高陵城区中深层地热资源条件分析

2018-08-03，

地下水 2018年4期

关键词：渭河泥岩城区

，

(1.陕西工程勘察研究院，陕西西安 710068；2.陕西天地源新能源投资有限公司，陕西西安 710068)

近年来雾霾天气严重，地热资源逐渐受到重视。地热资源是一种优质清洁能源，开发利用地热资源是缓解雾霾现状、治理大气污染的必要手段，也是调整能源结构、实现节能减排的有效途径[1]。

高陵区隶属西安市管辖，位于陕西省关中平原腹地，距西安市中心33 km，境内地势平坦。高陵城区中深层地热资源勘查开发程度较低，分析研究高陵城区地热资源条件是科学开发利用地热资源的基础，对指导地热资源开发具有重要意义。

1 地热地质背景

1.1 地质构造背景

高陵城区位于渭河盆地中部。渭河盆地是由一系列不同方向的断裂切错形成的新生代复式地堑型断陷盆地[2]。渭河盆地可分为六个次级构造单元，自西向东依次为：宝鸡凸起、咸礼凸起、西安凹陷、浦城凸起、固市凹陷和临蓝凸起[2](图1)。西安凹陷、固市凹陷是渭河盆地的两大沉降中心，其新生界沉积厚度分别为7 000 m和6 800 m。高陵城区位于固市凹陷西南部，新生界沉积厚度约4 000 m。

1.2 莫霍面与大地热流特征

莫霍面埋深是影响大地热流的关键因素之一。大陆裂谷型平原深部地幔软流层物质上涌，造成的岩石圈界面、莫霍面、居里等温面及壳内高导层上拱，是大陆裂谷型断陷平原地表热流的主要来源[3]。莫霍面抬升越高，向浅部所提供的热流就越大，越深则所提供热流就愈小。

渭河盆地与南北两侧地域相比，莫霍面为北东东向展布、南陡北缓的隆起带，在西安凹陷和固市凹陷形成两个椭圆形局部隆起区，西安凹陷莫霍面埋深约33 km，固市凹陷莫霍面埋深约30 km[2]，高陵城区莫霍面埋深约35 km。反映深层温度界面的居里面(600℃～650℃)，在渭河盆地亦呈隆起状态,埋深仅18～19 km左右，表明了渭河盆地深部地壳处于相对较热的状态。

莫霍面及居里面的上隆，使渭河盆地大地热流较高，渭河盆地大地热流平均值为78.8 mW/m2，比背景值(华北大地热流)70.6 mW/m2高出8.2 mW/m2，也明显高于我国其他地区的大地热流[3]。这种深部的热背景，是关中盆地内中深层传导型热储普遍具有较高温度的基础条件。

图1 渭河盆地构造分区图

表1 渭河盆地与部分地区大地热流值[3]

1.3 断层

高陵城区新生代以来主要构造活动表现为以持续沉降为特征。区内地质构造稳定，未见断层发育。高陵城区周边发育的对区内地层结构有一定控制作用的断层有渭河断裂(F1)、泾河断裂(F2)和泾阳-渭南断裂(F3),分述如下：

1.3.1 渭河断裂(F1)

渭河断裂(F1)：展布在高陵城区以南约5km处，走向SWW—NEE，倾向北，倾角650左右，正断裂，断距较大，断距随深度增加而加大。该断裂是渭河盆地次级构造单元的分界线，也是盆地内的主要热通道之一，影响着渭河盆地地温分布，断裂带沿线有地热异常显示及低温泉水出露，水温一般在18℃～21℃之间。

1.3.2 泾河断裂(F2)

泾河断裂(F2)：沿泾河南岸展布，展布在高陵城区西南约12 km处，走向东南，倾向北东，正断裂，倾角60°～80°，断距向深部增大。该断裂为固市凹陷和咸礼凸起的分界线，同时也构成了区域基底岩相分界线，东段北侧为下古生界灰岩，南侧为太古界片麻岩[4]。

