河北省地热资源动态特征及开采预警方案研究

1 前言

 

  河北省地热资源丰富，地热开采始于二十世纪八十年代。二十世纪九十年代后，随着经济的不断发展，对地热资源的需求不断增加，地热资源开采规模呈不断扩大趋势，特别是近十年来，地热井数量及开采量迅速增加，水位出现了较大幅度下降，对地热资源可持续开发极为不利。一方面，热储层水头压力大幅减小，导致地热井出水能力降低，开采难度增大; 另一方面，水位下降造成地热水流场改变，在一定程度上影响地热水水温、水质的变化。

 

  2 河北省地热资源开发利用现状

 

  河北省地热资源开采呈逐年增大趋势，至2011年，河北省山区地热井数量达77 眼，平原区地热井369 眼。地热井分布不均匀，主要集中于县城及市区，形成县市区集中开采区，目前河北省地热资源集中开采区主要有18 处，其中平原区集中开采区15处，分布在廊坊市区、雄县县城、沧州市区、肃宁县城、任丘市区、河间市区、献县县城、黄骅市区、衡水市区、阜城县城、深州市区、故城县城、枣强县城、辛集市区、新河县城，山区集中开采区3 处，分布在遵化市汤泉、张家口市后郝窑、平山县温塘，主要用于冬季供暖、洗浴、疗养及养殖。

 

  3 地热资源动态特征

 

  3． 1 山区地热资源动态

 

  3． 1． 1 开采量及水位动态特征

 

  河北省山区地热资源主要用于疗养。由于常年规模开采，水位呈不断下降态势，其中遵化市汤泉、张家口后郝窑集中开采区水位降速较大，分别达0． 71、0． 72m/a，平山县温塘镇集中开采区降幅相对较小，年降速为0． 63m/a。水位降速与开采期及开采量密切相关，水位变化总的规律: 1) 水位降速随开采量增加呈增大趋势。2) 当开采规模稳定时，水位降速随开采时间而变化，开采初期水位降速较大，随着开采时间的延长，水位降速呈逐渐变缓趋势。如平山县温塘镇集中开采区，地热开采始于1998 年，2007 年以前年开采量保持在80 ×104m3 左右，之后开采规模逐年增大，2011 年开采量增大至116． 17 ×104m3。稳定开采初期( 1998 ～ 2002 年) 水位年均降速达0． 83m/a，稳定开采后期( 2002 ～2007 年) 水位年均降速减小为0． 33m/a， 2008 年后由于开采规模增大，水位降速呈增大趋势，达1． 90m/a。

 

  3． 1． 2 水温动态

 

  随着开采规模的增大，山区地热水水位较开采初期均有较大幅度下降，导致地热水系统补径排条件发生改变，受表层低温水补给量增加影响，水温呈降低趋势，如平山县温塘镇邮电宾馆井，1996 年成井时水温为67℃，2010 水温降至64． 8℃。张家口后郝窑大唐1 井，1971 年成井时水温达72℃，2006年测得水温69℃，2010 年水温降至68℃。

 

  3． 2 平原区地热资源动态

 

  3． 2． 1 年内水位动态特征

 

  河北平原区地热资源利用以冬季供暖为主。冬季开采期，水位呈下降态势，一般年初采水量最大，水位亦降至年内最低，进入2 月份由于气温变暖，采水量减小，水位出现小幅度上升，3 月中旬供暖结束，水位开始进入上升期，且上升幅度呈由大到小变化规律，至第二年11 月中旬供暖前水位达到最高点。以雄县集中开采区牛65，井为例，多年来，水位呈波浪式下降态势。开采初期，由于开采量较小，年内水位升降起伏较小，随着开采规模不断增大，年内水位升降起伏幅度逐渐增大。

 

  3． 2． 2 多年水位动态特征

 

  开采初期，河北平原多处地热井呈自流状态。

 

  平原区15 处集中开采区中，10 处开采初期地热井呈自流状态，占67%，自流高度一般0． 5 ～ 10m。随着地热水的不断开采，地热水水位呈不断下降态势，目前集中开采区水位埋深一般为50m 左右，最深达103m。地热水水位下降速率主要受地热水开采规模影响，开采初期，开采规模较小，水位下降速度较慢，近几年，地热资源开采规模快速增长，集中开采区地热水水位降速明显增大，见图3。以深州为例，地热开采始于1998 年，自流高度约1． 0m，2002 年以前仅有地热井3 眼，年开采量为68 × 104m3，由于开采量较小，地热井一直处于自流状态。2003 ～2009 年，地热井数量及开采量呈小幅度增加，水位亦呈小幅度下降趋势，年降速为1． 9m/a，2009 年开始，随着开采井的快速增加，开采量增大( 年开采量达215 × 104m3 ) ，地热水水位快速下降，年降速达15． 9m/a。

 

  3． 2． 3 构造位置对地热水水位降幅的影响分析由于各集中开采区所处的构造单元不同，热储层地质条件有所差异，其富水性具有一定的差异。

 

  将典型地热集中开采区水位变化与开采量变化进行对比，见图3、4，发现各集中开采区随开采量增加水位下降幅度不尽相同，呈现出相同开采规模条件下深凹陷构造单元区地热水水位降幅较其它区域大的特征。如深州开采区位于冀中凹陷构造单元，属于深凹陷区，其热储层孔隙度较小，仅为20% 左右，2011 ～ 2012 年水位降幅与年单位面积开采量之比为1． 69 ×10 －4m/m3·km2。黄骅开采区位于黄骅台陷构造单元区，孔隙度约30%， 2011 ～2012 年水位降幅与年单位面积开采量之比为0． 85 ×10 －4m/m3·km2。

