延安市中深层地热能开发利用潜力评价

2021-08-15李小等张鹏伟杨炳超郭帅艾书涛卢娜

新疆有色金属 2021年5期

李小等张鹏伟杨炳超郭帅艾书涛卢娜

（①中国地质调查局乌鲁木齐自然资源综合调查中心乌鲁木齐830000②中国地质调查局西安地质调查中心西安 710054）

中深层地热能是指蕴藏在地表以下一定深度范围（多指200 米至2000 米之间）的岩土体、流体和岩浆体中，能够为人类当前技术条件下可开发和利用的热能[1，2]。地热资源作为一种分布广泛的、重要的清洁环保型可再生能源，在治污降霾、改变能源结构、提倡生态文明的今天，有着十分重要的现实意义[3]。

延安市属半湿润半干旱大陆性季风气候，冬季寒冷，供暖需求大，煤炭资源丰富，燃煤仍为主要供暖方式，但其污染排放物已成为产生雾霾的重要因素，不利于人类健康和生产生活，延安生态文明城市建设仍任重道远。区内中深层地热能研究工作起步晚，开发利用程度低。目前仅在新区管委会东侧建立了延安市第一处中深层地热开发利用工程。该工程采用无干扰单孔取热技术，在当地具有一定的创新和开拓意义。但在实际建设和运行过程中未进行地温测量和监测工作，导致整个系统工程的运行出现了一定的问题[4]。为了加强生态城市建设，早日达到低碳城市目标，本文在对延安市地热资源赋存条件、分布规律、地层热参数和地温场特征分析研究的基础上，计算评价了中深地热能开发利用潜力，为延安市地热能开发利用提供了一定的理论数据支撑。

1 开发利用条件

1.1 区域地质条件

延安市地处华北陆块鄂尔多斯地块中东部伊陕斜坡地带，以前三叠系为基底，基底起伏小，除在二叠系末和三叠系末遭受区域隆升外，始终保持着稳定沉积盆地特征，无显著构造作用改造，仅有小型鼻状构造与小型断裂。地面出露地层自上而下主要有第四系、新近系、白垩系、侏罗系和三叠系。

1.2 水文地质条件

延安市地区地下水资源贫乏，地下水类型主要为第四系孔隙裂隙水、白垩系碎屑岩裂隙孔隙水和三叠系、侏罗系碎屑岩裂隙水。其中，开发利用中深层地热资源主要涉及到白垩系裂隙孔隙水和侏罗系、三叠系碎屑岩裂隙水。

1.2.1 白垩系裂隙孔隙水

白垩系含水层为黄土高原多层结构含水层，地下水赋存于厚层砂岩的裂隙孔隙介质中，空间容量较大，下部普遍分布侏罗系安定组，构成相对稳定的隔水底板，与东部侏罗系接触边界构成隔水边界。根据地层岩性组合，将白垩系地下水含水系统划分为环河组含水层和洛河组含水层。洛河组含水层主要为厚层状中粗粒砂岩，孔隙发育，贮水条件明显优于中细粒砂岩与泥岩互层的环河组。

1.2.2 侏罗系、三叠系碎屑岩类裂隙水

碎屑岩类含水层岩性以砂岩、泥岩互层为主，透水性和富水性差，渗透系数一般小于0.05m/d，单井涌水量小于100m3/d，多为裂隙潜水或层间裂隙承压水。砂岩一般胶结致密，原生孔隙较少，裂隙较发育、延伸性及张开性都较好，形成相对富水层。但裂隙性质和发育程度差异大，导致地下水赋存极不均匀。泥岩则较松软，裂隙不发育，岩层含水微弱，多为相对隔水岩层。区域性隔水层则以石炭系底部铝土质页岩和侏罗系顶部泥岩为主。

1.3 地温场特征

研究区位于鄂尔多斯盆地中部，区内断裂构造不发育，构造活动微弱，块体整体较稳定。在基底隆起区，由于上地幔物质上涌，可形成局部高温带，深部热流在沿岩层向上运移过程中，在隆起区的核部区域聚集并形成高温异常区，地温梯度高于周边地区[5]。区内无区域性热盖层，仅在局部白垩系分布区，泥岩层发育，构成局部热盖层，地温相对较高。

