半圈閉深循環(huán)基巖熱儲(chǔ)開(kāi)采擾動(dòng)分析及回灌方案研究

摘 要：聊城東熱田奧陶系熱儲(chǔ)為山東省基巖熱儲(chǔ)勘探開(kāi)發(fā)優(yōu)選區(qū)，本文通過(guò)分析區(qū)內(nèi)蓋儲(chǔ)源通等地?zé)崽卣鹘⒘藚^(qū)域半圈閉深循環(huán)裂隙- 巖溶基巖熱儲(chǔ)模型，分析認(rèn)為其半圈閉深循環(huán)賦存特征在提升熱水礦化度及微量元素的同時(shí)，導(dǎo)致了儲(chǔ)層封閉性較強(qiáng)、開(kāi)采擾動(dòng)大、難以可持續(xù)利用等問(wèn)題?；趨^(qū)內(nèi)觀測(cè)井多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了開(kāi)采降深經(jīng)驗(yàn)公式，采用變異系數(shù)法及綜合指數(shù)法對(duì)區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)開(kāi)采擾動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)開(kāi)采導(dǎo)致了水位下降、水量減少、儲(chǔ)層壓力、溫度及使用壽命降低等不利影響，對(duì)水質(zhì)的擾動(dòng)性及地面沉降、熱污染、環(huán)境污染、串層水源污染等開(kāi)采次生問(wèn)題較少；結(jié)合區(qū)內(nèi)回灌試驗(yàn)，探討了適宜本地的開(kāi)采回灌方案：集中開(kāi)采、梯度利用、同層回灌、采灌均衡，區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)回灌井宜設(shè)置在開(kāi)采井周邊300-500 m 范圍內(nèi)，尾水溫度以35-40℃為宜。本次研究為區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)的可持續(xù)利用提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：基巖熱儲(chǔ)；深循環(huán)；半構(gòu)造圈閉；開(kāi)采擾動(dòng)；采灌均衡

中圖分類(lèi)號(hào)：P314 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2024）01-0126-09

奧陶系裂隙- 巖溶熱儲(chǔ)及寒武系巖溶- 裂隙熱儲(chǔ)為山東省內(nèi)最重要的基巖熱儲(chǔ)，省內(nèi)埋藏深度范圍500～4000m，差異較大，目前對(duì)其調(diào)查研究和開(kāi)發(fā)利用的程度仍相對(duì)較低[1]。聊城地區(qū)能源類(lèi)礦產(chǎn)相對(duì)貧乏，地?zé)豳Y源較為豐富，東部基巖熱儲(chǔ)水量較大，巖溶裂隙發(fā)育，可回灌性好，層間熱水經(jīng)深循環(huán)加熱溫度較高，水- 巖作用充分，礦化度及微量元素高，醫(yī)療保健效果好，為良好的地?zé)醿?chǔ)層[2]，該區(qū)域具有迫切的新型能源替代需求及良好的清潔能源升級(jí)基礎(chǔ)。地?zé)崮転榭稍偕Y源，受補(bǔ)給速度及開(kāi)采量等因素影響，地?zé)崴目稍偕孕枰劳杏诤侠淼拈_(kāi)采回灌方案來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]，同時(shí)在開(kāi)采過(guò)程中有可能產(chǎn)生地面沉降、熱污染、環(huán)境污染、儲(chǔ)層水量及壓力降低等問(wèn)題。在以往研究中，張保健、馬曉東、王奎峰等對(duì)聊城東熱田、聊城西熱田水化學(xué)特征及地?zé)豳x存特征等進(jìn)行了分析研究[2-8]，然而最近十年區(qū)內(nèi)相關(guān)研究工作開(kāi)展較少。最近，高中顯[1] 對(duì)山東省基巖熱儲(chǔ)進(jìn)行了優(yōu)選研究，將聊考斷裂以東的聊城地區(qū)，即本文的研究對(duì)象聊城東熱田奧陶系基巖熱儲(chǔ)選定為I 類(lèi)勘探開(kāi)發(fā)優(yōu)先區(qū)，但未對(duì)該區(qū)具體特征進(jìn)行分析。目前，研究區(qū)內(nèi)地?zé)衢_(kāi)采擾動(dòng)評(píng)價(jià)較少且缺乏基巖熱儲(chǔ)回灌方案研究。從降低地?zé)衢_(kāi)采不利影響的視角出發(fā)，本文對(duì)聊城東基巖熱儲(chǔ)賦存特征、開(kāi)采擾動(dòng)及開(kāi)采回灌方案等進(jìn)行深入研究，從而為區(qū)域地?zé)豳Y源合理開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

