延安市中深層地熱能開發利用潛力評價

李小等 張鵬偉 楊炳超 郭帥 艾書濤 盧娜

（①中國地質調查局烏魯木齊自然資源綜合調查中心 烏魯木齊830000②中國地質調查局西安地質調查中心 西安 710054）

中深層地熱能是指蘊藏在地表以下一定深度范圍（多指200 米至2000 米之間）的巖土體、流體和巖漿體中，能夠為人類當前技術條件下可開發和利用的熱能[1，2]。地熱資源作為一種分布廣泛的、重要的清潔環保型可再生能源，在治污降霾、改變能源結構、提倡生態文明的今天，有著十分重要的現實意義[3]。

延安市屬半濕潤半干旱大陸性季風氣候，冬季寒冷，供暖需求大，煤炭資源豐富，燃煤仍為主要供暖方式，但其污染排放物已成為產生霧霾的重要因素，不利于人類健康和生產生活，延安生態文明城市建設仍任重道遠。區內中深層地熱能研究工作起步晚，開發利用程度低。目前僅在新區管委會東側建立了延安市第一處中深層地熱開發利用工程。該工程采用無干擾單孔取熱技術，在當地具有一定的創新和開拓意義。但在實際建設和運行過程中未進行地溫測量和監測工作，導致整個系統工程的運行出現了一定的問題[4]。為了加強生態城市建設，早日達到低碳城市目標，本文在對延安市地熱資源賦存條件、分布規律、地層熱參數和地溫場特征分析研究的基礎上，計算評價了中深地熱能開發利用潛力，為延安市地熱能開發利用提供了一定的理論數據支撐。

1 開發利用條件

1.1 區域地質條件

延安市地處華北陸塊鄂爾多斯地塊中東部伊陜斜坡地帶，以前三疊系為基底，基底起伏小，除在二疊系末和三疊系末遭受區域隆升外，始終保持著穩定沉積盆地特征，無顯著構造作用改造，僅有小型鼻狀構造與小型斷裂。地面出露地層自上而下主要有第四系、新近系、白堊系、侏羅系和三疊系。

1.2 水文地質條件

延安市地區地下水資源貧乏，地下水類型主要為第四系孔隙裂隙水、白堊系碎屑巖裂隙孔隙水和三疊系、侏羅系碎屑巖裂隙水。其中，開發利用中深層地熱資源主要涉及到白堊系裂隙孔隙水和侏羅系、三疊系碎屑巖裂隙水。

1.2.1 白堊系裂隙孔隙水

白堊系含水層為黃土高原多層結構含水層，地下水賦存于厚層砂巖的裂隙孔隙介質中，空間容量較大，下部普遍分布侏羅系安定組，構成相對穩定的隔水底板，與東部侏羅系接觸邊界構成隔水邊界。根據地層巖性組合，將白堊系地下水含水系統劃分為環河組含水層和洛河組含水層。洛河組含水層主要為厚層狀中粗粒砂巖，孔隙發育，貯水條件明顯優于中細粒砂巖與泥巖互層的環河組。

1.2.2 侏羅系、三疊系碎屑巖類裂隙水

碎屑巖類含水層巖性以砂巖、泥巖互層為主，透水性和富水性差，滲透系數一般小于0.05m/d，單井涌水量小于100m3/d，多為裂隙潛水或層間裂隙承壓水。砂巖一般膠結致密，原生孔隙較少，裂隙較發育、延伸性及張開性都較好，形成相對富水層。但裂隙性質和發育程度差異大，導致地下水賦存極不均勻。泥巖則較松軟，裂隙不發育，巖層含水微弱，多為相對隔水巖層。區域性隔水層則以石炭系底部鋁土質頁巖和侏羅系頂部泥巖為主。

1.3 地溫場特征

研究區位于鄂爾多斯盆地中部，區內斷裂構造不發育，構造活動微弱，塊體整體較穩定。在基底隆起區，由于上地幔物質上涌，可形成局部高溫帶，深部熱流在沿巖層向上運移過程中，在隆起區的核部區域聚集并形成高溫異常區，地溫梯度高于周邊地區[5]。區內無區域性熱蓋層，僅在局部白堊系分布區，泥巖層發育，構成局部熱蓋層，地溫相對較高。

1.3.1 大地熱流

大地熱流值指單位時間內以熱傳導方式通過單位面積流向地表的熱量，是地熱場分布的重要影響因素，比其它地熱參數如溫度、地溫梯度等更能確切地反映一個地區地熱場的特征，也是地球內熱在地表最為直接的表現[6]。根據前人對鄂爾多斯盆地地熱研究成果，區內大地熱流值在62.3～67.4mW/m2之間，比較穩定，變化不大。西部白堊系分布區大地熱流值稍低于東部侏羅系、三疊系分布區（圖1）。

