咸阳城区热储流体混合作用研究及模拟计算

周 鑫 ，马致远，席临平，豆惠萍

(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安710054)

咸阳城区热储流体混合作用研究及模拟计算

周 鑫 ，马致远，席临平，豆惠萍

(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安710054)

应用水文地球化学模拟方法对咸阳城区热储流体混合作用分析和混合比例的计算.结合研究区的地热地质和水文地质条件，进行地下热水混合作用和混合程度的研究.结果表明，咸阳城区地下热水在不同程度上都存在与较低温度地下热水的混合作用。应用PHREEQC模拟软件、稳定同位素D和温度计算热水与冷水的混合比例，估算在平衡条件下咸阳城区地下热水与冷水的混合比例在0.09～0.63之间。

地热流体;混合作用;模拟计算;PHREEQC

混合作用是指两种以上不同化学成分、不同矿化度的地下水混合后，形成一种与原来两者都不相同的地下水［1］。就地下水而言，其产生主要有三种条件:(1)当存在沟通不同含水层或地表水体与含水层水力联系的地质构造时;(2)当发生区域性或局部越流时;(3)混合开采或成井工艺不佳，导致来自不同含水层水在井管中混合时［2］。混合作用的研究，对认识地热水的形成条件极其化学成分的演化规律、对评价地热田的开发潜力等方面都具有非常重要的意义。长期以来，诸多学者对混合水的水文地球化学作用展开了深入地研究，包括海水入侵与淡水发生混合作用的时的水化学特征、水文地球化学作用［3］;地热水与地下水混合的水化学特征［4］;地下水在流动过程中发生的混合作用［5］等。

本文以咸阳地热田为研究区，以地下热水为研究对象，以水化学和PHREEQC软件为主要研究手段，并结合混合比例计算方法［6］，研究咸阳地区地下热水混合作用及估算混合比例，为咸阳地区地下热水的合理开发与利用提供科学依据。

1 研究区概况

咸阳地热田是关中断陷盆地地热田的一部分，东起泾河与渭河的交汇处，西至武功与扶风交界，南临渭河，北接宝鸡峡引渭工程北干渠。热田内已成功开凿探采结合井31眼，井深1 600～4 100 m，井口温度60℃ ～120℃，井口压力0.141 ～ 4 Mpa，单井涌水量 55 ～306 m3/h［7］。

咸阳地区主要构造形迹是渭河北岸断裂。此断裂西起宝鸡，经武功、咸阳、渭南向东延入豫西，在省内延长320 km，切割深度达20 km以上为一多期隐伏性深大断裂，其北为咸礼凸起，南为西安凹陷［8］。咸阳地热田目前已勘察和开采的有5个热储层位，即第四系三门组热储层，上第三系张家坡组热储层，上第三系蓝田—灞河组热储层，上第三系高岭群热储层，奥陶系岩溶热水层。研究区大部分井为蓝田—灞河组热储层热水，该储层岩性上部为浅棕色泥岩、砂质泥岩夹灰白色细砂岩;下部为棕褐色泥岩与灰白色、灰黄色细砂岩、粗砂岩、含砾中砂岩呈不等厚互层［9］。

图1 咸阳地热田交通位置及井位分布图

2 水化学特征及混合作用分析

2.1 散点图法

为了揭示咸阳地区地下水离子的分布特征，现把水样投在三线图上进行分析。从图2中可以看出，断裂北部的热水全部是Cl－Na型水，而断裂南部的热水比较复杂，主要有HCO3SO4– Na、HCO3－ Na、Cl HCO3SO4－ Na、Cl HCO3－ Na这几种水的类型，冷水得主要成分是HCO3、SO4、Na离子为主，矿化度都很低。而断裂南边的一些点与冷水点非常接近，说明在不同程度上断裂南边的水有一定的冷水混入，而断裂北边的点在piper图中无法显示有冷水的混入，同时也说明用piper图来分析混合作用有一定的局限性。

我们从piper图中可以看出，咸阳地区的热水温度各不相同，同时Cl离子的含量有明显的变化，因此用Cl离子分别和其他惰性离子还有TDS进行分析。在图3中可以发现，冷水点都位于坐标原点附近，而高温热水所在地点远远偏离坐标原点，而中低温的水点位于二者之间，由此可以分析出咸阳地区的热水有混合作用的生［10］。

