宜昌市百里荒一带地热资源形成条件及开发利用

地大热能：地热资源是宝贵的矿产资源，是重要的清洁能源之一，具有资源量大、污染小、可再生等特点，深受世人重视，在世界能源构成中占据重要地位。合理开发、利用地热流体资源，不仅是中国新能源领域发展的重要方向之一，也是加快能源转型的客观需要，对促进中国康养、旅游、种养殖等行业高质量发展具有重要作用，在一定程度上可满足国人对更高生活品质的追求。作为“山楂树之恋”电影外景取景地之一的宜昌市夷陵区百里荒生态旅游区，是宜昌市域内热门的休闲、度假旅游景区之一。在景区南西约 5 km 处的普溪坪成功施工了一口井深为 2387.98 m 的探采结合大口径深井，成功获取了水温、水量、水质均满足利用需求的地下热水资源，不仅填补了百里荒景区以往无地下热水资源康养的空白，而且对进一步提升百里荒景区的知名度，促进该景区乃至宜昌市旅游业及相关产业的发展，都具有重要意义。

1区域地质背景

宜昌市百里荒景区一带在大地构造上位处扬子准地台上扬子台坪黄陵断穹东翼单斜构造区。黄陵断穹核部主要由中元古界崆岭群的变质杂岩、混合岩及中酸性与基性岩浆岩组成。核部以东的沉积盖层自晚元古界震旦系—早古生界的寒武系、奥陶系、志留系及中生界均广泛分布(见图 1) 。地层总体向东—南东方向缓倾，倾角一般在 8° ～ 15°，局部靠近断裂构造带的地段可达20° ～ 30°。第四系覆盖层则不连续分布于河谷两侧及山坡凹谷底。其中，与区内地下热水存赋有密切关联的地层主要是寒武系、奥陶系及志留系: 前两者主要由碳酸盐岩构成，其中含溶隙承压水，富水性中等，为区内地热流体主要赋存地层; 后者岩性以粉细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质页岩为主，是本区地热流体的良好保温盖层。

2 地热流体的形成条件及成生模式

2.1地热流体的形成条件

地热流体的成生与存储，与特定地质环境条件紧密相关，即所谓的“盖、储、补、滞、热”，以下结合本次施工的地热钻井从上述 5 个方面分别来叙述百里荒一带的地热流体形成条件。

( 1) “盖”是指地热分布区内要有分布稳定或基本稳定的不透水或弱透水地层，藉以防止下伏热储的热量在地质历史中不致大量散失，使热储中储存的热能量得以保存。

百里荒地热田一带热储盖层主要为下古生界志留系下统罗惹坪组与新滩组( S1 lr + x) ，岩性主要为灰绿色粉砂质泥岩夹薄层生物灰岩及泥灰岩、页岩、泥岩夹薄层泥质粉砂岩。钻探时从该层获取的岩屑，断面均较新鲜、完整，表明该层的透水性差，具备良好的隔水、隔热性能。钻井揭露其埋深为 20m，厚度约 500m。

( 2) “储”是盖层下必须要有分布广、厚度大且有广泛的容水空间储存地下水热水的地层。区内热储层为下古生界奥陶系、寒武系( O-∈) 以及上元古界震旦系灯影组( Z2∈1 d) 的碳酸盐岩，岩性以灰岩、云岩为主。钻探至该套地层时采取的岩屑表面，见大量钙华、铁质浸染及溶蚀凹面，表明该套地层岩石中的岩溶及裂隙均较发育，具备较好的容水空间和水流通道，是本区及周边区域内良好的热储层。钻井位置处其埋深约 520 m，揭露总厚度 ＞ 1 800 m。通过终井后的物探测井，基本查明在本钻井揭露深度内，自井深 579 m( 该深度以上采用石油套管及 425 号水泥封闭以隔绝上部低温段及地表水与深部热水的联系) 至井底，热储层中出水段 22 处、总厚度达 152 m———约相当于热储地层( O + ∈ + Z2∈1 d) 揭露总厚度的 8%。22处出水段中有 18 处分布于寒武系上统—奥陶系下统娄山关组( ∈3O1 l) 、1 处分布于奥陶系南津关组( O1 n) 、3处分布于震旦系上统灯影组( Z2∈1 d) 。

( 3) “补”是地下热水要有丰富的补给来源(包括大气降水、地表水、相邻或相近含水层的越流补给等) ; 热储( 奥陶系、寒武系、震旦系碳酸盐岩) 分布区一带属亚热带温湿气候区，雨量充沛，年总降水量在 1 100 mm 以上，使得主要依靠大气降水入渗补给的热储层具有充沛且稳定的补给来源。

