蘇永強

(河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊，河北 衡水 053000)

0 引言

根據(jù)地熱資源勘查規(guī)范，地熱水儲存量包括容積儲存量與彈性儲存量兩部分，容積儲存量是指熱儲層空隙中儲存的熱水量，彈性儲存量是指熱儲層壓力降低而釋放出來的熱水量。對于承壓水而言，當水位處于含水層頂板以上時，容積儲存量是不能被開采出來的，已開采出的地熱水只能是彈性儲存量。經(jīng)計算，地熱水彈性儲存量僅相當于儲存量的0.2%～0.5%，如將靜水位控制在200 m深時則彈性儲存量占比更是小于0.1%。近年來，研究人員針對地熱資源儲量評價開展研究較多，在對河北平原地熱流體可開采量進行計算時，大部分是采用熱儲法、解析法、可采系數(shù)法和統(tǒng)計分析法等方法[1-6]。計算結(jié)果表明，按照開采系數(shù)法、解析法、統(tǒng)計分析法、數(shù)值模擬法等不同方法計算的地熱水可開采量相當于儲存量的1%～10%[7]，遠大于彈性儲存量。因此，本文以河北平原新近系館陶組熱儲為研究對象，以辛集集中開采區(qū)為例，采用地下水均衡法計算地熱水的構(gòu)成，分析存在上述差距的原因，探索集中開采區(qū)地熱水可開采量的方法。這一研究對河北平原的地熱資源可持續(xù)利用具有一定意義。

1 河北平原新近系館陶組熱儲概況

1.1 熱儲分布特征

河北平原館陶組熱儲層一般分布在河北平原的斷陷部位，厚度200～900 m，底界埋深大部分地區(qū)在1 400～1 600 m之間。館陶組巖性顆粒較粗，為河流—淺湖相含礫砂巖，熱儲層單層厚度為3～13 m，砂巖占地層厚度比例為40%～50%，有效孔隙度為24%～33%。地熱井單井涌水量一般為1 000～2 000 m3/d，熱水溫度為56～85 ℃[8]。

辛集集中開采區(qū)分布于辛集市城區(qū)附近，館陶組熱儲為區(qū)內(nèi)主要開采層，具有埋藏適中、水溫較高、出水量大的特點。館陶組頂板埋深 910～1 595 m，底板埋深1 438～1 964 m，自西南到東北逐漸加深，沉積厚度一般在220～500 m，局部地帶達700 m以上，孔隙度平均為23.35%，熱儲中部溫度為55～70 ℃。根據(jù)產(chǎn)能試驗資料，單井涌水量為65～120 m3/h，水溫為50～64 ℃[9](圖1)。

圖1 辛集集中開采區(qū)地熱地質(zhì)條件

1.2 水位特征

平原區(qū)地熱水多年水位動態(tài)受多年人工開采影響，已表現(xiàn)出明顯下降趨勢，區(qū)域水位已經(jīng)由開采初期的自流降至目前的40～60 m，特別是在城鎮(zhèn)開采較為集中的地區(qū)，水位已超過150 m[10]。據(jù)2018年調(diào)查數(shù)據(jù)，館陶組熱儲已經(jīng)形成53個集中開采區(qū)，分布面積3 118 km2。例如辛集集中開采區(qū)的辛熱2井，利用熱儲為新近系館陶組，從1999年9月初始水位10 m至2012年7月地熱井靜水位下降到82.8 m，12年間平均降速5.6 m/a，2012年后隨著逐步進行回灌水位下降速度隨之緩慢，至2018年7月靜水位下降到97.4 m，6 a間平均降速為2.4 m/a，年平均降速明顯減小(圖2)。

圖2 辛熱2井多年水位變化曲線

1.3 地熱水資源量

根據(jù)最新調(diào)查成果數(shù)據(jù)，河北平原館陶組熱儲分布面積為5×104km2，地熱水儲存量為15 705×108m3，非回灌條件下年可開采量為3.5×108m3/a，開采年限按100 a計算，開采量占地熱水儲存量的2.2%。 53個館陶組熱儲集中開采區(qū)分布面積為3 118 km2，地熱水儲存量達1 331×108m3，非回灌條件下可開采量為0.65×108m3/a，占地熱水儲存量的4.9%。另外，分別統(tǒng)計了冀中臺陷京南段、臨清臺陷北段、安國集中開采區(qū)和辛集集中開采區(qū)的地熱水儲存量、彈性儲存量和可開采量(表1)，其中冀中臺陷區(qū)以現(xiàn)狀水位為基礎(chǔ)，按照開采100 a控制水位埋深200 m計算，所得的彈性釋水量為8 306×104m3，遠小于可采系數(shù)法計算的可采資源量。據(jù)統(tǒng)計，2018年冀中臺陷地熱水凈開采量約2 910×104m3，區(qū)域水位埋深在30～50 m[11]，由此可見，地熱水的開采資源不僅僅為計算的彈性儲存量，還包括其他的來源。

