陕西神禾塬地区地热资源勘查及评价

地热资源被视为一种可再生、清洁且丰富的能源具有巨大的开发潜力。与太阳能和风能相比,地热能具有4点优势：

①稳定性强,不受季节和天气变化的影响；

②环保型更高，占地面积小，不会产生噪音；

③可存储性好，按需求进行采取，而太阳能和风能是不可控的；

④应用范围广,可以用于供热、发电和制冷等。地热供暖不仅可以减少煤炭消耗，而且降低了煤炭燃烧所产生的气体、烟尘对环境的污染，具有良好的社会、经济效益。《十四五能源领域科技创新规划》中提到加强地热能开发与利用技术。大力开发利用地热能,对双碳目标的实现具有重要意义，是促进能源结构调整，节能减排及治污减霾的重要举措。

关中盆地热储层体积储存的总热量为3*23×10¹⁸ kcal,相当于标准煤4. 61×10¹¹ t,可用热量1. 93×10¹⁸ kcal,相当于275. 8×10⁹ t 标准煤 ,地热资源丰富。不同学者对关中盆地的地热进行了不同程度的研究,如洪增林等利用体积法估算了关中盆地南部山前地区地热单元储存的总热量和4 000 m 以深及以浅的地热资源量;张育平等对浅层地热地源热泵系统、中深层同轴套管换热系统和中深层“U”型对接井换热系统进行了系统研究,包括能效提升、取热影响因素、初始地温等,对换热性能研究具有实际意义;张健等研究了关中盆地中、低温地热系统形成机理,利用地球物理方法分析了该区壳幔温度结构;张浩琦结合关中盆地地热资源的分布特点,研究了关中盆地地热资源勘探方法。2022 年3 月11 日,国家《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》提出地热能建筑应用面积1 亿平方米以上。利用地热能进行供暖将成为越来越多业主的选择,而地热资源勘查是地热能开发利用深度与广度的前提和基础。基于此,依托陕西地区神禾塬某地热井的供暖测试项目,为查明拟建地热井的地热资源储量及论证地热资源开发利用的可行性,在前人资料的基础上,对其进行系统的地热资源勘查和评价工作,利用2700 m 地热井,通过高精度的井温测量,获取取热设计所需的地温参数,探明勘查区中深部地质构造、地层及热储层的分布特征,确定地热资源储量,为后期的项目决策提供依据。

1 地热资源开发利用

中深层地热资源的开发利用目前主要分为两种模式,即传统的水热型换热系统和近年来兴起的“取热不取水”的新型换热系统。水热型换热系统是指在开采井中提取地下热水,经换热设备将地热水的热能传输到城市集中供热管网中的循环水,为建筑采暖,系统要回灌地热尾水。水热型换热系统由于直接利用自然资源,运行成本相对较低,是目前中深层地热开采中使用最为广泛、技术成熟度更高的一种技术。但长时间的抽采易引发地下水位持续下降、钻孔水量不足、砂泥岩地热水回灌困难、地下水资源污染、套管腐蚀等问题,因此目前水热型的地下水资源开发利用已不被允许。近年来“取热不取水”的新型换热系统逐渐兴起,它是利用一种封闭循环的中深层地埋管换热系统进行供暖,无需抽采地下水,不污染和扰动浅层、中深层地下水和土壤,只利用自身的循环水通过换热器管壁与深层围岩进行换热而获得地热能,是中深层地热能开发利用的主要方向。“取热不取水”换热系统优点在于环保、节能,它充分利用了地表和地下的热能资源,实现了可再生能源的利用。由于不抽取地下水,避免了对地下水资源的破坏,然而,这种供暖方式在技术上要求较高,初始投资成本可能较高。“取热不取水”主要技术有同轴套管换热系统和“U”型对接井换热系统。同轴套管换热系统是将同轴套管置于钻井内,通过在其外壁与周围地层间灌注水泥砂浆,使其与周围地层保持良好的接触与换热,在外管中注入的冷水在下降的时候会被周围的岩层加热,达到套管的底部后,然后又通过内管输送到地面上,为建筑物提供热量,冷却之后进行下一次循环,并采用专门的热泵系统对地表建筑进行供暖的技术。

中深层“U”型对接井施工难度较大,具有对接深度大,水平对接距离小,对接密封性要求高等特点。“U”型对接井换热系统由于增加水平段施工,相比同轴换热系统施工成本及施工难度将大大增加,且“U”型对接井换热系统换热量与水平段长度成正比,而建设项目由于场地限制水平段长度难以加长。故拟建地热井开发利用选择同轴套管换热的开发利用方式。

