甘肅省涇川縣何家坪地?zé)醿?chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)

邊 疆

(甘肅煤田地質(zhì)局一四六隊(duì),甘肅 平?jīng)?744000)

地?zé)豳Y源是埋藏在地下的清潔能源,可用于采暖、發(fā)電、理療、洗浴及養(yǎng)殖.目前,甘肅省的地?zé)豳Y源開(kāi)采程度較低,開(kāi)采潛力大[1],且隴東盆地的地質(zhì)構(gòu)造條件、熱儲(chǔ)地質(zhì)條件都有利于地?zé)豳x存[2],蘊(yùn)藏著豐富的地?zé)豳Y源.對(duì)于隴東沉積盆地地?zé)崽锏睦煤途C合研究,大多基于原有石油井的改造利用與資料的對(duì)比分析.文中何家坪地?zé)嵴{(diào)查項(xiàng)目有施工地?zé)峋?個(gè),井口溫度為45.5 ℃.通過(guò)測(cè)井、取樣等手段,確定白堊系洛河組、侏羅系直羅組是該地區(qū)最具開(kāi)發(fā)、利用價(jià)值的2個(gè)熱儲(chǔ)層.涇川縣何家坪地?zé)豳Y源的合理開(kāi)發(fā)與利用,對(duì)緩解當(dāng)?shù)啬茉淳o張,拉動(dòng)崆峒山、王母宮等地的旅游業(yè)發(fā)展,促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,改善和提升城市品位具有重要意義.

1 區(qū)域的地質(zhì)背景

平?jīng)鍪械臇|部位于鄂爾多斯盆地的西南緣天環(huán)向斜內(nèi)[3],西臨鄂爾多斯西緣逆沖構(gòu)造帶,東接中央古隆起,北起區(qū)外內(nèi)蒙古境內(nèi)的伊盟隆起,南達(dá)區(qū)外陜西境內(nèi)的渭北斷褶帶,在鄂爾多斯盆地西部呈南北向帶狀分布,南北長(zhǎng)500 km以上,東西寬50～60 km.涇川縣位于天環(huán)向斜東翼,基本處于白堊系地層埋藏最深部位,是洛河組地下水匯集、排泄和富水性最強(qiáng)的地段.當(dāng)?shù)叵滤?jīng)深部徑流加熱后,在此有利于形成低溫地?zé)豳Y源.

1.1 地層

該地區(qū)地表被第四系覆蓋,根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔及南北兩側(cè)山區(qū)地層資料,地層由老至新為侏羅系、白堊系及第四系,熱儲(chǔ)層為白堊系洛河組和侏羅系直羅組砂礫巖.

1)侏羅系延安組(J2y):巖性以泥巖為主,含大量炭屑及極薄的煤層,本次揭露1.0 m.

2)侏羅系直羅組(J2z):巖性為灰綠、藍(lán)灰、紫灰、紫紅色等雜色粉砂巖,泥質(zhì)粉砂巖及砂質(zhì)泥巖,夾細(xì)砂巖,底部為灰白色含礫粗砂巖,厚度為150～669 m.

3)侏羅系安定組(J2a):巖性為灰色、灰白色細(xì)粒砂巖,局部夾灰綠色泥巖,厚度為111～145 m.

5)白堊系環(huán)河組(K1h):巖性為灰綠、紫紅、藍(lán)灰、黃灰色砂巖,與粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖互層,厚度為90～611 m.

6)白堊系羅漢洞組(K1lh):巖性以棕紅、灰棕、灰黃、灰白色砂巖,與泥巖、砂質(zhì)泥巖和頁(yè)巖互層,厚度為66～395 m.

7)白堊系涇川組(K1jc):巖性為棕紅色粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖,富含鈣質(zhì)結(jié)核,頂部夾泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,殘余厚度為90～591 m.

8)第四系全系統(tǒng)(Q):區(qū)內(nèi)第四系較發(fā)育,涇河兩岸為涇河沖積層,南北兩側(cè)山體從幾米到幾十米,最厚達(dá)235 m.

1.2 構(gòu)造

根據(jù)構(gòu)造特征及其性質(zhì),盆地內(nèi)部及周?chē)臉?gòu)造單元可分為慶陽(yáng)單斜、天環(huán)凹陷、西緣斷褶帶和渭北隆起撓褶帶[4](圖1～圖2).

圖1 區(qū)域構(gòu)造圖

圖2 勘查區(qū)構(gòu)造圖

1)慶陽(yáng)單斜:是天環(huán)向斜的東翼,斜坡寬緩,白堊系地層大致以3°～5°向西傾斜,下部侏羅系、三疊系地層向西南傾斜較大.