表1 河北平原部分區(qū)域和集中開采區(qū)地熱水儲存量[9，11]

1.4 開發(fā)利用現(xiàn)狀

截至2018年，河北省平原區(qū)有地熱開采井1 879眼，回灌井348眼，年開采量約1.9×108m3，年回灌量約3 926×104m3。地熱資源開發(fā)主要集中于平原區(qū)市區(qū)、縣城和一些重要鄉(xiāng)鎮(zhèn)，從而形成了集中開采區(qū)。集中開采區(qū)年開采量約0.9×108m3，集中開采區(qū)分布面積占平原區(qū)地熱資源分布面積的6.1%，但現(xiàn)狀開采量占51.4%，可見平原區(qū)地熱資源開發(fā)利用主要位于集中開采區(qū)[12]，因此，準確評價集中開采區(qū)的地熱流體可開采量具有重要的意義。

2 地熱水來源及構(gòu)成分析

按照地下水的類型分類，地熱水屬于承壓水，其儲存量由容積儲存量和彈性儲存量兩部分組成，當?shù)責崴惶幱诤畬禹敯逡陨蠒r，容積儲存量是不能被開采出來的，已開采出的地熱水只能是彈性儲存量。集中開采區(qū)由于多年開采，地熱水位大幅下降，同周邊及上覆明化鎮(zhèn)組地熱水形成了較大的水頭差，造成周邊和上覆明化鎮(zhèn)組地熱水向集中開采區(qū)補給。按照地下水均衡的理論，地熱水開采資源除了因地下水位下降引起的彈性釋水量，還應(yīng)包括側(cè)向補給量、越流補給量和弱透水層的釋水量。

2.1 容積儲存量

容積儲存量是指含水層空隙所儲存的重力水體積，由含水層體積與給水度相乘求得。含水層并不是連續(xù)分布，而是由厚度不等的若干含水層和弱透水層間隔分布，在區(qū)域評價中熱儲厚度一般為地層厚度和砂厚比的乘積，空隙度為各砂層的平均值。熱儲厚度和空隙度是分別利用物探測井中的電阻率和聲波時差進行解譯的，但在解譯中通常只考慮厚度較大的砂層，對于厚度小于0.5 m的砂層夾層則忽略不計(表2)； 另外，泥巖中也存在一定的空隙，其綜合空隙率在1%左右，其中賦存的水量也是容積儲存量的一部分[13]。

表2 某地熱井館陶組地層測井解釋成果

2.2 彈性儲存量

彈性儲存量是指承壓含水層或弱透水層由于水頭壓力降低引起巖層壓縮和水的膨脹而釋出的水量，其中彈性釋水系數(shù)作為最關(guān)鍵的參數(shù)，直接影響彈性儲存量的計算精度。水的膨脹釋出的水量可由水的壓縮系數(shù)直接求出，巖層膨脹釋出的水量可根據(jù)巖石空隙壓縮系數(shù)求取。根據(jù)相關(guān)文獻[14]，當壓力(P)下降時巖石的膨脹等于空隙體積的縮小，巖石空隙壓縮系數(shù)(Cp)與空隙度(Φ)的定量關(guān)系式為Cp=33.27×P-0.673 84×1.069 52Φ10-4MPa-1，由此計算出館陶組熱儲埋深在1 500 m時彈性儲存量約占容積儲存量的1.39%，較以往地熱資源評價結(jié)果偏大3～5倍(表3)。

表3 辛集市館陶組熱儲地熱水彈性儲存量計算

2.3 側(cè)向補給量

傳統(tǒng)觀點認為地熱水是現(xiàn)代降水和古降水的混合水，大氣降水在斷陷區(qū)周邊沿裂隙垂直入滲，然后側(cè)向徑流補給新近系館陶組熱水，徑流方向由西、西北向東、東南部徑流，其徑流遲緩，補給量微弱。隨著平原區(qū)館陶組地熱水的多年開采，區(qū)域水位已經(jīng)由開采初期的自流降至目前的30～50 m，其水力坡度在1‰左右，在部分集中開采區(qū)水位已超過150 m，形成了以集中開采區(qū)為中心的降落漏斗區(qū)，地下水徑流方向多為由四周向漏斗中心徑流，水力坡度最大超過1%[15-16]。此時對于地熱田或集中開采區(qū)而言，其開采資源量有很大一部分是由側(cè)向徑流提供的。

