銀川盆地熱儲層溫度估算

楊 超，屈文崗，方嘉偉，扈志勇

（1.寧夏國土資源調查監測院，寧夏 銀川 750002；2.長安大學 水利與環境學院，陜西 西安 710054；3.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；4.寧夏煤炭勘察工程有限公司，寧夏 銀川 750000）

地熱能與其他可再生能源相比，具有儲量大、穩定可靠等特點，在調整能源結構、應對氣候變化、治理大氣污染中，地熱能將會發揮更加積極的作用。寧夏境內深層地熱資源以中低溫地熱為主，地熱的勘探、開發和科學研究程度較低。當前在銀川盆地范圍內企業及個人對地熱資源開發利用的熱情有上升趨勢。為了能高效利用地熱資源就必須對其賦存條件進行研究，熱儲層溫度的劃分對地熱資源評價、開發利用具有重要的意義。研究人員通過淺部地溫監測、物探測井等資料對銀川盆地內地溫梯度進行了相關研究。如：嚴烈宏等[1]通過2 眼地熱井的鉆探及物探測井資料對銀川盆地熱儲特征進行了分析，結果表明，銀川盆地為中低溫地熱田。何欣等[2]、范高功等[3]通過有限的鉆探、物探資料對銀川盆地熱儲層巖性、蓋層特征進行了分析[2-3]。近年來，在銀川盆地范圍內陸續打成的地熱井已有15 眼，地熱井溫度均有差異。本文分析了銀川盆地部分地熱井中地熱水樣品的水化學特征，實測了地熱井井口的溫度，采用礦物平衡圖解法及地熱溫標法對熱儲層溫度進行估算，并獲得地下熱儲層溫度的范圍，為銀川盆地地熱資源的開發利用提供重要依據。

1 銀川盆地區域地質概況

銀川盆地位于寧夏北部，平均海拔在1 100～1 200 m，地形整體呈東西高、中間低、南高、北低。根據以往地熱勘探資料及已有地熱井成井資料，銀川盆地熱儲層可劃分為新近系干河溝組熱儲層、新近系彰恩堡組熱儲層、古近系清水營組熱儲層、奧陶系—寒武系基巖熱儲層[1，4]。

2 地溫場特征及水化學特征

2.1 地溫場特征

銀川盆地Y1，Y3，NSR-1，NSR-2，NHR-1，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9，Y10 地熱井出水溫度分別為67.5，55，68，65，60，56，62，51，35，59，47，52 ℃。由地熱井測溫數據可知，12 眼地熱井的地溫梯度算術平均值分別為2.19，1.92，2.25，2.46，2.45，2.19，2.03，3.36，1.96，2.13，1.94，1.72 ℃/100 m。地溫垂向特征表現為：隨深度增大而升高，地表以下100 m 以內地溫波動較大，隨著深度增加地溫波動變小。深層地溫梯度變化較為穩定，在3 000 m 左右地溫可達80 ℃以上。

2.2 水化學特征

本文在銀川盆地內有條件采集地熱水樣品的7眼地熱井中進行樣品采集，取樣點如圖1 所示。表1為銀川盆地地熱水化學分析結果。由表1 可知：地熱水pH 為7.28～8.86，平均值為7.74，為偏弱堿性水；陽離子平均質量濃度由高到低依次為Na+，Ca2+，Mg2+，K+，陰離子平均質量濃度由高到低為Cl-，SO42-，HCO3-，CO32-。地熱水總溶解性固體物質（TDS）變化范圍較小，為4 650～13 821 mg/L，平均值為9 116.43 mg/L，以高礦化度地熱水為主[5]。

表1 銀川盆地地熱水化學分析結果

圖1 地熱井取樣點分布圖

圖2 為銀川盆地地熱水Piper 圖。由圖2 同樣可以看出，該地區水的主要陽離子為Na+，其次為Ca2+和Mg2+，陰離子主要以Cl-為主，其次是SO42-。其水化學類型主要為Na-Cl-SO4型，亦有Na-Cl 型。

圖2 銀川盆地地熱水Piper圖

3 多礦物平衡法

3.1 分析方法

礦物在水中的溶解與沉淀取決于水溶液相對礦物的飽和狀態，通常使用飽和指數來衡量水溶液相對礦物的飽和狀態[6]：

式中：SI為水溶液相對礦物的飽和指數；LAP為礦物溶解反應中相關離子的活度積，mol/L；K為礦物在地熱水中的溶解度，mol/L。若SI<0，表示未達到飽和狀態；SI>0，表示過飽和狀態；SI=0，表示水溶液與礦物處于平衡狀態[7-10]。

