天津市蓟县系雾迷山组热储层水位动态变化及趋势预测研究

李俊峰，贾志，张芬娜，田光辉，靳宝珍，刘东林

（天津地热勘查开发设计院，天津 300250）

天津市蓟县系雾迷山组热储层水位动态变化及趋势预测研究

李俊峰，贾志，张芬娜，田光辉，靳宝珍，刘东林

（天津地热勘查开发设计院，天津 300250）

通过对天津市蓟县系雾迷山组热储层地下水位动态规律的分析，利用LUMPFIT软件预测了在不同开采量下未来水位的变化规律。结果表明，水位呈逐年下降的趋势，但由于回灌量的增加，水位下降速率明显减小。

雾迷山组热储层；水位动态；水位趋势预测；天津市

天津地热资源开发利用至今已有30多年的历史，随着国家节能减排目标的制定，地热需求迅速增加。蓟县系雾迷山组热储层作为最主要的开采层，开采量增加明显，水位下降较快，尽管天津地区雾迷山组热储层从1998年开始回灌，至2012年年回灌量已达到757.63×104m3/a，但回灌量仅为45.21%，水位降幅依然较大[1]，表明地热流体开采量远大于补给量，如不采取有效措施，势必影响地热资源的可持续开发利用[2-4]。本次通过LUMPFIT软件预测在不同开采量下未来水位的变化规律，对地热田的开采量、水位进行拟合[5]，预测不同开采量下整个系统的水位及水温变化，进而提出了合理的开采利用方案，为整体开发布局提供科学依据。

1 热储特征

蓟县系雾迷山组是天津地区分布最广、沉积厚度最大的地层，也是本区地热开发最主要的层位[6]。该热储层在沧县隆起区普遍分布，即：北至宁河-宝坻断裂，东至沧东断裂，西至天津断裂，南达天津与河北省行政交界处，热储面积2121 km2，目前尚无钻孔揭穿该地层[7]。

雾迷山组从上至下分为四段、三段、二段和一段。四段岩性以深灰色粗晶白云岩、燧石条带白云岩为主，孔、洞、缝发育，是主要富水层段；三段岩性以灰白色中粗晶白云岩、灰色微晶白云岩为主，溶孔、溶缝发育，也是重要的地热流体储集层；二段与一段为富镁碳酸盐岩层段，一段尚未有钻孔揭露，岩性以灰色、深灰色白云岩、硅质条带白云岩为主，有泥质夹层。

该热储层裂隙发育段占揭露总厚度的6%～69%，孔隙度1%～5.8%，渗透系数0.49～2.81 m/ d，在不同地区差异较大，其中渗透系数高值区出现在沿沧东断裂、海河断裂、白塘口西断裂分布的裂隙发育的地区。流体化学类型以Cl·HCO3·SO4-Na，Cl·SO4·HCO3-Na和Cl·SO4-Na型为主，矿化度1700～2100 mg/L，局部出现大于5000 mg/L矿化度高值区，总硬度300 mg/L，pH值7.5左右[8]。

2 水位开采动态特征

天津地区雾迷山组热储层压力场的总体特征是西低东高，平面上热储压力的大小和变化均与单位面积上开采强度及断裂的导水和隔水性质有关[9]。截止到2012年末，共有雾迷山组热储层地热井135眼，年开采量为1675.91×104m3。因连续规模化开采，地下水位呈现逐年下降的变化趋势。对部分长观地热井的水位数据进行统一温度（20℃）校正后[10]，绘制多年水位动态曲线（图1）可以看出，目前水位平均年降幅5～6 m，个别地区下降高达10 m，10年来总体下降50 m左右。

图1 多年水位动态曲线Fig．1 Change of the groundwater level

3 水位动态趋势预测

3．1 概念模型

开采动态预报是根据地热井多年动态监测资料，结合当前热储压力、水位埋深及降幅等情况，用LUMPFIT软件进行综合分析和预报。过去二十多年里，在冰岛和世界其它地区数个低温地热田，LUMPFIT软件已经成功的用于拟合长观资料（Axelsson and Gunnlaugsson,2000），通过利用LUMPFIT软件自动进行水位拟合，直到取得最佳拟合效果为止，并预测在不同开采量下未来水位（压力）动态变化[11]。图2是LUMPFIT软件的原理简图。

模型主要参数包括热储箱子的储存系数（κi）和流体传导系数（σi）。储存系数反映地热系统中不同热储部分的体积储存，它依赖于热储体积、孔隙度和热储压缩系数，储存系数可表示为：

κ=Vρct

式中：V为热储体积(m3)；ρ为流体密度(kg/ m3)；Ct为热储总压缩系数(Pa-1)。

热储总压缩系数公式如下：

式中：Cw和Ct分别为流体和岩石骨架的压缩系数,φ为热储的孔隙度。

传导系数(σi)反映流体的传输能力，它依赖于渗透率、粘滞系数和热储几何参数。二维流传导系数表示方法如下：

式中：ki为渗透率(m2)；h为热储厚度(m)；v为流体水动力粘滞系数(m2/s)；ri+1、ri为模型不同部分的半径（m）。

图2 LUMPFIT模型图Fig．2 LUMPFIT model diagram

3．2 模型建立

依照上述模型，结合《天津市地热资源规划》（2011-2015）的要求，对天津地区蓟县系雾迷山组热储层集中开采区进行开采动态预报。预报分两种方案：方案一，以目前的开采强度预测至2015年，分析其水位动态特征；方案二，如果方案一预报结果满足雾迷山组热储层年降幅大于3.0 m/a，就代表该地区属于限制开采区，反过来调整开采量或回灌量，使其年降幅分别控制在3.0 m/a之内，变成控制开采区。

