北京城区典型地热对井地热资源潜力开发研究

李元杰,范 琦,刘清晓,王贵玲

(1.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所,石家庄 050061;2.北京市地质勘察技术院,北京 102218)

0 引 言

北京位于地热异常区内,构造断裂较为发育,地热田面积＞319 km2,地热开采方式由单井转型为对井、井群模式已有10 a以上的历史。北京城区勘探资料表明蓟县雾迷山组作为目的层,热水井单位涌水量一般在0.6 L/s◦m,单井产量在600 m3/d以上,处于断裂带附近地热井单井涌水量＞1 000 m3/ d。用于案例试验分析的122#井和123#井位处于崇文门——呼家楼断裂边缘,热储层具有良好的储集疏导性能,经过7 a运行,出水量分别为855 m3/d和875 m3/d。大城市地热田对井开发效应分析早在上世纪60年代就已经开始,北京热田1972年以来做过几次回灌试验,天津市第一地质勘探大队利用计算机对天津地热田对井开采后水动力场、水化学场和温度场进行了数值模拟[1]。Gringarten[2]建立了包括热储中水平方向对流热和垂直方向热储层与顶底板岩层传导传热数学模型,做出了可以预测对井开采井水随热储水层特性参数和开采条件变化的通用计算图。孔凡军[3]等对北京市地热资源开发时空变化进行了深入分析。本文通过分析研究区地热井热储层特点,结合热井多年运行参数,计算静态热储量,从能量角度预测评估典型地热对井系统使用远景。

1 研究区地热地质条件

122～123#对井位于北京东南城区地热田中部偏西北,崇文门呼家楼断裂南端。热储层为蓟县系雾迷山组硅质白云岩,单斜构造。平原深处广泛分布上元古界碳酸盐岩地层,厚度＞5 000 m以上,内部构造节理纵横交叉,岩石裂隙发育,为冷热水径流交换提供了良好的条件。地理位置见图1。研究区基岩及地热地质构造条件复杂[4],地温梯度变化与岩石热导率有着密切的联系,热储层温度随着埋深的减小而减小,新生界地层地温梯度高于基岩地层。

图1 研究对井地理位置图Fig.1 Location of the studied geothermal double-well system

2 对井运行模式

122#和123#地热井2001年成井,相距82 m,地质地层构造相似,以122#井为代表:试验井终孔深度2 054.00 m,钻具丈量2 054.40 m,误差±0.4 m。对井运行模式见图2。

图2 对井运行模式图Fig.2 Operating mode of the geothermal double-well system

122#井做为抽水井,123#为回灌井,运行初期抽水井出水温度60℃,经过7 a运行,目前出水温度最低降至56℃。抽水量由最初的1 550 m3/d下降至855 m3/d,水位逐年下降。2008年11月15日供暖期开始抽水,至静止水位69 m,至12月25日抽水井水位至83.6 m,并仍在持续缓慢下降。122#钻井深度(H)与温度(T)的关系曲线见图3,计算出其地温梯度为2.4℃/100 m。从钻井揭露的地层情况分析,构成本区的热储盖层分别为第四系、第三系、清白口系和蓟县系,热储盖层累计厚度2 054 m。本井主要热储层集中分布在蓟县系雾迷山组,自井段1 184～2 054 m,各井段地温梯度见表1。

图3 122#钻井深度(H)与温度(T)关系曲线Fig.3 Curve line of relationship between drilling depths and temperatures of well No.112

表1 各井段埋深及地温梯度Table 1 Buried depths and geothermal gradients of each section of the well

钻井0～1 000 m存在较高的地热增温率,地温梯度为3.5℃/100 m,1 000～2 054 m地温增幅较小,地温梯度约为1.5℃/100 m。不同地层的地温梯度有较大的差别,新生界岩层地温梯度大,灰岩地层地温梯度小,其它地层的地温梯度介于两者之间,拥有各自代表性地层的地温梯度值[5]。依此特性,可统计加权制定地层增温梯度经验指标参数,为地热远景规划提供技术支持。

