地热资源可持续开发策略与保护

张素娥,李志军,郑喜珍

(河北省地矿局第三水文工程地质大队,河北 衡水 053000)

地热资源可持续开发策略与保护

张素娥,李志军,郑喜珍

(河北省地矿局第三水文工程地质大队,河北 衡水 053000)

深州地热田是华北地区水质较好、水温较高的地热田之一。为了实现地热资源可持续开发利用,分析了构造断裂和热储层渗透性能对地热水水位下降的影响,采用干扰井水位消减法对合理井距进行了研究,得出了允许开采量、允许布井数及合理井距等地热资源可持续开发利用参数。

水位下降;成因分析;开发策略;保护建议;河北深州

0 引言

深州地热田位于河北省深州市。自 20世纪 90年代开采以来,深州地热田地热资源开发得到了快速发展,地热资源开发利用成为深州市新的经济增长点。随着地热资源开采的不断增加,水位出现了较大幅度下降,冬季供暖开采期动水位可达 150m左右,水位下降幅度大大高于河北省区域水位降幅。水位大幅度下降不仅增加了地热资源开采难度,同时对地热资源可持续开发极为不利。

该区以往地热资源研究注重地热资源量评价,地热资源开采方案以地热田地热资源可开采量为依据,一般以开采总量不超过地热田可开采量进行规划,忽略了地质构造对地热资源控制作用和热储层渗透性能对地热井补给影响研究,使地热资源开采中出现了地热井分布的不合理及局部地热资源的超量开采,导致了地热资源集中开采区补给严重不足,集中开采区水位大幅下降状况。本次研究在查明地质构造的基础上,通过抽水试验方法对热储层渗透性能进行研究,分析目前开采条件下的地热水水位下降原因,并在此基础上规划地热资源可持续开采方案,对河北深州地热田地热资源可持续开发具有重要指导意义。

1 深州地热田地质构造及热储层特征

1.1 地质构造

深州地热田位于冀中台陷 (Ⅲ级)、饶阳断凹(Ⅳ级)内。本区新生界底部断裂较发育,断裂大多呈北西西向和北东向展布,两组断裂将新生界馆陶组以下地层切割成不规则四边形块状,断裂上、下盘落差一般为 20m～40m。

1.2 热储层特征

本区位于台陷内,分布的主要热储层有明化镇组及馆陶组。

1.2.1 明化镇组热储层 顶界埋深 598m～626m,底界埋深 1 545m～1 740m,热储岩性以中砂岩、细砂岩为主,地层沉积厚度 940m～1 125m,储厚比39%,单层厚度一般 4.0m～12.0m,最厚可达27.3m,孔隙度约 26.29%,渗透率 156.06(10-3μm2)～448.70(10-3μm2),矿化度 982mg/L。

1.2.2 馆陶组热储层 底界埋深 2 259m～2 400m,热储岩性以砂岩、含砾砂岩、砂砾岩、砾岩为主,夹粉砂岩,地层厚度 615m～788m,储厚比 40.76%,砂层单层厚度一般 3.5m～14.5m,最厚可达 25.8m,孔隙度约 19.18%,渗透率 44(10-3μm2)～492(10-3μm2),矿化度 1.941 mg/L～3.047mg/L。

2 地热资源开采及水位下降现状

2.1 地热资源开采利用现状及存在问题

2.1.1 开采利用现状 目前,深州市区共有地热井8眼。地热井分布较为集中,形成了市区中心集中开采区,开采层位以馆陶组为主,年开采量 219.86×104m3(表 1),以供暖、洗浴利用为主。

2.1.2 主要存在问题 ①开采层位、区位过于集中,地热资源开采不均衡,造成集中开采区馆陶组热储层超量开采。②尾水排放温度高,缺乏地热资源梯级利用,地热资源保护措施滞后。

表1 深州市区地热井开发利用现状

2.2 水位动态

明化镇组热储多年水位呈不断下降趋势,动态类型属开采—弱径流—疏干型。以牛 1井为例,2004年 4月成井时,静水位 25.70m,2008年 11月,静水位降至 35.67m,年均下降速率 2.49m。

