作為一種清潔的可再生能源,地熱資源在全球范圍內受到廣泛關注。石泉村位于湖北省嘉魚縣高鐵嶺鎮(zhèn),地質構造獨特,地熱資源潛力巨大,已成為地熱能開發(fā)的重要目標區(qū)域。隨著碳達峰碳中和目標的提出和綠色能源利用技術的推廣,地熱資源的科學開發(fā)對推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、優(yōu)化能源結構和保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義。因此,有必要分析石泉村地質背景,明確地熱條件及資源分布,提出井位布局與實施建議。研究成果填補區(qū)域地熱資源勘查的空白,為高效開發(fā)和可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。經(jīng)科學合理開發(fā), 石泉村地熱資源有望成為促進地方經(jīng)濟發(fā)展的重要動力,同時為全國類似地區(qū)提供可借鑒的開發(fā)模式。

1 區(qū)域地熱地質條件

石泉村地處揚子準地臺的嘉魚-赤壁弧形構造帶中段。區(qū)域地層涵蓋寒武-奧陶系至第四系,巖性自表層疏松沉積物向下逐漸過渡為致密碳酸鹽巖,構成優(yōu)質儲熱與隔水體系。區(qū)域構造活動頻繁,北東向隱伏斷裂和高鐵嶺斷裂控制熱流體的遷移與富集,為地熱資源的形成提供重要條件。此外,區(qū)域的巖溶作用顯著,裂隙和溶洞發(fā)育,結合隔水性較強的蓋層, 共同形成優(yōu)良的地熱儲層體系。復雜地質背景為石泉村地熱資源的富集與開發(fā)奠定基礎。石泉村地熱資源受區(qū)域構造、熱儲層與蓋層條件的綜合控制,具備優(yōu)越的地熱地質條件。

1.1 地熱儲層及蓋層特征

石泉村熱儲層主要為寒武-奧陶系、石炭系及二疊系碳酸鹽巖,因巖溶作用形成裂隙、溶溝和溶洞,具備優(yōu)良的滲透性和儲水能力。熱儲層厚度為 100~300 m,其中奧陶系巖層的巖溶發(fā)育程度最高, 是區(qū)域內地熱資源的主要富集區(qū)。熱儲層的溫度為 25~61 ℃,能夠滿足地熱溫泉及相關產業(yè)開發(fā)需求。 地熱儲層上覆的隔水蓋層以志留系泥質粉砂巖、頁巖及第四系沖積層為主,志留系地層厚度較大,具有良好的隔水性能,有效阻隔上下熱儲層的水力聯(lián)系。第四系沉積物與志留系泥巖共同構成優(yōu)質的隔水和保溫系統(tǒng),不僅減少熱能散失,還為地熱儲層的熱能積累提供有力保障。

1.2 地熱場分布規(guī)律與資源富集區(qū)

石泉村地熱資源的分布主要受區(qū)域地質構造和熱儲層特性的共同影響。北東向隱伏斷裂和高鐵嶺斷裂控制地熱流體運移路徑,其周邊為主要地熱資源富集區(qū)。在背斜核部及其兩翼,構造應力引發(fā)裂隙張開和巖溶作用增強,為地熱流體的聚集提供有利條件。 同時,該區(qū)域地溫梯度較高,局部受斷裂導熱作用影響,形成顯著的熱流異常帶,與地熱田的空間分布高度吻合。地質調查和物探成果表明,小蛇屋山地熱田和隱伏斷裂周邊為主要資源富集區(qū),熱儲埋藏深度為50~250 m,水化學類型為硫酸鈣型水,熱流體溫度為25~61 ℃,資源儲量充足,開發(fā)潛力巨大。

