深部砂岩热储沉降监测分层标建设与结构合理性初探——以鲁北平原深部砂岩热储沉降监测分层标组为例

王明珠,赵季初,丁朋朋,沙福建,冯克印,魏茂杰

(1.山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘察院)，山东 德州 253072；2.山东大学，山东 青岛 266237；3.山东省国土空间生态修复中心，山东 济南 250000)

0 引言

地面沉降是由于构造运动或者人类工程活动引发的土体固结压缩而导致地面高程降低的现象，是一种缓变性的自然灾害。地面沉降会造成房屋倾斜、建筑物地基下沉、城市积水、内涝、城市管线断裂、水准高程数据变化、地裂缝，沿海地区还会出现海水倒灌、咸水入侵等一系列问题，给当地国民经济造成一定损失[1-5]。地面沉降作为山东省鲁北平原最主要的地质灾害之一，具有发生时间早、持续时间长的特点。

分层标作为地面沉降监测的基础手段之一，其底部坐落于被监测土层上，可随土层标高变化而上下灵动活动，完成地面沉降量的读取和计算。本次分层标组位于鲁北平原德州市德城区水文二队老办公区内，建成于2020年。该标组位于鲁北砂岩热储地热开采层顶板，分层标孔为目前山东省最深分层标孔，根据区域含水层特征布设其他分层标孔及水位监测孔，组成了山东省监测层位最全、监测深度最广的分层标组，可为区内地面沉降分层监测、沉降机理研究及精准地面沉降防控提供数据支撑。

1 地质背景概述

1.1 地貌特征

鲁北平原地貌类型以黄河冲积平原为主。黄河以北地区自西南向东北分为黄河冲积平原、黄河三角洲冲积—海积平原和滨海平原三部分；黄河以南地区自南西向北东依此为山前冲积洪积倾斜平原、黄河冲积平原、黄河三角洲冲积—海积平原和滨海平原[6-8]。

1.2 地层

鲁北平原为华北平原的东南边缘区，在区域地质构造上隶属华北板块中、新生代断陷盆地。在中生代以来，区域地层一直缓慢下沉，形成了巨厚的松散沉积层。第四系底板埋深240～260m，为河湖相松散沉积层；新近系底板埋深1250～1350m，地层厚度较稳定；古近系底板埋深1500～2500m，地层沉积厚度相差较大。

热储层及以上地层由老至新描述如下：古近纪东营组以泥岩、砂质泥岩与细砂、粉砂岩不等厚互层为主。新近纪馆陶组上部以细—中砂岩及泥岩为主，呈交互层状；下部为含砾粗砂岩及砂砾岩为主。新近纪明化镇组以泥岩夹细、中细砂为主。砂岩为松散状，分选性及磨圆度一般。第四纪平原组上部为黏土和细砂层，结构松散；下部为黏土夹细砂层，结构致密[9-11]。

1.3 水文地质条件

鲁北平原地下水在垂向上具有明显的分带性，根据地下水水质结构、含水层组划分以及地下水赋存条件等，将60m以浅的地下水划分为浅层地下水，矿化度为1～1.5g/L，与外部环境关系密切，该层仅局部地区开采；60～250m的地层划分为中深层地下水，矿化度为5～10g/L，由于矿化度较高，至今基本未曾开发利用；250～800m划分为深层地下水，矿化度为1～1.5g/L，在20世纪六七十年代，开采井深度300～500m，随着水位的下降，井深逐渐增加，最深接近800m。根据前人在区内进行的地面沉降成因机理研究表明[12-13]，该层地下水的超量开采是地面沉降发生的主要成因；900～1100m，为明化镇下段馆陶上段地热水，但该层主要泥岩分布，砂层较薄，出水量小，目前不开采；1200～1500m，为地热主要开采层位(图1)[14-15]。

1.4 工程地质条件

根据区内地层的埋藏深度、岩性、成因类型、沉积年代、土的物理力学性质、水力特征和水理性质等，将1500m以浅的地层划分为1个表土层、3个弱透水层和3个含水层。随着地层深度的增加，压缩系数逐渐减少，土体可压缩性逐渐降低[16-18]。

