地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)策略與保護(hù)

張素娥,李志軍,鄭喜珍

(河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì),河北 衡水 053000)

地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)策略與保護(hù)

張素娥,李志軍,鄭喜珍

(河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì),河北 衡水 053000)

深州地?zé)崽锸侨A北地區(qū)水質(zhì)較好、水溫較高的地?zé)崽镏弧榱藢?shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用,分析了構(gòu)造斷裂和熱儲(chǔ)層滲透性能對(duì)地?zé)崴幌陆档挠绊?采用干擾井水位消減法對(duì)合理井距進(jìn)行了研究,得出了允許開采量、允許布井?dāng)?shù)及合理井距等地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用參數(shù)。

水位下降;成因分析;開發(fā)策略;保護(hù)建議;河北深州

0 引言

深州地?zé)崽镂挥诤颖笔∩钪菔小Ｗ?20世紀(jì) 90年代開采以來,深州地?zé)崽锏責(zé)豳Y源開發(fā)得到了快速發(fā)展,地?zé)豳Y源開發(fā)利用成為深州市新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。隨著地?zé)豳Y源開采的不斷增加,水位出現(xiàn)了較大幅度下降,冬季供暖開采期動(dòng)水位可達(dá) 150m左右,水位下降幅度大大高于河北省區(qū)域水位降幅。水位大幅度下降不僅增加了地?zé)豳Y源開采難度,同時(shí)對(duì)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)極為不利。

該區(qū)以往地?zé)豳Y源研究注重地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià),地?zé)豳Y源開采方案以地?zé)崽锏責(zé)豳Y源可開采量為依據(jù),一般以開采總量不超過地?zé)崽锟砷_采量進(jìn)行規(guī)劃,忽略了地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地?zé)豳Y源控制作用和熱儲(chǔ)層滲透性能對(duì)地?zé)峋a(bǔ)給影響研究,使地?zé)豳Y源開采中出現(xiàn)了地?zé)峋植嫉牟缓侠砑熬植康責(zé)豳Y源的超量開采,導(dǎo)致了地?zé)豳Y源集中開采區(qū)補(bǔ)給嚴(yán)重不足,集中開采區(qū)水位大幅下降狀況。本次研究在查明地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)上,通過抽水試驗(yàn)方法對(duì)熱儲(chǔ)層滲透性能進(jìn)行研究,分析目前開采條件下的地?zé)崴幌陆翟?并在此基礎(chǔ)上規(guī)劃地?zé)豳Y源可持續(xù)開采方案,對(duì)河北深州地?zé)崽锏責(zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

1 深州地?zé)崽锏刭|(zhì)構(gòu)造及熱儲(chǔ)層特征

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

深州地?zé)崽镂挥诩街信_(tái)陷 (Ⅲ級(jí))、饒陽斷凹(Ⅳ級(jí))內(nèi)。本區(qū)新生界底部斷裂較發(fā)育,斷裂大多呈北西西向和北東向展布,兩組斷裂將新生界館陶組以下地層切割成不規(guī)則四邊形塊狀,斷裂上、下盤落差一般為 20m～40m。

1.2 熱儲(chǔ)層特征

本區(qū)位于臺(tái)陷內(nèi),分布的主要熱儲(chǔ)層有明化鎮(zhèn)組及館陶組。

1.2.1 明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層 頂界埋深 598m～626m,底界埋深 1 545m～1 740m,熱儲(chǔ)巖性以中砂巖、細(xì)砂巖為主,地層沉積厚度 940m～1 125m,儲(chǔ)厚比39%,單層厚度一般 4.0m～12.0m,最厚可達(dá)27.3m,孔隙度約 26.29%,滲透率 156.06(10-3μm2)～448.70(10-3μm2),礦化度 982mg/L。

