四川红层区应用地源热泵技术地质适宜性初探

2013-07-10阳光辉唐晓玲赵云红

四川地质学报 2013年2期

阳光辉，唐晓玲，赵云红

（四川省地质工程勘察院，成都， 610072）

四川红层区是全省人口最为集中、经济发达的地区之一。该区地形高差较大，地表水资源少且时间空间分布不均，地表支流河系源短流少，久旱多断流，大江大河水位低，提取有困难；地下水资源贫乏，大部分地区不能直接利用地表水和地下水运用地（水）源热泵技术、开发和利用浅层地温能。随着国家“节能减排”政策的逐步建立、健全和深化，如何改进钻探工艺、降低钻探成本，运用先进的地源热泵技术，在红层区合理开发和利益浅层地温能，最终达到节能降耗的效果，已成为地质工作者面临的一项重要任务。

1 红层区概况

四川省红层区是指川中盆地地层为白垩系（K）和侏罗系（J）的地区，分布面积13.18万km2，涉及17个市的106个县（市、区）。其地理座标为：东经101°20′～108°30′，北纬26°00′～32°20′。该区属亚热带湿润气候，受盆地地形影响，多云雾，少日照，是国内阴天最多的地区之一。最冷月（1月）平均气温4～6℃，最热月（8月）平均气温25～30℃。该区属长江流域，岷江、嘉陵江、涪江、沱江四大支流自北或北西向南流经全区，注入长江。

2 地质、水文地质条件

2.1 地形地貌

四川省红层区地貌形态受构造骨架和岩性控制。盆地中部，龙泉山至华蓥山之间，为一片瞩目千里的红色丘陵山地，以砂、泥岩叠置的构造剥蚀丘陵为主；盆地东部，华蓥山至方斗山之间，为独具特色的“川东平行岭谷”，岭间为红色砂泥岩丘陵纵向谷地。盆周边缘地区为低、中山。全区地势北高南低，沱江、涪江、嘉陵江、渠江自北西或北向南流经全区，树枝状水系发育。川中地区绵阳、阆中以南海拔一般小于500m，相对高差小于100m，腹心地带只有30～50m，呈细碎的丘陵地形；绵阳、阆中以北，海拔大于500m，相对高差100～200m，属低山地形；再向北高程渐增，逐渐过渡为低、中山地。龙泉山是西侧一条北东向岭状背斜低山，海拔800m 左右，威远背斜南侧为一个穹隆状低山，其中部为岩溶槽谷。沿江两岸有小面积冲积平坝（漫滩和Ⅰ级阶地）和冰水堆积缓岗平台（Ⅱ-Ⅴ级阶地）。

2.1 地层与岩性

区内地层为典型的陆相堆积，砂岩和泥岩总厚度达5 000～6 000m。具体包括：侏罗系下—中统自流井组、中统沙溪庙组、上统遂宁组、蓬莱镇组及白垩系。自北向南，由新至老，呈条带状依次展布。红层岩性较单一，以紫红、棕红色泥岩、砂岩为主，间夹页岩、薄层灰岩和膏盐层段。盆地西缘近邛崃山、龙门山前为粗粒山麓相堆积，出现了几层富含钙质的厚层砾岩。由于各个时期沉积环境的动荡不定，加之沉积物来源的不同，整个红层的岩相、厚度在纵横向上变化都很大。砂岩多为碳酸盐胶结，富含钙质。泥岩含砂质，普遍含钙质，且常含脉状、薄层状及斑块状石膏。

2.2 水文地质特征[1]

受区内比较轻微、稳定的构造变动和地貌以构造剥蚀丘陵为主的特点控制，本区地下水主要活动带一般集中于地表浅部，以风化裂隙水为主，深层或较深层的构造裂隙水鲜见，仅在某些旋扭构造的中心部位，才可见比较明显的构造裂隙，从而富集地下水。由于各岩组砂、泥岩比例、组合关系，岩石结构，胶结物性质及可溶盐含量等不同，直接影响岩石空隙的发育程度，从而对岩组含水性的影响极大。

红层孔隙裂隙水广布全区，根据其埋藏和赋存条件可分为四个类型：

1）溶孔裂隙水：主要埋藏在遂宁组(J3s)以及仁寿、资阳、乐至以南侏罗系上统蓬莱镇组(J3p)的泥质岩类风化带里。沙溪庙组(J2s)的厚层泥岩也有埋藏，这是区内分布最广的一种类型。单井出水量一般都小于100m3/d，且大多数在50m3/d 以下，一般5～10m3/d，部分1～5m3/d。

