（水文学及水资源专业论文）基于地层形变理论的西安地热田开发前景研究.pdf

摘要 西安地热开采已经引起热水水头连年持续下降，以目前西安市地下热水的) r 采规 模和开采速率，热储层产g i 形变的可能性是否存在? 西安地热开发是否存在其它的丌 发模式和开采途径? 通过研究国内外学者对抽水引发地层形变的基本理论和深层地下流体资源开采 引发的地层形变成果，对西安市热储层的特征，岩性、孔隙度分析后，我们知道西安 市主要热储层是由第三系的泥岩和砂岩不等厚互层构成，热储层孔隙率均大于相应岩 石的孔隙率，说明热储层成岩程度不高，目前主要开采的是埋深在1 2 0 0 2 5 0 0 米的地 热水，补给量有限，是消耗储存量开采，属于沉积盆地传导型地热田。传导型地热阳 开采，热水水头大幅度下降，破坏了地层内的原有应力状态，使地层内孔隙水压力降 低，有效应力增加，由于骨架可压缩，引发地层形变的可能性是存在的。 传导型地热田开采，对地层形变的发生存在潜在危险，开发前景不容乐观。鉴于 此，就需要我们寻找新的丌发模式和开采途径。通过对西安地区构造体系、物探资料、 热水井资料分析后知道，西安市构造体系在地热田内相互穿插、干扰，导致地质构造 出现了极为复杂的景象，这些构造及其影响带成为西安热储层的导水通道；区内高陵 群下部特别是白鹿塬组地层破碎、疏松，也为地下热水运移提供了良好条件。分析可 得出，西安是存在对流型地热阳的。沿导水断裂及其影响带带状分布的2 5 0 0 m 特别是 3 0 0 0 m 以下的地热田和断裂交汇处地热田，我们认为是对流型地热田。对西安建筑科 技大学地热井和省委家属院地热井分析，这两口井处在两条断裂的影响带上，出水量 大、有很好的补给水源，是西安对流型地热田开发的例子。 西安的地热开发应限制或控制开采传导型地热田和寻找并开发对流型地热阳。运 用综合物探方法确定基底深大断裂及其影响带、确定盖层厚度及基底岩性、论证评价 地热田地下热水的分布范围，控热构造的位置、性质，为科学合理开采地热资源提供 依据。 关键词： 地面沉降地裂缝地下热水热储层固结理论固结沉降有效应力 传导性地热田对流型地热田 a b s t r a c t g e o t h e r m a lw a t e re x p l o i t a t i o nh a sa l r e a d yc a u s e dt h eh e a dd r o pc o n t i n u o u s l yy e a r a f t e ry e a ri nx i a n ，a r et h e r ep o s s i b i l i t yo fs t r a t u md e f o r m a t i o nu n d e rc u r r e n t e x p l o i t a t i o ns c a l ea n de x p l o i t a t i o ns p e e d ? g e o t h e r m a ld e v e l o p m e n t ，i st h e r ee x p l o i tm o d e a n de x p l o i tr o u t ei nx i a n ? t h r o u g hs t u d yl a n d d e f o r m a t i o nb a s i ct h e o r i e sf r o m d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l s c h o l a ra n dt h ef r u i ta b o u td e f o r m a t i o nc a u s e db yd e e pl a y e ru n d e r g r o u n df l u i dr e s o u r c e e x p l o i t a t i o n ，a n dt h r o u g ha n a l y z ea q u i f e r s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c ，r o c ka n dh o l er a t e ，i ti s k n o w nt h a tt h e r m a lr e s e r v o i ri sm u d - r o c ka n ds a n d s t o n el a r g e l ya n dd i a g e n e s i sd e g r e ei s l o w , a n dt h ee x p l o i t a t i o na r cm a i n l yi ng r o u n do f1 2 0 0 2 5 0 0m e t e r sa tp r e s e n ti nx i a n t h i st h e r m a lr e s e r v o i rs e c t i o nb a s i c a l l y b e l o n gt od e p o s i t t h eb a s i nc o n d u c t i n gt y p e g e o t