咸陽城區(qū)熱儲流體混合作用研究及模擬計算

周 鑫 ，馬致遠，席臨平，豆惠萍

(長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安710054)

咸陽城區(qū)熱儲流體混合作用研究及模擬計算

周 鑫 ，馬致遠，席臨平，豆惠萍

(長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安710054)

應用水文地球化學模擬方法對咸陽城區(qū)熱儲流體混合作用分析和混合比例的計算.結(jié)合研究區(qū)的地熱地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，進行地下熱水混合作用和混合程度的研究.結(jié)果表明，咸陽城區(qū)地下熱水在不同程度上都存在與較低溫度地下熱水的混合作用。應用PHREEQC模擬軟件、穩(wěn)定同位素D和溫度計算熱水與冷水的混合比例，估算在平衡條件下咸陽城區(qū)地下熱水與冷水的混合比例在0.09～0.63之間。

地熱流體;混合作用;模擬計算;PHREEQC

混合作用是指兩種以上不同化學成分、不同礦化度的地下水混合后，形成一種與原來兩者都不相同的地下水［1］。就地下水而言，其產(chǎn)生主要有三種條件:(1)當存在溝通不同含水層或地表水體與含水層水力聯(lián)系的地質(zhì)構(gòu)造時;(2)當發(fā)生區(qū)域性或局部越流時;(3)混合開采或成井工藝不佳，導致來自不同含水層水在井管中混合時［2］?；旌献饔玫难芯浚瑢φJ識地熱水的形成條件極其化學成分的演化規(guī)律、對評價地熱田的開發(fā)潛力等方面都具有非常重要的意義。長期以來，諸多學者對混合水的水文地球化學作用展開了深入地研究，包括海水入侵與淡水發(fā)生混合作用的時的水化學特征、水文地球化學作用［3］;地熱水與地下水混合的水化學特征［4］;地下水在流動過程中發(fā)生的混合作用［5］等。

本文以咸陽地熱田為研究區(qū)，以地下熱水為研究對象，以水化學和PHREEQC軟件為主要研究手段，并結(jié)合混合比例計算方法［6］，研究咸陽地區(qū)地下熱水混合作用及估算混合比例，為咸陽地區(qū)地下熱水的合理開發(fā)與利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

咸陽地熱田是關(guān)中斷陷盆地地熱田的一部分，東起涇河與渭河的交匯處，西至武功與扶風交界，南臨渭河，北接寶雞峽引渭工程北干渠。熱田內(nèi)已成功開鑿探采結(jié)合井31眼，井深1 600～4 100 m，井口溫度60℃ ～120℃，井口壓力0.141 ～ 4 Mpa，單井涌水量 55 ～306 m3/h［7］。

咸陽地區(qū)主要構(gòu)造形跡是渭河北岸斷裂。此斷裂西起寶雞，經(jīng)武功、咸陽、渭南向東延入豫西，在省內(nèi)延長320 km，切割深度達20 km以上為一多期隱伏性深大斷裂，其北為咸禮凸起，南為西安凹陷［8］。咸陽地熱田目前已勘察和開采的有5個熱儲層位，即第四系三門組熱儲層，上第三系張家坡組熱儲層，上第三系藍田—灞河組熱儲層，上第三系高嶺群熱儲層，奧陶系巖溶熱水層。研究區(qū)大部分井為藍田—灞河組熱儲層熱水，該儲層巖性上部為淺棕色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾灰白色細砂巖;下部為棕褐色泥巖與灰白色、灰黃色細砂巖、粗砂巖、含礫中砂巖呈不等厚互層［9］。

圖1 咸陽地熱田交通位置及井位分布圖

2 水化學特征及混合作用分析

2.1 散點圖法

為了揭示咸陽地區(qū)地下水離子的分布特征，現(xiàn)把水樣投在三線圖上進行分析。從圖2中可以看出，斷裂北部的熱水全部是Cl－Na型水，而斷裂南部的熱水比較復雜，主要有HCO3SO4– Na、HCO3－ Na、Cl HCO3SO4－ Na、Cl HCO3－ Na這幾種水的類型，冷水得主要成分是HCO3、SO4、Na離子為主，礦化度都很低。而斷裂南邊的一些點與冷水點非常接近，說明在不同程度上斷裂南邊的水有一定的冷水混入，而斷裂北邊的點在piper圖中無法顯示有冷水的混入，同時也說明用piper圖來分析混合作用有一定的局限性。

我們從piper圖中可以看出，咸陽地區(qū)的熱水溫度各不相同，同時Cl離子的含量有明顯的變化，因此用Cl離子分別和其他惰性離子還有TDS進行分析。在圖3中可以發(fā)現(xiàn)，冷水點都位于坐標原點附近，而高溫熱水所在地點遠遠偏離坐標原點，而中低溫的水點位于二者之間，由此可以分析出咸陽地區(qū)的熱水有混合作用的生［10］。

