河南省中深层地热资源勘查开发潜力与模式研究

董寒杰，孙健，王冠华，马畅

(1.河南省有色金属地质矿产局第一地质大队， 河南 郑州 450016； 2.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心， 河南 郑州 450016； 3.河南省有色金属地质矿产局第六地质大队， 河南 郑州 450016； 4.河南省有色金属地质矿产局第七地质大队， 河南 郑州 450016)

0 引言

地热能是一种储量丰富、分布较广、稳定可靠的可再生能源。地热资源的开发利用有助于调整能源结构、提高环境质量和治污防霾，大力开发利用地热能，对深入贯彻习近平生态文明思想，落实碳达峰、碳中和目标具有重要意义(黄建军等，2021)。河南省位于华北平原南部，中深层地热资源热储分布面积约占整个省内国土面积的四分之一，主要分沉积盆地传导型和隆起山地对流型两大地热资源类型，多以地热水的方式出现(周强，2018)。目前已探明的经济型地热资源总量折合115亿吨标准煤，可减少CO2排放301亿吨、SO2排放9770万吨。积极开发利用地热能，既可以作为清洁能源在发电、供暖、洗浴、生态种养殖等方面直接利用，又可以在治理雾霾、节能减排等方面起到巨大的作用，为大气污染防治攻坚战提供能源替代，对促进生态文明建设和黄河流域高质量发展等具有重要的现实意义和长远的战略意义(张维等，2020)。

河南地热资源丰富，但勘查程度较低，开发利用方式较为单一，严重制约地热资源规模化产业化开发。笔者立足河南地热资源禀赋条件，总结河南中深层地热资源分布规律和资源潜力，详细分析了雄安模式和天津经验的借鉴意义，探讨适合河南地热产业高质量发展的开发利用模式，对河南中深层地热合理开发和可持续发展具有一定的指导意义。

1 河南省中深层地热资源及潜力

1.1 地质构造特征

河南省位于华北陆块南部，处于我国第二阶梯向第三阶梯的过渡地带。以栾川—确山—固始深大断裂为界，可分为中朝准地台和秦岭褶皱系两个一级大地构造单元。在基底构造及深大断裂控制作用下，形成了一系列的次级坳陷盆地和断块隆起。以近东西向的新乡—商丘深大断裂为界，断裂以北凹陷和凸起多呈北北东向相间分布，自西向东分别为汤阴断陷、内黄凸起、东明断陷等。新商断裂以南地区，由于受近东西向基底构造线方向影响和深大断裂控制，凹陷和凸起多呈东西向或北西向展布，自北向南分别为济源—开封凹陷、通许凸起、周口凹陷等(图1)(魏庆龙等，2018；王现国，2020)。在凸起区大部分地段缺失古近系地层，而凹陷区古近系厚度最厚可达4000 m以上。古近系以后，本区继续大幅度下降接受沉积，堆积了厚度500～1000 m 不等的新近系、第四系松散堆积物(宇洁等，2011)。本区热储地层由老至新主要为古生界寒武系、奥陶系，新生界新近系(王现国，2020)。

图1 河南省构造单元简图(据龚晓洁等，2019修改)

地质构造对地热资源具有明显控制作用，特别是一些深大断裂往往成为导水、导热的地下热源通道。研究区对地热资源影响较大的主要控热、导热断裂有青羊口断裂、太行山东麓断裂、聊城—兰考断裂、盘古寺—新乡断裂、新乡—商丘断裂、五指岭断裂、三门峡—鲁山断裂等。

据《河南省地热资源调查与开发利用保护区划报告》资料，全省大地热流值最低点为21.9 mw/m2，位于驻马店凹陷区的确山县；大地热流值最高点为92.1 mw/m2，分布在菏泽凸起区的范县。全省大地热流平均值53.97 mw/m2，略低于华北盆地大地热流值58.6 mw/m2。河南省大地热流值总体分布趋势为：在坳陷盆地内，凸起区大地热流值高于凹陷区，构造发育部位大地热流值相对较高；而隆起区和山前地带除局部地段外，一般大地热流值较低。

图2 河南省主要热储特征简图

1.2 地热资源成因类型及分布

根据地热田所处的大地构造环境、沉积相特征及地温场成因机制，地热田类型可分为沉积盆地传导型和隆起山地对流型两种。另外，在隆起山地和沉积盆地的局部地区存在受沉积盆地和断裂构造双重作用控制的对流—传导混合型地热田(王现国，2020)。

(1)沉积盆地型地热资源分布规律：主要分布在河南省东部的黄淮海冲积平原及西部的山间盆地，为河南省主要地热资源类型(王继华等，2009；黄光寿等，2019)，其热储介质为胶结较弱的砂岩和碳酸盐岩(图2)，多呈层状产出，地热水多为孔隙水或岩溶裂隙水，深大断裂往往构成地热田的边界。在沉积盆地区，新生界热储层主要分布在凹(断)陷区。华北断坳盆地的汤阴断陷、东明断陷、济源—开封凹陷、周口凹陷、驻马店凹陷及洛阳盆地均有新生界热储分布且厚度巨大。其中东明断陷、济源—开封凹陷、周口凹陷内，新生界最大厚度超过4000 m，根据地温梯度推算，4000 m深度热储温度一般大于90 ℃；新生界热储层在凹(断)陷、凸起区分布差异明显。东部沉降平原新生界储层的厚度、涌水量均优于山间盆地区，东部沉降平原内的凹(断)陷区又优于凸起区，凹陷盆地与凸起的过渡地带尤其较好，如周口凹陷南北部的周口、上蔡等地，地热井涌水量相对丰富。