图2 咸阳城区piper三线图

图3 咸阳城区水化学散点图

2.2 Na－K－Mg三角图

Na－K－Mg三角图用以反映水化学平衡状况及平衡温度，水样点位于完全平衡曲线上则说明地热水达到或近于平衡状态。除此之外，Na－K－Mg三角图也可用于识别地下热水的混合作用［11］。冷水的矿化度相对于热水的低，且水样点一般落在靠近Mg离子的部分，而热水点矿化度高，一般远离Mg离子的部分。

图4可以看出咸阳断裂南部、断裂北部冷水点都是靠近了Mg离子，咸阳南部的热水点中，有个别的压在平衡曲线上，大部分点靠近平衡曲线，而咸阳北部的热水点全部位于半饱和区域，并且在咸阳断裂南部热水点与咸阳断裂北部冷水点之间，说明北部的热水有冷水的混入，而南部的热水有少量的冷水混入，没有北部的热水混入量大。

图4 咸阳城区Na－K－Mg三角图

2.3 Na－K－Ca地热温标法

Na－K－Ca地热温标对识别地下热水与冷水的混合作用有良好的效果。Fournier和 Tusedell A.H.在1973年研究结果表明了，当Na－K－Ca地热温标的计算温度较大程度的高于温泉的出口温度时，热水与冷水就可能发生了混合作用［12］。现将所选的井利用Na－K－Ca地热温标进行计算，计算结果见下表1。

从Na－K－Ca地热温标远大于井口温度的程度来看，咸阳地区无论是断裂以南还是断裂以北都有不同程度的混合作用。

2.4 水—岩平衡法

一般情况下，地下热水长期埋藏在地下，与围岩中的矿物达到了平衡的状态，当有冷水的混入时，混合水与围岩矿物没有达到新的平衡的情况下，混合作用对水—岩平衡关系的影响集中地表现为矿物 T—SI关系曲线的向下平移［12］。因此运用PHREEQC软件对每一口进行饱和指数计算，并且对每一口井，在不同温度下不同矿物的饱和指数进行计算。通过计算结果绘制温度与矿物的折线图。

图5 咸阳断裂北岸SP1号井SI－T对比图

表1 咸阳城区地热井温度计算结果表

笔者在断裂以南和断裂以北各取一口井进行说明，图5、6 a中是在不考虑有冷水混入的情况下绘制的温度与各矿物的饱和指数折线图，从中可以发现，各个矿物曲线交汇的不好，主要是由于水—岩反应没有达到平衡所造成，而b中的图是取掉一部分的冷水后，所绘制出的温度与各矿物的饱和指数折线图，当去掉一部分的冷水以后，各个矿物的曲线在温度大于100℃处交汇，说明在热储层，温度在100℃以上时达到水—岩平衡。因此，从图5、6中可以得出，当去掉一部分冷水时，各矿物达到平衡状态，说明有冷水的混入。

图6 咸阳断裂南岸帝都花园井SI－T对比图

3 混合比例计算

地下水的混合作用可以用18O或2H关系来分析和定量表达［13］。且其结果较大多数的化学溶液具有稳定，准确等特点。由于咸阳地区18O的漂移作用，研究中用D来计算混合比例。混合比例的计算原理如下式所示。

其中δ热取帝都花园的 δ18D最小值为参考点，δ热=－73.487，δ冷根据经验计算，δ= －53.2，计算结果如表1。

由于研究区同位素数据不足，因此再选取两种计算混合比例的方法:用温度计算和PHREEQC软件模拟。

用温度来计算混合比例是另外一种行之有效的计算方法，也能一定程度反应冷热水的混合情况［4］。计算原理和同位素方法相同。本研究区的冷水温度取平均值，T冷=20℃.T热的取值，根据前面章节对热储温度的估算，我们以水岩反应最好的步长集团的温度作为参考点，即T热=130℃，计算结果如表1。

利用PHREEQC软件在多矿物平衡模拟时，在有冷水混入的情况下，各种矿物无法达到平衡，因此认为的去除一部分冷水后再进行软件模拟，直至各矿物达到平衡，记下去除水分的量，结果见表2。

