哈尔滨地区干热岩潜力研究

哈尔滨地区干热岩潜力研究

张心勇 1, 2于颖 1石凤姣1

黑龙江省生态地质调查研究院, 哈尔滨 150030; 东北寒区地热能应用技术创新基地, 哈尔滨 150030;

摘要 ： 哈尔滨市位于松嫩盆地东部，具有高热流、高地温和高地温梯度特征，经以往钻探证实为有热无水地区，其大地热流平均值在55-85Mw/m2, 地温梯度一般在3-4℃/100m，地层温度较高，具备干热岩型地热资源的赋存潜力，本次研究主要采用已有探井测温、大地电磁测深等研究手段，结合搜集已有相关地质成果，对哈尔滨地区干热岩资源赋存特征进行了研究，以温度高、埋藏浅、热源近场地条件好为选区原则，进行干热岩资源选址区划评价研究；提出哈尔滨市地区干热岩资源进一步勘查、开发的对策与建议。

关键词  ： 哈尔滨；干热岩；区划

0   引言

哈尔滨市能源结构仍然以燃煤为主，清洁燃料使用比例低，能源结构不尽合理，每年工业和采暖期用煤量大，污染物排放较大，时常出现雾霾等重污染天气状况。故开展哈尔滨地区干热岩资源潜力综合研究工作，将大大推动哈尔滨市乃至全省地热资源的开发综合利用以及该地区的环保节能节材绿色低碳经济转型，可为地热资源的可持续开发和利用提供科学依据和技术经验，对实现节能减排、发展可在生清洁能源、改善我省能源结构意义重大。

1   研究区地质概况

1.1地貌

哈尔滨市地貌大体可分为：东南低山丘陵；中、北东部为岗阜状高平原或微倾斜平原，中北部为河谷平原东南临张广才岭支脉丘陵，北部为小兴安岭山区。

1.2地层

根据松嫩盆地探井揭露的地层资料显示，在松嫩盆地基底之上发育大规模的中、新生代的沉积地层，地层厚度很大，自下而上为地层层序为基底、侏罗系（J）、白垩系火石岭组（K1h）、沙河子组（K1sh）、登娄库组（K1d）、泉头组（K1q）、青山口组（K2qn）、姚家组（K2y）、嫩江组（K2n）、四方台组（K2s）、明水组（K2m）、古近系依安组（E1y）、新近系大安组（N1d）、泰康组（N1-2t）。

1.3地质构造

研究区的深层构造单元属东南断陷区，属宾县王府凹陷带。哈尔滨地区西南部为深凹陷，向北西过渡为急剧抬升的斜坡，构造线NE向。基底顶面呈南东深北西浅变化，东南部深达5600m，西北角最浅处深度为3400m左右。西北部为近东西向展布的背斜隆起之北翼，构造线EW向。基底顶面南浅北深变化，深度为2600－4000m。哈尔滨东南部地区基底埋藏较浅，顶板埋深约2000m。

2   研究区干热岩赋存特征

2.1 地温场特征

根据最新探井测温及搜集全国大地热流值数据，研究区大地热流值在68.0~83.04mW/m2之间，平均值为76.79mW/m2，大地热流高值区出现在哈北-呼兰区块，哈西南、哈东-阿城区块热流值递减。

研究区地温梯度分布范围为2.25~5.191℃/hm，平均值为4.213℃/100m。地温梯度高值区出现在哈北-呼兰和哈西南区块，地温梯度值在4.4~4.6℃/hm至哈东-阿城区块地温梯度值降低3.8~4.2℃/hm。说明研究区具有形成地热资源的良好的地温场背景，哈北-呼兰和哈西南区块相对较好。

2.2 深部地温推测

利用各个探井的实际测温资料和计算大地热流、地温梯度资料，我们在本次研究中预测了1~10km深度的地层温度。其计算公式为：

                                                 （1）

式中：Gzg——深度Z处“规一化”地温梯度，℃/100m；

T——深度Z处的温度，℃；

T1——探井最深测点温度，如果没有则用恒温带温度代替，℃；

Z——预测点深度，m；

Z1——探井最深测点深度，如果没有则用恒温带深度代替，m。

从计算结果看，1km~3km深度地层温度受地温梯度值影响较大，4km~10km深度范围受地温梯度影响较小，主要原因在于研究区基底埋深较浅，平均在2500m左右，基底之上为沉积岩层，沉积岩层岩石热导率相对较低，地温梯度值较高。受基底岩性影响，岩石热导率高，导致地温梯度值变小。

在1km深度，哈西南区块温度显示最好，2~3km深度范围，哈西南和哈北-呼兰区块温度大体持平，4km~10km深度范围，哈北-呼兰区块地层温度显示逐渐变好，并与另外两个区块温度差值逐渐变大，温差约20℃。

