河北省地熱資源動態特征及開采預警方案研究

1 前言

 

  河北省地熱資源豐富，地熱開采始于二十世紀八十年代。二十世紀九十年代后，隨著經濟的不斷發展，對地熱資源的需求不斷增加，地熱資源開采規模呈不斷擴大趨勢，特別是近十年來，地熱井數量及開采量迅速增加，水位出現了較大幅度下降，對地熱資源可持續開發極為不利。一方面，熱儲層水頭壓力大幅減小，導致地熱井出水能力降低，開采難度增大; 另一方面，水位下降造成地熱水流場改變，在一定程度上影響地熱水水溫、水質的變化。

 

  2 河北省地熱資源開發利用現狀

 

  河北省地熱資源開采呈逐年增大趨勢，至2011年，河北省山區地熱井數量達77 眼，平原區地熱井369 眼。地熱井分布不均勻，主要集中于縣城及市區，形成縣市區集中開采區，目前河北省地熱資源集中開采區主要有18 處，其中平原區集中開采區15處，分布在廊坊市區、雄縣縣城、滄州市區、肅寧縣城、任丘市區、河間市區、獻縣縣城、黃驊市區、衡水市區、阜城縣城、深州市區、故城縣城、棗強縣城、辛集市區、新河縣城，山區集中開采區3 處，分布在遵化市湯泉、張家口市后郝窯、平山縣溫塘，主要用于冬季供暖、洗浴、療養及養殖。

 

  3 地熱資源動態特征

 

  3． 1 山區地熱資源動態

 

  3． 1． 1 開采量及水位動態特征

 

  河北省山區地熱資源主要用于療養。由于常年規模開采，水位呈不斷下降態勢，其中遵化市湯泉、張家口后郝窯集中開采區水位降速較大，分別達0． 71、0． 72m/a，平山縣溫塘鎮集中開采區降幅相對較小，年降速為0． 63m/a。水位降速與開采期及開采量密切相關，水位變化總的規律: 1) 水位降速隨開采量增加呈增大趨勢。2) 當開采規模穩定時，水位降速隨開采時間而變化，開采初期水位降速較大，隨著開采時間的延長，水位降速呈逐漸變緩趨勢。如平山縣溫塘鎮集中開采區，地熱開采始于1998 年，2007 年以前年開采量保持在80 ×104m3 左右，之后開采規模逐年增大，2011 年開采量增大至116． 17 ×104m3。穩定開采初期( 1998 ～ 2002 年) 水位年均降速達0． 83m/a，穩定開采后期( 2002 ～2007 年) 水位年均降速減小為0． 33m/a， 2008 年后由于開采規模增大，水位降速呈增大趨勢，達1． 90m/a。

 

  3． 1． 2 水溫動態

 

  隨著開采規模的增大，山區地熱水水位較開采初期均有較大幅度下降，導致地熱水系統補徑排條件發生改變，受表層低溫水補給量增加影響，水溫呈降低趨勢，如平山縣溫塘鎮郵電賓館井，1996 年成井時水溫為67℃，2010 水溫降至64． 8℃。張家口后郝窯大唐1 井，1971 年成井時水溫達72℃，2006年測得水溫69℃，2010 年水溫降至68℃。

 

  3． 2 平原區地熱資源動態

 

  3． 2． 1 年內水位動態特征

 

  河北平原區地熱資源利用以冬季供暖為主。冬季開采期，水位呈下降態勢，一般年初采水量最大，水位亦降至年內最低，進入2 月份由于氣溫變暖，采水量減小，水位出現小幅度上升，3 月中旬供暖結束，水位開始進入上升期，且上升幅度呈由大到小變化規律，至第二年11 月中旬供暖前水位達到最高點。以雄縣集中開采區牛65，井為例，多年來，水位呈波浪式下降態勢。開采初期，由于開采量較小，年內水位升降起伏較小，隨著開采規模不斷增大，年內水位升降起伏幅度逐漸增大。

