地?zé)豳Y源被視為一種可再生、清潔且豐富的能源具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力。與太陽(yáng)能和風(fēng)能相比,地?zé)崮?/a>具有4點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

①穩(wěn)定性強(qiáng),不受季節(jié)和天氣變化的影響；

②環(huán)保型更高，占地面積小，不會(huì)產(chǎn)生噪音；

③可存儲(chǔ)性好，按需求進(jìn)行采取，而太陽(yáng)能和風(fēng)能是不可控的；

④應(yīng)用范圍廣,可以用于供熱、發(fā)電和制冷等。地?zé)峁┡?/a>不僅可以減少煤炭消耗，而且降低了煤炭燃燒所產(chǎn)生的氣體、煙塵對(duì)環(huán)境的污染，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。《十四五能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中提到加強(qiáng)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)與利用技術(shù)。大力開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮?/a>,對(duì)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義，是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，節(jié)能減排及治污減霾的重要舉措。

關(guān)中盆地?zé)醿?chǔ)層體積儲(chǔ)存的總熱量為3*23×10¹⁸ kcal,相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤4. 61×10¹¹ t,可用熱量1. 93×10¹⁸ kcal,相當(dāng)于275. 8×10⁹ t 標(biāo)準(zhǔn)煤 ,地?zé)豳Y源豐富。不同學(xué)者對(duì)關(guān)中盆地的地?zé)?/a>進(jìn)行了不同程度的研究,如洪增林等利用體積法估算了關(guān)中盆地南部山前地區(qū)地?zé)?/a>單元儲(chǔ)存的總熱量和4 000 m 以深及以淺的地?zé)?/a>資源量;張育平等對(duì)淺層地?zé)?/a>地源熱泵系統(tǒng)、中深層同軸套管換熱系統(tǒng)和中深層“U”型對(duì)接井換熱系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,包括能效提升、取熱影響因素、初始地溫等,對(duì)換熱性能研究具有實(shí)際意義;張健等研究了關(guān)中盆地中、低溫地?zé)嵯到y(tǒng)形成機(jī)理,利用地球物理方法分析了該區(qū)殼幔溫度結(jié)構(gòu);張浩琦結(jié)合關(guān)中盆地地?zé)?/a>資源的分布特點(diǎn),研究了關(guān)中盆地地?zé)豳Y源勘探方法。2022 年3 月11 日,國(guó)家《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》提出地?zé)崮?/a>建筑應(yīng)用面積1 億平方米以上。利用地熱能進(jìn)行供暖將成為越來(lái)越多業(yè)主的選擇,而地?zé)豳Y源勘查是地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用深度與廣度的前提和基礎(chǔ)。基于此,依托陜西地區(qū)神禾塬某地?zé)峋?/a>的供暖測(cè)試項(xiàng)目,為查明擬建地?zé)峋?/a>的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量及論證地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的可行性,在前人資料的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的地?zé)豳Y源勘查和評(píng)價(jià)工作,利用2700 m 地?zé)峋?/a>,通過(guò)高精度的井溫測(cè)量,獲取取熱設(shè)計(jì)所需的地溫參數(shù),探明勘查區(qū)中深部地質(zhì)構(gòu)造、地層及熱儲(chǔ)層的分布特征,確定地?zé)豳Y源儲(chǔ)量,為后期的項(xiàng)目決策提供依據(jù)。