馆陶组热储多年水位呈不断下降趋势,动态类型属开采—弱径流—疏干型。如深热 2井,2002年10月,静水位高出地面 0.71m,2008年 11月,静水位埋深降至地面以下 25.66m,年均下降速率 4.40(图 1)。深热 3井,1996年 10月成井时静水位为4.54m,2008年 11月,水位降至 28.56m,年均下降速率 2.00 m。

2.3 水位下降因素分析

2.3.1 断裂阻水作用对水位下降的影响分析 馆陶组底界断裂较发育,断裂大多呈北西西向和北东向展布,两组断裂将新生界馆陶组以下地层切割成不规则四边形块状,断裂上下盘落差一般为 20m～40m。断裂存在一定的断距,使上下盘砂层错开,如果砂层对应率高,形成导水断层,如果砂层对应率低,则形成阻水断层。

位于深热 1井、深热 4井与深热 2井之间分布一北东—南西向断裂 (图 2)。深热 1井、深热 2井、深热 3井、深热 4井为馆陶组同层井。孔组抽水试验显示,当深热 2井抽水时,深热 1井、深热 4井水位未呈现下降现象,与深热 2井同一断块内的深热3井水位出现明显下降,从而证实了位于深热 1井、深热 4井与深热 2井之间的断层表现为一定阻水性质。阻水断裂阻断了深热 2井开采时来自其西侧的侧向径流补给,使深热 2井补给能力受到一定影响,导致了深热 2井单位出水率 (0.005 3 m3/h·m·m)明显小于同一断块内的深热 3井单位出水率(0.010 2 m3/h·m·m)。

因此,阻水断裂构造的存在,使位于阻水断裂附近的地热水补给能力减弱,从而造成了地热水水位下降的增大。

2.3.2 热储层渗透性对水位下降的影响分析 深州地热田位于饶阳凹陷区,从深州地热田与位于新河断凸的衡水地热田对比显示,受热储层岩性结构影响,深州地热田热储层渗透性能较差。物探测井资料显示,深州地热田馆陶组平均孔隙度为19.18%,渗透率 44(10-3μm2)～492(10-3μm2),远低于衡水地热田馆陶组孔隙度 (31.785%)、渗透率67.2(10-3μm2)～991(10-3μm2)。抽水试验结果显示,深州地热田馆陶组渗透系数为 0.39m/d,衡水地热田渗透系数为 1.059 m/d,深州地热田馆陶组渗透系数仅为衡水地热田馆陶组的 1/2.72。

渗透性能较差使得地热井开采时侧向补给较慢,造成了开采水位降深过大 (深热 2井开采量 116m3/h时,动水位降深达 108.52m),经过供暖期长时期开采,停抽后水位难以恢复的状况,从而导致水位呈较大降幅下降态势。如深热 2井,2006年 10月 30日供暖前测得水位埋深为 4.14m,经过冬季供暖长时间抽水,水位出现大幅度下降,2007年 3月 15日供暖结束,2007年 4月 30日测得水位埋深为 20.52m,经过开采淡季期的恢复,2007年 10月 30日水位埋深恢复至 7.65m,水位远未恢复至上一年水准。

图2 馆陶组多孔抽水试验井分布示意图

2.3.3 地热资源过量开采和不合理布井对水位下降的影响分析 深州地热田地热资源开采不均衡,深州市区为集中开采区,出现地热资源过量开采。以馆陶组为例,集中开采区年允许开采量为 77.0×104m3,而实际年开采量约 164.3×104m3,实际开采量是允许开采量的 2.13倍。另外,集中开采区井距过小,导致干扰抽水,进一步加剧了水位下降。

综上所述,热储层渗透性能较差、地热资源过量开采和不合理布井是造成深州地热田水位下降的主要原因,分布于阻水断裂附近的地热井,开采时侧向补给受到一定影响,加剧了水位的下降幅度。

3 地热资源可持续开发策略

随着地下水水位的不断下降,将会给地热资源开采带来困难。为了实现地热资源的可持续开发,针对地热水水位下降影响因素,应制定合理的地热资源开采利用方案及有效保护措施。

3.1 地热资源合理利用配置

深州地热田热储厚度大,垂向热储水温变化较大,明化镇上段热储中部温度 41℃～43℃,明化镇下段热储中部温度 55℃～60℃,馆陶组上段中部温度 74℃～79℃。从不同层位地热水优势角度出发,进行不同层位地热水开发利用配置,实现地热资源均衡开采。

