慶陽市城區淺層地溫能賦存條件及特征

甘肅煤田地質局慶陽資源勘查院 甘肅 慶陽 745000

慶陽市位于甘肅省最東部，陜西、甘肅、寧夏三省區的交匯處，是中華民族早期農耕文明的發祥地之一，也是長慶油田的發源地。雖然近年來城市面貌有了較大變化，但由于受自然環境制約，加之地方工業薄弱，發展速度相對緩慢。城區供暖、大棚種植等仍然依靠集中供暖(燒煤鍋爐)，煤炭主要依靠陜西神木、寧夏靈武等外省運輸，工作區內對新型能源的利用還處在起步階段。

淺層地溫能廣泛存在于地下巖土體和地下水中，是一種特殊的礦產資源，其能量主要來源于太陽輻射與地球梯度增溫。可廣泛應用于供暖(較常規供暖技術節能50%到60%，運行費用降低約30%到40%。)、溫室加熱、水產養殖、農業干燥、洗浴、制冷等。據推測，我國每年可以采集的低溫能量是當前發電裝機容量的4億KW的3750倍。淺層地溫能的開發與利用，對資源節約型與環境友好型社會的構建非常有利，可以有效保證國家的能源安全，對于現有能源結構的改善非常重要，此外對實現節能減排戰略也具有非常現實的意義。因此，對慶陽市城區淺層地溫能賦存條件及特征進行分析研究是十分有必要的。

1 研究區概況

1.1 地質概況 研究區所處大地構造位置屬天環向斜東翼的一部分。中生代以后，燕山運動致使區域大面積穩定上升，近乎水平的下白堊系地層遭受強烈剝蝕而準平原化，隨后本區又復下沉，于下白堊系地層的大夷平面上，沉積了一套上新統和更新統地層。區內大部分地區為第四系覆蓋，僅在溝谷中出露下白堊統志丹群，但出露面積頗小。區內所見地層主要為白堊系和第四系。

1.2 水文地質條件 研究區位于黃土塬—董志塬腹地，區內地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙裂隙潛水和下白堊統碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。

1.第四系松散巖類孔隙裂隙潛水。分布于黃土塬區，含水層位多處于中更新統離石黃土上層的下部，厚度變化較大，黃土潛水接受大氣降水的入滲補給，潛水由水頭較高的塬心向水頭較低的塬邊逕流，由于黃土顆粒較細，地層滲透系數介于0.4～0.8m/d之間，徑流相對緩慢，塬中心水位埋藏較淺約30m，至塬邊水位埋藏逐漸變深大于70m。塬區黃土潛水的排泄，除人為開采外，多以泉的形式溢出排泄，單泉流量一般小于0.1L/S。潛水水化學類型為HCO3—Ca—Mg型和HCO3—Mg—Ca型水，礦化度0.39～0.41克/升，屬淡質潛水類型，適合于工農業和生活用水。在慶陽市城區及其鄰近地區，潛水礦化度略高于外圍，一般為0.43克/升，個別達到0.49克/升，這與城區的輕度污染有關。

2.下白堊統碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。主要賦存于泥質砂巖、砂巖中，含水層分布廣、厚度大、水量較豐富。承壓水動態在天然狀態下變化不大，呈現基本穩定的動態類型，承壓水位動態變化有季節性，一般高水位出現在4、5、6月份，低水位出現在11、12月及翌年1、2月份，其它為平水期，總年變幅為2.5m。其主要補給源來自上游承壓水的側向補給或潛水的越流補給，在本區西部接受來自六盤山區地下徑流的側向補給。

2 淺層地溫能賦存特征

2.1 熱儲類型 慶陽市城區地熱田屬低溫地熱資源，所揭露地層均為新生代第四系黃土和中生代碎屑巖。熱儲按空隙類型可分為孔隙型熱儲和孔隙裂隙型熱儲兩種類型。

孔隙性熱儲層為第四系中更新統離石組(Q2l)和下更新統三門組(Q1s)中，埋深約82～170m。上部蓋層為馬蘭組(Q3m)和離石組(Q2l)上部粉土地層，熱源主要為地球內部地熱能和地表太陽輻射。根據對周邊水文井測溫資料分析，第四系水井水溫在9℃-16.2℃之間，絕大多數水井水溫在11℃左右，深度約30m。