1 地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用

中深層地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用目前主要分為兩種模式,即傳統(tǒng)的水熱型換熱系統(tǒng)和近年來(lái)興起的“取熱不取水”的新型換熱系統(tǒng)。水熱型換熱系統(tǒng)是指在開(kāi)采井中提取地下熱水,經(jīng)換熱設(shè)備將地?zé)崴?/a>的熱能傳輸?shù)?a href="http://www.tja100.com.cn/t/城市.html" >城市集中供熱管網(wǎng)中的循環(huán)水,為建筑采暖,系統(tǒng)要回灌地?zé)嵛菜?/a>。水熱型換熱系統(tǒng)由于直接利用自然資源,運(yùn)行成本相對(duì)較低,是目前中深層地?zé)?/a>開(kāi)采中使用最為廣泛、技術(shù)成熟度更高的一種技術(shù)。但長(zhǎng)時(shí)間的抽采易引發(fā)地下水位持續(xù)下降、鉆孔水量不足、砂泥巖地?zé)崴毓?/a>困難、地下水資源污染、套管腐蝕等問(wèn)題,因此目前水熱型的地下水資源開(kāi)發(fā)利用已不被允許。近年來(lái)“取熱不取水”的新型換熱系統(tǒng)逐漸興起,它是利用一種封閉循環(huán)的中深層地埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行供暖,無(wú)需抽采地下水,不污染和擾動(dòng)淺層、中深層地下水和土壤,只利用自身的循環(huán)水通過(guò)換熱器管壁與深層圍巖進(jìn)行換熱而獲得地?zé)崮?/a>,是中深層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的主要方向。“取熱不取水”換熱系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于環(huán)保、節(jié)能,它充分利用了地表和地下的熱能資源,實(shí)現(xiàn)了可再生能源的利用。由于不抽取地下水,避免了對(duì)地下水資源的破壞,然而,這種供暖方式在技術(shù)上要求較高,初始投資成本可能較高。“取熱不取水”主要技術(shù)有同軸套管換熱系統(tǒng)和“U”型對(duì)接井換熱系統(tǒng)。同軸套管換熱系統(tǒng)是將同軸套管置于鉆井內(nèi),通過(guò)在其外壁與周?chē)貙娱g灌注水泥砂漿,使其與周?chē)貙颖３至己玫慕佑|與換熱,在外管中注入的冷水在下降的時(shí)候會(huì)被周?chē)膸r層加熱,達(dá)到套管的底部后,然后又通過(guò)內(nèi)管輸送到地面上,為建筑物提供熱量,冷卻之后進(jìn)行下一次循環(huán),并采用專(zhuān)門(mén)的熱泵系統(tǒng)對(duì)地表建筑進(jìn)行供暖的技術(shù)。

中深層“U”型對(duì)接井施工難度較大,具有對(duì)接深度大,水平對(duì)接距離小,對(duì)接密封性要求高等特點(diǎn)。“U”型對(duì)接井換熱系統(tǒng)由于增加水平段施工,相比同軸換熱系統(tǒng)施工成本及施工難度將大大增加,且“U”型對(duì)接井換熱系統(tǒng)換熱量與水平段長(zhǎng)度成正比,而建設(shè)項(xiàng)目由于場(chǎng)地限制水平段長(zhǎng)度難以加長(zhǎng)。故擬建地?zé)峋_(kāi)發(fā)利用選擇同軸套管換熱的開(kāi)發(fā)利用方式。

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2. 1 地層特征

本次勘查區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體較平坦,西北部稍低,東南部稍高,擬建地?zé)峋?/a>位于黃土塬神禾塬上,地面標(biāo)高476. 00 m。根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆井揭露,勘查區(qū)內(nèi)2 800 m 范圍內(nèi)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(xì)砂層;下部以黏土為主。

b. 第四系三門(mén)組(Q^s₁)巖性為灰黃色黏土層,灰黃、灰白色粗砂、細(xì)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(lán)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(xì)~ 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(zhì)泥巖夾灰~ 灰白色細(xì)~ 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(xì)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(zhì)構(gòu)造

勘查區(qū)所在渭河盆地屬新生代斷陷盆地,前新生界基底斷裂構(gòu)造發(fā)育,地?zé)岬刭|(zhì)背景十分復(fù)雜。總體為一復(fù)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(gòu)造的影響,使其沉積中心、地層、巖相、構(gòu)造線(xiàn)方向等都隨之變化。就整個(gè)渭河盆地而言,是由兩個(gè)較大規(guī)模的次級(jí)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(qū)位于渭河盆地西安凹陷與驪山凸起兩個(gè)構(gòu)造單元的接壤地帶,渭河盆地構(gòu)造分區(qū)如圖2 所示。

勘查區(qū)內(nèi)展布的斷層為臨潼-長(zhǎng)安斷裂和皂河斷裂。臨潼-長(zhǎng)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(qū)域上由3條平行斷裂組成,斷裂帶寬4 ~6 km,走向?yàn)楸睎|-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?zé)峋挥贔_1-2 東部約370 m 左右,位于1-2 斷裂下盤(pán),擬建地?zé)峋挥贔_1-3南西3 500 m,位于斷裂上盤(pán)。

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(jù)地?zé)嵴{(diào)查表明,在韋曲地區(qū),淺井地溫梯度及水化學(xué)異常與皂河斷裂走向一致,顯示其淺表開(kāi)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(pán);擬建井位于F_2-2斷裂北東約1 800 m,處于該斷裂下盤(pán)。因此鉆進(jìn)過(guò)程不會(huì)鉆遇皂河斷裂(F₂)

2. 3 熱儲(chǔ)特征

依據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、鄰近已成地?zé)崴?/a>井地層資料,經(jīng)綜合分析得知,本次勘查區(qū)深度2 800 m 所揭露地層主要為新生界碎屑巖類(lèi),熱儲(chǔ)類(lèi)型屬中低溫孔隙裂隙型。

