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,地質構造獨特,地熱資源潛力巨大,已成為地熱能開發的重要目標區域。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對推動區域經濟發展、優化能源結構和保護生態環境具有重要意義。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。研究成果填補區域地熱資源勘查的空白,為高效開發和可持續利用提供理論依據。經科學合理開發, 石泉村地熱資源有望成為促進地方經濟發展的重要動力,同時為全國類似地區提供可借鑒的開發模式。

1 區域地熱地質條件

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,構成優質儲熱與隔水體系。區域構造活動頻繁,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,區域的巖溶作用顯著,裂隙和溶洞發育,結合隔水性較強的蓋層, 共同形成優良的地熱儲層體系。復雜地質背景為石泉村地熱資源的富集與開發奠定基礎。石泉村地熱資源受區域構造、熱儲層與蓋層條件的綜合控制,具備優越的地熱地質條件。

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育程度最高, 是區域內地熱資源的主要富集區。熱儲層的溫度為 25~61 ℃,能夠滿足地熱溫泉及相關產業開發需求。 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系。第四系沉積物與志留系泥巖共同構成優質的隔水和保溫系統,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 地熱場分布規律與資源富集區

石泉村地熱資源的分布主要受區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。在背斜核部及其兩翼,構造應力引發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,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,為開發提供科學依據。

2.1.1 地溫梯度與儲量計算方法

根據地質調查和鉆孔數據,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域,熱流異常顯著,表明該區域導熱性能較強,是地熱流體的重要遷移和富集區。根據《地熱資源地質勘查規范》 (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。基于區域地質資料和勘查數據,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,構成穩定的地熱資源儲備區。區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 ℃,流量穩定,經估算,日可開采量約為 2 000 m3,符合地熱溫泉及相關產業開發要求。小蛇屋山地熱水形成機理如圖1所示。

2.2 地熱資源開發潛力評估

石泉村地熱資源開發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

根據區域地質調查和鉆孔測溫數據,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、農業種植、養殖加溫及工業用水加熱等應用,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定。隱伏斷裂等主要斷裂系統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并吸收地溫梯度熱能。區域水動力條件優越,熱儲層循環能力強,補給充足且排泄穩定,為長期開發提供可靠保障。

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。鉆孔數據估算顯示,熱流體日可開采量達2 000 m3,單井開采能力強,足以滿足商業化開發需求。地熱資源分布集中且富集范圍明確,為高效開發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高效開采。資源適合直接或梯級利用,技術成熟且經濟性強。

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的關鍵環節,其科學性直接影響資源開發的效率與效益。在石泉村,井位選址應以地質構造和資源富集區為基礎,優先選擇靠近隱伏斷裂、高鐵嶺斷裂及其周邊區域的斷裂延伸部位及碳酸鹽巖熱儲層交匯區域,這些區域導水性能良好且資源富集。裂隙發育區和儲層滲透性高的地帶也是優選位置,以確保資源開發的穩定性和效率。選址還需要兼顧熱儲層厚度大、溫度較高(40~61 ℃) 的區域,同時避開補給不足或排泄強度過大的區域。 結合廣域電磁法成果,在地熱異常帶集中分布區域布設井位,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)、靠近基礎設施的區域,降低鉆井成本,并避開生態敏感區和居民集中區,減少對環境的影響,確保資源開發的可持續性。

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良條件。化探工作通過氡氣測量圈定地熱異常區域,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。氡氣高值區與物探低阻區的高度重合進一步驗證這些區域為地熱資源富集區,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域及隱伏斷裂集中帶。這些結果為后續的井位布設提供科學依據。

3.2.2 優選井位布局

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化,以提高熱流體開采的效率和經濟性。 井位優選布局的原則包括3個方面。一是優先選擇靠近隱伏斷裂的區域,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與物探低阻區交匯部位布置井位,確保資源開發的穩定性和可持續性;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,以保障開采的安全性和經濟性。基于上述原則, 提出井位優化建議。第一,布置井位于小蛇屋山地熱田中心區域,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,是地熱開發的理想選擇。第二,在隱伏斷裂東南延伸帶布置井位,該區域與碳酸鹽巖儲層交匯,儲熱性能優越,適合作為補充開采井。第三,選擇高鐵嶺斷裂交匯區布置井位, 該區域熱流體補給充足,井位布局有助于提升資源開采率,可作為后備井位使用。該優化布局充分考慮儲層特性、資源富集區分布及施工條件,既降低鉆井成本,又提高單井開采效率,為地熱資源的規模化開發奠定堅實基礎。

3.3 井位建議

根據石泉村地熱資源勘查的物探、化探和地質調查成果,結合區域地熱資源分布特點與開發需求, 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域(東經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主井,主要用于開采地熱流體,以滿足溫泉開發及農業綜合利用需求。隱伏斷裂東南延伸井(井位2) 位于隱伏斷裂的東南延伸區域(東經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,具備優良的儲熱條件。其功能定位為輔助開發井,用于保障熱流體供給的穩定性,并提升整體開采效率。高鐵嶺斷裂交匯區井(井位3)位于多條斷裂交匯區域(東經1 14.615°,北緯29.917°), 裂隙系統發育,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,為后期擴展開發或其他用途提供資源保障,以支持區域地熱資源的長期可持續開發。

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測地溫、流量、礦化度和水質等水文地質參數,動態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,建議在主井開發的基礎上配套回灌井,形成閉合的水循環系統,實現資源的可持續開發。同時,建議避開生態敏感區,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境的污染,從而實現資源開發與生態保護的雙贏。另外, 規劃輸送管道,減少熱損失,部署監控系統實時監測流體溫度、壓力及流量,保障安全與持續利用。

4 結論

綜合分析嘉魚縣高鐵嶺鎮石泉村的地質構造、 熱儲層特性及地熱資源分布規律,可以明確區域地熱資源的開發優勢和潛力。研究發現,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,覆蓋層具有優質的隔水和保溫性能,為資源的富集和開發提供保障。同時,優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。科學鉆探技術與資源回灌措施可有效降低環境影響,實現資源可持續開發。 研究成果不僅填補區域地熱資源勘查的空白,還為推動當地綠色能源開發和經濟發展提供重要支撐,為類似區域的地熱資源開發提供借鑒。