洛阳市张庄地热井地热资源开发利用与保护

1自然地理

洛阳市是闻名中外的九朝古都,市区人口有142.2万人,面积544.00km2,其中平原面积363.40km2,山地面积23.70km2,丘陵面积156.90km2。

张庄地热井位于河南省洛阳市西南高新技术开发区,地理坐标东经112°21′40″～112°25′00″,北纬34°35′38″～34°37′21″,面积11.2km2。地理位置优越,交通方便。

洛阳盆地属暖温带大陆性季风气候区,具有春季温暖、夏季炎热、秋季凉爽、冬季寒冷四季分明的特点。多年平均降水量601mm,年最大降水量(1964年)1047.8mm,年最小降水量(1965年)355.3mm,降水多集中在6～8月份,占全年降水量的51%左右。多年平均气温14.9℃,年日照时间2227.2h,太阳年辐射总量113～125KC/cm2。

水系属黄河水系,主要河流为洛河,注入黄河,全长410.1km。河道宽500～800m,多年平均流量66.8m3/s,洛阳桥1958年洪峰流量9800m3/s,枯水季节不断流。

2地热水化学特征

张庄地热水化学类型为SO4·Cl-Na型,溶解性总固体9.61g/l,总硬度714.57mg/l,PH值7.1。

3地热井资源储量

张庄地热井深度1500m,井口水温60.2℃,初始压力水头高度+28.10m,自流量9.0m3/h,抽水试验水位降深83.0m时的涌水量464m3/d,单位涌水量5.59m3/d·m。

张庄地热井地处张庄地热异常区,是该地热异常区内唯一地热井。地热异常区面积11.2km2,热储层为新近系、古近系砂岩、粘土岩,热储平均厚度430m,热储温度58.46～72.17℃,平均温度66.5℃。地热异常区地热资源储量为108.44MW(3.42×1017J),地热水资源储量为34.46MW(1.15×1017J)。地热流体可采资源储量计算,采用“最大允许降深法”计算,拟定开采年限30年,最大允许降深150m。地热水可采资源量为1.84×107m3,含热量为1.18MW(3.73×1015J),属小型地热田。

4可采地热资源评价

根据计算30年拟采地热水总量只占地热异常区地热水弹性储量的6.5%,所采热量仅占地热异常区地热储存量的1.09%,二者均是有充分保证的。虽然地热水30年可开采量仅占地热水储存量的6.5%,但开采末期的压力降深已近150m。说明地热异常区热储层富水性较差,渗透性和导水性不好,如增大开采量,势必会缩短地热水资源的开采使用年限,造成地热水资源的快速枯竭,所以为保护地热资源,应科学合理的开发利用。

5地热流体质量评价

张庄地热井水样通过检验,并从地热水开发利用方向、方式的角度出发,按照有关水质标准对地热水进行了各种用途水质评价及有害成份最高允许排放浓度评价。其结果为,地热水的利用方向、方式有一定局限性。作为医疗、洗浴用水为复合型医疗矿泉水。其中微量元素氟(F)、镭(Ra)、溴(Br)、碘(I)、偏硅酸(HSiO3)五项指标达到医疗矿泉水标准,锶(Sr)、锂(Li)两项指标接近医疗矿泉水标准。利用方式为直接利用;作为采暖用水,对供暖管道有一定腐蚀性;作为生活饮用水和饮用天然矿泉水均有多项指标超标,不适宜;作为农田灌溉和渔业用水有部分指标超标,需作处理后方可利用。尾水排放时,有害成分中氟含量超过最高允许排放浓度,矿化度也较高,要避免氟和盐分污染水源和造成土壤盐渍化。

6地热水资源的合理开发利用

张庄地热异常区是洛阳首次发现并基本探明的沉积盆地型地热资源。通过初步勘探基本查明了地热异常区地热水资源的埋藏分布规律及其质与量的分布特征。合理地开发利用这一新能源,将为洛阳经济发展带来重大影响。

