延安市中深層地?zé)崮荛_發(fā)利用潛力評價

李小等 張鵬偉 楊炳超 郭帥 艾書濤 盧娜

（①中國地質(zhì)調(diào)查局烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心 烏魯木齊830000②中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心 西安 710054）

中深層地?zé)崮苁侵柑N藏在地表以下一定深度范圍（多指200 米至2000 米之間）的巖土體、流體和巖漿體中，能夠為人類當(dāng)前技術(shù)條件下可開發(fā)和利用的熱能[1，2]。地?zé)豳Y源作為一種分布廣泛的、重要的清潔環(huán)保型可再生能源，在治污降霾、改變能源結(jié)構(gòu)、提倡生態(tài)文明的今天，有著十分重要的現(xiàn)實意義[3]。

延安市屬半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷，供暖需求大，煤炭資源豐富，燃煤仍為主要供暖方式，但其污染排放物已成為產(chǎn)生霧霾的重要因素，不利于人類健康和生產(chǎn)生活，延安生態(tài)文明城市建設(shè)仍任重道遠(yuǎn)。區(qū)內(nèi)中深層地?zé)崮苎芯抗ぷ髌鸩酵恚_發(fā)利用程度低。目前僅在新區(qū)管委會東側(cè)建立了延安市第一處中深層地?zé)衢_發(fā)利用工程。該工程采用無干擾單孔取熱技術(shù)，在當(dāng)?shù)鼐哂幸欢ǖ膭?chuàng)新和開拓意義。但在實際建設(shè)和運行過程中未進(jìn)行地溫測量和監(jiān)測工作，導(dǎo)致整個系統(tǒng)工程的運行出現(xiàn)了一定的問題[4]。為了加強(qiáng)生態(tài)城市建設(shè)，早日達(dá)到低碳城市目標(biāo)，本文在對延安市地?zé)豳Y源賦存條件、分布規(guī)律、地層熱參數(shù)和地溫場特征分析研究的基礎(chǔ)上，計算評價了中深地?zé)崮荛_發(fā)利用潛力，為延安市地?zé)崮荛_發(fā)利用提供了一定的理論數(shù)據(jù)支撐。

1 開發(fā)利用條件

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

延安市地處華北陸塊鄂爾多斯地塊中東部伊陜斜坡地帶，以前三疊系為基底，基底起伏小，除在二疊系末和三疊系末遭受區(qū)域隆升外，始終保持著穩(wěn)定沉積盆地特征，無顯著構(gòu)造作用改造，僅有小型鼻狀構(gòu)造與小型斷裂。地面出露地層自上而下主要有第四系、新近系、白堊系、侏羅系和三疊系。

1.2 水文地質(zhì)條件

延安市地區(qū)地下水資源貧乏，地下水類型主要為第四系孔隙裂隙水、白堊系碎屑巖裂隙孔隙水和三疊系、侏羅系碎屑巖裂隙水。其中，開發(fā)利用中深層地?zé)豳Y源主要涉及到白堊系裂隙孔隙水和侏羅系、三疊系碎屑巖裂隙水。

1.2.1 白堊系裂隙孔隙水

白堊系含水層為黃土高原多層結(jié)構(gòu)含水層，地下水賦存于厚層砂巖的裂隙孔隙介質(zhì)中，空間容量較大，下部普遍分布侏羅系安定組，構(gòu)成相對穩(wěn)定的隔水底板，與東部侏羅系接觸邊界構(gòu)成隔水邊界。根據(jù)地層巖性組合，將白堊系地下水含水系統(tǒng)劃分為環(huán)河組含水層和洛河組含水層。洛河組含水層主要為厚層狀中粗粒砂巖，孔隙發(fā)育，貯水條件明顯優(yōu)于中細(xì)粒砂巖與泥巖互層的環(huán)河組。

1.2.2 侏羅系、三疊系碎屑巖類裂隙水

碎屑巖類含水層巖性以砂巖、泥巖互層為主，透水性和富水性差，滲透系數(shù)一般小于0.05m/d，單井涌水量小于100m3/d，多為裂隙潛水或?qū)娱g裂隙承壓水。砂巖一般膠結(jié)致密，原生孔隙較少，裂隙較發(fā)育、延伸性及張開性都較好，形成相對富水層。但裂隙性質(zhì)和發(fā)育程度差異大，導(dǎo)致地下水賦存極不均勻。泥巖則較松軟，裂隙不發(fā)育，巖層含水微弱，多為相對隔水巖層。區(qū)域性隔水層則以石炭系底部鋁土質(zhì)頁巖和侏羅系頂部泥巖為主。