通过三种计算混合比例的方法得到，运用温度计算混合比例方法得到的结果与利用同位素D和软件模拟得到的结果相差很大，而用同位素D计算混合比例和软件模拟得到的结果十分接近。由此可见，利用温度计算混合比例得到的结果有很大的误差，原因可能是数据中的温度反映的是井口温度，而不是热储层的温度，在计算混合比例时出现了误差;另一方面，在热储层中，可能还有其他的热水混入。

表2 混合比例计算结果对比表

4 结论

(1)研究区断裂以南和断裂以北封闭条件都很良好，但通过对水化学组分分析、利用Na－K－Mg三角图法、Na－K－Ca地热温标法及水—岩平衡法分析得出，咸阳地热田热水有明显的混合作用。造成混合作用的原因一方面可能是在地下热水开采过程中，止水不足，有冷水的混入;还有另一方面可能由于断裂的导通，导致其他层的低温水混入造成混合作用。

(2)利用同位素D值和PHREEQC软件模拟计算混合比例可以得到，研究区混合比例的范围在0.09～0.63之间。地下热水中Cl离子含量的变化规律指示了其对应的开采强度下混合比例的变化规律，为合理开发利用地下热水提供了依据。咸阳断裂南岸的混合作用较断裂北岸强烈，主要原因是断裂北岸的井都打在断裂带附近，断裂北岸的导水性较南岸好。

［1］朱学愚，钱孝星.地下水水文学［M］.北京:中国环境科学出版社.2005.

［2］张晓伦，梁杏，孙敬.奇村地热田水化学特征及其混合作用模拟［J］.水文地质工程地质.2007(6).

［3］邹胜章，朱远峰，陈鸿汉.大连大魏家滨海岩溶区海水入侵化学过程［J］.海洋地质与第四纪地质.2004:2月第24卷(1).

［4］郑西来，郭建青.地热系统中的混合作用及其应用研究［J］.西安地质学院学报.1996:12月第18卷(4).

［5］马致远，钱会，黄建勋.关中盆地南部含水层间相互关系的环境同位素水文地球化学证据［J］.地球科学与环境学报.2006:第26卷(2).

［6］马致远，钱会.水文地球化学［M］.北京:地质出版社.2005.

［7］陈健.咸阳地热田地质构造特征与形成机制研究.陕西煤炭［J］.2009:(2).

［8］刘文辉，胡雪生，邢宪生.咸阳市区地下热水化学特征［J］.陕西地质.第17卷(2).

［9］李晓华，南小康，苏英.渭河北岸断裂对咸阳地热田的影响［J］.安徽农业科学第37卷(32).

［10］Arnorsson，S，1985，The use of mixing model and chemical geothermometers for estimating underground temperature in geothermal system［J］.Volc，Geotherm.Res.，23，299－335.

［11］杜少平.利用混合模型评价西藏羊易地热田热储热流体温度［J］.1994 － 2011.

［12］钱会.水溶组分平衡分布计算及其水文地质应用［M］.西安地图出版社.2002.9.

［13］马致远，钱会.环境同位素地下水文学［M］.陕西科学技术出版社.2004.7.

Studies of Mixing and Model Calculation of the Geothermal Systems in Xianyang

ZHOU Xin，MA Zhi－ yuan，XI Lin － ping，DOU Hui－ ping，HOU Chen，YAN Hua，LITing，HU Wei－ wei
(School of Environmental Sci.and Eng.，Chang an University，Xi’an 710054，Shaanxi)

Application of hydro－geochemical simulation method for geothermal fluid mixing analysis and calculation of the mixture ratio in Xian Yang.Combined with the geothermal geology and hydrogeology conditions，the geothermal water mixing and mixed degree for research.The research shows the geothermal water and the colder water existed different degree the mixing action in Xian Yang city.Application of PHREEQC software simulation，stable isotopes D and temperature calculation with the colder water mixture ratio of geothermal water，under the balance conditions，the geothermal water and the colder water of mixture ratio was between 0.09 and 0.63 proportions in Xian Yang city.

Geothermal water;mixture;simulation and PHREEQC

P314

A

1004－1184(2012)03－0036－04

2012－02－15

周鑫(1986－)，男，陕西咸阳人，在读硕士研究生，主攻方向:环境同位素地下水文学。