1.2.2 館陶組熱儲(chǔ)層 底界埋深 2 259m～2 400m,熱儲(chǔ)巖性以砂巖、含礫砂巖、砂礫巖、礫巖為主,夾粉砂巖,地層厚度 615m～788m,儲(chǔ)厚比 40.76%,砂層單層厚度一般 3.5m～14.5m,最厚可達(dá) 25.8m,孔隙度約 19.18%,滲透率 44(10-3μm2)～492(10-3μm2),礦化度 1.941 mg/L～3.047mg/L。

2 地?zé)豳Y源開采及水位下降現(xiàn)狀

2.1 地?zé)豳Y源開采利用現(xiàn)狀及存在問題

2.1.1 開采利用現(xiàn)狀 目前,深州市區(qū)共有地?zé)峋?眼。地?zé)峋植驾^為集中,形成了市區(qū)中心集中開采區(qū),開采層位以館陶組為主,年開采量 219.86×104m3(表 1),以供暖、洗浴利用為主。

2.1.2 主要存在問題 ①開采層位、區(qū)位過于集中,地?zé)豳Y源開采不均衡,造成集中開采區(qū)館陶組熱儲(chǔ)層超量開采。②尾水排放溫度高,缺乏地?zé)豳Y源梯級(jí)利用,地?zé)豳Y源保護(hù)措施滯后。

表1 深州市區(qū)地?zé)峋_發(fā)利用現(xiàn)狀

2.2 水位動(dòng)態(tài)

明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)多年水位呈不斷下降趨勢(shì),動(dòng)態(tài)類型屬開采—弱徑流—疏干型。以牛 1井為例,2004年 4月成井時(shí),靜水位 25.70m,2008年 11月,靜水位降至 35.67m,年均下降速率 2.49m。

館陶組熱儲(chǔ)多年水位呈不斷下降趨勢(shì),動(dòng)態(tài)類型屬開采—弱徑流—疏干型。如深熱 2井,2002年10月,靜水位高出地面 0.71m,2008年 11月,靜水位埋深降至地面以下 25.66m,年均下降速率 4.40(圖 1)。深熱 3井,1996年 10月成井時(shí)靜水位為4.54m,2008年 11月,水位降至 28.56m,年均下降速率 2.00 m。

2.3 水位下降因素分析

2.3.1 斷裂阻水作用對(duì)水位下降的影響分析 館陶組底界斷裂較發(fā)育,斷裂大多呈北西西向和北東向展布,兩組斷裂將新生界館陶組以下地層切割成不規(guī)則四邊形塊狀,斷裂上下盤落差一般為 20m～40m。斷裂存在一定的斷距,使上下盤砂層錯(cuò)開,如果砂層對(duì)應(yīng)率高,形成導(dǎo)水?dāng)鄬?如果砂層對(duì)應(yīng)率低,則形成阻水?dāng)鄬印?/p>

位于深熱 1井、深熱 4井與深熱 2井之間分布一北東—南西向斷裂 (圖 2)。深熱 1井、深熱 2井、深熱 3井、深熱 4井為館陶組同層井。孔組抽水試驗(yàn)顯示,當(dāng)深熱 2井抽水時(shí),深熱 1井、深熱 4井水位未呈現(xiàn)下降現(xiàn)象,與深熱 2井同一斷塊內(nèi)的深熱3井水位出現(xiàn)明顯下降,從而證實(shí)了位于深熱 1井、深熱 4井與深熱 2井之間的斷層表現(xiàn)為一定阻水性質(zhì)。阻水?dāng)嗔炎钄嗔松顭?2井開采時(shí)來自其西側(cè)的側(cè)向徑流補(bǔ)給,使深熱 2井補(bǔ)給能力受到一定影響,導(dǎo)致了深熱 2井單位出水率 (0.005 3 m3/h·m·m)明顯小于同一斷塊內(nèi)的深熱 3井單位出水率(0.010 2 m3/h·m·m)。

