西安國際港務(wù)區(qū)地熱水資源開發(fā)利用淺析

吳繼強，張紀哲，張 萍

（陜西省西安市水資源利用技術(shù)服務(wù)中心,陜西 西安 710054）

西安國際港務(wù)區(qū)是陜西、西安建設(shè)絲綢之路經(jīng)濟帶新起點的重要抓手，是聯(lián)接“一帶一路”戰(zhàn)略的重要平臺，是內(nèi)陸地區(qū)開發(fā)開放的新引擎。在“十三五”期間，西安國際港務(wù)區(qū)將加快“產(chǎn)城融合”，將于2021年舉辦全國第十四屆全運會。為提升區(qū)域服務(wù)水平，助力區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，特別是為2021年舉辦的全運會提供高質(zhì)量、有特色的旅游服務(wù)，科學、合理、有序的開發(fā)利用區(qū)域地熱水資源具有十分重要的現(xiàn)實意義。因此，本文從區(qū)域地熱地質(zhì)及熱儲特征分析入手，對該區(qū)域地熱水資源的開發(fā)利用現(xiàn)狀及對策進行分析。

1 區(qū)域地熱資源概況

西安國際港務(wù)區(qū)位于西安市主城區(qū)東北的浐灞涇渭三角洲，西沿灞河，北至鐵路北環(huán)線，東至西韓公路，南接城市三環(huán)和西安繞城高速，是西安發(fā)展主軸上北拓、東聯(lián)的重要區(qū)域，浐河、灞河、涇河、渭河四水聚港，自然生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，轄區(qū)面積89.89 km2。

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

西安地熱田位于渭河盆地中南部，渭河盆地自西南向東北由西安凹陷、固市凹陷和運城凹陷等三個較大規(guī)模的次級凹陷組成[1]，西安國際港務(wù)區(qū)區(qū)塊位于西安凹陷的東北部，與咸禮凸起和驪山凸起相鄰，詳見圖1。

圖1 渭河盆地構(gòu)造分區(qū)圖及國際港務(wù)區(qū)區(qū)位示意圖

國際港務(wù)區(qū)內(nèi)地表為新生界覆蓋，斷裂構(gòu)造均為隱伏狀態(tài)，依據(jù)重力、地震、電磁測深及少量鉆探等物探資料推斷，主要有渭河斷裂和浐河斷裂。其中渭河斷裂屬于寶雞～咸陽～渭南～華陰～潼關(guān)斷裂之中段，位于港務(wù)區(qū)北部，在西安市區(qū)沿渭河南岸展布，走向近東西，傾向南，呈隱伏狀態(tài)，是渭河盆地北緣基底巖相分界線；浐河斷裂南段起于藍田十回廠，過焦岱向北西，在長安酒鋪鄉(xiāng)沿浐河向北北西、經(jīng)神鹿坊、長樂坡，穿過港務(wù)區(qū)轄區(qū)西部，沿灞河南北逕流段延伸。

渭河斷裂和浐河斷裂均為張性斷裂，其通常為熱儲與導熱斷裂的溝通帶和通道，國際港務(wù)區(qū)轄區(qū)內(nèi)有渭河斷裂和浐河斷裂兩條隱伏張性斷裂，表明該區(qū)域熱儲發(fā)育地質(zhì)條件良好。

1.2 區(qū)域熱儲層概況

區(qū)域內(nèi)已鑿井（孔）及物探資料表明（詳見表1），該區(qū)域地表以下3000m以淺依次沉積了新近系中新統(tǒng)高陵群（N1gl）、上新統(tǒng)藍田灞河組（N2l+b）、張家坡組（N2z）及第四系下更新統(tǒng)三門組（Q1s）和全新統(tǒng)-中更新統(tǒng)秦川群（Q2-4qc）。

根據(jù)區(qū)域已成地熱井資料和已有物探解釋成果推測區(qū)域從上到下各熱儲層的埋深及厚度分別為:第四系全新統(tǒng)-中更新統(tǒng)秦川群(Q2-4qc)—厚度在482～564 m之間，地表為黃土狀粉土，厚度小于15 m；第四系下更新統(tǒng)三門組(Q1s)—厚度在398～422 m之間，埋深介于500～900 m之間；新近系上新統(tǒng)張家坡組 (N2z)—厚度約1000.0 m左右，埋深介于800.0～1800.0 m之間；新近系上新統(tǒng)藍田灞河組(N2l+b)—厚度在1000~1200 m之間，埋深介于1500～2600 m之間；新近系中新統(tǒng)高陵群（N1gl）—熱儲層厚度一般在750 m左右，底板埋深在3400m左右。