2 地熱資源評估

2.1 熱儲層儲量評估

熱儲層儲量評估通過地溫梯度測定和計算,明確石泉村地熱資源潛力,為開發(fā)提供科學依據(jù)。

2.1.1 地溫梯度與儲量計算方法

根據(jù)地質調查和鉆孔數(shù)據(jù),石泉村地溫梯度平均值為3.02 ℃/100 m,局部因斷裂導熱作用略高于平均值。特別是在隱伏斷裂及其周邊區(qū)域,熱流異常顯著,表明該區(qū)域導熱性能較強,是地熱流體的重要遷移和富集區(qū)。根據(jù)《地熱資源地質勘查規(guī)范》 (GB/T 1 1615—2010),采用體積法估算地熱資源儲量，采用式（1）進行計算?；?a href="http://www.rijz.cn/t/區(qū)域地質.html" >區(qū)域地質資料和勘查數(shù)據(jù),初步計算顯示,石泉村熱儲層儲量約為1.5×1016J,具有良好的開發(fā)潛力。

式中:Q為地熱儲量,J;C為儲層巖石和流體的比熱容,J/(kg·℃);V為儲層體積,m3;ρ為儲層巖石和流體的平均密度,kg/m3;?T為儲層溫升, 即儲層溫度與環(huán)境溫度之差,℃。

2.1.2 熱流體資源分布及其特性

熱流體資源主要分布于小蛇屋山地熱田及斷裂帶周邊,熱儲層深度為50~250 m,富集面積約為67 500 m2,水體分布范圍面積達96 000 m 2,構成穩(wěn)定的地熱資源儲備區(qū)。區(qū)域內熱流體為硫酸鈣型水, 礦化度適中,水質清澈,無明顯雜質,熱水溫度范圍為25~61 ℃,流量穩(wěn)定,經(jīng)估算,日可開采量約為 2 000 m3,符合地熱溫泉及相關產業(yè)開發(fā)要求。小蛇屋山地熱水形成機理如圖1所示。

2.2 地熱資源開發(fā)潛力評估

石泉村地熱資源開發(fā)潛力評估需要從熱儲層的溫度特性、補給來源以及開采條件和技術可行性等角度進行綜合分析。

2.2.1 熱儲層溫度與補給來源分析

根據(jù)區(qū)域地質調查和鉆孔測溫數(shù)據(jù),石泉村熱儲層溫度為25~61 ℃,淺層溫度較低,深部溫度更高,這與地溫梯度和斷裂導熱作用密切相關。該溫度范圍適合進行溫泉開發(fā)、農業(yè)種植、養(yǎng)殖加溫及工業(yè)用水加熱等應用,具備較高的市場適應性。石泉村熱儲層的主要補給來源為大氣降水,地表碳酸鹽巖的廣泛分布及巖溶作用為熱儲層提供良好的補給條件。同位素分析顯示,熱水主要來源于當地大氣降水,水化學分析表明其補給穩(wěn)定。隱伏斷裂等主要斷裂系統(tǒng)為熱流體的運移和儲層補給提供高效通道,使熱流體能夠快速循環(huán)并吸收地溫梯度熱能。區(qū)域水動力條件優(yōu)越,熱儲層循環(huán)能力強,補給充足且排泄穩(wěn)定,為長期開發(fā)提供可靠保障。

2.2.2 開采條件與技術可行性

石泉村熱儲層以寒武-奧陶系碳酸鹽巖為主, 巖溶發(fā)育程度高,溶洞和裂隙廣泛分布,具有良好的儲熱性能。志留系泥巖作為隔水蓋層,厚度大且隔水性強,有效減少熱能散失并維持儲層壓力。鉆孔數(shù)據(jù)估算顯示,熱流體日可開采量達2 000 m3,單井開采能力強,足以滿足商業(yè)化開發(fā)需求。地熱資源分布集中且富集范圍明確,為高效開發(fā)和集中利用提供有利條件。石泉村熱儲層埋深為50~250 m,采用中深井鉆探技術即可實現(xiàn)高效開采。資源適合直接或梯級利用,技術成熟且經(jīng)濟性強。