h e r m a lf i e l da n dt h er e c h a r g ea m o u n ti sl i m i t e d a n ds o m eb a s i c a l l yh a v en os u p p l y i ti sn o n r e n e w a b l er e s o u r c e si nc e r t a i nm e a n i n ga n dt h eh o tw a t e re o n s u m eb a s i c a l l yt h e s t a t i cs t o r i n ga m o u n t t h ec o n d u c t i n gt y p eg e o t h e r m a lf i e l de x p l o i t a t i o nc a u s e sh e a d r e d u c t i o n so fh o tw a t e r , w h i c hh a sd e s t r o y e dt h eo r i g i n a ls t r e s ss t a t ei nt h es t r a t u ma n d r e d u c e dt h eh o l ew a t e rp r e s s u r ei nt h es t r a t u m ，s ot h ea c t u a ls t r e s si n c r e a s e sa n dt h e p o s s i b i l i t yo f l a n dd e f o r m a t i o ne x i s t s e x p l o i t a t i o n si nc o n d u c t i n gt y p eg e o t h e r m a lp o w e rf i e l de x i s t sd a n g e ro ft h es t r a t u m d e f o r m a t i o nc a l a m i t yi nt h ef u t u r ea n dt h ee x p l o i t a t i o np r o s p e c ti sn oo p t i m i s t i nv i e wo f t h i s ，i ti sn e e d e dt ol o o kf o r t h en e wd e v e l o p m e n tm o d ea n de x p l o i t a t i o nr o u t e a f t e r a n a l y s i so ft e c t o n i cs y s t e m ，p h y s i c a lp r o s p e c t i n gm a t e r i a l sa n dw e l li nx i a na r e a ，i ti s k n o w nt h et e c t o n i cs y s t e mo fx i a ni n t e r f e r e sw i t he a c ho t h e ri ng e o t h e r m a lp o w e rf i e l d a n dl e a d st o e x t r e m e l yc o m p l i c a t e ds c e n ef o rg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，m e a n w h i l e t h e s e s t r u c t u r ei se x h a l a n tc a n a l g a ol i n gg r o u pb o t t o mi se s p e c i a l l yw h i t ed e e ry u a ng r o u p l a y e rb r e a k a g ea n dl o o s e ，m o v ef o rt h a tu n d e r g r o u n dh o tw a t e rt r a n s p o r t st oo f f e rg o o d p a s s a g e w a yt o o w ea n a l y s e ，t h er e g i o no fx i a nw h e ni sb r e a k i n ga l o n gl i n ea n di t s i n f l u e n c et a p ef o r md i s t r i b u t i o n ；t h eg e o t h e r m a lf i e l da n df r a c t u r eo f2 5 0 0 mt h a t e s p e c i a l l yf o l l o w i n g3 0 0 0 m d e l i v e rr e m i tp l a c eg e o t h e r m a lf i e l dw ec o n s i d e ra sc o n v e c t i