2.4 越流補給量

河北平原館陶組熱儲上覆明化鎮(zhèn)組熱儲，二者之間被較為穩(wěn)定的泥巖組成的弱透水層隔開，在一定水頭壓力下，地熱水以越流的形式發(fā)生水力聯(lián)系。受地下水開采相關(guān)政策限制，明化鎮(zhèn)組熱儲目前處于禁止開采狀態(tài)，根據(jù)區(qū)域資料，其水位大部分在0～20 m之間，同館陶組熱儲存在30 m左右的水位差，在館陶組熱儲集中開采區(qū)的水位差更是超過100 m，巨大的水位差造成明化鎮(zhèn)組熱水補給館陶組地層，從而構(gòu)成開采資源的一部分。

2.5 弱透水層的釋水量

河北平原區(qū)館陶組熱儲層巖性以砂巖、泥巖為主，整體表現(xiàn)為處于半膠結(jié)狀態(tài)的不等厚互層松散沉積物。正常固結(jié)地層的固結(jié)特征為孔隙內(nèi)流體壓力等于地層壓力，地層應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，如果過量抽取地熱水，則會破壞地層內(nèi)的應(yīng)力平衡，使地層孔隙內(nèi)流體壓力下降，有效應(yīng)力(上覆壓力)相對增加，當超過其平衡邊界值時，將出現(xiàn)壓縮變形而引起地面沉降。正常固結(jié)孔隙型地層中的泥巖具有釋水能力，釋水結(jié)果造成巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)體之間產(chǎn)生相對位移及結(jié)構(gòu)體內(nèi)部物質(zhì)定向排列、旋轉(zhuǎn)、滑移，使孔隙度變小，單元體壓密變形，最終引起地面沉降。于泥巖來說，釋水、壓密、固結(jié)、變形大部分是不可逆的塑性變形，即使在水位恢復后也不會回彈，所以泥巖引起的地面沉降是永久的、無法消除的。砂巖含水層是通過砂粒接觸點承受應(yīng)力，開采地熱流體引起水位下降，有效應(yīng)力增加使砂粒排列緊密，孔隙度變小，含水砂巖壓縮，地面相應(yīng)沉降。停采后水位恢復則孔隙水壓力增加，砂巖承受的有效應(yīng)力降低，砂巖回彈，顆粒排列恢復，地面沉降消除。故含水砂巖釋水壓密引起的地面沉降是暫時的，具有可恢復性[17]。

3 辛集集中開采區(qū)開采資源評價

為研究地熱水開采資源的來源和構(gòu)成，本文以辛集館陶組熱儲集中開采區(qū)為例，按照地下水均衡的理論來計算、分析地熱水各項補給量占開采資源的比例。

3.1 地熱水均衡模型

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，館陶組地層是由不同厚度的砂巖和泥巖互層構(gòu)成，上覆地層為新近系明化鎮(zhèn)組，二者之間由較為穩(wěn)定的弱透水層隔開，在一定的水頭壓力下，地熱水以越流的形式發(fā)生水力聯(lián)系。下伏地層為古近系或古生界砂泥巖，水力聯(lián)系較弱(圖3)。

圖3 研究區(qū)新近系熱儲地熱地質(zhì)剖面

為建立地熱水均衡單元，研究區(qū)上邊界以館陶組地層頂界為界，概化為弱透水邊界，與上覆明化鎮(zhèn)組地熱水以越流形式交換水量； 下邊界概化為隔水邊界； 側(cè)向邊界根據(jù)水文地質(zhì)條件和地下水等水位線圖，按其地下水流動方向處理為側(cè)向補給邊界或側(cè)向排泄邊界。根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，建立如下地熱水均衡模型

(1)

式中：Q總補為地熱水總補給量，m3/a；Q總排為地熱水總排泄量，m3/a；Q儲變?yōu)榈責崴畠Υ孀兓?，m3/a；Q越流為越流補給量，m3/a；Q側(cè)入為地熱水側(cè)向流入量，m3/a；Q側(cè)出為地熱水側(cè)向流出量，m3/a；Q開采為地熱水開采量，m3/a；Q彈釋為彈性釋水量，m3/a；Q弱釋為弱透水層釋水量，m3/a。

3.2 地熱水均衡計算

3.2.1 地熱水補給量

(1)側(cè)向徑流補給量。根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件、邊界附近含水層滲透系數(shù)以及均衡期地熱水流場圖邊界上水力坡度、含水層厚度，利用達西定律求取不同地段邊界上的地熱水徑流補給量。

側(cè)向徑流補給量的計算公式為

Q側(cè)入=K·I·M·L×120

。

(2)

式中：K為計算斷面上含水層滲透系數(shù)，m/d；I為計算斷面上垂直于此斷面的水力坡度(量綱為1)；M為計算斷面上含水層平均厚度，m；L為計算斷面長度，m。

按照地下水流場特征，依據(jù)地下水流向?qū)吔邕M行分段，對各段邊界長度、含水層巖性和厚度賦予相應(yīng)參數(shù)。辛集集中開采區(qū)在2018年開采期的平均水力坡度約為1.0%，根據(jù)導水系數(shù)計算研究區(qū)地熱水側(cè)向補給總量為126×104m3/a。

