，

(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(shí)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(lán)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(lán)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(xì)砂巖；中部為棕紅色夾灰綠色泥巖夾灰白色細(xì)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(xì)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(xì)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(lán)灰色粉質(zhì)粘土、粘土，夾灰白色細(xì)砂、中細(xì)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(xì)、中、粗砂、砂礫石層不等厚互層，疏松，粒徑自上而下由粗變細(xì)。

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(jìn)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)?，分布在西安、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)?，分布在渭北鳳翔、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(dá)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)?，沿秦嶺山前斷裂呈條帶狀分布，主要有眉縣西湯峪、藍(lán)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(lán)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(lán)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(jì)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(dá)西，實(shí)測頂板溫度61.14℃，實(shí)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(dá)西，實(shí)測頂板溫度65.13℃，實(shí)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(lán)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(dá)西，頂板實(shí)測溫度75.27℃，底板實(shí)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(dá)西，頂板實(shí)測溫度96.54℃，底板實(shí)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(dá)西，實(shí)測溫度頂板溫度107.77℃，底板實(shí)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(lán)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(diǎn)，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(jìn)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(shí)際地層溫度增溫率小，同時也是測井溫度計(jì)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(yàn)所測得的井口水溫，計(jì)算平均地溫梯度，做為衡量地?zé)岙惓５囊罁?jù)。計(jì)算公式如下：

平均地溫梯度(℃/100m)=

公式中實(shí)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(shí)測深度用開采段中點(diǎn)深度代替。經(jīng)計(jì)算，按井口水溫計(jì)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(shí)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(jì)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(jìn)行了三次落程放水試驗(yàn)。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(jì)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(jìn)行評價，該地?zé)崴杏?項(xiàng)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(fèi)和局部熱污染。

3 地?zé)豳Y源開發(fā)利用與保護(hù)

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(jì)效益。以高陵百歲宮地?zé)峋疄槔?，尾水溫度?5℃計(jì)算，高陵百歲宮地?zé)峋砷_采熱負(fù)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(jì)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?yàn)成果，按壓力降0.3 MPa計(jì)算地?zé)峋畣尉€(wěn)定產(chǎn)量。經(jīng)計(jì)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(hù)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(hù)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(jì)算，確定單井開采權(quán)益保護(hù)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(hù)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。