吳立進，趙季初，李艾銀，邢生霞

(1.山東省地礦工程勘察院,山東濟南 250013;2.山東省魯北地質工程勘察院,山東德州 253000；3.山東省第一地質礦產(chǎn)勘查院,山東濟南 250013；4.山東省國土測繪院,山東濟南 250013)

?

魯北坳陷區(qū)地熱資源開發(fā)利用關鍵性問題研究

吳立進1，趙季初2，李艾銀3，邢生霞4

(1.山東省地礦工程勘察院,山東濟南 250013;2.山東省魯北地質工程勘察院,山東德州 253000；3.山東省第一地質礦產(chǎn)勘查院,山東濟南 250013；4.山東省國土測繪院,山東濟南 250013)

魯北坳陷區(qū)地熱資源豐富，但由于缺乏有效補給來源，長期過量開采將會引起水位持續(xù)下降、地熱沉降等地質環(huán)境問題。本文在總結區(qū)內(nèi)地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎上，系統(tǒng)研究了最大允許水位降深、合理布井井距、尾水回灌等影響地熱資源合理開發(fā)利用的關鍵性問題?？梢钥闯?，在以消耗靜儲量為主的沉積盆地型地熱田，通過科學規(guī)劃，可以實現(xiàn)地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用，為生態(tài)文明建設和發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟提供動力。

魯北坳陷區(qū) 地熱資源 可持續(xù)開發(fā)利用

0 引言

魯北坳陷區(qū)在大地構造格局上屬于華北板塊，其基底為太古界變質巖，之上發(fā)育著一套地臺型的中、上元古界和以海相碳酸鹽巖為主的下古生界以及海陸交互相的上古生界蓋層。區(qū)內(nèi)地熱資源豐富，屬沉積盆地型層狀熱儲。熱儲層主要為新近紀明化鎮(zhèn)組下段、新近紀館陶組、古近紀東營組以及寒武-奧陶系灰?guī)r(趙季初，2008；蔣林等，2013)。受經(jīng)濟、技術條件等限制，目前區(qū)內(nèi)大規(guī)模開發(fā)利用的熱儲層位為館陶組和東營組砂巖熱儲 (圖1)。

館陶組熱儲層厚度一般為250m～400m，其中砂層厚度一般為30m～200m。在取水段1000m～1500m深度內(nèi)，單井出水量為40m3/h～80m3/h，自流量為10m3/h～40m3/h，自流水頭為0～8m。熱水礦化度為4g/ l～20g/ l，水化學類型以Cl-Na型為主，井口水溫一般為45～65℃。東營組熱儲層累計厚度10m～200m，單井出水量為30m3/h～60m3/h，礦化度為7g/l～20g/l，水化學類型為Cl-Na、Cl·SO4-Na·Ca型，井口水溫為50℃～70℃。

1 開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在問題

1.1 開發(fā)利用現(xiàn)狀

根據(jù)最新統(tǒng)計，整個魯北地區(qū)共有地熱井400余眼，井深多在1200～1700m之間，最大深度超過了2500m。地熱流體總開采量為4700×104m3/a。開發(fā)利用方式以供暖、洗浴、療養(yǎng)、養(yǎng)殖、種植為主(徐軍祥等，2014)。

1.2 開發(fā)利用中出現(xiàn)的問題

區(qū)內(nèi)地熱流體缺乏有效外部補給，開采以消耗自身靜儲量為主。經(jīng)過幾十年的大規(guī)模開發(fā)利用，地熱流體水頭已經(jīng)出現(xiàn)持續(xù)下降現(xiàn)象。另外在開發(fā)利用過程中，利用模式單一，主要用于供暖、洗浴，沒有形成對地熱資源的梯級開發(fā)，存在地熱資源浪費問題。利用后的尾水排放溫度較高，熱利用率低，部分尾水直接排放到周圍環(huán)境中，又引起地表水體和土壤的二次污染。再者區(qū)內(nèi)地熱流體礦化度高，腐蝕性強，導致開采設備使用壽命較短，經(jīng)濟效益不高。這些問題均對區(qū)內(nèi)地熱資源的開發(fā)利用造成不利影響，制約著這一清潔能源的可持續(xù)開發(fā)。