o n t y p eg e o t h e r m a lf i e l d f o rx i a na r c h i t e c t u r et e c h n o l o g yu n i v e r s i t yg e o t h e r m a lw e l l ( s ) a n dt h eg e o t h e r m mw e l lo fp r o v i n c i a l p a r t yc o m m i t t e eo ff a m i l ym e m b e r sw e l l ( p ) a n a l y s eo n ，t h i st w ow e l l sa r ci nt h ei n f l u e n c eo ft w of r a c t u r e st ob r i n g e f f l u e n tq u a n t i t yi s b i g ，t h em a k e u pw a t e rs o u r c et h a th a sv e r yw e l l ，i st h ee x a m p l eo ft h ec o n v e c t i o nt y p e g e o t h e r m a lf i e l dd e v e l o p m e n to fx i a n t h eg e o t h e r m a le m p o l d e ro fx i a ns h o u l dr e s t r i c to rc o n t r o le x p l o i t a t i o nc o n d u c tt y p e g e o t h e r m a lf i e l da n ds e e kc o n v e c t i o nt y p eg e o t h e r m a lf i e l d c o m p r e h e n s i v em a t t e rs c o u t m e t h o dd e t e r m i n e sb a s ed e e p l yu n d e rb r e a k i n gd e f i n i t ec o v e ll a y e rt h i c k n e s sa n db a s e r o c k ，d e m o n s t r a t i o na p p r a i s e m e n tg e o t h e r m a lf i e l dt h ed i s t r i b u t i o ns c o p eo fh o tw a t e r , c o n t r o ln a t u r ea n dt h el o c a t i o no fh o ts t r u c t u r e ，o f f e rb a s i sf o re x p l o i t i n gt h eg e o t h e r m a l r e s o u r c e ss c i e n t i f i c a l l ya n dr a t i o n a l l y k e yw o r d s ： l a n ds u b s i d e n c ec r a c k si nt h ee a r t h u n d e r g r o u n dh o tw a t e r h o tr e s e r v o i rc o n s o l i d a t i o nt h e o r y c o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t a c t u a ls t r e s s c o n d u c t i o ng e o t h e r m a lf i e l d c o n v e c t i o ng e o t h e r m a lf i e l d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名铹j 易暂， 洳万年每月稿 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名礞2 易巧， 棚年印月编 导师签名： 汐舌年么月2e 日 第一章绪论 1 1 问题的提出 地面沉降是指由于地下物质的移动而导致的地面的逐渐下沉或突然沉陷。范围 由几平方公里延伸到几十平方公里甚至几百平方公里，主要表现为以向下的垂直运 动为主，同时伴随有一定的水平位移和产生局部地裂。地面沉降多发生在大河流下 游的近海冲积平原或大型盆地地区，尤其在工业发达地区，地面沉降是一种普遍存 在的现象。从文献记载来看，地而沉降的发现可追溯到1 9 2 5 年的美国德克萨斯州的 鹅河油田，由于1 9 1 7 年的地下采油，直接导致了该地区的地面沉降。据统计，目前 世界上已有5 0 多个国家和地区发生了不同程度的地面沉降，如墨西哥的墨西哥城， 美国的圣华金谷地、休斯敦，f | 本东京、大阪，泰国曼谷，意大利波河三角洲和威 尼斯等等许多国家城市。一般沉降量达数米，有些地区已经超过了1 0 米。