1.3 地溫場特征

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中部，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，構(gòu)造活動微弱，塊體整體較穩(wěn)定。在基底隆起區(qū)，由于上地幔物質(zhì)上涌，可形成局部高溫帶，深部熱流在沿巖層向上運移過程中，在隆起區(qū)的核部區(qū)域聚集并形成高溫異常區(qū)，地溫梯度高于周邊地區(qū)[5]。區(qū)內(nèi)無區(qū)域性熱蓋層，僅在局部白堊系分布區(qū)，泥巖層發(fā)育，構(gòu)成局部熱蓋層，地溫相對較高。

1.3.1 大地?zé)崃?/p>

大地?zé)崃髦抵竼挝粫r間內(nèi)以熱傳導(dǎo)方式通過單位面積流向地表的熱量，是地?zé)釄龇植嫉闹匾绊懸蛩?，比其它地?zé)釁?shù)如溫度、地溫梯度等更能確切地反映一個地區(qū)地?zé)釄龅奶卣?，也是地球?nèi)熱在地表最為直接的表現(xiàn)[6]。根據(jù)前人對鄂爾多斯盆地地?zé)嵫芯砍晒瑓^(qū)內(nèi)大地?zé)崃髦翟?2.3～67.4mW/m2之間，比較穩(wěn)定，變化不大。西部白堊系分布區(qū)大地?zé)崃髦瞪缘陀跂|部侏羅系、三疊系分布區(qū)（圖1）。

圖1 大地?zé)崃髦捣植紙D

1.3.2 恒溫帶

恒溫層是指太陽輻射熱向下與地球內(nèi)熱向上傳導(dǎo)過程中在一定深度時溫度達(dá)到平衡的界面，該處地溫年變化幅度接近于零，其埋深稱為恒溫層深度，此處地溫即為恒溫層溫度。同一緯度地區(qū)日照強(qiáng)度基本相同，在恒溫層以上太陽能影響大于地球內(nèi)熱傳導(dǎo)影響，地溫隨深度由高漸低；以下則主要受地球內(nèi)熱控制，地溫隨深度增加而逐漸增高，其熱量主要來自地球內(nèi)部熱能。

1.3.3 不同埋深地溫特征

目前深部地層地溫可以通過地球化學(xué)溫標(biāo)建立水-巖平衡計算或者測溫等方式獲取，其中對鉆孔進(jìn)行不同深度地溫測量是最直接、最有效的方式[7，8]。測溫數(shù)據(jù)包括隨鉆泥漿溫度、測井溫度以及抽水試驗過程中最大降深、最大流量、穩(wěn)定時間段內(nèi)的井口溫度等。延安地區(qū)資源豐富，在區(qū)內(nèi)煤炭石油等部門有多處施工鉆孔，部分開展了測溫工作。本次研究收集到了區(qū)域地?zé)岢晒Y料中部分石油深井測溫數(shù)據(jù)，主要為循環(huán)泥漿溫度，專門針對不同深度地層的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)則較少。

（1）隨鉆泥漿溫度

隨鉆泥漿溫度是在鉆進(jìn)過程中，泥漿在地?zé)峋斜粠r層加熱后，由井底循環(huán)降溫再次到達(dá)地表時所測得的泥漿溫度[9]。它受干擾的因素比較多，鉆進(jìn)過程中的提鉆、下鉆、泥漿液的補(bǔ)充以及地面溫度等因素都會對之產(chǎn)生干擾。嚴(yán)格上講，隨鉆泥漿溫度不能完全代表地層溫度，但它基本上直接反映了在鉆進(jìn)過程中巖層溫度的變化規(guī)律。

本次共收集到區(qū)內(nèi)16 份石油深井泥漿測溫數(shù)據(jù)，其中有6份資料能夠滿足研究要求。起始測溫深度范圍為25～3000m，每100m 測量一次隨鉆泥漿溫度，兩者關(guān)系如圖2。從圖中可以看出，除去換漿或提鉆等因素造成的波動外，隨鉆泥漿溫度大致隨井深增加逐漸升高，基本沒有較大的突變現(xiàn)象。