1.5 地面沉降现状及监测背景

20世纪90年代，德州地面沉降监测网络的建设，拉开了鲁北平原地面沉降监测的序幕，随后，先后在聊城、滨州、东营建立沉降测量网，为鲁北地区地面沉降机理研究提供基础数据支撑。根据多年地面沉降监测数据，鲁北平原地面沉降呈不断发展趋势，累计沉降漏斗主要有以德城区为累计沉降中心的德州沉降漏斗和以博兴-广饶为累计沉降中心的博广沉降漏斗。其中德州沉降漏斗发展历史较悠久，自1991年起测至今，沉降中心累计沉降量超过1450mm。博广沉降-广饶漏斗自2004年起测至今，沉降中心累计沉降量超过1300mm。

2014年在德州市德城区水文二队现办公区院内建成鲁北平原第一组分层标组，随后，先后在滨州、东营等地建设分层标组。但以往分层标组最大孔深为500m，监测目标层位为第四纪地层，主要监测深层地下水及以上含水层开发利用产生的地层压缩，500m以深地层压缩情况尚未开展过相关监测。随着近年来地热资源集中开发利用，对热储层压缩形变监测十分重要，该数据将成为地热资源是否开发利用的重要依据。

此外，山东省尚无分层标建设的专业规范，针对不同深度分层标，其中深度较大分层标，明确其标杆结构、标组组成等。由于施工流程、标体结构的不合理致使管材浪费，一定程度上增加了分层标的监测误差及建设成本。

2 分层标建设

2.1 选址

根据监测目的任务，深部砂岩热储沉降监测分层标位置应选择在地面累计沉降漏斗中心区或地热集中开采区，有条件亦可选在地面累计沉降漏斗中心与地热集中开采的叠合区。德城区深层地下水开发历史早，由于超采于20世纪80年代末发现地面沉降，至今已演变为鲁北地面沉降累计漏斗中心。此外，德城区地热资源开发利用早，开采集中。故德城区可作为鲁北平原深部砂岩热储沉降监测分层标建设优选区。

在德城区水文二队老办公区内，早在1997年就建有一眼地热开采井，为区内最早的地热井，2016年建立配套回灌井。该场地内地层资料齐全，可为分层标结构设计提供依据。地热水监测资料连续且序列时间长，可为后续研究分析提供长序列数据支撑。故将分层标建设场地定于德州市德城区水文二队老办公区内。

1—砂岩；2—泥岩图1 地层岩性及垂向含水层划分示意图

2.2 标桩个数与深度确定

地面沉降分层标获取地表下各土层因外界作用而产生的变形量，根据基础监测数据，分析地面沉降发生、发展规律，从而制定出相应的控沉措施和对策。分层标组建设应根据监测目标确定标桩数量，尤其垂向上具有多个地下水开采层的。结合鲁北平原地下水开采、地面沉降特征，结合探究地热开采是否引发地面沉降的目的任务，确定分层标标桩个数与深度。

为直观监测地热水开采对地面沉降的贡献量，在热储开采层顶板应建设一个标桩，根据已有地热地质资料，德城区馆陶组顶板埋深在1090～1290m，地热水主要开采层位为1250～1500m，该标桩深度应小于1250m，在1250～1200m寻找厚度较大的泥岩层，泥岩层深度越大标体约稳定，最小厚度不能低于3m。根据场地内物探测井解译资料，确定标桩1深度为1200m；为探究禁采后深层地下水地层地面沉降发育情况，在含水层的顶板和底板各埋设一个标桩，根据场地内物探测井解译资料，确定标桩2与标桩3深度分别为800m、250m；为探究中深层和浅层地下水地层变形情况，分别在含水层顶板埋设一个标桩,根据场地内物探测井解译资料，确定标桩4与标桩5深度分别为60m、2m。通过相邻深度标桩及多期监测，可实现对浅层、中深层、深层、热储层的地层变形量监测(图2)。

