主要离子特征分析-沧县岩溶地热系统开发利用

通过观察和分析图4 -2 研究区阴阳离子piper 三线图， 可以发现， 研究区地热水中Na +、 Cl -、 HCO3-含量高， Ca2 +、 Mg2 +、 SO42 -普遍含量较低， 而CO32 -几乎不存在， 只有一组数据中统计到了CO32 -的存在； 回3 -5 号地热井(回3 -1、 回3 -4)、 4 -1 -5 号地热井(4 -1 -1、 4 -1 -4)、 WTNS -1 号地热井、 编号1830069 号地热井和SW -2 号地热井与其他组数据差异较大，而献县(南元) 地热1 号井和诺信地热井也与其他数据有一定的差异性， 其中回3 -5 号地热井(回3 -1、 回3 -4)、 4 -1 -5 号地热井(4 -1 -1、 4 -1 -4) 和WTNS-1 号地热井中Ca2 +和SO42 -占比含量较高， 这与其他40 组数据不同。

1) Cl -与TDS 相关关系

蓟县系雾迷山组热储层的TDS 值为3.62 ～6.65 g／L， 新近系明化镇组热储层的TDS 值为1.5 ～5.3 g／L。 如图4 -3 所示， 研究区不同热储层地下水随着Cl -浓度的升高， TDS 也升高， 二者存在明显的线性关系， 部分新近系明化镇组与蓟县系雾迷山组的地热水TDS 值接近， 说明这些新近系明化镇组的地热水和高TDS值的地热水混合作用明显。

图4-2　研究区地热水piper 图(见彩插)

图4-3　研究区不同热储层地热水Cl -与TDS 关系图(见彩插)

2) SiO2 含量随Cl -、 TDS 和温度的变化特征

SiO2 在地层中大量存在， 研究区各热储层地热水中SiO2 含量在8 ～112 mg／L； SiO2 属于难溶物质， 不与除氟、 氟化氢和氢氟酸以外的卤素、 卤化氢和氢卤素及硫酸、 硝酸、 高氯酸作用， 可与热的强碱溶液或溶化的碱反应生成硅酸盐和水。 各热储层地热水基本为弱碱性， 新近系明化镇组和古近系东营组较蓟县系雾迷山组碱性更强， 长城系高于庄组压裂前水样呈中性， 压裂后的水样碱性明显增强。 导致该结果的原因主要有以下两方面: 一方面可能是在压裂过程中，大量的地表冷水混入， 造成其混合后的地下水中碱性离子相对较高， 导致压裂后水样的碱性有所增强； 另一方面可能是由于长时间、 高强度的压裂工作致使高于庄组含水层内部部分孔隙和裂隙导通， 水力联系增强， 部分碱性离子相对较高的地热流体进入采样区域， 致使此处原有地热水碱性离子浓度升高， 也就形成了GRY1 号钻孔在压裂后其pH 高于压裂前pH 的情况。

图4-4　研究区不同热储层地热水Cl -与SiO2 关系图(见彩插)

图4-5　研究区不同热储层地热水TDS 与SiO2 关系图(见彩插)

结合图4 -4 和图4 -5 可以发现， 研究区不同热储层地热水中Cl -与SiO2、TDS 与SiO2 在一定意义上均呈现负相关关系， 随着Cl -含量和TDS 的升高， SiO2含量逐渐减小， 两图中长城系高于庄组水样与其他热储层水样差异较大， 其水样的Cl -与SiO2、 TDS 与SiO2 均无明显相关关系。 如图4 -6 所示， 高于庄组地热水温度和SiO2 含量均达到了最大值， 随着温度的升高， SiO2 含量呈现逐渐增大的趋势， 所以SiO2 含量常用作地热温标指示地热水的温度。 从各热储层SiO2 含量分析发现， 长城系以上热储层SiO2 含量较低， 基本低于20 mg／L， 长城系SiO2含量较高， 为76.6 ～112 mg／L， 较上部蓟县系、 古近系和新近系差异明显， 说明相邻含水层地热水混合的可能性较小， 初步表明长城系与上部热储层水力联系较弱。

3) F 元素随Cl -含量的变化特征

研究区各热储层地热水中Cl -含量丰富， 其中新近系Cl -含量为0.6 ～2.7 g／L，古近系为1.3 g／L 左右， 蓟县系为1.7 ～3.3 g／L， 长城系为3.0 ～3.1 g／L； 氯盐的溶解度大， 且几乎不与含水介质发生反应， 所以在地下水中可大量聚集。

地下热水在运移过程中不断带走通道内围岩组分的Na、 Ca、 K、 Mg、 SiO2等， 地下水中大量的F 元素很难从岩石的溶滤作用中得到。 一般观点认为F 等元素可以指示地下流体的来源， 由于F 和Cl 在一定意义上存在正相关关系(见图4 -7)， 且当TDS 值增加时， 这种关系越发明显， 因此该观点可以佐证该区域地热流体存在深部流体的渗入。

图4-6　研究区不同热储层地热水温度与SiO2 关系图(见彩插)(www.xing528.com)

