近年来，在全球能源革命和“双碳”目标的推动下，“清洁、低碳、高效、多元”已成为现代能源体系建设的目标[1-2]。地热资源具有“清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全稳定”的优点，开发利用受到越来越多的关注[3]，在我国能源结构转型中发挥重要作用[4-6]，成为清洁可再生能源的重要组成。我国北方地区在冬季供暖时存在巨大能源需求，推进北方地区冬季清洁供暖，是从源头上治理雾霾的关键一环[7]。汪集暘等将地热资源按深度划分为浅层、中深层和超深层地热资源[8]。天津地区浅层地热资源分布广[9-10]，至2021 年，利用面积达到1 297 万m2，中深层水热型地热资源发育[11-14]，至2021年，利用规模达到5 287万m3[15]，中深层深井换热系统也取得初步成果。三类地热资源的开发实现了资源的综合利用，弥补了能源供需在时间和空间上的不平衡，助力节能减排和环境保护[16]。
京津合作示范区位于天津市宁河区西南部，占地面积约38 km2，拟采用地热资源作为清洁供暖热源。周边开发利用的地热资源包括浅层地热能资源和明化镇组、馆陶组、奥陶系和雾迷山组4个热储的水热型地热资源。明化镇热储受回灌困难影响，十四五规划中不再部署新的勘查工作，奥陶系埋深接近4 000 m，且水温低于雾迷山组，开发利用经济性受限，本文主要针对区内浅层地热资源中深层地热资源（馆陶组和雾迷山组）开展分析研究，对中深层深井换热系统利用简要分析。
1 研究区概况
地质构造上，研究区处于Ⅲ级构造单元沧县隆起和黄骅坳陷的交界处，F1断裂穿过研究区西北部，断裂以东为黄骅坳陷的次级构造单元北塘凹陷，以西为沧县隆起的次级构造单元潘庄凸起[17]。
1.1 地层特征
北塘凹陷内4 000 m 以浅地层由新至老为新生界（第四系、新近系、古近系）和中生界；潘庄凸起内4 000 m 以浅由新至老发育有新生界（第四系、新近系）、中生界、古生界石炭-二叠系、奥陶系、寒武系、中新元古界（青白口系景儿峪组和龙山组和蓟县系雾迷山组）[17-18]。
1.1.1 第四系（Q）
全区普遍分布，厚度280～320 m，以北西向为轴向两侧逐渐加厚[19]。从图1可以看出，北部第四系成因类型由西向东分别是冲海积砂质粘土、泻湖积砂质粘土和湖沼积砂质粘土，南部为湖沼积砂质粘土。岩性比较单一，主要由粘土、粉质粘土、粉砂、细砂组成[20]。第四系地质结构自上而下划分为全新统（Qh）、上更新统（Qp3）、中更新统（Qp2）和下更新统（Qp1）。
图1 第四系厚度等值线图
Fig.1 Quaternary thickness contour map
1.1.2 新近系（N）馆陶组（Ng）
馆陶组（Ng）分为上、中、下三段。上段岩性为砂岩夹泥岩、砂岩含砾，岩性较粗；中段岩性以泥岩为主，夹薄层砂岩；下段岩性以砂岩、砂砾岩为主，夹有薄层泥岩，形成粗-细-粗完整沉积旋回，底板埋深1 500～1 950 m[19-20]，厚度104～400 m。
1.1.3 蓟县系（Jx）
从图2和图3可以看出，蓟县系地层在F1断裂两侧埋深差异较大，断裂东侧顶板埋深大于4 000 m，断裂西侧埋藏较浅，顶板埋深为1 800～2 600 m，岩性上部以白云岩为主，中下部为厚层-巨厚层状白云岩，夹灰黑色燧石条带。岩溶、裂隙较为发育[21-22]。
图2 研究区基岩地质图
Fig.2 Geological map of bedrock in the research area
图3 剖面地质解释图
Fig.3 Sectional geological interpretation map
1.2 地质构造特征
发育的断裂主要有沧东断裂、茶淀断裂、F1 和F2。沧东断裂由数条倾向SE、规模不等的断裂组成，总体走向NNE，断面倾向SE，倾角35～50°。茶淀断裂的走向NE，倾向SE，表现为一条正断层，断层落差北大南小。F1为张性正断层，走向NNE，倾向SEE，倾角50°左右，垂直断距达2 900 m。F2为正断层，走向NNW，倾向NE。
2 浅层地热能资源评价
浅层地热能的储集、运移、开发利用受区域地质、水文地质及工程地质条件的制约[23]。目前天津市以地埋管地源热泵系统为主要的开发利用方式[24]。
2.1 评价方法及参数选用
