山區(qū)構(gòu)造型熱儲地熱資源可采量計算方法的研究
——以遵化市湯泉地區(qū)為例

劉福東 陳穆賢 周繼堯

河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊 河北 衡水053000

前言

湯泉坐落在素有“畿東第一城”之稱的河北省遵化市北部,處于一個三面環(huán)山的谷地中。湯泉地熱資源開發(fā)利用歷史悠久,隨著湯泉地熱資源大規(guī)模的開發(fā)利用,導致溫泉露頭消失、水位下降,過量開采可能導致無水可采的現(xiàn)象。掌握區(qū)內(nèi)地熱資源可采量,對于該區(qū)地熱資源的進一步開發(fā)和地熱資源的可持續(xù)利用具有重要意義。本文以湯泉為例,積極探索新的山區(qū)構(gòu)造型熱儲可采量計算方法,旨在為山區(qū)地熱資源開發(fā)利用提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 地熱地質(zhì)概念模型 基于湯泉地區(qū)屬于開放型地熱田。裸露基巖主要為太古界片麻巖,其下部為中生界花崗巖侵入體。片麻巖地質(zhì)單元局裂隙發(fā)育,多為導水或弱透水斷裂,為地熱資源的存儲層。曾有天然泉出露,因此將熱儲層概化為基巖裸露區(qū)片麻巖碎屑風化裂隙和局部構(gòu)造裂隙式承壓含水層系統(tǒng)。熱儲層主要接受大氣降水補給及北部山區(qū)側(cè)向徑流補給,與通過深部斷裂破碎帶導水通道上涌的地下熱水混合形成熱流體。

2 評價原則與計算方法

2.1 計算原則

2.2 計算方法

1.均衡法。地熱田內(nèi)水位降深由超采引起,因此結(jié)合泰斯公式[3]計算超采量,取近期湯泉地熱田內(nèi)連續(xù)年開采量相近年份年開采量的平均值減去年超采量即為湯泉地熱田地熱流體可開采量。依據(jù)現(xiàn)有資料分析2016-2018年開采量相差不大,概化為年開采量基本相同、超采量相同、補給量相同的模型,現(xiàn)狀開采量減去超采量即為可以保持地熱資源長期使用的可開采量。公式如下:

式中:QNK—湯泉地熱田地熱流體可開采量,m3;QXK—湯泉地熱田均衡期內(nèi)地熱流體開采量平均值,取2016-2018年平均開采量302.7 ×104m3/

圖1 群孔抽水試驗地熱井相對位置圖

表1 地熱井群井開采地熱流體可開采量計算參數(shù)一覽表

根據(jù)三次降深抽水試驗,通過計算機擬合Q-S關系曲線,采用內(nèi)插法計算水位降深S為35 m 時各地熱井地熱流體可開采量。根據(jù)抽水試驗觀測顯示,ZR36、ZR37可采量單獨計算:

其中:QF—非干擾井降深35 m 時涌水量之和,m3/d;QZR36—ZR36井降深35 m 時涌水量,m3/d,取值777.82;QZR37—ZR37井降深35 m時涌水量,m3/d,取值701.94。

其中:QR—受干擾地熱井降深35 m時的干擾水量之和,m3/d;∑Q單—受干擾的地熱井單獨抽水,降深35m 時單井涌水量之和,取值7445.89,m3/d。α—干擾系數(shù),取值0.807。計算結(jié)果見表2。

經(jīng)計算,QR=6005.33 m3/d。

綜上,依據(jù)本次13組抽水試驗數(shù)據(jù),ZR36、ZR37兩眼地熱井開采不受周圍地熱井影響,可單獨計算,其他地熱井開采時均有干擾,通過計算干擾系數(shù)確定群井開采時的涌水量,因此,湯泉地熱田地熱流體可開采量為兩者之和即:Q湯總=QF+QR

經(jīng)計算,Q湯總=7485.09m3/d,年可開采量為273.2 ×104m3/a。

3 統(tǒng)計分析法

在收集多年動態(tài)資料的基礎上,建立累計水位降深與累計開采量之間的相關方程,計算給定降深為35 m 時的可采量即為湯泉地熱田可采量。以資料最早的2003年為基準,應用統(tǒng)計分析法,建立水位降深與累計開采量的相關方程。統(tǒng)計見表3。

表3 湯泉地熱田地熱水累計水位埋深與累計開采量統(tǒng)計表

表2 地熱井群井開采地熱流體可開采量計算結(jié)果一覽表

其中:Q—累計開采量(104m3);S—水位埋深(m)。

截止2018年,地熱田水位總降低12.53 m,在給定開采50年,水位降深35m 的條件下,即S=47.53m 時,Q為22675.2 ×104m3,2018年累計開采量2477.3 ×104m3,則開采50年累計開采量為20197.9 ×104m3,平均年可采量為403.9 ×104m3/a。

4 可采量的確定

本次采用3種方法對湯泉地熱田地熱流體可開采量進行了計算,三種方法計算結(jié)果相近且與實際開采量相差不大,為提高計算結(jié)果的可靠性,保護地熱資源使之可持續(xù)利用,湯泉地熱田年可開采量取均衡法計算結(jié)果247.1 ×104m3/a。

5 結(jié)論

本文以遵化湯泉地區(qū)為例,對山區(qū)構(gòu)造型熱儲地熱資源可采量計算方法進行了研究,獲得基本結(jié)論如下:均衡法是山區(qū)地熱資源可采量計算的新方法,該方法適用于有2年以上開采量相近且有對應動態(tài)數(shù)據(jù)的情況,將年水位下降量視為超采引起的,巧妙結(jié)合泰斯公式,視為2個長時間的單井抽水工作,以超采量抽水持續(xù)t1時間引起的降深與超采量抽水持續(xù)t2時間引起的降深之差即為已知的年水位下降量,在計算過程中又消去了未知的給水度μ和計算點到抽水井的距離r,提高了本方法的實用型。為山區(qū)構(gòu)造構(gòu)造型熱儲可采量的計算提供了新思路。