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扶风地区地热储层特征分析
发布时间：2019-05-18 来源：未知 点击次数： 打印 作者：admin
扶风地区地热储层特征分析
王 伟
（陕西煤田地质勘查研究院有限公司，西安710021）
关键词：地热井；热储层；地热地质；涌水量；抽水试验；赋存特征
Analysis of geothermal reservoir stratum characteristics in Fufeng region
WANG Wei
（Shannxi Provincial Coalfiled Geology Exploration Co.,Ltd.,Xi’an710021 China）
Abstract: Starting from the geological background, this paper analyzes and summarizes the stratigraphic and geological structural characteristics of geothermal Wells in fufeng region of shaanxi province. Based on the geological and geothermal data obtained from geothermal Wells, the characteristics of geothermal occurrence are analyzed. The chemical characteristics of geothermal water were analyzed and the water quality was evaluated. The results of pumping test are analyzed and the average depth reduction, unit inflow and outlet temperature are obtained. Hydrogeological parameters of thermal reservoir are analyzed and water conductivity coefficient and elastic water release coefficient are calculated. The maximum water inflow of the geothermal well is analyzed and calculated.
Key words: Geothermal well; Thermal reservoir; Geothermal geology; Water inflow; Pumping test; The occurrence characteristics
1.引言
地热能作为可再生的清洁能源近年来在陕西省扶风地区得到了广泛的开发利用。目前该地区已成功开发了多口中深层水热型地热井，采用“一采一灌及一采多灌”模式进行开发利用，其井深一般在2000m左右，出水温度约65℃，主要用于冬季采暖、洗浴、旅游及日常热水供应等，产生了良好的社会效益、经济效益和环境效益。本文从地质背景着手通过分析该地区热水井的地质及地热资料，进行地热储层特征分析和研究，对指导该区水热型地热资源合理开发利用具有十分重要的现实意义。
2.区域地质特征
2.1地层
根据该地区地热井的综合地质成果，其钻探施工钻遇地层特征如下：
第四系秦川群（Q2-4qc）
埋藏深度0～340.0m，岩性特征上部为黄土层，含钙质结核；下部为灰～黄色粗砂、含砾粗砂及砾石层与黄色粘土互层。
第四系三门组（Q1s）
埋藏深度340.0～449.2m，岩性特征为灰黄色～灰色中、粗砂层、砾石层与灰褐色黏土层不等厚互层。
上第三系张家坡组（N2z）
埋藏深度449.2～717.4m，岩性特征为灰绿色、蓝灰色、棕色泥岩与中。粗砂层、砾岩互层。
上第三系上新统蓝田-灞河组（N2l+b）
埋藏深度717.4～1318.5m，岩性特征为棕红色、灰褐色、灰绿色泥岩、砂质泥岩与棕黄色、灰白色细砂、粗砂岩及砾岩略等厚互层；砾岩磨圆度差。
上第三系中新统高陵群（N1gl）
埋藏深度1318.5～1757.4m，岩性特征为棕红色、暗紫红色泥岩与棕黄色、灰白色粉、细砂岩不等厚互层。
古生界奥陶系（O）
埋藏深度1318.5～2105.0m（未揭穿），该地区地热井施工终孔层位均止于奥陶系地层，均未揭穿。目前钻遇的岩层岩性特征为灰色至浅灰色硅质中晶白云岩与蓝灰色灰岩夹白色钙质条带及黑色绢云母，上部裂隙发育。
2.1构造
