高陵城區(qū)中深層地熱資源條件分析

，

(1.陜西工程勘察研究院，陜西 西安 710068；2.陜西天地源新能源投資有限公司，陜西 西安 710068)

近年來霧霾天氣嚴重，地熱資源逐漸受到重視。地熱資源是一種優(yōu)質清潔能源，開發(fā)利用地熱資源是緩解霧霾現(xiàn)狀、治理大氣污染的必要手段，也是調整能源結構、實現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑[1]。

高陵區(qū)隸屬西安市管轄，位于陜西省關中平原腹地，距西安市中心33 km，境內地勢平坦。高陵城區(qū)中深層地熱資源勘查開發(fā)程度較低，分析研究高陵城區(qū)地熱資源條件是科學開發(fā)利用地熱資源的基礎，對指導地熱資源開發(fā)具有重要意義。

1 地熱地質背景

1.1 地質構造背景

高陵城區(qū)位于渭河盆地中部。渭河盆地是由一系列不同方向的斷裂切錯形成的新生代復式地塹型斷陷盆地[2]。渭河盆地可分為六個次級構造單元，自西向東依次為：寶雞凸起、咸禮凸起、西安凹陷、浦城凸起、固市凹陷和臨藍凸起[2](圖1)。西安凹陷、固市凹陷是渭河盆地的兩大沉降中心，其新生界沉積厚度分別為7 000 m和6 800 m。高陵城區(qū)位于固市凹陷西南部，新生界沉積厚度約4 000 m。

1.2 莫霍面與大地熱流特征

莫霍面埋深是影響大地熱流的關鍵因素之一。大陸裂谷型平原深部地幔軟流層物質上涌，造成的巖石圈界面、莫霍面、居里等溫面及殼內高導層上拱，是大陸裂谷型斷陷平原地表熱流的主要來源[3]。莫霍面抬升越高，向淺部所提供的熱流就越大，越深則所提供熱流就愈小。

渭河盆地與南北兩側地域相比，莫霍面為北東東向展布、南陡北緩的隆起帶，在西安凹陷和固市凹陷形成兩個橢圓形局部隆起區(qū)，西安凹陷莫霍面埋深約33 km，固市凹陷莫霍面埋深約30 km[2]，高陵城區(qū)莫霍面埋深約35 km。反映深層溫度界面的居里面(600℃～650℃)，在渭河盆地亦呈隆起狀態(tài),埋深僅18～19 km左右，表明了渭河盆地深部地殼處于相對較熱的狀態(tài)。

莫霍面及居里面的上隆，使渭河盆地大地熱流較高，渭河盆地大地熱流平均值為78.8 mW/m2，比背景值(華北大地熱流)70.6 mW/m2高出8.2 mW/m2，也明顯高于我國其他地區(qū)的大地熱流[3]。這種深部的熱背景，是關中盆地內中深層傳導型熱儲普遍具有較高溫度的基礎條件。

圖1 渭河盆地構造分區(qū)圖

表1 渭河盆地與部分地區(qū)大地熱流值[3]

1.3 斷層

高陵城區(qū)新生代以來主要構造活動表現(xiàn)為以持續(xù)沉降為特征。區(qū)內地質構造穩(wěn)定，未見斷層發(fā)育。高陵城區(qū)周邊發(fā)育的對區(qū)內地層結構有一定控制作用的斷層有渭河斷裂(F1)、涇河斷裂(F2)和涇陽-渭南斷裂(F3),分述如下：

1.3.1 渭河斷裂(F1)

渭河斷裂(F1)：展布在高陵城區(qū)以南約5km處，走向SWW—NEE，傾向北，傾角650左右，正斷裂，斷距較大，斷距隨深度增加而加大。該斷裂是渭河盆地次級構造單元的分界線，也是盆地內的主要熱通道之一，影響著渭河盆地地溫分布，斷裂帶沿線有地熱異常顯示及低溫泉水出露，水溫一般在18℃～21℃之間。

1.3.2 涇河斷裂(F2)

