天津地热资源评价与综合研究

茹洪久， 刘东林， 胡慧川， 沈 健

(天津地热勘查开发设计院，天津 300250)

0 引言

天津市上一轮地热资源评价于2008年完成[1]，评价深度为3 000 m以浅的热储层。近些年来，随着钻探技术、地热梯级利用及回灌技术的发展，地热田的开采规模不断发生变化。根据《GB/T 11615—2010地热资源地质勘查规范》[2]要求，在地热资源开发利用阶段，地热资源评价和计算周期宜<5 a。天津市地热资源勘查评价一直位于全国前列，2006—2012年，先后对滨海新区、塘沽、大港等地区的地热资源可持续开发潜力进行评价[3]。随着地热资源需求量的与日俱增及相关技术的快速发展，天津地热资源现状及开采潜力发生了较大变化[4]。上一轮地热资源评价工作时间间隔较长，评价深度为3 000 m，对目前地热资源评价工作的指导已逐渐减弱[5]。随着科学技术的发展及天津地热资源开发利用程度的提高，以及可视化数值模型软件的升级完善，天津地热资源的精准评价已具备了相关条件[6]。本轮地热资源评价利用新增资料，更新已有的地质模型，采用2种方法对深度4 000 m以浅、温度>25 ℃的主要热储层进行评价，对所求资源量进行对比，获取更合理的热流体可采资源量。利用计算机数值模拟技术进行开发潜力评价及动态预测，计算和预测结果更具有时效性和指导性。

1 地热资源勘查概况

天津市位于华北盆地东北部，地下蕴藏着丰富的地热资源。20世纪30年代，天津市开凿了第一口自流热井； 60年代，该市主要勘探开发浅部新近系孔隙型地热流体； 70年代，该市开展了地热资源普查工作[7]。1981—2000年，国家科学技术委员会、农牧渔业部、中国地质矿产部、天津市政府等部门针对天津地热资源特征，分别下达了不同研究目的的工作任务，圈定了10个地热异常区，先后完成了王兰庄地热田、山岭子地热田、滨海地热田、武清地热田、万家码头地热田、宁河—汉沽地热田、潘庄—芦台地热田、桥沽—看才庄地热田(图1)及市区深部地热资源的勘查工作[8]。

天津市因丰富的地热资源储量、开发利用和保护成果以及国土资源管理部门的创新管理工作，被国土资源部命名为全国首批“中国温泉之都”。迄今为止，天津是全国唯一集“中国温泉之都”、“中国温泉之城”(京津新城、团泊新城)和“中国温泉之乡”(东丽湖温泉度假旅游区)为一体的省级单位[9]。截至2016年底，全市共有开采井443眼，回灌井189眼，年开采总量为4 121×104m3，年回灌总量为2 097×104m3，地热开采量的78%用于地热供暖，总供暖面积为2 773×104m2，是全国利用地热资源供暖规模最大的城市[10]。

图1 天津市地热资源勘查现状图

2 水均衡法计算热流体可采资源量

2.1 热流体可采资源量的构成

地热流体资源一般埋藏较深，相应的补、径、排条件较单一。从均衡的角度出发，地热系统总流入量和总流出量之差等于贮水量的变化量[11]。模拟的热流体均衡变化与实际情况应基本相符。依据均衡原理，结合热流体补给、径流、排泄条件，建立天津地热资源热流体可采资源量均衡方程如下：

(1)

式中：Q补为地热流体总补给量，m3；Q排为地热流体总排泄量，m3；S*为弹性释水系数；F为均衡区面积，km2； Δt为均衡时间段长，a； ΔH为与Δt对应的水位变幅，m；Q径入为侧向径流补给量，m3；S最大允许降为孔隙型热储，200 m，裂隙型热储，250 m；S现水位为热储目前静水位，m；Q径出为侧向径流排泄量，m3；Q越入为热储层通过导水断裂获得的越流补给量，m3；Q越出为热储层越流流出量，m3；Q泥岩释水为热储层中泥岩层压缩变形释放水量，m3；Q回灌为人工回灌总量，m3；Q允许消耗为允许损失热流体水头压力以换取的流体资源量，m3。

2.2 Q允许消耗热流体计算

天津地热大部分属于沉积盆地型地热资源，由于热储层相对埋深较深，地热流体补径排较缓慢[12]。在地热资源开发利用中应综合考虑经济效益和环境承载力等因素，对地热资源条件限定一定的损耗以换取地热资源开发的最优方案[13]。