圖2 隨鉆泥漿溫度—深度變化曲線圖

（2）測井溫度

測井溫度是在成井靜止一段時間后，使用專業(yè)設(shè)備對全井段進(jìn)行溫度測量所得的一組連續(xù)的溫度數(shù)據(jù)[10]。測井溫度大致可反映測井時整個井段地?zé)崃黧w由上到下的溫度變化情況，其在井底所測得的溫度由于受干擾的因素小，可代表該點地層溫度。

本次研究僅收集到1 份測井溫度資料，該井孔（B12）位于黃陵縣上畛子農(nóng)場西杠樹莊，孔深605.16m，主要揭露地層為第四系、白堊系志丹群環(huán)河組、洛河組和侏羅系安定組，測溫深度段為70～600m，測溫間隔為20m，測溫曲線見圖3。該孔對白堊系地層的溫度進(jìn)行了分段測量，可大致反映出區(qū)內(nèi)白堊系地溫垂直變化規(guī)律，即隨著埋深逐漸變大孔內(nèi)溫度呈現(xiàn)出明顯的升高趨勢，溫度變化與孔深具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系。

圖3 B12孔地溫隨深度變化曲線圖

（3）1000m和2000m埋深地溫分布

研究區(qū)內(nèi)地層巖性均勻單一，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，地溫變化平緩。1000m 深地溫一般為35～40℃（圖4），在西南部甘泉、富縣一帶出現(xiàn)地溫異常區(qū)，最高可達(dá)到45℃，地溫變化幅度在5℃左右，地溫分布較均一；2000m深處地溫異常區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，地溫大多在60～70℃之間，并向北東向延伸，在富縣—延安市一帶出現(xiàn)地溫高異常區(qū)，地溫明顯高于周邊區(qū)域地溫，最高可達(dá)到90℃，也是鄂爾多斯盆地中地溫相對較高區(qū)域。

圖4 工作區(qū)1000m、2000m地溫等值線圖

1.3.4 地溫梯度特征

（1）平面分布特征

區(qū)內(nèi)地溫梯度較低，多在2.5～3.0℃/100m 之間，但在延安市區(qū)北部、延長—宜川一帶東部區(qū)域地溫梯度相對較高，一般大于3.0℃/100m（圖5）。延長—宜川一帶東部區(qū)域為柳林大泉域系統(tǒng)的西部排泄區(qū)域，由東向西傾伏，隨熱儲傾伏增大形成一定范圍的熱堆積，地溫梯度相對較大。

圖5 工作區(qū)地溫梯度分布圖

（2）垂向分布特征

研究區(qū)地溫梯度隨深度變化具有逐漸降低趨勢[11]。1000m 以上地溫梯度多在2.5～3.5℃/100m 之間，1000～2000m 深的地溫梯度在2.3～3.2℃/100m 之間（圖6）。在垂向上，地溫梯度主要隨各地層巖性、熱導(dǎo)率的不同而變化，在中生代河湖相沉積的顆粒較粗的砂巖、含礫砂巖及泥巖地層中，地溫梯度表現(xiàn)為由淺部向深部逐漸變小。

圖6 鄂爾多斯盆地垂向地溫梯度分布圖

2 資源潛力計算

地?zé)豳Y源是指在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以開發(fā)利用的地下巖石和水中的熱能，也包括在未來技術(shù)條件下具有開采價值的熱能[12]。工作區(qū)斷裂不甚發(fā)育，塊體相對較為穩(wěn)定，盆地基底局部隆起，地球內(nèi)部中深部熱能以熱傳導(dǎo)的方式通過上覆巖層向地表傳導(dǎo)擴(kuò)散，為區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源形成提供了主要熱源。地?zé)崃黧w則主要賦存于中生界碎屑巖裂隙孔隙中[13]。

2.1 計算條件概化

研究區(qū)內(nèi)深部基底熱量通過地層和地下水作為熱導(dǎo)體向上傳遞熱量[14]。在評價計算時不考慮水運移產(chǎn)生的熱量運輸，而將水和地層視為一個整體各向同性的均質(zhì)傳熱媒介系統(tǒng)。即在同一深度上地溫相同，無熱量交換，不同計算區(qū)塊封閉獨立，單元側(cè)向周邊邊界零熱量交換，不同深度上地溫及梯度不同，熱量均勻地由下向上傳導(dǎo)[15，16]。

2.2 評價范圍及分區(qū)

