關(guān)中盆地西安凹陷深層地?zé)酻型對(duì)接井地溫特征

關(guān)中盆地西安凹陷深層地?zé)酻型對(duì)接井地溫特征張育平;黃少鵬;楊甫;王興;余如洋;李毅;荀迎九;周聰【摘要】關(guān)中盆地中深層地?zé)豳Y源豐富,為關(guān)中地區(qū)冬季供暖提供了保障.作為深層能地?zé)衢_發(fā)利用的示范項(xiàng)目，首次在西安凹陷中施工了2000m以深的兩對(duì)U型對(duì)接井，對(duì)接井水平段長200m,形成了閉式地埋管換熱器，且靜置時(shí)間超過2年,能夠反映初始地溫.地層初始地溫是深層地?zé)峋畵Q熱能力計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)，高精度的測(cè)量可保證數(shù)據(jù)的可靠性.利用進(jìn)口直讀式熱電偶測(cè)溫探頭，對(duì)上述2組對(duì)接井(4口)初始地層溫度進(jìn)行了測(cè)量，并利用線性回歸的方法計(jì)算了地溫梯度.結(jié)果顯示，在垂向上和平面上，4口井地溫都表現(xiàn)出高度的重合性，顯示區(qū)內(nèi)對(duì)接井地溫和地下流場(chǎng)穩(wěn)定，地?zé)崮荛_采潛力大；4口地?zé)峋畣尉販靥荻茸兓秶鸀?.45—3.47C/hm，平均3.46±0.01C/hm，地溫梯度異常是由于關(guān)中盆地地殼厚度較薄，以及相對(duì)高的地幔熱流的熱傳導(dǎo)和深大斷裂溝通的水體熱對(duì)流相互疊加造成的；藍(lán)田-灞河組分布穩(wěn)定富水性好、滲透率高和導(dǎo)熱性強(qiáng)，為區(qū)域穩(wěn)定的熱儲(chǔ)層，根據(jù)地溫和地溫梯度的變化規(guī)律，建議區(qū)內(nèi)對(duì)接井對(duì)接層段為1866m以深的藍(lán)田-灞河組，以保證最大的換熱效率和持續(xù)穩(wěn)定的熱源通過測(cè)井資料驗(yàn)證，對(duì)接井在1500—1600m存在地溫異常，與地層地下水活動(dòng)和地層含砂量高相關(guān).【期刊名稱】《中國煤炭地質(zhì)》【年(卷)，期】2019(031)006【總頁數(shù)】8頁(P54-61)【關(guān)鍵詞】深層地?zé)釋?duì)接井;地溫測(cè)量;地溫梯度;地溫異常;關(guān)中盆地作者】張育平;黃少鵬;楊甫;王興;余如洋;李毅;荀迎九;周聰【作者單位】國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710021;西安交通大學(xué),西安710048;陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司,西安710021;西安交通大學(xué),西安710048;國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710021;陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司,西安710021;國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710021;陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司,西安710021;西安交通大學(xué),西安710048;西安交通大學(xué),西安710048;陜西中煤新能源有限公司,西安710054;陜西中煤新能源有限公司,西安710054【正文語種】中文【中圖分類】P314.30引言地?zé)崾且环N新型能源，具有清潔環(huán)保、可再生和可循環(huán)利用等特點(diǎn)，備受關(guān)注。關(guān)中地區(qū)平均大地?zé)崃髦禐?8.8mW/m2，比背景值（華北大地?zé)崃鳎?0.6mW/m2高出8.2mW/m2，也明顯高于我國其他地區(qū)［1］，是地?zé)崮荛_發(fā)利用的有利區(qū)。