涇河斷裂(F2)：沿涇河南岸展布，展布在高陵城區(qū)西南約12 km處，走向東南，傾向北東，正斷裂，傾角60°～80°，斷距向深部增大。該斷裂為固市凹陷和咸禮凸起的分界線，同時也構成了區(qū)域基底巖相分界線，東段北側為下古生界灰?guī)r，南側為太古界片麻巖[4]。

1.3.3 涇陽-渭南斷裂(F3)

該斷裂西起涇陽縣城北，經永樂鎮(zhèn)、高陵城南、渭南北、華縣北向東延伸，全長約80 km。該斷裂為隱伏斷層，走向近東西-北西西，傾向北，推測為高角度正斷層[5]。自2009年11月5日該斷裂上發(fā)生ML4.8地震以來，該斷裂地震活動開始活躍，由以前的很不活躍成為最活躍的斷裂之一[6]。

1.4 地層

依據(jù)區(qū)域地質資料、已成鉆孔資料與地球物理勘查成果，綜合分析高陵城區(qū)垂向地層結構。高陵城區(qū)新生代地層主要為河流相-湖泊相沉積，巖性為砂巖-泥巖組合，表現(xiàn)為上細下粗的正旋回沉積特征，產狀平緩。各地層埋深與巖性如下：

古近系始新統(tǒng)紅河組(E2h)

埋深：3 500～4 000 m，厚500 m。

巖性：巖性以大套紫紅色、磚紅色泥巖為主，與砂質泥巖及細砂巖互層，底部為礫巖，頂部砂巖增多。砂巖中含有鈣質結核，成巖作用相對較好。

古近系漸新統(tǒng)白鹿塬組(E3b)

埋深：3 000～3 500 m，厚500 m。

巖性：巖性為紫紅色夾棕紅色泥巖與灰白色細砂、中砂巖不等厚互層。泥巖質純，砂巖以石英為主，含礫石，次棱角狀。

新近系中新統(tǒng)高陵群(N1gl)

埋深：2 400～3 000 m，厚600 m。

巖性：巖性為深紫紅色、褐色泥巖夾棕紅色泥巖與灰白色、棕黃色細砂、中砂巖不等厚互層，泥巖夾有鈣質夾層，砂巖以石英、長石為主，含礫石。

新近系上新統(tǒng)藍田—灞河組(N2l+b)

埋深：1 600～2 400 m，厚800 m。

巖性：上部為棕色、紫紅色夾灰綠色泥巖夾灰白色細砂巖；中部為棕紅色夾灰綠色泥巖夾灰白色細砂、中砂巖；下部為紫紅色、棕紅色夾灰綠色泥巖、粉砂質泥巖與灰白色細砂、中砂巖略等厚互層。部分砂巖含礫。

新近系上新統(tǒng)張家坡組(N2z)

埋深：760～1 600 m，厚840 m。

巖性：上部灰色、灰綠色泥巖夾灰褐色泥巖；中部棕黃色、灰褐色夾灰綠色泥巖、粉砂質泥巖；下部棕色、紫紅色、灰綠色泥巖夾灰白色粉砂、細砂巖；泥巖性軟，砂巖成份以石英、長石為主。

第四系下更新統(tǒng)三門組(Q1s)

埋深：540～760 m，厚220 m。

巖性：為深灰色、藍灰色粉質粘土、粘土，夾灰白色細砂、中細砂層，未成巖。

第四系中、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)秦川群(Q2-4qc)

埋深：0～540 m，厚540 m。

巖性：為灰黃、褐黃色粉質粘土、砂質粘土、粘土與細、中、粗砂、砂礫石層不等厚互層，疏松，粒徑自上而下由粗變細。

2 地熱地質條件

百歲宮地熱井位于高陵城區(qū)北部，該井的成功勘查與鉆鑿初步探明了高陵城區(qū)中深層地熱資源條件。參考高陵百歲宮地熱井成果資料，結合區(qū)域地熱地質條件，對高陵城區(qū)地熱資源條件進行分析評價。