聊城東熱田位于華北板塊魯西隆起區(qū)魯中隆起泰山-濟(jì)南斷隆中的茌平潛凸起，展布方向?yàn)镹NE，面積約為600 km2，以茌平斷裂、聊考斷裂、譚莊阿城鎮(zhèn)斷裂、齊廣斷裂為邊界同相鄰構(gòu)造單元隔開(kāi)，為圖1 中Ⅱ 3 a1 區(qū)域。熱田所在區(qū)域地層自上而下發(fā)育有第四系、新近系、石炭-二疊系、奧陶系、寒武系和新太古界泰山巖群；受聊考斷裂下盤(pán)上升剝蝕作用影響，古近系及中生界巖層缺失，靠近聊考斷裂的部分區(qū)域石炭- 二疊系巖層缺失；熱田主要熱儲(chǔ)層包含新近系館陶組及奧陶系馬家溝組[2-6]。本文以?shī)W陶系基巖熱儲(chǔ)為研究對(duì)象，其水溫多在50～70 ℃，為低溫地?zé)豳Y源中的溫?zé)崴翢崴?/p>

聊城地區(qū)自西向東發(fā)育有臨清斷裂、冠縣斷裂、堂邑?cái)嗔?、聊考斷裂、茌平斷裂等一系列走向NE 及NNE 向的正斷層，整體控制了聊城地區(qū)各構(gòu)造單元的展布方位。重力場(chǎng)Δg 值大小隨構(gòu)造單元的凹凸性不同而變化。聊城區(qū)內(nèi)重力場(chǎng)Δg 值整體取值范圍在（-30～0）×10 － 5 m/s2，其中聊城東熱田位于區(qū)內(nèi)相對(duì)隆起區(qū)，其重力場(chǎng)Δg值（-18～0）×10 － 5 m/s2，為區(qū)內(nèi)相對(duì)高值，在平面上表現(xiàn)為沿NNE 向展布橢圓帶狀的重力高異常帶[3-8]。

2 資料與方法

聊城市單官屯地?zé)峋↙D1）位于聊考斷裂帶東側(cè)開(kāi)發(fā)區(qū)單官屯，井深1 035 m，其中0～140 m 為第四系，140～800 m 為新近系，800～897 m 為石炭- 二疊系，897～1035 m 為奧陶系，奧陶系未見(jiàn)底，開(kāi)采使用897 m 以深的奧陶系灰?guī)r熱儲(chǔ)地下熱水，非開(kāi)采層位置布設(shè)石油套管，隔絕了其他含水層的水力聯(lián)系。該井為聊城東基巖熱儲(chǔ)水質(zhì)觀測(cè)井，每年12 月份進(jìn)行地?zé)崴蓸雍笏椭辽綎|省物化探勘查院巖礦測(cè)試中心進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)分析， 分析儀器包括PHS-3C 型pH 計(jì)、ICS-1100 離子色譜儀、AvioTM200電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀等。本文基于LD1 井自2011—2020 年間對(duì)區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合相鄰區(qū)域平陰- 東阿基巖裂隙巖溶水、聊城西熱田圈閉型及非圈閉型砂巖孔隙熱儲(chǔ)水及地溫梯度等研究資料[2-12]，采用對(duì)比分析法對(duì)區(qū)內(nèi)源儲(chǔ)蓋通等熱儲(chǔ)賦存特征進(jìn)行了分析，建立了區(qū)內(nèi)半圈閉深循環(huán)裂隙- 巖溶基巖熱儲(chǔ)模型；采用變異系數(shù)法、綜合指數(shù)法等方法對(duì)區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)水質(zhì)開(kāi)采擾動(dòng)性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，消除了絕對(duì)值、量綱及單位等不統(tǒng)一因素對(duì)多因子評(píng)價(jià)系統(tǒng)帶來(lái)的影響，減少了主觀人為因素及開(kāi)采擾動(dòng)分級(jí)界線不明確因素帶來(lái)的誤差[1]。

