地熱資源被視為一種可再生、清潔且豐富的能源具有巨大的開發潛力。與太陽能和風能相比,地熱能具有4點優勢：

①穩定性強,不受季節和天氣變化的影響；

②環保型更高，占地面積小，不會產生噪音；

③可存儲性好，按需求進行采取，而太陽能和風能是不可控的；

④應用范圍廣,可以用于供熱、發電和制冷等。地熱供暖不僅可以減少煤炭消耗，而且降低了煤炭燃燒所產生的氣體、煙塵對環境的污染，具有良好的社會、經濟效益。《十四五能源領域科技創新規劃》中提到加強地熱能開發與利用技術。大力開發利用地熱能,對雙碳目標的實現具有重要意義，是促進能源結構調整，節能減排及治污減霾的重要舉措。

關中盆地熱儲層體積儲存的總熱量為3*23×10¹⁸ kcal,相當于標準煤4. 61×10¹¹ t,可用熱量1. 93×10¹⁸ kcal,相當于275. 8×10⁹ t 標準煤 ,地熱資源豐富。不同學者對關中盆地的地熱進行了不同程度的研究,如洪增林等利用體積法估算了關中盆地南部山前地區地熱單元儲存的總熱量和4 000 m 以深及以淺的地熱資源量;張育平等對淺層地熱地源熱泵系統、中深層同軸套管換熱系統和中深層“U”型對接井換熱系統進行了系統研究,包括能效提升、取熱影響因素、初始地溫等,對換熱性能研究具有實際意義;張健等研究了關中盆地中、低溫地熱系統形成機理,利用地球物理方法分析了該區殼幔溫度結構;張浩琦結合關中盆地地熱資源的分布特點,研究了關中盆地地熱資源勘探方法。2022 年3 月11 日,國家《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》提出地熱能建筑應用面積1 億平方米以上。利用地熱能進行供暖將成為越來越多業主的選擇,而地熱資源勘查是地熱能開發利用深度與廣度的前提和基礎。基于此,依托陜西地區神禾塬某地熱井的供暖測試項目,為查明擬建地熱井的地熱資源儲量及論證地熱資源開發利用的可行性,在前人資料的基礎上,對其進行系統的地熱資源勘查和評價工作,利用2700 m 地熱井,通過高精度的井溫測量,獲取取熱設計所需的地溫參數,探明勘查區中深部地質構造、地層及熱儲層的分布特征,確定地熱資源儲量,為后期的項目決策提供依據。

1 地熱資源開發利用

中深層地熱資源的開發利用目前主要分為兩種模式,即傳統的水熱型換熱系統和近年來興起的“取熱不取水”的新型換熱系統。水熱型換熱系統是指在開采井中提取地下熱水,經換熱設備將地熱水的熱能傳輸到城市集中供熱管網中的循環水,為建筑采暖,系統要回灌地熱尾水。水熱型換熱系統由于直接利用自然資源,運行成本相對較低,是目前中深層地熱開采中使用最為廣泛、技術成熟度更高的一種技術。但長時間的抽采易引發地下水位持續下降、鉆孔水量不足、砂泥巖地熱水回灌困難、地下水資源污染、套管腐蝕等問題,因此目前水熱型的地下水資源開發利用已不被允許。近年來“取熱不取水”的新型換熱系統逐漸興起,它是利用一種封閉循環的中深層地埋管換熱系統進行供暖,無需抽采地下水,不污染和擾動淺層、中深層地下水和土壤,只利用自身的循環水通過換熱器管壁與深層圍巖進行換熱而獲得地熱能,是中深層地熱能開發利用的主要方向。“取熱不取水”換熱系統優點在于環保、節能,它充分利用了地表和地下的熱能資源,實現了可再生能源的利用。由于不抽取地下水,避免了對地下水資源的破壞,然而,這種供暖方式在技術上要求較高,初始投資成本可能較高。“取熱不取水”主要技術有同軸套管換熱系統和“U”型對接井換熱系統。同軸套管換熱系統是將同軸套管置于鉆井內,通過在其外壁與周圍地層間灌注水泥砂漿,使其與周圍地層保持良好的接觸與換熱,在外管中注入的冷水在下降的時候會被周圍的巖層加熱,達到套管的底部后,然后又通過內管輸送到地面上,為建筑物提供熱量,冷卻之后進行下一次循環,并采用專門的熱泵系統對地表建筑進行供暖的技術。