由于天津市潜水位过浅（一般1～2 m），储存在包气带中的浅层地温能没有开发利用价值，因此本文计算时只考虑了浅层含水层中的地热容量。依据《浅层地热能勘查评价规范》[25]，将研究进行1 km×1 km正方形剖分，采用体积法计算研究区第四系（200 m以内）浅层地热容量。岩土体平面综合热导率值和平均体积比热容值分别取1.54 W/（m·℃）和2030 kJ/（m3·℃）[26]。采用公式（1～3）进行计算。
式中，QR为浅层地热容量，kJ/℃；QSi为第i个正方形岩土体骨架的热容量，kJ/℃；QWi为第i个正方形岩土体所含水中的热容量，kJ/℃；ρSi为第i个正方形岩土体密度，g/m3；CSi为第i个正方形岩土体骨架的比热容，kJ/（kg·℃）；ϕi为第i个正方形岩土体的孔隙率，%；M0为正方形的面积，km2；di为第i个正方形计算厚度，m；ρW 为水密度，kg/m3；CW为水比热容，kJ/（kg·℃）。
换热功率采用公式（4）计算。根据研究区规划和浅层地热能研究成果，夏季单井延米换热量取54.17 W/m，冬季取36.67 W/m；每1 km2有2.51%面积可布孔，布井间距取5 m，计算出每km2可钻换热孔数为1 278 个，适宜开发利用面积约25.14 km2，共可钻换热孔数为32 153 个；城镇村建设用地占总面积的13.94%，新建绿地应不低于30%，另考虑部分绿化不能施工地埋管，该比例参考经验值取60%，得出地埋管土地利用系数为2.51%。
式中，Qq为地埋管地源热泵系统换热功率，kW；Qh为地埋管地源热泵系统单井换热功率，kW；n为计算面积内可钻孔数量；τ为土地利用率。
2.2 热容量及换热功率计算
计算结果表明研究区内200 m以浅浅层地热容量为13.77×1012 kJ/℃，其中浅层岩土体的地热容量为6.57×1012 kJ/℃，浅层水体的地热容量为7.21×1012 kJ/℃，夏季换热功率为20.90×104 kW，冬季换热功率为14.15×104 kW，考虑系统长期运行换热能力衰减的问题，群孔的总换热能力=单孔换热能力×换热孔数量×0.85系数，研究区以地埋管换热方式开发利用浅层地热能，夏季换热功率为17.77×104 kW，冬季换热功率为12.03×104 kW（表1）。
表1 浅层地热能资源潜力计算汇总表
Table 1 Calculation of resource potential of shallow geothermal resources
注：考虑土地利用系数。
200 m以浅热容量/（kJ/℃）浅层岩土体6.57×1012浅层水体7.21×1012换热功率/kW夏季20.90×104冬季14.15×104换热功率/kW考虑衰减夏季17.77×104冬季12.03×104可服务面积/m2制冷189.40×104供暖313.39×104
2.3 资源潜力及效益评价
浅层地热能依靠热泵机组提取冷热量后进行开发利用，地埋管换热器和热泵机组组成地源热泵系统，可用公式（5）、（6）计算空调末端负荷[23]。其中，COP1为水源热泵机组的制冷性能系数，取5.8；COP2为水源热泵机组的供热性能系数，取4.3。
式中，Q1＇为夏季向土壤排放的换热功率；Q1为夏季空调末端能提供的总冷负荷kW；Q2＇为冬季从土壤吸收的换热功率；Q2为冬季空调末端能提供的总热负荷，kW；COP1为设计工况下水源热泵机组的制冷性能系数；COP2为设计工况下水源热泵机组的供热性能系数。
计算结果表明夏季能提供的建筑总冷负荷为15.15×104 kW，冬季能提供的总热负荷为15.67×104 kW。城市公共建筑冬季供暖负荷一般为50 W/m2，夏季制冷负荷为80 W/m2，进一步计算出冬季可供暖面积为313.39×104 m2，夏季可制冷面积189.40×104 m2，年可利用热能（ΣWt）为2.10×109 MJ，折合标准煤（M=ΣWt/4.1868/7）为7.16×104 t/a，减排二氧化碳（C=2.386 M）为1.71×105 t/a。
3 水热型地热资源评价
3.1 热储层特征
研究区内发育的水热型地热资源具有较高利用价值的是馆陶组和蓟县系雾迷山组[27-28]。其中馆陶组热储单井出水量为69～112.78 m3/h，出水温度为55～63 ℃。蓟县系雾迷山组热储单井出水量为70～175 m3/h，井口稳定流温为80～102 ℃。
3.2 温度场特征
区内地热盖层平均地温梯度为2.5～5.5 ℃/100 m（图4）。地温场受沧东断裂影响较大，盖层平均地温梯度在沧东断裂带附近较高且变化较大，远离断裂带，梯度变化较小。
图4 研究区盖层平均地温梯度等值线图