聊古1 井（LD2）地處聊城市東郊軍王屯東首，位于聊考斷裂帶東側(cè)奧陶系古潛山隆起處，井深2 337.72 m，距LD1 井2 km。與LD1 井觀測(cè)層位相同，均為奧陶系灰?guī)r含水層[2，9]，井口位置安裝SZW-1A 型數(shù)字溫度計(jì)及LN-3 型數(shù)字水位儀，其觀測(cè)精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)井口水溫及井內(nèi)水位等測(cè)項(xiàng)進(jìn)行常年監(jiān)測(cè)同記錄，資料連續(xù)性較好[10]。本文收集了聊古1 井2011—2020 年周邊基巖熱儲(chǔ)開(kāi)采量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及水溫、水位測(cè)量信息，結(jié)合區(qū)內(nèi)實(shí)際情況，對(duì)基巖熱儲(chǔ)在多年開(kāi)采狀態(tài)下水位及水溫的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析，建立了區(qū)域基巖熱儲(chǔ)開(kāi)采降深經(jīng)驗(yàn)公式，分析了區(qū)內(nèi)各類(lèi)開(kāi)采次生問(wèn)題發(fā)生的可能性。

山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站于2014—2015 年在聊城東熱田區(qū)域開(kāi)展了奧陶系灰?guī)r地?zé)嵛菜毓嘣囼?yàn)。選取聊考斷裂帶東側(cè)昌華造紙機(jī)械廠地?zé)峋↙D3）井為開(kāi)采井，并在其周邊施工了回灌井（LD4），井間距350 m，其開(kāi)采及回灌層位均為奧陶系灰?guī)r，LD3 井距LD2 井4.65km。為減少區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)開(kāi)采給環(huán)境帶來(lái)的不利影響，提升區(qū)內(nèi)深層地?zé)崂寐始暗責(zé)峋褂脡勖?，本文基于在該試?yàn)中實(shí)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合馮超臣、劉雪玲、林黎、阮傳俠、唐朝、武佳鑫、程萬(wàn)慶、李成嵩等人對(duì)回灌方案及回灌井工藝等的研究[13-20]，對(duì)適宜本地的開(kāi)采回灌方案進(jìn)行了探討，為聊城市打造地?zé)崮芫C合開(kāi)發(fā)利用示范基地提供了理論依據(jù)。

3 聊城東熱田基巖熱儲(chǔ)賦存特征

3.1 蓋層分析

研究區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)上覆由第四系、新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組及石炭- 二疊系所組成的巨厚蓋層，厚度達(dá)750～1300 m。其中第四系厚約140～300 m，由粘土、粉砂質(zhì)粘土及粉細(xì)砂互層組成，其熱導(dǎo)率較低，隔水性好；新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組厚約500～750 m，由粘土巖、泥巖、粉砂巖互層夾中細(xì)砂巖組成，巖層呈半固結(jié)狀，熱導(dǎo)率較低；館陶組厚約40～200 m，由十?dāng)?shù)層粉細(xì)砂巖同粘土巖互層組成，為區(qū)內(nèi)主要熱儲(chǔ)層之一；石炭- 二疊系厚約100～200 m，由泥巖、砂巖、灰?guī)r互層夾薄煤層及鋁土層組成，泥巖、薄煤層及鋁土層隔水性好、熱導(dǎo)率較低[2-6， 21]。奧陶系以上雖有明化鎮(zhèn)組、館陶組等含水層，但區(qū)內(nèi)新近系均為砂泥互層，數(shù)十米至數(shù)百米的隔水層阻隔了含水層間的水力聯(lián)系[2-6]，對(duì)奧陶系基巖熱儲(chǔ)而言，其上部巖層共同組成了巨厚隔水保溫蓋層。區(qū)內(nèi)斷層及熱儲(chǔ)層被蓋層完全覆蓋，阻隔了區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)垂向的大氣降水或地表徑流補(bǔ)給，延長(zhǎng)了儲(chǔ)層熱水補(bǔ)給路徑及時(shí)間，為水熱形式的掩埋型地?zé)崽?，屬隱伏地?zé)嵯到y(tǒng)[2]。