圖1 魯北坳陷區(qū)地層剖面圖(德州段)Fig.1 Stratigraphic section of depression area in northern Shandong (Dezhou) 1-第四系；2-新近紀明化鎮(zhèn)組；3-新近紀館陶組；4-古近系；5-石炭系-二疊系；6-奧陶系；7-太古宇；8-地溫梯度線(℃/100m)； 9-地層界線；10-斷裂構造1-Quaternary; 2-Minghuazhen Formation of Neogene; 3-Guantao Formation of Negene; 4-Paleogene; 5-Permian-Carboniferous; 6-Ordo-vician; 7-Archean; 8-geothermal gradient contour (℃/100m); 9-stratigraphic boundary; 10-fault

2 關于最大允許水位降深問題

魯北坳陷區(qū)地熱資源集中開采區(qū)目前已經(jīng)出現(xiàn)了水位持續(xù)下降的現(xiàn)象(圖2)。根據(jù)目前國內(nèi)對深層地下水的研究成果，在沒有上覆固結巖層的砂巖熱儲層中地熱流體水位持續(xù)下也降必將會引發(fā)地面沉降等地質環(huán)境問題(楊麗芝，2009；張永偉，2014)。因此在計算地熱資源量時，設定最大允許水位降深，以實現(xiàn)清潔能源的可持續(xù)開發(fā)利用與地質環(huán)境問題的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

多年來，國內(nèi)針對華北平原的地面沉降問題做了大量工作，取得了一批研究成果。從中可以得出，當?shù)叵滤宦裆畛^70m時，地面沉降將會呈現(xiàn)加速狀態(tài)，并呈現(xiàn)出線性關系(郭永海等，1995；石建省，2006；呂慶玉等，2014)。本處采用通過長期動態(tài)監(jiān)測資料建立的地下水位埋深與累計沉降量回歸模型(楊勇等，2013；朱菊燕，2014)，近似計算地熱流體開采所引發(fā)的的地面沉降量。公式為：

S=73.086X-4806.6

其中：S為累計地面沉降量，單位為mm；X為地下水位埋深，單位為m。

圖2 山東省德城地熱井水位動態(tài)曲線Fig.2 Dynamic curve of water level in Dezhou geothermal well

2013年，針對全國地面沉降防治的嚴峻形勢，國土資源部發(fā)布了《全國地面沉降防治規(guī)劃(2011-2020年)》，其中德州平原的控制目標：為到2015年，年沉降速率為30mm；到2020年，年沉降速率控制在20mm。

按照地熱流體開采年限100a，年沉降速率控制在20mm計，通過上式計算可以得出地熱流體水位埋深應在100m左右。因此在魯北坳陷區(qū)開采沒有上覆固結巖層的砂巖熱儲地熱流體，最大允許水位降深應該控制在100m。目前該地區(qū)內(nèi)尚沒有建立基于地熱流體開采的分層地面沉降標，館陶組和東營組地熱流體水頭分別下降相同數(shù)值時，是否會引發(fā)地面沉降尚不明確，還需要今后更多的相關動態(tài)監(jiān)測資料以更加精確地計算最大允許水位埋深值。

3 關于合理井距問題

地熱資源作為綠色清潔能源，如何使其發(fā)揮最大效能顯得尤為重要。井距過大雖然有利于保護地熱資源，但也會抑制其開發(fā)利用。井距過小，則會造成地熱流體水位下降過快，使地熱田的使用壽命縮短，不可持續(xù)(王昌平，2006；張德忠等，2013)。目前部分研究資料在確定合理井距時，采用穩(wěn)定流抽水試驗方法確定影響半徑R后，將2R作為合理井距。這種方法存在一定弊端，首先在地熱流體開采過程中，基本不會出現(xiàn)穩(wěn)定流的形態(tài)，其次此方法計算的結果偏保守，不利于地熱資源的合理開采。

在分析現(xiàn)有計算方法的基礎上，本處采用100a內(nèi)允許開采的地熱流體總量反推合理井距的方法。

首先根據(jù)地熱資源相關規(guī)范計算開采期內(nèi)地熱流體總開采量所釋放的總熱量，然后計算出單個地熱井在設定開采量條件下，開采期內(nèi)釋放的總熱量，據(jù)此可以計算出區(qū)內(nèi)可以布設的總井數(shù)。按照影響范圍為圓形，井距即為該圓直徑(2r)。

3.1 地熱流體開采期內(nèi)所釋放的總熱量：

Qw=TQsPwCw(tw-t0)

(式3-1)

其中：Qw—地熱流體開采期內(nèi)排放的總熱量；Qs—地熱流體開采量(m3/d)；ρw—地熱流體密度(kg/m3)；Cw—地熱流體比熱(J/kg·℃)；tw—地熱流體平均溫度(℃)；t0—恒溫層溫度(℃)；T—100a累計開采天數(shù)(張德忠等，2013)。

