熱儲法在重慶市大學城地熱水資源評價的應用

郭彤，劉之葵

(桂林理工大學土木與建筑工程學院；廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004)

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熱儲法在重慶市大學城地熱水資源評價的應用

郭彤，劉之葵

(桂林理工大學土木與建筑工程學院；廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004)

以沙坪壩區虎溪鎮大學城地熱水資源為研究對象，采用熱儲法計算其地熱資源放熱量。首先對區域內地形、地貌以及地熱水形成條件進行綜合分析，并通過對豐水期、平水期、枯水期3個水期進行(抽)放水試驗，得到水力性質、出水量、水溫、水位等指標。其次計算相關水文地質參數，確定枯水期最大降深放水時影響半徑，最大允許開采量。并在此基礎上建立熱儲概念模型，運用熱儲法進行評價，從而得出按使用期100年計算熱儲總放熱量，折合成標準煤量以及共可減排CO2量?；⑾偞髮W城地熱水資源豐富，開采可達到良好的節能減排效果，熱儲法簡便可行，對類似地區的地熱資源量的計算具有指導意義。

熱儲法；大學城地熱水資源；(抽)放水試驗；水文地質參數;評價；放熱量

重慶市地熱水資源很豐富，開發利用歷史悠久，因其屬中低溫熱水類型，富含微量元素和有益人體健康的礦物質而被人類廣泛開發利用[1～4]。隨著社會的進步以及低碳經濟的倡導，地熱水資源的需求也在不斷加大，甚至超過了開發程度和 勘查評價范圍[5]。重慶市全市地熱水分帶明顯，分布廣泛，類型多樣，其地熱地質條件復雜，這給科學管理地熱水資源增加了一定難度，并存在一定的風險性與盲目性。同時，過量的開采也會導致水資源環境的破壞。為了更合理的利用地熱水資源，正確的評價一直是開發利用地熱水資源中的重點與難點。

重慶市沙坪壩區地勢西高東低，地貌明顯受構造與巖性控制，地熱水以半開啟型層狀嘉陵江組碳酸鹽巖熱儲為主，熱儲主要層位在嘉陵江組四段(T1j4)地層，次要層位為嘉陵江組三段(T1j3)、二段(T1j2)及雷口坡組(T2l)地層，熱儲構造完整。下面，筆者以重慶市沙坪壩區虎溪鎮大學城溫泉為例，采用重慶市內可靠性較高的熱儲法[6]來計算其地熱資源儲存量。在分析區內地熱地質條件的基礎上，建立熱儲構造模型，采用熱儲法計算各相關水文地質參數以及地熱資源儲存量，從而對其進行評價，為該區地熱資源的開發利用提供合理可靠的依據。

1　區域地質概況

沙坪壩區虎溪鎮大學城位于四川盆地東部，為典型的重慶平行嶺谷地形地貌區。地勢西高東低，地貌明顯受構造與巖性控制，背斜成山、向斜成谷，山脈走向與地質構造方向基本一致，形成典型的隔檔式構造。區內主要有構造剝蝕丘陵地形、侵蝕構造中低山地形、侵蝕巖溶地形三類地貌。水源地所處的溫塘峽背斜在核部出露地層有三疊系下統嘉陵江組(T1j)和中統雷口坡組(T2l)，巖性以碳酸鹽巖為主。碳酸鹽巖經溶蝕后形成高位槽谷，標高多在400～500m，構造裂隙發育；兩翼須家河組地層(T3xj)由堅硬砂巖夾頁巖組成，抗風化能力強，常形成條帶狀山脈，標高一般在500～680m；侏羅系地層多由泥巖組成，夾有若干層砂巖，常形成低緩丘陵地形，標高多在250～350m。溫塘峽背斜北段受嘉陵江強烈切割，兩岸形成陡峭峽谷，峽口標高一般在180m左右。構造軸線總體延伸略呈“S”形，背斜為長條線形斜歪背斜，軸部狹窄尖棱，兩翼不對稱，東翼巖層傾向變化較大，北段東陡西緩，中段及南段西陡東緩，構造綱要圖見圖1。

圖1　構造綱要圖

該區域屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，春早秋遲，夏熱冬暖，初夏有梅雨，盛夏多伏旱，秋季有綿雨，冬季多云霧，霜雪甚少，無霜期長，日照少，風力小，濕度大。區內淺層地下水，主要由碳酸鹽巖巖溶水、碎屑巖層間裂隙水、紅層承壓水及基巖風化帶網狀裂隙水四類地下水組成。深層地下水埋藏深度一般為500～2500m，局部開敞地段埋深小于500m，主要賦存于三疊系下統碳酸鹽巖含水層，具承壓水的水動力特征。

