探。

而下第三系热储层为东营组、沙河街组含水砂层，由于受沉积压实和断层发育影响，造成断块分割、储层薄、物性差、产水量小、水矿化度高，利用价值不高。

四、地热资源概算根据本区地热地质条件，对其地热资源进行概算。

（一）热储层单位面积可采热储存量计算计算公式：Q r=KmC r (t r－t o)式中：Q r－热储层单位面积可采热储存量（KJ/m2）K－热储层地热采收率，按规范规定，大型沉积盆地的新生代砂岩，当孔隙度大于20％时，地热采收率定为0.25m－利用热储层厚度（m），本区明化镇利用热储层厚度取100m（热水井取水砂厚度）；馆陶组利用热储层厚度取90m（馆陶组底部砂岩平均厚度）t r－热储层地热平均温度（℃），明化镇组热储层取45℃，馆陶组热储层取80℃。

t o－地层常温带温度（℃），本区取15℃。

C r＝热储层平均热容量（KJ/m3·℃），按下式计算C r＝ρc·C c·（1－Φ）＋ρw·C w·Φρc－岩石的密度（）ρw－水的密度（kg/m3）C c－岩石的比热（KJ/kg·℃）C w－水的比热（KJ/kg·℃）Φ－热储层岩石的孔隙度岩石的比热（C c）取0.879 KJ/kg·℃，密度（ρc）取2.6×103 kg/m3水的比热（C w）取4.1868 KJ/kg·℃，密度（ρw）明化镇组热水取0.99023×103 kg/m3，馆陶组热水取0.97766×103 kg/m3。