圖1 大地熱流值分布圖

1.3.2 恒溫帶

恒溫層是指太陽輻射熱向下與地球內熱向上傳導過程中在一定深度時溫度達到平衡的界面，該處地溫年變化幅度接近于零，其埋深稱為恒溫層深度，此處地溫即為恒溫層溫度。同一緯度地區日照強度基本相同，在恒溫層以上太陽能影響大于地球內熱傳導影響，地溫隨深度由高漸低；以下則主要受地球內熱控制，地溫隨深度增加而逐漸增高，其熱量主要來自地球內部熱能。

1.3.3 不同埋深地溫特征

目前深部地層地溫可以通過地球化學溫標建立水-巖平衡計算或者測溫等方式獲取，其中對鉆孔進行不同深度地溫測量是最直接、最有效的方式[7，8]。測溫數據包括隨鉆泥漿溫度、測井溫度以及抽水試驗過程中最大降深、最大流量、穩定時間段內的井口溫度等。延安地區資源豐富，在區內煤炭石油等部門有多處施工鉆孔，部分開展了測溫工作。本次研究收集到了區域地熱成果資料中部分石油深井測溫數據，主要為循環泥漿溫度，專門針對不同深度地層的溫度監測數據則較少。

（1）隨鉆泥漿溫度

隨鉆泥漿溫度是在鉆進過程中，泥漿在地熱井中被巖層加熱后，由井底循環降溫再次到達地表時所測得的泥漿溫度[9]。它受干擾的因素比較多，鉆進過程中的提鉆、下鉆、泥漿液的補充以及地面溫度等因素都會對之產生干擾。嚴格上講，隨鉆泥漿溫度不能完全代表地層溫度，但它基本上直接反映了在鉆進過程中巖層溫度的變化規律。

本次共收集到區內16 份石油深井泥漿測溫數據，其中有6份資料能夠滿足研究要求。起始測溫深度范圍為25～3000m，每100m 測量一次隨鉆泥漿溫度，兩者關系如圖2。從圖中可以看出，除去換漿或提鉆等因素造成的波動外，隨鉆泥漿溫度大致隨井深增加逐漸升高，基本沒有較大的突變現象。

圖2 隨鉆泥漿溫度—深度變化曲線圖

（2）測井溫度

測井溫度是在成井靜止一段時間后，使用專業設備對全井段進行溫度測量所得的一組連續的溫度數據[10]。測井溫度大致可反映測井時整個井段地熱流體由上到下的溫度變化情況，其在井底所測得的溫度由于受干擾的因素小，可代表該點地層溫度。

本次研究僅收集到1 份測井溫度資料，該井孔（B12）位于黃陵縣上畛子農場西杠樹莊，孔深605.16m，主要揭露地層為第四系、白堊系志丹群環河組、洛河組和侏羅系安定組，測溫深度段為70～600m，測溫間隔為20m，測溫曲線見圖3。該孔對白堊系地層的溫度進行了分段測量，可大致反映出區內白堊系地溫垂直變化規律，即隨著埋深逐漸變大孔內溫度呈現出明顯的升高趨勢，溫度變化與孔深具有較好的線性正相關關系。

圖3 B12孔地溫隨深度變化曲線圖

（3）1000m和2000m埋深地溫分布

研究區內地層巖性均勻單一，斷裂構造不發育，地溫變化平緩。1000m 深地溫一般為35～40℃（圖4），在西南部甘泉、富縣一帶出現地溫異常區，最高可達到45℃，地溫變化幅度在5℃左右，地溫分布較均一；2000m深處地溫異常區范圍明顯擴大，地溫大多在60～70℃之間，并向北東向延伸，在富縣—延安市一帶出現地溫高異常區，地溫明顯高于周邊區域地溫，最高可達到90℃，也是鄂爾多斯盆地中地溫相對較高區域。

圖4 工作區1000m、2000m地溫等值線圖

1.3.4 地溫梯度特征

（1）平面分布特征

區內地溫梯度較低，多在2.5～3.0℃/100m 之間，但在延安市區北部、延長—宜川一帶東部區域地溫梯度相對較高，一般大于3.0℃/100m（圖5）。延長—宜川一帶東部區域為柳林大泉域系統的西部排泄區域，由東向西傾伏，隨熱儲傾伏增大形成一定范圍的熱堆積，地溫梯度相對較大。

圖5 工作區地溫梯度分布圖

（2）垂向分布特征

研究區地溫梯度隨深度變化具有逐漸降低趨勢[11]。1000m 以上地溫梯度多在2.5～3.5℃/100m 之間，1000～2000m 深的地溫梯度在2.3～3.2℃/100m 之間（圖6）。在垂向上，地溫梯度主要隨各地層巖性、熱導率的不同而變化，在中生代河湖相沉積的顆粒較粗的砂巖、含礫砂巖及泥巖地層中，地溫梯度表現為由淺部向深部逐漸變小。