2　地下熱水的形成條件

2.1地熱水形成機理探討

經對重慶市眾多天然溫泉、地熱水鉆井研究發現[7～9]，同一地層中天然溫泉、地熱水鉆井水化學類型及有益于人體的化學元素(組分)大致相似，如表1所示。

表1　大學城鉆井地熱水與鄰近鉆井地熱水水質對照表

從表中1可看出，雷口坡與嘉陵江組地熱水層特征及形成機理具有如下明顯特征：

1)化學成份中硫酸鈣占絕對優勢，微量組分中鍶(Sr)、氟(F)等元素含量較高，多數微量元素可以從地下水溶解石膏層獲取。

2)礦化度相對較低(較其他地層天然溫泉、地熱水鉆井)，各類放射性元素含量也均較低，排除了因火山活動、放射性物質蛻變，深大斷裂形成地熱水的可能性。

3)按元素比例系數法，地熱水的Na/Cl、Na/K、SO4/Cl、Cl/F、Cl/Sr比例關系，各相關離子的比值均大于1[10]。其比值反應出地熱水形成的條件及背景，說明了地熱水的成因是以溶濾水為主，兼有“古封存水”與之混合而成的水質特征。

4)地熱水水位、水量、水溫變化具有明顯的突變關系，一般情況下，當鉆井鉆入下三疊統嘉陵江組地層出現突變。該井進入嘉陵江組第四段(T1j4)主要熱儲含水層突變關系更為顯著，虎溪鎮地熱水鉆井鉆入嘉陵江組第四段地層時，水溫、水量急增。井深1488～1566.97m涌水量增至4800m3/d，水溫增至41℃。

2.2地熱水的賦存

區內地熱水為半開啟型層狀嘉陵江組碳酸鹽巖熱儲，產水層位為三疊系中統雷口坡組(T2l)、下統嘉陵江組四段(T1j4)、三段(T1j3)、二段(T1j2)。巖性主要為灰巖、白云巖、白云質灰巖、灰質白云巖夾薄層粘土巖及膏鹽層。三疊系中統雷口坡組(T2l)上覆地層為一套巨厚的碎屑巖層，以砂巖為主的夾泥、頁巖地層，是地熱水良好的隔熱、保溫蓋層。

主要隔熱保溫蓋層為三疊系上統須家河組(T3xj)；次要隔熱保溫蓋層為侏羅系紅色地層，包括下統珍珠沖組(J1z)和自流井組(J1zl)、中統新田溝組(J2x)和沙溪廟組(J2s)等。區內總厚度在1445m以上，能有效地起到隔熱保溫作用。三疊系下統飛仙關組(T1f)由一套厚度大于500m的紫紅色泥巖與灰、灰白色灰巖夾泥質灰巖組成，其頂部為一層厚約15～20m的紫灰色、黃綠色頁巖，阻隔了熱儲層中地熱水向下滲漏，有利于地熱水的儲存[11]，為地熱水下部隔水層。

2.3地熱水的補、逕、排條件

根據地下水氫氧同位素D和18O的相對豐度δ(D)和δ(18O)可推測出大學城地下熱水由大氣降水補給[12,13], 經深部循環地溫加熱而成。區內地熱水的補給源有2個：一個是瀝鼻峽背斜北段東翼地熱水的補給，一個是溫塘峽背斜中段地熱水的補給。瀝鼻峽及溫塘峽背斜中段灰巖出露面積較大，僅溫塘峽背斜構造的雷口坡組、嘉陵江組出露長度就達45km左右，匯水補給面積達數十平方公里，因此地熱水的補給水源是豐富的。

背斜巖溶槽谷接受大氣降水補給，形成淺層地下水后，橫向上沿兩翼作深部逕流，經循環增溫，縱向上由北向南運移。在區域動水壓力作用下向地層深部下滲而補給了“熱水庫”，然后在江、河橫切背斜處(減壓最大地段)以及采煤坑道或地表排泄形成溫泉。地熱水逕流長度多達50km，按地溫梯度2～2.5℃/100m計算，循環深度達2000m左右，屬遠距離補給、深循環的深層地熱水。

3　地熱資源評價

圖2　熱儲概念模型

鉆井的產水量是研究開發利用地熱水資源的基礎，如果過量開采地熱水資源超過允許開采量，則會導致熱儲能力下降，地熱水頭急速降低等問題。因此，對可開采的地熱資源進行正確的評價對于長期利用地熱資源十分重要[14～18]。此次評價采用廣泛應用的熱儲法對虎溪鎮大學城地熱水資源進行計算。

3.1熱儲概念模型的建立

根據地熱水的賦存條件，該區域熱儲層均為層控型熱儲，呈層狀分布，巖性厚度比較穩定，如圖2所示。其熱儲概念模型可描述為主要熱源是從地殼深部進行熱流傳導，局部有部分對流型熱源，主要熱儲層為上三疊統須家河組地層(T3xj)，次要熱儲層為侏羅系紅色地層，隔水層為三疊系下統飛仙關組(T1f)，泥質含量較高。