2.1 熱儲類型

渭河盆地地熱資源有3種類型：一是盆地中部孔隙型地熱，分布在西安、咸陽、渭南等地平原區(qū)，賦存于砂巖、砂礫巖的孔隙之中，埋藏比較穩(wěn)定，開發(fā)利用風險較小，是目前關中盆地地熱資源只要富集區(qū)和開采層位。二是渭北山前巖溶型地熱，分布在渭北鳳翔、岐山、扶風、乾縣、禮泉、三原、富平、蒲城、大荔、韓城等地，賦存于灰?guī)r巖溶之中，水質達到醫(yī)療熱礦水標準，也符合生活飲用水標準。三是秦嶺山前斷裂型地熱，沿秦嶺山前斷裂呈條帶狀分布，主要有眉縣西湯峪、藍田東湯峪、臨潼華清池溫泉[7]。

高陵城區(qū)地熱資源為孔隙型地熱，屬熱傳導型地熱系統(tǒng)。該地熱系統(tǒng)以上地幔熱傳導為主要熱源，以新生代松散和半膠結沉積地層為熱儲層和蓋層[8]。河流相砂巖為熱水良好儲層，湖相泥頁巖為熱儲良好的蓋層，多個沉積旋回在縱向上構成了良好的儲蓋組合。

2.2 熱儲層特征

高陵城區(qū)地熱資源可劃分為六個熱儲層，分別為第四系下更新統(tǒng)三門組熱儲、新近系上新統(tǒng)張家坡組熱儲、藍田—灞河組熱儲、新近系中新統(tǒng)高陵群熱儲、古近系漸新統(tǒng)白鹿塬組熱儲及始新統(tǒng)紅河組熱儲。第四系中、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)秦川群為保溫蓋層。目前高陵城區(qū)的百歲宮地熱井井深3 202 m，探明的熱儲層有三門組、張家坡組、藍田—灞河組、高陵群和白鹿塬組熱儲，根據(jù)該地熱井成井資料統(tǒng)計分析各熱儲層特征如下：

(1)第四系下更新統(tǒng)三門組熱儲：該熱儲層砂巖總厚度為8.7 m，砂厚比為4.19%；平均單層厚度4.4 m。砂巖孔隙度36.36%～37.26%，滲透率149.56～353.08毫達西，實測頂板溫度61.14℃，實測底板溫度為65.13℃。該熱儲層埋藏較淺，水溫偏低，砂巖含水層不發(fā)育，熱儲條件差。

(2)新近系上新統(tǒng)張家坡組熱儲：該熱儲層砂巖總厚度為32.4 m，砂厚比為5.74%；平均單層厚度2.49 m。砂巖孔隙度27.42%～37.47%，滲透率38.16～272.06毫達西，實測頂板溫度65.13℃，實測底板溫度為75.27℃。該熱儲層砂巖含水層不發(fā)育，熱儲條件較差。

(3)新近系上新統(tǒng)藍田-灞河組熱儲：該熱儲層砂巖總厚度為106.7 m，砂厚比為10.02%；平均單層厚度2.76 m。砂巖孔隙度18.81%～32.01%，滲透率9.21～160.59毫達西，頂板實測溫度75.27℃，底板實測溫度96.54℃，平均溫度為85.91℃。

(4)新近系中新統(tǒng)高陵群熱儲：該熱儲層砂巖總厚度為194.5 m，砂厚比為36.79%；平均單層厚度4.14 m。砂巖孔隙度14.42%～26.45%，滲透率2.02～251.23毫達西，頂板實測溫度96.54℃，底板實測溫度107.77℃，平均溫度102.16℃。該熱儲層砂巖含水層較發(fā)育，溫度較高，熱儲條件較好。

(5)古近系漸新統(tǒng)白鹿塬組熱儲(未揭穿)：該熱儲層砂巖總厚度為82.7 m，砂厚比為27.95%。砂巖孔隙度12.62%～37.28%，滲透率1.42～550.59毫達西，實測溫度頂板溫度107.77℃，底板實測溫度121.47℃，平均溫度114.62℃。該熱儲層砂巖含水層較發(fā)育，溫度較高，熱儲條件較好。

