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郾城凸起明化镇组热储层为研究区地热资源开发利用主要层段,其水位埋深由最初的30余m下降至110m,无序开采对地热资源造成损害较大。为建立地热资源利用和保护之间的平衡关系,首次对其半成岩热储层地热成因机制和采热驱动下的多场演化规律开展研究。本次利用岩石热物性测试、X衍射、扫描电镜、CSAMT、测井、重力、航磁等资料,建立了郾城凸起的热聚敛模式;通过同位素测试、水质检测等手段系统研究了明化镇组热储层的补、径、排条件;开展降压试验和回灌试验等一系列试验辅以数值模拟,揭示了在采热驱动下的多场演化的规律;定量评价了明化镇组热储的回灌能力;确定了可持续开发方案。论文主要取得成果如下:（1）定义了“半成岩热储层”,系统研究了明化镇组半成岩热储层的区域和地热田的地质背景、构造演化;开展微观分析测试,获取了热储结构、矿物成分、孔隙结构、热物性等基础参数;通过分析井温统测结果,揭示了研究区地热田温度场特征、大地热流传导规律。明化镇组半成岩热储层以细粒砂岩为主;成分以石英、长石为主,胶结差,结构松散;具有垂向上成分不均匀,平面上联通差的特征;孔隙度在13.02%～36.50%之间,渗透率在19.35～21.49μm~2之间;岩石热导率与岩石颗粒大小正相关,中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩至泥岩依次为3.44W/（m·℃）、2.69W/（m·℃）、2.46W/（m·℃）、1.51W/（m·℃）;比热容与岩石颗粒大小呈负相关,中粒砂岩至泥岩依次为1.12W/MJ/（m~3·℃）、1.75 MJ/（m~3·℃）、2.04MJ/（m~3·℃）、2.86 MJ/（m~3·℃）;确定恒温带深度22m,温度16.6℃,地温梯度3.60℃/100m,大地热流值平均为69m W/m~2,地温梯度和大地热流值均呈现西北高,东南低的规律;依据郾城凸起的地层、构造、盖/储层岩性等,建立可视化三维地质模型。（2）采用构造分析、水化学、同位素等手段研究了郾城凸起的成因模式。通过热源判断及构造分析,将研究区地热成因概括为构造演化叠加而成的热源抬升、岩石热导率差异造成的热流聚集及自储自盖的“储盖一体、三元聚热”模式。明化镇组半成岩热储层水化学类型以Cl-Na型、Cl·SO4-Na型为主,次为Cl·HCO3-Na型和Cl-Na·Ca型;地热水原生盐度超过50%,在下渗补给之前经历了强烈的蒸发作用。常量组分和微量组分特征显示地热水经历长距径流、水岩反应和同位素分馏。变异系数、盐化系数、脱硫系数、氯溴比、氯钙比及Gibbs图解等揭示了地热水为陆相溶滤水,水动力条件弱,径流缓慢。同位素信息显示地热水的13CDIC矫正年龄为2.3～2.9万年,来源于古时大气降水,补给高程在196m～450m之间,补给区位于西部和西北部的伏牛山,建立了半成岩热储层地热系统“流体水平补给、热垂向传导”的成因机制模型。（3）揭示了温度场和压力场的演化过程。根据异/同层回灌试验结果,回灌流体温度校正至同一条件下（25℃时）,求得注水渗透系数分别为0.0783 m/d和0.1072m/d,导水系数的为9.2840m~2/d,10.8750m~2/d。异/同层最大自然回灌量为26.76m~3/h和33.06 m~3/h。在只采不灌的情况下,供暖季按照50m~3/h的开采量计算,热储压力下降值约为0.04 MPa/a,可采年限22年;当可采年限100年时单井最大开采量限制在30m~3/h以下。回灌量与回灌压力衰减量成线性关系,回灌量每增加5m~3/h储层压力恢复3268.10Pa,在100%回灌率下,热储压力较开采前高509Pa。间歇性回灌后,前5年温度下降速度最快,25年后已基本降至回灌水温度。前50年冷晕扩展速度快,随着时间的增加,冷晕范围基本固定,且冷晕在冷水的径流方向较其他方向影响范围更大。在开采年限和回灌量一定的情况下,以降低2℃为热突破界限,35℃回灌时热突破距离为376.75m,推荐回灌井距400m。25℃回灌时热突破距离为352.8m,推荐回灌井距375m。（4）基于PHREEQC模拟了不同水源回灌的化学场演化规律及水质变化。回灌初期,地热水中各成分含量变化微弱,含钙镁矿物微量沉淀。回灌后期,同层回灌和异层回灌容易析出物质不同,两种工况下碳酸盐矿物（文石、方解石和白云石）、温石棉和滑石的SI都呈现升高趋势,容易生成沉淀,结垢性均增强;同层回灌混合流体中碳酸盐矿物SI值增幅更大,更容易析出。但同层回灌后玉髓和含铁矿物SI值逐步下降,而异层回灌后玉髓和含铁矿物的SI进一步升高,更容易析出。随回灌进行,地热水水质均逐步好转,异层回灌水质较好,回灌后整体水质优于同层回灌;回灌后大部分各种离子含量呈大幅下降趋势,地热水总硬度和TDS逐步下降,仅有HCO3+和p H呈上升趋势,但不足以改变地下水的化学类型。（5）基于回灌水的腐蚀性、结垢性、悬浮固体含量、悬浮物颗粒直径中值、细菌含量（铁细菌、腐生菌、硫酸盐还原菌）、硫化物、p H值和总铁等八项指标评价了研究区地热水的可回灌性,结果为研究区的地热尾水经过除硫除铁后方可作为回灌水源使用。以孔隙度、渗透率、泥质含量、结构性和厚度为评价因子,评价了半成岩热储层的可回灌性,结果为孔渗性一般,可回灌性较差,回灌量略小。建立了在采热驱动下基于数值模拟单井可开采量动态评价公式;依据不同的开发方案对研究区地热资源进行了评价;推荐一采两灌的开采模式。前期回灌率与可采量呈指数关系,后期受单井开采量影响趋于恒定。评价了不同开采模式的节污减排量和碳交易价值,一采两灌单个井组地热开采创造碳交易13.66万元/a。该论文有图131幅,表36个,参考文献213篇。