關(guān)中盆地?zé)醿?chǔ)層體積儲(chǔ)存的總熱量為3.23x1018kcal,相當(dāng)于4.61x1011t標(biāo)準(zhǔn)煤，可用熱量1930.58x1015kcal,相當(dāng)于275.8x109t標(biāo)準(zhǔn)煤［2］，為地?zé)峁┡峁┝吮Ｕ?。不同學(xué)者對(duì)關(guān)中盆地地溫特征進(jìn)行了討論,取得了一些進(jìn)展,如王興采用人工調(diào)查的方式,對(duì)關(guān)中盆地地溫和地溫梯度的異常分布進(jìn)行了研究［3］,王佟等對(duì)關(guān)中盆地地溫場(chǎng)變化與構(gòu)造的關(guān)系進(jìn)行了研究［4］,黃景銳、劉彩波、孫紅麗、侯娟等對(duì)關(guān)中盆地不同區(qū)域地溫場(chǎng)特征進(jìn)行了研究［5-8］,這些研究為關(guān)中盆地的地?zé)嵫芯康於嘶A(chǔ),但都局限于淺層地溫的研究,未涉及中深層地溫的研究。周陽等對(duì)關(guān)中盆地地溫場(chǎng)劃分特征及其地質(zhì)影響因素進(jìn)行了研究［1,9-10］,但所測(cè)井的靜井時(shí)間在48h以內(nèi)，靜井時(shí)間較短，井溫測(cè)量存在誤差較大。針對(duì)深層(>1500m)地?zé)峋臏y(cè)溫，目前的靜井時(shí)間明顯不夠，利用測(cè)井得到的井溫不能反映原始地溫，這不僅影響對(duì)區(qū)域地溫場(chǎng)的分析，更重要的是影響地?zé)峋畵Q熱模擬計(jì)算，進(jìn)一步影響建筑供暖能力的設(shè)計(jì)。本次在西安凹陷中施工了2000m以深兩對(duì)U型對(duì)接井，對(duì)接井水平段長200m，形成了閉式地埋管換熱器并給建筑供暖，屬國內(nèi)外首創(chuàng)。兩組U型對(duì)接井靜井時(shí)間超過2a，能夠反映初始地溫，首次通過高精度的井溫測(cè)量提供準(zhǔn)確的地溫參數(shù)，為保證后期各類計(jì)算結(jié)果的可靠性提供依據(jù)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)和對(duì)接井西安凹陷是關(guān)中斷陷盆地的沉積中心之一，為四條深大斷裂帶所圍限，其東部邊界為長安-臨潼斷裂，西為啞柏?cái)嗔?，南為秦嶺山前斷裂，北為渭河斷裂，凹陷內(nèi)新生代地層厚逾7000m，其中第四系厚達(dá)500~1000m。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為隱伏斷裂構(gòu)造，按其走向可分為EW向、NE向和NW向三組。本次測(cè)溫區(qū)的4口地?zé)峋挥陉P(guān)中盆地西安凹陷北部的草灘次級(jí)構(gòu)造凹陷區(qū)(圖1)，行政區(qū)劃屬西安未央?yún)^(qū)北部草灘鎮(zhèn)。區(qū)內(nèi)地層根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆井揭露，地層由新到老依次為第四系秦川群、三門組以及新近系的張家坡組和藍(lán)田-灞河組，其中藍(lán)田-灞河組為該區(qū)熱儲(chǔ)層。圖1關(guān)中盆地區(qū)域構(gòu)造大斷裂(a)、測(cè)溫井位分布圖(b)Figure1CentralShaanxiBasintectonicmajorfaults(a)Temperaturemeasurementwellsdistribution(b)⑴第四系中更新統(tǒng)-全新統(tǒng)秦川群(Q2-4qc)。底界埋深612m,厚度612m。上部主要為淺黃色、灰黃色粘土，粉砂質(zhì)黏土，含流砂層；下部灰黃色粘土夾灰白色細(xì)砂，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核及砂質(zhì)團(tuán)塊。第四系下更新統(tǒng)三門組(Q1s)。底界埋深1014m,厚度402m。