日本全国 的沉降面积约占本国可居住面积的1 2 ，1 1 2 8 平方公里地面标高处于海平面以下。 我国上海从1 9 2 2 年起，地面便丌始下沉，天津市从1 9 5 9 年发现地面沉降以来，沉 降量不断加剧，到1 9 8 0 年进行控制治理时，市中心区最大累积沉降量大于2 5 0 米， 沉降量大于0 5 米的范围超过4 0 0 平方公里。北京、南京、无锡、宁波等城市都不 同程度的发生了地面沉降，其中西安、太原等地的地面沉降诱化了更具危害性的地 裂缝。全国地面沉降现状分布如( 图1 ) 所示： 由于浅部地下水污染、限采、可饮用水有限、开采引起地面沉降等几方面因素； 而深层地下水资源具有水质良好、不易被污染等优点；二者形成鲜明的对比，所以 许多地区将目标转移到深层地下水，并正在准备或已经开采利用了深层水。 西安市由于开采浅部地下水引发了严重的地面沉降、地裂缝等地质灾害，已经 引起了学术界和政府有关部门的高度重视，并采取了相应有效的措施，限制或有计 划的开采地下水，工农业、市政及生活用水主要以石头河水库和黑河水库的地表水 为主。但近1 0 年来对地下水资源的开发转向了1 0 0 0 米以下的深部热储层，目前年开 采量已达( 3 2 0 3 5 0 ) 1 0 4 m 3 。主要开采深度为1 2 0 0 2 5 0 0 米，目前已有热水井1 3 9 眼，每年还以5 l o 眼的速率增加着“，由于地热资源开发导致地下热水水头大幅度 下降。 就西安地下热水开采是否会产生地层形变的问题，在认识上还存在争议。吴富 春就认为，西安市开采l 千米以下的地热水引起的地面沉降量非常微小，可以不予 考虑”。但谢振乾对西安市地热资源开采对地面不会产生明显影响以及不予考虑的 观点持怀疑态度。他认为西安目前丌采地下热水观测积累的资料时间较短，不足以 说明其开采与地面沉降的关系。丌采1 千米以下的地热水若能引起地面沉降，则所 需时间肯定要比开采浅部承压水引起地面沉降所需时间更长些，因为深层地层脏缩 在地表的效应要有一个传递过程”。以目前西安市地下热水的开采规模和开采速率 是否会产生更严重的地面沉降灾害? 地下热水开采是否存在允许开采量的问题? 是 否存在其它的开采途径? 这些问题，实际上归纳为，热储层的固结特性或可形变性。 本文将通过对西安市热储层特性、储水特征、变形机理、热储层的释水特征等方面 进行深入研究，来回答这些问题。 图1全国地面沉降现状示意图( 据中国地质调查局) 1 2 地面沉降产生的原因 一般的说，地面沉降产生的原因有几种类型，戴维颠( 1 9 5 6 年) 把它们归纳为： 新构造运动引起的地面沉降、表土收缩和自然压密引起的地面沉降以及地面的动静 荷载引起的地面沉降等。 但研究已经证实，大范围的区域性地面沉降，通常是由于过量抽汲地下流体( 地 下水，油，气) 而产7 e 的。2 0 世纪5 0 年代，日本人在观测地震后地形变数据时，发 现了地面沉降和地下水开采之间的关系，为人们研究区域性地面沉降奠定了基础。 据李永善等( 1 9 9 2 ) ，西安市的地面沉降和地裂缝主要成因是过量开采浅部承f e 水引 起的。而新构造运动造成的区域沉降量，仅占总沉降量的3 左右( 据陕西省工程勘 察研究院) 。据美国地质调查局，在美国，地下水开采引发的地面沉降约r i 全部地面 沉降的8 0 以上。 开采浅部地下水引起地面沉降的研究目前已经比较清楚，人们已经采取了相应 得措旅( 限制开采浅部地下水) 使得地面沉降得到了控制，而对深部地下热水开采 可能引发的地层形变研究明显滞后。经查资料表明，1 9 7 3 - - 1 9 8 5 年间，天津市由于 大量开发第三系和第四系地下热水，引起地面沉降总量平均为4 3 m m a ，其中由于第 三系热水的开采引起的沉降量为7 8 m a 。西安目前虽然尚没有地下热水丌采引起 沉降的监测资料，但西安开采的也主要是第三系中上部( 1 0 0 0 2 5 0 0 m ) 热储5 “，热 水井水头逐年下降，势必导致有效应力增大，故可能产生沉降的问题是不容忽视的。 1 3 地面沉降的研究进展与现状 从二十世纪六、七十年代以来，美国、日本、意大利等国对此作了许多广泛和 富有成效的研究工作。联合国教科文组织( u n e s c o ) 、国际水文学会( n h s ) 等也 采取了一系列的活动。1 9 6 5 年，它们提出了包括地面沉降内容在内的国际水文十 年调查研究，1 9 7 5 年，又提出由于过量开发产生地面沉降一地下水评估和环境 效应研究专题研究。1 9 6 9 年，首届“国际地面沉降会议”在日本东京召开，标志 着地面沉降问题的研究进入了一个崭新的历史时期和国际合作阶段。随之，先后于 1 9 7 6 年1 2 月在美国加利福尼亚州的阿拉海姆市，1 9 8 4 年3 月于意大利的维尼斯城， 1 9 9 1 年在墨西哥城，召开了第二、三、四届“国际地面沉降会议”。 美国是当前对抽取地下水所引起的地面沉降和地裂缝研究水平最高的国家，这 是由于美国抽水所致的地面沉降和地裂缝，其规模在全世界来说是最大的，且致灾 程度也是最严重的。它们不仅注重地面沉降及地裂缝以及地下水的长期观测研究， 同时特别注重基础理论探。