 

  3． 2． 2 多年水位動態特征

 

  開采初期，河北平原多處地熱井呈自流狀態。

 

  平原區15 處集中開采區中，10 處開采初期地熱井呈自流狀態，占67%，自流高度一般0． 5 ～ 10m。隨著地熱水的不斷開采，地熱水水位呈不斷下降態勢，目前集中開采區水位埋深一般為50m 左右，最深達103m。地熱水水位下降速率主要受地熱水開采規模影響，開采初期，開采規模較小，水位下降速度較慢，近幾年，地熱資源開采規模快速增長，集中開采區地熱水水位降速明顯增大，見圖3。以深州為例，地熱開采始于1998 年，自流高度約1． 0m，2002 年以前僅有地熱井3 眼，年開采量為68 × 104m3，由于開采量較小，地熱井一直處于自流狀態。2003 ～2009 年，地熱井數量及開采量呈小幅度增加，水位亦呈小幅度下降趨勢，年降速為1． 9m/a，2009 年開始，隨著開采井的快速增加，開采量增大( 年開采量達215 × 104m3 ) ，地熱水水位快速下降，年降速達15． 9m/a。

 

  3． 2． 3 構造位置對地熱水水位降幅的影響分析由于各集中開采區所處的構造單元不同，熱儲層地質條件有所差異，其富水性具有一定的差異。

 

  將典型地熱集中開采區水位變化與開采量變化進行對比，見圖3、4，發現各集中開采區隨開采量增加水位下降幅度不盡相同，呈現出相同開采規模條件下深凹陷構造單元區地熱水水位降幅較其它區域大的特征。如深州開采區位于冀中凹陷構造單元，屬于深凹陷區，其熱儲層孔隙度較小，僅為20% 左右，2011 ～ 2012 年水位降幅與年單位面積開采量之比為1． 69 ×10 －4m/m3·km2。黃驊開采區位于黃驊臺陷構造單元區，孔隙度約30%， 2011 ～2012 年水位降幅與年單位面積開采量之比為0． 85 ×10 －4m/m3·km2。

 

  圖3 河北平原典型地熱集中開采區水位動態曲線圖4 河北平原典型地勢集中開采開采量動態曲線3． 2． 4 地熱井出水能力變化特征

 

  隨著地熱水水位的下降，單位涌水量呈減小趨勢，如辛集市區辛熱1 井， 2009 年冬季供暖初期，開采水位下降35． 6m ，單位涌水量為2． 697m3 /h·m，供暖高峰期，開采水位下降90． 15m，單位涌水量減小為0． 732m3 /h·m。任丘縣集中開采區，隨著水位的下降，地熱井出水能力不斷減少， 2010 年靜水位已降至103m，同等降深情況下出水量僅為開采前期的1/2。

 

  3． 2． 5 水溫變化特征

 

  平原區熱儲層屬于半封閉水文地質環境，補給量小且補給路徑較長，地溫場較為穩定，多年來水溫、水質無明顯變化。

 

  4 地熱水水位下降的危害

 

  4． 1 資源枯竭

 

  多年來，河北省地熱水水位的不斷下降，對地熱資源開發造成較大影響，部分地熱井開采過程中出現抽空現象，局部地熱井已出現報廢。如任丘集中開采區，20 世紀80 年代至90 年代處于地熱開采旺盛期，單井出水量約80m3 /h，經過20 多年的開采，靜水位已達103m，動水位降至200m 左右時出水量僅為40m3 /h，水位下降造成提水困難。任丘地熱田地熱水資源已處于半枯竭狀態，多數地熱井已被迫關閉，地熱資源開發已處于停滯狀態。深州市集中開采區，近兩年來由于開采量劇增，水位以約

 

  15． 9m/a的降速下降，造成地熱井抽空，嚴重影響地熱資源的正常開發。

 

  4． 2 地面沉降災害隱患

 