图2 分层标监测层位分布示意图

2.3 分层标结构

分层标结构基本类似，其结构的差异主要在于标杆结构的不同与标底滑筒量程的不同。

本分层标组中标杆均采用“宝塔结构”，标杆上细下粗，下部标杆要满足承重、支撑的要求，上部标杆在尽可能减少重量的同时亦满足下标杆时底部标杆自重拖拽不断裂的要求。根据分层标孔深度采用三级宝塔结构，每级标杆长度采用“九五分割原理”确定。分层标运行工作时，保护管与滑筒相连接，保护管与地层抱死，不发生相对移动。标杆与滑杆相连接，根据地层膨胀或压缩进行升降运动。

滑筒量程即为滑杆可升降的最大距离，结合当地沉降速率，设定地表沉降量均为地下某一层地层压缩导致，根据监测资料，本区近年来沉降速率不超过20mm/a。

分层标标底滑筒量程相对滑距可达1.2m，以本层沉降速率为地层总沉降速率20mm/a计算，该标在维护正常的情况下可连续使用60年，而1200m分层标所监测的地层沉降量远比总沉降量小，故该标连续使用年限超过60年，量程满足长时间连续监测的需求(图3)。

1—黏土；2—砂岩、泥质砂岩；3—泥岩；4—细砂岩图3 地层岩性及分层标结构图

3 分层标合理性分析

3.1 监测层位合理性分析

深部砂岩热储沉降监测分层标建设于原深层地下水与现地热资源开采集中叠合区德城区水文二队院内，根据以往研究，该区地面沉降主要由于深层地下水的超量开采引发，但地热水开采是否引发沉降至今无直接监测，将该标体建设在地热开采层顶板处，通过多期监测，可直接得到热储层及以下地层的沉降变形量，为地热水与地面沉降的相关关系提供直接数据支撑。本区地热开采层主要开采层位为1300～1500m，分层标深度确定为开采层以上的1200m。同时场地为原深层地下水集中开采区，在该处建设深度地下水分层标孔，可为深层地下水禁采后沉降是否存在滞后性发育等问题的解决提供数据支撑。

3.2 力学合理性分析

3.2.1 分层标重量

1200m分层标标体均直立于200mm的标底托盘上，分层标主要重量包括保护管、标杆、填充纯净水、扶正器、标底的重量，钢材密度取7.86×103kg/m3，水的密度取1.00×103kg/m3。根据计算公式：

m=ρV

(1)

式中：m—质量(kg);ρ—密度(kg/m3);V—体积(m3)。其中保护管重量m保约为40.49×103kg，φ60mm标杆m60约为1.31×103kg，φ73mm标杆m73约为2.76×103kg，φ89mm标杆m89约为9.19×103kg，填充纯净水的质量m水约为18.50×103kg。扶正器一个约为1kg，共用11个，扶正器总重量约为0.11×103kg。标底总重量约为0.20×103kg，分层标总重量约为72.56×103kg。

3.2.2 地层土柱重量

利用场地内岩土力学测试取得不同深度岩(土)体密度参数，计算直径为200mm，深度为1200m的土柱重量为78.21×103kg。

1200m分层标总重量约为72.56×103kg，相同体积的岩土柱重量为78.07×103kg。分层标重量较地层土体重量小，避免了由于标体自身荷载产生的沉降误差，在分层标稳定一段时间后，可达到监测需求(表1)。

表1 土柱重量计算表

4 结论

(1)深部砂岩热储沉降监测分层标位置应选择在地面累计沉降漏斗中心区或地热集中开采区，有条件亦可选在地面累计沉降漏斗中心与地热集中开采的叠合区。

(2)结合鲁北平原地下水及深部地热开发利用特征、地面沉降发育特征，鲁北平原德城区分层标组宜建设5个标桩(含地面标)，深度分别为2m、60m、250m、800m、1200m。

(3)将深部砂岩热储沉降监测分层标建设在地热开采层顶板处，通过多期监测，可直接得到热储层及以下地层的沉降变形量，为地热水与地面沉降的相关关系提供直接数据支撑。

(4)本文设计的1200m分层标总重量约为72.56×103kg，相同体积的岩土柱重量为78.07×103kg。分层标重量较地层土体重量小，避免了由于标体自身荷载产生的沉降误差，在分层标稳定一段时间后，可达到监测需求。