鲁北坳陷区地热资源开发利用关键性问题研究

2017-01-03吴立进赵季初李艾银邢生霞

地质与勘探 2016年2期

吴立进，赵季初，李艾银，邢生霞

(1.山东省地矿工程勘察院,山东济南 250013;2.山东省鲁北地质工程勘察院,山东德州 253000；3.山东省第一地质矿产勘查院,山东济南 250013；4.山东省国土测绘院,山东济南 250013)

吴立进1，赵季初2，李艾银3，邢生霞4

鲁北坳陷区地热资源丰富，但由于缺乏有效补给来源，长期过量开采将会引起水位持续下降、地热沉降等地质环境问题。本文在总结区内地热资源开发利用现状的基础上，系统研究了最大允许水位降深、合理布井井距、尾水回灌等影响地热资源合理开发利用的关键性问题。可以看出，在以消耗静储量为主的沉积盆地型地热田，通过科学规划，可以实现地热资源的可持续开发利用，为生态文明建设和发展绿色低碳经济提供动力。

鲁北坳陷区地热资源可持续开发利用

0 引言

鲁北坳陷区在大地构造格局上属于华北板块，其基底为太古界变质岩，之上发育着一套地台型的中、上元古界和以海相碳酸盐岩为主的下古生界以及海陆交互相的上古生界盖层。区内地热资源丰富，属沉积盆地型层状热储。热储层主要为新近纪明化镇组下段、新近纪馆陶组、古近纪东营组以及寒武-奥陶系灰岩(赵季初，2008；蒋林等，2013)。受经济、技术条件等限制，目前区内大规模开发利用的热储层位为馆陶组和东营组砂岩热储 (图1)。

馆陶组热储层厚度一般为250m～400m，其中砂层厚度一般为30m～200m。在取水段1000m～1500m深度内，单井出水量为40m3/h～80m3/h，自流量为10m3/h～40m3/h，自流水头为0～8m。热水矿化度为4g/ l～20g/ l，水化学类型以Cl-Na型为主，井口水温一般为45～65℃。东营组热储层累计厚度10m～200m，单井出水量为30m3/h～60m3/h，矿化度为7g/l～20g/l，水化学类型为Cl-Na、Cl·SO4-Na·Ca型，井口水温为50℃～70℃。

1 开发利用现状及存在问题

1.1 开发利用现状

根据最新统计，整个鲁北地区共有地热井400余眼，井深多在1200～1700m之间，最大深度超过了2500m。地热流体总开采量为4700×104m3/a。开发利用方式以供暖、洗浴、疗养、养殖、种植为主(徐军祥等，2014)。

1.2 开发利用中出现的问题

区内地热流体缺乏有效外部补给，开采以消耗自身静储量为主。经过几十年的大规模开发利用，地热流体水头已经出现持续下降现象。另外在开发利用过程中，利用模式单一，主要用于供暖、洗浴，没有形成对地热资源的梯级开发，存在地热资源浪费问题。利用后的尾水排放温度较高，热利用率低，部分尾水直接排放到周围环境中，又引起地表水体和土壤的二次污染。再者区内地热流体矿化度高，腐蚀性强，导致开采设备使用寿命较短，经济效益不高。这些问题均对区内地热资源的开发利用造成不利影响，制约着这一清洁能源的可持续开发。

图1 鲁北坳陷区地层剖面图(德州段)Fig.1 Stratigraphic section of depression area in northern Shandong (Dezhou) 1-第四系；2-新近纪明化镇组；3-新近纪馆陶组；4-古近系；5-石炭系-二叠系；6-奥陶系；7-太古宇；8-地温梯度线(℃/100m)； 9-地层界线；10-断裂构造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 关于最大允许水位降深问题

鲁北坳陷区地热资源集中开采区目前已经出现了水位持续下降的现象(图2)。根据目前国内对深层地下水的研究成果，在没有上覆固结岩层的砂岩热储层中地热流体水位持续下也降必将会引发地面沉降等地质环境问题(杨丽芝，2009；张永伟，2014)。因此在计算地热资源量时，设定最大允许水位降深，以实现清洁能源的可持续开发利用与地质环境问题的协调统一。