(2)越流補給量。越流補給量的計算公式為

。

(3)

式中：Kz為垂向滲透系數(shù)，參照文獻[18]的黏土層垂向滲透系數(shù)，Kz下限取0.000 03； Δt為計算時段，d；h1為研究區(qū)淺層水在Δt時段內(nèi)的平均水位標高，m；h2為研究區(qū)深層水在Δt時段內(nèi)的平均水位標高，m；L為垂向越流長度，m；F為越流區(qū)面積，m2。

辛集集中開采區(qū)面積為137.68 km2，明化鎮(zhèn)組熱儲同館陶組熱儲平均水位差約80 m，估算越流量約為19.7×104m3。

3.2.2 地熱水排泄量

(1)開采量。根據(jù)均衡時段地熱資源調(diào)查統(tǒng)計的地熱水的開采量資料，研究區(qū)內(nèi)有館陶組地熱井 62 眼，地熱水開采量為201×104m3/a。

(2)側(cè)向徑流排泄量。同側(cè)向徑流補給量計算方法一樣，將地下水徑流方向指向研究區(qū)外的徑流量作為地下水側(cè)向徑流排泄量，本區(qū)地下水徑流方向均指向區(qū)內(nèi)，因此側(cè)向徑流排泄量為零。

3.2.3 地熱水蓄變量

(1)彈性蓄變量。彈性蓄變量的計算公式為

Q彈釋=μ×ΔH×F

。

(4)

式中：μ為含水層彈性釋水系數(shù)，量綱為1； ΔH為計算時段內(nèi)初末時刻的水位差，m；F為研究區(qū)的面積，m2。

2018年辛集集中開采區(qū)地熱水水位降幅為6.46 m，計算彈性釋水量為33.1×104m3。

(2)弱透水層釋水量。弱透水層釋水量的計算公式為

Q釋=S×F

。

(5)

式中：S為計算時段內(nèi)累計沉降量，m；F為研究區(qū)面積，m2。

根據(jù)天津濱海新區(qū)地面沉降分層標監(jiān)測數(shù)據(jù)，明化鎮(zhèn)組熱儲地熱水平均開采量約為176×104m3/a，2013年水位下降4.5 m，沉降量為5.12 mm[19]; 辛集集中開采區(qū)2018年館陶組熱儲開采量為201×104m3，水位下降6.46 m，地層平均壓縮系數(shù)約為明化鎮(zhèn)組熱儲的30%。類比本區(qū)由于地熱水開采造成的地面沉降量約為2 mm，計算出研究區(qū)弱透水層釋水量為27.4×104m3。

3.3 地熱水均衡計算結(jié)果分析

根據(jù)以上公式進行計算，辛集集中開采區(qū)內(nèi)館陶組熱儲地熱水總補給量為145.7×104m3，總排泄量為201×104m3，總蓄變量為60.5×104m3(表4)，補排差為5.2×104m3，占總排泄量的2.59%，其相對誤差較小。

表4 研究區(qū)地熱水均衡計算成果統(tǒng)計

4 結(jié)論

河北平原地熱水經(jīng)過30多a的開采，形成了58個集中開采區(qū)，由于水位埋深較大，已經(jīng)形成局部的降落漏斗。為了研究地熱水開采資源的來源和構(gòu)成，更加準確評價集中開采區(qū)地熱水的可開采量，本研究以辛集集中開采區(qū)為例，應(yīng)用地下水均衡法進行了開采資源量計算，得出以下結(jié)論。

(1)辛集集中開采區(qū)地熱水開采資源量中側(cè)向補給量為126×104m3，占開采資源量的60.9%； 越流補給量為19.7×104m3，占開采資源量的9.55%； 彈性釋水量為33.1×104m3，占開采資源量的16.1%； 弱透水層壓密釋水量為27.4×104m3，占開采資源量的13.3%。

(2)對于集中開采區(qū)而言，其地熱水的開采資源量不僅僅來自熱儲層的彈性釋水量，更大的資源量是來自側(cè)向補給量、越流補給量和弱透水層的壓密釋水量。這就很好地解釋了采用解析法、統(tǒng)計分析法等不同方法計算的地熱水可開采量和彈性儲存量之間存在巨大差距的問題。

(3)由于研究區(qū)缺少地面沉降和下伏地層水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于弱透水層釋水量和越流補給量的計算可能存在較大的誤差。另外，本研究主要針對館陶組熱儲集中開采區(qū)，對于完整的水文地質(zhì)單元和基巖熱儲開采資源量的構(gòu)成還需進一步研究。