图4-7　研究区不同热储层地热水Cl -与F 关系图(见彩插)

4) HCO3-、 SO42-含量揭示的地热水赋存环境

从研究区不同热储层地热水Cl -与SO42-关系图(见图4 -8) 可以看出， 从新近系地热水到长城系地热水， 研究区各热储层中随着Cl -含量的升高， SO42-含量也升高， 但从图中反映的相邻含水层之间混合作用不明显。 明化镇组SO42-含量为171.2 ～444.1 mg／L， 东营组为27.2 mg／L， 雾迷山组为395.6 ～714.1 mg／L， 高于庄组为558.5 ～699.6 mg／L。 结合图4 -8 和图4 -9 发现， 明化镇组和东营组部分点出现不同程度的偏离， 可能是由相应热储层内局部水力联系较大或石膏溶解造成的。

图4-8　研究区不同热储层地热水Cl -与SO42-关系图(见彩插)

如图4 -9 所示， 研究区热储层中的地热水， 在HCO3- 含量升高的同时，SO42-含量呈逐步降低趋势。 以上现象揭示了研究区地热田长城系高于庄组、 部分蓟县系雾迷山组和部分古近系新近系地热水处在相对还原的环境中， 脱硫酸细菌可使SO42-还原为H2S， 使地热水中的SO42-不断减少， 结果导致地热水中的HCO3-浓度增加， 发生了明显的脱硫酸作用 (SO42- + 2C + 2H2O →H2S ↑+2HCO3-)。 这一结果再次证明了研究区长城系热储层与其上部热储层水力联系较差， 且高于庄组热储层自身的补径排能力较差。

图4-9　研究区不同热储层地热水HCO3-与SO42-关系图(见彩插)

菱形内的点通常可以说明地下水总的化学性质， 并用阴阳离子对表示地下水的相对成分， 故piper 三线图表示地下水的性质， 用的是化学成分的相对浓度而不是绝对浓度。 地下水中化学组分的来源可分为两大类: 岩石的溶滤作用和深部来源， 在热储层的各种物化条件下， 地下热水不断与围岩， 或在流动过程中与通道围岩发生水岩作用， 地下热水在运移过程中不断带走通道内围岩组分的Na、Ca、 K、 Mg、 SiO2 等， 地下水中大量的F 元素很难从岩石的溶滤作用中得到。 由于F 和Cl 在一定意义上存在正相关关系， 且当TDS 值增加时， 这种关系越发明显， 一般观点认为F 等元素可以指示地下流体的来源， 因此该观点可以佐证该区域地热流体存在深部流体的渗入。

从研究区不同热储层地热水piper 图(见图4 -10) 中可以看出， 长城系高于庄组(Chg) 和蓟县系雾迷山组(Jxw) 主要离子特征差异较小， 而二者与新近系明化镇组(Nm)、 古近系东营组(Ed) 的主要离子特征差异较为明显。 地下热水中HCO3-的主要来源不仅有地下深部释放的CO2， 还有部分是地下热水在溶滤碳酸盐质的围岩时获得的。 地下热水中的SO4 2-除了部分来源于地下热水在溶滤硫酸盐质的围岩时获得外， 还有深部地下流体携带的硫化氢气体， 当地热流体运移至地表浅部与富氧的地下水反应会生成大量的硫酸根离子。

图4-10　研究区不同热储层地热水piper 图(见彩插)

Schoeller 图是一种常用的水化学特征图示方法， 它借助一张简单的图即可清晰　地 剖 析 出 众 多 样 品 中 主 要 离 子 (Na +、 K +、 Ca2+、 Mg2+、 Cl -、 SO42-、HCO3-) 的浓度变化。 如图4 -11 所示， 如果两个水样中浓度不同， 则在图上呈现出其中一个样品位于另一样品的上方， 并可用来展示不同取样点之间的地下水化学组分的相对运动方向， 即在随着地下水流动的过程中， 水化学组分浓度由相对低点向相对高点运移。 此次采集到的43 组样品数据， 其变化趋势存在较大差异， 这说明各含水层之间相互补给连通的能力较弱。

通过Schoeller 图可以分析水样中主要离子的浓度变化和水化学变化趋势， 图中每条折线都代表一组样品， 同一种类型样品的折线几乎趋于平行。 从图4 -12研究区不同热储层主要离子Schoeller 图中可以分析得到结论: 长城系高于庄组(Chg) 和蓟县系雾迷山组(Jxw) 热储层中的地下水属于同一类型地下水质， 而二者与新近系明化镇组(Nm)、 古近系东营组(Ed) 热储层具有较大差异， 古近系东营组(Ed) 和新近系明化镇组(Nm) 热储层中地热流体的镁离子含量极低， 其Ca2+、 Mg2+的含量与长城系高于庄组(Chg) 和蓟县系雾迷山组(Jxw)热储层存在明显差异， 古近系东营组(Ed) 热储层地热流体中的SO4 2-较其他热储层含量低。

图4-11　研究区主要离子Schoeller 图(见彩插)

图4-12　研究区不同热储层主要离子Schoeller 图(见彩插)