中深層“U”型對接井施工難度較大,具有對接深度大,水平對接距離小,對接密封性要求高等特點。“U”型對接井換熱系統由于增加水平段施工,相比同軸換熱系統施工成本及施工難度將大大增加,且“U”型對接井換熱系統換熱量與水平段長度成正比,而建設項目由于場地限制水平段長度難以加長。故擬建地熱井開發利用選擇同軸套管換熱的開發利用方式。

2 地熱地質條件

2. 1 地層特征

本次勘查區內地勢總體較平坦,西北部稍低,東南部稍高,擬建地熱井位于黃土塬神禾塬上,地面標高476. 00 m。根據區內鉆井揭露,勘查區內2 800 m 范圍內地層由新到老主要分為:

a. 第四系秦川群(Q^qc_2-4)巖性表層為黃土層,上部為粗砂及砂石層含礫粗砂及礫石層;中部為黏土及粗砂、細砂層;下部以黏土為主。

b. 第四系三門組(Q^s₁)巖性為灰黃色黏土層,灰黃、灰白色粗砂、細砂與黏土不等厚互層。

c. 新近系張家坡組(N^z₂)巖性中上部以黃、棕紅~ 暗紅色泥巖為主,夾灰白色粗一粉砂巖;下部為棕紅色泥巖與薄層粗~ 粉砂巖呈不等厚互層。成巖較差,較疏松。

d. 新近系藍田灞河組(N^l+b₂ )巖性頂部為棕~暗紅色泥巖與灰白色粗~ 粉砂巖不等厚互層;中下

部為棕~ 暗紅色泥巖與灰白色、淺灰色細~ 粉砂巖呈不等厚互層。

e. 新近系高陵群(N^gl₁ )巖性為淺棕紅色、暗紅色泥巖,粉砂質泥巖夾灰~ 灰白色細~ 粉砂巖。

f. 古近系白鹿塬組(E^b₃)巖性為暗紫紅色、暗棕紅色、淺棕紅色泥巖與淺灰、淺灰綠及灰白色中細砂呈不等厚互層。該層頂板埋深為2 754.00 ~3 248.50 m,該層目前完全揭露鉆孔較少。

2. 2 地質構造

勘查區所在渭河盆地屬新生代斷陷盆地,前新生界基底斷裂構造發育,地熱地質背景十分復雜。總體為一復式地塹,其邊緣常為兩組不同方向斷裂追蹤而形成鋸齒狀邊緣,由于不同組合斷裂構造的影響,使其沉積中心、地層、巖相、構造線方向等都隨之變化。就整個渭河盆地而言,是由兩個較大規模的次級凹陷組成,自西向東依次為西安凹陷和固市凹陷,其新生界最大沉積厚度分別為7 000 m 和6 800 m。凹陷南北的斜坡帶是凹陷的兩翼,北部是緩斜坡帶、南部是陡斜坡帶。勘查區位于渭河盆地西安凹陷與驪山凸起兩個構造單元的接壤地帶,渭河盆地構造分區如圖2 所示。

勘查區內展布的斷層為臨潼-長安斷裂和皂河斷裂。臨潼-長安斷裂(F₁ )屬西安凹陷與驪山凸起的分界,該斷裂為深部基底斷裂。該斷裂在區域上由3條平行斷裂組成,斷裂帶寬4 ~6 km,走向為北東-北北東,傾向北西-北北西,傾角60° ~80°。由北向南依次命名為F_1-1、F_1-2、F_1-3。擬建地熱井位于F_1-2 東部約370 m 左右,位于1-2 斷裂下盤,擬建地熱井位于F_1-3南西3 500 m,位于斷裂上盤。