為淺灰黃色、灰黃色黏土，含粉砂粘土及粉砂、砂礫石層，夾淺灰綠色團(tuán)塊，灰白色鈣質(zhì)結(jié)核層。新近系上新統(tǒng)張家坡組(N2z)。底界埋深1870m，厚度856m。上部為灰黃色、棕紅色粉砂質(zhì)泥巖夾淺灰綠色泥巖；中部為淺灰綠色泥巖，含粉砂泥巖，可見星狀黃鐵礦；下部為棕紅色、紫紅色泥巖，含粉砂泥巖夾灰白色粉-細(xì)砂巖，偶見黃鐵礦集合體。新近系上新統(tǒng)藍(lán)田灞河組(N2l+b)。未見底，鉆揭厚度230m。主要為淺灰綠色含粉砂泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)粉砂巖，少量淺褐色泥巖，夾灰白、棕黃色含礫細(xì)砂巖，粉砂巖。本井僅鉆及上部泥質(zhì)巖段。本區(qū)廣泛發(fā)育新近系上新統(tǒng)藍(lán)田-灞河組孔隙型熱儲(chǔ)層，也是本區(qū)主要采熱目的層。藍(lán)田-灞河組熱儲(chǔ)層在草灘次級(jí)凹陷區(qū)內(nèi)廣泛分布。1.2地?zé)酻型對(duì)接井區(qū)內(nèi)施工的熱1直和熱1斜、熱2直和熱2斜分別在2100m和2500m處對(duì)接連通，每個(gè)對(duì)接井有水平段，水平段長約200m，以增加換熱面積，計(jì)劃為區(qū)內(nèi)10萬m2的住宅及辦公樓供暖。圖2為熱1直和熱1斜井對(duì)接井結(jié)構(gòu)示意圖。井筒本身作為地埋管換熱器，冷水通過斜井進(jìn)入地下，通過循環(huán)完成換熱，最后通過直井進(jìn)入機(jī)房，完成封閉環(huán)狀循環(huán)，這樣通過閉式“保水取熱”換熱提取深層地?zé)崮?，并為建筑供暖，開創(chuàng)了關(guān)中地區(qū)地?zé)衢_發(fā)利用的新途徑。圖2熱1直和熱1斜對(duì)接井結(jié)構(gòu)示意圖Figure2SchematicdiagramoftheconfigurationofintersectedwellsT1VandT1H地溫測(cè)量測(cè)量裝置及方法為滿足本次測(cè)溫需求，選用加拿大Spartek公司生產(chǎn)的SS2560型測(cè)溫探頭，其測(cè)溫量程為0~150°C,壓力范圍為常壓-70MPa，分辨率0.001°C,精度0.01°C,壓力精度5psi，采樣頻率1s—個(gè)點(diǎn)。測(cè)溫系統(tǒng)包括井口系統(tǒng)和孔內(nèi)系統(tǒng)，井口系統(tǒng)包括控制單元、數(shù)據(jù)采集、接線端子?？變?nèi)系統(tǒng)包括測(cè)溫探模塊、記錄模塊、電池組等。測(cè)溫探頭使用微型-鎧裝(Mantel)-熱電偶。這種熱電偶由兩根不同的金屬芯線構(gòu)成，芯線嵌在絕緣材料內(nèi)并由金屬屏蔽、鎧裝環(huán)圍。采用具有高絕緣阻抗的氧化鎂或氧化鋁作為絕緣材料，不銹鋼作為鎧裝材料。熱電偶的芯線采用NiCr-Ni-金屬絲，并且在其前端相互焊接在一起。安裝在探頭體內(nèi)的熱電偶的直徑通常約為2mm，探管外徑30mm。首先選定孔口周圍平整的地方，清潔除去雜草，固定攬線三角架。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)設(shè)備控制程序，測(cè)溫探頭放入探管內(nèi)，啟動(dòng)攬車，將探管放入孔內(nèi)，控制下放速度在10m/min以內(nèi)，測(cè)溫儀表開始記錄讀數(shù)(圖3)。測(cè)溫結(jié)果本次測(cè)試的4口地?zé)峋怪睖y(cè)溫總深度為8738.6m，其中熱2斜井的垂直測(cè)溫深度最深，為2406.48m，井底溫度最高，為96.2C。4口井的測(cè)溫情況如表1和圖4所示。熱1直測(cè)溫井段：6.03~1995.87m，對(duì)應(yīng)溫度范圍：20.39~83.10C,熱1斜垂測(cè)溫井段：0~1958.90m,對(duì)應(yīng)溫度范圍：21.40~81.74°C;熱2直測(cè)溫井段：24.95~2377.35m，對(duì)應(yīng)溫度范圍：18.35~95.12°C,熱2斜垂直測(cè)溫井段：0~2406.48m,對(duì)應(yīng)溫度范圍：24.35~96.20°C。