天津市地热资源开发利用特征及存在问题分析

林 溦，于 彦，秦莉红，康 楠

(天津地热勘查开发设计院，天津 300250)



天津市地热资源开发利用特征及存在问题分析

林 溦，于 彦，秦莉红，康 楠

(天津地热勘查开发设计院，天津 300250)

天津地区的地热地质条件良好，蕴藏着丰富的地热资源。在地热资源的开发利用过程中，每年可产生可观的经济、社会和环境效益，但由于开发方式的不尽合理，带来诸多问题。文章阐述了天津开发利用地热资源的特征，分析了存在的问题。认为不同热储层间水力联系的存在和地热井间距的过小，造成开采层间相互影响较大；地热井布局不合理、开采层位相对集中、回灌程度不高导致局部热储层压力大幅度下降，持续的大幅度压力下降将引发吊泵和地面沉降；超标准排放地热尾水会造成资源浪费和热污染；采、灌井间距的过小和相对位置的不合理，存在冷突破风险。针对不同问题，给出了针对性解决问题的建议。

地热；热储层；开采层；地热尾水；回灌程度；地面沉降；天津市

0 引言

随着天津市经济和社会的发展，环境问题日益突出，近几年挥之不去的雾霾危机便是很好的例证，地热能作为一种传统的新能源被提上“美丽天津”建设的议事日程。天津地区的地热地质条件良好，蕴藏着丰富的地热资源，被广泛用于建筑供暖、生活用水、温泉洗浴等诸多领域，带来了巨大的社会、环境效益和较好的经济效益。但同时，地热资源的欠科学开发也引发了诸多的问题，亟待我们发现问题和解决问题。

1 地热地质条件

1.1 地质构造条件

天津地处华北盆地东北部，以宁河—宝坻断裂为界划为南北两个区(图1)。

北区属地质构造Ⅱ级单元燕山台褶带的次一级(Ⅲ级)构造单元蓟宝隆褶，其发育地层有前古生界及古生界，为基岩裸露区和浅覆盖区，易于大气降水的入渗，是南部地热流体的补给区。

南区属地质构造Ⅱ级单元华北断坳，属于中-新生代断陷、坳陷盆地，其区内的次一级(Ⅲ级)构造单元包括一隆两坳，即沧县隆起、冀中坳陷和黄骅坳陷；在隆起、坳陷及其间还发育有诸多次级(Ⅳ级)的构造单元(凸起、凹陷)，其展布方向为NNE向。区内发育有两组主要断裂，延伸方向为NNE向和近EW向[1]。该区新生界松散沉积层厚度大，是地热资源的良好储层和盖层。

1.2 地温场分布特征

约占全市总面积77%的南部平原区普遍蕴藏着地热资源，其富集程度受构造控制，与隆起、凸起和断裂正相关，地温梯度高值区位于中间的沧县隆起带，低值区位于其两侧的坳陷(图2)。据统计，盖层平均地温梯度大于3.5℃/100 m的地热异常区有10个，其中有7个分布在沧县隆起上，占南部地热异常区总面积的86%[2]；利于开发的地热资源主要集中在基岩埋藏较浅的隆起上，这大大降低了开发成本，为大规模的开发利用地热资源提供了良好的前提条件。

1.3 热储层特征

天津地区开发的热储层主要有新近系明化镇组(Nm)、新近系馆陶组(Ng)、古近系东营组(Ed)、寒武系(∈)、奥陶系(O)、蓟县系雾迷山组(Jxw)。

各热储层基本特征，如表1所述。

2 地热资源开发利用特征分析

本次研究的地热开发利用特征分析资料均以2015年监测数据[3]为基础，监测周期为2014年11月—2015年10月，文中不再特别说明。

图1 天津市地质构造单元分区图Fig.1 Divisiion of tectonic units in Tianjin

图2 天津市盖层地温梯度等值图Fig.2 The geothermal gradient contour of cover layer in Tianjin

2.1 开发布局特征

开发强度较大的集中开采区位于经济发展速度较快的中心城区至滨海新区的东西向发展轴带上，主要包括中心城区、东丽区和滨海新区。全市共有开采井398眼，其中集中开采区有277眼，占总数的70%，最小开采井间距不足1 km。全市地热资源总开采量为3 884.52×104m3/a，其中集中开采区开采量为2 793.93×104m3/a，占总开采量的72%。

2.2 开发层位特征

雾迷山组(Jxw)热储层是天津地热资源主力开采层，共有开采井123眼，占开采井总数的31%，开采量为2 029.78×104m3/a，占总开采量的52%。其次为馆陶组(Ng)热储层，共有开采井137眼，占开采井总数的34%，开采量为1 035.32×104m3/a，占总开采量的27%。

