雄安新区地热资源潜力评价

Evaluation of Geothermal Resources of the Xiong’an New Area

摘要

分析地热资源的形成、准确评估地热资源量是实现雄安新区地热资源可持续开发利用、推进碳中和的重要途径之一.本文通过研究雄安新区26口地热勘探井及水质分析、试采试验等数据，对地热田内馆陶组、寒武系、蓟县系雾迷山组、高于庄组热储的空间分布范围及热储特征进行了分析，采用可采系数法和采灌均衡法评价了雄安新区地热资源量.结果表明，采灌均衡法计算的可采资源量和热量远大于开采系数法.采灌均衡法更贴近实际开发条件，且可靠性经过了比拟法验证.采灌均衡条件下全区地热流体可开采资源量为401.77×10⁶ m³/a，地热流体可开采热量为1 013.2×10¹⁴ J/a，折合标准煤346.99×10⁴ t/a.以上研究可优化新区地热资源区划，推动“碳达峰、碳中和”目标实现.

关键词

雄安新区 / 地热能 / 蓟县系 / 采灌均衡 / 碳中和

Key words

Xiong’an New Area / geothermal energy / Jixian System / extraction and reinjection balance / carbon neutrality

0 引言

随着经济的迅速发展，能源短缺问题日益受到重视，地热资源由于其清洁可再生的优点成为新能源的热门选择（王贵玲等，2017a；Long et al.， 2021）.世界地热大会数据显示，2019年全球地热直接利用装机容量1.08×10⁶ MWt，中国为4.06×10⁵ MWt，分别比2015年增长了52%和127%.我国地热能的直接利用量增长迅速，近年来一直保持着世界第一的地位（Lund and Boyd， 2016； Lund and Toth， 2021）.雄安新区成立以来一直贯彻落实国家“推进北方地区冬季清洁取暖”、“蓝天保卫战”的宗旨，推动该地区的地热资源开发利用.在“3060碳达峰、碳中和”目标发布以来，促进地热资源开发利用、推进节能减排将被提升到更加重要的地位.

雄安新区属于典型的沉积盆地古潜山型复合水热系统（张薇等，2019；王贵玲和蔺文静，2020），是我国中东部水热型地热资源开发利用条件最好的地区（王贵玲等，2017a）.前人在雄安新区开展过大量的调查研究工作，周瑞良（1987）、陈墨香（1990）以丰富的低温和大地热流测试数据为基础，对雄安新区牛驼镇凸起地温场形成机制进行了分析，对区域地下热水的形成、性质和开发利用进行了探索；邱楠生等（2017）利用钻井测温资料和实测的岩石热导率数据分析了冀中坳陷的地温梯度、大地热流、热岩石圈厚度、岩石圈热结构等地热特征参数，总结了现今地热特征；王贵玲等（2017b）在分析京津冀地区构造、大地热流、地温梯度等地质背景基础上总结了京津冀地区隆起山地对流型与沉积盆地传导型地热资源的成藏模式与赋存条件；胡秋韵等（2020）采用数值模拟的方法对雄安新区容城凸起地热资源进行了预测；苏永强和李郡（2018）、鲁锴等（2019）、王朱亭等（2019）更加细化了对雄安新区大地热流、地温梯度等地温场数据的研究，这些工作主要集中在地热资源的形成机制、温度场的分布特征等方面，难以满足全区资源量评价及开发利用的需求（王树芳等，2013）.

为进一步推动雄安新区地热开发利用，中国地质调查局2018-2020年实施了系统的地热整装勘查工作，获得了大量的地热参数井、水文地球化学、试采试验等相关数据（朱喜等，2021），本文系统收集了雄安新区26口地热勘探井及物探、试采试验等数据，对馆陶组、寒武系、蓟县系雾迷山组、高于庄组热储的空间分布范围及热储特征进行了分析，评价了采灌均衡条件下的地热资源量，对于推动新区大规模开采利用地热资源、助力绿色雄安建设具有重要意义.