 

  图3 河北平原典型地热集中开采区水位动态曲线图4 河北平原典型地势集中开采开采量动态曲线3． 2． 4 地热井出水能力变化特征

 

  随着地热水水位的下降，单位涌水量呈减小趋势，如辛集市区辛热1 井， 2009 年冬季供暖初期，开采水位下降35． 6m ，单位涌水量为2． 697m3 /h·m，供暖高峰期，开采水位下降90． 15m，单位涌水量减小为0． 732m3 /h·m。任丘县集中开采区，随着水位的下降，地热井出水能力不断减少， 2010 年静水位已降至103m，同等降深情况下出水量仅为开采前期的1/2。

 

  3． 2． 5 水温变化特征

 

  平原区热储层属于半封闭水文地质环境，补给量小且补给路径较长，地温场较为稳定，多年来水温、水质无明显变化。

 

  4 地热水水位下降的危害

 

  4． 1 资源枯竭

 

  多年来，河北省地热水水位的不断下降，对地热资源开发造成较大影响，部分地热井开采过程中出现抽空现象，局部地热井已出现报废。如任丘集中开采区，20 世纪80 年代至90 年代处于地热开采旺盛期，单井出水量约80m3 /h，经过20 多年的开采，静水位已达103m，动水位降至200m 左右时出水量仅为40m3 /h，水位下降造成提水困难。任丘地热田地热水资源已处于半枯竭状态，多数地热井已被迫关闭，地热资源开发已处于停滞状态。深州市集中开采区，近两年来由于开采量剧增，水位以约

 

  15． 9m/a的降速下降，造成地热井抽空，严重影响地热资源的正常开发。

 

  4． 2 地面沉降灾害隐患

 

  河北平原地热资源主要赋居于新生界第三系，由于第三系地层成岩性较差，当地热水水位下降后，热储层内水压力减少，热储层骨架的内水压力与上覆地层压力形成的天然受力平衡状态遭到破坏，在上覆地层压力下，热储层出现压缩，从而造成地面沉降，对地面建筑设施造成破坏。

 

  5 地热资源动态预警

 

  动态预警的目标是通过控制单井开采量及水位降深，控制开采总量不突破可开采量，保证地热资源可持续开发利用。预警系统可实现动态自动监测及动态预警两个功能。首先建立动态监测系统，获取地热井开采量及水位动态数据，然后通过在预警系统模块中对地热井开采量及水位的允许极值进行报警设定，当实际开采情况达到临界值时，予以报警提示。

 

  5． 1 地热资源动态预警系统概况

 

  5． 1． 1 主要设备

 

  该系统主要设备由动态监测采集器、远程传输模块、数据接收服务器及动态监测预警软件组成。

 

  其中动态监测采集器包括温度传感器、液位传感器、流量传感器，用于测定地热井出口温度、水位及开采量。温度传感器及流量传感器安装于地热井抽水主管道，液位传感器安装于井内动水位以下位置。

 

  5． 1． 2 动态预警系统工作原理

 

  温度传感器、液位传感器、流量传感器实时对地热井水位、水温、开采瞬时流量及累计开采水量进行监测，监测数据通过GPＲS 远传模块无线传输至监测中心服务器，监测预警系统软件自动对数据进行存储，形成监测数据库，并自动生成水位、水温、水量实时变化曲线，以此实现地热水水位、水温、水量可视化监测平台。当地热井水位、水量达到预警参数设置值时，系统发出报警信号。

 

  5． 2 预警系统参数选取及设置

 

  5． 2． 1 预警参数选取

 

  地热水水位直接影响地热井涌水量，地热井开采量又决定了地热水水位下降速率。该预警系统将地热井水位最大值作为第一预警参数，单井涌水量作为第二预警参数。

 

  1) 单井瞬时涌水量确定。根据地热井抽水试验数据，以稳定水位最大涌水量作为单井允许涌水量。

 

  2) 水位最大值。为地热井现状静水位与年允许静水位降速之和。

 

  3) 静水位年允许降速确定原则。保证开采期内地热井正常开采。根据稳定流抽水试验动水位降深及现状地热井设备提水能力，在动水位不超过150m 的前提下，以50 年作为开采年限确定的静水位年降速，作为允许降深预警参数。即:

 

  v = 150 － S1 － S250

 

  其中: v 为静水位年允许降深，m; S1为现状静水位埋深，m; S2: 动水位降深，m;

 

  5． 2． 2 预警系统设置

 

  在预警模块中通过水位最大值和单井涌水量两个预警参数对各监测地热井预警阀值进行设置。预警参数设置模式见图5。当水位或单井涌水量预警参数达到预警临界值时，系统自动报警。

 

  5． 3 地热资源动态预警系统运行结果

 

  对地热井水位、瞬时流量、累计流量、井口水温进行监测，监测频率为每小时采集一次，监测数据通过远程模块上传至服务器数据中心，以数据库的形式进行存储，并对累计流量、瞬时流量、水位、井口水温监测数据自动生成可视变化曲线。以辛一建热1井为例。

 

  3) 在复杂的砂页岩地区，由于地层变化较大造成人工挖孔扩底桩桩长相差较大，当桩端进入稳定持力层后，其应不会对桩基变形造成显著影响。

 

  4) 在复杂的砂页岩地区，通过对检桩数据进行统计分析表明: 在持力层岩石强度及厚度满足要求的条件下，沉降量随着裂隙发育程度有增大的趋势;岩石裂隙发育程度是影响桩基沉降的主要因素之一，在以后的类似工程中要引以重视。