关中盆地西部眉县城区地热水赋存特征*

王 伟,申小龙,2,刘 军,2,贾志刚,宋一民

(1.陕西煤田地质勘查研究院有限公司,陕西 西安 710021;2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,陕西 西安 710021)

0 引言

随着煤炭、石油等化石能源的紧缺和社会环保意识的增强,开发利用地热资源能有效缓解能源紧缺、环境污染问题[1-3]。地热能是一种清洁低碳、分布广泛、资源丰富、完全稳定的优质可再生能源。大力开发利用地热能,对深入贯彻习近平生态文明思想,落实碳达峰碳中和目标具有重要意义。由于地热分布的规律复杂,盲目开采将导致地下水的浪费和地热资源的污染[4]。地热水是地热资源的主要载体,合理开发利用地热水资源必须加强对其赋存特征的研究。为此,在前人对关中盆地地热资源开发利用相关研究的大量成果指导下,结合眉县城区地热资源勘查取得的资料,分析和研究了眉县城区地热水赋存特征,以期为眉县城区地热井工程布置提供依据。

1 构造特征

1.1 区域地质背景

眉县处于关中盆地宝鸡凸起的次级构造单元眉县浅凹,营头镇和汤峪镇南部处于北秦岭褶皱带内。县城区紧临渭河断裂,东部约10 km有哑柏断裂。南部约5 km发育余下断裂,约10 km发育秦岭山前断裂。深大断裂断距大,为高角度正断层,具有导水导热特征,如图1所示。

图1 眉县区域构造地质Fig.1 Local structural geology of Meixian

1.2 研究区地质构造

眉县城区主要发育MF1断层,其南侧约700～1 000 m发育MF2断层,MF1、MF2断层均倾向北东,倾角约60°～80°,属于高角度正断层。MF1、MF2这2个断层近乎平行展布,断裂发育深度至宽坪群深部,断层之间推断为裂隙较为发育的破碎带,富含地热水。在县城西南侧发育MF3断层,倾向北东,倾角约60°～80°,为隐伏正断层,如图2所示。眉县城区断层特征与周边发育的区域深大断裂具有相似性,分析认为MF1、MF2断层为区域深大断裂形成时产生的伴生断层,具有导水、导热性质。

图2 眉县城区构造示意Fig.2 Structure of Meixian urban area

钻井中,有泥浆漏失、跳钻等异常现象,漏失和跳钻井段钻时加快,这表明异常井段具有明显断裂带特征。在MF1断层上盘,9#地热井施工至800 m时,跳钻明显随后出现泥浆大量漏失(只进不出),采用锯末、麻绳头等材料堵漏仍无法继续钻进,8#地热井施工至750 m时,泥浆漏失量较大,顶漏施工漏失量达400 m3,在MF2断层上盘,2#地热井施工至757 m时,泥浆漏失量约100 m3,3#地热井施工至1 330 m时,泥浆漏失量约132 m3,其它地热井施工时也出现了不同程度的漏失,地热井成井后自流,最大自流量150 m3/h。从热水自流的情况分析可知,物探成果所确定的MF1、MF2、MF3断层带是存在的,它们很好地导通了地下深部的热源和水源,获得了理想的地热水资源。

2 地层及热储层特征

2.1 地层特征

2.1.1 地层柱状图

研究区地层属华北地层大区晋冀鲁豫地层区汾渭地层分区渭河地层小区。由新到老依次为第四系,新近系蓝田灞河组以及中元古界宽坪群,如图3所示。

图3 眉县城区地层柱状图Fig.3 Formation histogram of Meixian urban area

2.1.2 新生界第四系(Q)

下部岩性为砾石层和砂层不等厚互层,具明显的韵律结构、水平层理或交错层理。上部沉积物主要为浅黄-灰黄粘土、砂层与砂砾层互层。地层厚度420～450 m。地层视电阻率整体较小(5～30 Ω·m),电性自上而下变化无线性规律。

2.1.3 新生界新近系蓝田-灞河组(N2l+b)

顶部岩性为棕-暗红色砂质泥岩与灰白色中-细砂岩不等厚互层;中下部为棕-暗红色砂质泥岩与灰白色、浅灰色细-粗砂岩及砂砾岩不等厚互层,在该组地层的底部以上150 m范围内,半固结中-粗砂岩分布较多,砂砾岩泥质半胶结,孔隙度大,地层视电阻率略有增高(20～60 Ω·m),电阻率变化基本呈线性增高趋势。该层纵向连续性较好,水平方向连续性一般,含水性较好。

2.1.4 中元古界宽坪群(Pt2kn)