Fig.4 Contour map of the average geothermal gradient of the caprock in the study area
3.3 资源潜力评价
3.3.1 研究区馆陶组热储层热量计算
本次研究应用热储法对馆陶组热储层地热资源量进行计算[29]，计算公式如下：
式中，Qr为热储中储存的热量，J；A 为研究面积，m2；H 为热储层厚度，m；C 为热储岩石和地热流体的平均体积比热容，J/m3·℃；Tr 为热储层温度，℃；T0为基准温度，13.5℃；ρr为热储岩石密度，kg/m3；Cr为热储岩石比热，J/kg·℃；Φ 为热储岩石的孔隙度；ρW为地热流体密度，kg/m3；CW为地热流体比热，J/kg·℃。
根据馆陶组热储层的空间分布形态、各项地质参数及现有的钻孔资料等因素，将热储层在平面上进行三角形剖分（图5）。计算参数见表2，结果见表3、表4。
表2 馆陶组热储参数表[30]
Table 2 Thermal storage parameters of Guantao Formation
热储层馆陶组热储平均温度Tr/℃66.67地热流体比热CW/（J/kg·℃）4180孔隙度Φ/%34.5岩石密度ρr/（kg/m3）2103岩石比热容Cr/（J/kg·℃）910地热流体密度ρW/（kg/m3）980.76
表3 馆陶组资源量计算结果一览表
Table 3 Ccalculation results of Guantao Formation resources
注：基准温度为13.5℃。
热资源量类型热资源总量地热流体富集段资源量可回收热资源量热储层热资源量换算折合发电量/（1011kW·h）2.22 1.19 0.30馆陶组热资源量/（1018J）0.80 0.43 0.11折合标准煤/（107t）27.30 14.67 3.67折合原油/（107t）19.09 10.26 2.57
表4 馆陶组地热流体静储量计算结果一览表
Table 4 Calculation results of geothermal fluid static reserves of Guantao Formation
热储层Ng弹性储量/（108 m3）0.02容积储量/（108 m3）20.31静储量/（108 m3）20.33
图5 水热型地热资源评价剖分图
Fig.5 Dissection map of hydrothermal geothermal resources
3.3.2 研究区馆陶组热储层潜力及效益评价
馆陶组热储布井时综合考虑采、灌对井合理井距（公式9）和开采权益保护半径（公式10），认为采灌对井之间的合理井底距离应大于694 m，同层开采井之间合理井距应大于1 228 m，区内可每1.25×1.25 km布置一对地热井，共计6对馆陶组地热采灌对井，地热流体可采量为105×104 m3/a，约21 093.72 kW，年开采累计可利用的热能量为3.68×108 MJ，按照《地热资源地质勘查规范》[31]计算，折合标准煤1.25×104 t，减排二氧化碳2.99×104 t/a。
式中，D为对井井底距离，m；Q回为总回灌量，m3/a；b为热储层有效厚度，m；n为热储层孔隙度，%；t为冷热水混和锋面到达开采井的时间，按100年。
式中，R热为开采100年地热井权益保护半径，m；Q采为地热井开采量，m3/a；f为流体比热/热储岩石比热的比值；λw为地热回收率。
3.3.3 研究区雾迷山组热储层潜力及效益评价
研究区雾迷山组热储（4 000 m 以浅）分布在西北部，面积较小，本文对雾迷山组热储进行潜力分析时，综合考虑采、灌对井合理井距（公式11）及开采权益保护半径（公式10），认为采灌对井之间的合理井底距离应大于667 m，同层开采井之间合理井距应大于1 986 m，研究区内共可布置3对雾迷山组地热采灌对井，地热流体可采量为70×104 m3/a，约18 562.55 kW，年开采累计可利用的热能量为3.23×108 MJ，折合标准煤1.10×104 t，减排二氧化碳为2.63×104 t/a。
式中，ρW βW 为25℃时流体密度与比热之乘积，MJ/m3·℃；ρa βa为25℃时流体、岩石骨架的密度与比热之乘积的均值，MJ/m3·℃。计算参数见表5。
表5 合理井距和保护半径计算参数表
Table 5 Calculation parameter table of reasonable well spacing and protection radius