表1測(cè)溫情況總覽Table1Temperaturemeasurementoverview井名井深/m井型測(cè)溫深度/m最深測(cè)溫/°C井斜熱1直2100.00直井1995.8783.10無熱1斜2206.88斜井1958.9081.74校正熱2直2497.40直井2377.3595.12無熱2斜2587.90斜井2406.4896.20校正(a)計(jì)算機(jī)控制模塊；(b)纜線與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)端子；(c)探管內(nèi)探頭及記錄模塊；(d)井口三角架；(e)無級(jí)電動(dòng)絞車和(f)控制設(shè)備圖3測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備Figure3Testingsiteandequipment圖44口地?zé)峋疁y(cè)溫曲線特征Figure4Temperaturemeasuringcurvefeaturesof4geothermalwells圖54口地?zé)峋疁y(cè)溫曲線對(duì)比Figure5Comparisonof4geothermalwelltemperaturecurves熱1直、熱2直到對(duì)接井熱1斜、熱2斜距離在200m左右，而從各個(gè)地?zé)峋臏囟葘?duì)比分析來看（圖4、圖5），熱1直和經(jīng)過井斜校正的熱1斜測(cè)溫曲線可以看成是重合的，熱2直和熱2斜同樣如此。此外，熱1直和熱2直測(cè)溫曲線基本是重合的，在相同深度1995.8m處，熱1直溫度為82.63°C,熱2直為82.83°C;對(duì)于熱1斜和熱2斜也基本是重合的，在1958.9m垂深處，熱2斜溫度為81.67C,熱1斜為81.74C[13]。因此，本次所測(cè)的2組對(duì)接井的地溫（包括對(duì)接斜井經(jīng)過深度校正后的溫度），都表現(xiàn)出高度的重合性，表明區(qū)內(nèi)地溫和地下流場(chǎng)具有很好的穩(wěn)定性，為地?zé)衢_發(fā)利用提供保障。討論3.1地溫梯度計(jì)算根據(jù)4口地?zé)峋疁y(cè)得的井溫資料，對(duì)埋深100~2400m段的地溫梯度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。除接近地表的淺層部分溫度易受氣候和地表水流動(dòng)影響外，各井測(cè)溫曲線均表現(xiàn)出傳導(dǎo)型地溫場(chǎng)的特點(diǎn)，這與關(guān)中盆地上覆巨厚的新生界沉積層特點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，因此，可利用線性擬合的方法計(jì)算地溫梯度。表2地?zé)釋?duì)接井的地溫梯度Table2Geothermalgradientofgeothermalintersectedwells井深/m地溫梯度/°C?hm-1熱1直熱1斜熱2直熱2斜100~2003.953.623.273.64200~3002.322.101.762.10300~4002.392.423.062.44400~5002.892.882.852.84500~6003.203.163.163.12600~7003.163.123.193.15700~8003.383.383.333.34800~9003.413.413.443.46900~10003.463.443.393.411000~11003.533.543.533.531100~1200~13003.403.403.393.421300~1400~15003.713.663.573.611500~16004.384.384.354.401600~17004.034.024.114.081700~18003.793.673.693.741800~19003.463.443.553.521900~2000//3.213.332000-2100//3.273.272100-2200//3.313.262200-2300//3.223.182300-2400///3.39在垂向上，4口井的地溫梯度在100-200m存在高異常，200-500m較低，500-1400m為低異常，在1400-1800m存在較高異常，特別是在1500-1600m存在最高的地溫異常，地溫梯度都在4.35^/hm以上。