3.2 傳熱導(dǎo)水通道

茌平斷裂、聊考斷裂、譚莊阿城鎮(zhèn)斷裂、齊廣斷裂等正斷層分別控制了研究區(qū)的東西南北邊界，為該區(qū)傳熱導(dǎo)水通道[3-6]。發(fā)育于新生代的聊考斷裂在橫向上表現(xiàn)為臨清坳陷及魯中隆起的分界線，在縱向上表現(xiàn)為被第四系完全掩蓋的隱伏深大斷裂，其斷層最大落差可達(dá)7 500m，下古生界侵蝕面相對(duì)落差達(dá)700 m，斷層兩側(cè)地層（Q+N）厚度相差500～1 000 m [2-6，22]，為該區(qū)溝通深部熱源的主要控?zé)針?gòu)造及地下水深循環(huán)的主要通道，十六世紀(jì)以來(lái)，聊考斷裂帶周邊發(fā)生6 次5 級(jí)以上地震，為活動(dòng)較為頻繁的新構(gòu)造活動(dòng)帶[4]，斷層發(fā)育位置垂向連通性好，傳熱方式以熱對(duì)流為主，且地下水熱容量遠(yuǎn)高于巖體，為區(qū)內(nèi)地?zé)岙惓５暮诵牟课籟23]。

3.3 熱源及地溫場(chǎng)特征分析

地殼深部熱源、巖漿熱液活動(dòng)及放射性元素蛻變是區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)的重要熱源。研究區(qū)位于莫霍面相對(duì)隆起區(qū)，加強(qiáng)了區(qū)內(nèi)熱傳導(dǎo)作用。聊考深大斷層溝通了地殼深部熱源，在深循環(huán)過(guò)程中加強(qiáng)了熱對(duì)流作用，二者共同作用于奧陶系含水層，以熱對(duì)流方式為主，在巨厚隔水保溫蓋層作用下，將熱量保存于裂隙巖溶發(fā)育的區(qū)段中，形成了區(qū)內(nèi)奧陶系馬家溝組基巖熱儲(chǔ)。

區(qū)域深部熱源在向上傳導(dǎo)熱的過(guò)程中，受巖性及熱導(dǎo)率等影響，使熱流在上部重新分配，形成了局部熱異常[2]。如表2 所示，橫向?qū)Ρ攘某菛|熱田各地層基本皆高于聊城西熱田?？v向分析各地層巖性、導(dǎo)熱性、蓋層及儲(chǔ)層主要熱傳遞方式可知，熱導(dǎo)率排序?yàn)閵W陶系＞石炭- 二疊系＞新近系＞第四系，各巖層地溫梯度排序則與之相反[2-8]，而以熱對(duì)流方式為主的裂隙- 巖溶基巖熱儲(chǔ)的地溫梯度則低于以熱傳導(dǎo)方式為主的蓋層。

綜上分析，聊城地區(qū)地溫梯度在平面上表現(xiàn)出高低相間的條帶狀展布特征[5-8]，與區(qū)域凸凹相間的構(gòu)造格架一致。其中凸起區(qū)域相較于凹陷區(qū)域地溫梯度高，在縱向上則表現(xiàn)地溫梯度出隨地層熱導(dǎo)率降低而升高，以及熱儲(chǔ)層地溫梯度低于上覆蓋層的特征。研究區(qū)奧陶系相對(duì)較小的地溫梯度使得儲(chǔ)層內(nèi)部水溫及水巖反應(yīng)皆較為均勻，區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)井井口水溫相差不大，更適宜進(jìn)行開(kāi)采利用。