皂河斷裂(F₂ )為一組兩條沿皂河分布的隱伏斷裂,走向北西,傾向南西,傾角75° ~85°,正斷層。由北向南依次命名為F_2-1、F_2-2,據地熱調查表明,在韋曲地區,淺井地溫梯度及水化學異常與皂河斷裂走向一致,顯示其淺表開啟性較好。擬建井位于F_2-1斷裂南西約2 100 m,處于F_2-1斷裂上盤;擬建井位于F_2-2斷裂北東約1 800 m,處于該斷裂下盤。因此鉆進過程不會鉆遇皂河斷裂(F₂)

2. 3 熱儲特征

依據區域地質資料、鄰近已成地熱水井地層資料,經綜合分析得知,本次勘查區深度2 800 m 所揭露地層主要為新生界碎屑巖類,熱儲類型屬中低溫孔隙裂隙型。

2. 3. 1 蓋層

第四系全新統秦川群(Q^qc_2-4 )埋深較淺,表層為薄層黃土層,頂部灰黃色粗砂及灰白色砂礫石互層;中部為厚狀灰黃色黏土層及粗砂、細砂層;下部以灰黃色、棕紅色黏土為主,地層厚度為360 m,松散,賦存低溫地下水。

2. 3. 2 熱儲層

勘查區已查明的主要熱儲層共分為5 層,勘查區熱儲層剖面如圖3 所示,分別為第一熱儲層為第四系下更新統三門組(Q^s₁)熱儲層、第二熱儲層為新近系上新統張家坡組(N^z₂)熱儲層、第三熱儲層為新近系上新統藍田灞河組(N^l+b₂ )熱儲層、第四熱儲層為新近系中新統高陵群(N^gl₁ )熱儲層、第五熱儲層為古近系漸新統白鹿塬組(E^b₃)熱儲層。根據本次勘查成果,結合區內已成地熱水井鉆遇地層變化規律,擬建地熱井鉆遇地層埋深分別640、1 070、1 780、2 770 m,第五熱儲層白鹿塬組(E^b₃)未揭穿,地層底板埋深及地層厚度尚未完全查明。

2. 4 地溫場特征

渭河盆地地熱田屬中低溫傳導型沉積盆地地熱田,受大地熱傳導的影響,勘查區內常溫帶以下,地溫隨深度的增加而均勻升高。據擬建井南側的西安培華學院和北側的西安政法大學地熱水井測溫資料,地溫隨深度的變化整體趨勢呈斜直線變化,而地溫梯度隨深度的增加而減小。西安培華學院平均地溫梯度為3. 50 ℃ /100 m,西安政法大學平均地溫梯度為3. 10 ℃ /100 m,推測本地熱井平均地溫梯度為3. 20 ℃ /100 m,常溫帶溫度取15 ℃,常溫帶深度取20 m,由式(1)計算各地層的溫度范圍見表1。

擬建地熱井在完井后將高精度測溫光纖以一體化成型技術敷設到井內,每隔0. 5 m 測量地層實時溫度,地熱井測溫曲線如圖4 所示。由圖4 可知,地溫隨深度基本呈線性變化。本次測試的地熱井垂直測溫深度為40. 0 ~2 703. 5 m,對應溫度范圍為16. 50 ~ 103. 40 ℃,將這2 組數據帶入式(1)得到實測平均地溫梯度,見表1。

秦川群埋深淺,易受淺層地下水和大氣溫度變化干擾,選取三門組、張家坡組、藍田灞河組和高陵群的井溫數據,利用線性回歸計算各地層的地溫梯度如圖5 所示,地熱井推測和實測地溫統計如表1 所示。

由圖5 和表1 可知,張家坡組地溫梯度最小,高陵群地溫梯度最大,與其他層相差較大。各層的實測溫度范圍與推測值比較接近,最大相差約9 ℃,井底實測溫度與推測溫度相差不到3 ℃。表1 中實測平均地溫梯度為3.26 ℃ /100 m,與推測值很接近,這表明該地區的地熱資源分布均勻,地溫梯度比較穩定。