測(cè)溫結(jié)果顯示，秦川群受淺層地下水?dāng)_動(dòng)和氣溫變化影響，故選取不受淺層地下水?dāng)_動(dòng)和氣溫變化影響測(cè)溫井段，利用線性回歸的方法計(jì)算得到三門組、張家坡組以及藍(lán)田-灞河組的地溫梯度。結(jié)果見表3和圖6，單井地溫梯度變化范圍為3.45-3.48°C/hm,平均3.46±0.01°C/hm。單層計(jì)算結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)藍(lán)田-灞河組地溫梯度最小，張家坡組地溫梯度最大。表3各地層地溫梯度計(jì)算結(jié)果Table3Computedresultsofstratageothermalgradient井位地層測(cè)溫深度/m地溫梯度/C^hm-1平均地溫梯度/°C?hm-1熱1直三門組600-10163.37張家坡組1016-18663.76藍(lán)田灞河組1866-1995.83.283.47熱1斜三門組600-10163.36張家坡組1016-18663.75藍(lán)田灞河組1866-1958.93.323.48熱2直三門組612-10143.35張家坡組1014-18663.72藍(lán)田灞河組1866-2377.53.273.45熱2斜三門組600-10163.36張家坡組1016-18663.76藍(lán)田灞河組1866-2406.483.263.46地溫梯度異常分析晚始新世以來，渭河盆地為持續(xù)拉張應(yīng)力場(chǎng)，巖石圈表殼破裂，盆地持續(xù)沉降，成為了環(huán)鄂爾多斯盆地新生代斷陷活動(dòng)表現(xiàn)最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一，巖石圈破裂引起上地幔被動(dòng)隆起和軟流圈被動(dòng)上涌，幔熱流持續(xù)增加?！盁帷睅r石圈厚度不斷減小使深部熱流能夠更快速地傳導(dǎo)到淺部，使得渭河斷陷盆地比北部的鄂爾多斯盆地具有更高的區(qū)域熱流值，這是渭河斷陷盆地中—低溫地?zé)崽镄纬傻淖罡镜臒嵩椿A(chǔ)［1］。就整個(gè)關(guān)中盆地而言，不同的構(gòu)造部位其地?zé)崮芨患嬖诓町?。一般地塹側(cè)翼是地?zé)岣患瘞?。這主要是地塹在形成過程中，引起軟流圈上升，熱源垂直傳導(dǎo)方向轉(zhuǎn)移到裂谷兩側(cè)供給了裂谷兩冀的巖塊地區(qū)［14］。其中的秦嶺山前斷裂、渭河斷裂等深大斷裂，對(duì)地?zé)岬母患托纬善鸬搅己玫膶?dǎo)熱作用，形成了區(qū)域高熱流環(huán)境下的線狀異常帶。研究區(qū)正處于西安凹陷北部的草灘次級(jí)構(gòu)造凹陷區(qū)內(nèi)區(qū)，緊鄰渭河深大斷裂（延伸約330km），莫霍面深度33km，較盆地南北兩側(cè)隆起12~14km。相對(duì)高地幔熱流的熱傳導(dǎo)和深大斷裂溝通的水體熱對(duì)流在區(qū)內(nèi)相互疊加（圖7），造成區(qū)內(nèi)地溫梯度高于3.45°C/hm,高于區(qū)域地?zé)崽荻龋?.0°C/hm）,形成了地?zé)岣弋惓^(qū)并呈明顯帶狀分布。