各热储层开采情况如表2所述。

2.3 地热回灌特征

地热回灌用水为供暖后的尾水，以基岩裂隙型热储层为主，松散孔隙型热储层为辅。从表2可知，雾迷山组(Jxw)热储层为主要回灌层位，回灌量为1 048.44×104m3/a，占总回灌量的60%。奥陶系(O)和寒武系(∈)热储层由于异层采灌，回灌率均超过了100%。其它热储层回灌率则相对较低：明化镇组(Nm)热储层回灌率较低的原因在于热流体温低、水质较好且难以回灌，主要用于生活、洗浴和种养殖等；馆陶组(Ng)和雾迷山组(Jxw)热储层回灌率低的主要原因是采灌系统不完善，早期施工的地热开采井为单采系统；而东营组(Ed)热储层尚处试开发阶段，开采井少，主要用于洗浴，无回灌。

表1 天津地区各热储层基本特征

表2 2015年各热储层开采及回灌情况统计表[3]

图3 天津市地热开采井和回灌井数量多年统计图Fig.3 Plot showing statistical numbers of the exploitation and recharge wels from 2001 to 2015 in Tianjin(摘自2015年度天津市地热资源开发利用动态监测年报)

2.4 开发趋势

随着对地热资源需求的增加，地热资源开采量呈逐年增长趋势，由2002年的1 821×104m3增加到2015年的3 884.52×104m3。为了实现环境保护和资源的可持续利用，天津市加大了地热尾水回灌力度；从图3可看出，从2006年起，地热开采和回灌井数量同步增长，到2015年回灌井已有148眼，回灌量由2006年的350×104m3增加到2015年的1 748×104m3。回灌率呈整体快速增长趋势，2015年达到了45.01%。

2.5 利用特征

天津市的地热资源主要用于建筑供暖，供暖面积达到2 350×104m2，约占全市集中供暖总面积的6.7%，供暖面积居于全国领先地位。由表3可以看出，供暖用地热流体开采量最大，占年度地热流体开采量的76.67%，其次为生活用水，占年度地热流体开采量的16.73%，其余用途所占的比重很小。

2.6 地热利用效益

(1)经济效益：2015年地热资源开发产生的总收益为10.84亿元(见表3)。经济效益贡献较大的利用方式是建筑供暖和温泉洗浴(图4)，温泉洗浴的收益率明显要高得多。

(2)社会效益：地热资源的开发提高了就业率和人民生活质量，带动了相关产业发展。据有关部门统计，2015年度开发地热资源产生的直接从业人员1 592人、间接从业人员3 011人，为增加人民收入和保障社会稳定做出了贡献；地热生活水小区近200个、约10万户居民足不出户享受温泉水洗浴；全市温泉旅游单位达14家之多，为市民的休闲生活提供了更多选择；利用地热供暖的小区及公建达到448个，农业种植养殖面积达76.6×104km2，有力的带动了相关产业的发展。

(3)环境效益：地热资源开发可有效的减少常规燃料的需求和有害气体的排放量，节约污染治理费用，并相应的减少城市废物运输量，有效地保护了生态环境，具有明显的环境效益。根据统计计算，2015年开采地热流体量所产生的热量为0.57×1016J，相当于32.4×104t标准煤，总体减排量约为81.55×104t，不计煤灰碴运输费用，约可减少环境治理费9 010.44万元(表4)。

3 地热资源开发利用存在问题分析及对策

3.1 水力联系造成开采层间相互影响

不同构造单元间各热储层的水力联系程度有所不同。雾迷山组(Jxw)热储层是天津地区地热流体的主力开采层，集中式的高强度开发，热储压力急剧下降，引发了上覆热储层的越流补给，加剧了上覆热储层的热储压力下降，造成各开采层位间的相互影响。

在潘庄凸起部分地区，明化镇组(Nm)直接覆盖于雾迷山组(Jxw)之上，两组热储层的地热流体水质非常接近，水质类型均为Cl·HCO3—Na型。有4眼分布相对集中的明化镇组(Nm)地热井，与周边相同层位地热井距离较远，但最近3个年度的静水位埋深和最大水位降幅出现在非开采井。该非开采井水位降幅变化与井底位置距其400 m左右的一眼雾迷山组(Jxw)地热井的开采及回灌量相关。说明该区雾迷山组(Jxw)热储层与明化镇组(Nm)热储层存在较好的水力联系。