( 4) “滞”是指热储中的地下水处于滞缓径流的环境，这样既可使地下水较好地接受地球深部的地热传导或兼有断裂构造的对流传热加温，同时又可使地下热水与围岩介质有充分时间进行水化学作用，从而形成矿化度和各元素含量均较高的热矿水。该环境是地热水形成的关键因素之一。对本区而言，热储地层的倾角普遍仅 15°左右，地下水水力坡度不大，运移速度较小，从而为其接受外部热能加温创造了较好的条件。拥有滞留环境，也使深部地下热水与围岩间有充足时间进行充分的水化学作用，形成高矿化度和各元素富集等有别于浅部常温地下水的特点。

( 5) “热”是地下热水的热能来源。地热能主要源于莫霍面以下熔融岩浆的热扩散传导和放射性物质的裂变放热以及太阳能的聚热等。在当地恒温带以下，随深度的增加，地温逐渐增高是普遍的规律。本钻井位置处，主要热储已深入恒温带以下数百米，因此，自然增温作用是本井中地下热水热能的重要来源之一。

按照宜昌地区年平均气温( t₀ ) 为 16． 7 ℃、钻井一带恒温带深度( h) 为 60 m、井深 2 370 m( H) 处温度( T) 为 66． 44 ℃ ( 终井后实测，图 2) 计算，钻井一带地温梯度( C_t ) 平均为:

另外，钻孔北侧约 500 m 处有雾渡河断裂通过，该断层是区域性构造。据区域地质资料，该断层在挽近期有微弱活动，时有微震发生，是一条活动性断层，因此推测雾渡河断层传导地球深部热量加热地下水，亦可能是本区地下热水热能的热源之一。由于以往及本次工作均未对“雾渡河断层对地热资源成生的影响”开展研究，故其对本区地下热水资源成生的确切作用及影响尚有待今后开展进一步工作予以查明。 宜昌百里荒景区南西面普溪坪勘查区，“盖、储、补、滞、热”五个条件均具备，因而施工的地热探采结合井获得了出水水量( ＞ 1 700 m³ / d) 和出水温度( 51℃ ) 均较理想的地热流体，尤其出水温度是目前宜昌地域内发现的地热流体温度最高者。本勘查区按地热的成因分类，乃属于“层状热储为主的单斜构造传导型地热田”。 总之，从本区热储和盖层的分布与特点及可能存在的带状热储对流传热增温等方面来看，赋热地质条件是较好的。而且由目前在百里荒景区南西普溪坪已成功施工的卡塔尔世界杯B组赛程 井再往南东方向，仍存在找到温度更高的地下热水资源的可能，只不过是其埋深将会 ＞3 000 m 甚至达到 4 000 m，且热水的埋深将 ＞ 200 m或更深，这样开发利用的经济风险增大，适宜性亦会显著降低。

2.2地热流体资源成生模式

本地热田分布区位于黄陵断穹东翼单斜构造区内，热储层不仅厚度大，分布广，且较稳定，总体为向南东方向缓倾，推断百里荒一带地下热水的成生过程为:地下水在黄柏河以西的热储裸露区接受大气降水和地表水入渗补给后，总体为往南东方向的区域性最低侵蚀基准面缓慢运移，并在运移过程中接受地球深部热源传导( 还可能接受北面近邻的雾渡河断裂带中地下热水的对流传热加温) 。其成生模式可概括为: 大气降水和地表水入渗补给→侧向径流→地下水流达到一定深度后受到传热加温，属层状热储为主的类型。其成生模式示意图见图 3。

3热储的含、富水性及地热流体的水化学特征

3.1热储的含、富水性

根据地热探采结合钻井的揭露情况，本区热储(奥陶系、寒武系、震旦系碳酸盐岩) 的埋深 ＞ 500 m，静水位埋深在70 m左右( 高出热储顶板400 m以上) 。其上覆地层为不透水—弱透水的志留系砂页岩。热储地层均属可溶性的碳酸盐岩，在钻井施工过程中虽未发现地下溶洞，但在岩屑中普遍可见溶蚀裂隙发育迹象( 如岩屑表面见褐铁矿膜渲染、石灰华沉积及水蚀痕迹等) ，尤其是在主要热储( 寒武系娄山关组) 中更是如此，显示热储中地下水类型为岩溶裂隙承压水。区内探采结合井在施工完毕经洗井后，采用“排水量 80 m³ / h、最大扬程 272 m”的深井潜水泵进行了降压( 抽水) 试验，试验时进行了 3 次水位降低，试验延续总时间为159小时30分，试验结束后稳定静水位埋深68.9 m( 为抽水试验降深起算点) 。试验结果分别为:水位降低 42.07 m( S₁ ) 时，对应出水量Q₁为 6.99L / s( 603.9 m³ / d) ，出水温度51 ℃，本试段持续时间40h，稳定时间20 h，水位与涌水量波动相对误差 0.006 4%和0.006 3% ; 水位降低 73．8 m( S₂ ) 时，对应出水量Q₂为 11.57 L / s( 999.6 m³ / d) ，出水温度51 ℃，本试段持续时间46小时30分，稳定时间24 h，水位与涌水量波动相对误差0.014 2%和 0.024 1% ; 水位降低 134.89 m( S³ ) 时，对应出水量 Q₃ 为 19.7 L / s( 1 702.1 m³ / d) ，出水温度 52 ℃，本试段持续时间73 h，稳定时间 63 h，水位与涌水量波动相对误差 0.014 3% 和 0.015 1% 。 进行抽水试验时，开泵约10 min 后水温即达到 43 ℃，其后温度稳步增加，约 1 h 后达到 51 ℃。在进行最大一次降深( S3 ) 时，最高出水温度为 52 ℃。在进行本次抽水试验工作过程中，温度上升至稳定状态后未出现较明显的波动，至抽水结束时，稳定水温仍为52 ℃。根据现场绘制的 Q = f( s) 曲线( 图 4) ，确定水位降低与出水量呈直线关系，故采用承压完整井公式计算渗透系数与影响半径，公式分别为:

