慶陽(yáng)市城區(qū)淺層地溫能賦存條件及特征

甘肅煤田地質(zhì)局慶陽(yáng)資源勘查院 甘肅 慶陽(yáng) 745000

慶陽(yáng)市位于甘肅省最東部，陜西、甘肅、寧夏三省區(qū)的交匯處，是中華民族早期農(nóng)耕文明的發(fā)祥地之一，也是長(zhǎng)慶油田的發(fā)源地。雖然近年來(lái)城市面貌有了較大變化，但由于受自然環(huán)境制約，加之地方工業(yè)薄弱，發(fā)展速度相對(duì)緩慢。城區(qū)供暖、大棚種植等仍然依靠集中供暖(燒煤鍋爐)，煤炭主要依靠陜西神木、寧夏靈武等外省運(yùn)輸，工作區(qū)內(nèi)對(duì)新型能源的利用還處在起步階段。

淺層地溫能廣泛存在于地下巖土體和地下水中，是一種特殊的礦產(chǎn)資源，其能量主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射與地球梯度增溫?？蓮V泛應(yīng)用于供暖(較常規(guī)供暖技術(shù)節(jié)能50%到60%，運(yùn)行費(fèi)用降低約30%到40%。)、溫室加熱、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)干燥、洗浴、制冷等。據(jù)推測(cè)，我國(guó)每年可以采集的低溫能量是當(dāng)前發(fā)電裝機(jī)容量的4億KW的3750倍。淺層地溫能的開(kāi)發(fā)與利用，對(duì)資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會(huì)的構(gòu)建非常有利，可以有效保證國(guó)家的能源安全，對(duì)于現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)的改善非常重要，此外對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略也具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。因此，對(duì)慶陽(yáng)市城區(qū)淺層地溫能賦存條件及特征進(jìn)行分析研究是十分有必要的。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況 研究區(qū)所處大地構(gòu)造位置屬天環(huán)向斜東翼的一部分。中生代以后，燕山運(yùn)動(dòng)致使區(qū)域大面積穩(wěn)定上升，近乎水平的下白堊系地層遭受強(qiáng)烈剝蝕而準(zhǔn)平原化，隨后本區(qū)又復(fù)下沉，于下白堊系地層的大夷平面上，沉積了一套上新統(tǒng)和更新統(tǒng)地層。區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)為第四系覆蓋，僅在溝谷中出露下白堊統(tǒng)志丹群，但出露面積頗小。區(qū)內(nèi)所見(jiàn)地層主要為白堊系和第四系。

1.2 水文地質(zhì)條件 研究區(qū)位于黃土塬—董志塬腹地，區(qū)內(nèi)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙裂隙潛水和下白堊統(tǒng)碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。

1.第四系松散巖類孔隙裂隙潛水。分布于黃土塬區(qū)，含水層位多處于中更新統(tǒng)離石黃土上層的下部，厚度變化較大，黃土潛水接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，潛水由水頭較高的塬心向水頭較低的塬邊逕流，由于黃土顆粒較細(xì)，地層滲透系數(shù)介于0.4～0.8m/d之間，徑流相對(duì)緩慢，塬中心水位埋藏較淺約30m，至塬邊水位埋藏逐漸變深大于70m。塬區(qū)黃土潛水的排泄，除人為開(kāi)采外，多以泉的形式溢出排泄，單泉流量一般小于0.1L/S。潛水水化學(xué)類型為HCO3—Ca—Mg型和HCO3—Mg—Ca型水，礦化度0.39～0.41克/升，屬淡質(zhì)潛水類型，適合于工農(nóng)業(yè)和生活用水。在慶陽(yáng)市城區(qū)及其鄰近地區(qū)，潛水礦化度略高于外圍，一般為0.43克/升，個(gè)別達(dá)到0.49克/升，這與城區(qū)的輕度污染有關(guān)。

2.下白堊統(tǒng)碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。主要賦存于泥質(zhì)砂巖、砂巖中，含水層分布廣、厚度大、水量較豐富。承壓水動(dòng)態(tài)在天然狀態(tài)下變化不大，呈現(xiàn)基本穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)類型，承壓水位動(dòng)態(tài)變化有季節(jié)性，一般高水位出現(xiàn)在4、5、6月份，低水位出現(xiàn)在11、12月及翌年1、2月份，其它為平水期，總年變幅為2.5m。其主要補(bǔ)給源來(lái)自上游承壓水的側(cè)向補(bǔ)給或潛水的越流補(bǔ)給，在本區(qū)西部接受來(lái)自六盤(pán)山區(qū)地下徑流的側(cè)向補(bǔ)給。

2 淺層地溫能賦存特征

2.1 熱儲(chǔ)類型 慶陽(yáng)市城區(qū)地?zé)崽飳俚蜏氐責(zé)豳Y源，所揭露地層均為新生代第四系黃土和中生代碎屑巖。熱儲(chǔ)按空隙類型可分為孔隙型熱儲(chǔ)和孔隙裂隙型熱儲(chǔ)兩種類型。

孔隙性熱儲(chǔ)層為第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)和下更新統(tǒng)三門(mén)組(Q1s)中，埋深約82～170m。上部蓋層為馬蘭組(Q3m)和離石組(Q2l)上部粉土地層，熱源主要為地球內(nèi)部地?zé)崮芎偷乇硖?yáng)輻射。根據(jù)對(duì)周邊水文井測(cè)溫資料分析，第四系水井水溫在9℃-16.2℃之間，絕大多數(shù)水井水溫在11℃左右，深度約30m。