在實際計算過程中，將T和Qs轉換為最大允許水位降深約束條件下，開采期內(nèi)地熱流體總開采量，公式3-1可修改為：

Qw=QPwCw(tw-t0)

(式3-2)

其中：Q—開采期內(nèi)地熱流體總開采量m3。

目前國內(nèi)對地熱資源開采量構成屬性尚沒有很細致的研究，而深層地下水的性質在某些方面與地熱流體類似。在沉積盆地深層地下水資源的構成屬性方面，國內(nèi)研究較多，因此可以參考深層地下水構成屬性類比地熱資源開采量的構成屬性。按照目前華北平原已有的深層地下水勘查評價資料，弱透水層壓密釋水量約為總開采量的40%左右，越流補給量約為40%(石建省等，2006；王欣寶，2013；朱菊燕，2014)。因此可以將地熱資源開采量按照式3-3進行估算。

Q=5AHS*

(式3-3)

其中A—熱儲層的面積(m2)，根據(jù)已有勘查資料，共2726km2；H—地熱流體的水位降深(m)，取值為100；S*—彈性釋水系數(shù)。

地熱流體的密度(ρw)相對于中低溫地熱田來說變化不大，可以取平均值980kg/m3，地熱水的平均比熱(Cw)為4187 J/kg·℃ 。S*根據(jù)地下水動力學可知，為貯水率Ss與熱儲層厚度D的乘積。在東營市勝東1井通過現(xiàn)代試井技術求取的館陶組熱儲砂巖的貯水率(μ)為4.267×10-6m-1，計算的貯水系數(shù)即彈性釋水系數(shù)(S*)為3.74×10-4。德城區(qū)非穩(wěn)定流抽水試驗求取的彈性釋水系數(shù)為2.99×10-4，反推的貯水率為3.41×10-6m-1。因此，本次計算中彈性釋水系數(shù)采用平均貯水率3.84×10-6m-1求取。

3.2 計算單個地熱井設定開采量的釋放總熱量：

Qr=K[DρrCr(1-φ)+50×365qρwCw](tw-t0)

(式3-4)

其中：K—地熱流體回采率，砂巖層狀熱儲一般取值0.25；D—熱儲砂層厚度(m)；Ca—熱儲平均熱容量(J/m3·℃)；ρr—巖石密度(kg/m3)，具體數(shù)值可以通過《地熱資源地質勘查規(guī)范》(GB/T11615-2010)查表所得；Cr—巖石比熱(J/kg·℃)；Φ—孔隙度(%)，一般為0.25～0.30，本次取值0.28；q—地熱流體開采量(m3/d)；地熱井的服務年限按50a計。

從魯北地區(qū)已施工地熱井的巖石樣品測試結果來看，館陶組砂巖平均密度(ρr)為1720kg/m3，巖石平均比熱(Cr)為1088J/kg·℃。

3.3 計算區(qū)內(nèi)可布井數(shù)

依據(jù)熱均衡原理，單個地熱井地熱流體開采所釋放的總熱量(Qr)與地熱流體開采100a排放總熱量(Qw)保持均衡，則總的可布井數(shù)為：

F=QW/Qr

(式3-5)

將所有計算參數(shù)分別帶入以上計算公式，可得到：F=1156D/q，從而合理井距2r為：

從最終結果可以看出，在魯北坳陷區(qū)，地熱井的合理井距主要與地熱流體的開采量和熱儲厚度相關，表1為計算的館陶組熱儲合理井距理論值。

表1 魯北坳陷區(qū)館陶組熱儲地熱井合理井距理論值

Table 1 Theoretical values of well spacing for geothermal reservoirs in Guantao Formation

開采量(m3/d)熱儲厚度(km)280250210180150120905002.312.452.672.893.163.544.088002.933.103.383.654.004.475.1610003.273.463.784.084.475.005.7712003.593.794.144.474.905.486.3214003.874.104.474.835.295.926.8316004.144.384.785.165.666.327.3020004.634.905.355.776.327.078.16