d o n a l dh e l m 于1 9 8 7 年以微分方程形式给出了用未固结的 储水层的颗粒位移速度及地下水流速表达的储水层质量守恒方程“”，从而为关于质 量守恒问题的进一步研究奠定了牢固的基础。美国科学家还注意n t 许多地裂缝首 先在深部发育然后逐渐而缓慢地向地表发展的问题。 含水层井非保持不动，整个颗粒骨架是动态的，运动着的，只是比水的运动量 小而已。但是在干早地区，两厘米的( 水平) 运动量就可以产生地裂缝5 1 。对口井 抽水可以在水平方向影响数公罩远，而在垂直方向含水层的厚度也发生了变化。地 裂缝产生的位置取决于沉积层中断层及薄弱地带的位置。 在我国，科学家们也早已注意到了这一现象。例如刘玉海、陈志新等( 1 9 9 5 ) 通 过对大同地裂缝的研究，发现绝大部分地裂缝属于深部活动断裂向地表的发展和反 映，同时伴有地下水开采带来的水平拉张应变作用因素，也就是说，地裂缝基本属 于陡倾角的活动断层的一部分，但地下水开采引起的水平拉张作用加剧了地裂缝的 活动与发展n ”。 我国对地面沉降的详细研究是继上海、天津的地面沉降研究以后开始的。8 0 年 代以来由于我国经济建设速度加快，各城市对地下水的开采利用规模迅猛加人，愈 来愈多的城市出现了地面沉降和地裂缝问题，国家及各省市开始投入力量进行观测 和成因机理研究。日前己取得了许多令人瞩日的成果。在地下水开采导致地面沉降 与地裂缝的成因研究方面居于世界领先地位，其中上海及天津在地面沉降的机理及 控制措施研究方面成果卓著。西安在地裂缝与地面沉降的关系研究方面居领先地位。 在抽水导致地面沉降和地裂缝的机理研究方面， 目前较普遍采用t e r z a g h i 的有 效应力原理来解释。通过室内实验论证了抽水压缩和加载压缩的区别，认为两者的 固结微分方程相同，叠加原理适用。天津在研究中引入结合水动力学中起始水力坡 度的概念，并试图划分出枯性土的越流补给量及砂层的弹性释水量，并提出掠夺性 开采量的概念。上海深入研究了粘性土前期固结压力与粘性土压缩的关系，研究了 土层和砂层的变形特征，采用膨胀比的概念进行膨胀预测。宁波、上海均采用三单 元流变模型分析了浅部软土层的蠕变特性，指出在小加载比条件下，流变成分占很 大比重。 另外，国内在研究中还注意到，采用室内土力学试验得出的土特性指标，按渗 透固结理论或流变理论进行地面沉降的计算，其计算结果与实际相差较大，这一现 象一方面说明地面沉降可能的复杂性，同时说明对机理研究尚不够深入。在属于机 理研究的数学模型方面，普遍采用t e r z a g h i 一维固结方程与水头模型的耦合，取得 了较好的效果。同时在沿海地区还采用了流变理论模型及bj o t 固结理论来计算地面 沉降，但是由于参数的取得往往不够准确，对粘性土层与砂层的特性区分不清等原 因，计算结果往往误差较大。 西安关于地裂缝的机理研究成果显著，基本上将西安地裂缝形成与发展归结为 构造因素与地下水开采引起的不均匀地碡f 沉降综合作用的结果。综合上述，国内对 抽水导致的地层形变研究主要关注的是地面沉降问题，也就是垂直方向的形变问题。 对于水平方向有无地形变的发生，虽然近儿年才有人开始关注，但己取得了许多成 果。王庆良、刘玉海等( 1 9 9 5 ) 对大同地裂缝成因的研究实际上提出了在国内抽水引 起水平地层形变的严肃命题，并给予了理论上的论证。紧接着，王庆良、王文萍等 ( 1 9 9 7 ) 利用抽水导致地层水平运动的理论对油阳大范围存在的油井套管折损做了很 好的解释。王庆良，冉兴龙等( 2 0 0 1 ) 在国家自然科学基金资助下专门就抽水导致地 层水平运动的机理进行研究，获得了许多新的认识。 在深层地下流体资源开发引发的地面沉降和地裂缝问题上一些学者作出探索。 g i u s e p p eg a m b o l a t i 研究了天然气、石油、地热热水和卤水等深层流体开采时储集层 因消耗流体而产生压缩变形的力学机制；吴振祥根据灰色g m ( 1 ，1 ) 模型的建模机理 和条件，采用灰色系统理论，对福州温泉区的地面沉降历史观测数据进行处理，建 立了福州温泉区灰色动态g m 模型“；长沙阳军生把曾经用于采煤和石油开采引起 的地面沉降效应研究上的重力作用下的随机介质理论1 ，用于研究单孔抽水下地面 沉降的预测上；张廉均研究了华北平原地区超采地下水引起地面沉降的规律等。 以上所述地面沉降的研究成果为深层地下热水开采引起地层形变的可能性研究 提供了研究基础，但均不能直接回答这种可能性是否存在。本文将通过对西安盆地 热储层特性及热水井资料分析来探讨地热开发引起地层形变的可能性，并为西安市 寻找合理的地热开发模式提供科学依据。 1 4 本文研究的目的意义、内容和技术路线 研究目的及意义：首先探讨以目前西安市地下热水的开采规模和开采速率在传 导型地热田产生地层形变的可能性，防止地热开发可能引发的地层形变，为合理开 发地热资源提供科学依据；其次论证西安市对流型地热田的存在条件及其开发利用 前景。 研究内容：西安市传导型地热田的形变可能性研究和对流型地热阳的存在条件 及丌发利用前景。 技术路线：根据研究目的，作者进行了大量的资料收集和野外调查工作，应用 水文、工程地质、环境地质、土力学理论与系统学理论与方法，总结国内外研究成 果、并对西安 2 口热水井成井资料进行了研究。