地熱水在熱儲中的運移較為緩慢，地熱水中的礦物通常與熱儲中的礦物處于平衡狀態，這種平衡狀態可通過地熱水的化學成分來判斷。首先，根據地熱水的水質分析結果，計算水中礦物的飽和指數，繪制地熱水中多種礦物的飽和指數與溫度的函數關系圖。其次，若在某一特定溫度下一組礦物同時接近平衡，則可判斷地熱水與熱儲礦物達到了平衡狀態，平衡時的溫度即為熱儲層溫度。由此可確定熱儲的平衡礦物及熱儲層溫度。

3.2 結果與分析

本文利用多礦物平衡法對7 個地熱井隨溫度變化的水溶液相對礦物飽和指數進行計算（溫度范圍為0～200 ℃，溫度間隔為10 ℃），并作圖分析了各地熱井的平衡礦物及平衡溫度范圍。圖3～圖6 是各地熱井礦物飽和指數與溫度的變化關系圖，表2 為各地熱井平衡礦物一覽表。需要說明的是，在水質分析結果中，大部分水樣SI的值小于分析方法的下限值，故在計算中直接使用了該下限值，這將使涉及這些組分的礦物飽和指數計算結果偏大。

表2 各地熱井平衡礦物一覽表

圖3 DRT-04，DRT-05地熱井礦物飽和指數與溫度的變化關系圖

圖4 NHR，NSR-2地熱井礦物飽和指數與溫度的變化關系圖

圖5 Y8，Y9地熱井礦物飽和指數與溫度的變化關系圖

圖6 Y10地熱井礦物飽和指數與溫度的變化關系圖

由圖3～圖6 可知，DRT-04 井的低溫平衡礦物和高溫平衡礦物分別是鋁礬石和硬石膏，DRT-05井的低溫（10 ℃）平衡礦物和高溫（110 ℃）平衡礦物分別是鋁礬石和硬石膏，NHR 井低溫（10 ℃）平衡礦物和高溫（140 ℃）平衡礦物分別是白云石和石膏，NSR-2 井低溫平衡礦物和高溫平衡礦物分別是云母和方解石，Y8 井低溫平衡礦物和高溫平衡礦物分別是方解石和硬石膏，Y9 井低溫平衡礦物和高溫平衡礦物分別是方解石和硬石膏，Y10 井低溫平衡礦物和高溫平衡礦物分別是方解石和石膏。

由表2 可知，NSR-2 地熱井的平衡溫度為20～180 ℃，明顯高于其他地熱井，且其平衡礦物為硬石膏、文石、方解石、白云石、石膏和云母，種類明顯少于其他6 個地熱井。DRT-04，DRT-05，NHR，Y8，Y9，Y10 6 個地熱井的平衡溫度在10～140 ℃，Y9 地熱井的平衡礦物最多，分別為鈉長石、鋁礬石、硬石膏、文石、鈣蒙脫石、方解石、玉髓、綠泥石、白云石、菱鎂礦、伊利石、黃鉀鐵礬、鉀長石、云母、高嶺石、石英和菱鐵礦。

結合地熱井出水溫度，則可進一步對熱儲層溫度進行估計，得出更加可靠的熱儲層溫度區間。由此可得，DRT-04，DRT-05，NHR，NSR-2，Y8，Y9，Y10地熱井熱儲層溫度分別是40～100 ℃，40～110 ℃，60～140 ℃，65～180 ℃，59～90 ℃，47～110 ℃，51～140 ℃。熱儲層溫度估算結果及實測井口溫度顯示，銀川盆地北部熱儲層溫度高于中部熱儲層溫度。

4 熱儲層溫度估算

在地熱資源勘探過程中，深部熱儲層溫度是評價地熱資源不可缺少的重要參數，地球化學溫標方法是獲得熱儲層溫度較為有效的手段。常用的地熱溫標法可分為兩類：一類是二氧化硅地熱溫標法，有石英地熱溫標法和玉髓地熱溫標法等；另一類是陽離子地熱溫標法，有Na-K-Ca 地熱溫標法，Na-K地熱溫標法等[11-15]。

4.1 二氧化硅地熱溫標法

對熱儲層溫度估算的方法較多，二氧化硅地熱溫標法是最早被用于估算熱儲層溫度的一種方法，也是后來最常用的一種地熱溫標法，熱水中二氧化硅的質量濃度主要取決于不同溫度下石英或玉髓在水中的溶解度，據此本文提出了基于熱水中二氧化硅質量濃度的地熱溫標分別如下[9]。