多年来，国内针对华北平原的地面沉降问题做了大量工作，取得了一批研究成果。从中可以得出，当地下水位埋深超过70m时，地面沉降将会呈现加速状态，并呈现出线性关系(郭永海等，1995；石建省，2006；吕庆玉等，2014)。本处采用通过长期动态监测资料建立的地下水位埋深与累计沉降量回归模型(杨勇等，2013；朱菊燕，2014)，近似计算地热流体开采所引发的的地面沉降量。公式为：

S=73.086X-4806.6

其中：S为累计地面沉降量，单位为mm；X为地下水位埋深，单位为m。

图2 山东省德城地热井水位动态曲线Fig.2 Dynamic curve of water level in Dezhou geothermal well

2013年，针对全国地面沉降防治的严峻形势，国土资源部发布了《全国地面沉降防治规划(2011-2020年)》，其中德州平原的控制目标：为到2015年，年沉降速率为30mm；到2020年，年沉降速率控制在20mm。

按照地热流体开采年限100a，年沉降速率控制在20mm计，通过上式计算可以得出地热流体水位埋深应在100m左右。因此在鲁北坳陷区开采没有上覆固结岩层的砂岩热储地热流体，最大允许水位降深应该控制在100m。目前该地区内尚没有建立基于地热流体开采的分层地面沉降标，馆陶组和东营组地热流体水头分别下降相同数值时，是否会引发地面沉降尚不明确，还需要今后更多的相关动态监测资料以更加精确地计算最大允许水位埋深值。

3 关于合理井距问题

地热资源作为绿色清洁能源，如何使其发挥最大效能显得尤为重要。井距过大虽然有利于保护地热资源，但也会抑制其开发利用。井距过小，则会造成地热流体水位下降过快，使地热田的使用寿命缩短，不可持续(王昌平，2006；张德忠等，2013)。目前部分研究资料在确定合理井距时，采用稳定流抽水试验方法确定影响半径R后，将2R作为合理井距。这种方法存在一定弊端，首先在地热流体开采过程中，基本不会出现稳定流的形态，其次此方法计算的结果偏保守，不利于地热资源的合理开采。

在分析现有计算方法的基础上，本处采用100a内允许开采的地热流体总量反推合理井距的方法。

首先根据地热资源相关规范计算开采期内地热流体总开采量所释放的总热量，然后计算出单个地热井在设定开采量条件下，开采期内释放的总热量，据此可以计算出区内可以布设的总井数。按照影响范围为圆形，井距即为该圆直径(2r)。

3.1 地热流体开采期内所释放的总热量：

Qw=TQsPwCw(tw-t0)

(式3-1)

其中：Qw—地热流体开采期内排放的总热量；Qs—地热流体开采量(m3/d)；ρw—地热流体密度(kg/m3)；Cw—地热流体比热(J/kg·℃)；tw—地热流体平均温度(℃)；t0—恒温层温度(℃)；T—100a累计开采天数(张德忠等，2013)。

在实际计算过程中，将T和Qs转换为最大允许水位降深约束条件下，开采期内地热流体总开采量，公式3-1可修改为：

Qw=QPwCw(tw-t0)

(式3-2)

其中：Q—开采期内地热流体总开采量m3。

目前国内对地热资源开采量构成属性尚没有很细致的研究，而深层地下水的性质在某些方面与地热流体类似。在沉积盆地深层地下水资源的构成属性方面，国内研究较多，因此可以参考深层地下水构成属性类比地热资源开采量的构成属性。按照目前华北平原已有的深层地下水勘查评价资料，弱透水层压密释水量约为总开采量的40%左右，越流补给量约为40%(石建省等，2006；王欣宝，2013；朱菊燕，2014)。因此可以将地热资源开采量按照式3-3进行估算。

Q=5AHS*

(式3-3)

其中A—热储层的面积(m2)，根据已有勘查资料，共2726km2；H—地热流体的水位降深(m)，取值为100；S*—弹性释水系数。

地热流体的密度(ρw)相对于中低温地热田来说变化不大，可以取平均值980kg/m3，地热水的平均比热(Cw)为4187 J/kg·℃ 。S*根据地下水动力学可知，为贮水率Ss与热储层厚度D的乘积。在东营市胜东1井通过现代试井技术求取的馆陶组热储砂岩的贮水率(μ)为4.267×10-6m-1，计算的贮水系数即弹性释水系数(S*)为3.74×10-4。德城区非稳定流抽水试验求取的弹性释水系数为2.99×10-4，反推的贮水率为3.41×10-6m-1。因此，本次计算中弹性释水系数采用平均贮水率3.84×10-6m-1求取。