（1）根据多年监测资料，我们可以发现地下水位动态变化主要受开采量的影响。因此，我们选取了2002-2011年的数据利用LUMPFIT软件进行水位拟合，模拟数据见表1。

（2）数据拟合

将计算模拟的水位曲线与2004年12月-2012年10月实际观测值（表2）进行拟合对比（图3）可以看出：模拟曲线与观测值在变化趋势和数值都很接近，大部分实际观测值点都在模拟曲线上，两者平均相对误差为4.36%，拟合率达95.64%，小于给定的允许误差，拟合值和观测值较为一致；整个模型的拟合效果良好，相对误差在允许范围内，只是在局部出现了较大的误差，但可以满足趋势预测。出现部分大的偏差，可能是由于水位动态数据具有一定的随机性，监测数据较少的原因引起的，需要更多的、可靠的数据来支持和拟合模型，并不断修正参数，才能达到更好的效果。

表1 模拟数据表Table 1 Data of the simulated water level

表2 水位监测数据（2004-2012）Table 2 Monitor data of the water levels from 2004 to 2012

3．3 水位动态变化及趋势预测

本次对天津地区中心城区蓟县系雾迷山组热储层水位动态变化及趋势预测，预预测结果见图4。

根据模型预测的结果（表3），可以看出如果继续维持2012年的开采模式和规模进行开采，至2015年中心城区的水位埋深为131.65 m，降幅为3.03 m/a，大于3 m/a，属于限制开采区，说明目前的净开采量偏大，应减小至目前净开采量的90%左右；按照方案二开采，水位埋深为130.11 m，降幅为2.51 m/a，可以将降幅控制在3 m/a以内，但水位仍呈逐年下降趋势。

图3 实测水位和模拟水位对比图Fig．3 Measured water lever VS simulated water level

图4 水位预测图Fig．4 Water lever predication

表3 水位预测表Table 3 Water lever predication

4 结论

（1）通过对天津市蓟县系雾迷山组热储层水位动态资料分析，利用LUMFIT对不同开采量下水位动态变化进行了预测，与实际检测的数据基本吻合，拟合度高。

（2）如果保持目前的开采量，到2015年，水位年降幅将达到3.03 m/a，若开采量将为目前的90%，则年降幅可降至2.51 m/a。

（3）如不采取有效控制趋势，随着需求量的增加，地下水位的下降速率和年降幅可能要比预测值更大，因此应积极采取有效措施，加强回灌，减少净开采量

（4）必须对地热田进行统一管理，加强地热田的

监测，主要的监测项目包括开采量、回灌量、水位和水温。定期采取水样分析水化学变化，这些变化可能预示地热田的温度和补给源发生了变化，要积极预防由于水位继续下降而导致的地质灾害的发生。

[1]田光辉，宋美钰，刘东林,等.天津地热资源开发利用动态监测年报[R].天津地热勘查开发设计院,2001-2012.

[2]周训，周海燕，方斌，等.浅析开采条件下地下热水资源的演变[J].地质通报，2006，25（4）：482-486.

[3]樊友丽，周训，林黎，等.天津地区深层地下热水开采动态分析[J].现代地质，2006,20（3）：486-493.

[4]周训，阮传侠，方斌，等.海潮及滨海含水层地下水位变化的拟合与预测[J].勘察科学技术，2006，（1）：10-14.

[5]黄卫星，尹立河，王晓勇.山西奇村地热田资源评价[J].西北地质，2003，36（4）：87-92．

[6]田光辉，曾梅香，阮传侠．天津地热资源开发利用动态特征浅析[J].地下水，2008,30（5）：28-31．

[7]孙宝成，林黎，程万庆，等.天津市地热资源开发潜力评价成果报告[R].天津地热勘查开发设计院,2008.

[8]李俊峰，靳宝珍，程万庆,等.天津蓟县系雾迷山组地热流体水化学特征研究[J].地质调查与研究，2008,31（4）：339-345.

[9]夏大平，王心义，林建旺，等.天津地热开发对环境地质条件的影响[J].山东科技大学学报，2008，27（5）：14-18.

[10]周训,陈明佑,赵维明.深层地下热水钻井井内动水位升高值的计算[J].勘察科学技术，2000，（5）：33-35.

[11]Axelsson G．Simulation of pressure response data from geothermal reservoirs by lumped parameter models．Fourteenth Workshop on Geothermal Reservoir Engi—neering，Jan[M]．Stanforduniversity，1989，257-263．

Research on the Change and Trend Prediction of the Water Level of Wumishan Geothermal Reservoir in Jixian System,Tianjin

LI Jun-feng,JIAZhi,ZHANG Fen-na,TIAN Guang-hui,JIN Bao-zhen,LIU Dong-lin
（Tianjin Geothermal Exploration and Development-Designing Institute,Tianjin,300250）

By analysis on the Tianjin level dynamic law of the Wumishan geothermal reservoir in the Jixian System,the authors utilize LUMPFIT software to predict future water level variation in the different extraction.The forecast results show that the water level show a declining trend,but due to the increase in recharge,water level drop rate is significantly reduced.

Wumishan geothermal reservoir;water level dynamics;prediction of trend of the water level;tianjin

P314.1

A

1672-4135（2013）02-0221-05

2013-04-19

资助项目：中国地质大调查项目：天津市基岩地质构造调查与区域地壳稳定性评价（1212011220232）

李俊峰（1971-）男，高级工程师，2006年毕业于中国地质大学（北京），获地质工程硕士学位，长期从事地热勘查研究工作，E-mail：tjdryjz@sina.com。