3.4 水源及水化學(xué)特征分析

區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)自東南方平陰山區(qū)裸露的寒武- 奧陶系基巖獲得大氣降水水源補(bǔ)給，經(jīng)層間深循環(huán)升溫，在聊考斷裂處受西部對(duì)盤(pán)新生界粘土隔水層阻隔上涌，匯聚于巨厚蓋層下的奧陶系頂部巖溶裂隙之中[3，9]。其東側(cè)通過(guò)東阿地區(qū)基巖同平陰地區(qū)基巖相連，西側(cè)以聊考斷裂帶為界同聊城西熱田構(gòu)造圈閉型及非圈閉型砂巖孔隙熱儲(chǔ)毗鄰。構(gòu)造圈閉型熱儲(chǔ)由阻水的蓋層、熱儲(chǔ)層底部巖層、阻水或弱透水的斷裂共同形成，離子及元素極為富集，但因封閉性強(qiáng)、砂巖回灌難度大，使其可持續(xù)利用難度較高。為直觀分析區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)水賦存環(huán)境及水化學(xué)特征，本文依據(jù)實(shí)測(cè)資料同以往研究匯總形成了聊城東熱田基巖熱儲(chǔ)及周邊熱田水化學(xué)特征對(duì)比表格（表3）[2-12]。

如表3 所示，聊城東熱田同聊城西熱田以聊考斷裂為分界線，位置毗鄰，但其水源補(bǔ)給及流動(dòng)方向不同，聊城東熱田基巖熱儲(chǔ)水源來(lái)自于東南方向大氣降水[4-5]，而聊城西熱田水源則來(lái)自于西北方向大氣降水[7-8]。聊城東熱田奧陶系、寒武系巖層同聊城西熱田相鄰的皆為砂泥互層的古- 新近系巖層，層內(nèi)發(fā)育了若干數(shù)十至上百米厚的泥巖隔水層，聊城東熱田基巖熱儲(chǔ)同聊城西熱田圈閉型熱儲(chǔ)水化學(xué)特征相差較高，主要水化學(xué)類(lèi)型不同，且區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)井水溫及靜水位一般皆高于聊城西熱田圈閉型熱儲(chǔ)井。若聊考斷裂帶東西兩側(cè)熱儲(chǔ)該相鄰段導(dǎo)水性較強(qiáng)，在彼此熱水混合情況下其化學(xué)特征、水溫、靜水位等應(yīng)較為相近。結(jié)合以往研究，本文認(rèn)為聊城東熱田奧陶系熱儲(chǔ)與聊考斷裂西側(cè)聊城西熱田泥巖層毗鄰，該段隔水層不僅隔絕了斷層兩側(cè)熱儲(chǔ)相鄰段在橫向上的直接水力聯(lián)系，而且同聊城東熱田奧陶系熱儲(chǔ)上部的隔水層一致，在相當(dāng)程度上阻隔了垂向不同含水層間的水力聯(lián)系，使得沿聊考斷裂帶上涌的水源在向兩側(cè)透水后無(wú)法垂向影響該相鄰段的熱儲(chǔ)。構(gòu)造圈閉型熱儲(chǔ)的形成特征之一是需要有阻水或弱透水的斷層邊界，因此，以聊考斷裂帶為邊界而形成的聊城西熱田圈閉型砂巖熱儲(chǔ)側(cè)面印證了區(qū)內(nèi)該熱儲(chǔ)相鄰段的聊考斷裂帶兩側(cè)水力聯(lián)系較弱。