1 研究区地质概况

1.1　构造条件

雄安新区于2017年设立，地处华北平原腹地，由河北省保定市所辖雄县、容城、安新3县以及任丘县七间房乡、鄚州镇、苟各庄镇及高阳县的龙化乡组成，全区面积1 770 km².在区域构造地质上，雄安新区位于华北盆地区（Ⅲ级）的廊坊‒衡水火山‒沉积盆地（Ⅳ级），区内包括廊坊凹陷、容城凸起、牛驼镇凸起、保定凹陷、高阳低凸起、饶阳凹陷、霸县凹陷等次一级构造单元（图1）.根据热储顶板埋深程度，雄安新区可被划分为牛驼镇地热田、容城地热田和高阳地热田.容城地热田位于容城凸起及周边廊坊凹陷、保定凹陷等部分地区（陈墨香，1990）.牛驼镇地热田以牛驼镇凸起为中心，西部由大河镇洼漕与容城凸起相隔，北为廊坊凹陷，东部为霸县凹陷，南部为饶阳凹陷.两凸起地区蓟县系热储顶板埋深多在2 500 m以内.高阳地热田以高阳低凸起为中心，东西位于保定凹陷和饶阳凹陷之间，北部与通过安新转换带与两凸起相连，蓟县系顶板埋深多在3 000 m以下（图1）.

1.2　地层特征

华北克拉通基底由太古宇和下元古界经过褶皱变质形成的复杂结晶变质岩系组成（翟明国等，2014），盖层由两套沉积层组成，中上元古界和下古生界为海相碳酸盐岩，新生界为陆相碎屑岩（Kong et al.，2017）.雄安新区发育地层有新生界、古生界、中元古界和太古界（图2），其中新生界岩性主要为砂层、砂岩及砂砾岩等，导热能力稍差；深部热储岩性主要为蓟县系白云岩，具有较好的热物性特征.区内第四系、新近系和古近系作为蓟县系的覆盖层广泛发育，亦是雄安地热资源优越的必要条件（毛小平等，2018）.

1.3　构造演化

雄安新区的莫霍面埋深约为32~35 km，由北向南逐渐加深.在构造演化方面，以太古宙‒古元古代为克拉通结晶基底形成阶段（Kusky and Li， 2003），之后华北克拉通进入盖层演化阶段，并相应地沉积了较厚的地层（翟明国等，2014）；新元古代‒晚古生代，地层整体升降运动、北部古亚洲洋的南向俯冲以及早中生代华南与华北的碰撞，均对华北克拉通的发展、演化产生了重要的影响（朱日祥等，2012；何登发等，2018）.早中生代后热演化保持稳定（崔悦等，2020），目前的构造格局起于印支运动，期间近南北向的挤压造成区域近东西向的构造格局.燕山运动发育容城断裂等北北东向的逆冲构造，喜山期时构造格局由近南北向的收缩变为北西西‒南东东向的伸展.在此背景下，地层大量剥蚀，岩石圈发生大规模减薄（朱日祥等，2012）.雄安新区在太行山山前断层和一系列次级断层的控制下，发生强烈的伸展块断活动，这一过程持续至古近纪末期（Allen et al.， 1997）.新近纪‒第四纪，雄安新区连同整个渤海湾盆地进入裂后热沉降阶段（马杏垣等， 1983； Allen et al.， 1997；何登发等， 2018）.

2 地热地质特征

雄安新区断裂十分发育，以伸展断层为主，主要有NE向容城断裂、牛东断裂和高阳‒博野断裂，NWW向徐水‒牛南断裂，以及近EW向、呈弧形展布的安新断裂（图1和图3）.容城断裂断至结晶基底（图3剖面A-A’，B-B’），是控制新近系发育的生长断层；牛东断裂是控制牛驼镇凸起和霸县凹陷、断开基底的深大断裂（图3剖面A-A’，B-B’）；高阳、博野断裂是控制古近系厚度和构造的断层；徐水断裂控制容城凸起与保定凹陷的发育，为断开结晶基底的长期活动深大断裂（图3剖面C-C’）；牛南断裂是控制牛驼镇凸起西南边界的正断层，同样也是断开基底、长期活动的深大断裂（图3剖面C-C’）.深大断裂为深部热量的传递提供了运移通道（李卫卫等，2014）.其中，容东断裂走向NNE，为牛驼镇凸起和容城凸起的边界；徐水断裂为走向近EW的正断层，是控制容城凸起和保定凹陷边界的断裂构造；牛南断裂走向近EW，是控制牛驼镇凸起西南边界的正断层；牛东断裂走向NE，是控制牛驼镇凸起与霸县凹陷的大断裂；高阳断裂走向NE，是控制古近系厚度和构造的断层.这些断裂不仅控制区域构造格局，同时为地热流体提供运移通道，对雄安新区深部地热系统的形成具有十分重要的意义.