2)天環(huán)凹陷:西北以萌城-城陽(yáng)逆斷層為界,西南以青龍山—平?jīng)觥~城—龍門(mén)斷層為界,南以龍門(mén)—長(zhǎng)武南—正寧一線為界并與渭北隆起撓褶帶相連.其西翼寬15～20 km,傾角較大;東翼即為寬緩的慶陽(yáng)單斜,寬340～350 km.

3)西緣斷褶帶:北部的東邊以萌城-城陽(yáng)逆斷層(又稱(chēng)沙井子斷裂)與東部的天環(huán)凹陷分界;南部以青龍山—平?jīng)觥~城—龍門(mén)斷裂與天環(huán)向斜構(gòu)成分界;西部與六盤(pán)山弧形斷褶帶相鄰,呈南北向狹長(zhǎng)的構(gòu)造帶.

1.3 盆地演化

鄂爾多斯盆地地質(zhì)構(gòu)造演化可分為5個(gè)較重要的過(guò)程:太古代—早元古代盆地基底形成階段,中、晚元古代地臺(tái)裂谷發(fā)育階段,古生代—早中生代大華北盆地沉積階段,中生代鄂爾多斯內(nèi)陸湖盆演變階段.在侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)階段,沉積環(huán)境穩(wěn)定,地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)層為中侏羅系直羅組和早白堊系洛河組.進(jìn)一步證明,該地區(qū)具有盆地傳導(dǎo)型層狀中低溫地?zé)崽镄纬傻牧己脳l件.

2 邊界條件和熱儲(chǔ)模型

2.1 邊界條件

該地區(qū)屬于鄂爾多斯盆地中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的盆地,即隴東盆地.盆地的西部邊界是平?jīng)觥黻?yáng)一線,為補(bǔ)給邊界;東邊界在寧縣子午嶺以東的老地層露頭分布區(qū),為補(bǔ)給邊界;南邊界是靈臺(tái)—崇信一線,是隔水邊界;北邊界沒(méi)有封閉,是一個(gè)補(bǔ)給邊界.

2.2 熱儲(chǔ)模型

涇川縣何家坪地?zé)峥筛呕癁橛蔁醿?chǔ)層、蓋層、熱源和通道組成(圖3).

圖3 熱儲(chǔ)構(gòu)造及熱儲(chǔ)埋藏條件剖面圖

2.2.1熱儲(chǔ)層 自上而下分為白堊系洛河組熱儲(chǔ)層和侏羅系直羅組熱儲(chǔ)層,是該地區(qū)最具開(kāi)發(fā)、利用價(jià)值的2個(gè)熱儲(chǔ)層,總厚度為500～900 m.熱儲(chǔ)層巖性以砂巖類(lèi)為主,賦存豐富的孔隙裂隙層間承壓水,承壓水在吸收地殼深部傳導(dǎo)熱量后形成地?zé)崃黧w資源.

2.2.2蓋層 熱儲(chǔ)蓋層主要為白堊系涇川組、白堊系羅漢洞組,區(qū)內(nèi)蓋層總厚度為750～900 m,對(duì)地?zé)豳Y源具有良好的“保溫”作用.

2.2.3熱源和通道 在整個(gè)盆地地下水滲流系統(tǒng)中,補(bǔ)給來(lái)源以降水入滲為主.西部補(bǔ)給區(qū)主要為六盤(pán)山基巖裸露區(qū),大氣降水沿孔隙、裂隙下滲,再向東運(yùn)移至盆地;東部子午嶺及其以東的陜西洛河流域,由于白堊系地層廣泛出露地表,基巖受大氣降水和地表水的滲入補(bǔ)給.

根據(jù)《涇川幅1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖及說(shuō)明書(shū)》分析深部布格重力異常特點(diǎn),基地凹陷與隆起相間,和上覆中生代(三疊—白堊)斷凹與隆(凸)起區(qū)呈反向鏡面對(duì)稱(chēng)關(guān)系,總體上屬于地幔隆起區(qū),這意味著利于深部熱能的向上傳導(dǎo)[5].基于已有施工鉆孔資料,計(jì)算出何家坪一帶500 m以下地溫梯度平均值為3.2～3.3 ℃/100 m,大于區(qū)域背景值(2.6 ℃/100 m),也大于整個(gè)地殼的平均地溫梯度,顯示出高溫?zé)嵩从缮畈肯驕\部傳遞(表1).