1.3 區(qū)域熱儲特征

表1 國際港務(wù)轄區(qū)及附近區(qū)域地熱井鉆遇地層對比表

1.3.1 地溫場特征

（1）區(qū)域平均地溫梯度分布特征。根據(jù)區(qū)域已成地熱水井及相鄰區(qū)域已成地熱水井的水溫資料，推算出該區(qū)域張家坡組熱儲的地溫梯度為3.43℃/100 m；藍田灞河組地溫梯度為3.50℃/100 m；高陵群地溫梯度為 3.06℃/100 m。根據(jù)熱儲層的地溫梯度，推算出區(qū)域不同熱儲層開發(fā)利用后的井口水溫：張家坡組55～65℃；藍田灞河組65～85℃；高陵群 85～95℃。

（2）區(qū)域地溫垂向變化特征。受大地熱傳導的影響，區(qū)域內(nèi)常溫帶以下，地溫隨深度增加而均勻升高。據(jù)西部漁港、大學城和未央湖地層測溫資料，表明該地區(qū)地溫隨深度的變化大體呈斜直線變化趨勢，詳見圖2。

1.3.2 水化學特征

區(qū)域開采張家坡組熱儲水化學類型為SO4-Na型水，礦化度在4~8g/L之間，氟、硅、碘等均能達到醫(yī)療熱礦水命名濃度，可命名為氟水、硅水、碘水；開采藍田灞河組熱儲水化學類型以Cl·SO4-Na型水為主，礦化度在10g/L左右，碘、硼、氟、硅、砷含量較高，能達到醫(yī)療熱礦水的命名濃度，可命名為碘水、硼水、氟水、硅水、砷水。

圖2 電測地層溫度與井深關(guān)系曲線

表2 區(qū)域內(nèi)及臨近區(qū)域部分已成地熱井水質(zhì)統(tǒng)計表

2 區(qū)域地熱水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

2.1 區(qū)域地熱水井的分布現(xiàn)狀

西安國際港務(wù)區(qū)轄區(qū)內(nèi)，目前已成井僅2眼、地質(zhì)勘探孔1眼，分別為西部漁港地熱水井和渭參7（WC7），2眼地熱水井相距4650m。區(qū)域內(nèi)已成井及鉆孔主要參數(shù)詳見表3。

表3 區(qū)域已成地熱水井及鉆孔主要參數(shù)統(tǒng)計一覽表

2.2 區(qū)域已成井的使用情況

根據(jù)調(diào)查，區(qū)域內(nèi)目前正常使用的熱水井僅1眼，即西部漁港熱水井，主要用于洗浴。成井時靜水位埋深為2.1m，年開采量約4.0萬m3。

對西部漁港地熱水井水位埋深動態(tài)資料（2005~2016年）進行分析，表明該井從2005年11月成井后，在使用過程中水位埋深呈下降趨勢（詳見圖3），截止2016年底水位埋深從2.1 m下降至43.2m，共下降41.1m，下降速率為3.7m/a,低于全市地熱水井水位埋深下降速率（>10 m/a）；年內(nèi)該井水位埋深呈波動下降趨勢，總體較為穩(wěn)定。

西部漁港地熱水井水位埋深的動態(tài)變化趨勢表明，該區(qū)域開采藍田灞河組熱儲較為理想，水位下降速率較為樂觀，主要源于兩點：一是該區(qū)域地熱水井布井較少，區(qū)域熱儲資源未大規(guī)模開發(fā)利用；二是該井主要用于洗浴，年開采量較為合理，地熱水資源有補充的時間，延緩了水位埋深下降的趨勢。

圖3 西部漁港熱水井水位埋深動態(tài)趨勢圖

3 區(qū)域熱儲資源量估算

根據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）、《地熱資源評價方法》（DZ 40-85），結(jié)合區(qū)域地熱水資源的開發(fā)利用現(xiàn)狀，采用熱儲法對區(qū)域內(nèi)3000m以淺之地熱賦存和熱量進行估算。

熱儲法計算公式：

式中：Qr為地熱資源量（kJ）；θr為熱儲溫度（℃）；θo為基準溫度（℃），取 23.4℃；A 為熱儲面積（m2）；h為熱儲層厚度（m）；C 為熱儲層巖石和水的熱容量（kJ·m2·℃-1）.

