基于示踪试验及动态数据的北京小汤山地区地热资源量评价

杨亚军，丁桂伶，徐 巍，李海京，鲁 鹤，王雨石，张俊华，王翊虹

(北京市地质工程勘察院，北京 100048)

小汤山热田是北京地区最早开展地热资源量评价工作的地热田，自1958年的0.6 km2，一直到2004年的86.5 km2。1971年，北京城区完成4 眼地热井 30 km2的地热田资源量勘查评价工作。2001年，北京城区完成基82 眼地热井406 km2的地热田资源量评价，年储量达到6.70×106m3。同时，完成了李遂热田、良乡热田等其他地热田资源量的评价。在此基础上，分别在1900年、1999年、2005年采用热储法、比拟法、统计分析法等方法评价了全市的地热资源量，其中最近一次是为了编制《北京市2006—2020年地热资源可持续利用规划》进行了资源量评价，基于315眼地热井，对全市2 760 km2的地热资源进行了计算，认为北京年可开采量为3.470×107m3，总量相当于2.14×108t标准煤的能量。然而，北京地区通过历时60余年的地热开发利用，发现资源评价仍存在一些问题，主要是已有的可开采地热水资源量及其所携带出的热量，并没有考虑地热流体回灌的影响。《地热资源勘查规范》中对地热资源评价周期要求：在地热开采阶段，资源量的更新和计算周期最好小于5 a[1-2]。地热资源量的计算应随着勘查工作程度的不断提高及动态监测数据日益丰富完善，其精度越来越高。

本文通过示踪试验和长期动态监测数据对小汤山地区一处典型地热供暖项目和小汤山整个热田进行了资源量计算分析，得到了保持温度不变的条件下，典型地热井及热田的地热资源可开采量。

1 地热开发现状

小汤山热田是北京市10个热田中资源条件较好、开发利用较早，动态监测内容全面、监测时间序列最长，勘查资料完善，回灌量较大，供暖用户最多，研究程度最高的热田。从1956年开始进行地热勘查和开发，小汤山热田目前已有地热井100余眼，成井深度70～3 500 m，开采热储主要为蓟县系和寒武系，出水温度40～70 ℃，单日出水量1 000～2 000 m3。地热资源主要用于地热供暖、温室种植和温泉洗浴等，其中地热供暖的用户最多，地热水换热后尾水90%实现回灌。

小汤山地区北部为山区，南部被大型断裂截断，地热水主要赋存在蓟县系热储中，上下都有隔水层，因此可以视为一个均衡区[3]。小汤山热田已有40多年的开采历史，主要开采的热储层是蓟县系雾迷山组，其次是蓟县系铁岭组和寒武系。从20世纪70年代初期开始，开采规模逐年增加，到20世纪80年代中期突破年均开采量100×104m3。1990—2000年年均开采量大于300×104m3。2000年开始实施回灌等措施控制，年均净开采量开始逐渐减少，2005年开采量已经下降到150×104m3以下。然而，从2007年开始随着区域经济的发展，地热温泉优势越来越突出，一些单位的地热用水规模不断扩大，年开采量达到300×104m3，2013—2016年突破360×104m3/a。年均水位变化与年均净开采量呈正相关，净开采量越大，水位降深越大，多年平均水位下降在1～2 m范围内，但2004—2007年由于净开采量的骤减，热储压力下降速度开始减缓，甚至出现回升现象。

2 基于示踪试验的典型地热井资源量评价

采用小汤山热田一处典型地热供暖项目示踪试验及动态监测数据，进行了回灌模式下地热资源可开采量计算及温度预测计算，最终提出了开采温度100 a不下降可持续开发利用的地热流体资源量[4-5]。

2.1 地热井开发利用概况

该地热井地热利用模式是“两采一灌”，热储为蓟县系雾迷山组，开采量110 m3/h，回灌量76 m3/h，开采温度为69°，回灌温度为30°，回灌井距离两个开采井的距离分别为300，500 m，其开发利用示意图见图1。该用户从2004年开始利用地热实施供暖，已有16 a，由动态监测数据显示，地热井的水位没有下降，说明热储压力保持稳定，生产井温度也没有明显下降，说明回灌还没有对生产井产生影响[6-7]。

图1 典型地热井开发利用示意图Fig.1 Development and utilization diagram of a typical geothermal well