石英地熱溫標（無蒸汽損失）為

石英地熱溫標（最大蒸汽損失）為

玉髓地熱溫標為

式中：c指水中可溶性二氧化硅的質量濃度，mg/L。適用溫度范圍為0～250 ℃。

4.2 陽離子地熱溫標法

陽離子地熱溫標法是較為常見的估算熱儲層溫度的方法，該方法是根據熱水中陽離子之間的比值與溫度之間的關系構建起來的，陽離子地熱溫標法是經驗性的近似方法。

Na-K 地熱溫標法是根據熱水中Na+，K+與鉀長石、鈉長石之間的反應受控于溫度的原理建立起來的[16]，反應式為

計算公式為

式中：ρ（Na+），ρ（K+）分別為Na+，K+的質量濃度，mg/L。適用溫度范圍為0～250 ℃。

中低溫地熱系統常用Na-K-Ca 地熱溫標法，計算公式為[6]

式中：ρ（Na+），ρ（Ca+），ρ（K+）分別為Na+，Ca2+，K+的質量濃度，mg/L。當t<100 ℃時，β＝4/3；當t>100 ℃時，β＝1/3。適用溫度范圍為0～300 ℃。

4.3 熱儲層溫度的估算結果及分析

對于銀川盆地內的7 眼地熱井，本文使用上述地熱溫標法，對各地熱井的熱儲層溫度進行了估算，表3 列出了各地熱溫標法的溫度估算結果及估算溫度相對于井口實測溫度的相對誤差。由表3 可知，對于不同的熱儲層，各地熱溫標溫度估算結果的差別很大。

表3 熱儲層溫度估算結果及其相對誤差表

對于Y8，Y9，Y10，NHR，NSR-2 地熱井，熱儲層主要為新近系地層，巖性主要為砂巖。石英（無蒸汽損失）、石英（最大蒸汽損失）、玉髓、Na-K 及Na-KCa 地熱溫標溫度估算結果相對誤差的平均值依次為13.5%，16.3%，-14.6%，-6.2%，16.3%，可見除Na-K 地熱溫標外，其他地熱溫標溫度估算結果的誤差都很大。Na-K 地熱溫標的最大誤差為-12.6%，而其他溫標的最大誤差均在20%左右。因此，對于新近系砂巖帶下熱水推薦使用Na-K 地熱溫標。

對于DRT-04 和DRT-05 地熱井，熱儲層主要為奧陶系地層，巖性主要為泥質灰巖，局部為泥灰巖及破碎帶。石英（無蒸汽損失）、石英（最大蒸汽損失）、玉髓、Na-K 及Na-K-Ca 地熱溫標溫度估算結果相對誤差的平均值依次為27.9%，30.8%，-1.2%，58.1%，57.7%，可見除玉髓地熱溫標能較好地估算地熱井的熱儲層溫度外，其他地熱溫標溫度估算結果的誤差都很大。玉髓地熱溫標的最大誤差僅為-2.3%，而其他溫標的最大誤差值達到58.9%。因此，對于奧陶系灰巖地熱水推薦使用玉髓地熱溫標。

5 結論

（1）銀川盆地地熱水為偏弱堿性水，各離子變化范圍各不相同，陽離子平均質量濃度由高到低依次為Na+，Ca2+，Mg2+，K+，陰離子平均質量濃度由高到低為Cl-，SO42-，HCO3-，CO32-。TDS 變化范圍較小，為4 650～13 821 mg/L，平均值為9 116.43 mg/L，地熱水以高礦化度地熱水為主。

（2）盆地最北部NSR-2 地熱井的平衡溫度為20～180 ℃，明顯高于其他地熱井，且其平衡礦物為硬石膏、文石、方解石、白云石、石膏和云母，種類明顯少于其他6 個地熱井。DRT-04，DRT-05，NHR，NSR-2，Y8，Y9，Y10 地熱井熱儲層溫度分別是40～100 ℃，40～110 ℃，60～140 ℃，65～180 ℃，59～90 ℃，47～110 ℃，51～140 ℃。熱儲層溫度估算結果及實測井口溫度顯示，銀川盆地北部熱儲層溫度高于中部熱儲層溫度。

（3）對于新近系熱儲層，Na-K 地熱溫標使用效果最好，估算的熱儲層溫度約為52.6 ℃。

（4）對于奧陶系熱儲層，玉髓地熱溫標的使用效果最好，可對熱儲層溫度進行精確的估算，估算的熱儲層溫度約為39.1 ℃。