表1 已有鉆孔地溫梯度推算結(jié)果

該次勘查區(qū)處于涇川縣何家坪一帶,其熱流為55.0～57.5 mW/m2,高于同類(lèi)沉積盆地的平均熱流(42.9 mW/m2),說(shuō)明在單位面積、時(shí)間條件下,由地球內(nèi)部傳遞到地殼淺部的熱量相對(duì)較大.在盆地基底隆起區(qū),上地幔熱能向上傳遞,使熱儲(chǔ)層地下水溫度升高形成熱水資源,這是形成地下熱水的主要熱源.

3 主要參數(shù)的選擇

20世紀(jì)50年代以來(lái),地質(zhì)、石油、煤炭和水利等勘查單位在包括工作區(qū)內(nèi)的隴東地區(qū),先后開(kāi)展了地質(zhì)測(cè)量、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)等方面的勘查工作.筆者在已有研究資料的基礎(chǔ)上,開(kāi)展1∶1萬(wàn)地質(zhì)填圖,設(shè)計(jì)施工地?zé)峋咨顬? 402.01 m,并進(jìn)行抽(放)水試驗(yàn)及巖礦測(cè)試.

選擇合適的計(jì)算參數(shù),對(duì)計(jì)算熱儲(chǔ)中的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量、地?zé)崃黧w量、地?zé)崃黧w可開(kāi)采量及可利用的熱能具有重要意義.綜合分析熱儲(chǔ)的空間分布、邊界條件和滲透特征,研究地?zé)崃黧w的補(bǔ)給和運(yùn)移規(guī)律、地?zé)岢梢?、熱傳?dǎo)方式以及地溫場(chǎng)特征,并在建立地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行參數(shù)的選擇.

3.1 熱儲(chǔ)面積

何家坪地?zé)釋儆趯訝钪械蜏氐責(zé)崽?根據(jù)該地區(qū)熱儲(chǔ)層埋深以及邊界情況,將整個(gè)普查區(qū)作為本次工作的計(jì)算范圍,面積為4.5 km2.

3.2 熱儲(chǔ)層厚度

熱儲(chǔ)層厚度依據(jù)已施工地?zé)峋疅醿?chǔ)含水層的有效厚度確定.已施工的何家坪S1地?zé)峋?熱儲(chǔ)含水層的有效厚度為368.0 m,區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層呈層狀分布,厚度變化不大.因此,地?zé)崽餆醿?chǔ)層厚度取368.0 m.

3.3 熱儲(chǔ)溫度

施工地?zé)峋木跍囟葹?5.5 ℃.由于在近似穩(wěn)態(tài)測(cè)井過(guò)程中出現(xiàn)井口自流涌水,后采用簡(jiǎn)易測(cè)溫,測(cè)得溫度為48.9 ℃.故測(cè)井溫度不能代表地層的真實(shí)溫度.筆者通過(guò)鉀鎂與鉀鈉地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算出熱儲(chǔ)層溫度的平均值為52.83 ℃,并以此作為最終的熱儲(chǔ)溫度.

3.4 熱儲(chǔ)層的物理參數(shù)

根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ/T 0331—2020)及《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615—2010),熱儲(chǔ)層水的比熱容取4.18×103J/(kg·℃),熱儲(chǔ)層水的密度取1.0×103kg/m3,熱儲(chǔ)巖石(砂巖)的比熱容、密度及熱導(dǎo)率均取實(shí)測(cè)值.

3.5 熱儲(chǔ)層水動(dòng)力參數(shù)

熱儲(chǔ)層水動(dòng)力參數(shù)包括滲透系數(shù)(K)、水力坡度(I)、彈性釋水系數(shù)(S)等,可參考區(qū)內(nèi)抽水實(shí)驗(yàn)資料和相關(guān)公式求值,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 熱儲(chǔ)層的水動(dòng)力參數(shù)

4 地?zé)豳Y源的計(jì)算

4.1 地?zé)崃黧w儲(chǔ)量的評(píng)價(jià)

根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算出地?zé)崃黧w天然徑流補(bǔ)給量為1.16×106m3/a,地下水資源彈性?xún)?chǔ)存量為8.08×106m3/a.通過(guò)干擾井群法計(jì)算允許開(kāi)采量,補(bǔ)給量法復(fù)核干擾井群法的計(jì)算結(jié)果.依據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ 0331—2020),單井設(shè)計(jì)降深的壓力降低值最大為0.5 MPa.經(jīng)計(jì)算,普查區(qū)地?zé)崃黧w允許開(kāi)采量為2 400 m3/d.