孔隙裂隙型熱儲(chǔ)層主要為白堊系環(huán)河華池組(k1h)和洛河組(k1l)碎屑巖中，埋深約540～981m。上部蓋層為第四系黃土，熱源主要為地球內(nèi)部地?zé)崮艿恼５販靥荻?。根?jù)以往勘查鉆孔資料，溫度在25-40℃之間。

2.2 地溫場(chǎng)特征 根據(jù)地震系統(tǒng)在鄂爾多斯盆地西南部測(cè)定的大地?zé)崃髦?，盆地?nèi)大地?zé)崃髦灯骄鶠?5mW/m2，并隨基底由西向東抬升，大地?zé)崃髦抵饾u升高。西南緣彭陽(yáng)-平?jīng)?華亭一帶為41-58mW/m2，平均45.95mW/m2；中南部環(huán)縣-鎮(zhèn)原-靈臺(tái)一帶大地?zé)崃髦迪鄬?duì)略高為53.53-59.02mW/m2，平均54.23mW/m2；再向東在華池-慶陽(yáng)-長(zhǎng)武一帶，其值在59.2-72.2mW/m2，平均64.2mW/m2；工作區(qū)大地?zé)崃髦导s59mW/m2，屬于穩(wěn)定地塊地溫場(chǎng)特征。據(jù)工作區(qū)周邊以往石油、煤炭鉆孔測(cè)溫資料(圖1)，該區(qū)平均地溫梯度2.5℃/100m，但隨著孔深加大，地溫梯度也逐漸變大，工作區(qū)處于正常地溫場(chǎng)。

圖1 慶陽(yáng)市城區(qū)周邊鉆孔地溫(T)與地溫梯度(dt/dm)曲線圖

2.3 巖土體熱物性特征 研究區(qū)地層巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等，本次在研究區(qū)實(shí)施測(cè)試孔一個(gè)，共采取10組測(cè)試樣，在環(huán)境溫度26℃，相對(duì)濕度39%RH條件下，進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容測(cè)試，不同巖性的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其熱物理性質(zhì)有很大差異。導(dǎo)熱系數(shù)的總體變化趨勢(shì)隨巖性顆粒變粗而增加，依次增加的次序?yàn)椋悍圪|(zhì)粘土、粉土、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖。比熱容的總體變化趨勢(shì)隨巖土體顆粒增大而減小。

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

3 熱物性測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析

巖土熱物性參數(shù)作為一種熱物理性質(zhì)，無(wú)論對(duì)其進(jìn)行放熱或是取熱試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)處理過(guò)程基本相同。因此采用向巖土施加一定加熱功率的方式，來(lái)進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)。將巖土熱物性測(cè)試儀與用于測(cè)試的豎直地埋管換熱器(測(cè)試孔單U)組成循環(huán)水系統(tǒng)，設(shè)定加熱功率，對(duì)測(cè)試孔進(jìn)行一定時(shí)間的連續(xù)散熱試驗(yàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄加熱功率、水流量和溫度數(shù)據(jù)，依據(jù)線熱源模型計(jì)算可得加熱功率、流量隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)出水溫度隨時(shí)間的關(guān)系，模型數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)的擬合情況，分析得到巖土熱物性參數(shù)。

圖2 進(jìn)出水溫度隨時(shí)間的變化

圖3 模型和測(cè)試數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)記錄的功率、流量、進(jìn)出水溫度數(shù)據(jù)，以及巖土初始平均溫度、成孔條件等相關(guān)參數(shù)值，運(yùn)用規(guī)范所述模型，埋管區(qū)域的巖體初始溫度17.85℃，綜合導(dǎo)熱系數(shù)1.70W/(m·k)，容積比熱容2130×kJ/m3·k。從測(cè)試孔成果來(lái)看，測(cè)試孔所在地附近230m以淺地層巖石導(dǎo)熱性、比熱容試驗(yàn)數(shù)據(jù)較佳，熱響應(yīng)測(cè)試效果良好，基本適宜進(jìn)行地埋管地源熱泵的開(kāi)發(fā)利用。

4 結(jié)論

1.慶陽(yáng)市城區(qū)熱儲(chǔ)層按空隙類型可分為孔隙型熱儲(chǔ)和孔隙裂隙型熱儲(chǔ)兩種類型，孔隙性熱儲(chǔ)層為第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)和下更新統(tǒng)三門(mén)組(Q1s)，孔隙裂隙型熱儲(chǔ)層主要為白堊系環(huán)河華池組(k1h)和洛河組(k1l)碎屑巖。熱源主要為地表太陽(yáng)輻射和地球內(nèi)部地?zé)崮堋?/p>

2.研究區(qū)地層巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等，不同巖性的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其熱物理性質(zhì)有很大差異。導(dǎo)熱系數(shù)的總體變化趨勢(shì)隨巖性顆粒變粗而增加，比熱容的總體變化趨勢(shì)隨巖土體顆粒增大而減小。

3.根據(jù)熱物性測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來(lái)看，區(qū)內(nèi)巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.70W/(m·k)，容積比熱容2130×kJ/m3·k。測(cè)試孔所在地附近230m以淺地層巖石導(dǎo)熱性、比熱容試驗(yàn)數(shù)據(jù)較佳，熱響應(yīng)測(cè)試效果良好，基本適宜進(jìn)行地埋管地源熱泵的開(kāi)發(fā)利用。