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四川红层区地源热泵技术地质适宜分析

发布时间:2014-01-14 19:24:02    信息来源:

    四川省红层区是全省人口最为集中、经济较发达的地区之一。随着国家“节能减排”政策的落实,如何在该区运用先进的地源热泵技术、合理开发利益浅层地温能,已成为地质工作者的一项重要研究任务。本文通过在典型地区开展的地源热泵工程试验入手,着重对红层区的地质、水文地质条件进行论述,并对在该区开展地源热泵的适宜性进行了初步分析。

    四川省红层区是全省人口最为集中、经济发达的地区之一。该区地形高差较大,地表水资源少且时间空间分布不均,地表支流河系源短流少,久旱多断流,大江大河水位低,提取有困难;地下水资源贫乏,大部分地区不能直接利用地表水和地下水运用地(水)源热泵技术、开发和利用浅层地温能。随着国家“节能减排”政策的逐步建立、健全和深化,如何改进钻探工艺、降低钻探成本,运用先进的地源热泵技术,在红层区合理开发和利益浅层地温能,最终达到节能降耗的效果,已成为地质工作者面临的一项重要任务。

1 红层区概况

    四川省红层区是指川中盆地地层为白垩系(K)和侏罗系(J)的地区,分布面积13.18万km2,涉及17个市的106个县(市、区)。其地理座标为:东经101°20′-108°30′,北纬26°00′-32°20′。该区属亚热带湿润气候,受盆地地形影响,多云雾,少日照,是国内阴天最多的地区之一。最冷月(1月)平均气温4-6℃,最热月(8月)平均气温25-30℃。该区属长江流域,岷江、嘉陵江、涪江、沱江四大支流自北或北西向南流经全区,注入长江。

2 地质、水文地质条件

2.1地形地貌

    四川省红层区地貌形态受构造骨架和岩性控制。盆地中部,龙泉山至华蓥山之间,为一片瞩目千里的红色丘陵山地,以砂、泥岩叠置的构造剥蚀丘陵为主;盆地东部,华蓥山至方斗山之间,为独具特色的“川东平行岭谷”,岭间为红色砂泥岩丘陵纵向谷地。盆周边缘地区为低、中山。全区地势北高南低,沱江、涪江、嘉陵江、渠江自北西或北向南流经全区,树枝状水系发育。川中地区绵阳、阆中以南海拔一般小于500m,相对高差小于100m,腹心地带只有30-50m,呈细碎的丘陵地形;绵阳、阆中以北,海拔大于500m,相对高差100-200m,属低山地形;再向北高程渐增,逐渐过渡为低、中山地。龙泉山是西侧一条北东向岭状背斜低山,海拔800m左右,威远背斜南侧为一个穹隆状低山,其中部为岩溶槽谷。沿江两岸有小面积冲积平坝(漫滩和Ⅰ级阶地)和冰水堆积缓岗平台(Ⅱ-Ⅴ级阶地)。

2.2地层与岩性

    区内地层为典型的陆相堆积,砂岩和泥岩总厚度达5000-6000m。具体包括:侏罗系下—中统自流井组、中统沙溪庙组、上统遂宁组、蓬莱镇组及白垩系。自北向南,由新至老,呈条带状依次展布。红层岩性较单一,以紫红、棕红色泥岩、砂岩为主,间夹页岩、薄层灰岩和膏盐层段。盆地西缘近邛崃山、龙门山前为粗粒山麓相堆积,出现了几层富含钙质的厚层砾岩。由于各个时期沉积环境的动荡不定,加之沉积物来源的不同,整个红层的岩相、厚度在纵横向上变化都很大。砂岩多为碳酸盐胶结,富含钙质。泥岩含砂质,普遍含钙质,且常含脉状、薄层状及斑块状石膏。

2.3水文地质特征[1]

    受区内比较轻微、稳定的构造变动和地貌以构造剥蚀丘陵为主的特点控制,本区地下水主要活动带一般集中于地表浅部,以风化裂隙水为主,深层或较深层的构造裂隙水鲜见,仅在某些旋扭构造的中心部位,才可见比较明显的构造裂隙,从而富集地下水。由于各岩组砂、泥岩比例、组合关系,岩石结构,胶结物性质及可溶盐含量等不同,直接影响岩石空隙的发育程度,从而对岩组含水性的影响极大。

 红层孔隙裂隙水广布全区,根据其埋藏和赋存条件可分为四个类型:

①溶孔裂隙水:主要埋藏在遂宁组(J3s)以及仁寿、资阳、乐至以南侏罗系上统蓬莱镇组(J3p)的泥质岩类风化带里。沙溪庙组(J2s)的厚层泥岩也有埋藏,这是区内分布最广的一种类型。单井出水量一般都小于100m3/d,且大多数在50m3/d以下,一般5-10m3/d,部分1-5m3/d。