陕西省扶风县构造位置属渭河盆地西安凹陷北部缓坡中断阶带西端，地层稳定，向南缓倾斜。渭河盆地内分布大量的断裂，典型的深大断裂包括秦岭山前断裂、北山山前断裂、宝鸡—渭南铲式断裂，西部隆起以宝鸡凸起为主［1］。扶风县基本位于宝鸡凸起与活动断裂的过度地带，如下图所示。根据渭河盆地构造特征，扶风县北面、西面和南面均为大型活动断裂，是深部岩层裂隙发育的主要原因，致使深部热源能沿断裂带源源不断地上涌，在浅部遇地下水被加热，冷、热水形成对流循环，具备了热通道条件。断裂构造的规模、开启程度及现今活动性与地热异常成正相关，对地热异常具有明显的控制作用［2］。因此，活动断裂构造为本区地热富集创造了极其有利的条件。
渭河盆地构造特征图［3］
3.地热赋存特征
3.1盖层和热储层
盖层是指覆盖于地热流体或高温岩体以上的不透水或弱透水的岩层，具有隔水隔热的作用；热储层是指地下地热能相对富集的地质体。随着热储层深度的增加热水温度增高，热能来源为深部，属于传导性热储。根据扶风地区地热井钻探揭露的地层岩性特征与综合测井资料综合分析并结合区域地质及地热资料，对盖层和热储层进行了划分，其特征分述如下：
第四系保温盖层：地层厚度约450.0m。巨厚的第四系沉积为地热资源起到隔热保温作用，同时细粒相粘土层储热条件相对较差热传导较慢，是良好的隔热保温层。
上第三系上新统张家坡组（N2z）热储层段：地层厚度约268.0m。根据测井资料反映，该热储层有13～16层砂岩，厚度约80.0m，砂厚比约31%，单层砂岩厚度最大16.5m，最薄为1.3m,砂岩孔隙度28%～35%，渗透率112～422豪达西，实测顶底板平均温度约57℃。
上第三系蓝田—灞河组（N21+b）热储层段：地层厚度约610.0m。根据测井资料反映，该热储层有26～29层砂岩，厚度约123.0m，砂厚比约22%，单层砂岩厚度最大10.5m，最薄为1.4m,砂岩孔隙度23%～36%，渗透率28～769豪达西，实测顶底板平均温度约67℃。
上第三系中新统高陵群（N1gl）热储层段：地层厚度约440.0m。根据测井资料反映，该热储层有15～18层砂岩，厚度约39.0m，砂厚比约10%，单层砂岩厚度最大5.5m，最薄为1.1m,砂岩孔隙度11%～27%，渗透率2～42豪达西，实测顶底板平均温度约81℃。
5、古生界奥陶系（O）热储层段
该区内地热井在奥陶系地层均未揭穿。根据已有资料，该热储层基岩裂隙发育，裂隙比约68%，孔隙度10%～24%，渗透率3～363豪达西，实测平均温度约90℃。
3.2地热水化学特征及评价
地热流体是指赋存于地下岩层孔隙（包括孔洞、溶隙、裂隙）中的具有地热资源开采价值的流体，关中盆地地热流体主要以地下热水的形式储存于地下空间［4］。该区地热资源开发利用主要通过采取不同热储层段的地下热水，进行直接或间接利用。扶风地区地热井取水段深度一般为920.0～1880.0m，止水位置深度分别设在0～400.0m井段、360.0～450.0m井段、880.0～890.0m井段、895.0～900.0m井段。通过该地热井水质检验和水质评价数据资料，分析总结其特征和性质，有助于其地热资源的科学、合理开发利用。
依据地下水质检验方法和水质评价标准判别，研究区地热水物理性质综合特征为：色度约25.0，浊度约1.0度，无味，无肉眼可见物，细菌总数约650CFU/ml，大肠菌群0MPN/L；地热水水化学类型为Cl-Na型水，属微咸水，微硬水，中性水，弱放射性水，其平均化学特征参数如下表所示。
扶风地区地热水平均化学特征参数统计表
| 检测项目 | 检测结果 | 结论 |
| 矿化度（mg/L） | 1448 | 微咸水 |
| PH值 | 7.7 | 中性水 |
| 总硬度（mg/L） | 160 | 微硬水 |
| 放射性氡（Bq/L） | 37 | 弱放射性水 |
3.3抽水试验特征
对热水井分别进行大、中、小三次落程抽水试验，洗井结束后测定初始静止水位深度，抽水试验结束后测定恢复水位深度。根据部分热水井抽水试验成果可得：大落程抽水试验的平均降深为41m，平均单位涌水量为0.44L/s*m，井口平均水温为66.5℃；中落程抽水试验的平均降深为30m，平均单位涌水量为0.51L/s*m，井口平均水温为66℃；小落程抽水试验的平均降深为20m，平均单位涌水量为0.64L/s*m，井口平均水温为65℃。综合大、中、小三次落程抽水试验成果，其平均降深为30.3m，平均单位涌水量为0.53L/s*m，井口平均水温为65.8℃。
3.4热储层导水系数和弹性释水系数参数特征
根据该区地热井抽水试验资料，均采用承压完整井一个观测孔抽水试验时的泰斯公式，通过配线法求出研究区地热井大落成抽水时的导水系数和弹性释水系数。泰斯公式表示如下：