对张庄地热异常区有限的地热(水)资源的开发利用,要本着“科学布井,探采结合;梯级开发,综合利用;保护资源,持续发展”的原则,提高资源综合开发利用率,使这一洁净能源尽快转化为经济优势,促进当地经济发展。

6.1 合理开发地热水资源

张庄地热异常区热储类型在广义上属沉积盆地型层状热储,但地热异常与地热流体的储集与运移受活动性断裂控制。热储层主要由古近系粉砂岩、中-细粒砂岩及少量砂砾岩构成,沉积速度快,搬运距离短,分选性差,泥质含量高,从而造成富水性、导水性较弱,面上的分布不均一。从地热资源计算结果分析,地热资源和地热水资源储量不小,但可采资源量不大,地热水可采资源量仅占弹性储存量的6.5%,说明张庄地热水资源是有限的,也是极为珍贵的。

从张庄地热井实际抽水试验资料来看,单位涌水量为5.59m3/d·m,拟定开采的单井流量560m3/d也是适宜的。若减小单井流量,势必增大开采相关费用,增大单井流量,从地热异常区热储富水性、导流性来分析又是不可行的。日采量1680m3开采第20年末的开采井最大压力水头降深为143.20m,第30年末为148.45m,处于缓慢下降的相对稳定状态,足以保证地热水资源的持续长期开采和开采方案的良性运行。如盲目开采必将导致热储压力的持续快速下降,甚至资源枯竭。

6.2 合理利用地热水资源

从水质分析结果可以看出,张庄地热水含盐量较高,矿化度达9.61g/l,水化学类型为SO4Cl-Na型水,PH值7.1,属中性水。常量元素以Na、Cl-、SO42-为主,微量元素有F、Ra、Br、I、H2SiO3五项达到医疗热矿水标准,其中F-达到命名标准,Sr、Li两项接近有医疗价值热矿水含量标准。地热流体质量评价结果表明,可直接用于医疗、洗浴,并且较高医疗价值;用于采暖、种植、养殖等方面,有指标不同超标,需要相应处理后才可利用;不宜作为生活饮用水和饮用天然矿泉水利用。

6.2.1 用于医疗、洗浴

张庄地热水有多项指标达到或接近医疗热矿水国家标准,具有很强的医疗及保健功能,利用热矿水洗浴,由于水中的化学成份、温度及机械刺激因子对身体神经末稍产生刺激,通过神经体液的反射作用,产生对疾病的非特异性治疗作用。热矿水的医疗、洗浴保健功能主要表现在水温、水的浮力、水的静压力作用。水温为38～43℃时,泡浴10～15分钟,能增进人体全身新陈代谢,使血液循环加快,血压降低;水的浮力作用使人体运动器官的负荷明显减轻,四肢舒展,肌肉松驰,水的静压力作用有利于调节心脏功能。此外,热矿水中氟含量较高,可命名为氟矿水。利用氟矿水洗浴,对多种皮炎、银屑病等有良好的治疗作用。热矿水中所含的溴、锶、锂等都是对人体健康有益的元素。

热矿水用于洗浴对人身有兴奋刺激作用,舒经活血、改善体质、增加抵抗力和预防疾病,对治疗多种皮肤病、风湿病、腰腿痛、软组织损伤等均有一定疗效。热矿水中其它一些对人身有害元素和指标含量均不超标,满足医疗、洗浴用水要求。其利用方式为直接利用,可建疗养院、洗浴中心、游泳池等。

6.2.2 用于采暖

张庄地热水井口水温超过60.2℃,可用于冬季室内采暖。但地热水腐蚀系数为8.32,属半腐蚀性水,对管道和取暖设施有一定腐蚀性。因此,地热水用于采暖,应做防腐蚀处理。