因此,阻水?dāng)嗔褬?gòu)造的存在,使位于阻水?dāng)嗔迅浇牡責(zé)崴a(bǔ)給能力減弱,從而造成了地?zé)崴幌陆档脑龃蟆?/p>

2.3.2 熱儲(chǔ)層滲透性對(duì)水位下降的影響分析 深州地?zé)崽镂挥陴堦柊枷輩^(qū),從深州地?zé)崽锱c位于新河斷凸的衡水地?zé)崽飳?duì)比顯示,受熱儲(chǔ)層巖性結(jié)構(gòu)影響,深州地?zé)崽餆醿?chǔ)層滲透性能較差。物探測(cè)井資料顯示,深州地?zé)崽镳^陶組平均孔隙度為19.18%,滲透率 44(10-3μm2)～492(10-3μm2),遠(yuǎn)低于衡水地?zé)崽镳^陶組孔隙度 (31.785%)、滲透率67.2(10-3μm2)～991(10-3μm2)。抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示,深州地?zé)崽镳^陶組滲透系數(shù)為 0.39m/d,衡水地?zé)崽餄B透系數(shù)為 1.059 m/d,深州地?zé)崽镳^陶組滲透系數(shù)僅為衡水地?zé)崽镳^陶組的 1/2.72。

滲透性能較差使得地?zé)峋_采時(shí)側(cè)向補(bǔ)給較慢,造成了開采水位降深過大 (深熱 2井開采量 116m3/h時(shí),動(dòng)水位降深達(dá) 108.52m),經(jīng)過供暖期長時(shí)期開采,停抽后水位難以恢復(fù)的狀況,從而導(dǎo)致水位呈較大降幅下降態(tài)勢(shì)。如深熱 2井,2006年 10月 30日供暖前測(cè)得水位埋深為 4.14m,經(jīng)過冬季供暖長時(shí)間抽水,水位出現(xiàn)大幅度下降,2007年 3月 15日供暖結(jié)束,2007年 4月 30日測(cè)得水位埋深為 20.52m,經(jīng)過開采淡季期的恢復(fù),2007年 10月 30日水位埋深恢復(fù)至 7.65m,水位遠(yuǎn)未恢復(fù)至上一年水準(zhǔn)。

圖2 館陶組多孔抽水試驗(yàn)井分布示意圖

2.3.3 地?zé)豳Y源過量開采和不合理布井對(duì)水位下降的影響分析 深州地?zé)崽锏責(zé)豳Y源開采不均衡,深州市區(qū)為集中開采區(qū),出現(xiàn)地?zé)豳Y源過量開采。以館陶組為例,集中開采區(qū)年允許開采量為 77.0×104m3,而實(shí)際年開采量約 164.3×104m3,實(shí)際開采量是允許開采量的 2.13倍。另外,集中開采區(qū)井距過小,導(dǎo)致干擾抽水,進(jìn)一步加劇了水位下降。

綜上所述,熱儲(chǔ)層滲透性能較差、地?zé)豳Y源過量開采和不合理布井是造成深州地?zé)崽锼幌陆档闹饕?分布于阻水?dāng)嗔迅浇牡責(zé)峋?開采時(shí)側(cè)向補(bǔ)給受到一定影響,加劇了水位的下降幅度。

3 地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)策略

隨著地下水水位的不斷下降,將會(huì)給地?zé)豳Y源開采帶來困難。為了實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā),針對(duì)地?zé)崴幌陆涤绊懸蛩?應(yīng)制定合理的地?zé)豳Y源開采利用方案及有效保護(hù)措施。

3.1 地?zé)豳Y源合理利用配置

深州地?zé)崽餆醿?chǔ)厚度大,垂向熱儲(chǔ)水溫變化較大,明化鎮(zhèn)上段熱儲(chǔ)中部溫度 41℃～43℃,明化鎮(zhèn)下段熱儲(chǔ)中部溫度 55℃～60℃,館陶組上段中部溫度 74℃～79℃。從不同層位地?zé)崴畠?yōu)勢(shì)角度出發(fā),進(jìn)行不同層位地?zé)崴_發(fā)利用配置,實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源均衡開采。