2 地热地质条件

2. 1 地层特征

本次勘查区内地势总体较平坦,西北部稍低,东南部稍高,拟建地热井位于黄土塬神禾塬上,地面标高476. 00 m。根据区内钻井揭露,勘查区内2 800 m 范围内地层由新到老主要分为:

a. 第四系秦川群(Q^qc_2-4)岩性表层为黄土层,上部为粗砂及砂石层含砾粗砂及砾石层;中部为黏土及粗砂、细砂层;下部以黏土为主。

b. 第四系三门组(Q^s₁)岩性为灰黄色黏土层,灰黄、灰白色粗砂、细砂与黏土不等厚互层。

c. 新近系张家坡组(N^z₂)岩性中上部以黄、棕红~ 暗红色泥岩为主,夹灰白色粗一粉砂岩;下部为棕红色泥岩与薄层粗~ 粉砂岩呈不等厚互层。成岩较差,较疏松。

d. 新近系蓝田灞河组(N^l+b₂ )岩性顶部为棕~暗红色泥岩与灰白色粗~ 粉砂岩不等厚互层;中下

部为棕~ 暗红色泥岩与灰白色、浅灰色细~ 粉砂岩呈不等厚互层。

e. 新近系高陵群(N^gl₁ )岩性为浅棕红色、暗红色泥岩,粉砂质泥岩夹灰~ 灰白色细~ 粉砂岩。

f. 古近系白鹿塬组(E^b₃)岩性为暗紫红色、暗棕红色、浅棕红色泥岩与浅灰、浅灰绿及灰白色中细砂呈不等厚互层。该层顶板埋深为2 754.00 ~3 248.50 m,该层目前完全揭露钻孔较少。

2. 2 地质构造

勘查区所在渭河盆地属新生代断陷盆地,前新生界基底断裂构造发育,地热地质背景十分复杂。总体为一复式地堑,其边缘常为两组不同方向断裂追踪而形成锯齿状边缘,由于不同组合断裂构造的影响,使其沉积中心、地层、岩相、构造线方向等都随之变化。就整个渭河盆地而言,是由两个较大规模的次级凹陷组成,自西向东依次为西安凹陷和固市凹陷,其新生界最大沉积厚度分别为7 000 m 和6 800 m。凹陷南北的斜坡带是凹陷的两翼,北部是缓斜坡带、南部是陡斜坡带。勘查区位于渭河盆地西安凹陷与骊山凸起两个构造单元的接壤地带,渭河盆地构造分区如图2 所示。

勘查区内展布的断层为临潼-长安断裂和皂河断裂。临潼-长安断裂(F₁ )属西安凹陷与骊山凸起的分界,该断裂为深部基底断裂。该断裂在区域上由3条平行断裂组成,断裂带宽4 ~6 km,走向为北东-北北东,倾向北西-北北西,倾角60° ~80°。由北向南依次命名为F_1-1、F_1-2、F_1-3。拟建地热井位于F_1-2 东部约370 m 左右,位于1-2 断裂下盘,拟建地热井位于F_1-3南西3 500 m,位于断裂上盘。

皂河断裂(F₂ )为一组两条沿皂河分布的隐伏断裂,走向北西,倾向南西,倾角75° ~85°,正断层。由北向南依次命名为F_2-1、F_2-2,据地热调查表明,在韦曲地区,浅井地温梯度及水化学异常与皂河断裂走向一致,显示其浅表开启性较好。拟建井位于F_2-1断裂南西约2 100 m,处于F_2-1断裂上盘;拟建井位于F_2-2断裂北东约1 800 m,处于该断裂下盘。因此钻进过程不会钻遇皂河断裂(F₂)

2. 3 热储特征

依据区域地质资料、邻近已成地热水井地层资料,经综合分析得知,本次勘查区深度2 800 m 所揭露地层主要为新生界碎屑岩类,热储类型属中低温孔隙裂隙型。

2. 3. 1 盖层

第四系全新统秦川群(Q^qc_2-4 )埋深较浅,表层为薄层黄土层,顶部灰黄色粗砂及灰白色砂砾石互层;中部为厚状灰黄色黏土层及粗砂、细砂层;下部以灰黄色、棕红色黏土为主,地层厚度为360 m,松散,赋存低温地下水。

2. 3. 2 热储层

勘查区已查明的主要热储层共分为5 层,勘查区热储层剖面如图3 所示,分别为第一热储层为第四系下更新统三门组(Q^s₁)热储层、第二热储层为新近系上新统张家坡组(N^z₂)热储层、第三热储层为新近系上新统蓝田灞河组(N^l+b₂ )热储层、第四热储层为新近系中新统高陵群(N^gl₁ )热储层、第五热储层为古近系渐新统白鹿塬组(E^b₃)热储层。根据本次勘查成果,结合区内已成地热水井钻遇地层变化规律,拟建地热井钻遇地层埋深分别640、1 070、1 780、2 770 m,第五热储层白鹿塬组(E^b₃)未揭穿,地层底板埋深及地层厚度尚未完全查明。