(2)隆起山地型地热资源分布规律：主要分布在河南省西部隆起的基岩山区，地表多以温泉的形式出露或显示。热储介质主要由岩浆岩、变质岩和古生代沉积岩组成，盖层较薄，隔水性能稍差。地热水通道主要由断裂及其次生裂隙构成，热源主要通过地下水深循环后沿断裂通道或溶隙裂隙对流传递，局部地区深部断裂和次生裂隙将地壳深部的热水直接导出地表，与地表冷水混合后溢出成为温泉(黄光寿等，2019)。

1.3 地热资源潜力

河南省中深层(水热型)地热可采资源主要分布于沉积盆地、隆起山地，呈带(点)状分布。在不考虑回灌前提下，按100年开采年限计，估算全省地热可采流体量为9.15×108m3a-1，可利用热能量为198.73×1012KJ a-1，折合标准煤为1151.84×104t a-1。其中，沉积盆地型地热可开采流体量为9.09×108m3a-1，可利用热能量为197.78×1012KJ a-1，折合标准煤为1146.44×104t a-1；隆起山地型地热可开采流体量为569.2×104m3a-1，可利用热能量为0.95×1012KJ a-1，折合标准煤为5.40×104t a-1。

河南省中深层地热资源分布广泛，全省25%的国土面积均蕴藏水热型地热资源(苏灿民，2016)。中东部平原地区新近系孔隙性热储厚度稳定，水温水量均能满足开发利用需要，周口凹陷之郸城凸起最高地温梯度为3.81 ℃/100 m，最高水温可达 85 ℃，水量60～80 m3d-1；北部和中东部平原区中生界以下奥陶—寒武系灰岩埋藏深度适中(多不超过3000 m)，厚度大，在近构造部位岩溶裂隙更为发育，易于回灌，是较为理想的热储层，在通许凸起西部新郑市五指岭断层附近一地热井，最高出水温度可达89 ℃。天津市利用地板采暖、热泵等相关技术，多级次地从地热流体中提取热能，使热能得到充分利用。目前已形成以地热供暖为主体，集温泉理疗、旅游度假、生活洗浴、种植养殖等多领域综合利用(王安民等，2014)。据此推断，河南省中深层地热资源开发利用前景十分广阔。

2 河南省地热资源勘查开发现状

中深层地热勘查2012年之前，河南省主要以区域性及重点城市的地热地质勘查为主，典型的地热资源勘查区主要集中在热储条件较好、分布集中稳定且民采利用较为密集的区域进行，未能形成全面的、系统的摸底排查，且勘查层位大多以新近系孔隙型热储为主，勘查精度低，地热资源勘查技术手段单一，没有针对地热田进行详细的勘查工作，地质调查基础工作较为滞后。2011—2018年省财政共安排地热地质调查项目22项(图3)，地热地质调查项目主要以岩溶热储为重点，一般都设计实施了地热井工程，对中深层地热资源的分布规律和赋存条件以及地热流体产量，有了进一步的了解，但尚难满足产业化、规模化开发的需要。

河南省目前中深层地热开发形式分为温泉利用和井采，全省总体以开采新近系松散岩热储层地热水为主，开采总量约为6781.03×104m3a-1。地热井深度在300～3318 m之间，以开采低温地热资源为主，开采深度多为800～1300 m，深度大于 1500 m 的地热井数量较少(龚晓洁等，2019)。主要分布在郑州、开封、濮阳、新乡、漯河、许昌、洛阳、安阳等主要城市城区及东部平原中部的部分县市。地热开发用途除部分地区用于城市供水外，其它地区主要利用于洗浴及浴疗，其次为养殖、矿泉水生产、旅游、供暖(如濮阳市清丰县、开封市兰考县等)等方面(图4，图5)。河南地热勘查开发存在勘查投入不足、资源家底不清(王继华，2009)、开发利用模式单一、地热产业化和规模化程度低、管理体制不顺，制约着地热产业的发展，无统一规划，难以形成良性发展等主要问题。

图3 河南省地热勘查部署程度图(据张维等，2020修改)

图4 地热资源可采量和折合标准煤对比图

图5 地热供暖面积和利用率对比图

3 中深层地热资源勘查开发模式探讨

3.1 雄安模式

以地热供暖上规模、资源开发利用取热不取水、尾水百分百回灌为标志，河北雄县开创了“政府主导、政企合作、技术先进、环境友好、造福百姓”的地热开发利用“雄县模式”(朱树源等，2018)。2014年，国家能源局把雄县作为北方地区地热供暖的示范区。2016年，雄县县城人口9万，拥有地热井68口，其中回灌井24口，形成供暖能力450×104m2，基本实现了地热集中供暖全覆盖。实现了近100%回灌，做到了“取热不取水”。通过充分发挥示范区的带动作用，充分发挥地质勘查的先行作用和把地热能可持续利用融入雄安新区规划等措施，科学利用区内地热资源，建设清洁环保的供热系统。