热储层Ng Jxw Q回/（m3·a-1）174 240 232 320 b/m 100 90 n/%34.5 t/a 100 100 Q采/（m3·a-1）174 240 232 320 f λw ρW βW/MJ·m-3·℃-1 ρa βa/MJ·m-3·℃-1 1.7 3 0.25 0.25 2.24 4.04
4 深孔换热潜力评价
深孔换热井热储段温度越高，经济性越好。一般情况下，80～90 ℃就具有较好的深孔换热条件。研究区西北部地温梯度可达4.5 ℃/100 m，在此处施工一眼地热井，热储段温度达到80～90 ℃，其地层深度约为1 500～1 730 m，热储层为馆陶组或雾迷山组。地层预测见表6。
表6 深孔换热井钻遇地层情况表
Table 6 Formation table of deep hole heat exchange well drilling
地层底板埋深/m新生界（Cz）最小Q）280290285285土黄镇组1 4501 4701 4601 175上段以组（Ng）1 6001 6501 625165上段层为砂砂岩岩；山组1 730105最大第四系（新近系明化（Nm）新近系馆陶蓟县系雾迷（Jxw）平均平均厚度/m中新元古界（Pt2+3）主要岩性色、浅灰色粘土、粉质粘土、粉砂、细砂砂岩为主，夹有泥岩，下段以泥岩为主，夹有砂岩、粉砂岩夹泥岩、砂岩含砾；中段以泥岩为主，夹薄下段以砂岩、砂砾岩为主，夹有薄层泥岩以灰白、灰黑色白云岩为主
5 综合利用分析
5.1 浅层地热能开发利用方向
根据天津市浅层地热能开发利用特点，采暖面积不大于1万m2的建筑适宜采用地埋管地源热泵进行供暖制冷，所需地埋管换热孔数少，工程经济性高。研究区全区为地埋管地源热泵开发利用适宜区，建议小型单体公共建筑优先选择以地埋管地源热泵方式开发利用浅层地热资源。
5.2 水热型地热资源开发利用建议
5.2.1 馆陶组热储
考虑断层发育情况和砂体走向，馆陶组开采井与回灌井布置为北西走向，垂直北东向断裂。为安全起见，可每1.25×1.25 km布置一对地热井，既能满足热储的影响半径要求，又可满足对井井底距离的要求；馆陶组顶板埋深1 440～1 580 m，底板埋深1 560～1 920 m，厚度118～397 m。建议采用射孔成井工艺，射孔段长度依据经验值取100 m。预测开采井的单井涌水量为60～100 m3/h，井口流体温度为53～70 ℃，单井回灌能力在60～70 m3/h。
5.2.2 雾迷山组热储
雾迷山组热储布井时需综合考虑采、灌对井合理井距开采权益保护半径，为安全起见，每2.0×2.0 km布置一对地热井，既能满足热储的影响半径要求，又可满足对井井底距离的要求。根据以上要求，研究区内共可布置3对雾迷山组地热采灌对井。沧东断裂以西的西北角是蓟县系雾迷山组地热井成井有利地段，预测研究区内雾迷山组地热井单井出水量一般为80 m3/h，回灌量为80 m3/h，井口稳定流温为80 ℃，热储层有效厚度为90 m。
5.3 深孔换热开发利用方向
深孔换热比较理想的施工地点是研究区地温梯度值较高的西北部，较浅的井深即可达到较高的温度。井身结构采用一径到底或二开钻进工艺，成井后，安装井内换热器。上部井段安装无规共聚中心管，下部井段安装纤维复合中心管。中心管下装分水器、聚能换热装置、TBS支架等。
6 结论
（1）研究区适宜以地埋管地源热泵方式开发利用浅层地热能，夏季换热功率为17.77×104 kW，冬季换热功率为12.03×104 kW，可满足189.40×104 m2建筑夏季制冷和冬季供暖，折合标准煤71 506 t/a。
（2）研究区馆陶组热储层地热资源总量为0.80×1018 J，热流体静储量为20.33×108 m3，馆陶组可开采量为107.12×104 m3/a，雾迷山组可开采量为69.70×104 m3/a。地热流体年开采累计可利用的热能量为3.23×108 MJ，产能为18 561.48 kW，可满足约120.39×104 m2建筑的冬季供热需求，折合标准煤23 575.87 t。
（3）研究区全区为浅层地热开发利用适宜区，建议小规模公共建筑优先利用浅层地热资源；区内馆陶组热储在F1断裂以东广泛分布，埋深浅，可布设6对馆陶组采灌对井；雾迷山组热储分布在沧东断裂以西，埋深浅，水温高，可布置3对采灌对井；深孔换热井适宜在研究区西北部施工，井深约为1 500～1 730 m，热储段温度可达80～90 ℃。
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