3.2地熱水的動態變化

通過為期一年的放水試驗，用以測定鉆井的出水量、水溫、水頭壓力等，每月一次共12次，觀測結果見表2和表3。

表2　大學城地熱水鉆井長期動態觀測數據統計表

備注:1、長觀每次放水時間為≥5h。2、帶“*”為豐水期、枯水期、平水期放水試驗。

表3　大學城地熱水鉆井豐水期、枯水期、平水期抽(放)水試驗成果

根據該井(豐水期、平水期、枯水期)3個水期3次放水試驗成果及一個完整水文年的長期動態觀測，可得出地熱水鉆井出水量基本穩定。在為期一年的觀測時間里，歷次放水試驗最大水位降低出水量變化在54.69～57.17L/s(4725.22～4939.49m3/d)，年變幅僅0.71%～0.72%。豐水期該井的出水量較大，其中以5～10月份最大，枯水期出水量略有減少，水頭壓力較低，但最低水頭、最小出水量均出現在平水期的4月份。該井豐水期、平水期、枯水期放水試驗井口觀測水溫變化在42～43℃。成井初期井口穩定水壓為0.56MPa，隨觀測時間的延長以及放水次數的增加，井口穩定水壓略有降低，并逐步穩定在0.48MPa左右，隨季節變化特點不明顯。

地熱水以承壓狀態長期埋藏于地下深部，在補給源穩定的情況下，當鉆井突然揭穿隔水頂板后，隔水頂板壓力得到突然釋放，因此成井初期，井口穩定水壓較大。經過多次放水以及成井時間的增加，地熱水重新達到新的水力平衡，井口水壓逐漸趨于穩定，達到0.48MPa。

3.3井的產水量

為判斷地熱水的水力性質、出水量、水溫、水位等，分別在3個水期做了3次水位降低的放水試驗，詳見表3。繪制1月枯水期放水試驗歷時曲線、Q=f(S)曲線、q=f(S)曲線，如圖3、圖4和圖5所示。

圖4　Q= f(S)曲線　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5　q=f(S)曲線

歷次放水試驗均具有水位、水量穩定和時間短的特點，停止放水后水位在3～5min即可恢復。涌水量(Q)與水位降低(S)關系呈拋物線線方程(Q= f(S))，說明了地熱水隨降深增大，涌水量亦增大，充分證實地熱水的補給水源豐富。

3.4地熱資源量計算

1)地熱水的放熱量計算。采用單井放水試驗數據進行計算，放熱量計算公式為：

Qw=QCw(tw-t0)Cw=Cρ

(1)

式中，Qw為地熱水鉆井開采所排放的熱量，kJ/d； Q為地熱水鉆井涌水量，m3/d；Cw為地熱水平均熱容量，kJ/(m3·℃)；C為水的比熱，C=4.1868kJ/(kg·℃)；ρ為水的密度,ρ=1×103kg/m3；tw為地熱水鉆井井口出水溫度,℃；t0為基準溫度，按規范規定，溫度高于25℃為地熱流溫度，故以25℃為起點溫度。

2)鉆井放熱量折算成標準煤計算。按規定，1t標準煤的放熱量為29.30×106kJ，計算結果以噸(t)計算，計算公式為：

(2)

式中，QT為放熱量折算成標準煤量,t； Qw為地熱水鉆井開采所排放的熱量，kJ/t； C為1t標準煤的放熱量，kJ。

3.5地熱水資源可開采量計算

地熱水埋藏較深，承壓水頭較高，選用承壓完整井單井公式計算滲透系數(K)及影響半徑(R)：

(3)

(4)

式中，Q為枯水期放水試驗最大出水量,m3/d； S為枯水期放水最大水位降低,m；r為地熱水鉆井出水井段(裸眼段)半徑,m； M為含水層厚度(出水段厚度),m； R為影響半徑，m。

式(3)為經驗公式，式(4)為理論公式。通過經驗公式(3)與理論公式(4)在Excel表格里進行R值的篩選，選擇趨于不變數值的R后代入式(3)。

根據鉆井揭穿情況，含水層厚度取74m計算。

1)滲透系數(K)值計算:

2)影響半徑(R)值計算:

計算結果與周邊地熱水鉆井基本一致，如表4所示。

表4　滲透系數(K)與影響半徑(R)計算參數及結果表

3)鉆井的推算最大降深Smax計算公式:

Smax=1.75×S

(5)

4) 鉆井推算最大涌水量Qmax計算公式：

Qmax=q×Smax×d

(6)

式中，Qmax為推算最大涌水量,m3；q為單位涌水量，L/(s·m)；Smax為推算最大降深,m； d為一晝夜時間，換算為86400s。

5) 最大徑流量Q徑計算公式：

Q徑=TJB

(7)

