鲁北深部砂岩热储开发地质环境变形效应研究

冯克 贾超 丁朋朋 魏茂杰 王明珠 韩建江

摘要： 山东省深部砂岩热储资源丰富，热储开发利用对区域经济社会发展具有重要促进作用。但如果不注重深部热储的适度、有序开发，超出其临界量后可能会引发区域地面沉降等不良地质环境问题，因而，研究深部砂岩热储开发引发的地质环境变形问题意义重大。本文针对山东省鲁北典型深部砂岩热储区热储开采的地质环境影响问题进行深入研究，确定了开采量、开采层位等因素导致的热储层沉降量，分析了热储层沉降对该区地面总沉降的贡献。对深入认识鲁北地区深部砂岩热储的地质环境效应，合理开发深部热储资源提供借鉴与依据。

关键词： 砂岩热储；地质环境；多场耦合；地面沉降；鲁北地区

中图分类号： P314     文献标识码： A    doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.008

引文格式： 冯克印，贾超，丁朋朋，等.鲁北深部砂岩热储开发地质环境变形效应研究［J］.山东国土资源，2023，39（3）：51 56. FENG Keyin， JIA Chao， DING Pengpeng， et al. Study on Geological Environment Influence Caused by Deep Thermal Reservoir Exploration in Sandstone in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：51 56.

0 引言

随着社会经济的发展，对能源的需求日益强烈。地热能作为可再生能源之一。相比于石油、天然气和煤等化石燃料的消耗更为清洁环保和低碳，为双碳目标的实现发挥重要作用［1］。近20年来，中国地热资源开发利用得到了蓬勃发展，在中国北方清洁供热中发挥着重要作用，仅2020年浅层和深层地热供暖建筑面积就接近14亿m2，对减少碳排放具有不可忽略的贡献［2 3］。

鲁北地区地处华北平原，地热资源储量丰富，在能源供给中占有相当的比例与份额［4 5］。近年来，深部砂岩热储的开发呈现逐年增长的趋势。而该区又处在华北平原地下水开采诱发的漏斗区内［6 7］。前 人研究已初步表明，地下水开采对地面沉降等地质环境具有重要影响［8 10］，但深部馆陶组以下热储开发对地面沉降的影响效应目前尚未有深入系统的研究①，因此，全面深入研究深部砂岩热储开发对该区地面沉降的影响程度，定量确定馆陶组热储开发引发的热储层绝对沉降量及对区域地面总沉降量的贡献尤显重要，直接关系到未来鲁北地区地下水管控、地热开采管理方案等制定的科学性和合理性，并直接影响鲁北地区社会经济发展。

本文在借鉴相关研究成果的基础上［11 14］，采用现场调查、现场监测、室内物理模型实验仿真、数值分析计算预测等多角度多手段结合的综合研究模式，开展深部砂岩热储开发下地质环境影响研究，定量回答深部砂岩热储开发下热储层沉降量及地温场演变规律，热储层沉降对总沉降的占比贡献等，为该 区评价深部热储开发的地质环境影响程度，制定合理地热开采方案，确定正确地下水资源管控措施等提供依据。

1 热储开发与地面沉降现状

1.1 地热水开发利用现状

伴随地热资源开采及应用的理论、技术日趋成熟［15 16］，鲁北地区地热开采呈逐步增强趋势。区内地热资源开发源于20世纪70年代，当时地热井基本是在开发石油过程中形成的，成井质量较差，地热资源开发利用程度很低，仅局部用于洗浴、水产养殖等。20世纪90年代末，山东省地矿局在区内进行了广泛的地热资源普查和地热井钻探工作，地热井数量迅速增加，区内地热规模开发始于20世纪90年代，第一眼正式用于供暖、洗浴的地热井位于山东省地矿局水文二队老单位院内，成井时间为1997年3月，井深1479.7m，水温57℃，热储层为馆陶组。