宽坪群沿华北地区南缘呈近东西向展布,是北秦岭构造带中元古界以云母石英片岩、绿片岩和石英大理岩为主体的一套中浅变质岩系,是一套中元古代俯冲杂岩。平面经受了中晚元古期中压区域动力热流变质作用,在平面上形成自南向北递增变质带,即低绿片岩相-高绿片岩相-低角闪岩相。在地热钻探井中岩性主要为绢云母石英片岩、绿泥石石英片岩、云母石英片岩及少量大理岩,厚度大于730 m。地层视电阻率随深度逐渐升高,明显有大幅度增高趋势(>60 Ω·m),地层含水性较差。

2.2 热储层特征

眉县城区热储层划分为新近系蓝田-灞河组孔隙型砂岩热储、中元古界宽坪群裂隙型基岩热储和MF1、MF2断裂导水热储。

2.2.1 新近系蓝田-灞河组孔隙型砂岩热储

热储层呈水平层状分布,受基岩面起伏形态影响,总体上由县城区西北部至东南部逐渐变厚,地层厚度250～500 m,埋深400～900 m。该热储层砂岩单层厚度0.9～11.9 m,砂岩累计厚度一般为82.9 m,砂厚比一般为21.28%,砂岩孔隙度为56.03%～47.66%,渗透率58.85～1511.23 mD,该热储层局部有裂隙发育,以孔隙型为主,裂隙型为辅,该热储层富水性较好。

2.2.2 中元古界宽坪群裂隙型基岩热储

该地层上部和MF1、MF2之间发育宽坪群裂隙带,该裂隙的形成是在新近系沉积前,经历多次构造叠加运动,同时遭受了较长时间的风化剥蚀,在热传导与热对流共同作用下,形成了宽坪群的裂隙基岩热储。断裂构造形成的循环构造裂隙型热储,地层厚度大于730 m,埋深900 m以上,已有地热井未揭穿,岩性主要为角闪石英片岩和大理岩。该热储层孔隙度一般为1.11%～31.21%,渗透率一般为0.01～282.36 mD,裂隙较发育,裂隙率约20%。该热储层主要富集裂隙水,富水性好。

2.2.3 宽坪群基岩断裂带热储

在断层MF1、MF2与深部及周边大断裂沟通下,断裂带的流动地热水是眉县城区地热水的特殊热储空间和通道,从施工的地热井水质化验可得到验证,硫化氢含量较高,说明是深层还原环境中的热水。同时地热井使用中水头高度下降较少,说明地下热储的通道非常好。

2.2.4 热储层特征分析

由于断层的存在,基岩裂隙热储层、断裂热储空间与新生界储层之间会发生穿层流动现象[5-6]。关中盆地砂岩热储层多赋存于河湖相或河流相沉积岩中,其岩性主要为泥岩、砂砾岩与砂岩互层,其中砂砾岩、砂岩的孔隙裂隙发育,为地热流体的运移及贮存提供了良好的空间,热传递方式为热传导,断裂裂隙型热储层呈条带状分布,热传递方式为热对流[7]。蓝田-灞河组孔隙型砂岩热储层具有孔隙度大和渗透性好的特征,宽坪群裂隙型基岩热储层岩性为变质岩,地层本身不含水,在断层作用下形成带状导水通道,在断层破碎带内发生上下热储层之间水热交换与对流作用。针对眉县城区热储层兼顾传导和对流的“二元聚热”特征,是孔隙-裂隙复合型地热系统,取水模型为“二元抽采”模型,如图4所示,能够满足分布式能源站对水温和水量的要求。

3 地温场特征

地温场的分布或展布主要表现在深度平面温度特征和地温梯度特征两方面,地质构造、地层岩性及水文地质条件等诸多因素都会影响地温场特征[8]。眉县城区地热井成井深度1 500 m左右,据地热井实测温度研究其地温场特征并分析影响的主要因素。

3.1 水平地温场变化

绘制了眉县城区基岩顶界面等温线及埋深1 000 m等温线,如图5、图6所示。基岩顶界面温度为37.7～50.4 ℃,温度大于40 ℃位于县城东部区域,如地热井3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#。埋深1 000 m温度为40.8～51.6 ℃,大于40 ℃位于县城北东区域,已施工的井埋深1 000 m温度均大于40 ℃。