圖6 鄂爾多斯盆地垂向地溫梯度分布圖

2 資源潛力計算

地熱資源是指在當前技術經濟條件下可以開發利用的地下巖石和水中的熱能，也包括在未來技術條件下具有開采價值的熱能[12]。工作區斷裂不甚發育，塊體相對較為穩定，盆地基底局部隆起，地球內部中深部熱能以熱傳導的方式通過上覆巖層向地表傳導擴散，為區內地熱資源形成提供了主要熱源。地熱流體則主要賦存于中生界碎屑巖裂隙孔隙中[13]。

2.1 計算條件概化

研究區內深部基底熱量通過地層和地下水作為熱導體向上傳遞熱量[14]。在評價計算時不考慮水運移產生的熱量運輸，而將水和地層視為一個整體各向同性的均質傳熱媒介系統。即在同一深度上地溫相同，無熱量交換，不同計算區塊封閉獨立，單元側向周邊邊界零熱量交換，不同深度上地溫及梯度不同，熱量均勻地由下向上傳導[15，16]。

2.2 評價范圍及分區

根據熱儲層類型、地下水系統和地溫場特征，將研究區分為東、西2 個評價區塊，總評價面積為37073km2，其中東區塊評價面積為24659km2，西區塊評價面積為12378km2。根據地質、水文地質條件，區內2000m 以淺的熱儲層主要為白堊系志丹群砂巖、侏羅系和三疊系碎屑巖，其中東區塊的熱儲層為侏羅系和三疊系碎屑巖，西區塊的熱儲層為白堊系砂巖、侏羅系和三疊系碎屑巖。深度2000m范圍內，白堊系熱儲層厚度為400～700m，侏羅系熱儲層厚度為400～700m，三疊系熱儲層厚度在東區塊為1000m，西區塊為500m。

2.3 熱參數及取值

比熱容是指單位質量物質在溫度增減1k時所吸收或釋放的熱量[17]。巖土體傳熱介質由巖石顆粒、水和空氣組成，比熱容可由各組成物質的比熱容計算得出，在實際應用中，空氣這一項常忽略不計，計算公式見（1）。

式中：Cv為體積比熱容，kcal（/m3·℃）；

Cw、Cs分別為水和巖石的質量比熱容，kcal/（kg·℃）；

ρw、ρs分別為水和巖石密度，kg/m3；

φ為孔隙度。

計算過程中，巖土體比熱容參數主要參考“延安市淺層地熱能調查評價”項目中的熱物性測試成果。該項目分別對侏羅系、三疊系砂巖和泥巖樣品進行了物性和熱物性參數實驗室測試，包括自然密度、孔隙度、比熱容等。在計算中，侏羅系、三疊系巖土體的相應參數取測試結果的平均值；由于缺少區內白堊系巖土體相關參數測試數據，評價時其自然密度、比熱容參數采用侏羅系參數取值，孔隙度采用鄂爾多斯盆地地下水勘查成果資料。參數取值見表1。

表1 熱參數取值表

2.4 熱量計算

2.4.1 計算方法

采用體積法計算熱儲層體積內儲存的熱量[18]，計算公式見（2）。

式中：Q—熱量，kcal；

A—熱儲面積，km2；

H—熱儲層平均厚度，m；

Cv—熱儲層體積比熱容，kcal（/m3·℃）；

Tp—熱儲層平均溫度，℃；

Tc—基準溫度，即當地地下恒溫層溫度或多年平均氣溫，℃。

其中，熱儲層平均溫度Tp采用“鄂爾多斯盆地地下水研究”中不同區域熱儲層平均溫度的統計結果。東區塊取值為21℃，西區塊取值為22℃；基準溫度Tc采用區內恒溫帶平均溫度，取值11℃。

2.4.2 計算結果

資源潛力計算結果見表2。評價區內總熱量為2.64×1017kcal，相當于標準煤3.77×1010t，其中東區塊1.42×1017kcal，相當于標準煤2.03×1010t；西區塊熱量為1.22×1017kcal，相當于標準煤1.74×1010t。

表2 熱量計算結果

3 結論

（1）查明了延安市中深層地熱資源開發現狀。區內中深層地熱能研究和開發利用程度都較低，僅在新區管委會東側建立了一處中深層地熱開發利用工程，主要用于供暖，實際建設和運行中出現了一定的問題。

（2）基本查清了區內地熱資源賦存條件。區內中深層熱能主要來自于地球內部熱能通過上覆巖層向上傳導；熱儲層主要為白堊系砂巖和侏羅系、三疊系碎屑巖；地熱流體主要賦存于中生界碎屑巖裂隙孔隙中；大部分區域地溫不高，地溫梯度一般為2.5～3.0℃/100m，局部出現地溫異常區。

（3）區內地熱資源量較大，具有一定的開發利用潛力。中深層地熱資源總儲量為2.64×1017kcal，相當于標準煤3.77×1010t。