明化鎮(zhèn)上段：水溫較低,富水性較好,水質(zhì)較好,以進(jìn)行洗浴、游泳等項(xiàng)目的開發(fā)為主。明化鎮(zhèn)下段：水溫一般,富水性較好,水質(zhì)較好,適宜于進(jìn)行地板采暖項(xiàng)目的開發(fā),以彌補(bǔ)館陶組熱儲(chǔ)供暖不足,少量可用于洗浴項(xiàng)目的開發(fā)。館陶組：水溫較高,以供暖利用為主。

3.2 地?zé)豳Y源科學(xué)開采方案設(shè)置

3.2.1 劃分開采分區(qū),實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的均衡開發(fā)由于深州地?zé)崽餄B透性能差,側(cè)向補(bǔ)給非常緩慢,因此均衡開采是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)的重要方面。根據(jù)目前地?zé)峋季帧㈤_采層位現(xiàn)狀,將地?zé)豳Y源集中開采區(qū)劃定為限制開采區(qū) (圖 3),限采層位為館陶組,此區(qū)禁止新施工館陶組地?zé)峋５責(zé)崽镏苓厖^(qū)域館陶組熱儲(chǔ)層和整個(gè)地?zé)崽锩骰?zhèn)組熱儲(chǔ)層劃定為鼓勵(lì)開采區(qū),作為今后地?zé)峋徊荚O(shè)區(qū)域。

3.2.2 開采方案配置 地?zé)豳Y源開采原則：嚴(yán)格控制開采量,保證和開采總量均不超過允許開采量;合理規(guī)劃地?zé)峋?保證地?zé)峋_采水量互不干擾。

①限制開采區(qū)館陶組熱儲(chǔ)合理開采配置。A.限制開采區(qū)館陶組允許開采量確定。限制開采區(qū)限采層位為館陶組,其允許開采量采用多年開采量與水位變化關(guān)系確定,允許開采量以 100年開采年限允許水位下降150m計(jì)算而來。限制開采區(qū)館陶組年均水位降深 3.2m(按深熱 2井與深熱 3井水位下降平均值計(jì)),年實(shí)際開采量約 164.3×104m3,即該區(qū)館陶組年允許開采量為 77.0×104m3。

1-限制開采區(qū)

B.允許布井?dāng)?shù)。館陶組地?zé)峋怨┡癁橹?供暖期以每天開采 24h計(jì),單井年開采量 23.8×104m3。以總開采量不超過允許開采量為原則,可布井 3眼。

C.地?zé)豳Y源開采調(diào)配方案。限制開采區(qū)地?zé)峋季忠殉啥ň?地?zé)峋當(dāng)?shù)量已超過區(qū)內(nèi)可布井?dāng)?shù),且局部井距過小。根據(jù)地?zé)峋季脂F(xiàn)狀進(jìn)行合理調(diào)配：Ⅰ.適當(dāng)限制開采量,使區(qū)內(nèi)開采總量不超過區(qū)內(nèi)年允許開采量 (77.0×104m3)。Ⅱ.在地?zé)峋芗瘏^(qū),根據(jù)井距與開采影響范圍適當(dāng)限制單井開采量,避免出現(xiàn)干擾抽水。

②鼓勵(lì)開采區(qū)合理開采配置。根據(jù)熱儲(chǔ)層條件及前述合理開發(fā)利用方案,在地?zé)峋傞_采量不超過區(qū)內(nèi)允許開采量的前提下進(jìn)行開采方案配置,包括允許布井?dāng)?shù)及地?zé)峋侠砭唷?/p>