1.3.1 大地热流

大地热流值指单位时间内以热传导方式通过单位面积流向地表的热量，是地热场分布的重要影响因素，比其它地热参数如温度、地温梯度等更能确切地反映一个地区地热场的特征，也是地球内热在地表最为直接的表现[6]。根据前人对鄂尔多斯盆地地热研究成果，区内大地热流值在62.3～67.4mW/m2之间，比较稳定，变化不大。西部白垩系分布区大地热流值稍低于东部侏罗系、三叠系分布区（图1）。

图1 大地热流值分布图

1.3.2 恒温带

恒温层是指太阳辐射热向下与地球内热向上传导过程中在一定深度时温度达到平衡的界面，该处地温年变化幅度接近于零，其埋深称为恒温层深度，此处地温即为恒温层温度。同一纬度地区日照强度基本相同，在恒温层以上太阳能影响大于地球内热传导影响，地温随深度由高渐低；以下则主要受地球内热控制，地温随深度增加而逐渐增高，其热量主要来自地球内部热能。

1.3.3 不同埋深地温特征

目前深部地层地温可以通过地球化学温标建立水-岩平衡计算或者测温等方式获取，其中对钻孔进行不同深度地温测量是最直接、最有效的方式[7，8]。测温数据包括随钻泥浆温度、测井温度以及抽水试验过程中最大降深、最大流量、稳定时间段内的井口温度等。延安地区资源丰富，在区内煤炭石油等部门有多处施工钻孔，部分开展了测温工作。本次研究收集到了区域地热成果资料中部分石油深井测温数据，主要为循环泥浆温度，专门针对不同深度地层的温度监测数据则较少。

（1）随钻泥浆温度

随钻泥浆温度是在钻进过程中，泥浆在地热井中被岩层加热后，由井底循环降温再次到达地表时所测得的泥浆温度[9]。它受干扰的因素比较多，钻进过程中的提钻、下钻、泥浆液的补充以及地面温度等因素都会对之产生干扰。严格上讲，随钻泥浆温度不能完全代表地层温度，但它基本上直接反映了在钻进过程中岩层温度的变化规律。

本次共收集到区内16 份石油深井泥浆测温数据，其中有6份资料能够满足研究要求。起始测温深度范围为25～3000m，每100m 测量一次随钻泥浆温度，两者关系如图2。从图中可以看出，除去换浆或提钻等因素造成的波动外，随钻泥浆温度大致随井深增加逐渐升高，基本没有较大的突变现象。

图2 随钻泥浆温度—深度变化曲线图

（2）测井温度

测井温度是在成井静止一段时间后，使用专业设备对全井段进行温度测量所得的一组连续的温度数据[10]。测井温度大致可反映测井时整个井段地热流体由上到下的温度变化情况，其在井底所测得的温度由于受干扰的因素小，可代表该点地层温度。

本次研究仅收集到1 份测井温度资料，该井孔（B12）位于黄陵县上畛子农场西杠树庄，孔深605.16m，主要揭露地层为第四系、白垩系志丹群环河组、洛河组和侏罗系安定组，测温深度段为70～600m，测温间隔为20m，测温曲线见图3。该孔对白垩系地层的温度进行了分段测量，可大致反映出区内白垩系地温垂直变化规律，即随着埋深逐渐变大孔内温度呈现出明显的升高趋势，温度变化与孔深具有较好的线性正相关关系。

图3 B12孔地温随深度变化曲线图

（3）1000m和2000m埋深地温分布

研究区内地层岩性均匀单一，断裂构造不发育，地温变化平缓。1000m 深地温一般为35～40℃（图4），在西南部甘泉、富县一带出现地温异常区，最高可达到45℃，地温变化幅度在5℃左右，地温分布较均一；2000m深处地温异常区范围明显扩大，地温大多在60～70℃之间，并向北东向延伸，在富县—延安市一带出现地温高异常区，地温明显高于周边区域地温，最高可达到90℃，也是鄂尔多斯盆地中地温相对较高区域。