(1)损失热储层水头压力以换取可采资源量。由于天津地热资源赋存条件及各热储层地热资源开发规模的限制，地热资源开发损耗的地热流体无法在短期内得到相应的补给，造成热储层水头压力损失。综合考虑目前天津各热储层实际热流体水头压力值及现阶段开采设备的实际情况，对各热储层热流体水头压力作如下限定：

①对孔隙型地热储层，地热开采期末热流体水头压力最大允许埋深≤200 m；

②对裂隙型地热储层，地热开采期末热流体水头压力最大允许埋深≤250 m。

(2)地热回灌对热储层温度场的影响限定。由公式(1)可知，均衡方程式中所有项的量值均具有局限性，唯有Q允许消耗和Q回灌可人为增大量值。Q允许消耗可通过增大降深值获得更大的可开采资源量；Q回灌也可通过增大回灌量增大热储层水头压力，从而获得更大的热流体可采资源量；Q回灌理论上可远大于其他项值，但随Q回灌的增大，由于灌入流体温度一般较小，将影响回灌井周围热储层温度的变化。因此，在回灌热储层必须给出限定条件，即回灌时热储层温度场不能发生太大变化。

(3)其他条件限定。地热回灌是否引起热储层流体化学场的明显变化，特别是异源回灌的热流体化学场变化[14]。

为提高计算精度及获取计算参数，每个计算值按计算区大小剖分为1 km2的若干单元，先计算每个单元值，然后按区域范围累加，则公式(1)中Q允许消耗分解为：

(2)

式中：i为计算区域第i个剖分单元； 其他参数意义同公式(1)。

根据前述各均衡项所求数值，按年求出每项均衡项的平均值并带入均衡式，求得各热储层地热资源30 a热流体可采资源量(表1)。

表1 天津市热储法-水均衡法计算的热流体可采资源量统计

3 数值耦合优化管理模型计算热流体可采资源量

TOUGH2是模拟孔隙或裂隙介质中多相流模拟软件中应用最广泛的软件之一，采用积分有限差进行空间离散，可进行一维、二维、三维孔隙和裂隙介质的流动模拟，较好地逼近流体流动形态，获得精确的数值解[15]。因此，本次评价选择TOUGH2平台建立数值模型。地热资源优化管理数值模型是利用系统分析原理，为达到既定管理目标所建立的优化决策数学模型，通常由地热系统的状态模拟模型(地热流体水动力场模拟模型)和优化模型耦合组成的地热资源管理模型，可在严格遵循地热资源运动规律的前提下寻求最优决策。从限制因开采地热流体而引起的水位下降及环境地质问题出发，将TOUGH2建立的数值模型与优化模型耦合，计算地热资源可采量及地热资源最优开采方案。数值耦合优化管理模型流程见图2。

计算热流体可采资源量采用的方法不同，计算结果也不同。热流体可采资源量不仅取决于开采条件下的补给量，而且与开采的技术条件和开采方案有关。在约束或限制条件相同的情况下，开采井布局的合理性是求取可采资源量的关键。本次地热流体可采资源量计算以各热储层现有的地热井为基础，以2015年10月作为开始时间，2045年10月作为结束时间，根据约束条件，利用数值模型求出各热储层的可采资源量，计算结果见表2。

图2 数值耦合优化管理模型流程示意图

表2 数值耦合优化管理模型计算的各热储层热流体可采资源量及换算热量

4 热流体可采资源量分析

对比以上2种方法计算的热流体可采资源量(表1，表2)可知，热储法结合水均衡法计算的热流体可采资源量与数值耦合优化管理数值模型计算的热流体可采资源量相差较小，2种方法的计算结果反映出了天津地热热流体资源的实际开采能力。

4.1 可采热流体资源量分析

根据天津各热储层热流体可采资源量计算结果，绘制各热储层可采热流体资源量占比图(图3)及不同类型热储层可采热流体资源量占比图(图4)。

图3 各热储层热流体可采资源量占比

图4 不同类型热储层可采资源质量占比

Fig.4Exploitableresourcequantitiesratioofthermalfluidindifferentkindsofthermalreservoir

从图3和图4可以看出，天津可采热流体资源主要集中在热储层明化镇组、馆陶组和雾迷山组，分别占可采资源总量的46%、20%和22%，其他热储层可采热流体总量共占可采资源总量的12%。从热储类型看，热流体可采资源主要分布在孔隙型热储(70%)，其次分布在裂隙型热储(30%)。