1.3.3 泾阳-渭南断裂(F3)

该断裂西起泾阳县城北，经永乐镇、高陵城南、渭南北、华县北向东延伸，全长约80 km。该断裂为隐伏断层，走向近东西-北西西，倾向北，推测为高角度正断层[5]。自2009年11月5日该断裂上发生ML4.8地震以来，该断裂地震活动开始活跃，由以前的很不活跃成为最活跃的断裂之一[6]。

1.4 地层

依据区域地质资料、已成钻孔资料与地球物理勘查成果，综合分析高陵城区垂向地层结构。高陵城区新生代地层主要为河流相-湖泊相沉积，岩性为砂岩-泥岩组合，表现为上细下粗的正旋回沉积特征，产状平缓。各地层埋深与岩性如下：

古近系始新统红河组(E2h)

埋深：3 500～4 000 m，厚500 m。

岩性：岩性以大套紫红色、砖红色泥岩为主，与砂质泥岩及细砂岩互层，底部为砾岩，顶部砂岩增多。砂岩中含有钙质结核，成岩作用相对较好。

古近系渐新统白鹿塬组(E3b)

埋深：3 000～3 500 m，厚500 m。

岩性：岩性为紫红色夹棕红色泥岩与灰白色细砂、中砂岩不等厚互层。泥岩质纯，砂岩以石英为主，含砾石，次棱角状。

新近系中新统高陵群(N1gl)

埋深：2 400～3 000 m，厚600 m。

岩性：岩性为深紫红色、褐色泥岩夹棕红色泥岩与灰白色、棕黄色细砂、中砂岩不等厚互层，泥岩夹有钙质夹层，砂岩以石英、长石为主，含砾石。

新近系上新统蓝田—灞河组(N2l+b)

埋深：1 600～2 400 m，厚800 m。

岩性：上部为棕色、紫红色夹灰绿色泥岩夹灰白色细砂岩；中部为棕红色夹灰绿色泥岩夹灰白色细砂、中砂岩；下部为紫红色、棕红色夹灰绿色泥岩、粉砂质泥岩与灰白色细砂、中砂岩略等厚互层。部分砂岩含砾。

新近系上新统张家坡组(N2z)

埋深：760～1 600 m，厚840 m。

岩性：上部灰色、灰绿色泥岩夹灰褐色泥岩；中部棕黄色、灰褐色夹灰绿色泥岩、粉砂质泥岩；下部棕色、紫红色、灰绿色泥岩夹灰白色粉砂、细砂岩；泥岩性软，砂岩成份以石英、长石为主。

第四系下更新统三门组(Q1s)

埋深：540～760 m，厚220 m。

岩性：为深灰色、蓝灰色粉质粘土、粘土，夹灰白色细砂、中细砂层，未成岩。

第四系中、上更新统、全新统秦川群(Q2-4qc)

埋深：0～540 m，厚540 m。

岩性：为灰黄、褐黄色粉质粘土、砂质粘土、粘土与细、中、粗砂、砂砾石层不等厚互层，疏松，粒径自上而下由粗变细。

2 地热地质条件

百岁宫地热井位于高陵城区北部，该井的成功勘查与钻凿初步探明了高陵城区中深层地热资源条件。参考高陵百岁宫地热井成果资料，结合区域地热地质条件，对高陵城区地热资源条件进行分析评价。

2.1 热储类型

渭河盆地地热资源有3种类型：一是盆地中部孔隙型地热，分布在西安、咸阳、渭南等地平原区，赋存于砂岩、砂砾岩的孔隙之中，埋藏比较稳定，开发利用风险较小，是目前关中盆地地热资源只要富集区和开采层位。二是渭北山前岩溶型地热，分布在渭北凤翔、岐山、扶风、乾县、礼泉、三原、富平、蒲城、大荔、韩城等地，赋存于灰岩岩溶之中，水质达到医疗热矿水标准，也符合生活饮用水标准。三是秦岭山前断裂型地热，沿秦岭山前断裂呈条带状分布，主要有眉县西汤峪、蓝田东汤峪、临潼华清池温泉[7]。

