西安国际港务区地热水资源开发利用浅析

吴继强，张纪哲，张 萍

（陕西省西安市水资源利用技术服务中心,陕西 西安 710054）

西安国际港务区是陕西、西安建设丝绸之路经济带新起点的重要抓手，是联接“一带一路”战略的重要平台，是内陆地区开发开放的新引擎。在“十三五”期间，西安国际港务区将加快“产城融合”，将于2021年举办全国第十四届全运会。为提升区域服务水平，助力区域经济发展，特别是为2021年举办的全运会提供高质量、有特色的旅游服务，科学、合理、有序的开发利用区域地热水资源具有十分重要的现实意义。因此，本文从区域地热地质及热储特征分析入手，对该区域地热水资源的开发利用现状及对策进行分析。

1 区域地热资源概况

西安国际港务区位于西安市主城区东北的浐灞泾渭三角洲，西沿灞河，北至铁路北环线，东至西韩公路，南接城市三环和西安绕城高速，是西安发展主轴上北拓、东联的重要区域，浐河、灞河、泾河、渭河四水聚港，自然生态环境优越，辖区面积89.89 km2。

1.1 区域地质概况

西安地热田位于渭河盆地中南部，渭河盆地自西南向东北由西安凹陷、固市凹陷和运城凹陷等三个较大规模的次级凹陷组成[1]，西安国际港务区区块位于西安凹陷的东北部，与咸礼凸起和骊山凸起相邻，详见图1。

图1 渭河盆地构造分区图及国际港务区区位示意图

国际港务区内地表为新生界覆盖，断裂构造均为隐伏状态，依据重力、地震、电磁测深及少量钻探等物探资料推断，主要有渭河断裂和浐河断裂。其中渭河断裂属于宝鸡～咸阳～渭南～华阴～潼关断裂之中段，位于港务区北部，在西安市区沿渭河南岸展布，走向近东西，倾向南，呈隐伏状态，是渭河盆地北缘基底岩相分界线；浐河断裂南段起于蓝田十回厂，过焦岱向北西，在长安酒铺乡沿浐河向北北西、经神鹿坊、长乐坡，穿过港务区辖区西部，沿灞河南北迳流段延伸。

渭河断裂和浐河断裂均为张性断裂，其通常为热储与导热断裂的沟通带和通道，国际港务区辖区内有渭河断裂和浐河断裂两条隐伏张性断裂，表明该区域热储发育地质条件良好。

1.2 区域热储层概况

区域内已凿井（孔）及物探资料表明（详见表1），该区域地表以下3000m以浅依次沉积了新近系中新统高陵群（N1gl）、上新统蓝田灞河组（N2l+b）、张家坡组（N2z）及第四系下更新统三门组（Q1s）和全新统-中更新统秦川群（Q2-4qc）。

根据区域已成地热井资料和已有物探解释成果推测区域从上到下各热储层的埋深及厚度分别为:第四系全新统-中更新统秦川群(Q2-4qc)—厚度在482～564 m之间，地表为黄土状粉土，厚度小于15 m；第四系下更新统三门组(Q1s)—厚度在398～422 m之间，埋深介于500～900 m之间；新近系上新统张家坡组 (N2z)—厚度约1000.0 m左右，埋深介于800.0～1800.0 m之间；新近系上新统蓝田灞河组(N2l+b)—厚度在1000~1200 m之间，埋深介于1500～2600 m之间；新近系中新统高陵群（N1gl）—热储层厚度一般在750 m左右，底板埋深在3400m左右。

1.3 区域热储特征

表1 国际港务辖区及附近区域地热井钻遇地层对比表

1.3.1 地温场特征

（1）区域平均地温梯度分布特征。根据区域已成地热水井及相邻区域已成地热水井的水温资料，推算出该区域张家坡组热储的地温梯度为3.43℃/100 m；蓝田灞河组地温梯度为3.50℃/100 m；高陵群地温梯度为 3.06℃/100 m。根据热储层的地温梯度，推算出区域不同热储层开发利用后的井口水温：张家坡组55～65℃；蓝田灞河组65～85℃；高陵群 85～95℃。

（2）区域地温垂向变化特征。受大地热传导的影响，区域内常温带以下，地温随深度增加而均匀升高。据西部渔港、大学城和未央湖地层测温资料，表明该地区地温随深度的变化大体呈斜直线变化趋势，详见图2。

1.3.2 水化学特征

区域开采张家坡组热储水化学类型为SO4-Na型水，矿化度在4~8g/L之间，氟、硅、碘等均能达到医疗热矿水命名浓度，可命名为氟水、硅水、碘水；开采蓝田灞河组热储水化学类型以Cl·SO4-Na型水为主，矿化度在10g/L左右，碘、硼、氟、硅、砷含量较高，能达到医疗热矿水的命名浓度，可命名为碘水、硼水、氟水、硅水、砷水。

图2 电测地层温度与井深关系曲线

表2 区域内及临近区域部分已成地热井水质统计表

2 区域地热水资源开发利用现状

2.1 区域地热水井的分布现状

西安国际港务区辖区内，目前已成井仅2眼、地质勘探孔1眼，分别为西部渔港地热水井和渭参7（WC7），2眼地热水井相距4650m。区域内已成井及钻孔主要参数详见表3。