3 井位設計與論證

3.1 井位選址原則

井位設計是地熱資源開發(fā)的關鍵環(huán)節(jié),其科學性直接影響資源開發(fā)的效率與效益。在石泉村,井位選址應以地質構造和資源富集區(qū)為基礎,優(yōu)先選擇靠近隱伏斷裂、高鐵嶺斷裂及其周邊區(qū)域的斷裂延伸部位及碳酸鹽巖熱儲層交匯區(qū)域,這些區(qū)域導水性能良好且資源富集。裂隙發(fā)育區(qū)和儲層滲透性高的地帶也是優(yōu)選位置,以確保資源開發(fā)的穩(wěn)定性和效率。選址還需要兼顧熱儲層厚度大、溫度較高(40~61 ℃) 的區(qū)域,同時避開補給不足或排泄強度過大的區(qū)域。 結合廣域電磁法成果,在地熱異常帶集中分布區(qū)域布設井位,以提高開采量和熱能利用效率。此外,井位設計需要考慮埋藏深度適中(50~250 m)、靠近基礎設施的區(qū)域,降低鉆井成本,并避開生態(tài)敏感區(qū)和居民集中區(qū),減少對環(huán)境的影響,確保資源開發(fā)的可持續(xù)性。

3.2 井位分析

3.2.1 物探與化探成果疊加分析

廣域電磁法測量表明,隱伏斷裂與高鐵嶺斷裂為熱流體富集的主要通道,交匯區(qū)域儲層厚度和導水性增強。熱儲層的埋藏深度集中在50~250 m,淺部儲層相對集中,深部儲層局部異常富集,顯示出適合井位布置的優(yōu)良條件?；焦ぷ魍ㄟ^氡氣測量圈定地熱異常區(qū)域,在小蛇屋山地熱田和斷裂帶周邊,氡氣濃度異常值顯著高于背景值,顯示出斷裂導水作用顯著,熱流體活動頻繁。氡氣高值區(qū)與物探低阻區(qū)的高度重合進一步驗證這些區(qū)域為地熱資源富集區(qū),同時明確斷裂構造在熱流體運移中的關鍵作用。綜合物探和化探成果的疊加分析,明確石泉村資源富集區(qū)域的空間分布,其重點集中在斷裂帶周邊、碳酸鹽巖儲層厚度較大的小蛇屋山區(qū)域及隱伏斷裂集中帶。這些結果為后續(xù)的井位布設提供科學依據(jù)。

3.2.2 優(yōu)選井位布局

結合物探與化探成果的疊加分析,對石泉村井位布局進行優(yōu)化,以提高熱流體開采的效率和經(jīng)濟性。 井位優(yōu)選布局的原則包括3個方面。一是優(yōu)先選擇靠近隱伏斷裂的區(qū)域,確保良好的補給與熱流體遷移條件;二是在氡氣異常高值區(qū)與物探低阻區(qū)交匯部位布置井位,確保資源開發(fā)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性;三是避開巖層厚度過薄、隔水層破碎及補給不足的地質不良區(qū),以保障開采的安全性和經(jīng)濟性?；谏鲜鲈瓌t, 提出井位優(yōu)化建議。第一,布置井位于小蛇屋山地熱田中心區(qū)域,該地熱田熱儲層埋藏深度為80~150 m, 地溫梯度較高,資源富集程度顯著,是地熱開發(fā)的理想選擇。第二,在隱伏斷裂東南延伸帶布置井位,該區(qū)域與碳酸鹽巖儲層交匯,儲熱性能優(yōu)越,適合作為補充開采井。第三,選擇高鐵嶺斷裂交匯區(qū)布置井位, 該區(qū)域熱流體補給充足,井位布局有助于提升資源開采率,可作為后備井位使用。該優(yōu)化布局充分考慮儲層特性、資源富集區(qū)分布及施工條件,既降低鉆井成本,又提高單井開采效率,為地熱資源的規(guī)?；_發(fā)奠定堅實基礎。

