关中盆地西安凹陷深层地热U型对接井地温特征

张育平，黄少鹏，杨 甫，王 兴，余如洋，李 毅，荀迎九，周 聪

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710021; 2.西安交通大学，西安 710048; 3.陕西省煤田地质集团有限公司，西安 710021; 4.陕西中煤新能源有限公司，西安 710054)

0 引言

地热是一种新型能源，具有清洁环保、可再生和可循环利用等特点，备受关注。关中地区平均大地热流值为78.8mW/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[1]，是地热能开发利用的有利区。

关中盆地热储层体积储存的总热量为3.23×1018kcal，相当于4.61×1011t标准煤，可用热量1 930.58×1015kcal，相当于275.8×109t标准煤[2]，为地热供暖提供了保障。

不同学者对关中盆地地温特征进行了讨论，取得了一些进展，如王兴采用人工调查的方式，对关中盆地地温和地温梯度的异常分布进行了研究[3]，王佟等对关中盆地地温场变化与构造的关系进行了研究[4]，黄景锐、刘彩波、孙红丽、侯娟等对关中盆地不同区域地温场特征进行了研究[5-8]，这些研究为关中盆地的地热研究奠定了基础，但都局限于浅层地温的研究，未涉及中深层地温的研究。周阳等对关中盆地地温场划分特征及其地质影响因素进行了研究[1,9-10]，但所测井的静井时间在48h以内，静井时间较短，井温测量存在误差较大。针对深层(>1 500m)地热井的测温，目前的静井时间明显不够，利用测井得到的井温不能反映原始地温，这不仅影响对区域地温场的分析，更重要的是影响地热井换热模拟计算，进一步影响建筑供暖能力的设计。

本次在西安凹陷中施工了2 000m以深两对U型对接井，对接井水平段长200m，形成了闭式地埋管换热器并给建筑供暖，属国内外首创。两组U型对接井静井时间超过2a，能够反映初始地温，首次通过高精度的井温测量提供准确的地温参数，为保证后期各类计算结果的可靠性提供依据。

1 区内地质和对接井

西安凹陷是关中断陷盆地的沉积中心之一，为四条深大断裂带所围限，其东部边界为长安-临潼断裂，西为哑柏断裂，南为秦岭山前断裂，北为渭河断裂，凹陷内新生代地层厚逾7 000m，其中第四系厚达500～1 000m。区内构造形迹主要表现为隐伏断裂构造，按其走向可分为EW向、NE向和NW向三组。

本次测温区的4口地热井位于关中盆地西安凹陷北部的草滩次级构造凹陷区(图1)，行政区划属西安未央区北部草滩镇。

1.1 区内地层

根据区内钻井揭露，地层由新到老依次为第四系秦川群、 三门组以及新近系的张家坡组和蓝田-灞河组，其中蓝田-灞河组为该区热储层。

图1 关中盆地区域构造大断裂(a)、测温井位分布图(b)Figure 1 Central Shaanxi Basin tectonic major faults (a) Temperature measurement wells distribution (b)

(1)第四系中更新统-全新统秦川群(Q2-4qc)。底界埋深612m，厚度612m。上部主要为浅黄色、灰黄色粘土，粉砂质黏土，含流砂层；下部灰黄色粘土夹灰白色细砂，局部夹钙质结核及砂质团块。

(2)第四系下更新统三门组(Q1s)。底界埋深1 014m，厚度402m。为浅灰黄色、灰黄色黏土，含粉砂粘土及粉砂、砂砾石层 ，夹浅灰绿色团块，灰白色钙质结核层。

(3)新近系上新统张家坡组(N2z)。底界埋深1870m，厚度856m。上部为灰黄色、棕红色粉砂质泥岩夹浅灰绿色泥岩；中部为浅灰绿色泥岩，含粉砂泥岩，可见星状黄铁矿；下部为棕红色、紫红色泥岩，含粉砂泥岩夹灰白色粉-细砂岩，偶见黄铁矿集合体。

(4)新近系上新统蓝田灞河组(N2l+b)。未见底，钻揭厚度230m。主要为浅灰绿色含粉砂泥岩、粉砂质泥岩，泥质粉砂岩，少量浅褐色泥岩，夹灰白、棕黄色含砾细砂岩，粉砂岩。本井仅钻及上部泥质岩段。

本区广泛发育新近系上新统蓝田-灞河组孔隙型热储层，也是本区主要采热目的层。蓝田-灞河组热储层在草滩次级凹陷区内广泛分布。

1.2 地热U型对接井

区内施工的热1直和热1斜、热2直和热2斜分别在2 100m和2 500m处对接连通，每个对接井有水平段，水平段长约200m，以增加换热面积，计划为区内10万m2的住宅及办公楼供暖。图2为热1直和热1斜井对接井结构示意图。井筒本身作为地埋管换热器，冷水通过斜井进入地下，通过循环完成换热，最后通过直井进入机房，完成封闭环状循环，这样通过闭式“保水取热”换热提取深层地热能，并为建筑供暖，开创了关中地区地热开发利用的新途径。