3 地熱資源儲量計算與評價

3. 1 地熱資源儲量評估

本次地熱井熱儲量的計算按GB/ T 11615-2010《地熱資源地質勘察規范》中熱儲法的公式進行計算,見式(1),具體參數釋義見規范。根據周邊已成井的資料統計分析,確定熱儲層厚度、溫度等計算參數。由于西安市目前已不批準地下水資源的開采,本地熱井采用取熱不取水的開發利用方式,因此本次地熱資源儲量按各熱儲層的巖石熱儲量和地熱流體熱儲量之和進行計算,不再計算開采地熱流體的開發利用方式的熱儲量。

式中:Q 表示熱儲層中儲存的熱量;Q_r 表示巖石中儲存的熱量;Q_w 表示水中儲存的熱量,J。根據西安市地熱資源開發成果經驗,單井換熱影響半徑約110 m,根據單井影響范圍進行估算,單井影響面積38 000 m²,計算單井地熱資源儲量。為方便計算,泥巖層孔隙度按0 計算,忽略泥巖層的地熱流體量。各熱儲層巖石中和各熱儲層水中熱儲量計算結果分別見表2 和表3。在不考慮周邊地層及深部熱儲層的熱量補充的情況下,該地熱單井中地熱資源儲量Q為表2 中Q_r 和表3 中Q_w 之和,即8.21×10¹⁵ J。

3. 2 地熱資源質量評價

從區域上來看,神禾塬所屬的渭河盆地屬新生代地塹,是新生代不同性質的地殼體受分割的強烈破裂活動地帶,是水平與垂直運動綜合作用的結果,隱伏火成巖體的上侵等充分說明了這個地塹(即裂谷發展的初期)發展過程是受多維向量聯合運動形式作用,具有較高的熱流值,地溫及地溫梯度也高。

渭河盆地自新近系開始形成,沉降速度快,沉積物粒度粗、厚度大,屬于對流型地熱系統。基底隆起和邊緣斷裂使區域熱流在較淺部位進行再分配。局部熱流集中,地溫梯度增大,使循環達一定深度的地下水溫度升高,并沿斷裂帶產生水熱對流,形成帶狀分布的地熱異常,根據資料統計,區域內地溫梯度在2. 5 ~4. 5℃/100 m。從擬建井周邊已成地熱井情況來看,區內地溫梯度2.92~3.59 ℃/100 m,平均地溫梯度3.38℃/100 m,屬于地溫異常區,項目所在區域在渭河盆地內也屬于地溫梯度較高區域。根據附近的西安政法大學地熱井和西安培華學院地熱井測溫結果顯示,1 000 m處地溫可達到56. 5℃以上,2000 m 地溫可達80℃以上,新近系底界地溫可達到100 ℃以上,屬中低溫地熱資源。因此,擬建井位于地熱異常區,地溫梯度較高,地表覆蓋層較厚,附近有多條斷裂帶發育,有良好的保溫、導熱層,地熱資源儲量豐富,因此開發利用地熱資源具有可行性。

4 結 論

通過對神禾塬某地的地熱單井進行地熱資源勘查和評價,可以得出以下幾點結論:

a.鑒于“U”型對接井換熱系統施工難度大、成本高、場地條件限制等原因,本次地熱井開發利用擬采用同軸套管換熱系統,該系統屬于封閉系統,取熱不取水,為國家及地方政府大力支持的地熱能開發利用方式。

b.熱儲層的實測平均地溫梯度為3.26 ℃/100 m,與附近地熱井的地溫梯度相差不大,說明該地區的地熱資源分布均勻,地溫梯度比較穩定。

c. 單井影響半徑按110 m 計算,熱儲法計算單井地熱資源儲量為8. 21×10¹⁵ J,地熱資源豐富,儲量可觀,具有開發可行性。