4.2 地?zé)醿?chǔ)量的計(jì)算

4.2.1計(jì)算公式 依據(jù)地?zé)豳Y源的地質(zhì)條件及何家坪地?zé)豳Y源勘查結(jié)果,通過(guò)熱儲(chǔ)法計(jì)算地?zé)醿?chǔ)量,計(jì)算公式:

Q=Qr+Qw,

Qr=Adρrcr(1-φ)(Tr-T0),

QL=Q1+Q2,

Q1=Aφd,

Q2=ASH,

Qw=QLcwρw(Tr-T0),

式中:Q為熱儲(chǔ)層中儲(chǔ)存的熱量(J);Qr為巖石中儲(chǔ)存的熱量(J);QL為熱儲(chǔ)層中儲(chǔ)存的水量(m3);Q1為計(jì)算時(shí)熱儲(chǔ)層孔隙中熱水的靜儲(chǔ)量(m3);Q2為水位降低至取水深度時(shí)熱儲(chǔ)層所釋放的水量(m3);Qw為水中儲(chǔ)存的熱量(J);A為計(jì)算區(qū)的面積(m2);d為熱儲(chǔ)層的厚度(m);ρr為熱儲(chǔ)層巖石的密度(kg/m3);cr為熱儲(chǔ)層巖石的比熱(J/(kg·°C));φ為熱儲(chǔ)層巖石的孔隙度;Tr為熱儲(chǔ)層的溫度(℃);T0為當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶜鉁?℃);ρw為地?zé)崴拿芏?kg/m3);S為導(dǎo)水系數(shù);H為計(jì)算起始點(diǎn)以上的高度(m);cw為水的比熱(J/(kg·℃)).

4.2.2計(jì)算結(jié)果 通過(guò)抽水實(shí)驗(yàn)、測(cè)試得到ρr=2 313 kg/m3,cr=647 J/(kg·°C).將上述參數(shù)代入熱儲(chǔ)法計(jì)算公式,計(jì)算出何家坪普查區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層中儲(chǔ)存的熱量為5.46×1018J(表3).

表3 何家坪地?zé)醿?chǔ)量的計(jì)算結(jié)果

4.3 地?zé)崽锂a(chǎn)能的計(jì)算

4.3.1計(jì)算公式 基于地?zé)崃黧w可開(kāi)采量,按下式計(jì)算地?zé)崽锏臒崮躘6]:

Wt=4.186 8Q(T-T0),

式中:Wt為熱能(kW);Q為地?zé)崃黧w的可開(kāi)采量(L/s),取27.78 L/s;T為地?zé)崃黧w的溫度(℃),取45.5℃;T0為當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶜鉁?℃),取10.3 ℃.

經(jīng)計(jì)算,何家坪地?zé)醀t=4.094 MW.參照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615—2010)中地?zé)崽镆?guī)模分級(jí),該地?zé)崽餅樾⌒?、中低溫地?zé)崽?

普查區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w年可利用的熱能按下式計(jì)算:

∑Wt=86.4DWt/K,

式中:∑Wt為開(kāi)采一年的可利用熱能(106J);D為全年開(kāi)采時(shí)間(按24 h換算,d);Wt為計(jì)算得出的熱能(W);K為熱效比,按燃煤鍋爐的熱效率0.6計(jì)算.

4.3.2計(jì)算結(jié)果 取D=183 d,K=0.6,計(jì)算出何家坪地?zé)崽锬昕衫玫臒崮転?.08×1014J,折合為3 680 t/a標(biāo)準(zhǔn)煤.

5 地?zé)豳Y源及其開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)

5.1 地?zé)豳Y源可靠性評(píng)價(jià)

何家坪地?zé)豳Y源計(jì)算過(guò)程中所采用的熱儲(chǔ)法,不僅適用于松散巖類(lèi)地層,也適用于基巖區(qū)[7].何家坪地?zé)岬臒醿?chǔ)模型和計(jì)算參數(shù),均通過(guò)分析研究、野外實(shí)驗(yàn)和實(shí)際測(cè)試.研究結(jié)果可為今后平?jīng)鰱|部地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)與利用研究提供參考.

5.1.1地?zé)崃黧w開(kāi)采條件的評(píng)價(jià) 地?zé)崃黧w可開(kāi)采量是進(jìn)行地?zé)衢_(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和總體規(guī)劃的依據(jù)[8].地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)、利用必將引起水頭壓力值降低,為確保何家坪地?zé)峋陌踩∷?單井設(shè)計(jì)降深依據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ 0331—2020)所要求的壓力降低值不大于0.5 MPa.通過(guò)干擾井群法對(duì)地?zé)崃黧w的允許開(kāi)采量進(jìn)行計(jì)算,并通過(guò)補(bǔ)給量法對(duì)允許開(kāi)采量進(jìn)行復(fù)核.根據(jù)施工鉆孔資料,水頭高出地面22.78 m,壓力降低值低于0.5 MPa,目前的開(kāi)采技術(shù)完全能達(dá)到,表明該方法是切實(shí)可行的.

