，

(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(yán)重，地?zé)豳Y源逐漸受到重視。地?zé)豳Y源是一種優(yōu)質(zhì)清潔能源，開發(fā)利用地?zé)豳Y源是緩解霧霾現(xiàn)狀、治理大氣污染的必要手段，也是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、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(guān)中平原腹地，距西安市中心33 km，境內(nèi)地勢平坦。高陵城區(qū)中深層地?zé)豳Y源勘查開發(fā)程度較低，分析研究高陵城區(qū)地?zé)豳Y源條件是科學(xué)開發(fā)利用地?zé)豳Y源的基礎(chǔ)，對指導(dǎo)地?zé)豳Y源開發(fā)具有重要意義。

1 地?zé)岬刭|(zhì)背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)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(fù)式地塹型斷陷盆地[2]。渭河盆地可分為六個次級構(gòu)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?zé)崃魈卣?/h3>

莫霍面埋深是影響大地?zé)崃鞯年P(guān)鍵因素之一。大陸裂谷型平原深部地幔軟流層物質(zhì)上涌，造成的巖石圈界面、莫霍面、居里等溫面及殼內(nèi)高導(dǎo)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(cè)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?zé)崃鬏^高，渭河盆地大地?zé)崃髌骄禐?8.8 mW/m2，比背景值(華北大地?zé)崃?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?zé)崃鱗3]。這種深部的熱背景，是關(guān)中盆地內(nèi)中深層傳導(dǎo)型熱儲普遍具有較高溫度的基礎(chǔ)條件。

圖1 渭河盆地構(gòu)造分區(qū)圖

表1 渭河盆地與部分地區(qū)大地?zé)崃髦礫3]

1.3 斷層

高陵城區(qū)新生代以來主要構(gòu)造活動表現(xiàn)為以持續(xù)沉降為特征。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)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(nèi)地層結(jié)構(gòu)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(gòu)造單元的分界線，也是盆地內(nèi)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?zé)岙惓ｏ@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(gòu)成了區(qū)域基底巖相分界線，東段北側(cè)為下古生界灰?guī)r，南側(cè)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(jīng)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(zhì)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(jié)構(gòu)。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(chǎn)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(zhì)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(zhì)結(jié)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)粘土、砂質(zhì)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?zé)岬刭|(zhì)條件

百歲宮地?zé)峋挥诟吡瓿菂^(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?zé)豳Y源條件。參考高陵百歲宮地?zé)峋晒Y料，結(jié)合區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件，對高陵城區(qū)地?zé)豳Y源條件進行分析評價。

2.1 熱儲類型

渭河盆地地?zé)豳Y源有3種類型：一是盆地中部孔隙型地?zé)幔植荚谖靼?、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(fēng)險較小，是目前關(guān)中盆地地?zé)豳Y源只要富集區(qū)和開采層位。二是渭北山前巖溶型地?zé)幔植荚谖急兵P翔、岐山、扶風(fēng)、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(zhì)達到醫(yī)療熱礦水標(biāo)準(zhǔn)，也符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。三是秦嶺山前斷裂型地?zé)幔厍貛X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?zé)豳Y源為孔隙型地?zé)?，屬熱傳?dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)。該地?zé)嵯到y(tǒng)以上地幔熱傳導(dǎo)為主要熱源，以新生代松散和半膠結(jié)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(gòu)成了良好的儲蓋組合。

2.2 熱儲層特征

高陵城區(qū)地?zé)豳Y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?zé)峋? 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?zé)峋删Y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(nèi)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?zé)岙惓Х植季呙黠@的地域性和帶狀分布特點，地?zé)岙惓４蠖喾植荚谀裘媛∑饏^(qū)及主要活動斷裂帶上[3]。莫霍面隆起區(qū)對應(yīng)低地?zé)岙惓^(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(gòu)造帶對應(yīng)高地?zé)岙惓^(qū)，地?zé)岙惓６酁闂l帶狀，地?zé)岙惓Ｖ行闹饕植荚跀嗔呀粎R處。高陵城區(qū)屬于低地?zé)岙惓^(qū)，地?zé)岙惓Ｖ饕苣裘媛裆钣绊憽?/p>