2. 3. 1 蓋層

第四系全新統(tǒng)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(xì)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(chǔ)層

勘查區(qū)已查明的主要熱儲(chǔ)層共分為5 層,勘查區(qū)熱儲(chǔ)層剖面如圖3 所示,分別為第一熱儲(chǔ)層為第四系下更新統(tǒng)三門(mén)組(Q^s₁)熱儲(chǔ)層、第二熱儲(chǔ)層為新近系上新統(tǒng)張家坡組(N^z₂)熱儲(chǔ)層、第三熱儲(chǔ)層為新近系上新統(tǒng)藍(lán)田灞河組(N^l+b₂ )熱儲(chǔ)層、第四熱儲(chǔ)層為新近系中新統(tǒng)高陵群(N^gl₁ )熱儲(chǔ)層、第五熱儲(chǔ)層為古近系漸新統(tǒng)白鹿塬組(E^b₃)熱儲(chǔ)層。根據(jù)本次勘查成果,結(jié)合區(qū)內(nèi)已成地?zé)?a href="http://www.tja100.com.cn/t/水井.html" >水井鉆遇地層變化規(guī)律,擬建地?zé)峋@遇地層埋深分別640、1 070、1 780、2 770 m,第五熱儲(chǔ)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(chǎng)特征

渭河盆地地?zé)崽?/a>屬中低溫傳導(dǎo)型沉積盆地地?zé)崽?/a>,受大地?zé)醾鲗?dǎo)的影響,勘查區(qū)內(nèi)常溫帶以下,地溫隨深度的增加而均勻升高。據(jù)擬建井南側(cè)的西安培華學(xué)院和北側(cè)的西安政法大學(xué)地?zé)?a href="http://www.tja100.com.cn/t/水井.html" >水井測(cè)溫資料,地溫隨深度的變化整體趨勢(shì)呈斜直線(xiàn)變化,而地溫梯度隨深度的增加而減小。西安培華學(xué)院平均地溫梯度為3. 50 ℃ /100 m,西安政法大學(xué)平均地溫梯度為3. 10 ℃ /100 m,推測(cè)本地?zé)峋骄販靥荻葹?. 20 ℃ /100 m,常溫帶溫度取15 ℃,常溫帶深度取20 m,由式(1)計(jì)算各地層的溫度范圍見(jiàn)表1。

擬建地?zé)峋?a href="http://www.tja100.com.cn/t/完井.html" >完井后將高精度測(cè)溫光纖以一體化成型技術(shù)敷設(shè)到井內(nèi),每隔0. 5 m 測(cè)量地層實(shí)時(shí)溫度,地?zé)峋疁y(cè)溫曲線(xiàn)如圖4 所示。由圖4 可知,地溫隨深度基本呈線(xiàn)性變化。本次測(cè)試的地?zé)峋怪睖y(cè)溫深度為40. 0 ~2 703. 5 m,對(duì)應(yīng)溫度范圍為16. 50 ~ 103. 40 ℃,將這2 組數(shù)據(jù)帶入式(1)得到實(shí)測(cè)平均地溫梯度,見(jiàn)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(mén)組、張家坡組、藍(lán)田灞河組和高陵群的井溫?cái)?shù)據(jù),利用線(xiàn)性回歸計(jì)算各地層的地溫梯度如圖5 所示,地?zé)峋茰y(cè)和實(shí)測(cè)地溫統(tǒng)計(jì)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(shí)測(cè)溫度范圍與推測(cè)值比較接近,最大相差約9 ℃,井底實(shí)測(cè)溫度與推測(cè)溫度相差不到3 ℃。表1 中實(shí)測(cè)平均地溫梯度為3.26 ℃ /100 m,與推測(cè)值很接近,這表明該地區(qū)的地?zé)豳Y源分布均勻,地溫梯度比較穩(wěn)定。

3 地?zé)?a href="http://www.tja100.com.cn/t/資源.html" >資源儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)

3. 1 地?zé)豳Y源儲(chǔ)量評(píng)估

本次地?zé)峋疅醿?chǔ)量的計(jì)算按GB/ T 11615-2010《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘察規(guī)范》中熱儲(chǔ)法的公式進(jìn)行計(jì)算,見(jiàn)式(1),具體參數(shù)釋義見(jiàn)規(guī)范。根據(jù)周邊已成井的資料統(tǒng)計(jì)分析,確定熱儲(chǔ)層厚度、溫度等計(jì)算參數(shù)。由于西安市目前已不批準(zhǔn)地下水資源的開(kāi)采,本地?zé)峋捎萌岵蝗∷?a href="http://www.tja100.com.cn/t/開(kāi)發(fā)利用.html" >開(kāi)發(fā)利用方式,因此本次地?zé)豳Y源儲(chǔ)量按各熱儲(chǔ)層的巖石熱儲(chǔ)量和地?zé)崃黧w熱儲(chǔ)量之和進(jìn)行計(jì)算,不再計(jì)算開(kāi)采地?zé)崃黧w的開(kāi)發(fā)利用方式的熱儲(chǔ)量。