2）脉状裂隙水：主要埋藏在侏罗系上统沙溪庙组(J2s)、蓬莱镇组(J3p)以及白垩系(K)的厚层砂岩风化带里，以脉状裂隙储水为主要储水形式，这是区内分布的主要地下水类型之一，单井出水量一般都小于100m3/d，且大多数在50m3/d 以下，一般20～50m3/d，部分5～10m3/d。

3）层间裂隙水：主要埋藏在厚度和岩性一般比较稳定，裂隙比较发育，倾斜的白垩系地层的厚层砂岩里。单井出水量一般100～500m3/d，个别大于500m3/d。

4）溶隙溶洞水：分布局限于北部周边接近盆缘地区，埋藏在白垩系城墙岩群(K1ch)和侏罗系莲花口组(J3L)的可溶砂砾岩中，以溶洞(孔)和溶隙水为主。单井出水量一般50～100m3/d。

3 地源热泵典型工程[2]

工程位于遂宁市射洪县城南开发区，地貌为涪江右岸一级阶地，场地宽阔平整，微倾下游，地面标高330.0m。换热试验孔深度102.0m，其中0.0～17.0m为第四系砂卵石层，其下为侏罗系蓬莱镇组上段（J3p2）砂岩与泥岩互层。钻孔采用GY-150型地质钻机取芯钻进，开孔口径为φ150mm，终孔口径110mm，最终孔深度为102.0m。

3.1 岩石特征与岩石可钻性分析

砂岩（泥质粉砂岩）与泥岩互层：埋深为17.0～102.0m，砂岩和泥质粉砂岩占基岩总厚度的48.9%，砂岩坚硬性脆，易形成裂隙，CaO＋MgO 含量7.5%～14.9%，最高可达19%。泥岩占基岩总厚度的51.1%，成分主要为SiO2，含量占60.0%～87.7%，硬度小，遇水易风化变软。

据统计：钻孔平均钻进速度0.98m/h。80型潜孔锤钻机每小时可钻进10m，如使用该钻机，平均每天可完成1个换热孔施工。总体上本工程场地岩土可钻性较好，有利于换热孔成孔施工。

3.2 场地水文地质特征

场地地下水类型为属第四系松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。

第四系松散岩类孔隙潜水含水层：含水层埋深5.20～17.0m，稳定静止水位5.20m。据抽水试验：该层渗透系数4.95m/d，出水量最大可达273.1m3/d。

砂、泥岩互层基岩裂隙水含水层：基岩完整性较好，透水性极小，主要出水孔段主要位于砂岩与泥岩接触带，稳定静止水位24.5m（上部松散层已作隔水处理）。据抽水试验：该层渗透系数为0.03m/d，出水量最大为24.1m3/d。

根据地形坡度和含水层结构特征，场地地下水径流方向为北西-南东方向35°～50°。

3.3 水质特征

本次工作在试验孔抽水试验完成后完成了全孔混合水质采样，检测结果分析评价如下：

感官性状指标：无色、无嗅、无异味、透明，无肉眼可见物。一般化学性质：水质类型为HCO3·SO4-Ca型水，PH=7.0，属弱碱性水；总硬度为405mg/L；矿化度1020.4 mg/L；无侵蚀性；Ca2+含量为110.2 mg/L，Mg2+含量为31.62 mg/L。

场地地下水水质对地下埋管有利，适宜地埋管工程施工建设。

3.4 岩石热物理性质

据测试：砂岩的热导率范围为1.97～2.76W/(m·K)，泥岩的热导率范围为2.65～3.2W/(m·K)。

地层温度测试将高灵敏度热感温度探头下入钻孔，每5m 测试一组数据，数据采集仪采集频率为6 ms，测试10 组数据后，仪器经自动计算，取温度平均值。孔内单点测试时间不低于120 s。测试时间为9月下旬，现场测试数据范围：深度0.0～100.0m，地温变化为19.0～19.7℃，温度变化梯度为0.7℃/100m，地温适宜地下埋管施工。

4 适宜性分析和评价

四川红层区地层岩性以砂岩和泥岩互层为主，岩石可钻性好，适宜于回旋钻机和潜孔锤钻机钻进。钻探成本较平原区砂卵石层低，对换热孔成孔有利。地层温度较为恒定，岩石热导率范围为1.97-3.2W/(m·K)，适宜地源热泵开发利用浅层地温能。从水资源分布和水文地质条件来看，红层区水资源较为贫乏，适宜利用埋管的方式。

总体上红层区适宜于以埋管方式开发和利用浅层地温能。