5.1.2地?zé)崃黧w儲(chǔ)量的可靠性評(píng)價(jià) 經(jīng)計(jì)算,地?zé)崃黧w補(bǔ)給量為1.16×106m3/a,地?zé)崃黧w儲(chǔ)量為8.08×106m3/a.設(shè)計(jì)允許開(kāi)采量占補(bǔ)給量的38%,補(bǔ)給量及儲(chǔ)量保證了單井地?zé)崃黧w開(kāi)采量,滿(mǎn)足允許開(kāi)采量的設(shè)計(jì)要求.

5.1.3地?zé)崃黧w熱能的可靠性評(píng)價(jià) 何家坪地?zé)釂尉昕衫玫臒崃繛?.39×1013J,開(kāi)采100 a消耗5.39×1015J.普查區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層中儲(chǔ)存的熱量為5.46×1018J,單井開(kāi)采100 a消耗的熱量占熱儲(chǔ)層熱量的0.98‰,熱儲(chǔ)層中熱量保證了單井開(kāi)采的熱量,且滿(mǎn)足開(kāi)采100 a的要求.結(jié)果表明,普查區(qū)熱量滿(mǎn)足《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615—2010)中單井允許開(kāi)采量且開(kāi)采100 a、消耗的熱能不超過(guò)地?zé)醿?chǔ)量15%的要求.

5.2 地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)、利用評(píng)價(jià)

1)何家坪地?zé)崃黧w孔口溫度為45.5 ℃,熱儲(chǔ)層溫度為52.83 ℃.利用地?zé)崃黧w進(jìn)行低溫地板輻射采暖,可保證溫度在18 ℃以上.因此,利用地?zé)崃黧w進(jìn)行采暖完全可行.

2)將本次施工完成的S1鉆孔地?zé)崴椭陵兾鞴た痹涵h(huán)境檢測(cè)有限責(zé)任公司進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè).經(jīng)檢測(cè),何家坪地?zé)崃黧w中富含氟、鍶、鐵、偏硼酸、偏硅酸等,且偏硼酸(11.3 mg/L)、偏硅酸(35.1 mg/L)的質(zhì)量含量均達(dá)到醫(yī)療使用濃度,有一定的理療和保健作用.將地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)、利用與旅游充分結(jié)合,可豐富旅游文化內(nèi)涵、提高旅游產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和帶動(dòng)力,從而推動(dòng)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的快速發(fā)展.

3)何家坪地?zé)峋|(zhì)符合漁業(yè)養(yǎng)殖要求,可與當(dāng)?shù)睾铀旌嫌糜跐O業(yè)養(yǎng)殖.

6 結(jié)論

1)甘肅省涇川縣何家坪地?zé)岬靥幎鯛柖嗨古璧匚髂暇壍呐璧鼗茁∑饏^(qū),主要熱儲(chǔ)層為白堊系洛河組下部和侏羅系直羅組砂巖,屬于Ⅱ-1型、中低溫、小型地?zé)崽?按照單井設(shè)計(jì)降深壓力降低值不大于0.5 MPa計(jì)算,地?zé)崃黧w允許開(kāi)采量為2 400 m3/d.熱儲(chǔ)層中儲(chǔ)存的熱量為5.46×1018J,可采熱量相當(dāng)于4.094 MW,年可利用的熱量為1.08×1014J,折合3 680 t/a標(biāo)準(zhǔn)煤.

2)何家坪地?zé)崽锏叵聼崴泻械钠鹚?、偏硅酸等具有理療作?熱儲(chǔ)層所提供的溫水和熱水等,可用于養(yǎng)殖、洗浴、取暖以及工業(yè)生產(chǎn).

3)該次地?zé)醿?chǔ)量的計(jì)算與評(píng)價(jià),可為涇川縣何家坪地?zé)豳Y源的進(jìn)一步勘查、開(kāi)發(fā)及遠(yuǎn)景規(guī)劃提供參考,對(duì)豐富當(dāng)?shù)芈糜挝幕瘍?nèi)涵,提高當(dāng)?shù)芈糜萎a(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和帶動(dòng)力,推動(dòng)旅游業(yè)的快速發(fā)展有重要意義.