四川紅層區(qū)應(yīng)用地源熱泵技術(shù)地質(zhì)適宜性初探

陽光輝，唐曉玲，趙云紅

（四川省地質(zhì)工程勘察院，成都， 610072）

四川紅層區(qū)是全省人口最為集中、經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)之一。該區(qū)地形高差較大，地表水資源少且時間空間分布不均，地表支流河系源短流少，久旱多斷流，大江大河水位低，提取有困難；地下水資源貧乏，大部分地區(qū)不能直接利用地表水和地下水運用地（水）源熱泵技術(shù)、開發(fā)和利用淺層地溫能。隨著國家“節(jié)能減排”政策的逐步建立、健全和深化，如何改進鉆探工藝、降低鉆探成本，運用先進的地源熱泵技術(shù)，在紅層區(qū)合理開發(fā)和利益淺層地溫能，最終達到節(jié)能降耗的效果，已成為地質(zhì)工作者面臨的一項重要任務(wù)。

1 紅層區(qū)概況

四川省紅層區(qū)是指川中盆地地層為白堊系（K）和侏羅系（J）的地區(qū)，分布面積13.18萬km2，涉及17個市的106個縣（市、區(qū)）。其地理座標(biāo)為：東經(jīng)101°20′～108°30′，北緯26°00′～32°20′。該區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候，受盆地地形影響，多云霧，少日照，是國內(nèi)陰天最多的地區(qū)之一。最冷月（1月）平均氣溫4～6℃，最熱月（8月）平均氣溫25～30℃。該區(qū)屬長江流域，岷江、嘉陵江、涪江、沱江四大支流自北或北西向南流經(jīng)全區(qū)，注入長江。

2 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

四川省紅層區(qū)地貌形態(tài)受構(gòu)造骨架和巖性控制。盆地中部，龍泉山至華鎣山之間，為一片矚目千里的紅色丘陵山地，以砂、泥巖疊置的構(gòu)造剝蝕丘陵為主；盆地東部，華鎣山至方斗山之間，為獨具特色的“川東平行嶺谷”，嶺間為紅色砂泥巖丘陵縱向谷地。盆周邊緣地區(qū)為低、中山。全區(qū)地勢北高南低，沱江、涪江、嘉陵江、渠江自北西或北向南流經(jīng)全區(qū)，樹枝狀水系發(fā)育。川中地區(qū)綿陽、閬中以南海拔一般小于500m，相對高差小于100m，腹心地帶只有30～50m，呈細碎的丘陵地形；綿陽、閬中以北，海拔大于500m，相對高差100～200m，屬低山地形；再向北高程漸增，逐漸過渡為低、中山地。龍泉山是西側(cè)一條北東向嶺狀背斜低山，海拔800m 左右，威遠背斜南側(cè)為一個穹隆狀低山，其中部為巖溶槽谷。沿江兩岸有小面積沖積平壩（漫灘和Ⅰ級階地）和冰水堆積緩崗平臺（Ⅱ-Ⅴ級階地）。

2.1 地層與巖性

區(qū)內(nèi)地層為典型的陸相堆積，砂巖和泥巖總厚度達5 000～6 000m。具體包括：侏羅系下—中統(tǒng)自流井組、中統(tǒng)沙溪廟組、上統(tǒng)遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組及白堊系。自北向南，由新至老，呈條帶狀依次展布。紅層巖性較單一，以紫紅、棕紅色泥巖、砂巖為主，間夾頁巖、薄層灰?guī)r和膏鹽層段。盆地西緣近邛崍山、龍門山前為粗粒山麓相堆積，出現(xiàn)了幾層富含鈣質(zhì)的厚層礫巖。由于各個時期沉積環(huán)境的動蕩不定，加之沉積物來源的不同，整個紅層的巖相、厚度在縱橫向上變化都很大。砂巖多為碳酸鹽膠結(jié)，富含鈣質(zhì)。泥巖含砂質(zhì)，普遍含鈣質(zhì)，且常含脈狀、薄層狀及斑塊狀石膏。

2.2 水文地質(zhì)特征[1]

受區(qū)內(nèi)比較輕微、穩(wěn)定的構(gòu)造變動和地貌以構(gòu)造剝蝕丘陵為主的特點控制，本區(qū)地下水主要活動帶一般集中于地表淺部，以風(fēng)化裂隙水為主，深層或較深層的構(gòu)造裂隙水鮮見，僅在某些旋扭構(gòu)造的中心部位，才可見比較明顯的構(gòu)造裂隙，從而富集地下水。由于各巖組砂、泥巖比例、組合關(guān)系，巖石結(jié)構(gòu)，膠結(jié)物性質(zhì)及可溶鹽含量等不同，直接影響巖石空隙的發(fā)育程度，從而對巖組含水性的影響極大。

紅層孔隙裂隙水廣布全區(qū)，根據(jù)其埋藏和賦存條件可分為四個類型：

1）溶孔裂隙水：主要埋藏在遂寧組(J3s)以及仁壽、資陽、樂至以南侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)的泥質(zhì)巖類風(fēng)化帶里。沙溪廟組(J2s)的厚層泥巖也有埋藏，這是區(qū)內(nèi)分布最廣的一種類型。單井出水量一般都小于100m3/d，且大多數(shù)在50m3/d 以下，一般5～10m3/d，部分1～5m3/d。

2）脈狀裂隙水：主要埋藏在侏羅系上統(tǒng)沙溪廟組(J2s)、蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)以及白堊系(K)的厚層砂巖風(fēng)化帶里，以脈狀裂隙儲水為主要儲水形式，這是區(qū)內(nèi)分布的主要地下水類型之一，單井出水量一般都小于100m3/d，且大多數(shù)在50m3/d 以下，一般20～50m3/d，部分5～10m3/d。