相較于靠近補(bǔ)給區(qū)的平陰- 東阿基巖裂隙巖溶水，區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、F-、HSiO3-、HBO2、Sr2+、Li+ 及礦化度等含量均明顯增加，水化學(xué)類(lèi)型由HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg 轉(zhuǎn)變?yōu)镃l·SO4-Na·Ca，由淡水、微咸水轉(zhuǎn)變?yōu)橄趟?。?2 項(xiàng)排序中，區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)水有19 項(xiàng)高于平陰- 東阿基巖裂隙巖溶水，反映了在同一補(bǔ)給源中隨著路徑的增加，地下熱水的水化學(xué)環(huán)境更加封閉、可更新能力減弱、徑流速度變慢、濃縮作用增強(qiáng)、水- 巖作用更為充分，其地下水流動(dòng)系統(tǒng)由循環(huán)型轉(zhuǎn)為封閉型。其他指標(biāo)表明，PH 值范圍為6.80～8.20，為偏中性至弱堿性水，在該范圍內(nèi)的地下水中，HCO3- 相較于CO32- 占優(yōu)勢(shì)，且隨Ca2+ 的增加而減少。因此，HCO3- 含量隨著補(bǔ)給路徑的增加而減少，I －在碳酸鹽巖中的含量小于砂巖，且含量較小[2]。

區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)西側(cè)受聊考斷裂對(duì)盤(pán)粘土隔水層阻隔，上部為巨厚隔水蓋層，下部巖層溶蝕率及巖溶發(fā)育程度逐漸降低為弱溶蝕帶并最終漸變?yōu)楦羲畬覽9]，東部補(bǔ)給水源則在長(zhǎng)距離補(bǔ)給路途中受多條斷層弱化作用，其補(bǔ)給時(shí)間長(zhǎng)、徑流慢、更新能力弱。層間水流在聊考斷裂處循環(huán)深度較大，最大循環(huán)深度可達(dá)2 050 m 左右，水流在層間補(bǔ)給及深循環(huán)過(guò)程中不斷被加熱，溫度較高[2-6]，有利于水- 巖作用的充分反應(yīng)。表3 中有11 項(xiàng)排序?yàn)棰伲饥郏饥冢饥埽谡w排序中占最大優(yōu)勢(shì)，表明研究區(qū)基巖熱儲(chǔ)封閉狀態(tài)僅次于圈閉型熱儲(chǔ)，高于非圈閉型熱儲(chǔ)。結(jié)合構(gòu)造圈閉型熱儲(chǔ)概念分析，本文認(rèn)為區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)為半構(gòu)造圈閉型熱儲(chǔ)，其氟、鍶已達(dá)命名礦水濃度，為氟·鍶型醫(yī)療熱礦水[3-4]，總硬度為2 036.33～2 596.51 mg/L，礦化度為5 049.23～7 404.41 mg/L，為極硬咸水。雖礦化度及部分微量元素低于相鄰構(gòu)造圈閉型熱儲(chǔ)，但考慮水源補(bǔ)給同回灌可行性，其可持續(xù)利用程度高于構(gòu)造圈閉型熱儲(chǔ)。