圖2 咸陽城區(qū)piper三線圖

圖3 咸陽城區(qū)水化學散點圖

2.2 Na－K－Mg三角圖

Na－K－Mg三角圖用以反映水化學平衡狀況及平衡溫度，水樣點位于完全平衡曲線上則說明地熱水達到或近于平衡狀態(tài)。除此之外，Na－K－Mg三角圖也可用于識別地下熱水的混合作用［11］。冷水的礦化度相對于熱水的低，且水樣點一般落在靠近Mg離子的部分，而熱水點礦化度高，一般遠離Mg離子的部分。

圖4可以看出咸陽斷裂南部、斷裂北部冷水點都是靠近了Mg離子，咸陽南部的熱水點中，有個別的壓在平衡曲線上，大部分點靠近平衡曲線，而咸陽北部的熱水點全部位于半飽和區(qū)域，并且在咸陽斷裂南部熱水點與咸陽斷裂北部冷水點之間，說明北部的熱水有冷水的混入，而南部的熱水有少量的冷水混入，沒有北部的熱水混入量大。

圖4 咸陽城區(qū)Na－K－Mg三角圖

2.3 Na－K－Ca地熱溫標法

Na－K－Ca地熱溫標對識別地下熱水與冷水的混合作用有良好的效果。Fournier和 Tusedell A.H.在1973年研究結(jié)果表明了，當Na－K－Ca地熱溫標的計算溫度較大程度的高于溫泉的出口溫度時，熱水與冷水就可能發(fā)生了混合作用［12］。現(xiàn)將所選的井利用Na－K－Ca地熱溫標進行計算，計算結(jié)果見下表1。

從Na－K－Ca地熱溫標遠大于井口溫度的程度來看，咸陽地區(qū)無論是斷裂以南還是斷裂以北都有不同程度的混合作用。

2.4 水—巖平衡法

一般情況下，地下熱水長期埋藏在地下，與圍巖中的礦物達到了平衡的狀態(tài)，當有冷水的混入時，混合水與圍巖礦物沒有達到新的平衡的情況下，混合作用對水—巖平衡關(guān)系的影響集中地表現(xiàn)為礦物 T—SI關(guān)系曲線的向下平移［12］。因此運用PHREEQC軟件對每一口進行飽和指數(shù)計算，并且對每一口井，在不同溫度下不同礦物的飽和指數(shù)進行計算。通過計算結(jié)果繪制溫度與礦物的折線圖。

圖5 咸陽斷裂北岸SP1號井SI－T對比圖

表1 咸陽城區(qū)地熱井溫度計算結(jié)果表

筆者在斷裂以南和斷裂以北各取一口井進行說明，圖5、6 a中是在不考慮有冷水混入的情況下繪制的溫度與各礦物的飽和指數(shù)折線圖，從中可以發(fā)現(xiàn)，各個礦物曲線交匯的不好，主要是由于水—巖反應沒有達到平衡所造成，而b中的圖是取掉一部分的冷水后，所繪制出的溫度與各礦物的飽和指數(shù)折線圖，當去掉一部分的冷水以后，各個礦物的曲線在溫度大于100℃處交匯，說明在熱儲層，溫度在100℃以上時達到水—巖平衡。因此，從圖5、6中可以得出，當去掉一部分冷水時，各礦物達到平衡狀態(tài)，說明有冷水的混入。

圖6 咸陽斷裂南岸帝都花園井SI－T對比圖

3 混合比例計算

地下水的混合作用可以用18O或2H關(guān)系來分析和定量表達［13］。且其結(jié)果較大多數(shù)的化學溶液具有穩(wěn)定，準確等特點。由于咸陽地區(qū)18O的漂移作用，研究中用D來計算混合比例?；旌媳壤挠嬎阍砣缦率剿?。

其中δ熱取帝都花園的 δ18D最小值為參考點，δ熱=－73.487，δ冷根據(jù)經(jīng)驗計算，δ= －53.2，計算結(jié)果如表1。

由于研究區(qū)同位素數(shù)據(jù)不足，因此再選取兩種計算混合比例的方法:用溫度計算和PHREEQC軟件模擬。

用溫度來計算混合比例是另外一種行之有效的計算方法，也能一定程度反應冷熱水的混合情況［4］。計算原理和同位素方法相同。本研究區(qū)的冷水溫度取平均值，T冷=20℃.T熱的取值，根據(jù)前面章節(jié)對熱儲溫度的估算，我們以水巖反應最好的步長集團的溫度作為參考點，即T熱=130℃，計算結(jié)果如表1。

利用PHREEQC軟件在多礦物平衡模擬時，在有冷水混入的情況下，各種礦物無法達到平衡，因此認為的去除一部分冷水后再進行軟件模擬，直至各礦物達到平衡，記下去除水分的量，結(jié)果見表2。