A.允許布井?dāng)?shù)。允許布井?dāng)?shù)以開采區(qū)地?zé)豳Y源允許開采量與單井開采量之比確定。明化鎮(zhèn)組上段熱儲(chǔ)年允許開采量為 5.710×106m3,明化鎮(zhèn)組下段熱儲(chǔ)年允許開采量為 7.701×106m3,館陶組熱儲(chǔ)年允許開采量為 2.031×106m3。根據(jù)各熱儲(chǔ)合理利用方案,明化鎮(zhèn)組上段以洗浴、娛樂為主,考慮季節(jié)影響,11月—4月以每天開采 12 h計(jì),其他季節(jié)以每天開采 6h計(jì),單井開采量為 112.5m3/h,年開采量 36.788×104m3。明化鎮(zhèn)組下段以地板采暖、洗浴為主,冬季供暖期以每天開采 24h計(jì),其他季節(jié)以每天開采 4h計(jì),單井開采量為 112.5 m3/h,年開采量 43.425×104m3。館陶組以采暖為主,供暖期以每天開采 24h計(jì),單井開采量為82.56 m3/h,年開采量 23.777×104m3。

鼓勵(lì)開采區(qū)明化鎮(zhèn)組上段熱儲(chǔ)允許布井 15眼,明化鎮(zhèn)組下段熱儲(chǔ)允許布井 18眼,館陶組熱儲(chǔ)允許布井 8眼。

B.允許井距確定。明化鎮(zhèn)組：根據(jù)明化鎮(zhèn)儲(chǔ)層研究程度,明化鎮(zhèn)組井距采用均勻布井法確定。經(jīng)計(jì)算,明化鎮(zhèn)組上段熱儲(chǔ)允許井距為1 180m,明化鎮(zhèn)組下段熱儲(chǔ)允許井距為1 080m。

館陶組：根據(jù)深州地?zé)崽餆醿?chǔ)層滲透性能特征和研究程度,允許井距的確定采用基于孔組抽水試驗(yàn)的干擾井水位消減法。其確定原則：在平面上排列的 n個(gè)同熱儲(chǔ)干擾井同時(shí)抽水時(shí),求 i號(hào)井的干擾開采量,通過試算,以滿足 i號(hào)井開采量消減約5%的井距作為允許井距。計(jì)算公式：

式 (1)中,R為抽水試驗(yàn)確定的影響半徑 (m);t為抽水試驗(yàn)觀測(cè)井水位削減值 (m);x為抽水試驗(yàn)觀測(cè)井距抽水孔距離 (m);S為抽水井水位降深值(m);xi為 i號(hào)井距抽水井試算井距 (m);ti為 i號(hào)井水位削減值 (m);αi為干擾井單獨(dú)抽水時(shí)對(duì) i號(hào)井的有效開采量減少系數(shù);∑α′i為干擾井同時(shí)抽水時(shí)對(duì) i號(hào)井的有效開采量消減值之和,取值 5%。

根據(jù)館陶組多孔試驗(yàn)結(jié)果,觀測(cè)孔與抽水孔距離為 1 470m,抽水井降深 108.52m時(shí),觀測(cè)孔降深3.25m,抽水影響半徑 1 880m。干擾井?dāng)?shù)按圓形布井法確定為 4眼,確定允許井距為 1 690m。

③斷裂構(gòu)造對(duì)地?zé)峋荚O(shè)的影響。由于館陶組底部局部存在阻水?dāng)嗔?館陶組布井時(shí)應(yīng)考慮斷層可能對(duì)地?zé)峋_采造成影響,在斷裂性質(zhì)不明的情況下,井位布設(shè)應(yīng)避開斷裂帶。當(dāng)確定阻水?dāng)嗔研再|(zhì)時(shí),井位距斷層應(yīng)有一定的距離,保證地?zé)峋_采時(shí)側(cè)向補(bǔ)給的充足。