s=Q/4πT*W（u）
u=Sr2/4Tt
其中：s-观测孔水位（m），T-导水系数（m2/d）,W（u）-泰斯井函数，S-弹性释水系数，Q-涌水量（m3/d），取1538 m3/d，r-观测孔到抽水孔的水平距离（m），取290.0m。
经过对W（u）～1/u标准曲线和s～t实测曲线进行配线，再将配合点读数代入泰斯公式，计算得到热水井含水层平均导水系数T=275.0 m2/d，平均弹性释水系数S=3.30*10-5。
3.4地热井最大涌水量计算
根据三次降深抽水试验资料分别计算曲线方程的适合情况拟合误差并绘制S/Q=f(Q)、lgQ=f(lgS)、Q=f(lgS)曲线：
表一 对抛物线方程的适合情况拟合误差计算表
| Q | S | S0=S/Q | △S0= | C |
| 17.807 | 40.800 | 2.291 | C=(△2S0-△1S0)/(△2S0+△1S0)/2=-0.005 | |
| 0.142 | ||||
| 15.372 | 29.900 | 1.945 | ||
| 0.141 | ||||
| 12.729 | 20.000 | 1.571 |
图1 S/Q=f(Q)拟合曲线
表二 对指数方程的适合情况拟合误差计算表
| lgS | lgQ | △lgQ | C |
| 1.611 | 1.251 | C=△2lgQ-△1lgQ/(△2lgQ+△1lgQ)/2=-0.008 | |
| 0.142 | |||
| 1.476 | 1.187 | ||
| 0.141 | |||
| 1.301 | 1.105 |
图2 lgQ=f(lgS)拟合曲线
表三 对对数方程的适合情况拟合误差计算表
| lgS | Q | △Q | C |
| 17.807 | 40.800 | C=(△2Q-△1Q)/(△2Q+△1Q)/2=-0.175 | |
| 0.142 | |||
| 15.372 | 29.900 | ||
| 0.141 | |||
| 12.729 | 20.000 |
图3 Q=f(lgS)拟合曲线
依据曲线拟合进行误差判别并判断涌水量方程类型，从上表计算结果可知拟合误差C值得计算结果为C抛C指C对，从而确定涌水量方程为抛物线方程S/Q=a+bQ，其中a、b值可通过一般方法求得：
a=-0.240，b=0.142
代入得：S/Q=-0.240+0.142*Q
按S=1.75-2Smax的原则，取S=1.75S计算即S=1.75*40.8=71.40m，代入拟合抛物线方程可得：
71.4/Q=-0.240+0.142*Q，得Q=23.28L/S=83.81m3/h，计算得最大涌水量在降深71.40m时，出水量可达83.81m3/h。
4.结论
1）该区第四系地层厚度较大导热性差,是良好的盖层，本区热储层为四个层段，分别是张家坡组（N2z）、蓝田—灞河组（N2l+b）、高陵群（N1gl）、奥陶系（O）热储层段，均含有砂岩层，砂厚比10%～31%，砂岩孔隙度10%～36%，渗透率2～769豪达西。
2）该地区地热水水化学类型为Cl-Na型水，属微咸水，微硬水，中性水，弱放射性水。根据水质检验报告数据，为氟水、温水，不适宜饮用，具有中等沉淀物的水，起泡的水和非腐蚀性的水，热水温度与硼超标，需处理后方可排入城市污水管网。
3）根据抽水试验综合结果，其平均降深为30.3m，平均单位涌水量为0.53L/s*m，井口平均水温为65.8℃。
4）根据该地热井抽水试验资料，获得该地区含水层导水系数T=275.0m2/d，弹性释水系数S=3.30*10-5。
5）根据三次降深抽水试验资料计算得本地区含水层最大涌水量在降深71.40m时，涌水量可达83.81m3/h。
参考文献
[1]邓亚仁,任战利,任文波.关中地区地热分布控制因素与地热开发前景[J].西部大开发(土地开发工程研究),2017,2(11):19-27.
[2]权新昌.渭河盆地断裂构造研究[J].中国煤田地质,2005(03):1-4+8.
[3]王雪芹.西安地区活动构造与地热异常分布关系及地热开发利用[J].陕西地质,1993(01):34-41.
[4]刘 方,金海峰,穆根胥等.陕西关中盆地地热资源调查评价报告［R］西安:陕西省地质环境监测总站,2009.
1.作者简介：王 伟（1991-），男，宁夏中卫人，2014年毕业于中国矿业大学地质工程专业，助理工程师，现从事煤田地质勘查及地热资源勘查与开发工作。
2.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，西安市未央区文景路26号A陕煤地质科研办公楼，邮编：710021，联系电话18700971583,983794634@qq.com。