2. 4 地温场特征

渭河盆地地热田属中低温传导型沉积盆地地热田,受大地热传导的影响,勘查区内常温带以下,地温随深度的增加而均匀升高。据拟建井南侧的西安培华学院和北侧的西安政法大学地热水井测温资料,地温随深度的变化整体趋势呈斜直线变化,而地温梯度随深度的增加而减小。西安培华学院平均地温梯度为3. 50 ℃ /100 m,西安政法大学平均地温梯度为3. 10 ℃ /100 m,推测本地热井平均地温梯度为3. 20 ℃ /100 m,常温带温度取15 ℃,常温带深度取20 m,由式(1)计算各地层的温度范围见表1。

拟建地热井在完井后将高精度测温光纤以一体化成型技术敷设到井内,每隔0. 5 m 测量地层实时温度,地热井测温曲线如图4 所示。由图4 可知,地温随深度基本呈线性变化。本次测试的地热井垂直测温深度为40. 0 ~2 703. 5 m,对应温度范围为16. 50 ~ 103. 40 ℃,将这2 组数据带入式(1)得到实测平均地温梯度,见表1。

秦川群埋深浅,易受浅层地下水和大气温度变化干扰,选取三门组、张家坡组、蓝田灞河组和高陵群的井温数据,利用线性回归计算各地层的地温梯度如图5 所示,地热井推测和实测地温统计如表1 所示。

由图5 和表1 可知,张家坡组地温梯度最小,高陵群地温梯度最大,与其他层相差较大。各层的实测温度范围与推测值比较接近,最大相差约9 ℃,井底实测温度与推测温度相差不到3 ℃。表1 中实测平均地温梯度为3.26 ℃ /100 m,与推测值很接近,这表明该地区的地热资源分布均匀,地温梯度比较稳定。

3 地热资源储量计算与评价

3. 1 地热资源储量评估

本次地热井热储量的计算按GB/ T 11615-2010《地热资源地质勘察规范》中热储法的公式进行计算,见式(1),具体参数释义见规范。根据周边已成井的资料统计分析,确定热储层厚度、温度等计算参数。由于西安市目前已不批准地下水资源的开采,本地热井采用取热不取水的开发利用方式,因此本次地热资源储量按各热储层的岩石热储量和地热流体热储量之和进行计算,不再计算开采地热流体的开发利用方式的热储量。

式中:Q 表示热储层中储存的热量;Q_r 表示岩石中储存的热量;Q_w 表示水中储存的热量,J。根据西安市地热资源开发成果经验,单井换热影响半径约110 m,根据单井影响范围进行估算,单井影响面积38 000 m²,计算单井地热资源储量。为方便计算,泥岩层孔隙度按0 计算,忽略泥岩层的地热流体量。各热储层岩石中和各热储层水中热储量计算结果分别见表2 和表3。在不考虑周边地层及深部热储层的热量补充的情况下,该地热单井中地热资源储量Q为表2 中Q_r 和表3 中Q_w 之和,即8.21×10¹⁵ J。

3. 2 地热资源质量评价

从区域上来看,神禾塬所属的渭河盆地属新生代地堑,是新生代不同性质的地壳体受分割的强烈破裂活动地带,是水平与垂直运动综合作用的结果,隐伏火成岩体的上侵等充分说明了这个地堑(即裂谷发展的初期)发展过程是受多维向量联合运动形式作用,具有较高的热流值,地温及地温梯度也高。

渭河盆地自新近系开始形成,沉降速度快,沉积物粒度粗、厚度大,属于对流型地热系统。基底隆起和边缘断裂使区域热流在较浅部位进行再分配。局部热流集中,地温梯度增大,使循环达一定深度的地下水温度升高,并沿断裂带产生水热对流,形成带状分布的地热异常,根据资料统计,区域内地温梯度在2. 5 ~4. 5℃/100 m。从拟建井周边已成地热井情况来看,区内地温梯度2.92~3.59 ℃/100 m,平均地温梯度3.38℃/100 m,属于地温异常区,项目所在区域在渭河盆地内也属于地温梯度较高区域。根据附近的西安政法大学地热井和西安培华学院地热井测温结果显示,1 000 m处地温可达到56. 5℃以上,2000 m 地温可达80℃以上,新近系底界地温可达到100 ℃以上,属中低温地热资源。因此,拟建井位于地热异常区,地温梯度较高,地表覆盖层较厚,附近有多条断裂带发育,有良好的保温、导热层,地热资源储量丰富,因此开发利用地热资源具有可行性。

4 结 论

通过对神禾塬某地的地热单井进行地热资源勘查和评价,可以得出以下几点结论:

a.鉴于“U”型对接井换热系统施工难度大、成本高、场地条件限制等原因,本次地热井开发利用拟采用同轴套管换热系统,该系统属于封闭系统,取热不取水,为国家及地方政府大力支持的地热能开发利用方式。

b.热储层的实测平均地温梯度为3.26 ℃/100 m,与附近地热井的地温梯度相差不大,说明该地区的地热资源分布均匀,地温梯度比较稳定。

c. 单井影响半径按110 m 计算,热储法计算单井地热资源储量为8. 21×10¹⁵ J,地热资源丰富,储量可观,具有开发可行性。