3 热储量潜力评估

3.1 热储概念模型

依据构造部位热显示,地质环境及水交换条件,研究区热储为混合型热储,见图4。热储层多呈层状,分布较稳定,下部有大地热流传导,上部被巨厚不透水的盖层覆盖,周边受断裂控制而陷落为盆地,为北京凹陷控制区域。热储层产状平缓,通过断裂破碎带,内部地下热水径流更替,局部为不透水盖层覆盖,得不到大气降水和地表水的直接补给(局部可能有微弱降水补给),通过地下径流循环得到补给,处于半封闭状态,地下热水温度和单井涌水量差异不大,水化学类型相似,为 HCO3—CL—Na型。122#和123#井所在地热异常区,由于靠近断裂带“通道”,在深部地热源附近被加热的高温地矿水快速源源不断的涌入浅部区域,加上穹窿上热流的集中,于是形成了在相对较浅部位即可获得温度较高及特殊化学成分含量较高的热矿水资源。122#抽水井抽水量目前为855 m3/d,出水温度58℃,为郭庄北里小区冬季供暖服务。

3.2 储量潜力估算

进行地热潜力评估关键要了解热储层各项参数,雾迷山组热储参数见表2①张凤娥.北京、天津低温热田对井开发效应的预测研究.1992.。122#～123#热井开采利用7a,供暖期间服务120d/a,水位降深达20 m/a。根据抽水试验所得Q=F(s)曲线,以及实际水量监测,热井已提供总热量约为:

式中Qw为热水井平均年开采总热量,kJ;Q20为降深20 m时,出水量855 m3/d;CW为热水平均热容,为4.18 kJ/m3◦℃;tw为地热水平均出水温度58℃;t0为取热后平衡回灌水温34℃;T为时间,120 d。计算得平均开采热量1.03×107kJ/a,满足小区供暖。

图4 封闭型层状热储概念模型图Fig.4 Conceptive model of layered thermal storage with enclosed type

表2 北京热田雾迷山组热储参数Table 2 Jxw thermal storage parameters of Beijing geothermal field

本井热储层为雾迷山组碳酸盐岩,储层利用厚度420 m,回灌井同层输入井距82 m,以现有井距为安全半径,忽略对流传导能量补充,仅考虑现有静态热储体积为8.8×106m3,根据《全国地热资源现状评价与区划技术要求》(中华人民共和国地质矿产部标准DZ 40-85)采用热储法进行地热资源量计算:

式中Q为热储量,kJ;qw为流体储量,包括静储量和弹性储量,m3;Φ为热储岩石孔隙率(或裂隙率);V为热储体积,m3;S为弹性释放系数;h为平均承压水头标高,-50 m;H为平均热储顶面标高,-1 700 m;A为评价热储面积,m2;Cr,Cw分别为热储岩石比热和水的比热,kJ/kg◦℃;ρr,ρw分别为热储岩石密度和水的密度,kg/m3;T1为热储温度,58℃;T0为交换平衡温度,34℃。

相关参数表2已列出,整合计算得静态热储量为5.395×1011kJ,大地深部热流不断加热,实际可利用热量远远高于此值,按目前每年供暖需求,单纯从热能角度出发有近10000a的远景潜力开采储量。

4 结 论

为缓解集中过量开采地下热水,出现热水系统水位持续下降的紧张局面,地热开发普遍采用对井、井群模式,分散布置,加强人工回灌补给,取得了良好的效果。由于地层条件复杂多变,每组对井都有各自独特的特点,选取122～123#对井为典型范例,目前的出水量为855 m3/d,地温梯度2.4℃/100 m,运行7 a至今出水温度与成井初期温度比较下降2℃,经计算均供热量为1.03×107kJ/a。利用一系列热储地层参数和对井监测数据,计算出静态热储量达5.395×1011kJ,理论上具有10000a或更久的开发潜力。尤其作为清洁能源,地热资源合理高效的开采应用对社会经济发展具有重要的战略意义。

[1] 天津市第一地质勘探大队.天津市第三系第Ⅲ含水组多井回灌开采系统下水动力场、水质场、温度场变化的数值模拟研究[R].天津:天津市第一地质勘探大队,1988.

[2] Gringarten A.C,Sauty J.H.A T heoretical Study of Heat Extraction from Aquifers with Uniform Regional Flow[J].Geophys.Res.80,1975.

[3] 孔凡军,李永浮.北京市地热资源开发的时空变化[J].资源开发与市场,2005,21(2):117-119.

[4] 柯柏林.北京城区地热田西北部地热地质特征[J].现代地质, 2009,23(1):50-53.

[5] 张远东,魏加华.冰岛Laugaland地热田示踪试验与回灌温度模拟[J].中国科学院研究生院学报,2005,22(6):763-764.