截至目前，区内现有地热生产井670眼，其中开采井389眼，回灌井281眼，开采地热水主要用于供暖，个别地热井用于洗浴。据统计，区内生产井超过50眼的地市有5个，分别为德州市德城区、陵城区、平原县、夏津县及聊城市临清市。区内地热水开采量为6184.32万m3（未扣除回灌量），其中德州市占比68%，聊城市占比32%。德州、聊城是山东省地热资源利用典型区，德州市回灌井配备率超过95%，聊城市大部分地热开采井未配备回灌井（表1）。

伴随不同浅、中、深层位地下水开采量急剧增长，在区域上形成了一定范围的漏斗，逐步形成了以主要开采区为中心的多个漏斗中心，分别位于德城区，夏津县、东昌府区，最大埋深水位在夏津县，水位埋深超过90m。德州德城区及聊城东昌府非开采期静水位均在80m左右。为控制地面沉降，对不同层位水资源开采进行了管控，对地热水采取“采灌均衡、取热不取水”地热开采模式，聊城2020年开始关停部分地热井。在综合管控措施下，2021年聊城市地热水水位总体呈现抬升趋势，但升幅不大；德州市德城区和陵城区水位呈现下降趋势，地热水降落漏斗有所扩大（图1）。

1.2 地面沉降现状

近5年区内沉降速率超過40mm/a的区域面积较小（图2），分布在冠县西部，面积为271km2，仅占区域总面积的1.4%；累计沉降量20～40mm区域分布较分散，主要分布在冠县中部、临清市中西部、德城区北部、茌平县中东部以及齐河县西部地区，面积为2233 km2，占区域总面积的11.76%；沉积沉降量10～20mm区域分布面积较广，面积15185km2；沉积沉降量不足10mm区域分布零星，面积为1305km2。

基本可以确定，地下水开采对地面沉降具有影响，但此前并未深入进行过深部砂岩热储层地下水开采对地面沉降的影响研究。因此，本文根据2020年度山东省地勘项目部署，对深部砂岩热储开采对地面沉降的贡献进行了系统分析研究。

2 现场监测分析研究

2.1 水准及InSAR监测分析

2020年，对区内地面沉降进行了水准、InSAR测量及分层标建设测量工作。通过水准和InSAR测量对地面總沉降量进行把握与掌控，通过分层标建设及测量对热储层沉降量进行把握与掌控。根据监测结果，可以初步分析判断深部地热开采对地面总沉降量的贡献。水准和InSAR测量分析结果如图3所示。

由监测结果，区内沉降较为严重的区域主要分布在聊城市的冠县、莘县、茌平县以及德州市的宁津县，最大沉降速率为 91.82mm/a；2018—2019年，工作区最大沉降速率有所降低，为 75.16mm/a，地面沉降较为严重的区域主要为德州市的德城区、齐河县和聊城市的冠县、茌平县；2019—2020年，工作区地面沉降较为严重的区域为聊城市的齐河县、茌平县和德州市的宁津县、乐陵市，最大沉降速率为 99.62mm/a。近5年区内累计沉降量超过200mm区域面积较小，分布在冠县西部，面积为271km2，仅占工作区总面积的1.4%；累计沉降量100～200mm区域分布较分散，主要分布在冠县中部、临清市中西部、德城区北部、茌平县中东部以及齐河县西部地区，面积为2233km2，占工作区总面积的11.76%；沉积沉降量50～100mm区域分布面积较广，面积15185km2；沉积沉降量不足50mm区域分布零星，面积为1305km2。

2.2 分层标建设及监测

2020年10月，在德城区建成馆陶组热储层沉降监测的分层标（图4），标深1200m，位于区域主要地热开采层上界面，为将来精准控制馆陶组热储层绝对沉降量提供了重要监测手段。该分层标建成后，首次沉降测试值为22.67mm，但该值并不代表 1200m以下地层在地热开采条件下的绝对沉降量值，而是经过上覆地层压力解除后，地层回弹，而后由于分层标自重条件下产生的地层初始压缩变形。将在第二次测试后综合分析两次测量的沉降值方能得到两次测量时间段内的热储层绝对沉降量值。

