深部砂巖熱儲沉降監測分層標建設與結構合理性初探
——以魯北平原深部砂巖熱儲沉降監測分層標組為例

王明珠,趙季初,丁朋朋,沙福建,馮克印,魏茂杰

(1.山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊(山東省魯北地質工程勘察院)，山東 德州 253072；2.山東大學，山東 青島 266237；3.山東省國土空間生態修復中心，山東 濟南 250000)

0 引言

地面沉降是由于構造運動或者人類工程活動引發的土體固結壓縮而導致地面高程降低的現象，是一種緩變性的自然災害。地面沉降會造成房屋傾斜、建筑物地基下沉、城市積水、內澇、城市管線斷裂、水準高程數據變化、地裂縫，沿海地區還會出現海水倒灌、咸水入侵等一系列問題，給當地國民經濟造成一定損失[1-5]。地面沉降作為山東省魯北平原最主要的地質災害之一，具有發生時間早、持續時間長的特點。

分層標作為地面沉降監測的基礎手段之一，其底部坐落于被監測土層上，可隨土層標高變化而上下靈動活動，完成地面沉降量的讀取和計算。本次分層標組位于魯北平原德州市德城區水文二隊老辦公區內，建成于2020年。該標組位于魯北砂巖熱儲地熱開采層頂板，分層標孔為目前山東省最深分層標孔，根據區域含水層特征布設其他分層標孔及水位監測孔，組成了山東省監測層位最全、監測深度最廣的分層標組，可為區內地面沉降分層監測、沉降機理研究及精準地面沉降防控提供數據支撐。

1 地質背景概述

1.1 地貌特征

魯北平原地貌類型以黃河沖積平原為主。黃河以北地區自西南向東北分為黃河沖積平原、黃河三角洲沖積—海積平原和濱海平原三部分；黃河以南地區自南西向北東依此為山前沖積洪積傾斜平原、黃河沖積平原、黃河三角洲沖積—海積平原和濱海平原[6-8]。

1.2 地層

魯北平原為華北平原的東南邊緣區，在區域地質構造上隸屬華北板塊中、新生代斷陷盆地。在中生代以來，區域地層一直緩慢下沉，形成了巨厚的松散沉積層。第四系底板埋深240～260m，為河湖相松散沉積層；新近系底板埋深1250～1350m，地層厚度較穩定；古近系底板埋深1500～2500m，地層沉積厚度相差較大。

熱儲層及以上地層由老至新描述如下：古近紀東營組以泥巖、砂質泥巖與細砂、粉砂巖不等厚互層為主。新近紀館陶組上部以細—中砂巖及泥巖為主，呈交互層狀；下部為含礫粗砂巖及砂礫巖為主。新近紀明化鎮組以泥巖夾細、中細砂為主。砂巖為松散狀，分選性及磨圓度一般。第四紀平原組上部為黏土和細砂層，結構松散；下部為黏土夾細砂層，結構致密[9-11]。

1.3 水文地質條件

魯北平原地下水在垂向上具有明顯的分帶性，根據地下水水質結構、含水層組劃分以及地下水賦存條件等，將60m以淺的地下水劃分為淺層地下水，礦化度為1～1.5g/L，與外部環境關系密切，該層僅局部地區開采；60～250m的地層劃分為中深層地下水，礦化度為5～10g/L，由于礦化度較高，至今基本未曾開發利用；250～800m劃分為深層地下水，礦化度為1～1.5g/L，在20世紀六七十年代，開采井深度300～500m，隨著水位的下降，井深逐漸增加，最深接近800m。根據前人在區內進行的地面沉降成因機理研究表明[12-13]，該層地下水的超量開采是地面沉降發生的主要成因；900～1100m，為明化鎮下段館陶上段地熱水，但該層主要泥巖分布，砂層較薄，出水量小，目前不開采；1200～1500m，為地熱主要開采層位(圖1)[14-15]。

1.4 工程地質條件

根據區內地層的埋藏深度、巖性、成因類型、沉積年代、土的物理力學性質、水力特征和水理性質等，將1500m以淺的地層劃分為1個表土層、3個弱透水層和3個含水層。隨著地層深度的增加，壓縮系數逐漸減少，土體可壓縮性逐漸降低[16-18]。