2.3干热岩选址区划评价研究

本次研究工作在哈尔滨及周边地区对已有探井进行了测温工作（见图1），埋深2000m温度52.9-99.4℃，最高温度出现在哈尔滨西部哈热1井；埋深1000m温度33-62℃，最高温度出现在五深1井，从测温曲线看，哈尔滨地区水热对流型地热系统不发育，干热传传导型地热系统较发育。

图1 研究区钻孔测温曲线图

2.4地温梯度分布规律

对20眼探井间隔100m计算地温梯度及各井平均地温梯度，根据测温数据计算，哈尔滨地区总平均地温梯度为4.22℃/100m。

根据测温显示及前述地温场研究分析表明，哈西北与哈西南区块地温梯度、地层温度比较接近，根据钻井实测温度对比分析，哈西北呼兰区块地温梯度略高于哈西南区块；而哈东区块地温整体较哈北、哈西南两区块低，同一埋深层位低约15-20℃。

2.5靶区热机制原因探讨

呼兰区块位于宾县王府凹陷带与呼兰隆起带、朝阳沟阶地三个构造单位交汇处，总体处于隆起带内，哈西南区块处于宾县王府凹陷带内，哈东区块位于宾县王府凹陷带与青山口背斜带内。

呼兰研究区域地处朝阳沟阶地、呼兰隆起带、长春岭背斜、宾县-王府凹陷四个二阶结构单元的连接区。这些区域结构沿NE方向延伸，与等温线的延伸一致。

哈尔滨地区地温等值线图在NE方向上延伸，与松辽盆地二阶单元结构走向一致。西北部分研究区域显示出更高的温度和垂直梯度;在1500米深处，最高温度达到79℃，在1800米深度，温度超过90℃。

3   干热岩资源潜力评价

3.1 按主控条件地层温度因素评价

从高、中、低温角度考虑，根据前文温度场研究成果，以120℃、150℃、180℃为温度分界点，对3个研究区对应地层埋深进行了研究，研究结果见表1，从表中可以看出，120℃地层埋深从哈西北3150m到哈东南4500m，150℃地层埋深从哈西北4750m到哈东南6350m，180℃地层埋深从哈西北6500m到哈东南7050m，均体现了相同温度条件下，呈现从松嫩盆地中心向东南盆地边缘埋深逐渐变深的趋势，这也体现了保温层厚度的变化及其作用，与已知钻孔钻遇地质条件相符合，从资源特征、地层钻探经济性等方面考虑，哈西北研究区无疑是最佳的靶区。

表1  哈尔滨地区干热岩高中低温度埋深一览表

图2 哈西南-哈北呼兰研究区120℃、150℃、180℃地温-地层埋深剖面示意图

3.2干热岩资源潜力综合评价

干热岩靶区选址主要从构造部位、大地热流值、地温梯度、地温条件、构造特征、侵入岩发育、地层埋深、岩性等几个重要性方面进行宏观考评价，评价分类见表2。

从表中可以看出，哈西北无论从温度场、地温梯度、还是构造分布特征、钻孔可钻性等因素，哈西北研究区均优于哈西南研究区，并明显优于哈东南研究区，因此将哈西北研究区评价为Ⅰ类，勘查潜力区划为近期，哈西南研究区评价为Ⅱ类，勘查潜力区划为中期，哈东南研究区评价为Ⅲ类，勘查潜力区划为远期，但哈东南是花岗侵入岩型干热岩资源类型，今后也是进行传统干热岩人工储层压裂的有利试验靶区。

表2   研究区干热岩勘查靶区评价

4结论

（1）对研究区基地起伏情况进行了推断

哈北-呼兰区基底地层顶面深度由北向南逐渐变浅，反映了测区东北地区为向斜构造的仰起端北翼，测区中部为背斜轴部；哈东-阿城区基底地层隆起，顶面深度由测区中间向东、向西逐渐变深，反映了测区中部为向斜构造的轴线位置；哈西南基底地层存在局部凹陷，顶面深度整体较深，局部凹陷区基底更深。

（2）基本查清了研究区地温场特征

研究区域呈现从西北向东南方向呈现地温由高到低变化的趋势，哈尔滨地区地温梯度为4.22℃/100m，呼兰区块地温梯度最高，平均为4.64℃/100m；大地热流68.0-83.04mW/m2，平均值为76.79mW/m2，高值区出现在哈北-呼兰区块，哈西南、哈东-阿城区块热流值递减。

（3）划分了干热岩研究的近期、中期及远景靶区

从构造特征、大地热流值、地温梯度、侵入岩发育、地层埋深、岩性等几个重要性方面进行潜力分区，哈北-呼兰区为干热岩勘查的近期靶区，哈西南区为中期靶区，哈东-阿城区为远期靶区。

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基金项目：2014年黑龙江省国土科研项目（任务书编号为黑国土科研201409）、松嫩盆地中部干热岩勘查与开发利用研究（任务书编号：GY-2018009）资助。

作者简介：张心勇，高级工程师，研究方向地热资源勘查评价;

于颖（通信作者），高级工程师，研究方向地热资源勘查评价.