3.2 天津经验

天津市位于华北平原东北部，地热类型属于中低温沉积盆地型。天津市因地热资源丰富、开发利用和保护成果显著以及国土资源管理部门的创新管理工作，被自然资源部命名为全国首批“中国温泉之都”(茹洪久等，2019)。天津市建设中国温泉之都的主要经验有以下4点：

(1)高度重视地热资源勘查，以政府资金在勘查上的投入拉动社会资金在开发上的投入。至2015年原国土资源部、中国地质调查局、天津市累计投入地热勘查资金超过4亿元。截至2016年天津市已经勘查评价并经矿产资源储量管理部门评审备案的8个地热田总共提交地热流体可采量 7606×104m3a-1，折合标准煤44.3×104t a-1(茹洪久等，2019)。

(2)高度重视地热开发规划，促进地热资源开发利用的规模化、产业化。天津市组织编制了多轮地热专项规划，强化对地热资源开发利用的宏观控制，提出了地热资源勘查、开发的原则和目标，以总量控制为主线，提高地热资源的保障能力和节约集约利用水平，效果较为明显(李波，2016)。

(3)高度重视地热资源管理，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用。天津市建立了较为完善的地热资源管理制度，发布实施了《天津市地热资源管理规定》和《天津市矿产资源管理条例》，进一步明确了地热管理的职责分工。

图6 天津市地热资源开采与回灌示意图

(4)高度重视地热资源保护，形成了“以灌定采”的开发体系(图6)。天津市是全国最早进行地热尾水回灌研究的地区之一，自1996年开始研究基岩地热回灌研究，并逐步推广使用对井采灌技术，确保地热资源在保护中开发和综合利用。目前，天津市采取的“以灌定采”和“对井采灌”等保护措施，取得了良好的效果，回灌技术水平和规模在全国居于领先地位。

3.3 河南中深层地热资源勘查开发模式探讨

随着国家地热能开发利用“十三五”规划和推进北方地区冬季清洁取暖等一系列政策的出台，地热能迎来历史性重大发展机遇期(韩二帅等，2019)。中石化在濮阳清丰、中石油在开封、万江集团在周口开展了中深层地热供暖的尝试和示范，特别是在开封市兰考县，中石化和浙江绿特联合对整个县城实施清洁能源供暖，是河南规模化开发中深层地热的开端。但由于新近系孔隙型热储回灌较为困难以及未能开展梯级利用技术，存在地热资源利用不尽充分等问题。2018年5月河南省发改委等四部门联合印发《关于开展地热能清洁供暖规模化利用试点工作的通知》(豫发改能源【2018】406号)指出为缓解环境资源压力，有序推进河南省地热能利用持续健康发展，决定组织开展地热能清洁供暖规模化利用试点工作，将优先选择在地热资源较为富集的地区，创建一批地热能清洁供暖规模化利用试点区域。出台了县域清洁能源供暖特许经营权和能源补贴等一系列政策措施，力求加快推进地热产业化、规模化进程。

因此，应当在编制地热资源勘查开发专项规划的基础上，开展重点城市、县(市)地热供暖开发区及高温地热梯级开发试验区地热资源可行性勘查，以满足供暖开发选区和指导商业性地热地质工作的需要。应设立地热资源勘查开发基金，出台鼓励性政策，支持有条件的地区在推进地热资源规模化产业化开发中先行先试，建设省级地热资源勘查开发示范区，探索形成可复制推广的开发模式，如地热供暖连片开发、温泉小镇建设。借鉴天津经验和雄安模式，开展以地热供暖为主体，发展集温泉理疗、旅游度假、生活洗浴、种植养殖等多领域综合利用，为合理、有效、全面的开发利用地热能资源，实现河南省调整优化能源结构、治理大气污染、发展低碳经济的战略目标提供政策与技术支撑。

4 结论与建议

河南省中深层地热蕴藏丰富，开发潜力巨大，与雄安新区和天津市有着极为相似的地热开发条件和地热开发需求，非常适合借鉴“雄安模式”和“天津经验”。为合理、有效、全面的开发利用地热能资源，实现河南省调整优化能源结构、治理大气污染、发展低碳经济的战略目标提供政策与技术支撑，现提出河南省中深层地热资源勘查开发建议如下：

(1)提高地热资源勘查程度，以政府资金在勘查上的投入拉动社会资金在开发上的投入，尽快查明地热资源家底；

(2)鼓励有条件的地区先行先试，选择不同的利用领域类型，培养建立起集约化利用方式的地热示范工程，充分发挥示范引领作用；

(3)制定全省地热勘查开发统一规划，促进规模化、产业化利用；

(4)大力开展回灌技术应用研究，加强地热资源保护，建立“以灌定采”的开发体系；

(5)建立适合河南发展的地热资源管理制度，形成权责清晰的管理体系。