3 数值分析计算

众多学者对地下资源开采的多场耦合数值计算进行了研究［17 21］，在地下水开采诱发地面沉降的数值研究方面，贾超等［9 10］已在山东数十地市开展了相关研究。为对区内深部砂岩热储开采对地面沉降的影响进行长期分析预测，借鉴团队已有研究基础，本文建立了区内深部砂岩热储的三维流 固 热耦合数值分析计算模型（图5）。

将该数值模型与区内前期历史监测资料、室内地质力学物理模型实验结果进行综合比对、校核后，得到与现场实测结果和室内模型实验结果相吻合的数值分析计算模型，然后应用该数值模型对区内深部砂岩热储开采后的地面总沉降量、热储层绝对沉降量、热储层地温场演化等进行分析计算预测。以2021年为计算基准期，进行10年变化预测，主要结果如下图6—图8所示。

由数值分析计算结果，并综合监测结果，热储层的沉降速率约在0.48～0.61mm/a，热储层的沉降速率约占地面沉降速率的1.4%和1.5%，对研究区总沉降的影响微弱。新建馆陶组分层标所在位置热储层的沉降速率计算结果为0.96mm/a，对地面沉降影响微弱。地热水开采对地面沉降基本无影响。

4 结论

（1）区内目前采取的地下水管控措施对减缓地面是有效果的。

（2）近5年工作区内累计沉降量超过200mm区域面积较小，分布在冠县西部，面积仅占工作区总面积的1.4%；累计沉降量100～200mm区域分布较分散，主要分布在冠县中部、临清市中西部、德城区北部、茌平县中东部以及齐河县西部地区。

（3）综合水准测量、InSAR监测、数值分析计算，区内地面沉降受深部砂岩热储层地热开发的影响甚微。

5 建议

（1）分层标是确定目标地层绝对沉降量的重要手段，要尽快完善针对不同目标层的分层标建设，为将来精准获取不同地层绝对沉降值提供依据，已建分层标应进行长期长序列观测。

（2）深入开展深部地热开发与地面沉降及地温场演化的科学研究工作，扎实掌控科学机理。以可接受地质环境影响限值为界限值，合理确定浅中深层地热资源允许开采量、开采井布置方案及提出因地热资源开采衍生的不良地质防控应急措施。

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Study on Geological Environment Influence Caused by Deep   Thermal Reservoir Exploration in Sandstone in Shandong Province

FENG Keyin1，2， JIA Chao3， DING Pengpeng4， WEI Maojie1，2，WANG Mingzhu5， HAN Jianjiang6

（1.Shandong Provincial Territorial Spatial Ecological Restoration Center， Shandong Ji'nan 250014， China;2.Yellow River Delta Land Use Safety Field Scientific Observation and Research Station， Ministry of Natural Resources， Shandong Ji'nan 250014，China; 3.Institute of Marine Science and Technology，Shandong University， Shandong Qingdao 266237， China；4.School of Civil Engineering and Water Conservancy，Ningxia University，Yinchuan 750021， China; 5.The Second Institute of Hydrogeology and Engineering Geology，Shandong Provincial Bureau of Geology & Mineral Resources（Lubei Geoengineering Exploration Institute），Shandong Dezhou 253072， China; 6. Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development， Jinan 250013， China）

Abstract：  Shandong Province is rich in deep sandstone thermal reservoir resources， and the development and utilization of thermal reservoir play an important role in promoting regional economic and social development. If deep thermal reservoir can not be paid attention to moderate and orderly development， geological environment problems can be caused， such as regional land subsidence after exceeding its critical amount. Therefore， it is of great significance to study geological environment deformation problem caused by the development of deep sandstone thermal reservoir. In this paper， geological environment impact of thermal reservoir exploitation in typical deep sandstone thermal reservoir area in northern Shandong province has been studied furthurly. The settlement of thermal reservoir caused by factors， such as mining output and production horizon has been determined， and the contribution of thermal reservoir subsidence to total land subsidence in this area has been analyzed. It will provide some references and basis for further understanding geological environment effect of deep sandstone thermal reservoir in northern Shandong province and for rational development of deep thermal reservoir resources.

Key words：  Sandstone thermal reservoir; geological environment; multi field coupling; land subsidence; northern Shandong province