高陵城区地热资源为孔隙型地热，属热传导型地热系统。该地热系统以上地幔热传导为主要热源，以新生代松散和半胶结沉积地层为热储层和盖层[8]。河流相砂岩为热水良好储层，湖相泥页岩为热储良好的盖层，多个沉积旋回在纵向上构成了良好的储盖组合。

2.2 热储层特征

高陵城区地热资源可划分为六个热储层，分别为第四系下更新统三门组热储、新近系上新统张家坡组热储、蓝田—灞河组热储、新近系中新统高陵群热储、古近系渐新统白鹿塬组热储及始新统红河组热储。第四系中、上更新统、全新统秦川群为保温盖层。目前高陵城区的百岁宫地热井井深3 202 m，探明的热储层有三门组、张家坡组、蓝田—灞河组、高陵群和白鹿塬组热储，根据该地热井成井资料统计分析各热储层特征如下：

(1)第四系下更新统三门组热储：该热储层砂岩总厚度为8.7 m，砂厚比为4.19%；平均单层厚度4.4 m。砂岩孔隙度36.36%～37.26%，渗透率149.56～353.08毫达西，实测顶板温度61.14℃，实测底板温度为65.13℃。该热储层埋藏较浅，水温偏低，砂岩含水层不发育，热储条件差。

(2)新近系上新统张家坡组热储：该热储层砂岩总厚度为32.4 m，砂厚比为5.74%；平均单层厚度2.49 m。砂岩孔隙度27.42%～37.47%，渗透率38.16～272.06毫达西，实测顶板温度65.13℃，实测底板温度为75.27℃。该热储层砂岩含水层不发育，热储条件较差。

(3)新近系上新统蓝田-灞河组热储：该热储层砂岩总厚度为106.7 m，砂厚比为10.02%；平均单层厚度2.76 m。砂岩孔隙度18.81%～32.01%，渗透率9.21～160.59毫达西，顶板实测温度75.27℃，底板实测温度96.54℃，平均温度为85.91℃。

(4)新近系中新统高陵群热储：该热储层砂岩总厚度为194.5 m，砂厚比为36.79%；平均单层厚度4.14 m。砂岩孔隙度14.42%～26.45%，渗透率2.02～251.23毫达西，顶板实测温度96.54℃，底板实测温度107.77℃，平均温度102.16℃。该热储层砂岩含水层较发育，温度较高，热储条件较好。

(5)古近系渐新统白鹿塬组热储(未揭穿)：该热储层砂岩总厚度为82.7 m，砂厚比为27.95%。砂岩孔隙度12.62%～37.28%，渗透率1.42～550.59毫达西，实测温度顶板温度107.77℃，底板实测温度121.47℃，平均温度114.62℃。该热储层砂岩含水层较发育，温度较高，热储条件较好。

由以上资料可以看出，区内高陵群热储和白鹿塬组热储砂岩含水层发育较好，砂厚比分别为36.79%和27.95%，较西安凹陷大(西安凹陷砂厚比分别为21.1%和24.5%[9])，热储条件较好，可优先开发；而蓝田-灞河组热储和张家坡组热储砂岩含水层发育较差，砂厚比分别为10.02%和5.74%，较西安凹陷小很多(西安凹陷砂厚比分别为30.2%和30.1%[9])，热储条件较西安凹陷差。见表2。

表2 热储层砂厚比对照表

2.3 地温场特征

渭河盆地地热异常带分布具明显的地域性和带状分布特点，地热异常大多分布在莫霍面隆起区及主要活动断裂带上[3]。莫霍面隆起区对应低地热异常区，其热异常面积大，如西安凹陷和固市凹陷。主要活动断裂构造带对应高地热异常区，地热异常多为条带状，地热异常中心主要分布在断裂交汇处。高陵城区属于低地热异常区，地热异常主要受莫霍面埋深影响。