4.2 可采热流体热量分析

将热流体可采热量换算结果分别绘制成各热储层热流体可采热量占比图(图5)和不同类型热储层热流体可采热量占比图(图6)。

图5 各热储层热流体可采热量占比

图6 不同类型热储量热流体可采热量占比

从图5和图6可以看出，天津热流体可采热量集中在热储层明化镇、馆陶组和雾迷山组。对比图3和图4，发现雾迷山组热流体出水温度较高(一般在85 ℃以上)，虽然热流体可采资源质量占比为22%，但可采热量占比为36%； 明化镇组热流体可采资源质量占比较大，但由于出水温度较低，可采热量占比仅为27%； 馆陶组热流体出水平均温度约为60 ℃，质量占比与热量占比均为20%； 其他热储层热流体可采热量占比为17%。从热储类型(图6)看，孔隙型热储层热流体可采热量占比为53%，裂隙型热储层热流体可采热量占比为47%。

5 雾迷山组热储层优化开采预测

5.1 开采方案设计

在热储层雾迷山组维持现有开采井布局的基础上，按照优化管理模型平均布井，在管理分区增加虚拟开采、回灌对井。回灌流体温度以25 ℃计，运行时间为30 a，每年离散为取暖期和非取暖期。依据《天津市地热资源规划(2016—2020)》[16]设计3个开采方案。

方案一： 至2020年，天津市地热资源开采量达3 100×104m3/a,回灌量达1 980×104m3/a，该开采量、回灌量延续至2045年。

方案二： 至2020年，天津市地热资源开采量达3 100×104m3/a,回灌量达1 980×104m3/a； 至2025年，开采量达3 420×104m3/a,回灌量达2 400×104m3/a，延续至2045年。

方案三： 至2020年，天津市地热资源开采量达3 100×104m3/a,回灌量达1 980×104m3/a； 至2025年，开采量达3 420×104m3/a,回灌量达2 400×104m3/a; 至2045年，开采量达3 990×104m3/a,回灌量达3 590×104m3/a。

5.2 动态开采预测

将不同方案的开采量、回灌量输入TOUGH2进行计算，分别预测3个方案30 a地热流体压力的变化情况(图7，图8，图9)以及模型预测末期,3个方案30 a后温度场的具体变化(图10，图11，图12)。

由图7，图8和图9可知，3个开采方案的地热流体压力动态变化趋势一致，热流体压力略有下降，但降幅较小。3个方案流体压力最小值分别为36.621 MPa、36.591 MPa和36.840 MPa，最大年均降幅分别为0.038 MPa、0.042 MPa和0.023 MPa。方案一和方案二开采回灌差值相同，期末最小压力和压力下降幅度也基本一致； 方案三开采量最大，但开采回灌差值最小，模拟期末流体压力场最大，流体压力降最小。以上结果说明，地热资源开发利用可采热流体资源量与回灌量具有直接联系。从图10、图11和图12可以看出，由于3个开采方案设计回灌量均较大，动态预测期末3个开采方案温度均有变化，下降幅度为方案一<方案二<方案三，但下降不明显。按照方案一、方案二计算，30 a平均温度下降1.02 ℃，方案三按照开采量90%回灌计算，30 a平均温度下降3.18 ℃。

图7方案一30a预测压力图图8方案二30a预测压力图

Fig.730years’pressurepredictionofcase1Fig.830years’pressurepredictionofcase2

图9方案三30a预测压力图图10方案一30a预测温度图

Fig.930years’pressurepredictionofcase3Fig.1030years’temperaturepredictionofcase1

图11方案二30a预测温度图图12方案三30a预测温度图

Fig.1130years’temperaturepredictionofcase2Fig.1230years’temperaturepredictionofcase3

6 结论

(1)热储法-均衡法计算的天津市主要热储层30 a地热资源可采量为27.012×108m3，可采热量为47.0×1016J； 数值耦合优化管理模型计算的地热资源可采量为26.6×108m3，可采热量为49.74×1016J。2种不同方法计算的结果基本一致，反映了天津地热流体资源的实际开采潜力。

(2)孔隙型热储层可采热流体资源量占比为70%，可采热量占比为53%； 裂隙型热储层可采热流体资源量占比为30%，可采热量占比高达47%，反映天津裂隙型热储所含热量远大于深度稍浅的孔隙型热储。

(3)天津地热资源开发利用可采热流体资源量与回灌量具有直接联系。要增大热储层热流体的开采量，必须先解决热储层的回灌量，保证资源的可持续开发利用。

(4)到2045年预测期末，3种开采方案的热储层平均温度均有下降，但下降不明显，天津地区深部蕴藏着巨大的热量。

参考文献：

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[16] 天津市国土资源和房屋管理局.天津市地热资源规划(2016—2020)北京:地质出版社[R].天津:天津市国土资源和房屋管理局,2016.