1.5 地面沉降現狀及監測背景

20世紀90年代，德州地面沉降監測網絡的建設，拉開了魯北平原地面沉降監測的序幕，隨后，先后在聊城、濱州、東營建立沉降測量網，為魯北地區地面沉降機理研究提供基礎數據支撐。根據多年地面沉降監測數據，魯北平原地面沉降呈不斷發展趨勢，累計沉降漏斗主要有以德城區為累計沉降中心的德州沉降漏斗和以博興-廣饒為累計沉降中心的博廣沉降漏斗。其中德州沉降漏斗發展歷史較悠久，自1991年起測至今，沉降中心累計沉降量超過1450mm。博廣沉降-廣饒漏斗自2004年起測至今，沉降中心累計沉降量超過1300mm。

2014年在德州市德城區水文二隊現辦公區院內建成魯北平原第一組分層標組，隨后，先后在濱州、東營等地建設分層標組。但以往分層標組最大孔深為500m，監測目標層位為第四紀地層，主要監測深層地下水及以上含水層開發利用產生的地層壓縮，500m以深地層壓縮情況尚未開展過相關監測。隨著近年來地熱資源集中開發利用，對熱儲層壓縮形變監測十分重要，該數據將成為地熱資源是否開發利用的重要依據。

此外，山東省尚無分層標建設的專業規范，針對不同深度分層標，其中深度較大分層標，明確其標桿結構、標組組成等。由于施工流程、標體結構的不合理致使管材浪費，一定程度上增加了分層標的監測誤差及建設成本。

2 分層標建設

2.1 選址

根據監測目的任務，深部砂巖熱儲沉降監測分層標位置應選擇在地面累計沉降漏斗中心區或地熱集中開采區，有條件亦可選在地面累計沉降漏斗中心與地熱集中開采的疊合區。德城區深層地下水開發歷史早，由于超采于20世紀80年代末發現地面沉降，至今已演變為魯北地面沉降累計漏斗中心。此外，德城區地熱資源開發利用早，開采集中。故德城區可作為魯北平原深部砂巖熱儲沉降監測分層標建設優選區。

在德城區水文二隊老辦公區內，早在1997年就建有一眼地熱開采井，為區內最早的地熱井，2016年建立配套回灌井。該場地內地層資料齊全，可為分層標結構設計提供依據。地熱水監測資料連續且序列時間長，可為后續研究分析提供長序列數據支撐。故將分層標建設場地定于德州市德城區水文二隊老辦公區內。

1—砂巖；2—泥巖圖1 地層巖性及垂向含水層劃分示意圖

2.2 標樁個數與深度確定

地面沉降分層標獲取地表下各土層因外界作用而產生的變形量，根據基礎監測數據，分析地面沉降發生、發展規律，從而制定出相應的控沉措施和對策。分層標組建設應根據監測目標確定標樁數量，尤其垂向上具有多個地下水開采層的。結合魯北平原地下水開采、地面沉降特征，結合探究地熱開采是否引發地面沉降的目的任務，確定分層標標樁個數與深度。

為直觀監測地熱水開采對地面沉降的貢獻量，在熱儲開采層頂板應建設一個標樁，根據已有地熱地質資料，德城區館陶組頂板埋深在1090～1290m，地熱水主要開采層位為1250～1500m，該標樁深度應小于1250m，在1250～1200m尋找厚度較大的泥巖層，泥巖層深度越大標體約穩定，最小厚度不能低于3m。根據場地內物探測井解譯資料，確定標樁1深度為1200m；為探究禁采后深層地下水地層地面沉降發育情況，在含水層的頂板和底板各埋設一個標樁，根據場地內物探測井解譯資料，確定標樁2與標樁3深度分別為800m、250m；為探究中深層和淺層地下水地層變形情況，分別在含水層頂板埋設一個標樁,根據場地內物探測井解譯資料，確定標樁4與標樁5深度分別為60m、2m。通過相鄰深度標樁及多期監測，可實現對淺層、中深層、深層、熱儲層的地層變形量監測(圖2)。