由以上資料可以看出，區(qū)內高陵群熱儲和白鹿塬組熱儲砂巖含水層發(fā)育較好，砂厚比分別為36.79%和27.95%，較西安凹陷大(西安凹陷砂厚比分別為21.1%和24.5%[9])，熱儲條件較好，可優(yōu)先開發(fā)；而藍田-灞河組熱儲和張家坡組熱儲砂巖含水層發(fā)育較差，砂厚比分別為10.02%和5.74%，較西安凹陷小很多(西安凹陷砂厚比分別為30.2%和30.1%[9])，熱儲條件較西安凹陷差。見表2。

表2 熱儲層砂厚比對照表

2.3 地溫場特征

渭河盆地地熱異常帶分布具明顯的地域性和帶狀分布特點，地熱異常大多分布在莫霍面隆起區(qū)及主要活動斷裂帶上[3]。莫霍面隆起區(qū)對應低地熱異常區(qū)，其熱異常面積大，如西安凹陷和固市凹陷。主要活動斷裂構造帶對應高地熱異常區(qū)，地熱異常多為條帶狀，地熱異常中心主要分布在斷裂交匯處。高陵城區(qū)屬于低地熱異常區(qū)，地熱異常主要受莫霍面埋深影響。

高陵百歲宮地熱井在完井后進行了非穩(wěn)態(tài)下的井溫測量(見表3、圖2)。從井溫測量結果可以看出：(1)井溫隨深度增加而增加，井溫與井深關系曲線呈斜直線型，井底(3 200 m深)溫度為121.22℃；(2)井溫增溫率一般在0.65～3.16℃/100m之間變化，平均值為2.26℃/100m；(3)整體上平均地溫梯度隨井深的增加而逐漸減小，且井深越大平均地溫梯度越趨于穩(wěn)定，井底(3 200 m深)平均地溫梯度為3.34℃/100m，地熱異常明顯。

圖2 電測井溫度、地溫梯度-井深關系曲線圖

非穩(wěn)態(tài)情況下鉆井液溫度在上部井段高于井壁圍巖地層溫度，在下部井段低于井壁圍巖地層溫度[10]。這種情況導致非穩(wěn)態(tài)的測井溫度增溫率較實際地層溫度增溫率小，同時也是測井溫度計算的平均地溫梯度淺部偏大深部偏小的主要原因之一。相對而言，井底段經歷的鉆井時間最短，受到的熱擾動最小，所測溫度最接近原始地溫[10]。

為了更準確的判斷高陵城區(qū)的地溫場情況，可采用經過較長時間抽(放)水試驗所測得的井口水溫，計算平均地溫梯度，做為衡量地熱異常的依據(jù)。計算公式如下：

平均地溫梯度(℃/100m)=

公式中實測溫度指井口水溫，溫度損耗采用《西安地熱普查報告》資料0.377℃/100m，實測深度用開采段中點深度代替。經計算，按井口水溫計算的平均地溫梯度為4.0℃/100m(見表4)。此結果更能代表深部地層的實際地溫梯度，說明高陵城區(qū)地熱異常明顯。

表3 井溫特征值一覽表

表4 采用井口水溫計算平均地溫梯度數(shù)據(jù)表

2.4 產能測試

高陵百歲宮地熱井進行了三次落程放水試驗。該井初始壓力水頭為+81 m，大落程放水降深65 m，出水量186.82 m3/h，井口水溫108℃。詳見表5。經計算，其單位涌水量為0.798～0.808 L/s·m，屬于中等富水性。由此可見，高陵地區(qū)地熱資源豐富，按《地熱資源地質勘查規(guī)范》中地熱資源開發(fā)可行性評價屬于適宜開采區(qū)，地熱資源溫度分級屬中溫地熱資源。