图2 热1直和热1斜对接井结构示意图Figure 2 Schematic diagram of the configuration of intersected wells T1V and T1H

2 地温测量

2.1 测量装置及方法

为满足本次测温需求，选用加拿大Spartek公司生产的SS2560型测温探头，其测温量程为0～150℃，压力范围为常压-70MPa，分辨率0.001℃，精度0.01℃，压力精度5psi，采样频率1s一个点。测温系统包括井口系统和孔内系统，井口系统包括控制单元、数据采集、接线端子。孔内系统包括测温探模块、记录模块、电池组等。测温探头使用微型-铠装(Mantel)-热电偶。这种热电偶由两根不同的金属芯线构成，芯线嵌在绝缘材料内并由金属屏蔽、铠装环围。采用具有高绝缘阻抗的氧化镁或氧化铝作为绝缘材料，不锈钢作为铠装材料。热电偶的芯线采用NiCr-Ni-金属丝，并且在其前端相互焊接在一起。安装在探头体内的热电偶的直径通常约为2mm，探管外径30mm。

首先选定孔口周围平整的地方，清洁除去杂草，固定揽线三角架。启动计算机设备控制程序，测温探头放入探管内，启动揽车，将探管放入孔内，控制下放速度在10m/min以内，测温仪表开始记录读数(图3)。

2.2 测温结果

本次测试的4口地热井垂直测温总深度为8 738.6m，其中热2斜井的垂直测温深度最深，为2 406.48m，井底温度最高，为96.2℃。4口井的测温情况如表1和图4所示。热1直测温井段：6.03～1 995.87m，对应温度范围：20.39～83.10℃，热1斜垂测温井段：0～1 958.90m, 对应温度范围：21.40～81.74℃；热2直测温井段：24.95～2 377.35m，对应温度范围：18.35～95.12℃，热2斜垂直测温井段：0～2 406.48m, 对应温度范围：24.35～96.20℃。

表1 测温情况总览

(a)计算机控制模块；(b)缆线与计算机联结端子；(c)探管内探头及记录模块；(d)井口三角架；(e)无级电动绞车和(f)控制设备图3 测试现场和设备Figure 3 Testing site and equipment

图4 4口地热井测温曲线特征Figure 4 Temperature measuring curve features of 4 geothermal wells

图5 4口地热井测温曲线对比Figure 5 Comparison of 4 geothermal well temperature curves

热1直、热2直到对接井热1斜、热2斜距离在200m左右，而从各个地热井的温度对比分析来看(图4、图5)，热1直和经过井斜校正的热1斜测温曲线可以看成是重合的，热2直和热2斜同样如此。此外，热1直和热2直测温曲线基本是重合的，在相同深度1 995.8m处，热1直温度为82.63℃，热2直为82.83℃；对于热1斜和热2斜也基本是重合的，在1 958.9m垂深处，热2斜温度为81.67℃，热1斜为81.74℃[13]。因此，本次所测的2组对接井的地温(包括对接斜井经过深度校正后的温度)，都表现出高度的重合性，表明区内地温和地下流场具有很好的稳定性，为地热开发利用提供保障。

3 讨论

3.1 地温梯度计算

根据4口地热井测得的井温资料，对埋深100～2 400m段的地温梯度进行了统计，结果见表2。除接近地表的浅层部分温度易受气候和地表水流动影响外，各井测温曲线均表现出传导型地温场的特点，这与关中盆地上覆巨厚的新生界沉积层特点相对应，因此，可利用线性拟合的方法计算地温梯度。

表2 地热对接井的地温梯度

在垂向上，4口井的地温梯度在100～200m存在高异常，200～500m较低，500～1 400m为低异常，在1 400～1 800m存在较高异常，特别是在1 500～1 600m存在最高的地温异常，地温梯度都在4.35℃/hm以上。

测温结果显示，秦川群受浅层地下水扰动和气温变化影响，故选取不受浅层地下水扰动和气温变化影响测温井段，利用线性回归的方法计算得到三门组、张家坡组以及蓝田-灞河组的地温梯度。结果见表3和图6，单井地温梯度变化范围为3.45～3.48℃/hm，平均3.46±0.01℃/hm。