3）層間裂隙水：主要埋藏在厚度和巖性一般比較穩(wěn)定，裂隙比較發(fā)育，傾斜的白堊系地層的厚層砂巖里。單井出水量一般100～500m3/d，個別大于500m3/d。

4）溶隙溶洞水：分布局限于北部周邊接近盆緣地區(qū)，埋藏在白堊系城墻巖群(K1ch)和侏羅系蓮花口組(J3L)的可溶砂礫巖中，以溶洞(孔)和溶隙水為主。單井出水量一般50～100m3/d。

3 地源熱泵典型工程[2]

工程位于遂寧市射洪縣城南開發(fā)區(qū)，地貌為涪江右岸一級階地，場地寬闊平整，微傾下游，地面標(biāo)高330.0m。換熱試驗孔深度102.0m，其中0.0～17.0m為第四系砂卵石層，其下為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組上段（J3p2）砂巖與泥巖互層。鉆孔采用GY-150型地質(zhì)鉆機取芯鉆進，開孔口徑為φ150mm，終孔口徑110mm，最終孔深度為102.0m。

3.1 巖石特征與巖石可鉆性分析

砂巖（泥質(zhì)粉砂巖）與泥巖互層：埋深為17.0～102.0m，砂巖和泥質(zhì)粉砂巖占基巖總厚度的48.9%，砂巖堅硬性脆，易形成裂隙，CaO＋MgO 含量7.5%～14.9%，最高可達19%。泥巖占基巖總厚度的51.1%，成分主要為SiO2，含量占60.0%～87.7%，硬度小，遇水易風(fēng)化變軟。

據(jù)統(tǒng)計：鉆孔平均鉆進速度0.98m/h。80型潛孔錘鉆機每小時可鉆進10m，如使用該鉆機，平均每天可完成1個換熱孔施工?？傮w上本工程場地巖土可鉆性較好，有利于換熱孔成孔施工。

3.2 場地水文地質(zhì)特征

場地地下水類型為屬第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水。

第四系松散巖類孔隙潛水含水層：含水層埋深5.20～17.0m，穩(wěn)定靜止水位5.20m。據(jù)抽水試驗：該層滲透系數(shù)4.95m/d，出水量最大可達273.1m3/d。

砂、泥巖互層基巖裂隙水含水層：基巖完整性較好，透水性極小，主要出水孔段主要位于砂巖與泥巖接觸帶，穩(wěn)定靜止水位24.5m（上部松散層已作隔水處理）。據(jù)抽水試驗：該層滲透系數(shù)為0.03m/d，出水量最大為24.1m3/d。

根據(jù)地形坡度和含水層結(jié)構(gòu)特征，場地地下水徑流方向為北西-南東方向35°～50°。

3.3 水質(zhì)特征

本次工作在試驗孔抽水試驗完成后完成了全孔混合水質(zhì)采樣，檢測結(jié)果分析評價如下：

感官性狀指標(biāo)：無色、無嗅、無異味、透明，無肉眼可見物。一般化學(xué)性質(zhì)：水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Ca型水，PH=7.0，屬弱堿性水；總硬度為405mg/L；礦化度1020.4 mg/L；無侵蝕性；Ca2+含量為110.2 mg/L，Mg2+含量為31.62 mg/L。

場地地下水水質(zhì)對地下埋管有利，適宜地埋管工程施工建設(shè)。

3.4 巖石熱物理性質(zhì)

據(jù)測試：砂巖的熱導(dǎo)率范圍為1.97～2.76W/(m·K)，泥巖的熱導(dǎo)率范圍為2.65～3.2W/(m·K)。

地層溫度測試將高靈敏度熱感溫度探頭下入鉆孔，每5m 測試一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集儀采集頻率為6 ms，測試10 組數(shù)據(jù)后，儀器經(jīng)自動計算，取溫度平均值?？變?nèi)單點測試時間不低于120 s。測試時間為9月下旬，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)范圍：深度0.0～100.0m，地溫變化為19.0～19.7℃，溫度變化梯度為0.7℃/100m，地溫適宜地下埋管施工。

4 適宜性分析和評價

四川紅層區(qū)地層巖性以砂巖和泥巖互層為主，巖石可鉆性好，適宜于回旋鉆機和潛孔錘鉆機鉆進。鉆探成本較平原區(qū)砂卵石層低，對換熱孔成孔有利。地層溫度較為恒定，巖石熱導(dǎo)率范圍為1.97-3.2W/(m·K)，適宜地源熱泵開發(fā)利用淺層地溫能。從水資源分布和水文地質(zhì)條件來看，紅層區(qū)水資源較為貧乏，適宜利用埋管的方式。

總體上紅層區(qū)適宜于以埋管方式開發(fā)和利用淺層地溫能。

5 結(jié) 論

四川省紅層區(qū)是人口最為集中的地區(qū)之一，經(jīng)濟條件相對較好。地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、巖石熱物理性質(zhì)對開采和利用淺層地溫能比較有利，成孔相對較為經(jīng)濟。但紅層區(qū)水資源總體上較為貧乏，適宜于以埋管方式開發(fā)和利用淺層地溫能。

[1]四川省地礦局.四川省1∶20萬區(qū)域水文地質(zhì)普查報告（射洪幅、南充幅）[R].

[2]四川省地質(zhì)工程勘察院.射洪縣中醫(yī)院城南擴建工程地源熱泵中央空調(diào)換熱孔試驗報告[R].2007