研究区发育地层有新生界（第四系、新近系）、古生界（寒武系、奥陶系）、中元古界（青白口系、蓟县系、长城系）和太古界（深变质岩）.中元古界蓟县系雾迷山组在区内均有分布（图4），沉积厚度变化较大，500~1 500 m，岩性主要为含燧石条带白云岩、巨厚叠层石白云岩、沥青质白云岩和粉砂泥状白云岩夹薄层棕红、灰绿色泥岩.整个渤海盆地大地热流值多在60~65 mW/m²之间（王良书，2002； Furlong and Chapman， 2013），雄安新区位于区内热流值较高的地区，结合实测数据，热流值取70 mW/m²（马峰等，2020）.

根据勘探孔数据（图1），研究区有砂岩孔隙型热储和基岩裂隙型热储两种热储类型.孔隙型热储包括新近系明化镇组和馆陶组砂岩热储，均在区内广泛分布，但明化镇组由于新区政策等原因一直处于禁采状态，故评价时不考虑；馆陶组热储在牛驼镇凸起西部和高阳低凸起以及周边凹陷地区广泛分布，并在容城、牛驼镇两凸起中间的大河镇洼槽处也有发育；裂隙型碳酸盐岩热储主要包括寒武系和蓟县系热储，分布于牛驼镇凸起、容城凸起和高阳低凸起（图1），呈北东向连续分布.根据雄安新区部署的26口地热勘探孔及相关资料，笔者绘制了穿过雄安新区的3条剖面（图1和图3），基本厘清雄安新区热储空间特征.

2.1　馆陶组热储特征

平面上，馆陶组砂岩孔隙型热储在廊固凹陷和牛驼镇凸起及保定凹陷大部分缺失，在其他地区和大河镇洼槽区分布（图4）.从剖面A-A’来看，垂向上馆陶组热储在容城地热田南部开始出现，位于新近系明化镇组以下，古近系东营组之上，向南进入高阳地热田内保定凹陷和高阳低凸起范围，埋深自D18处1 037.5 m到D34井1 538.3 m，呈缓慢下降的趋势，厚度215~330 m.剖面B-B’、C-C’也显示热储进入高阳低凸起东西侧后沉积于馆陶组，埋藏深度、厚度与剖面A-A’特征一致.大河镇洼槽地区馆陶组呈碗状发育，依该区内猛进庄地热井揭露情况，地层顶界埋深约为1 000~1 400 m，地层厚度最大约800 m.馆陶组岩性以砂岩、砂砾岩为主，呈微固结‒半固状态.热储层数一般为5~11层，单层厚度一般为7~15 m，最薄2.0 m，最厚可达33.3 m.砂厚比为29.2%~51.4%，孔隙度在22%~30%.热储中部温度为47.1~74.9 ℃.水化学类型以Cl·HCO₃-Na型及Cl-Na型为主（图5），pH一般在8.00~8.72，属于弱碱水，TDS含量为0.97~2.89 g/L.涌水量为20~70 m³/h（吴爱民等，2018），单位涌水量一般为0.24~1.04 m³/（h·m）.

2.2　寒武系热储特征

寒武系热储在区内分布范围较小，平面上主要分布在容城县西部的容西断裂以西，D12、D21、D23井3口勘探孔揭露有炒米店组、崮山组、馒头组、张夏组等，各层厚度普遍较小，故视为一组，统称寒武系热储.剖面C-C’显示了寒武系的展布情况，在容城凸起西侧斜坡之上以45°~50°沉积在蓟县系之上，上覆地层为古近系.岩性主要为灰岩、白云质灰岩、鲕状灰岩，多夹有泥岩、泥灰岩等.岩溶裂隙发育，地层储厚比为16.5%，岩溶裂隙发育程度一般.揭露热储厚度722~1 084 m，顶界埋藏深度1 185~1 996 m，热储温度50~63 ℃.水化学类型以Cl-Na型为主（图5），pH值7.26~9.35，属于弱碱水，TDS含量为2.21~2.45 g/L.涌水量为30~60 m³/h，单位涌水量一般为0.24~0.44 m³/（h·m）.

2.3　蓟县系热储特征

蓟县系广泛分布于容城凸起、牛驼镇凸起和高阳低凸起及周边地区，整体呈北东向连续分布.以雾迷山组和高于庄组为主，局部揭露杨庄组，厚度较小.全系岩性主要为白云岩、燧石条带白云岩、泥质白云岩等.