框图如下： 本文选题经作者导师冉兴龙副教授的精心审核，并结合教育部科学技术研究项 目地层形变与地下水流的相互关系及其应用研究( 内陆盆地地下热水开发的环 境效应研究) 展开研究。 6 第二章西安热储层特征分析 2 1 西安地热田地质背景 地热能是地壳中普遍存在的自然现象，但不同地区由于所处的大地构造和岩石 类型等地质条件不同，地温梯度具有刚j 显差异，正常地温梯度为3 1 0 0 m 。通过卫 星照片和实钻证实，西安及周围地区( 成阳、宝鸡、渭南等) 是地热异常区，在可 预测的深度内地层增温率一般在3 5 4 2 1 0 0 m 之问，大于地壳平均地温梯度。其 成因是由于该地区构造活动活跃，莫霍面和居早面上拱，地壳减薄( 平均3 1 k m 左右) 低于地球平均值。西安地热田所在的大地构造单元主要为西安凹陷，属于鄂尔多斯 盆地渭北隆起带的次一级构造；区域内的主要构造形迹为渭河北岸断裂，由此为界， 北部为咸阳凸起，南部为西安凹陷。 渭河北岸断裂是切穿基底的一级断裂带，走向大致与渭河平行，近东西向展布， 规模巨大，横贯全陕西省，在省内长3 2 0 k m ，在不同地区因受不同应力场作用，产状 具有扭转现象；在西安凹陷断层南倾，倾角7 0 8 0 度，是一个北盘上升、南盘下降 的高角度正断层，切割深度达2 0 k m 以_ j ：，从元古代一直活动到第四系，由此而派生 的次一级断裂如临潼长安断裂、沣河断裂、铲河断裂等，构成了凹陷的基本构造 格局；沿断裂带两侧有地温异常和水化学异常，并有多处天然温泉出露，证明是一 条控热导热构造带。 西安凹陷南部是秦岭，北部为咸阳凸起，是在被二者围限的狭长区域内，受局 部大地张性应力作用而形成的断裂构造单元，基底岩性为上元古界变质岩，埋深大 于5 0 0 0 米，盖层为新生界第三系河、湖、冲积相的碎屑岩类，沉积地层自下而上划 分为：下第三系始新统红河组( e 山) 、渐新统白鹿塬( e 3 b ) 、上第三系中新统高陵 群( n 9 1 ) 、上新统蓝田灞河组( n 2 1 岫) 和张家坡组( n ：z ) 、第四系三门组( q s ) 、秦川组 ( q 。q c ) 。在地热田中的作用是，张家破组具有保温盖层和隔水顶板功能，之下至 白鹿塬组热储层发育好，砂岩占盆地地层总厚度的2 0 4 5 ，是主要开采层。 2 2 西安地热概况 该地区具有良好的地温场背景，在1 0 0 0 m 深处地温一般为5 2 左右，2 0 0 0 m 深处一 般在8 3 左右，地温梯度一般为3 3 5 l o o m ，埋深超过2 0 0 0 m 时，地温梯度明显增 高，达3 5 5 1 0 0 m ，最高可达8 6 1 0 0 m 。据有关资料，由渭河断裂、皂河断裂、 临潼长安断裂、霸河断裂所圈闭的4 6 6 k m 2 范围，在2 5 0 0 m 以内，上第三系及第四系下 更新统的地热资源总量折合标准煤为7 1 9 8 8 万t ( 热储法) ，地下热水可采储量5 7 3 亿 m 3 ( 解析法) “1 。前新生界基岩裂隙类型地下热水分布完全受断裂构造控制，沿山麓呈 点或小片状分布，温度较高储层和富水性不均一，埋深较浅，在郦山北麓区埋深2 6 5 3 3 8 m ，蓝e | ：l 县汤峪附近埋深7 0 4 0 1 m ，有时以温泉形式溢出地表，如华清池温泉、蓝 田县汤峪及户县金峰寺温泉。第三系孔隙一裂隙类型地下热水的分布主要受断裂构造 控制，连通性较差，但分布较广。白鹿塬组、寇家村组砂岩为其主要储层，埋深范围 5 0 0 2 0 0 0 m ，一般1 0 0 0 m 左右，矿化度及s i o 。f ，n a + ，r n 等化学成份含量较高。水化学 类型以s 吼- n a 型为主，局部为s 0 4 c 1 h c q ，- n a 型。热储层类型为传导型地热田。 2 3 地下热水的补、排条件 地下热水不能直接接受当地的大气降水垂向入渗补给，主要接受侧向补给和越 流补给，与浅层地下水之间除在构造或断裂处有水力联系外，总体上与第四系地下 水之间水力联系较差。地下热水的径流方向与浅层地下水基本一致。愈是远离补给 区，径流速度愈缓慢。地下热水的排泄途径，在地下热水大量开采以前主要是垂直 径流排泄，表现为局部地区的少量人工丌采、泉或向上部含水层的顶托排泄。随着 西安市地下热水的大量开采，人工丌采则成为地下热水的主要排泄途径。 2 4 热储层特征 2 4 1 热储层的构成 区内地热资源赋存于新生界碎屑岩类，砂岩是主要的富水层段，热储类型属中低 温孔隙裂隙型。第四系秦川群为热储盖层，其下三门组( q , s ) 、第三系张家坡组( n 2 z ) 、 蓝田灞河组( n 2 l + b ) 、高陵群( n ，9 1 ) 、白鹿塬组( e 3 b ) 为5 个热储段，各热储段在平 面上的分布比较稳定，均属层状。