表3 2015年天津市地热资源利用方向和经济效益统计表

表4 地热资源环境效益数据表

图4 天津市2015年地热开发利用各用途效益比率图Fig.4 Plot showing proportion of economic benefits of each utilization of the exploited geothermal resources in 2015 in Tianjin

在小韩庄凸起上，集中着几对雾迷山组(Jxw)地热井与奥陶系(O)地热井组成的异层采灌系统。奥陶系(O)回灌井数量多，回灌量远远大于开采量，但水位降幅居高不下，且静水位埋深大于下覆热储层，小于上覆热储层；该区基本上不开采寒武系(∈)地热流体。在潘庄凸起上，虽然寒武系热储层开采和回灌井数量较少，但基本情况与上述奥陶系(O)热储层类似。说明两区雾迷山组(Jxw)热储层分别与奥陶系(O)热储层和寒武系(∈)热储层存在较好的水力联系。

在沧东断裂、白塘口西断裂和海河断裂附近，存在各热储层地热流体样的δD、δ(18O)组成以及地热流体样的主要阴阳离子含量十分接近，其接近率达50%，水化学类型相同，说明开启性断裂附近热储层之间连通性好，有较强水力联系[4]。

在沧县隆起上存在区域性的各热储层间水力联系，具体范围尚不清楚。

建议：一是加强各热储层间水力联系的研究和评价，确定其分布范围和强度；二是在开凿地热井时，要科学确定异层地热井井间距。

3.2 热储压力下降导致吊泵和产生地面沉降

现有地热回灌仅对热储层压力下降起到了减缓作用，未能改变所有热储层压力逐年下降趋势。明化镇组(Nm)热储层集中开采区位于中心城区，最大静水位埋深已大于110 m，年最大降幅已超4 m；馆陶组(Ng)热储层集中开采区位于武清区和滨海新区，最大静水位埋深已大于125 m，年最大降幅已近7 m；东营组(Ed)热储层开采井少，主要位于滨海新区，最大静水位埋深已近70 m，年最大降幅大于2 m；奥陶系(O)热储层集中开采区位于中心城区和东丽区，最大静水位埋深已达140 m，年最大降幅已近5 m；寒武系(∈)热储层开采井较少，最大静水位埋深已达125 m，年最大降幅已达2 m；雾迷山组(Jxw)热储层集中开采区位于中心城区和新四区，静水位埋深已大于160 m，年最大降幅已近13 m。

东营组(Ed)热储层和部分地区奥陶系(O)热储层，因热储条件较差，抽水时动水位埋深分别达到128 m和大于180 m。

分布广泛和开采量较大的明化镇组(Nm)、馆陶组(Ng)和雾迷山组(Jxw)热储层，已形成区域性降落漏斗，降落漏斗范围逐年增大。以明化镇组(Nm)热储层为例，2012年中心城区开始出现水位埋深大于98 m的漏斗(图5)，到2015年98 m级的漏斗范围覆盖了中心城区大部分地区(图6)。南部平原区整体上形成了以中心城区为中心向外辐射的统一漏斗区。从开采和回灌量看，中心城区2012年—2015年最大年开采量变幅在45×104m3左右，回灌量很小。由此可见，明化镇组(Nm)热储层一直处于超采状态。

图5 2012年天津明化镇组热储层20℃液面静水位埋深等值线Fig.5 The burial depths contour of static water table of 20℃ Minhua geothermal layer in Tianjin in 2012

图6 2015年天津明化镇组热储层20℃液面静水位埋深等值线Fig.6 The burial depths contour of static water table of 20℃ Minhua geothermal layer in Tianjin in 2015

集中式开采造成的超采是热储层压力持续下降和水位降落漏斗形成的主要原因，热储层间水力联系引发或加剧了相邻热储层的压力下降。水位埋深的逐年加大将导致吊泵和出现地面沉降：天津地热开采井的泵室设置不一，上世纪开凿的地热井，泵室有的在100多米，极易产生吊泵现象，天津市环保局院内供暖用地热开采井，已因水位下降引发吊泵，导致开采井报废，发生吊泵直接影响企事业单位正常生产或居民正常生活；新生界地层成岩程度差，特别是明化镇组(Nm)地层松散，热储压力下降，孔隙水压力减小，会影响相邻弱透水层水动力场稳定，引起弱透水层水位下降，使弱透水层孔隙水压力减小，有效应力增加，导致弱透水层和含水层压缩变形，长期高强度开采将出现地面沉降。部分学者认为，天津地热资源开发已产生地面沉降。

建议：一是加紧对空白区地热资源的勘查和地热田跟踪评价，科学确定可开采资源量，为地热开发提供依据；二是在集中开采区控制开采量，加大回灌量，严格限制开凿地热开采井；三是按资源条件细化分区，调整地热井布局结构，科学确定各区开采量。