圖2 分層標監測層位分布示意圖

2.3 分層標結構

分層標結構基本類似，其結構的差異主要在于標桿結構的不同與標底滑筒量程的不同。

本分層標組中標桿均采用“寶塔結構”，標桿上細下粗，下部標桿要滿足承重、支撐的要求，上部標桿在盡可能減少重量的同時亦滿足下標桿時底部標桿自重拖拽不斷裂的要求。根據分層標孔深度采用三級寶塔結構，每級標桿長度采用“九五分割原理”確定。分層標運行工作時，保護管與滑筒相連接，保護管與地層抱死，不發生相對移動。標桿與滑桿相連接，根據地層膨脹或壓縮進行升降運動。

滑筒量程即為滑桿可升降的最大距離，結合當地沉降速率，設定地表沉降量均為地下某一層地層壓縮導致，根據監測資料，本區近年來沉降速率不超過20mm/a。

分層標標底滑筒量程相對滑距可達1.2m，以本層沉降速率為地層總沉降速率20mm/a計算，該標在維護正常的情況下可連續使用60年，而1200m分層標所監測的地層沉降量遠比總沉降量小，故該標連續使用年限超過60年，量程滿足長時間連續監測的需求(圖3)。

1—黏土；2—砂巖、泥質砂巖；3—泥巖；4—細砂巖圖3 地層巖性及分層標結構圖

3 分層標合理性分析

3.1 監測層位合理性分析

深部砂巖熱儲沉降監測分層標建設于原深層地下水與現地熱資源開采集中疊合區德城區水文二隊院內，根據以往研究，該區地面沉降主要由于深層地下水的超量開采引發，但地熱水開采是否引發沉降至今無直接監測，將該標體建設在地熱開采層頂板處，通過多期監測，可直接得到熱儲層及以下地層的沉降變形量，為地熱水與地面沉降的相關關系提供直接數據支撐。本區地熱開采層主要開采層位為1300～1500m，分層標深度確定為開采層以上的1200m。同時場地為原深層地下水集中開采區，在該處建設深度地下水分層標孔，可為深層地下水禁采后沉降是否存在滯后性發育等問題的解決提供數據支撐。

3.2 力學合理性分析

3.2.1 分層標重量

1200m分層標標體均直立于200mm的標底托盤上，分層標主要重量包括保護管、標桿、填充純凈水、扶正器、標底的重量，鋼材密度取7.86×103kg/m3，水的密度取1.00×103kg/m3。根據計算公式：

m=ρV

(1)

式中：m—質量(kg);ρ—密度(kg/m3);V—體積(m3)。其中保護管重量m保約為40.49×103kg，φ60mm標桿m60約為1.31×103kg，φ73mm標桿m73約為2.76×103kg，φ89mm標桿m89約為9.19×103kg，填充純凈水的質量m水約為18.50×103kg。扶正器一個約為1kg，共用11個，扶正器總重量約為0.11×103kg。標底總重量約為0.20×103kg，分層標總重量約為72.56×103kg。

3.2.2 地層土柱重量

利用場地內巖土力學測試取得不同深度巖(土)體密度參數，計算直徑為200mm，深度為1200m的土柱重量為78.21×103kg。

1200m分層標總重量約為72.56×103kg，相同體積的巖土柱重量為78.07×103kg。分層標重量較地層土體重量小，避免了由于標體自身荷載產生的沉降誤差，在分層標穩定一段時間后，可達到監測需求(表1)。

表1 土柱重量計算表

4 結論

(1)深部砂巖熱儲沉降監測分層標位置應選擇在地面累計沉降漏斗中心區或地熱集中開采區，有條件亦可選在地面累計沉降漏斗中心與地熱集中開采的疊合區。

(2)結合魯北平原地下水及深部地熱開發利用特征、地面沉降發育特征，魯北平原德城區分層標組宜建設5個標樁(含地面標)，深度分別為2m、60m、250m、800m、1200m。

(3)將深部砂巖熱儲沉降監測分層標建設在地熱開采層頂板處，通過多期監測，可直接得到熱儲層及以下地層的沉降變形量，為地熱水與地面沉降的相關關系提供直接數據支撐。

(4)本文設計的1200m分層標總重量約為72.56×103kg，相同體積的巖土柱重量為78.07×103kg。分層標重量較地層土體重量小，避免了由于標體自身荷載產生的沉降誤差，在分層標穩定一段時間后，可達到監測需求。