2.3.1　雾迷山组热储

上部雾迷山组岩溶裂隙发育空间差异性较大，总体呈现裂隙发育、连通性好的特征.3条剖面显示蓟县系热储空间分布变化特征明显，在容城凸起、牛驼镇凸起顶部埋藏较浅，向凸起两侧至凹陷处埋深迅速增加，总体形态为“三凹三凸”，特别是北部呈现“两山夹一槽”的特征.受容城断裂、牛东断裂、徐水断裂、牛南断裂等影响，厚度变化较大且无规律性.

在容城凸起（D13附近）、牛驼镇凸起（D03）的顶部热储埋深减至600~800 m左右，两凸起形态相似，凸起斜坡处埋深约1 200~1 600 m，两者中间的洼槽处（D15、D05）以及两凸起的外侧凹陷区（D12、D04）埋深超过2 500 m.剖面A-A’、B-B’显示容城断裂两侧雾迷山组厚度变化巨大，凸起中心（D13附近）局部缺失，明化镇组直接覆盖于高于庄组之上，呈不整合接触，太古界揭露深度2 165 m，明显浅于其他地区；剖面A-A’显示凸起中心向北，雾迷山组厚度明显增大，D11孔揭穿厚度850 m.容城断裂东侧D18、D19及周边区域受容城断裂影响，与西侧地层明显不同，D19孔雾迷山组埋深深至2 920 m，厚度明显增大，最厚处超过800 m.结合剖面C-C’来看，整个储层在容城凸起呈西北厚、中间薄的特征；牛驼镇凸起呈现东北厚、南部薄的特征.

高阳低凸起地区雾迷山组埋藏深、厚度小，现有钻孔显示埋深在3 483~3 853 m，揭穿厚度在29~193 m.北部与两凸起相交的安新转换带地区受徐水断裂和牛南断裂影响，蓟县系埋深下降至4 000 m，并沉积更加厚的古近系，整体厚度超过2 500 m.

雾迷山组热储温度多在65~85 ℃之间，涌水量为30~198 m³/h，单位涌水量1.1~6.1 m³/（h·m）.水质类型以Cl-Na为主（图5），pH值7.09~8.63，属于弱碱水，矿化度1.40~2.96 g/L.雾迷山组热储较馆陶组热储埋藏更深、温度更高，地热水与热储围岩的水‒岩相互作用更为强烈，因此水化学组分含量更高.

2.3.2　高于庄组热储

高于庄组多下伏于杨庄组之下，容西斜坡带、容城断裂附近和牛驼镇凸起顶部等杨庄组缺失地区与雾迷山组直接接触.其下多为长城系大红峪组，容城断裂附近缺失.高于庄组顶板埋深在895~3 693 m，变化巨大.在容城凸起、牛驼镇凸起顶部埋藏相对较浅，特别是部分地区高于庄组与上覆盖层直接接触，中间古近系、蓟县系雾迷山组等缺失.凹陷与高阳低凸起区埋藏较深，多在2 500 m以下.储层厚度变化也较大，一般在174~1 240 m，受容城断裂影响，容城凸起中部，D20附近最薄，揭穿厚度88 m，而容城凸起西部（D16、D22）厚度达1 556 m.容城断裂断至太古界基底，太古界侵入至2 000 m以内，造成两侧地层发生巨大变化，是影响新区热储空间特征、温度、水量的重要断层.其附近的XK03-1、D13、D17、D20等井都钻遇太古界，热储层减薄至百米左右，断裂带附近呈现蓟县系热储埋藏浅、厚度小、温度高、水量小的特点.高于庄组热储温度65~123 ℃，单井涌水量30~ 170 m³/h，单位涌水量0.2~5.3 m³/（h·m）.水质类型以Cl·HCO₃-Na型及Cl-Na型为主（图5），pH值6.92~8.56，属于弱碱水，矿化度2.32~3.68 g/L.图5显示深部3层碳酸盐岩热储水化学特征较为相似，而浅部馆陶组热储各离子含量差距较大，两者区别明显，且前者TDS比后者高（刘明亮等，2020）.