式中，Q徑為最大徑流量,m3/d；T為開采條件下地下水在運動方向(縱向)上的導水系數，m2/d,取值為1048m2/d，引自重慶市理想供水有限公司《重慶市橋口壩南二井熱礦水評價簡報》；J為天然條件下地下水的水力坡度，取經驗值1%(一般值0.5%～1%)；B為過水斷面寬度，取經驗值B=290m。

目前，與本地熱水鉆井同處背斜西翼的僅有青木關地熱水鉆井、海蘭云天地熱水鉆井，三者相距較遠，直線距離約7～11.8km。為防止地熱水井相互間干擾，放水時的影響半徑不應超過兩井間距離的一半。經計算，該井抽水穩定流量2661.98m3/d，遠小于鉆井抽水推算最大涌水量4672.99m3/d及最大徑流量3039.20m3/d。并且若按枯季最大降深放水時影響半徑為667.93m，按推薦允許開采量放水時影響半徑為389.60m，遠未達到與上述地熱水鉆井井間距的一半，故井間相互不會產生干擾。為保障地熱水的可持續利用，確保該井的長期使用，必須嚴格控制開采量，建議最大允許開采量推薦為2661.98m3/d。

3.6地熱資源儲存量評價

根據抽放水試驗數據以及相關參數計算結果來看，區內地熱水資源按最大開采量2661.98m3/d和使用期100年計算熱儲總放熱量為6.92×1012kJ，折合成標準煤量為236067t，共可減排5431570t CO2。可見，虎溪鎮大學城地熱水資源豐富，開采可達到良好的節能減排效果。

從計算出的資源量價值來看(如表5～7所示)，其經濟效益是極為明顯的，而且這類地熱水資源的尾水排放對周圍環境質量不會造成大的危害，將會帶來更大的經濟效益和社會效益。

表5　大學城地熱水單井涌水量計算結果表

表6　大學城地熱水鉆井放熱量計算結果表

表7　大學城地熱水減排CO2量計算結果表

備注：1t標準煤放熱量按29.30×106kJ計算，可減排2.3t CO2。

4　結論

1)通過對沙坪壩區虎溪鎮大學城地熱水資源的地質、地熱水形成條件的綜合分析，分別對豐水期、平水期、枯水期3個水期的熱儲資源量進行計算。

2)虎溪鎮大學城地熱水資源在地質構造上屬溫塘峽背斜中段東翼，區內地下熱水受大氣降水補給，為半開啟型層狀嘉陵江組碳酸鹽巖熱儲。主要含水層為下三疊下統嘉陵江組第四段(T1j4)，次要含水層為三疊系中統的雷口坡組(T2l)、下統嘉陵江組三段(T1j3)、二段(T1j2)。主要熱儲蓋層為三疊系上統須家河組(T3xj)，次要隔熱保溫蓋層為侏羅系紅色地層。在區域動水壓力作用下向地層深部下滲而補給了“熱水庫”，然后在江、河橫切背斜處(減壓最大地段)以及采煤坑道或地表排泄形成溫泉。

3)水的化學類型屬硫酸-鈣(SO4-Ca)型，水溫在40～60℃屬低溫地熱資源中的溫熱水類型，含礦物質較高和微量元素豐富，液相，無氣水分離，開采利用價值高。

4)鉆井在(豐水期、平水期、枯水期)3個水期的(抽)放水試驗中，出水量變化在54.69～57.17L/s(4725.22～4939.49m3/d)，為了合理長期獲得自流式開采，得出該井的最大允許開采量推薦為2661.98m3/d。采用熱儲法計算得出按使用期100年計，地熱水的總放熱量6.92×1012kJ，折合成標準煤量為236067t，共可減排5431570t CO2。區域內地熱資源儲存量很豐富。

5)運用熱儲法對地熱水資源進行評價，只需對區域內熱儲構造及其相關參數進行詳細的分析與研究，與相應(抽)放水試驗配合，即可進行地熱資源的計算，這種方法簡便可行，是一種被廣泛應用的計算地熱資源量的方法。

感謝重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊提供了大學城鉆井地熱水水質資料以及對此次(抽)放水試驗的幫助，感謝審稿老師和編輯老師提供的意見和幫助。

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[編輯]計飛翔

2016-04-15

國家自然科學基金項目(51169004)；廣西自然科學基金創新研究團隊項目(2012GXNSFGA060001)。

郭彤(1991-)，女，碩士生，現主要從事地質資源與地質工程方面的研究工作；通信作者：劉之葵， liuzhikui@126.com。

P314

A

1673-1409(2016)19-0057-08

[引著格式]郭彤，劉之葵.熱儲法在重慶市大學城地熱水資源評價的應用[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(19)：57～64.