通過三種計算混合比例的方法得到，運用溫度計算混合比例方法得到的結(jié)果與利用同位素D和軟件模擬得到的結(jié)果相差很大，而用同位素D計算混合比例和軟件模擬得到的結(jié)果十分接近。由此可見，利用溫度計算混合比例得到的結(jié)果有很大的誤差，原因可能是數(shù)據(jù)中的溫度反映的是井口溫度，而不是熱儲層的溫度，在計算混合比例時出現(xiàn)了誤差;另一方面，在熱儲層中，可能還有其他的熱水混入。

表2 混合比例計算結(jié)果對比表

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)斷裂以南和斷裂以北封閉條件都很良好，但通過對水化學組分分析、利用Na－K－Mg三角圖法、Na－K－Ca地熱溫標法及水—巖平衡法分析得出，咸陽地熱田熱水有明顯的混合作用。造成混合作用的原因一方面可能是在地下熱水開采過程中，止水不足，有冷水的混入;還有另一方面可能由于斷裂的導通，導致其他層的低溫水混入造成混合作用。

(2)利用同位素D值和PHREEQC軟件模擬計算混合比例可以得到，研究區(qū)混合比例的范圍在0.09～0.63之間。地下熱水中Cl離子含量的變化規(guī)律指示了其對應的開采強度下混合比例的變化規(guī)律，為合理開發(fā)利用地下熱水提供了依據(jù)。咸陽斷裂南岸的混合作用較斷裂北岸強烈，主要原因是斷裂北岸的井都打在斷裂帶附近，斷裂北岸的導水性較南岸好。

［1］朱學愚，錢孝星.地下水水文學［M］.北京:中國環(huán)境科學出版社.2005.

［2］張曉倫，梁杏，孫敬.奇村地熱田水化學特征及其混合作用模擬［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2007(6).

［3］鄒勝章，朱遠峰，陳鴻漢.大連大魏家濱海巖溶區(qū)海水入侵化學過程［J］.海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì).2004:2月第24卷(1).

［4］鄭西來，郭建青.地熱系統(tǒng)中的混合作用及其應用研究［J］.西安地質(zhì)學院學報.1996:12月第18卷(4).

［5］馬致遠，錢會，黃建勛.關(guān)中盆地南部含水層間相互關(guān)系的環(huán)境同位素水文地球化學證據(jù)［J］.地球科學與環(huán)境學報.2006:第26卷(2).

［6］馬致遠，錢會.水文地球化學［M］.北京:地質(zhì)出版社.2005.

［7］陳健.咸陽地熱田地質(zhì)構(gòu)造特征與形成機制研究.陜西煤炭［J］.2009:(2).

［8］劉文輝，胡雪生，邢憲生.咸陽市區(qū)地下熱水化學特征［J］.陜西地質(zhì).第17卷(2).

［9］李曉華，南小康，蘇英.渭河北岸斷裂對咸陽地熱田的影響［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學第37卷(32).

［10］Arnorsson，S，1985，The use of mixing model and chemical geothermometers for estimating underground temperature in geothermal system［J］.Volc，Geotherm.Res.，23，299－335.

［11］杜少平.利用混合模型評價西藏羊易地熱田熱儲熱流體溫度［J］.1994 － 2011.

［12］錢會.水溶組分平衡分布計算及其水文地質(zhì)應用［M］.西安地圖出版社.2002.9.

［13］馬致遠，錢會.環(huán)境同位素地下水文學［M］.陜西科學技術(shù)出版社.2004.7.

Studies of Mixing and Model Calculation of the Geothermal Systems in Xianyang

ZHOU Xin，MA Zhi－ yuan，XI Lin － ping，DOU Hui－ ping，HOU Chen，YAN Hua，LITing，HU Wei－ wei
(School of Environmental Sci.and Eng.，Chang an University，Xi’an 710054，Shaanxi)

Application of hydro－geochemical simulation method for geothermal fluid mixing analysis and calculation of the mixture ratio in Xian Yang.Combined with the geothermal geology and hydrogeology conditions，the geothermal water mixing and mixed degree for research.The research shows the geothermal water and the colder water existed different degree the mixing action in Xian Yang city.Application of PHREEQC software simulation，stable isotopes D and temperature calculation with the colder water mixture ratio of geothermal water，under the balance conditions，the geothermal water and the colder water of mixture ratio was between 0.09 and 0.63 proportions in Xian Yang city.

Geothermal water;mixture;simulation and PHREEQC

P314

A

1004－1184(2012)03－0036－04

2012－02－15

周鑫(1986－)，男，陜西咸陽人，在讀碩士研究生，主攻方向:環(huán)境同位素地下水文學。