3.2 计算单个地热井设定开采量的释放总热量：

Qr=K[DρrCr(1-φ)+50×365qρwCw](tw-t0)

(式3-4)

其中：K—地热流体回采率，砂岩层状热储一般取值0.25；D—热储砂层厚度(m)；Ca—热储平均热容量(J/m3·℃)；ρr—岩石密度(kg/m3)，具体数值可以通过《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615-2010)查表所得；Cr—岩石比热(J/kg·℃)；Φ—孔隙度(%)，一般为0.25～0.30，本次取值0.28；q—地热流体开采量(m3/d)；地热井的服务年限按50a计。

从鲁北地区已施工地热井的岩石样品测试结果来看，馆陶组砂岩平均密度(ρr)为1720kg/m3，岩石平均比热(Cr)为1088J/kg·℃。

3.3 计算区内可布井数

依据热均衡原理，单个地热井地热流体开采所释放的总热量(Qr)与地热流体开采100a排放总热量(Qw)保持均衡，则总的可布井数为：

F=QW/Qr

(式3-5)

将所有计算参数分别带入以上计算公式，可得到：F=1156D/q，从而合理井距2r为：

从最终结果可以看出，在鲁北坳陷区，地热井的合理井距主要与地热流体的开采量和热储厚度相关，表1为计算的馆陶组热储合理井距理论值。

表1 鲁北坳陷区馆陶组热储地热井合理井距理论值

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

开采量(m3/d)热储厚度(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 关于地热尾水回灌问题

鲁北坳陷区地热资源缺乏有效补给来源，地热流体的开采会引起热储压力持续下降，水头持续降低。同时，开发利用方式主要为冬季供暖，供暖后的地热尾水直接排放入城市污水管道，不仅严重浪费了清洁宝贵能源，也使城市污水处理能力面临严峻挑战(马凤如等，2006；张金华等，2013)。由于供暖后尾水水质基本上没有变化，仅温度发生了变化，因此可以采用合理的工程措施将供暖尾水回灌热储层，一方面解决了尾水排放问题，另一方面也可维持地热流体水头高度。

4.1 回灌基本情况

回灌地点位于德州市，分为开采井和回灌井，两者直线间距311m。开采井和回灌井的热储层均为新近纪馆陶组，其中开采井静水位埋深为30.2m，回灌井静水位埋深为30.0m。回灌采用将开采井的地热流体采出后，经除铁、除砂等工艺后直接灌入回灌井，回灌水的温度在50℃～54℃，略低于回灌井热储层温度(55℃)。回灌采用有压方式，共进行3个压力段试验，分别为0.16、0.19、0.22MPa。累计回灌时间10105分钟，累计回灌量2832.62m3。回灌压力与回灌量历时曲线如图3所示。

图4反映出，回灌量受回灌压力影响，基本呈现出线性相关关系，随着回灌压力的增大，回灌量也增大，客观地反应出了热储层的回灌性能较好，可以开展地热流体回灌。

4.2 回灌结果分析

4.2.1 回灌量-回灌时间关系分析

通过分析回灌过程曲线，选取延续性较好的0.19MPa下从7140min到8290min时间段，根据不同回灌延续时间的回灌量，对回灌量与回灌时间的关系进行分析研究，统计数据见表2。

图3 不同回灌压力与回灌量变化历时曲线Fig.3 Temporal curves of reinjection quantity and pressure

图4 回灌压力与回灌量关系曲线Fig.4 Reinjection pressure versus reinjection quantity

表2 0.19MPa压力下不同回灌时间的回灌量Table 2 Reinjection quantity at different timeundel pressure 0.19MPa