表3 区域已成地热水井及钻孔主要参数统计一览表

2.2 区域已成井的使用情况

根据调查，区域内目前正常使用的热水井仅1眼，即西部渔港热水井，主要用于洗浴。成井时静水位埋深为2.1m，年开采量约4.0万m3。

对西部渔港地热水井水位埋深动态资料（2005~2016年）进行分析，表明该井从2005年11月成井后，在使用过程中水位埋深呈下降趋势（详见图3），截止2016年底水位埋深从2.1 m下降至43.2m，共下降41.1m，下降速率为3.7m/a,低于全市地热水井水位埋深下降速率（>10 m/a）；年内该井水位埋深呈波动下降趋势，总体较为稳定。

西部渔港地热水井水位埋深的动态变化趋势表明，该区域开采蓝田灞河组热储较为理想，水位下降速率较为乐观，主要源于两点：一是该区域地热水井布井较少，区域热储资源未大规模开发利用；二是该井主要用于洗浴，年开采量较为合理，地热水资源有补充的时间，延缓了水位埋深下降的趋势。

图3 西部渔港热水井水位埋深动态趋势图

3 区域热储资源量估算

根据《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010）、《地热资源评价方法》（DZ 40-85），结合区域地热水资源的开发利用现状，采用热储法对区域内3000m以浅之地热赋存和热量进行估算。

热储法计算公式：

式中：Qr为地热资源量（kJ）；θr为热储温度（℃）；θo为基准温度（℃），取 23.4℃；A 为热储面积（m2）；h为热储层厚度（m）；C 为热储层岩石和水的热容量（kJ·m2·℃-1）.

其中热容量公式：

式中：ρcρω为分别为岩石和水的密度（kg·m-3）；CrCω为分别为岩石和水的比热（kJ·kg-1·℃-1）

代入（1）式，得：

可开采量采用资源回收率进行折算。即：

式中：Re为资源回收率；Qωh为开采资源量。

根据规定，对于大型沉积盆地的新生代砂岩，当孔隙度>20%时，热储回收率定位0.25，碳酸盐岩裂隙型热储定位0.15，花岗岩等定位0.05～0.10。

热储岩石的密度采用砂岩在孔隙度（Φ）为20%，试验温度（θ）为 50℃时的平均密度（ργ）为 2650 kg·m-3，Cγ=0.825 KJ·kg-1·℃-1。

根据港务区区域面积及地热开发利用现状，参考西安地热田热储开发利用情况，对区域内具有利用潜力的热储资源量进行估算，其中相关参数主要参考区域内已成钻孔及西安地热田已成地热水井的取得的数据。

根据估算，区内不同热储层地热资源量及可采资源量具体如下：

（1）张家坡组。区域内地热资源量为8395×1015J，可采地热资源量为 2099×1015J；

（2）蓝田灞河组。区域内地热资源量为13576×1015J，可采地热资源量为3394×1015J；

（3）高陵群。区域内地热资源量为12808×1015J，可采地热资源量为 3202×1015J。

4 结论及建议

西安国际港务区地热水资源赋存丰富，开发利用潜力巨大，就热储层赋存程度来看，蓝田灞河组热储最丰，高陵群次之，张家坡组再次；从布井现状来看，该区域仅钻凿了2眼地热水井，布井空间大；从开发利用方向来看，该区域属于新建区域，具有梯级开发和科技利用地热水资源的基础。

（1）科学规划，合理开发利用。西安国际港务区不同热储层的水温、水质、水量均不同，在开发利用前期，必须统筹规划、系统开发，确保区域地热水资源有序、可控、可持续开发利用。在现有勘探水平和钻孔资料的基础上，补充勘探工作，对区域地热水资源进行评价，并编制区域地热水资源开发利用规划，确保后期地热水资源的开发利用有据可依。

（2）梯级开发，节约地热资源。地热资源因其同时具备资源和能源的特点，具有一定的稀缺性，开发利用时不同热储层的水温、水质差异较大，因此需按不同用途对地热水进行梯级开发利用，其效果比单一使用要高许多倍，梯级开发利用即符合资源循环利用的政策要求，也会减少因地热尾水高温、高矿排放对环境造成的污染。根据渭河盆地和西安地热田地热水开发利用的实践，西安国际港务区地热水的水温将达到55~85℃，具体根据开采井的深度而定，为了充分利用地热能，节约地热资源，必须开展梯级利用，如温度大于60℃时，在满足回灌要求下，可采用间接供热的方式进行供暖；洗浴与疗养所需地热水温度一般在38~45℃之间；蔬菜温室种植和水产养殖业所需温度一般在20~40℃之间，因此同一口地热水井，可根据温度及服务对象的不同，合理安排生产，以最大化的提高效益、降低成本、减少浪费。

（3）创新模式，探索利用新技术。地热水资源作为一种稀缺矿产资源，在开发利用过程中必须不断创新利用模式，探索利用新技术以延长地热水井的使用寿命和提高地热水资源的利用效率，包括采用对井回灌、深层对接井等技术。

[1]卞惠瑛，王双明，杨泽元，吕新，宫振奇.固市凹陷地下热水水动力条件分析[J].煤田地质与勘探，2014,42（3）：50-54.