3 地热资源量计算

笔者在各勘探孔进行热储产能测试，获取各孔目的层水文地质参数，试验参照《地热资源地质勘查规范》（GBT11615-2010）进行.抽水前要进行测井和试抽水，测井可掌握热储层裂隙分布段位置，根据试抽水情况，选择与扬程、出水量、耐温度、功率等技术指标相适宜的热水泵型号，初步确定抽水最大降深（S _max）并采用水位恢复法初步确定最高热水位埋深.抽水试验采用无观测井、稳定流的方法，通过涌水量及所对应的井中水位降深计算热储层渗透系数等水文地质参数.最终计算出地热资源量、地热流体储存量、地热流体可开采量、地热流体可开采热量4个主要指标.

3.1　评价方法

选择热储法和采灌均衡法进行资源量评价，热储法是以往地热资源评价、地热勘查等工作中常用的计算地热资源量方法（朱喜等，2016； Wang et al.， 2019），方法成熟，适用性广.采灌均衡法基于热突破公式（刘志明，2016），考虑了热储回灌，符合实际开发条件.

（1）地热资源量计算.采用热储法计算，计算公式如下：

\begin{array}{l}Q=C_{\mathrm{r}}{\rho }_{\mathrm{r}}\left(\mathrm{1}-\phi \right)V\left(T_{\mathrm{1}}-T_{\mathrm{0}}\right)+\\ C_{\mathrm{w}}{\rho }_{\mathrm{w}}{q}_{\mathrm{w}}\left(T_{\mathrm{1}}-T_{\mathrm{0}}\right)\end{array}，（1）

式中：Q为地热资源量，kJ；C _r、C _w分别为热储岩石比热和水的比热，kJ/（kg·℃）；ρ _r、ρ _w分别为热储岩石密度和水的密度，kg/m³；φ为热储岩石孔隙率（或裂隙率）；q _w为流体储量，包括容积储量和弹性储量，m³；T ₁为热储温度，℃；T ₀为恒温层温度，℃，取14.5 ℃；V为热储体积，m³.

（2）地热流体储存量计算.包括容积储存量与弹性储存量两部分.计算公式如下：

Q_{\mathrm{储}} = \phi V + S A \left(H-h\right)，（2）

式中：Q _储为地热流体储存量，m³；Φ为热储岩石孔隙率（或裂隙率）；V为热储体积，m³；S为弹性释放系数；H为平均承压水头标高，m；h为平均热储顶面标高，m；A为评价热储面积，m².

（3）地热流体可开采量计算.该指标是评价地热资源丰富与否的最重要参数，本文采用开采系数法和采灌均衡法2种方法进行计算.

①开采系数法：

Q_{\mathrm{w}\mathrm{k}} = Q_{\mathrm{储}} · X，（3）

式中：Q _储为地热流体储存量，m³；X为可采量系数，其中裂隙型层状热储层，X取值5%（100 a）.

②采灌均衡法.计算动态资源量的约束条件：首先，设定100 a作为地热资源可持续利用的时间尺度；其次，水温百年最大下降量定为2 ℃，水位百年最大下降量50 m.按采灌均衡条件下开采100 a，消耗15%的地热储量，考虑大地热流及周边对热储层热能的补给作用，区域平均大地热流按照70 mW/m²计算，100 a内大地热流对热储层能量的补给按照总热流量的10%进行补给，根据热量平衡计算影响半径，确定允许开采量.

R = \sqrt[]{\mathrm{1}-\alpha \beta } \times \sqrt[]{\frac{tf{Q}_{\mathrm{抽}}}{\mathrm{0.15}H\pi }},（4）

f = \frac{{\rho }_{\mathrm{w}}{C}_{\mathrm{w}}}{{\rho }_{\mathrm{e}}{C}_{\mathrm{e}}},（5）

{\rho }_{\mathrm{e}} C_{\mathrm{e}} = {\rho }_{\mathrm{r}} c_{\mathrm{r}} \left(\mathrm{1}-\phi \right) + C_{\mathrm{w}} {\rho }_{\mathrm{w}} \phi,（6）

\alpha = \frac{Q_{\mathrm{回灌}}}{Q_{\mathrm{抽}}},（7）

\beta = \frac{T_{\mathrm{2}}-T_{\mathrm{0}}}{T_{\mathrm{1}}-T_{\mathrm{0}}},（8）

Q_{\mathrm{允}} = \frac{A{Q}_{\mathrm{抽}}}{\pi R^{\mathrm{2}}} = \frac{\mathrm{0.15}AH}{(\mathrm{1}-\alpha \beta )tf},（9）