3.3 超标准排放造成资源浪费和热污染

地热资源集约利用程度较低，导致地热尾水排放温度居高不下，除采灌系统少有尾水排放外，单采系统的地热供暖尾水直接排放，排放温度为20～50℃，多数在30～45℃之间。2015年总开采量为3 884.52×104m3，回灌量为1 748.44×104m3，按平均排放温度为40℃和排放达标温度为20℃计，排放的热量约0.18×1016J，相当于10.2×104t标准燃煤热量，排放必然产生热污染。

建议：一是补建回灌井，升级单采系统成采灌系统；二是加大梯级利用的推广力度，降低直排尾水温度；三是调整各种用途地热流体开采比例。

3.4 回灌存在冷突破危险

地热回灌使得低温流体进入热储层，在回灌井附近形成低温区域。回灌间歇期，来自深部的热流作用使得降温的热储层逐步升温，直至温度场恢复到天然状态。如果来自深部的热能不足以在间歇期恢复温度场至天然状态，随着地热回灌的运行，低温区域将逐步扩大。H1井为一眼雾迷山组(Jxw)热储层回灌井，其历年连续测温曲线(图7)显示，热储层温度呈逐年下降趋势，以回灌井为中心的低温区域正在逐年扩大，回灌期即将开始的2015年11月初，热储层温度与天然温度场状态下热储层温度之差已大于20℃。如果采灌井间距过小或相对位置与裂隙发育走向一致，极易造成冷突破，导致开采流体温度降低。

图7 H1地热井历年测温曲线图Fig.7 H1’s temperature curve for many years

建议：一是对井采灌系统建设时，要考虑裂隙发育程度和方向；二是在地热井密度较大的集中开采区逐步建立统一的回灌系统；三是加强示踪试验、温度场模拟预测和监测，做到及时预警。

4 结语

(1)地热地质条件不清和开发布局的不合理，导致了大面积热储压力下降和水位降落漏斗的形成，水位的持续下降将引发地热开采井报废和出现地面沉降，应开展地热田跟踪评价、调整地热井布局、控制开采量和增加回灌量。

(2)地热资源的不合理利用造成了资源浪费和

环境污染，需加大推广集约节约技术力度。低温区域的逐年扩大应引起高度重视，要加强研究和监测，建立集中回灌系统。

(3)热储层间水力联系是未来地质研究的重要课题，为合理确定地热井间距提供依据。

[1] 陈墨香. 华北地热[M]. 北京: 科学出版社, 1988: 3-36.

[2] 林黎, 高宝珠, 阮传侠, 等. 天津市地热资源调查评价与区划[R]. 天津: 天津地热勘查开发设计院, 2015: 38.

[3] 田光辉, 蔡芸, 刘东林, 等. 天津市地热资源开发利用动态监测年报[R]. 天津: 天津地热勘查开发设计院.2015: 24-29, 33-43.

[4] 张芬娜, 贾志, 钱洪强, 等. 天津市中心城区及附近热储层间的水力联系[J]. 地质找矿论丛, 2015, 30(3): 448-455.

Development and utilization characteristics and problem analysis of the geothermal resource in Tianjin

LIN Wei，YU Yan，QIN Li-hong，KANG Nan

(TianjinGeothermalExplorationandDevelopment-designingInstitute,Tianjin300250,China)

Tianjin is endowed with good geothermal condition and is abundant with the resources and considerable economic, social and environmental benefits have resulted from the geothermal production each year. However, unreasonable development method resulted in many problems. In the article, the author analyze the development and utilization situation and the existing problems and consider that hydraulic connection of different geothermal water layers and small interval between wells affect heavily the production. Unreasonable layout of wells, concentrated exploitation at some layers and low recharge rate have led to dramatic pressure drop of geothermal water layers and triggered pump lift and ground subsidence. Excessive disposal of geothermal water may probably cause the resource waste and heat pollution. Short distance of the exploitation well and recharge well and unreasonable layout of the wells will take risk of breakthrough of the recharged cold water into the geothermal layer. The counter measures are put forward.

geothermal; thermallayer; exploitation layer; tail water; recharge rate; ground subsidence; Tianjin

2016-04-27； 责任编辑： 王传泰

林溦(1988—)，女，助理工程师，南京师范大学地理科学学院本科毕业，主要从事地热资源的勘查、评价工作。通信地址：天津市河东区卫国道189号，天津地热勘查开发设计院；邮政编码：300250；E-mail：tawanna1211@126.com

10.6053/j.issn.1001-1412.2016.04.018

P314， TK529

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