3.5 儲(chǔ)層及地?zé)崮Ｐ头治?/p>

巨厚蓋層下的奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖為本文基巖熱儲(chǔ)目的層，該層富水性強(qiáng)，裂隙及巖溶發(fā)育，具有儲(chǔ)熱空間，構(gòu)成巖帶狀兼層狀熱儲(chǔ)層。區(qū)內(nèi)奧陶系頂板埋深750～1 300 m，厚800～1 000 m，地層為海相沉積，巖性以灰?guī)r及白云巖等碳酸鹽巖為主，含石膏夾層，膏鹽類(lèi)含量較高。其上部為巖溶裂隙發(fā)育的古溶蝕帶，為主要含水層，向下溶蝕率及巖溶發(fā)育程度逐漸降低為弱溶蝕帶并最終漸變?yōu)楦羲畬覽2-6，9]。區(qū)內(nèi)石炭- 二疊系、奧陶系、寒武系頂板埋深自東向西逐漸由深變淺，石炭- 二疊系不整合于上覆巖層，至臨近聊考斷裂處被剝蝕殆盡。此處奧陶系頂板直接不整合于上覆新近系巖層，形成了奧陶系古潛山構(gòu)造，古潛山頂部相對(duì)隆起于周邊新近系巖層，其熱導(dǎo)率相對(duì)較大，熱流趨向于熱阻最小的方向移動(dòng)，在奧頂處形成了區(qū)域熱異常的構(gòu)造天窗[4]。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)基巖熱儲(chǔ)深入分析可知，區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)為水熱形式的掩埋型地?zé)崽?，屬隱伏地?zé)嵯到y(tǒng)，其賦存模式為在隔水層及斷層共同作用下的半圈閉型熱儲(chǔ)，為巖帶狀兼層狀熱儲(chǔ)層，巖性為碳酸鹽巖。水源自東南平陰山區(qū)裸露基巖處獲大氣降水補(bǔ)給，在水頭壓力作用下，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離層間補(bǔ)給至聊城東熱田，并在聊考斷裂處受西部對(duì)盤(pán)新生界粘土隔水層阻隔及斷層深循環(huán)熱對(duì)流作用。區(qū)內(nèi)莫霍面相對(duì)隆起，水源在層間補(bǔ)給及深循環(huán)過(guò)程中在地殼深部熱源、巖漿熱液活動(dòng)、放射性元素蛻變等區(qū)域熱源共同作用下，通過(guò)熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流方式被不斷被加熱，溫度較高，水- 巖作用極為充分，礦化度及微量元素含量不斷升高。受熱導(dǎo)率及上覆巨厚保溫隔水蓋層影響，熱量及水流賦存于奧陶系頂部的巖溶裂隙之中，并在靠近聊考斷裂處形成了區(qū)域熱異常的構(gòu)造天窗，在源儲(chǔ)蓋通共同作用下形成了區(qū)域半圈閉深循環(huán)裂隙- 巖溶基巖熱儲(chǔ)（圖3）。

4 開(kāi)采擾動(dòng)分析與評(píng)價(jià)

4.1 熱儲(chǔ)水位及水溫動(dòng)態(tài)分析與評(píng)價(jià)

地?zé)衢_(kāi)采過(guò)程中有可能產(chǎn)生諸多次生影響，本文依據(jù)區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)觀測(cè)井聊古1 井多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域開(kāi)采擾動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由表4 和圖4 可知，區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)自2011—2020 年累計(jì)開(kāi)采量864.81 萬(wàn) m3，水位埋深由14.32 m 降至40.10m，累計(jì)降深達(dá)25.78 m，年平均降深約2.86 m，水位埋深變化較大。本文依據(jù)累計(jì)開(kāi)采量與水位埋深建立了區(qū)域開(kāi)采降深經(jīng)驗(yàn)公式：

Y=-3×10-8X3+9×10-5X2-0.0256X+17.344 （1）

式中：Y 為水位埋深（m）；X 為累計(jì)開(kāi)采量（ 萬(wàn)m3）。

圖4 中累計(jì)開(kāi)采量同水位埋深相關(guān)系數(shù)R2=0.949，其正相關(guān)性極高，由表4 可知在逐年不停開(kāi)采情況下，聊古1 井水位一直呈下降趨勢(shì)。這表明區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)水補(bǔ)給量低于開(kāi)采量，為消耗型資源。儲(chǔ)層壓力及溫度隨水量逐年減少，降低了熱儲(chǔ)使用壽命。

綜上分析，區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)因處于半圈閉環(huán)境中，封閉性較高，水源補(bǔ)給量低于開(kāi)采量，給區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)帶來(lái)了水位下降、水量減少、儲(chǔ)層壓力、溫度及使用壽命降低等不利影響。此外，區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)距地表距離較大，造成地表沉降的可能性較低。地?zé)峋坠芏嘁廊∷畬游恢貌荚O(shè)，降低了開(kāi)采串層污染問(wèn)題。洗浴用途井較少，且尾水多排放至污水管道，減少了水污染、土壤板結(jié)、鹽堿化等問(wèn)題。尾水溫度多為35-40℃，依據(jù)以往頒布的《污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ 3082-1999）、《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GJ343-2010）、《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31962-2015）中所規(guī)定的排放溫度限值（分別為35℃、35℃、40℃），區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)排放導(dǎo)致的熱污染較少。

4.2 水質(zhì)擾動(dòng)分析與評(píng)價(jià)