单层计算结果显示区内蓝田-灞河组地温梯度最小，张家坡组地温梯度最大。

表3 各地层地温梯度计算结果

3.2 地温梯度异常分析

晚始新世以来，渭河盆地为持续拉张应力场，岩石圈表壳破裂，盆地持续沉降，成为了环鄂尔多斯盆地新生代断陷活动表现最为强烈的地区之一，岩石圈破裂引起上地幔被动隆起和软流圈被动上涌，幔热流持续增加。“热”岩石圈厚度不断减小使深部热流能够更快速地传导到浅部，使得渭河断陷盆地比北部的鄂尔多斯盆地具有更高的区域热流值，这是渭河断陷盆地中—低温地热田形成的最根本的热源基础[1]。就整个关中盆地而言，不同的构造部位其地热能富集存在差异。一般地堑侧翼是地热富集带。这主要是地堑在形成过程中，引起软流圈上升，热源垂直传导方向转移到裂谷两侧供给了裂谷两冀的岩块地区[14]。其中的秦岭山前断裂、渭河断裂等深大断裂， 对地热的富集和形成起到良好的导热作用，形成了区域高热流环境下的线状异常带。

研究区正处于西安凹陷北部的草滩次级构造凹陷区内区，紧邻渭河深大断裂(延伸约330km)，莫霍面深度33km，较盆地南北两侧隆起12～14km。相对高地幔热流的热传导和深大断裂沟通的水体热对流在区内相互叠加(图7)，造成区内地温梯度高于3.45℃/hm，高于区域地热梯度(3.0℃/hm)，形成了地热高异常区并呈明显带状分布。

图6 地热井地温梯度计算Figure 6 Geothermal well geothermal gradient computation

图7 关中盆地地热异常形成机理示意图 (据参考文献[1]修改)Figure 7 A schematic diagram of geothermal anomaly formationmechanism in Guan zhong Basin(after reference[1],modified)

3.3 对接井对接层段的建议

温度-深度变化趋势图(图4)显示，区内1 866m以深，温度大于80℃，地温随着深度的增加而逐渐增大，但地温梯度的增加率相对减少，这种变化规律与区域上盆地由浅到深地温梯度递减的趋势一致，并且浅部梯度愈大，递减速度愈大，如热2直和热2斜地温梯度从1 700m的4.0℃/hm迅速减少到3.2℃/hm，这种变化规律与盆地深部地壳结构对其地温场的控制作用关系密切，进一步反应热源主要来自深部热流的传导传热，且在此深度以下区域上热储稳定。此外，1 866m以深层段为蓝田-灞河组，该组在草滩次级凹陷区内广泛分布，是区内主要采热储层，具有富水性、渗透性较好和热导率较高的特点。因此，充分利用1 866m以深的蓝田-灞河组层段，使对接井的水平段处于这一层位并完成对接，将可利用围岩稳定的高温层段进行热交换，保证最大的热源和交换过程中热源的持续稳定。结合钻井经济效益等因素，建议将区内对接井对接层段放在1 866m以深的蓝田-灞河组。

3.4 含水层对地温梯度的影响

为了进一步探究造成张家坡组尤其是1 500～1 600m深度段地温梯度高的影响因素，查看了钻孔相关层段的编录资料和测井资料(表4和图8)，该段岩性以砂岩为主，测井响应特征为：自然伽马值100API左右，电阻率1.79 ～2.67Ω·m，声波时差332.02～381.73μs/m，计算储层孔隙度29.53%～38.98%；渗透率214.53×10-3～787.40×10-3μm；储层物性相对较好，双侧向深、浅侧向电阻率差异明显，测井资料综合解释为含水层。

表4 热1直井层段测井解释成果表

图8 热1直测井解释成果与地温Figure 8 Well T1V well logging interpreted results and geotemperature

通过测井资料验证，在1 400～1 800m(张家坡组下段)存在较大的异常，特别是在1 500～1 600m存在最高的地温异常，该段地温梯度最大异常层段与该层段地下水活动和地层含砂量高有关。

4 结论

①西安凹陷中施工的两对2 000m以深地热U型对接井，形成了闭式地埋管换热器，且静井时间超过2年，首次对2组U型对接井初始地温进行了高精度的测量，最高温度达96.20℃。

②4口地热井单井地温梯度变化为3.45～3.47℃/hm，平均3.46±0.01℃/hm，地温梯度异常是由于关中盆地地壳厚度变薄导致软流圈上涌，相对高地幔热流的热传导和深大断裂沟通的水体热对流相互叠加造成。

③埋深1 866.00～2 406.48m的蓝田-灞河组层段，对应地温81.74～96.2℃，为区域稳定热储层，具有分布广、富水性好、渗透率和导热性高以及热源稳定等特点，是对接井施工优选的对接层段。在垂向和平面上，2组对接井之间的地温都表现出高度的重合性，区内地温和地下流场稳定性好，具备很好的地热开采潜力。

④测井资料结果显示，埋深1 500～1 600m存在最高地温异常段，是一个局部的优质热储层，地温异常与地下水活动和地层含砂量高相关。