3.3 井位建議

根據(jù)石泉村地熱資源勘查的物探、化探和地質調查成果,結合區(qū)域地熱資源分布特點與開發(fā)需求, 科學確定具體鉆孔位置并提出實施建議。

3.3.1 具體鉆孔位置

小蛇屋山地熱田中心井(井位1)位于小蛇屋山地熱田的核心區(qū)域(東經(jīng)1 14.605°,北緯29.913°), 該井熱儲層厚度為80 150 m,埋藏深度適中,儲層裂隙和溶洞發(fā)育,熱儲溫度為4 061 ℃,且氡氣濃度異常顯著,表明熱流體富集程度高。該井功能定位為開發(fā)主井,主要用于開采地熱流體,以滿足溫泉開發(fā)及農業(yè)綜合利用需求。隱伏斷裂東南延伸井(井位2) 位于隱伏斷裂的東南延伸區(qū)域(東經(jīng)1 14.610°, 北緯29.910°),該井與碳酸鹽巖熱儲層相交,儲層滲透性良好,熱流體富集程度較高,埋藏深度為 100~180 m,具備優(yōu)良的儲熱條件。其功能定位為輔助開發(fā)井,用于保障熱流體供給的穩(wěn)定性,并提升整體開采效率。高鐵嶺斷裂交匯區(qū)井(井位3)位于多條斷裂交匯區(qū)域(東經(jīng)1 14.615°,北緯29.917°), 裂隙系統(tǒng)發(fā)育,地溫梯度較高,熱儲資源豐富,埋藏深度為120~250 m。其功能定位是備用井,為后期擴展開發(fā)或其他用途提供資源保障,以支持區(qū)域地熱資源的長期可持續(xù)開發(fā)。

3.3.2 實施建議

為確保鉆井過程的順利實施,建議采用中深井鉆探技術,鉆進方式以空氣潛孔錘為主,泥漿護壁為輔,以保證井壁穩(wěn)定性。設備方面,應選用高效空氣鉆機,配備多級泵送設備和降溫裝置,以適應地熱井鉆探的特殊需求。鉆探深度應根據(jù)熱儲層的埋藏情況控制在80~250 m,井口直徑建議不小于200 mm, 以確保熱流體的輸送能力。同時,在鉆探過程中實時監(jiān)測地溫、流量、礦化度和水質等水文地質參數(shù),動態(tài)調整鉆孔深度和方向,確保鉆探與資源分布高度匹配。 為維持熱儲層的壓力并防止干涸,建議在主井開發(fā)的基礎上配套回灌井,形成閉合的水循環(huán)系統(tǒng),實現(xiàn)資源的可持續(xù)開發(fā)。同時,建議避開生態(tài)敏感區(qū),采用低干擾施工,嚴格控制泥漿排放,減少對地下水與地表環(huán)境的污染,從而實現(xiàn)資源開發(fā)與生態(tài)保護的雙贏。另外, 規(guī)劃輸送管道,減少熱損失,部署監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測流體溫度、壓力及流量,保障安全與持續(xù)利用。

4 結論

綜合分析嘉魚縣高鐵嶺鎮(zhèn)石泉村的地質構造、 熱儲層特性及地熱資源分布規(guī)律,可以明確區(qū)域地熱資源的開發(fā)優(yōu)勢和潛力。研究發(fā)現(xiàn),石泉村地熱資源富集性顯著,主要集中于小蛇屋山地熱田及隱伏斷裂周邊,熱儲層具備良好的滲透性與儲水能力,覆蓋層具有優(yōu)質的隔水和保溫性能,為資源的富集和開發(fā)提供保障。同時,優(yōu)選井位布局及具體鉆孔位置,為熱流體的高效開采提供科學依據(jù)?？茖W鉆探技術與資源回灌措施可有效降低環(huán)境影響,實現(xiàn)資源可持續(xù)開發(fā)。 研究成果不僅填補區(qū)域地熱資源勘查的空白,還為推動當?shù)?a href="http://www.rijz.cn/t/綠色能源.html" >綠色能源開發(fā)和經(jīng)濟發(fā)展提供重要支撐,為類似區(qū)域的地熱資源開發(fā)提供借鑒。