孔隙裂隙型熱儲層主要為白堊系環河華池組(k1h)和洛河組(k1l)碎屑巖中，埋深約540～981m。上部蓋層為第四系黃土，熱源主要為地球內部地熱能的正常地溫梯度。根據以往勘查鉆孔資料，溫度在25-40℃之間。

2.2 地溫場特征 根據地震系統在鄂爾多斯盆地西南部測定的大地熱流值，盆地內大地熱流值平均為55mW/m2，并隨基底由西向東抬升，大地熱流值逐漸升高。西南緣彭陽-平涼-華亭一帶為41-58mW/m2，平均45.95mW/m2；中南部環縣-鎮原-靈臺一帶大地熱流值相對略高為53.53-59.02mW/m2，平均54.23mW/m2；再向東在華池-慶陽-長武一帶，其值在59.2-72.2mW/m2，平均64.2mW/m2；工作區大地熱流值約59mW/m2，屬于穩定地塊地溫場特征。據工作區周邊以往石油、煤炭鉆孔測溫資料(圖1)，該區平均地溫梯度2.5℃/100m，但隨著孔深加大，地溫梯度也逐漸變大，工作區處于正常地溫場。

圖1 慶陽市城區周邊鉆孔地溫(T)與地溫梯度(dt/dm)曲線圖

2.3 巖土體熱物性特征 研究區地層巖性主要為粉土、粉質粘土、泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖等，本次在研究區實施測試孔一個，共采取10組測試樣，在環境溫度26℃，相對濕度39%RH條件下，進行導熱系數和比熱容測試，不同巖性的結構導致其熱物理性質有很大差異。導熱系數的總體變化趨勢隨巖性顆粒變粗而增加，依次增加的次序為：粉質粘土、粉土、泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖。比熱容的總體變化趨勢隨巖土體顆粒增大而減小。

表1 巖石物理力學性質統計表

3 熱物性測試統計分析

巖土熱物性參數作為一種熱物理性質，無論對其進行放熱或是取熱試驗，其數據處理過程基本相同。因此采用向巖土施加一定加熱功率的方式，來進行熱響應試驗。將巖土熱物性測試儀與用于測試的豎直地埋管換熱器(測試孔單U)組成循環水系統，設定加熱功率，對測試孔進行一定時間的連續散熱試驗，并實時監測記錄加熱功率、水流量和溫度數據，依據線熱源模型計算可得加熱功率、流量隨時間的變化關系，進出水溫度隨時間的關系，模型數據與測試數據的擬合情況，分析得到巖土熱物性參數。

圖2 進出水溫度隨時間的變化

圖3 模型和測試數據擬合

根據巖土熱響應試驗過程中連續記錄的功率、流量、進出水溫度數據，以及巖土初始平均溫度、成孔條件等相關參數值，運用規范所述模型，埋管區域的巖體初始溫度17.85℃，綜合導熱系數1.70W/(m·k)，容積比熱容2130×kJ/m3·k。從測試孔成果來看，測試孔所在地附近230m以淺地層巖石導熱性、比熱容試驗數據較佳，熱響應測試效果良好，基本適宜進行地埋管地源熱泵的開發利用。

4 結論

1.慶陽市城區熱儲層按空隙類型可分為孔隙型熱儲和孔隙裂隙型熱儲兩種類型，孔隙性熱儲層為第四系中更新統離石組(Q2l)和下更新統三門組(Q1s)，孔隙裂隙型熱儲層主要為白堊系環河華池組(k1h)和洛河組(k1l)碎屑巖。熱源主要為地表太陽輻射和地球內部地熱能。

2.研究區地層巖性主要為粉土、粉質粘土、泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖等，不同巖性的結構導致其熱物理性質有很大差異。導熱系數的總體變化趨勢隨巖性顆粒變粗而增加，比熱容的總體變化趨勢隨巖土體顆粒增大而減小。

3.根據熱物性測試統計分析結果來看，區內巖土綜合導熱系數為1.70W/(m·k)，容積比熱容2130×kJ/m3·k。測試孔所在地附近230m以淺地層巖石導熱性、比熱容試驗數據較佳，熱響應測試效果良好，基本適宜進行地埋管地源熱泵的開發利用。