图5 0.19MPa时回灌量与回灌时间关系曲线图Fig.5 Temporal curve of reinjection quantity

从回灌量与回灌时间关系曲线(图5)可以看出，回灌量与回灌延续时间呈指数函数关系，二者呈负相关关系，即同一回灌压力下随着回灌时间的延续回灌量逐渐减小。这主要是由于随着回灌时间的延续，热储层孔隙受到物理堵塞和化学堵塞越来越严重，从而导致回灌量会越来越小。在回灌结束后进行了回扬，回扬初期回扬水乘棕红色，水量稍小。之后随着回扬的延续，回扬水逐渐清澈透明，水量也逐渐恢复到与回灌前涌水量一致，验证了回灌过程中热储层出现一定的堵塞现象。

4.2.2 回灌量-水头升高关系分析

回灌试验只进行了原水回灌，未采用外来水源，仅对回灌井中水头升降进行了观测，未研究回灌对周围水头升降的影响。从回灌水量与回灌井水头升高关系曲线图(图6)可知，回灌对水头有着重要影响，二者呈正相关关系，大致符合幂函数关系，水头随着回灌量的增大而升高。

图6 0.19MPa时回灌量与水头升高关系曲线图Fig.6 Curve of reinjection quantity versus water head rise

在回灌过程中，对回灌井和抽水井相同的水头变幅下回灌水量和抽水量进行了对比(表3，图7)，可以看出，在相同的水头升高或下降值时，回灌量仅为抽水量的13～38%，从中可以看出，热储含水层的回灌性能要远远弱于涌水性能。

表3 回灌井与抽水井试验对比Table 3 Comparison of tests in reinjection well and pump well

4.2.3 回灌对水质、水温、水量的影响

长期进行地热尾水回灌，受回灌水水质、回灌方式、回灌时间等因素影响，热储层的水质、水量、水温等可能会发生变化，从本次试验中可以总结出其变化规律。

图7 回灌水量与抽水水量对比Fig.7 Comparison of reinjection water quantity and pumping water quantity

1)水质变化

回灌试验采集了回灌井试验前、后的水质分析样，从回灌试验水质分析结果可以看出，试验前、后，回灌井(热储层)水质基本上无明显变化。

2)水温变化

受回灌条件限制，回灌仅为验证回灌量随压力、时间变化过程，因此采用了同温回灌方式进行。从开采井将地热流体抽出后，经泵房除铁、除砂加压后灌入回灌井。回灌水温基本保持在50～54℃，略低于回灌井水温(55℃左右)，根据水温监测结果，回灌井水温在回灌前后无明显变化，基本保持在55℃左右。可见，在采用同层地热流体进行回灌，在温度相差不大的情况下，回灌不会对回灌井水温产生影响。根据王坤、朱家玲等人做的非同温热水回灌研究，若回灌水温与抽水井水温温差在75℃左右时，两井间距保持在800m左右时，20～30年内不会出现热突破。

3)水量变化

前已述及，回灌量随回灌压力的增大而增大，随着回灌时间的延续，同一回灌压力下回灌量会越来越小。进行回扬后，回灌量又恢复至初始状态。可以看出，回灌会对水力通道造成一定的堵塞，随着回灌时间的延续回灌量会逐渐衰减。而回扬则是目前较为有效的解决手段。

5 结论

(1)鲁北地区地热资源缺乏有效补给，在计算评价地热田可开采资源量时，应设定最大允许水位降深为约束条件，以避免因长期开采地热流体引发地面沉降等地质环境问题。但目前针对开采地热流体引发的地面沉降缺乏有效动态监测资料，对于其沉降机理是否与开采地下水所引发的地面沉降机理一致，还需今后加强不同热储层的沉降监测标建设来验证。

(2)在设定的最大允许水位降深条件下，计算出鲁北坳陷区地热井合理布井井距一般为2～5km，在长期动态监测资料验证下，可以为制定地热资源开发规划提供参考。

(3)地热尾水回灌是解决开采地热资源引发地面沉降的根据途径。在鲁北坳陷区开展地热尾水回灌，回灌量随着回灌压力的增大而增加。随着回灌时间的延续，同一回灌压力下，回灌量越来越小。在经过充分回扬后，回灌量恢复至初始状态。相同的回灌井水头升高值和抽水井水头下降值，回灌量仅为抽水量的13%～38%，显示出回灌性能要远弱于涌水能力。

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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；[责任编辑]陈英富。

山东省地热资源与开发利用研究项目(鲁地字[2013]64号)资助。

吴立进(1983年-)，男，工程师，主要从事水工环地质工作。E-mail:wljts265@163.com。

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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