式中：R为采灌均衡条件下的影响半径，m；α为回灌率，考虑热储岩性、孔隙裂隙发育情况，孔隙型层状热储层取30%、岩溶型层状热储层取90%、裂隙型层状热储层取50%；β为回灌前后流体温度差比值；t为时间，取100 a，36 500 d；f为水的密度和比热乘积与岩体总密度和比热乘积之比；ρ _w、ρ _r分别为热储水和岩石的密度，kg/m³；C _w、C _r分别为热储水和岩石的比热，kJ/（kg·℃）；φ为热储岩石孔隙度；Q _回灌为回灌量，m³/d；Q _抽为20 m水位降深时，单井涌水量，m³/d；T ₁为热储温度，℃；T ₂为回灌温度，取25 ℃；T ₀为恒温层温度，℃；Q _允为采灌均衡条件下允许开采量，m³/d；A为评价面积，m²；H为热储层厚度，m.

（4）地热流体可开采热量计算.地热流体可开采热量可用下式计算：

Q_{\mathrm{p}} = Q_{\mathrm{w}\mathrm{k}} C_{\mathrm{w}} {\rho }_{\mathrm{w}} \left(T_{\mathrm{1}}-T_{\mathrm{0}}\right),（10）

式中：Q _p为地热流体可开采热量，kJ/d；Q _wk（Q _允）为地热流体可开采量，m³/d；C _w为地热流体的比热，kJ/（kg·℃）；ρ _w为地热流体的密度，kg/m³；T ₁为热储温度，℃；T ₀为恒温层温度，℃.

根据公式10分别求取两种地热流体可开采量计算结果的可采热量.

3.2　热储分区

根据热储条件将新区分为数个区块并分别计算各自的地热资源量.以构造单元和雄安新区边界作为一级分区界线；以断裂、地层缺失线、地层厚度变化较大的界线、热储顶板埋深等值线、地温场等值线作为二级分区界线依据进行细分（图6），馆陶组共8个子区，寒武系共2个分区，蓟县系共18个分区.

3.3　计算参数选取

计算深度上，容城、牛驼镇地热田为4 000 m；高阳地热田由于盖层巨厚，蓟县系热储埋深一般在3 500 m以下，考虑实际开采条件，定为 4 500 m.根据各分区的地热地质特征赋予相应的热储参数（表1），其中面积依据Mapgis软件从图上求得，厚度、储厚比、热储温度依据测井数据获得，水位埋深依据动态监测数据获得，岩石密度、岩石比热、孔隙率通过岩心取样获得.水的密度根据相应分区热储温度查表求得，水的比热为4 186.8 J/（kg·℃），压缩系数：寒武‒奥陶系热储为3.96 MPa^-1，其他为3.60 MPa^-1.

3.4　评价结果

根据分区情况分层计算各热储的地热资源量、地热流体储存量、地热流体可开采量和地热流体可开采热量（表2和表3），后2种结果采用开采系数法和采灌均衡法分别计算.

雄安新区评价总面积1 637.12 km²，全区馆陶组、寒武系、蓟县系雾迷山组以及高于庄组4个热储层地热资源量5 928.66×10¹⁶ J，地热流体储存量376.69亿立方米.开采系数法计算全区地热流体可开采资源量为18.84×10⁶ m³/a，地热流体可开采热量为37.86×10¹⁴ J/a.采灌均衡条件下全区地热流体可开采资源量为401.77×10⁶ m³/a，地热流体可开采热量为1 013.2×10¹⁴ J/a.折合标准煤346.99×10⁴ t/a.

4 讨论

研究显示，开采系数法计算可采资源量和热量远小于采灌均衡法计算结果.开采系数法依靠地热流体可开采量与流体温度计算地热田的产能，未考虑地热回灌以及周边热量补给，是静态资源量.采灌均衡法则更贴近实际开发条件，地热井的开采与回灌实质上就是地下热储内部热量的提取（热）和蓄存（冷）过程，在当前可持续发展战略下，回灌已经提升到与开采同等重要的地位.雄安新区等地已明确要求地热开采必须全部回灌，要求地热井回灌可以维持热储压力，对于无回灌井的开采井一律封停，保证热储水量不发生明显变化，实现地热资源持续开发利用.采灌均衡要求开采出的水量100%回灌.上述条件下，回灌井产生水量补给，开采井只开采了地下热储的热量.