式中:Q 表示熱儲(chǔ)層中儲(chǔ)存的熱量;Q_r 表示巖石中儲(chǔ)存的熱量;Q_w 表示水中儲(chǔ)存的熱量,J。根據(jù)西安市地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)成果經(jīng)驗(yàn),單井換熱影響半徑約110 m,根據(jù)單井影響范圍進(jìn)行估算,單井影響面積38 000 m²,計(jì)算單井地?zé)豳Y源儲(chǔ)量。為方便計(jì)算,泥巖層孔隙度按0 計(jì)算,忽略泥巖層的地熱流體量。各熱儲(chǔ)層巖石中和各熱儲(chǔ)層水中熱儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表2 和表3。在不考慮周邊地層及深部熱儲(chǔ)層的熱量補(bǔ)充的情況下,該地?zé)釂尉械責(zé)豳Y源儲(chǔ)量Q為表2 中Q_r 和表3 中Q_w 之和,即8.21×10¹⁵ J。

3. 2 地?zé)豳Y源質(zhì)量評(píng)價(jià)

從區(qū)域上來(lái)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(zhì)的地殼體受分割的強(qiáng)烈破裂活動(dòng)地帶,是水平與垂直運(yùn)動(dòng)綜合作用的結(jié)果,隱伏火成巖體的上侵等充分說(shuō)明了這個(gè)地塹(即裂谷發(fā)展的初期)發(fā)展過(guò)程是受多維向量聯(lián)合運(yùn)動(dòng)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(kāi)始形成,沉降速度快,沉積物粒度粗、厚度大,屬于對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)。基底隆起和邊緣斷裂使區(qū)域熱流在較淺部位進(jìn)行再分配。局部熱流集中,地溫梯度增大,使循環(huán)達(dá)一定深度的地下水溫度升高,并沿?cái)嗔褞Мa(chǎn)生水熱對(duì)流,形成帶狀分布的地?zé)岙惓?根據(jù)資料統(tǒng)計(jì),區(qū)域內(nèi)地溫梯度在2. 5 ~4. 5℃/100 m。從擬建井周邊已成地?zé)峋闆r來(lái)看,區(qū)內(nèi)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(qū),項(xiàng)目所在區(qū)域在渭河盆地內(nèi)也屬于地溫梯度較高區(qū)域。根據(jù)附近的西安政法大學(xué)地?zé)峋臀靼才嗳A學(xué)院地?zé)峋疁y(cè)溫結(jié)果顯示,1 000 m處地溫可達(dá)到56. 5℃以上,2000 m 地溫可達(dá)80℃以上,新近系底界地溫可達(dá)到100 ℃以上,屬中低溫地?zé)豳Y源。因此,擬建井位于地?zé)岙惓^(qū),地溫梯度較高,地表覆蓋層較厚,附近有多條斷裂帶發(fā)育,有良好的保溫、導(dǎo)熱層,地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富,因此開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源具有可行性。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)神禾塬某地的地?zé)釂尉M(jìn)行地?zé)?a href="http://www.tja100.com.cn/t/資源勘查.html" >資源勘查和評(píng)價(jià),可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

a.鑒于“U”型對(duì)接井換熱系統(tǒng)施工難度大、成本高、場(chǎng)地條件限制等原因,本次地?zé)峋_(kāi)發(fā)利用擬采用同軸套管換熱系統(tǒng),該系統(tǒng)屬于封閉系統(tǒng),取熱不取水,為國(guó)家及地方政府大力支持的地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用方式。

b.熱儲(chǔ)層的實(shí)測(cè)平均地溫梯度為3.26 ℃/100 m,與附近地?zé)峋牡販靥荻认嗖畈淮?說(shuō)明該地區(qū)的地?zé)豳Y源分布均勻,地溫梯度比較穩(wěn)定。

c. 單井影響半徑按110 m 計(jì)算,熱儲(chǔ)法計(jì)算單井地?zé)豳Y源儲(chǔ)量為8. 21×10¹⁵ J,地?zé)豳Y源豐富,儲(chǔ)量可觀(guān),具有開(kāi)發(fā)可行性。