明化镇上段：水温较低,富水性较好,水质较好,以进行洗浴、游泳等项目的开发为主。明化镇下段：水温一般,富水性较好,水质较好,适宜于进行地板采暖项目的开发,以弥补馆陶组热储供暖不足,少量可用于洗浴项目的开发。馆陶组：水温较高,以供暖利用为主。

3.2 地热资源科学开采方案设置

3.2.1 划分开采分区,实现地热资源的均衡开发由于深州地热田渗透性能差,侧向补给非常缓慢,因此均衡开采是实现可持续开发的重要方面。根据目前地热井布局、开采层位现状,将地热资源集中开采区划定为限制开采区 (图 3),限采层位为馆陶组,此区禁止新施工馆陶组地热井。地热田周边区域馆陶组热储层和整个地热田明化镇组热储层划定为鼓励开采区,作为今后地热井井位布设区域。

3.2.2 开采方案配置 地热资源开采原则：严格控制开采量,保证和开采总量均不超过允许开采量;合理规划地热井井距,保证地热井开采水量互不干扰。

①限制开采区馆陶组热储合理开采配置。A.限制开采区馆陶组允许开采量确定。限制开采区限采层位为馆陶组,其允许开采量采用多年开采量与水位变化关系确定,允许开采量以 100年开采年限允许水位下降150m计算而来。限制开采区馆陶组年均水位降深 3.2m(按深热 2井与深热 3井水位下降平均值计),年实际开采量约 164.3×104m3,即该区馆陶组年允许开采量为 77.0×104m3。

1-限制开采区

B.允许布井数。馆陶组地热井以供暖为主,供暖期以每天开采 24h计,单井年开采量 23.8×104m3。以总开采量不超过允许开采量为原则,可布井 3眼。

C.地热资源开采调配方案。限制开采区地热井布局已成定局,地热井数量已超过区内可布井数,且局部井距过小。根据地热井布局现状进行合理调配：Ⅰ.适当限制开采量,使区内开采总量不超过区内年允许开采量 (77.0×104m3)。Ⅱ.在地热井密集区,根据井距与开采影响范围适当限制单井开采量,避免出现干扰抽水。

②鼓励开采区合理开采配置。根据热储层条件及前述合理开发利用方案,在地热井总开采量不超过区内允许开采量的前提下进行开采方案配置,包括允许布井数及地热井合理井距。

A.允许布井数。允许布井数以开采区地热资源允许开采量与单井开采量之比确定。明化镇组上段热储年允许开采量为 5.710×106m3,明化镇组下段热储年允许开采量为 7.701×106m3,馆陶组热储年允许开采量为 2.031×106m3。根据各热储合理利用方案,明化镇组上段以洗浴、娱乐为主,考虑季节影响,11月—4月以每天开采 12 h计,其他季节以每天开采 6h计,单井开采量为 112.5m3/h,年开采量 36.788×104m3。明化镇组下段以地板采暖、洗浴为主,冬季供暖期以每天开采 24h计,其他季节以每天开采 4h计,单井开采量为 112.5 m3/h,年开采量 43.425×104m3。馆陶组以采暖为主,供暖期以每天开采 24h计,单井开采量为82.56 m3/h,年开采量 23.777×104m3。

鼓励开采区明化镇组上段热储允许布井 15眼,明化镇组下段热储允许布井 18眼,馆陶组热储允许布井 8眼。

B.允许井距确定。明化镇组：根据明化镇储层研究程度,明化镇组井距采用均匀布井法确定。经计算,明化镇组上段热储允许井距为1 180m,明化镇组下段热储允许井距为1 080m。

馆陶组：根据深州地热田热储层渗透性能特征和研究程度,允许井距的确定采用基于孔组抽水试验的干扰井水位消减法。其确定原则：在平面上排列的 n个同热储干扰井同时抽水时,求 i号井的干扰开采量,通过试算,以满足 i号井开采量消减约5%的井距作为允许井距。计算公式：