其中熱容量公式：

式中：ρcρω為分別為巖石和水的密度（kg·m-3）；CrCω為分別為巖石和水的比熱（kJ·kg-1·℃-1）

代入（1）式，得：

可開采量采用資源回收率進行折算。即：

式中：Re為資源回收率；Qωh為開采資源量。

根據(jù)規(guī)定，對于大型沉積盆地的新生代砂巖，當孔隙度>20%時，熱儲回收率定位0.25，碳酸鹽巖裂隙型熱儲定位0.15，花崗巖等定位0.05～0.10。

熱儲巖石的密度采用砂巖在孔隙度（Φ）為20%，試驗溫度（θ）為 50℃時的平均密度（ργ）為 2650 kg·m-3，Cγ=0.825 KJ·kg-1·℃-1。

根據(jù)港務(wù)區(qū)區(qū)域面積及地熱開發(fā)利用現(xiàn)狀，參考西安地熱田熱儲開發(fā)利用情況，對區(qū)域內(nèi)具有利用潛力的熱儲資源量進行估算，其中相關(guān)參數(shù)主要參考區(qū)域內(nèi)已成鉆孔及西安地熱田已成地熱水井的取得的數(shù)據(jù)。

根據(jù)估算，區(qū)內(nèi)不同熱儲層地熱資源量及可采資源量具體如下：

（1）張家坡組。區(qū)域內(nèi)地熱資源量為8395×1015J，可采地熱資源量為 2099×1015J；

（2）藍田灞河組。區(qū)域內(nèi)地熱資源量為13576×1015J，可采地熱資源量為3394×1015J；

（3）高陵群。區(qū)域內(nèi)地熱資源量為12808×1015J，可采地熱資源量為 3202×1015J。

4 結(jié)論及建議

西安國際港務(wù)區(qū)地熱水資源賦存豐富，開發(fā)利用潛力巨大，就熱儲層賦存程度來看，藍田灞河組熱儲最豐，高陵群次之，張家坡組再次；從布井現(xiàn)狀來看，該區(qū)域僅鉆鑿了2眼地熱水井，布井空間大；從開發(fā)利用方向來看，該區(qū)域?qū)儆谛陆▍^(qū)域，具有梯級開發(fā)和科技利用地熱水資源的基礎(chǔ)。

（1）科學規(guī)劃，合理開發(fā)利用。西安國際港務(wù)區(qū)不同熱儲層的水溫、水質(zhì)、水量均不同，在開發(fā)利用前期，必須統(tǒng)籌規(guī)劃、系統(tǒng)開發(fā)，確保區(qū)域地熱水資源有序、可控、可持續(xù)開發(fā)利用。在現(xiàn)有勘探水平和鉆孔資料的基礎(chǔ)上，補充勘探工作，對區(qū)域地熱水資源進行評價，并編制區(qū)域地熱水資源開發(fā)利用規(guī)劃，確保后期地熱水資源的開發(fā)利用有據(jù)可依。

（2）梯級開發(fā)，節(jié)約地熱資源。地熱資源因其同時具備資源和能源的特點，具有一定的稀缺性，開發(fā)利用時不同熱儲層的水溫、水質(zhì)差異較大，因此需按不同用途對地熱水進行梯級開發(fā)利用，其效果比單一使用要高許多倍，梯級開發(fā)利用即符合資源循環(huán)利用的政策要求，也會減少因地熱尾水高溫、高礦排放對環(huán)境造成的污染。根據(jù)渭河盆地和西安地熱田地熱水開發(fā)利用的實踐，西安國際港務(wù)區(qū)地熱水的水溫將達到55~85℃，具體根據(jù)開采井的深度而定，為了充分利用地熱能，節(jié)約地熱資源，必須開展梯級利用，如溫度大于60℃時，在滿足回灌要求下，可采用間接供熱的方式進行供暖；洗浴與療養(yǎng)所需地熱水溫度一般在38~45℃之間；蔬菜溫室種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)所需溫度一般在20~40℃之間，因此同一口地熱水井，可根據(jù)溫度及服務(wù)對象的不同，合理安排生產(chǎn)，以最大化的提高效益、降低成本、減少浪費。

（3）創(chuàng)新模式，探索利用新技術(shù)。地熱水資源作為一種稀缺礦產(chǎn)資源，在開發(fā)利用過程中必須不斷創(chuàng)新利用模式，探索利用新技術(shù)以延長地熱水井的使用壽命和提高地熱水資源的利用效率，包括采用對井回灌、深層對接井等技術(shù)。

[1]卞惠瑛，王雙明，楊澤元，呂新，宮振奇.固市凹陷地下熱水水動力條件分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2014,42（3）：50-54.