各热储层段埋深及厚度详见表2 一l 表2 1各热储层段埋深及厚度“1 层段编号地层时代顶底板埋深( 米)厚度( 米) l 三门组( q s ) 4 8 8 6 3 61 4 8 2 张家坡组( n z z ) 6 3 6 1 1 9 85 6 2 3 蓝田灞河组( l + b ) 1 1 9 8 1 9 1 07 1 2 4 高陵群( n 9 1 ) 1 9 1 0 3 0 1 4 1 1 0 4 5 白鹿塬组( e ： b ) 3 0 1 4 3 7 6 77 5 3 2 4 2 热储层岩性特征 区内主要热储层自上而下分布于张家坡组( n ：z ) 、蓝田灞河组( l + b ) 、高陵群 ( n 。9 1 ) 、白鹿塬组( e ，b ) ，其岩性主要是河流河湖相沉积的砂岩体，各组热储层 岩性特征分述如卜： 1 、张家坡组( n 2 z ) 热储层，岩性为浅黄灰、绿灰、暗紫色厚层泥岩、砂质泥岩 与黄灰、灰色细砂岩不等厚互层。砂岩泥质胶结，较疏松；泥岩色不均，含粉砂。 砂岩厚度变化很大，由1 7 4 4 1 8 8 ，相差2 4 倍。砂岩厚度小于1 0 0 米的地段分布在 骊山北侧断裂，双水磨一等驾坡断裂与沪灞河断裂之间，骊山北侧断裂以北厚度多 在1 0 0 2 0 0 m ，且由东南向西北厚度增大。 2 、蓝田灞河组( n ：l + b ) 热储层，岩性上部为灰黄、棕红、紫红色泥岩与浅灰色 细砂岩、中砂岩不等厚互层；下部为棕红色，灰绿色泥岩与含砾粗砂岩不等厚互层。 砂岩成分为石英、长石为主，少量岩屑，分选中等，次棱角状，泥质胶结，较疏松， 砂厚比总体上自南向北由大变小，由4 0 2 0 ，砂厚比主要受临潼一长安断裂控制， 此外沿泸灞河断裂与皂河断裂砂厚比较大，是西安凹陷上部主要热储层。 3 、高陵群( n 9 1 ) 热储层，为灰白色系砂岩，成分为石英、长石为主，少量岩屑 分选好，次圆状，泥质胶结，较致密，砂体多夹于大段泥岩之间，厚度2 o 9 7 米。 4 、自鹿塬组( e a b ) 热储层，岩性呈上细下粗，热储层主要发育于中下部，为 灰白色含砾粗砂岩，成分为石英、长石为主，少量岩屑，分选较差，次棱角状，灰 质胶结，较致密较疏松。砂岩为钙质胶结，岩性较脆，裂隙发育，为地下水的储存运 移创造了条件，若有断裂构造通过，地下水活动加剧，可形成较大的溶蚀裂隙，是较为 理想的热水储层。 2 4 3 地温场特征 地热通过火山爆发、温泉、地震、岩石热传导等多种形式源源不断地向地球表 面释放着能量，并由此构成地热的地表显示。区内热水井平均每百米地温升高2 5 ， 最大6 5 ，显示不明显的地热异常。根据实际地热井资料，地温变化情况可分为正 常逐渐升温和异常突变升温两种。o 1 0 0 0 米、1 5 0 0 3 4 0 0 米、3 4 6 0 3 6 6 0 米为正常 逐渐升温段，其它段为异常突变升温段，这说明地下流体在运移过程中除受地层自 然增温的作用外还吸收了来自深部的大量热量。地温梯度异常主要受构造控制，断裂 导热是形成本区地热异常的一个重要因素，在深大断裂附近及断裂交叉部位高温热 9 场效应尤其明显。 2 4 4 热储层物性特征 研究区地处我国华北地台重力场相对平缓地k ，重力场整体东高西低，布格重力 异常普遍为负值，以重力资料为依据推演得到的莫霍面深度等值线图( 图2 2 ) ，显示 了深部的e w 向构造及控热特征。以航磁资料推演得到的渭河盆地基底岩石磁性消失 面( 即居里面) ( 图2 3 ) “”，很好地反映了本区地温梯度特征：即居里面埋深越浅，对 地热形成越有利。 幽2 2 陕西渭河断陷盆地及周缘地区图2 3 陕西渭河断陷盆地及地区 莫霍面等深线图居里面等深线图 i 为3 2 k mi i 为3 6 k mi i i 为4 0 k mi v 为4 4 k mi 为2 0 k mi i 为2 5 k mi i i 为3 0 k mi v 为3 5 k m 区内热储层物性总体向下变差，具体表现为蓝田灞河组( n 2 l + b ) 、高陵群( n 。9 1 ) 、 白鹿塬组( e 。b ) 三个地层的热储层孔隙度由n ：l + b 的3 1 7 降至e 。b 的9 8 左右；但泥 质含量由n 。l + b 的6 4 升至e ：，b 的2 5 5 左右：单层厚度大于5 米的砂层泥质含量多在 9 7 1 6 9 以上，甚至更高“1 。 2 4 5 热储层储水特征 各热储层段由于在总地层厚度中砂岩的厚度与粒度的差别，其富水性能差异较 大：第一热储层段( q ，曲，厚度相对较薄，但砂层颗粒较粗，砂厚比较大，富水性强； 第二热储层段( n 2 z ) ，岩性为泥岩与砂岩互层，砂岩颗粒较细，厚度小，中等富水：第 三热储层段( n ： 6 ) ，岩性为泥岩与砂岩互层，但砂岩颗粒较粗，砂岩厚度及砂厚比相 对较大，富水性较强；第四热储层段( n l ) ，所揭露的地层是以泥岩为主，夹薄层细 砂岩及中粒砂岩，砂岩厚度及砂厚比均较小，富水性弱：第五热储层段白魔塬组 ( e 山) ，岩性以泥岩与砂岩不等厚互层，砂岩厚度虽大，但是颗粒较细，泥质胶结， 渗透系数小，富水性弱。各层段砂岩厚度、渗透系数及涌水量如表2 2 。 表2 - 2热储层段富水性评价 储层渗透 地层时代砂岩厚度( 米) 富水性评价 编号系数 1 三门组( q 。s ) 7 5 1 0 8 6 ( 6 9 0 )9 4 9 强富水 2 张家坡组( n 2 z )4 9 1 8 5 1 ( i7 8 5 )2 2 5 3 4 中等富水 3 蓝田灞河组( n ：l + b )9 3 7 2 7 8 8 ( 2 3 2 5 )2 8 8 9 1 1 较强富水 4 高陵群( n 。