表5 放水實驗成果表

2.5 水化學特征與評價

據(jù)高陵百歲宮地熱井水質檢驗報告可知：該地熱水水化學類型為氯化鈉型水(Cl-Na)，總礦化度12 351.8 mg/L，屬鹽水；溶解性固體12 200.0 mg/L，以碳酸鈣計總硬度745.7 mg/L，屬極硬水； pH值7.6，屬中性水。

按照國標GB5749—85《生活飲用水衛(wèi)生標準》進行評價，該地熱水中有9項超標，不能作為生活飲用水。

按照國標GB11615—2010中《理療熱礦水水質評價標準》進行評價，該地熱水中氟、溴、碘、鍶、鋰、偏硼酸、偏硅酸等礦物含量具有醫(yī)療價值，其中氟、溴、碘、鋰、鍶、偏硼酸、偏硅酸達到命名礦水濃度。該地熱水是優(yōu)質的熱礦水，具有較高的理療價值。

按照國標GB8978-1996《污水綜合排放標準》進行評價，該地熱水符合《污水綜合排放標準》要求，但水溫較高，應將尾水溫度降到25℃以下排放，避免造成資源浪費和局部熱污染。

3 地熱資源開發(fā)利用與保護

3.1 地熱資源開發(fā)利用

目前關中平原冬季霧霾嚴重，已嚴重影響居民生活、生產。高陵城區(qū)地熱資源豐富，開發(fā)利用地熱資源替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐供暖是緩解霧霾現(xiàn)狀、治理大氣污染的有效途徑。

高陵城區(qū)地熱資源豐富，溫度高、水量大，儲層壓力高，開發(fā)利用成本較低，可用于供暖、洗浴、農業(yè)種植養(yǎng)殖等，有較高的經濟效益。以高陵百歲宮地熱井為例，尾水溫度按15℃計算，高陵百歲宮地熱井可開采熱負荷為20 MW，若用于采暖，可滿足約45萬 m2住宅的采暖需求，相當于節(jié)約標準煤約7 000 t/供暖季，減少二氧化碳排放16 702 t/供暖季，減少二氧化硫排放119 t/供暖季。環(huán)境效益、經濟效益十分顯著。

3.2 單井穩(wěn)定產量確定

根據(jù)高陵百歲宮地熱井放水試驗成果，按壓力降0.3 MPa計算地熱井單井穩(wěn)定產量。經計算，確定地熱井單井穩(wěn)定產量為87 m3/h。

3.3 單井開采權益保護范圍評價

對盆地型地熱田，可按單井允許開采量開采100 a、消耗15%左右地熱儲量，采用下式估算地熱井開采對熱儲的影響半徑，視其為單井開采權益保護半徑：

公式中：Q為地熱井產量，單位為立方米每日(m3/d)，取2 088 m3/d；f為水比熱/熱儲巖石比熱的比值，介于3～5之間，取4；H為地熱井所利用的熱儲層厚度，取337.4 m；R為地熱井開采100 a開采熱量的影響半徑(m)。

經計算，確定單井開采權益保護半徑為1 385 m。

4 結語

(1)高陵城區(qū)位于渭河盆地固市凹陷西南部，新生界碎屑巖類地層沉積厚度約4 000 m。高陵城區(qū)地熱資源屬于層狀孔隙型中低溫地熱資源，地熱資源豐富，其中高陵群和白鹿塬組熱儲條件較好。

(2)按地熱資源開發(fā)可行性評價高陵城區(qū)地熱資源屬于適宜開采區(qū)，地熱井單井穩(wěn)定產量為87 m3/h，單井開采權益保護半徑為1 385 m。

(3)高陵城區(qū)平均地溫梯度為4.0℃/100m，地熱異常明顯。

(4)高陵城區(qū)地熱資源可用于城市集中供暖替代燃煤鍋爐，節(jié)能減排效果顯著。

(5)建議高陵區(qū)政府開展高陵地區(qū)地熱資源開發(fā)利用規(guī)劃工作，“統(tǒng)一規(guī)劃、科學開發(fā)、綜合利用”，建設地熱資源開發(fā)利用示范工程，引導高陵地區(qū)地熱資源開發(fā)，發(fā)揮地熱資源的最佳效益。