圖6地?zé)峋販靥荻扔?jì)算Figure6Geothermalwellgeothermalgradientcomputation圖7關(guān)中盆地地?zé)岙惓Ｐ纬蓹C(jī)理示意圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［1］修改）Figure7AschematicdiagramofgeothermalanomalyformationmechanisminGuanzhongBasin（afterreference［1］,modified）對(duì)接井對(duì)接層段的建議溫度-深度變化趨勢(shì)圖（圖4）顯示，區(qū)內(nèi)1866m以深，溫度大于80C,地溫隨著深度的增加而逐漸增大，但地溫梯度的增加率相對(duì)減少，這種變化規(guī)律與區(qū)域上盆地由淺到深地溫梯度遞減的趨勢(shì)一致，并且淺部梯度愈大，遞減速度愈大，如熱2直和熱2斜地溫梯度從1700m的40C/hm迅速減少到3.2°C/hm,這種變化規(guī)律與盆地深部地殼結(jié)構(gòu)對(duì)其地溫場(chǎng)的控制作用關(guān)系密切，進(jìn)一步反應(yīng)熱源主要來自深部熱流的傳導(dǎo)傳熱，且在此深度以下區(qū)域上熱儲(chǔ)穩(wěn)定。此外，1866m以深層段為藍(lán)田-灞河組，該組在草灘次級(jí)凹陷區(qū)內(nèi)廣泛分布，是區(qū)內(nèi)主要采熱儲(chǔ)層，具有富水性、滲透性較好和熱導(dǎo)率較高的特點(diǎn)。因此，充分利用1866m以深的藍(lán)田-灞河組層段，使對(duì)接井的水平段處于這一層位并完成對(duì)接，將可利用圍巖穩(wěn)定的高溫層段進(jìn)行熱交換，保證最大的熱源和交換過程中熱源的持續(xù)穩(wěn)定。結(jié)合鉆井經(jīng)濟(jì)效益等因素，建議將區(qū)內(nèi)對(duì)接井對(duì)接層段放在1866m以深的藍(lán)田-灞河組。含水層對(duì)地溫梯度的影響為了進(jìn)一步探究造成張家坡組尤其是1500-1600m深度段地溫梯度高的影響因素，查看了鉆孔相關(guān)層段的編錄資料和測(cè)井資料（表4和圖8），該段巖性以砂巖為主，測(cè)井響應(yīng)特征為：自然伽馬值100API左右，電阻率1.79~2.67Qm,聲波時(shí)差332.02~381.73ps/m,計(jì)算儲(chǔ)層孔隙度29.53%~38.98%;滲透率214.53x10-3~787.40x10-3pm;儲(chǔ)層物性相對(duì)較好，雙側(cè)向深、淺側(cè)向電阻率差異明顯，測(cè)井資料綜合解釋為含水層。表4熱1直井層段測(cè)井解釋成果表Table4WellT1Vstraightsectorwelllogginginterpretedresults序號(hào)深度范圍/m厚度/m自然伽馬/API電阻率/Qm-1聲波時(shí)差/ps?m-1孔隙度/%滲透率/ps?m-1321524.7~1530.45.7109.732.67359.7735.22444.13331544.7-1561.216.5113.181.79381.7338.98787.4341607.3-1614.87.5108.671.99332.0229.53214.53圖8熱1直測(cè)井解釋成果與地溫Figure8WellT1Vwelllogginginterpretedresultsandgeotemperature通過測(cè)井資料驗(yàn)證，在1400-1800m（張家坡組下段）存在較大的異常，特別是在1500-1600m存在最高的地溫異常，該段地溫梯度最大異常層段與該層段地下水活動(dòng)和地層含砂量高有關(guān)。結(jié)論西安凹陷中施工的兩對(duì)2000m以深地?zé)酻型對(duì)接井，形成了閉式地埋管換熱器，且靜井時(shí)間超過2年，首次對(duì)2組U型對(duì)接井初始地溫進(jìn)行了高精度的測(cè)量，最高溫度達(dá)96.20工。4口地?zé)峋畣尉販靥荻茸兓癁?.45~3.47工巾口，平均3.46±0.0rC/hm,地溫梯度異常是由于關(guān)中盆地地殼厚度變薄導(dǎo)致軟流圈上涌，相對(duì)高地幔熱流的熱傳導(dǎo)和深大斷裂溝通的水體熱對(duì)流相互疊加造成。埋深1866.00~2406.48m的藍(lán)田-灞河組層段，對(duì)應(yīng)地溫81.74-96.2C,為區(qū)域穩(wěn)定熱儲(chǔ)層，具