4 關于地熱尾水回灌問題

魯北坳陷區(qū)地熱資源缺乏有效補給來源，地熱流體的開采會引起熱儲壓力持續(xù)下降，水頭持續(xù)降低。同時，開發(fā)利用方式主要為冬季供暖，供暖后的地熱尾水直接排放入城市污水管道，不僅嚴重浪費了清潔寶貴能源，也使城市污水處理能力面臨嚴峻挑戰(zhàn)(馬鳳如等，2006；張金華等，2013)。由于供暖后尾水水質基本上沒有變化，僅溫度發(fā)生了變化，因此可以采用合理的工程措施將供暖尾水回灌熱儲層，一方面解決了尾水排放問題，另一方面也可維持地熱流體水頭高度。

4.1 回灌基本情況

回灌地點位于德州市，分為開采井和回灌井，兩者直線間距311m。開采井和回灌井的熱儲層均為新近紀館陶組，其中開采井靜水位埋深為30.2m，回灌井靜水位埋深為30.0m?；毓嗖捎脤㈤_采井的地熱流體采出后，經(jīng)除鐵、除砂等工藝后直接灌入回灌井，回灌水的溫度在50℃～54℃，略低于回灌井熱儲層溫度(55℃)?；毓嗖捎糜袎悍绞?，共進行3個壓力段試驗，分別為0.16、0.19、0.22MPa。累計回灌時間10105分鐘，累計回灌量2832.62m3?；毓鄩毫εc回灌量歷時曲線如圖3所示。

圖4反映出，回灌量受回灌壓力影響，基本呈現(xiàn)出線性相關關系，隨著回灌壓力的增大，回灌量也增大，客觀地反應出了熱儲層的回灌性能較好，可以開展地熱流體回灌。

4.2 回灌結果分析

4.2.1 回灌量-回灌時間關系分析

通過分析回灌過程曲線，選取延續(xù)性較好的0.19MPa下從7140min到8290min時間段，根據(jù)不同回灌延續(xù)時間的回灌量，對回灌量與回灌時間的關系進行分析研究，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

圖3 不同回灌壓力與回灌量變化歷時曲線Fig.3 Temporal curves of reinjection quantity and pressure

圖4 回灌壓力與回灌量關系曲線Fig.4 Reinjection pressure versus reinjection quantity

表2 0.19MPa壓力下不同回灌時間的回灌量Table 2 Reinjection quantity at different timeundel pressure 0.19MPa

圖5 0.19MPa時回灌量與回灌時間關系曲線圖Fig.5 Temporal curve of reinjection quantity

從回灌量與回灌時間關系曲線(圖5)可以看出，回灌量與回灌延續(xù)時間呈指數(shù)函數(shù)關系，二者呈負相關關系，即同一回灌壓力下隨著回灌時間的延續(xù)回灌量逐漸減小。這主要是由于隨著回灌時間的延續(xù)，熱儲層孔隙受到物理堵塞和化學堵塞越來越嚴重，從而導致回灌量會越來越小。在回灌結束后進行了回揚，回揚初期回揚水乘棕紅色，水量稍小。之后隨著回揚的延續(xù)，回揚水逐漸清澈透明，水量也逐漸恢復到與回灌前涌水量一致，驗證了回灌過程中熱儲層出現(xiàn)一定的堵塞現(xiàn)象。

4.2.2 回灌量-水頭升高關系分析

回灌試驗只進行了原水回灌，未采用外來水源，僅對回灌井中水頭升降進行了觀測，未研究回灌對周圍水頭升降的影響。從回灌水量與回灌井水頭升高關系曲線圖(圖6)可知，回灌對水頭有著重要影響，二者呈正相關關系，大致符合冪函數(shù)關系，水頭隨著回灌量的增大而升高。

圖6 0.19MPa時回灌量與水頭升高關系曲線圖Fig.6 Curve of reinjection quantity versus water head rise

在回灌過程中，對回灌井和抽水井相同的水頭變幅下回灌水量和抽水量進行了對比(表3，圖7)，可以看出，在相同的水頭升高或下降值時，回灌量僅為抽水量的13～38%，從中可以看出，熱儲含水層的回灌性能要遠遠弱于涌水性能。

表3 回灌井與抽水井試驗對比Table 3 Comparison of tests in reinjection well and pump well

4.2.3 回灌對水質、水溫、水量的影響

長期進行地熱尾水回灌，受回灌水水質、回灌方式、回灌時間等因素影響，熱儲層的水質、水量、水溫等可能會發(fā)生變化，從本次試驗中可以總結出其變化規(guī)律。

圖7 回灌水量與抽水水量對比Fig.7 Comparison of reinjection water quantity and pumping water quantity