6.2.3 地热干燥

根据我国地热干燥的实践,只要地热水温度大于70℃,就可通过热交换机产生55℃以上的热风,用于农副产品的烘干。如果地热水温度在70℃以下,则需和太阳能或其他能源互补进行干燥。张庄地热水井口水温(60.2℃)接近70℃,稍做能源互补就可进行干燥。结合当地实际情况,可用于蔬菜、水果、花卉(牡丹)等脱水,以及家具加工和制革等行业进行干燥。

6.2.4 用于种植、养殖

用来洗浴、采暖及干燥后排放的尾水温度多在35～40℃,如不加以梯级利用,将造成这一部分地热能的白白浪费。洗浴、采暖尾水用于水产养殖,不仅可提高养殖产量、还可用来养殖热带水产品种,提高养殖效益。用于温室种植,不仅可在冬季用来种植反季节蔬菜、瓜果、花卉(牡丹)和蘑菇等,还可用于洛阳牡丹栽培、人为控制花期。既改善了当地冬季蔬菜副食供应、又发展了农业观光旅游。地热(水)资源还可用于鸡、鸭、鹅等家禽的孵化。但根据水质评价结果,用于种植,全盐量、氯化物、镉、砷超标;用于养殖,氟化物、砷、镉、铜类超标。地热水不宜直接用于种植和养殖、做相应处理后可利用。

7地热资源开发与环境保护

地热资源是人类可以利用的较为洁净的能源之一,它的开发利用在为环境保护提供有利条件的同时,也会在某些方面带来负面影响。

7.1 高含盐量问题

水质分析结果,矿化度高达9.61g/l,主要成份是Na+、CL-、SO42-。地热水利用后的尾水排放,应妥善处理,否则遗留下的盐分会污染水源、土壤,使土壤盐渍化。所以使用洗浴、采暖排放的尾水进行温室种植栽培时,应将利用后的尾水进行回灌处理为宜,避免热水盐分对环境造成污染。

7.2 高氟问题

地热水中氟含量2.2mg/l,超过医疗热矿水标准,达到命名标准。用医疗洗浴用水标准衡量,适当高的含氟量,对治疗一些疾病并非无益,但不仅不宜作为饮用水饮用,就是其尾水用于为人类提供食品的种植灌溉和水产养殖,也要加以除氟处理,因为高氟是人体氟中毒的根源。尾水的随意排放也可造成氟污染。

7.3 地面沉降问题

根据经验,地热资源开发引发的地面沉降问题,不单是由地热流体的开采所引起的,较大的热储压力降也可造成地面沉降。张庄地热异常区热储埋藏较深,可采地热水资源量不大,如科学布井,合理开发,限量开采,避免超强度开采形成较大的热储压力降低,不会引发地面沉降问题。

8结论与建议

1) 根据张庄地热井地热地质条件,计算地热资源储量和地热流体可采资源储量。地热资源储量为108.44MW(3.42×1017J),地热流体弹性储量2.82×108m3。按最大允许降深150m,开采30年计算,地热流体可采资源量为1.84×107m3,含热量1.18MW(3.73×1015J)。属小型地热田。拟定开采的单井流量为560m3/d。

2) 地热流体质量特征为矿化度9.61g/l,总硬度714.57mg/l,PH值7.1属中性水,水化学类型为SO42-·Cl-—Na+型水。

3) 地热流体质量评价为微量元素氟、镭、溴、碘、偏硅酸五项指标达到医疗热矿水标准,锶、锂两项指标接近有医疗价值浓度,属复合型优质医疗热矿水;生活饮用水评价为不宜饮用;农业灌溉及渔业用水评价为不宜直接利用;锅炉用水评价为不宜直接作锅炉用水;氟含量超过最高允许排放浓度,不可直接排放。

4) 张庄地热水资源可直接用于医疗、洗浴、干燥;间接用于采暖、种植及养殖等行业。

5) 张庄地热水应早日开发利用,服务于社会,发展经济。

6) 张庄地热水开发利用后的最终尾水排放时,应做相应的除盐、除氟处理,避免高盐、高氟造成环境污染。