高陵百歲宮地?zé)峋谕昃筮M行了非穩(wěn)態(tài)下的井溫測量(見表3、圖2)。從井溫測量結(jié)果可以看出：(1)井溫隨深度增加而增加，井溫與井深關(guān)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?zé)岙惓Ｃ黠@。

圖2 電測井溫度、地溫梯度-井深關(guān)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(dǎo)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(jīng)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(zhǔn)確的判斷高陵城區(qū)的地溫場情況，可采用經(jīng)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?zé)岙惓５囊罁?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?zé)崞詹閳蟾妗焚Y料0.377℃/100m，實測深度用開采段中點深度代替。經(jīng)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(jié)果更能代表深部地層的實際地溫梯度，說明高陵城區(qū)地?zé)岙惓Ｃ黠@。

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(chǎn)能測試

高陵百歲宮地?zé)峋M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(jīng)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?zé)豳Y源豐富，按《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》中地?zé)豳Y源開發(fā)可行性評價屬于適宜開采區(qū)，地?zé)豳Y源溫度分級屬中溫地?zé)豳Y源。

表5 放水實驗成果表

2.5 水化學(xué)特征與評價

據(jù)高陵百歲宮地?zé)峋|(zhì)檢驗報告可知：該地?zé)崴瘜W(xué)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(biāo)GB5749—85《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》進行評價，該地?zé)崴杏?項超標(biāo)，不能作為生活飲用水。

按照國標(biāo)GB11615—2010中《理療熱礦水水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)》進行評價，該地?zé)崴蟹?、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?zé)崴莾?yōu)質(zhì)的熱礦水，具有較高的理療價值。

按照國標(biāo)GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》進行評價，該地?zé)崴稀段鬯C合排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，但水溫較高，應(yīng)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?zé)豳Y源開發(fā)利用與保護

3.1 地?zé)豳Y源開發(fā)利用

目前關(guān)中平原冬季霧霾嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響居民生活、生產(chǎn)。高陵城區(qū)地?zé)豳Y源豐富，開發(fā)利用地?zé)豳Y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?zé)豳Y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(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖等，有較高的經(jīng)濟效益。以高陵百歲宮地?zé)峋疄槔菜疁囟劝?5℃計算，高陵百歲宮地?zé)峋砷_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(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)濟效益十分顯著。

3.2 單井穩(wěn)定產(chǎn)量確定

根據(jù)高陵百歲宮地?zé)峋潘囼灣晒?，按壓力?.3 MPa計算地?zé)峋畣尉€(wěn)定產(chǎn)量。經(jīng)計算，確定地?zé)峋畣尉€(wěn)定產(chǎn)量為87 m3/h。

3.3 單井開采權(quán)益保護范圍評價

對盆地型地?zé)崽?，可按單井允許開采量開采100 a、消耗15%左右地?zé)醿α?，采用下式估算地?zé)峋_采對熱儲的影響半徑，視其為單井開采權(quán)益保護半徑：

公式中：Q為地?zé)峋a(chǎn)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?zé)峋玫臒醿雍穸?，?37.4 m；R為地?zé)峋_采100 a開采熱量的影響半徑(m)。

經(jīng)計算，確定單井開采權(quán)益保護半徑為1 385 m。

4 結(jié)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?zé)豳Y源屬于層狀孔隙型中低溫地?zé)豳Y源，地?zé)豳Y源豐富，其中高陵群和白鹿塬組熱儲條件較好。

(2)按地?zé)豳Y源開發(fā)可行性評價高陵城區(qū)地?zé)豳Y源屬于適宜開采區(qū)，地?zé)峋畣尉€(wěn)定產(chǎn)量為87 m3/h，單井開采權(quán)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?zé)岙惓Ｃ黠@。

(4)高陵城區(qū)地?zé)豳Y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?zé)豳Y源開發(fā)利用規(guī)劃工作，“統(tǒng)一規(guī)劃、科學(xué)開發(fā)、綜合利用”，建設(shè)地?zé)豳Y源開發(fā)利用示范工程，引導(dǎo)高陵地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)，發(fā)揮地?zé)豳Y源的最佳效益。