9 1 ) 8 1 o 2 6 1 0 ( 2 3 3 8 )8 0 4 2 1 1 弱富水 5 白鹿塬组( e 3 b ) ( 9 0 9 )7 9 1 8 0 弱富水 注：表中砂岩厚度一项括号中数据为西安建筑科技人学地热井成井报告资料，其他据 李喜安等。 2 4 6 地热井深度与取水段特征 目前西安市区内地热井深度区间为1 1 0 3 3 9 0 0 m ，深度主要集中在1 7 0 0 3 0 0 0 m 其中井深 2 0 0 0 m 的3 0 余 眼。目前最深的一眼井位于南郊，深3 9 0 0 m ，开采深度2 8 7 1 3 9 0 0 m 。各地热井的开采 层段不同，主要开采第三系地层中的热水，单一热储层段的地热井较少，多为混合层 段。蓝田灞河组( n 2 + 功是最主要的开采层段，近年来第四、五热储层开采量有增 大之趋势。 综上所述，我们知道，西安地热田具有厚度大、埋深大，由第三系的砂、泥岩 互层而构成等特征，由于补给条件差，分布范围广，属于传导型地热冈。值得指出 的是，白鹿塬组岩性并不符合随深度增大固结程度越高的规律，而出现了从较致密 较疏松的现象。 第三章热储层形变的基本机理和规律 从第二章内容我们知道，西安的热储层主要是第三系地层，自上而下分布于张 家坡组( n ：z ) 、蓝田灞河组( n 2 1 + b ) 、高陵群( n 。9 1 ) 、白鹿塬组( e b ) 。 目前开采的主要是埋深在t 2 0 0 2 5 0 0 米的地热水，这段热储层基本属于沉积盆 地主要靠地热增温的传导型地热田，补给量有限，有的基本没有补给，在一定意义 上讲是不可再生的资源，基本是消耗储存量丌采，地热水水头逐年下降就很好的说 明了这一点。如果含水层骨架可压缩，则随着开采量的增加，将导致热储层有效应 力增大而释水压密，导致地层形变。本章我们将从有效应力和固结压密的基本机理 出发，研究热储层释水、变形规律。 3 1 研究地层形变的基本理论 3 1 1 固结理论 天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架，再由孔隙水和气填充骨架体孔隙而组成 的三相体系。土颗粒压缩性很小，一般都认为其不可压缩。土体的变形是孔隙流体 的流失及气体体积减小、颗粒重新排列、粒问距离缩短、骨架体发生错动的结果。 对于饱和的两相土( 由固相的土和液相的孔隙水组成的两相介质) ，孔隙水压缩 量很小，孔隙水体积的变化主要因为孔隙水的渗出。对于非饱和的三相土，除孔隙 水渗出外，土体固结变形还与饱和度变化有很大关系。孔隙气的渗出、压缩及溶解 度的改变等，都会引起饱和度的变化。与孔隙水不同，孔隙气的压缩性不容忽视。 荷载作用下，土体内部含水缓慢渗出，体积逐渐变小、稳定，这一现象称为土 的固结。随着土体的固结，土体的压缩变形和强度逐渐增长。土的固结理论是土力 学学科中最根本的课题之一，它最早由太沙基( $ e r z a g h i ) 提出，但它只是在一维的 情况下才是精确的。在多维固结问题中，它忽略了变形协调条件，固结过程中所得 的总应力结果只是近似的。比奥特( b l o t ) 提出的固结理论，考虑了这种影响，从较 严格的固结机理出发，推导了准确反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的三维 固结方程，借助计算机和有限单元法等数值求解，可广泛用来解决各种实际工程的 固结问题。 3 1 2 地层中的应力状态 地层中的应力可分为自重应力、构造应力和来自地表的附加应力。自重应力是 由地层的自身重量引起的，它是在地质历史中完成的，是地应力基本的主要的存在 形式。这里所指的地应力主要魁自重应力。地层内单元土体的平衡微分方程如公式 3 1 所示1 。 ( 3 一1 ) 这里y 为土的容重。对于水平地层，常把地应力视为轴对称，垂直应力为盯： 水平应力盯，= 吼。由平衡方程町求出地面以下z 深度处的垂直应力 盯：= y o z 式中，。为地层的平均容重。 在无侧向应变的条件卜，利用虎克定律可得水平应力 吒2 告巳2 k 盯z 式中，为泊松比；k 为静止侧压力系数。 3 1 3 有效应力原理 释水压密的基本理论是有效应力原理，土颗粒与结合水所组成的综合体，在受 到一定的外荷载作用下，荷载力一部分由水分承担( 这部分称为中性力) ，另一部分 则由综合体承担，这部分受力被称为有效应力。土颗粒由于静水压力的作用而受浮 力。根据阿基米德定律，土粒所受的浮力应为同体积的水重，故单位体积土体所受 的浮力为( 1 一n ) y 。，此处，n 为土体的孔隙率，九为水的容重。显然，此时土体的有 效重为土体的实际重量减去所受的浮力，称之为土体的浮容重，即固相土颗粒的容 重。土体的饱和容重等于土体浮容重与水的容重之和，也等于土体干容重与单位土 体孔隙水的重量之和。 由浮容重产生的浮重，通过土颗粒的接触点传递压力，完全作用在土体骨架二 而直接影响土体的结构变形，称为有效应力。而静水状态下的孔隙水压力，只是借 土粒孔隙中的水传递压力，对土体骨架的结构形式以及土的剪应力等力学性质不发 o 0 7 = = = 饥一出