3.2 垂直地温场变化

地温梯度是研究地温场的主要参数,反映了一定区域范围温度随深度的变化率[9]。地温梯度是地下温度和埋藏深度的函数,反映地温随深度变化的特征,不同地区同一深度地温梯度的差异反映彼此地温场的热状态,同一地区不同深度地温梯度则反映垂向地温变化,即深度和地温增加的速率,是辨别一个地区地热异常的主要指标。据眉县城区10眼地热井的地温梯度,绘制了眉县城区地温梯度等值线(图7),采用恒温带数据参数为13 ℃/20 m。地温梯度变化范围2.36～3.36 ℃/100 m,地温梯度平均值为2.86 ℃/100 m。针对地热异常区的划分规定,一般将地温梯度大于3 ℃/100 m的区域划分为异常区[10],地温梯度大于3 ℃/100 m(异常)位于县城区北部,如地热井3#、9#、11#。

图7 眉县城区地温梯度等值线Fig.7 Isoline of geothermal gradient in Meixian urban area

综合分析表明,随着深度增加,地温增大,平面上地温等值线相对高值区的展布及垂向上地温梯度等值线的异常区域与断层MF1、MF2走向基本相同,表现为北西向延伸。在温度相对较高的区域,钻进时出现泥浆大量漏失的情况,如地热井2#、3#、8#、9#,地热井自流流量>100 m3/h,井口温度>45 ℃,断层具有明显的导热导水作用。

4 水流场特征

关中盆地地热流体的埋藏、分布特征及其水头变化主要受地质构造与地质条件的控制,地热流体初始水头高低变化规律明显,总体是盆地西部宝鸡地区水头标高一般在+520～+660 m,且水头由西向东呈逐渐降低趋势,地热流体总体上由地形高处(或构造凸起)向地形低处(或构造凹陷)方向径流,在西安市的灞河东至渭南市临渭区下吉镇—交斜镇一带(固市凹陷西部)为地热流体的汇集区[11]。绘制了眉县城区地热水流场(图8),热储承压水水头高度为502.84～527.16 m,眉县城区地热水主要径流方向为北西向,局部为北北西方向。

图8 眉县城区地热水流场Fig.8 Geothermal water flow field of Meixian urban area

县城区基岩起伏形态控制了新近系蓝田-灞河组厚度。在县城区北西区域基岩埋深浅,新近系蓝田-灞河组厚度大,由北西向南东方向基岩埋藏加深,新近系蓝田-灞河组厚度增大。同时断层MF1、MF2沿北西向发育,在断层上盘形成良好的导水通道,因此,基岩起伏和断裂构造对地热水流场方向具有控制作用。

5 地热水地球化学特征

地热水的矿化度和离子的含量与地下水所流经的岩石成分、在地下滞留的时间和离补给区的远近等密切相关,因此系统的地层水化学成分分析能为研究地下水的流动方向和过程提供重要的依据[12-13]。据地热水的水质化验资料,对地热水地球化学特征进行了分析。

眉县城区地热水透明,个别水样略带臭鸡蛋气味,总体感官特征良好。混合抽水条件下,地热水水质特征见表1。

表1 眉县城区地热水化学基本特征表Table 1 Basic chemical characteristics of geothermal water in Meixian urban area

图9 眉县城区地热井水化学Piper图Fig.9 Hydrochemical Piper of geothermal well in Meixian urban area

6 结论

(1)眉县位于关中盆地宝鸡凸起,较高的大地热流为地热水的形成提供了主要热源,周边发育4条区域性深大断裂,控制了次级断裂MF1、MF2和MF3的形成,是地热水补给和上涌的主要通道,热储层为蓝田-灞河组孔隙型砂岩热储、中元古界宽坪群裂隙型基岩热储和宽坪群基岩断裂带热储,是孔隙-裂隙“二元聚热”类型,较厚的第四系是良好的盖层。

(2)县城区地温场与断裂构造关系紧密,断层破碎带地温异常明显,在断裂MF1、MF2上盘施工的地热井出现泥浆大量漏失,水温高水量大,构造开启性较好,环境较开放,主要径流方向为北西向,局部为北北西方向。

(3)县城区地热水属温热水,酸碱度属于弱碱性范围,矿化度687.80～1 181.00 mg/L,11#为微咸水其它井为淡水,总硬度20.0～170.6 mg/L,为极软水-硬水。水化学类型以HCO3—Na型为主,HCO3—SO4—Na型次之,亦有SO4—Cl—Na型。

(4)眉县城区地热资源赋存条件较好,有利于地热资源的规模化综合开发利用,地热井工程布置应优先考虑在断层上盘布井,主要开采裂隙型基岩热储和宽坪群基岩断裂带热储地热水,其次在断层不发育区域,应在新近系蓝田-灞河组厚度较厚处布井,开采孔隙型砂岩热储地热水。