②脉状裂隙水:主要埋藏在侏罗系上统沙溪庙组(J2s)、蓬莱镇组(J3p)以及白垩系(K)的厚层砂岩风化带里,以脉状裂隙储水为主要储水形式,这是区内分布的主要地下水类型之一,单井出水量一般都小于100m3/d,且大多数在50m3/d以下,一般20-50m3/d,部分5-10m3/d。

③层间裂隙水:主要埋藏在厚度和岩性一般比较稳定,裂隙比较发育,倾斜的白垩系地层的厚层砂岩里。单井出水量一般100-500m3/d,个别大于500m3/d。

④溶隙溶洞水:分布局限于北部周边接近盆缘地区,埋藏在白垩系城墙岩群(K1ch)和侏罗系莲花口组(J3L)的可溶砂砾岩中,以溶洞(孔)和溶隙水为主。单井出水量一般50-100m3/d。

3 地源热泵典型工程

    工程位于遂宁市射洪县城南开发区,地貌为涪江右岸一级阶地,场地宽阔平整,微倾下游,地面标高330.0m。换热试验孔深度102.0m,其中0.0-17.0m为第四系砂卵石层,其下为侏罗系蓬莱镇组上段(J3p2)砂岩与泥岩互层。钻孔采用GY-150型地质钻机取芯钻进,开孔口径为φ150mm,终孔口径110mm,最终孔深度为102.0m。

3.1岩石特征与岩石可钻性分析

    第四系砂卵石层(Q4al):由粉土和砂夹卵石构成。其中0.0-3.5m成分为粉土;3.5-17.0m为砂夹卵石层,卵石粒径6-25cm,椭圆状、圆状,含量20%。其中8-12m深度段卵石粒径可达30-35cm,含量大于50%。粗砂呈黄色和青灰色,含水量饱和。

    砂岩(泥质粉砂岩)与泥岩互层:埋深为17.0-102.0m,砂岩和泥质粉砂岩占基岩总厚度的48.9%,砂岩坚硬性脆,易形成裂隙,CaO+MgO含量7.5-14.9%,最高可达19%。泥岩占基岩总厚度的51.1%,成分主要为SiO2,含量占60.0-87.7%,硬度小,遇水易风化变软。

    据统计:钻孔平均钻进速度0.98m/h。80型潜孔锤钻机每小时可钻进10m,如使用该钻机,平均每天可完成1个换热孔施工。总体上本工程场地岩土可钻性较好,有利于换热孔成孔施工。

3.2场地水文地质特征

    场地地下水类型为属第四系松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。 第四系松散岩类孔隙潜水含水层:含水层埋深5.20-17.0m,稳定静止水位5.20m。据抽水试验:该层渗透系数4.95m/d,出水量最大可达273.1m3/d。 砂、泥岩互层基岩裂隙水含水层:基岩完整性较好,透水性极小,主要出水孔段主要位于砂岩与泥岩接触带,稳定静止水位24.5m(上部松散层已作隔水处理)。据抽水试验:该层渗透系数为0.03m/d,出水量最大为24.1m3/d。 根据地形坡度和含水层结构特征,场地地下水径流方向为北西-南东方向35-50°。

3.3水质特征

    本次工作在试验孔抽水试验完成后完成了全孔混合水质采样,检测结果分析评价如下: 感官性状指标:无色、无嗅、无异味、透明,无肉眼可见物。 一般化学性质:水质类型为HCO3?SO4-Ca型水,PH=7.0,属弱碱性水;总硬度为405mg/L;矿化度1020.4mg/L;无侵蚀性;Ca2+含量为110.2mg/L,Mg2+含量为31.62mg/L。 场地地下水水质对地下埋管有利,适宜地埋管工程施工建设。

3.4岩石热物理性质

     据测试:砂岩的热导率范围为1.97-2.76W/(m?K),泥岩的热导率范围为2.65-3.2W/(m?K)。 地层温度测试将高灵敏度热感温度探头下入钻孔,每5m测试一组数据,数据采集仪采集频率为6ms,测试10组数据后,仪器经自动计算,取温度平均值。孔内单点测试时间不低于120s。测试时间为9月下旬,现场测试数据范围:深度0.0-100.0m,地温变化为19.0-19.7℃,温度变化梯度为0.7℃/100m,地温适宜地下埋管施工。

4 适宜性分析和评价

    四川红层区地层岩性以砂岩和泥岩互层为主,岩石可钻性好,适宜于回旋钻机和潜孔锤钻机钻进。钻探成本较平原区砂卵石层低,对换热孔成孔有利。

地层温度较为恒定,岩石热导率范围为1.97-3.2W/(m?K),适宜地源热泵开发利用浅层地温能。 从水资源分布和水文地质条件来看,红层区水资源较为贫乏,适宜利用埋管的方式。 总体上红层区适宜于以埋管方式开发和利用浅层地温能。

5 结论

    四川省红层区是人口最为集中的地区之一,经济条件相对较好。地质和水文地质条件、岩石热物理性质对开采和利用浅层地温能比较有利,成孔相对较为经济。但红层区水资源总体上较为贫乏,适宜于以埋管方式开发和利用浅层地温能。

来源:建材资讯