3.3 地?zé)豳Y源保護(hù)方案

3.3.1 地?zé)豳Y源梯級(jí)利用 本區(qū)館陶組水溫較高,供暖循環(huán)后水溫仍可達(dá)到 40℃,初次供暖循環(huán)尾水可再次進(jìn)入供暖系統(tǒng)進(jìn)行二次供暖利用,既可提高地?zé)豳Y源利用率,又可解決供暖水量不足的狀況。通過地?zé)豳Y源的梯級(jí)利用提高地?zé)豳Y源利用率,可有效減少地?zé)豳Y源開采量。

3.3.2 地?zé)嵛菜毓?目前區(qū)域回灌試驗(yàn)已證實(shí)了新生界熱儲(chǔ)層尾水回灌的可行性。應(yīng)首先建立地?zé)峄毓嘞到y(tǒng)示范工程,求得本地?zé)崽餆醿?chǔ)層回灌參數(shù),根據(jù)熱儲(chǔ)層回灌能力進(jìn)行回灌井布設(shè),實(shí)現(xiàn)地?zé)嵛菜瑢踊毓唷?/p>

4 結(jié) 語

深州地?zé)崽锼怀尸F(xiàn)大幅下降,其原因是阻水?dāng)嗔褬?gòu)造的分布、熱儲(chǔ)層滲透性較差、地?zé)豳Y源過量開采和不合理布井。為了實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā),根據(jù)水位下降原因及地?zé)峋_發(fā)利用現(xiàn)狀,作出相應(yīng)可行可持續(xù)開發(fā)策略：進(jìn)行熱儲(chǔ)層均衡開發(fā);發(fā)揮各熱儲(chǔ)水溫水質(zhì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行地?zé)豳Y源合理開發(fā)利用;限制總開采量不超過區(qū)內(nèi)允許開采量;進(jìn)行合理的地?zé)峋徊荚O(shè),避免干擾開采;在館陶組熱儲(chǔ)井布井時(shí)考慮館陶組阻水?dāng)嗔训挠绊憽?/p>

[1]張素娥,康清普.深州市區(qū)地?zé)豳Y源詳查[R].衡水：河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì),2009.

[2]寇秋煥,張素娥.河北省衡水市地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)[R].衡水：河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì),2003.

[3]李郡,馮來全.衡水地?zé)崽锏責(zé)豳Y源勘查評(píng)價(jià)[R].衡水：河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì),2008.

[4]地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)地質(zhì)技術(shù)方法研究隊(duì).水文地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：地震出版社,1983.

[5]齊玉峰,王現(xiàn)國.開封凹陷區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用與保護(hù) [J].2007,29(4)：77-79.

[6]林建旺,劉小滿.天津地?zé)峄毓嘣囼?yàn)分析及存在問題[J].地?zé)崮?,2006(6)：11-13.

Sustainable development strategy of geother mal resource and protection proposals

ZHANG Su-e,L I Zhi-jun,ZHENG Xi-zhen

(Party 3 Hydrogeology and Engineering Geology,HebeiBureau of Geology andMinerals,Hengshui 053000,Hebei)

Shenzhou Geothermal Field is one of the geother mal fieldswith betterwater quality and higher water temperature in North China region.In order to realize the substainable developmentof geother mal resource,the effectof fault structure and thermal reservoir permeability to the water level decrease was analysed in the text,and the rationalwell spacingwas investigated through the method of water level cut back of the interferencewell.The parametersof geother mal resource substainable developmentwere obtained such as the allowable yield,the allowable well spacing density,the rationalwell spacing and so on.

Water level decrease;Genesis analysis;Development strategy;Protection proposals;Shenzhou,Hebei

TK529

A

1674-3636(2010)02-0220-05

2009-12-02;

2010-03-10;編輯：陸李萍

張素娥 (1969—),女,碩士,高級(jí)工程師,現(xiàn)主要從事地?zé)岬刭|(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作.

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.02.220