  河北平原地熱資源主要賦居于新生界第三系，由于第三系地層成巖性較差，當地熱水水位下降后，熱儲層內水壓力減少，熱儲層骨架的內水壓力與上覆地層壓力形成的天然受力平衡狀態遭到破壞，在上覆地層壓力下，熱儲層出現壓縮，從而造成地面沉降，對地面建筑設施造成破壞。

 

  5 地熱資源動態預警

 

  動態預警的目標是通過控制單井開采量及水位降深，控制開采總量不突破可開采量，保證地熱資源可持續開發利用。預警系統可實現動態自動監測及動態預警兩個功能。首先建立動態監測系統，獲取地熱井開采量及水位動態數據，然后通過在預警系統模塊中對地熱井開采量及水位的允許極值進行報警設定，當實際開采情況達到臨界值時，予以報警提示。

 

  5． 1 地熱資源動態預警系統概況

 

  5． 1． 1 主要設備

 

  該系統主要設備由動態監測采集器、遠程傳輸模塊、數據接收服務器及動態監測預警軟件組成。

 

  其中動態監測采集器包括溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器，用于測定地熱井出口溫度、水位及開采量。溫度傳感器及流量傳感器安裝于地熱井抽水主管道，液位傳感器安裝于井內動水位以下位置。

 

  5． 1． 2 動態預警系統工作原理

 

  溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器實時對地熱井水位、水溫、開采瞬時流量及累計開采水量進行監測，監測數據通過GPＲS 遠傳模塊無線傳輸至監測中心服務器，監測預警系統軟件自動對數據進行存儲，形成監測數據庫，并自動生成水位、水溫、水量實時變化曲線，以此實現地熱水水位、水溫、水量可視化監測平臺。當地熱井水位、水量達到預警參數設置值時，系統發出報警信號。

 

  5． 2 預警系統參數選取及設置

 

  5． 2． 1 預警參數選取

 

  地熱水水位直接影響地熱井涌水量，地熱井開采量又決定了地熱水水位下降速率。該預警系統將地熱井水位最大值作為第一預警參數，單井涌水量作為第二預警參數。

 

  1) 單井瞬時涌水量確定。根據地熱井抽水試驗數據，以穩定水位最大涌水量作為單井允許涌水量。

 

  2) 水位最大值。為地熱井現狀靜水位與年允許靜水位降速之和。

 

  3) 靜水位年允許降速確定原則。保證開采期內地熱井正常開采。根據穩定流抽水試驗動水位降深及現狀地熱井設備提水能力，在動水位不超過150m 的前提下，以50 年作為開采年限確定的靜水位年降速，作為允許降深預警參數。即:

 

  v = 150 － S1 － S250

 

  其中: v 為靜水位年允許降深，m; S1為現狀靜水位埋深，m; S2: 動水位降深，m;

 

  5． 2． 2 預警系統設置

 

  在預警模塊中通過水位最大值和單井涌水量兩個預警參數對各監測地熱井預警閥值進行設置。預警參數設置模式見圖5。當水位或單井涌水量預警參數達到預警臨界值時，系統自動報警。

 

  5． 3 地熱資源動態預警系統運行結果

 

  對地熱井水位、瞬時流量、累計流量、井口水溫進行監測，監測頻率為每小時采集一次，監測數據通過遠程模塊上傳至服務器數據中心，以數據庫的形式進行存儲，并對累計流量、瞬時流量、水位、井口水溫監測數據自動生成可視變化曲線。以辛一建熱1井為例。

 

  3) 在復雜的砂頁巖地區，由于地層變化較大造成人工挖孔擴底樁樁長相差較大，當樁端進入穩定持力層后，其應不會對樁基變形造成顯著影響。

 

  4) 在復雜的砂頁巖地區，通過對檢樁數據進行統計分析表明: 在持力層巖石強度及厚度滿足要求的條件下，沉降量隨著裂隙發育程度有增大的趨勢;巖石裂隙發育程度是影響樁基沉降的主要因素之一，在以后的類似工程中要引以重視。