根據(jù)熱儲層類型、地下水系統(tǒng)和地溫場特征，將研究區(qū)分為東、西2 個評價區(qū)塊，總評價面積為37073km2，其中東區(qū)塊評價面積為24659km2，西區(qū)塊評價面積為12378km2。根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)2000m 以淺的熱儲層主要為白堊系志丹群砂巖、侏羅系和三疊系碎屑巖，其中東區(qū)塊的熱儲層為侏羅系和三疊系碎屑巖，西區(qū)塊的熱儲層為白堊系砂巖、侏羅系和三疊系碎屑巖。深度2000m范圍內(nèi)，白堊系熱儲層厚度為400～700m，侏羅系熱儲層厚度為400～700m，三疊系熱儲層厚度在東區(qū)塊為1000m，西區(qū)塊為500m。

2.3 熱參數(shù)及取值

比熱容是指單位質(zhì)量物質(zhì)在溫度增減1k時所吸收或釋放的熱量[17]。巖土體傳熱介質(zhì)由巖石顆粒、水和空氣組成，比熱容可由各組成物質(zhì)的比熱容計算得出，在實際應(yīng)用中，空氣這一項常忽略不計，計算公式見（1）。

式中：Cv為體積比熱容，kcal（/m3·℃）；

Cw、Cs分別為水和巖石的質(zhì)量比熱容，kcal/（kg·℃）；

ρw、ρs分別為水和巖石密度，kg/m3；

φ為孔隙度。

計算過程中，巖土體比熱容參數(shù)主要參考“延安市淺層地?zé)崮苷{(diào)查評價”項目中的熱物性測試成果。該項目分別對侏羅系、三疊系砂巖和泥巖樣品進(jìn)行了物性和熱物性參數(shù)實驗室測試，包括自然密度、孔隙度、比熱容等。在計算中，侏羅系、三疊系巖土體的相應(yīng)參數(shù)取測試結(jié)果的平均值；由于缺少區(qū)內(nèi)白堊系巖土體相關(guān)參數(shù)測試數(shù)據(jù)，評價時其自然密度、比熱容參數(shù)采用侏羅系參數(shù)取值，孔隙度采用鄂爾多斯盆地地下水勘查成果資料。參數(shù)取值見表1。

表1 熱參數(shù)取值表

2.4 熱量計算

2.4.1 計算方法

采用體積法計算熱儲層體積內(nèi)儲存的熱量[18]，計算公式見（2）。

式中：Q—熱量，kcal；

A—熱儲面積，km2；

H—熱儲層平均厚度，m；

Cv—熱儲層體積比熱容，kcal（/m3·℃）；

Tp—熱儲層平均溫度，℃；

Tc—基準(zhǔn)溫度，即當(dāng)?shù)氐叵潞銣貙訙囟然蚨嗄昶骄鶜鉁?，℃?/p>

其中，熱儲層平均溫度Tp采用“鄂爾多斯盆地地下水研究”中不同區(qū)域熱儲層平均溫度的統(tǒng)計結(jié)果。東區(qū)塊取值為21℃，西區(qū)塊取值為22℃；基準(zhǔn)溫度Tc采用區(qū)內(nèi)恒溫帶平均溫度，取值11℃。

2.4.2 計算結(jié)果

資源潛力計算結(jié)果見表2。評價區(qū)內(nèi)總熱量為2.64×1017kcal，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤3.77×1010t，其中東區(qū)塊1.42×1017kcal，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤2.03×1010t；西區(qū)塊熱量為1.22×1017kcal，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤1.74×1010t。

表2 熱量計算結(jié)果

3 結(jié)論

（1）查明了延安市中深層地?zé)豳Y源開發(fā)現(xiàn)狀。區(qū)內(nèi)中深層地?zé)崮苎芯亢烷_發(fā)利用程度都較低，僅在新區(qū)管委會東側(cè)建立了一處中深層地?zé)衢_發(fā)利用工程，主要用于供暖，實際建設(shè)和運行中出現(xiàn)了一定的問題。

（2）基本查清了區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源賦存條件。區(qū)內(nèi)中深層熱能主要來自于地球內(nèi)部熱能通過上覆巖層向上傳導(dǎo)；熱儲層主要為白堊系砂巖和侏羅系、三疊系碎屑巖；地?zé)崃黧w主要賦存于中生界碎屑巖裂隙孔隙中；大部分區(qū)域地溫不高，地溫梯度一般為2.5～3.0℃/100m，局部出現(xiàn)地溫異常區(qū)。

（3）區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源量較大，具有一定的開發(fā)利用潛力。中深層地?zé)豳Y源總儲量為2.64×1017kcal，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤3.77×1010t。