试验成果表明热储中地下水类型为承压水、富水性属中等。本次试验过程的延续时间及各降深的稳定时长、水位与降深数据的相对误差均满足相关规范的要求，所获取的资料成果可靠。

3.2地热流体的水化学特征与评价

根据区内地热探采结合井在抽水试验后所采水化学全分析样的检测结果，地热流体的水化学类型属SO₄、HCO₃—Ca、Mg 型微咸水; pH 值为 7.58; 另外，该井地下热水中的放射性同位素氚，其检测值 ＜ 1 T.U，反映其补给来源主要为 20 世纪 50 年代初期进行核爆试验之前的大气降水，其成生年龄起码 ＞ 67 年; 该水源中氧的稳定同位素18O 的含量为 9．9‰，这点说明该井地下热水的主要补给来源为大气降水。从该水源地的水化学类型为 SO₄、HCO₃—Ca、Mg型和水的矿化度为 1 123 mg /L 可看出，本区地下热水的矿化作用已进入第二阶段，这点与本区为缓倾单斜储水构造、水的径流缓慢，导致地下水与围岩介质间具备较充分的水化学作用条件是相吻合的; 同时也说明热储中的地热流体由于上覆的盖层具有良好的隔水性而未与浅部地表水发生密切联系。本区地下热水中，氟含量为 3.12 mg /L，按《地热资源地质勘查规范》( GB 11615—2006) 中附录 E 所列的“理疗热矿水水质标准”衡量，达到了“氟矿水”的命名浓度标准。“氟泉”被誉为温泉中的“蓝宝石”，堪称温泉中的珍品，除了能杀菌消毒外，对关节炎、高血压、风湿病、偏瘫都有一定的特殊治疗效果。另外，热水中偏硅酸含量和水温分别为 36.08 mg /L 和 51 ℃，均达到“有医疗价值浓度”标准，实为一处难得的“处位适宜、水温得当、水量较丰、水质良好”，适宜于沐浴、理疗康养的温热水水源地。

4开发利用效益初步分析

在百里荒普溪坪施工的地热钻井，按可开采水量1 000 m³ / d( 抽水试验时S2降深对应数据) 估算，年累计可利用热量达 43 079 040 MJ( 年开采天数按 180 d计) ，相当于11 966 400 kWh 电能。在产生相同热量的情况下，按当前农村用电价格0.60元/度估算，每年可节省电费为718 万元; 按使用燃煤估算，包括节煤1 470 t的费用和节省的排污治理费用，每年可节省不下750 万元。

另外，本地热资源开发利用后，按1 000 m³ / d 的开采量估算，将可满足每天2 500人次沐浴的用水需要; 若按一年用水天数180天计、每天沐浴理疗为1 000人次、每人次收费150元估算，则一年营业收入可达2 700万元( 180 × 1 000 × 150) 。在运营期间按照宜昌周边一些地下热水资源开发利用单位的初步调查结果，设备运行费、维护费和人员工资及税费等合计约为营业额的35% ～ 40% 。则年利润不下 1 600万元。因此，只要合理规划，充分利用本区地下热水资源，必将带来良好的经济效益、社会效益和环境效益。

5 结语

宜昌市夷陵区百里荒旅游区普溪坪一带的地下热水资源，热储层主要为寒武系、奥陶系及震旦系的碳酸盐岩构成，盖层主要为志留系砂、页岩; 允许开采量不下 1 000 m³ / d; 出水水温 51 ～ 52 ℃，为目前宜昌市域内可抽水量最大、出水温度最高的地下热水水源地。该地热资源的发现，不仅对今后在宜昌地区内地下热水资源的进一步勘查具有颇大的借鉴意义，而且在开发利用本区地下热水资源后，又必将进一步拓展百里荒景区乃至宜昌市域内的旅游业，填补百里荒旅游区及宜昌市“一小时生活圈”内无温泉度假、理疗沐浴康养场所的空白，届时其经济效益、社会效益和环境效益都会获得同步提高，因而其开发利用前景的广阔性及长效性乃是不言而喻的。