高陵百岁宫地热井在完井后进行了非稳态下的井温测量(见表3、图2)。从井温测量结果可以看出：(1)井温随深度增加而增加，井温与井深关系曲线呈斜直线型，井底(3 200 m深)温度为121.22℃；(2)井温增温率一般在0.65～3.16℃/100m之间变化，平均值为2.26℃/100m；(3)整体上平均地温梯度随井深的增加而逐渐减小，且井深越大平均地温梯度越趋于稳定，井底(3 200 m深)平均地温梯度为3.34℃/100m，地热异常明显。

图2 电测井温度、地温梯度-井深关系曲线图

非稳态情况下钻井液温度在上部井段高于井壁围岩地层温度，在下部井段低于井壁围岩地层温度[10]。这种情况导致非稳态的测井温度增温率较实际地层温度增温率小，同时也是测井温度计算的平均地温梯度浅部偏大深部偏小的主要原因之一。相对而言，井底段经历的钻井时间最短，受到的热扰动最小，所测温度最接近原始地温[10]。

为了更准确的判断高陵城区的地温场情况，可采用经过较长时间抽(放)水试验所测得的井口水温，计算平均地温梯度，做为衡量地热异常的依据。计算公式如下：

平均地温梯度(℃/100m)=

公式中实测温度指井口水温，温度损耗采用《西安地热普查报告》资料0.377℃/100m，实测深度用开采段中点深度代替。经计算，按井口水温计算的平均地温梯度为4.0℃/100m(见表4)。此结果更能代表深部地层的实际地温梯度，说明高陵城区地热异常明显。

表3 井温特征值一览表

表4 采用井口水温计算平均地温梯度数据表

2.4 产能测试

高陵百岁宫地热井进行了三次落程放水试验。该井初始压力水头为+81 m，大落程放水降深65 m，出水量186.82 m3/h，井口水温108℃。详见表5。经计算，其单位涌水量为0.798～0.808 L/s·m，属于中等富水性。由此可见，高陵地区地热资源丰富，按《地热资源地质勘查规范》中地热资源开发可行性评价属于适宜开采区，地热资源温度分级属中温地热资源。

表5 放水实验成果表

2.5 水化学特征与评价

据高陵百岁宫地热井水质检验报告可知：该地热水水化学类型为氯化钠型水(Cl-Na)，总矿化度12 351.8 mg/L，属盐水；溶解性固体12 200.0 mg/L，以碳酸钙计总硬度745.7 mg/L，属极硬水； pH值7.6，属中性水。

按照国标GB5749—85《生活饮用水卫生标准》进行评价，该地热水中有9项超标，不能作为生活饮用水。

按照国标GB11615—2010中《理疗热矿水水质评价标准》进行评价，该地热水中氟、溴、碘、锶、锂、偏硼酸、偏硅酸等矿物含量具有医疗价值，其中氟、溴、碘、锂、锶、偏硼酸、偏硅酸达到命名矿水浓度。该地热水是优质的热矿水，具有较高的理疗价值。

按照国标GB8978-1996《污水综合排放标准》进行评价，该地热水符合《污水综合排放标准》要求，但水温较高，应将尾水温度降到25℃以下排放，避免造成资源浪费和局部热污染。

3 地热资源开发利用与保护

3.1 地热资源开发利用

目前关中平原冬季雾霾严重，已严重影响居民生活、生产。高陵城区地热资源丰富，开发利用地热资源替代传统燃煤锅炉供暖是缓解雾霾现状、治理大气污染的有效途径。

高陵城区地热资源丰富，温度高、水量大，储层压力高，开发利用成本较低，可用于供暖、洗浴、农业种植养殖等，有较高的经济效益。以高陵百岁宫地热井为例，尾水温度按15℃计算，高陵百岁宫地热井可开采热负荷为20 MW，若用于采暖，可满足约45万 m2住宅的采暖需求，相当于节约标准煤约7 000 t/供暖季，减少二氧化碳排放16 702 t/供暖季，减少二氧化硫排放119 t/供暖季。环境效益、经济效益十分显著。