式 (1)中,R为抽水试验确定的影响半径 (m);t为抽水试验观测井水位削减值 (m);x为抽水试验观测井距抽水孔距离 (m);S为抽水井水位降深值(m);xi为 i号井距抽水井试算井距 (m);ti为 i号井水位削减值 (m);αi为干扰井单独抽水时对 i号井的有效开采量减少系数;∑α′i为干扰井同时抽水时对 i号井的有效开采量消减值之和,取值 5%。

根据馆陶组多孔试验结果,观测孔与抽水孔距离为 1 470m,抽水井降深 108.52m时,观测孔降深3.25m,抽水影响半径 1 880m。干扰井数按圆形布井法确定为 4眼,确定允许井距为 1 690m。

③断裂构造对地热井布设的影响。由于馆陶组底部局部存在阻水断裂,馆陶组布井时应考虑断层可能对地热井开采造成影响,在断裂性质不明的情况下,井位布设应避开断裂带。当确定阻水断裂性质时,井位距断层应有一定的距离,保证地热井开采时侧向补给的充足。

3.3 地热资源保护方案

3.3.1 地热资源梯级利用 本区馆陶组水温较高,供暖循环后水温仍可达到 40℃,初次供暖循环尾水可再次进入供暖系统进行二次供暖利用,既可提高地热资源利用率,又可解决供暖水量不足的状况。通过地热资源的梯级利用提高地热资源利用率,可有效减少地热资源开采量。

3.3.2 地热尾水回灌 目前区域回灌试验已证实了新生界热储层尾水回灌的可行性。应首先建立地热回灌系统示范工程,求得本地热田热储层回灌参数,根据热储层回灌能力进行回灌井布设,实现地热尾水同层回灌。

4 结 语

深州地热田水位呈现大幅下降,其原因是阻水断裂构造的分布、热储层渗透性较差、地热资源过量开采和不合理布井。为了实现地热资源可持续开发,根据水位下降原因及地热井开发利用现状,作出相应可行可持续开发策略：进行热储层均衡开发;发挥各热储水温水质优势进行地热资源合理开发利用;限制总开采量不超过区内允许开采量;进行合理的地热井井位布设,避免干扰开采;在馆陶组热储井布井时考虑馆陶组阻水断裂的影响。

[1]张素娥,康清普.深州市区地热资源详查[R].衡水：河北省地矿局第三水文工程地质大队,2009.

[2]寇秋焕,张素娥.河北省衡水市地热资源调查评价[R].衡水：河北省地矿局第三水文工程地质大队,2003.

[3]李郡,冯来全.衡水地热田地热资源勘查评价[R].衡水：河北省地矿局第三水文工程地质大队,2008.

[4]地质矿产部水文地质工程地质地质技术方法研究队.水文地质手册[M].北京：地震出版社,1983.

[5]齐玉峰,王现国.开封凹陷区地热资源开发利用与保护 [J].2007,29(4)：77-79.

[6]林建旺,刘小满.天津地热回灌试验分析及存在问题[J].地热能 ,2006(6)：11-13.

Sustainable development strategy of geother mal resource and protection proposals

ZHANG Su-e,L I Zhi-jun,ZHENG Xi-zhen

(Party 3 Hydrogeology and Engineering Geology,HebeiBureau of Geology andMinerals,Hengshui 053000,Hebei)

Shenzhou Geothermal Field is one of the geother mal fieldswith betterwater quality and higher water temperature in North China region.In order to realize the substainable developmentof geother mal resource,the effectof fault structure and thermal reservoir permeability to the water level decrease was analysed in the text,and the rationalwell spacingwas investigated through the method of water level cut back of the interferencewell.The parametersof geother mal resource substainable developmentwere obtained such as the allowable yield,the allowable well spacing density,the rationalwell spacing and so on.

Water level decrease;Genesis analysis;Development strategy;Protection proposals;Shenzhou,Hebei

TK529

A

1674-3636(2010)02-0220-05

2009-12-02;

2010-03-10;编辑：陆李萍

张素娥 (1969—),女,硕士,高级工程师,现主要从事地热地质、环境地质工作.

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.02.220