2.2 示踪试验

对回灌井投放碘化钾示踪剂，在开采井进行不同频率的取样，测试碘化钾的浓度[8-9]，历时106 d，取样总数为752 个，其中化验166 个，测出碘离子浓度大于0.02 mg/L的样品为80 个(表1)。由图2可以看出，1号生产井在试验第5天，示踪剂从回灌井到达生产井，在第34天浓度达到了峰值0.267 mg/L，之后开始下降，最后趋于平稳。2号生产井在试验的第5天，示踪剂从回灌井到达生产井，且在第32 d浓度达到了峰值0.338 mg/L，之后开始下降，最后趋于平稳。采用数值计算软件模拟计算，推断出这2口井之间存在着3条通道，计算得到通道长度、流速、弥散系数、通道截面积等参数(表2，图3)。

表1 示踪试验取样结果

图2 示踪试验浓度变化曲线Fig.2 Tracer test concentration curve

表2 示踪试验模拟计算结果

图3 1号和2号生产井通道模拟曲线Fig.3 Channel simulation curve of the No.1 and No.2 production wells

2.3 可开采量计算

基于示踪试验数据及模拟计算结果，采用专业计算软件研究分析了1号和2号生产井开采量分别为200 m3/h、500 m3/h及1 000 m3/h，回灌温度为30°，100%回灌的三种供暖方案条件下，生产井后期出水温度影响变化情况(图4和表3)。

表3 数值模拟计算结果

进一步深入分析，绘制温度预测曲线，得出了该地热井要保持100 a温度不下降可持续开发利用的地热流体资源量为340 m3/h。

3 基于长期动态监测数据的地热田资源量评价

小汤山热田是北京地区10个地热田中最早开始开发利用的热田，至今已经开发利用近二十年。本文通过收集小汤山热田自1990—2015年地热资源量开发利用监测数据，统计分析了地热资源平均开采量、平均回灌量和累计下降水位之间的关系，根据监测数据稳定性特征将25 a的监测数据分为7个阶段，并进一步对年平均净开采量、年均水位变化和单位降深净开采量进行了计算和绘制曲线(表4和图5)[10-11]。

根据曲线拟合发现多年平均净开采量和水位变化呈对数相关性，确定系数为0.858：

y=-2.019lnx+9.896 2

(1)

图4 1号和2号生产井温度预测曲线Fig.4 Temperature prediction curve of the No.1 and No.2 production wells

由式(1)可知，若要保持小汤山热田水位不下降，年平均可开采量为1.345×106m3；若平均水位下降0.5 m，年平均可开采量为1.724×106m3；若平均水位下降1.0 m，年平均可开采量为2.214×106m3；若平均水位下降2.0 m，年平均可开采量为3.651×106m3；若平均水位下降5.0 m，年平均可开采量为1.603 6×107m3。但地热资源量不仅与地热流体的量有关，而且与地热流体的温度息息相关。

在小汤山热田整个开发利用阶段，仅1990—2000年小汤山热田年平均水位下降在1.42～2.15 m，因此对该段时间内地热资源开发利用范围内的地面沉降、地裂缝、地震、地下水水质等地下水环境及周边地质环境进行了详细的调查和资料收集发现，小汤山热田在地热资源利用过程中，热储压力水位下降2.0 m时未发现任何地质环境问题。

地热资源补给包括地热流体的补给和热量的补给，通过多年长期的监测显示小汤山地区在目前开采条件下，地热流体温度未发生显著变化。因此，基于长期动态监测数据可以得出小汤山热田保持地热流体温度不发生显著变化的前提下，年均水位下降2.0 m，可以保障的最少可开采量为3.651×106m3。

4 结论

(1)基于采灌平衡条件，采用示踪试验对小汤山地区典型地热井开采资源量进行了计算，得出该地热井要保持100 a温度不下降可持续开发利用的地热流体资源量为340 m3/h。

表4 小汤山地区热田多年动态监测数据统计值

图5 小汤山地区热田多年平均净开采量与水位变化曲线Fig.5 Curve of average annual net exploitation and groundwater level changes in the geothermal field of the Xiaotangshan area

(2)根据多年连续的动态监测数据对小汤山热田资源量进行了分析，发现年均净开采量与年均水位下降成对数相关性。

(3)结合地热流体温度监测数据，分析认为小汤山热田保持地热流体温度不发生显著变化的前提下，年均水位下降2.0 m，可以保障的最少年均可开采量为3.651×106m3。

结合小汤山热田多年的开发利用资料和经验，提出如果合理科学可持续的开发利用地热资源，必须坚持“以热定采，以灌定采”模式。