1)水質變化

回灌試驗采集了回灌井試驗前、后的水質分析樣，從回灌試驗水質分析結果可以看出，試驗前、后，回灌井(熱儲層)水質基本上無明顯變化。

2)水溫變化

受回灌條件限制，回灌僅為驗證回灌量隨壓力、時間變化過程，因此采用了同溫回灌方式進行。從開采井將地熱流體抽出后，經(jīng)泵房除鐵、除砂加壓后灌入回灌井?；毓嗨疁鼗颈３衷?0～54℃，略低于回灌井水溫(55℃左右)，根據(jù)水溫監(jiān)測結果，回灌井水溫在回灌前后無明顯變化，基本保持在55℃左右?？梢?，在采用同層地熱流體進行回灌，在溫度相差不大的情況下，回灌不會對回灌井水溫產(chǎn)生影響。根據(jù)王坤、朱家玲等人做的非同溫熱水回灌研究，若回灌水溫與抽水井水溫溫差在75℃左右時，兩井間距保持在800m左右時，20～30年內(nèi)不會出現(xiàn)熱突破。

3)水量變化

前已述及，回灌量隨回灌壓力的增大而增大，隨著回灌時間的延續(xù)，同一回灌壓力下回灌量會越來越小。進行回揚后，回灌量又恢復至初始狀態(tài)?？梢钥闯?，回灌會對水力通道造成一定的堵塞，隨著回灌時間的延續(xù)回灌量會逐漸衰減。而回揚則是目前較為有效的解決手段。

5 結論

(1)魯北地區(qū)地熱資源缺乏有效補給，在計算評價地熱田可開采資源量時，應設定最大允許水位降深為約束條件，以避免因長期開采地熱流體引發(fā)地面沉降等地質環(huán)境問題。但目前針對開采地熱流體引發(fā)的地面沉降缺乏有效動態(tài)監(jiān)測資料，對于其沉降機理是否與開采地下水所引發(fā)的地面沉降機理一致，還需今后加強不同熱儲層的沉降監(jiān)測標建設來驗證。

(2)在設定的最大允許水位降深條件下，計算出魯北坳陷區(qū)地熱井合理布井井距一般為2～5km，在長期動態(tài)監(jiān)測資料驗證下，可以為制定地熱資源開發(fā)規(guī)劃提供參考。

(3)地熱尾水回灌是解決開采地熱資源引發(fā)地面沉降的根據(jù)途徑。在魯北坳陷區(qū)開展地熱尾水回灌，回灌量隨著回灌壓力的增大而增加。隨著回灌時間的延續(xù)，同一回灌壓力下，回灌量越來越小。在經(jīng)過充分回揚后，回灌量恢復至初始狀態(tài)。相同的回灌井水頭升高值和抽水井水頭下降值，回灌量僅為抽水量的13%～38%，顯示出回灌性能要遠弱于涌水能力。

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Key Issues of Geothermal Resource Exploitation and Utilization in the Depression Area of Northern Shandong Province

WU Li-jin1,ZHAO Ji-chu2, LI AI-yin3,XING Sheng-xia4

(1.ShandongProvincialGeo-engineeringExplorationInstitute,Jinan，Shandong250014；2.LubeiGeo-engineeringExplorationInstitute,Dezhou,Shandong253072;3.TheFirstInstituteofGeologyandMineralExplorationofShandongProvince,Jinan,Shandong250013;4.ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping,Jinan,Shandong250013)

There are abundant geothermal resources in the depression area of northern Shandong Province. However, long-term over-exploitation of these resources would cause some geo-environmental problems, such as continual water level drawdown and land subsidence. This paper analyzes systematically the maximum allowable drawdown, reasonable well spacing and trail water reinjection on the basis of ascertaining the current status of geothermal resource development. The results suggest that sustainable development of geothermal resources in the sedimentary basin fields can be achieved by scientific planning, providing green power for eco-system construction and economic development in this region.

depression area of Shandong north,geothermal resource, key issues

2015-03-09；

2015-12-22；[責任編輯]陳英富。

山東省地熱資源與開發(fā)利用研究項目(魯?shù)刈諿2013]64號)資助。

吳立進(1983年-)，男，工程師，主要從事水工環(huán)地質工作。E-mail:wljts265@163.com。

634

A

0495-5331(2016)02-0300-07

Wu Li-jin, Zhao Ji-chu, Li Ai-yin, Xing Sheng-xia. Key issues of geothermal resource exploitation and utilization in the depression area of northern Shandong Province [J]. Geology and Exploration, 2016, 52(2):0300-0306