雄安新区雄县城区进行了多年的地热开发，可采用比拟法验证其可靠性.根据河北地矿局编制的《中石化绿源地热能开发有限公司雄县分公司雄县城北地热井地热地质勘查报告》，开采区面积4.647 km²，热储顶板埋深为800~1 000 m，水温63~78 ℃，回灌尾水温度30~36 ℃，每年的地热流体开采量与回灌量均为190万立方米，多年来热储水位、温度未有明显变化.雄安全区开采区面积1 637.12 km²，考虑雄安新区热储分布特征空间差异明显，厚度、单井涌水量等地热资源条件优越地区 1 336 km²，约占全区80%.热储顶面埋深为800~4 500 m，水温50~120 ℃，回灌尾水设定25 ℃，经类比，雄安新区年地热流体开采量应为5.46亿立方米.雄县县城地区在热储类型、孔隙度、渗透性、影响半径等参数方面在全区具有典型性和代表性，本次评价的年地热流体开采量4.01亿立方米小于比拟法结果5.46亿立方米，具有一定的可靠性.

从计算结果来看，蓟县系雾迷山组热储为主要热储层，地热流体可开采热量为553.44× 10¹⁴ J/a，超过总量的50%.馆陶组分布广、面积大，可采热量约占22%，但砂岩热储回灌难度大，具备可采价值但势必会增加开采成本.高于庄组约占22%，热储温度高、水量大，但埋藏深度更深，当前钻探成本较高，可作为未来潜力热储层.

从全区地热资源分布来看，容城、牛驼镇和高阳地热田地热资源分布范围广，其中高阳地热田占总资源量的42.28%，其次牛驼镇占35.13%，容城占22.04%，热储温度为50~120 ℃.目前前两者适宜以供暖的形式进行大规模开发；高阳地热田地热资源埋藏相对更深，但温度普遍较高，潜力大，除供暖外还宜开展梯级综合利用.

本文对雄安新区采灌均衡法资源评价的约束条件进行了规定：（1）雄安新区地热可持续利用时间尺度时间太短与“千年大计”历史定位不相符，太长会限制地热开采的发展趋势，可设定100 a作为雄安地热可持续利用的时间尺度.（2）水温百年最大下降量定为2 ℃，水位百年最大下降量定为50 m，以此作为计算动态资源量的约束条件.采灌均衡法考虑了时间尺度（100 a）、热传导、热对流补给等作用，其中热对流的作用十分重要.建议后续资源评价时，更加注重对地下水位降深的限制.

5 结论

（1）雄安新区地热资源丰富.孔隙型的新近系馆陶组热储以及基岩裂隙型的寒武系热储、蓟县系雾迷山组热储和高于庄组热储广泛发育，埋藏深度适中，温度较高.馆陶组在牛驼镇、高阳地热田普遍发育，厚度稳定；寒武系只在容城凸起西侧斜坡地区发育，厚度数百米但裂隙发育程度一般；蓟县系作为主要热储层在全区广泛分布，容城凸起、牛驼镇凸起顶部热储埋深较浅，其他地区埋深较大；受断裂控制，热储层厚度变化明显.

（2）通过热储法计算了全区地热资源量为5 928.66×10¹⁶ J，地热流体储存量376.69亿立方米.采用热储开采系数法和采灌均衡法计算了雄安新区地热资源量，采灌均衡条件下全区地热流体可开采资源量为401.77×10⁶ m³/a，地热流体可开采热量为1 013.2×10¹⁴ J/a，折合标准煤346.99×10⁴ t/a.

（3）雾迷山组热储为主要热储层，地热流体可开采热量为553.44×10¹⁴ J/a，超过总量的50%.馆陶组与高于庄组各占22%左右，考虑开采成本情况下可作为未来潜力热储层备用.

（4）雄安新区宜统筹考虑资源开发、保护与管理.开发层位应以雾迷山组为主，高于庄组次之，馆陶组作为补充.开采方式采用“取热不取水”模式，地热流体经开采、换热、过滤、回灌实现地热资源循环利用.开发目的应首先考虑地热供暖，并根据新区详细规划和开采温度补充农业、渔业、康养等设施.通过统一管理，以灌定采，强化资源管理对生态环境的源头保护作用.完善制度，注重热储水位、水温、采灌水量的动态监测和信息化建设，实现地热资源的有效、动态和精准管理.

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基金资助

国家科技研发计划项目(2019YFB1504101)

河北省自然科学基金(D2021504041)

中国地质调查局地质调查项目(DD20221676)