图4 工作区1000m、2000m地温等值线图

1.3.4 地温梯度特征

（1）平面分布特征

区内地温梯度较低，多在2.5～3.0℃/100m 之间，但在延安市区北部、延长—宜川一带东部区域地温梯度相对较高，一般大于3.0℃/100m（图5）。延长—宜川一带东部区域为柳林大泉域系统的西部排泄区域，由东向西倾伏，随热储倾伏增大形成一定范围的热堆积，地温梯度相对较大。

图5 工作区地温梯度分布图

（2）垂向分布特征

研究区地温梯度随深度变化具有逐渐降低趋势[11]。1000m 以上地温梯度多在2.5～3.5℃/100m 之间，1000～2000m 深的地温梯度在2.3～3.2℃/100m 之间（图6）。在垂向上，地温梯度主要随各地层岩性、热导率的不同而变化，在中生代河湖相沉积的颗粒较粗的砂岩、含砾砂岩及泥岩地层中，地温梯度表现为由浅部向深部逐渐变小。

图6 鄂尔多斯盆地垂向地温梯度分布图

2 资源潜力计算

地热资源是指在当前技术经济条件下可以开发利用的地下岩石和水中的热能，也包括在未来技术条件下具有开采价值的热能[12]。工作区断裂不甚发育，块体相对较为稳定，盆地基底局部隆起，地球内部中深部热能以热传导的方式通过上覆岩层向地表传导扩散，为区内地热资源形成提供了主要热源。地热流体则主要赋存于中生界碎屑岩裂隙孔隙中[13]。

2.1 计算条件概化

研究区内深部基底热量通过地层和地下水作为热导体向上传递热量[14]。在评价计算时不考虑水运移产生的热量运输，而将水和地层视为一个整体各向同性的均质传热媒介系统。即在同一深度上地温相同，无热量交换，不同计算区块封闭独立，单元侧向周边边界零热量交换，不同深度上地温及梯度不同，热量均匀地由下向上传导[15，16]。

2.2 评价范围及分区

根据热储层类型、地下水系统和地温场特征，将研究区分为东、西2 个评价区块，总评价面积为37073km2，其中东区块评价面积为24659km2，西区块评价面积为12378km2。根据地质、水文地质条件，区内2000m 以浅的热储层主要为白垩系志丹群砂岩、侏罗系和三叠系碎屑岩，其中东区块的热储层为侏罗系和三叠系碎屑岩，西区块的热储层为白垩系砂岩、侏罗系和三叠系碎屑岩。深度2000m范围内，白垩系热储层厚度为400～700m，侏罗系热储层厚度为400～700m，三叠系热储层厚度在东区块为1000m，西区块为500m。

2.3 热参数及取值

比热容是指单位质量物质在温度增减1k时所吸收或释放的热量[17]。岩土体传热介质由岩石颗粒、水和空气组成，比热容可由各组成物质的比热容计算得出，在实际应用中，空气这一项常忽略不计，计算公式见（1）。

式中：Cv为体积比热容，kcal（/m3·℃）；

Cw、Cs分别为水和岩石的质量比热容，kcal/（kg·℃）；

ρw、ρs分别为水和岩石密度，kg/m3；

φ为孔隙度。

计算过程中，岩土体比热容参数主要参考“延安市浅层地热能调查评价”项目中的热物性测试成果。该项目分别对侏罗系、三叠系砂岩和泥岩样品进行了物性和热物性参数实验室测试，包括自然密度、孔隙度、比热容等。在计算中，侏罗系、三叠系岩土体的相应参数取测试结果的平均值；由于缺少区内白垩系岩土体相关参数测试数据，评价时其自然密度、比热容参数采用侏罗系参数取值，孔隙度采用鄂尔多斯盆地地下水勘查成果资料。参数取值见表1。