本文依據(jù)實(shí)測(cè)資料，采用變異系數(shù)法及綜合指數(shù)法對(duì)熱儲(chǔ)水質(zhì)開(kāi)采擾動(dòng)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4.2.1 變異系數(shù)分析法

熱儲(chǔ)水中各化學(xué)元素及參數(shù)存在含量、摩爾當(dāng)量及量綱不同等情況，難以直觀進(jìn)行評(píng)價(jià)，為消除該影響，本文引用變異系數(shù)對(duì)各評(píng)價(jià)因子在時(shí)間軸上的分散度進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)變異系數(shù)較大時(shí)，表征該因子隨時(shí)間的變化較大，抗開(kāi)采擾動(dòng)性較低；當(dāng)變異系數(shù)較小時(shí)，表征該因子隨時(shí)間的變化較小，抗開(kāi)采擾動(dòng)性較高。

如表5 所示，本文將主要陰陽(yáng)離子、礦化度、總硬度、PH 等作為變異系數(shù)分析法的評(píng)價(jià)因子，分析其變異系數(shù)可知，SO42- ＜礦化度＜ PH ＜ Ca2+ ＜ Cl- ＜ HCO3- ＜總硬度＜ k++Na+ ＜ Mg2+，抗開(kāi)采擾動(dòng)性大小為：SO42- ＞礦化度＞ PH ＞ Ca2+ ＞ Cl- ＞ HCO3- ＞總硬度＞ k++Na+ ＞Mg2+。變異系數(shù)最大值為0.137，相對(duì)較小，且區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)多年開(kāi)采過(guò)程中水化學(xué)類(lèi)型未變，表明區(qū)內(nèi)開(kāi)采對(duì)水質(zhì)的整體影響相對(duì)較小。

4.2.2 綜合指數(shù)分析法

為解決水質(zhì)開(kāi)采擾動(dòng)評(píng)價(jià)分級(jí)界線不明確、主觀人為因素較多等問(wèn)題，本文采用綜合指數(shù)法對(duì)水質(zhì)開(kāi)采擾動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。計(jì)算公式如下所示：

式中：P 為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；N 為評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)；Pi 為評(píng)價(jià)因子分值；Wi 為評(píng)價(jià)因子權(quán)重[1]。

本文將主要陰陽(yáng)離子作為評(píng)價(jià)因子，以各因子歷年最大值折算為分值1，各因子同歷年最大值的比值為對(duì)應(yīng)評(píng)分，以各因子歷年之和同礦化度歷年之和的比值確定各因子權(quán)重，抗開(kāi)采擾動(dòng)性分區(qū)閾值為：較大區(qū)P ≥ 0.9，中等區(qū)0.9 ＞ P ≥ 0.7，較小區(qū)P ＜ 0.7。在表6 中確定了各評(píng)價(jià)因子權(quán)重Wi 及歷年評(píng)價(jià)因子分值Pi，依據(jù)公式2 計(jì)算了歷年綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P。依據(jù)抗開(kāi)采擾動(dòng)性分區(qū)閾值進(jìn)行分析，2017 年P(guān)=0.879，為中等區(qū)，其余年份P＞ 0.9，為較大區(qū)。以上分析表明熱儲(chǔ)水質(zhì)對(duì)開(kāi)采的抗干擾性較大，受開(kāi)采影響較小。

本文采用變異系數(shù)法及綜合指數(shù)法對(duì)區(qū)內(nèi)各評(píng)價(jià)因子的抗擾動(dòng)性同歷年綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分別進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其結(jié)果相同，表明區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)水質(zhì)在開(kāi)采過(guò)程中受到的擾動(dòng)性較小。

5 開(kāi)采及回灌方案研究

本文基于區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)更新能力弱、開(kāi)采擾動(dòng)大等情況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)開(kāi)采回灌方案：集中開(kāi)采、梯度利用、同層回灌、采灌均衡。其目的是通過(guò)集中開(kāi)采發(fā)揮區(qū)域復(fù)合資源優(yōu)勢(shì)，通過(guò)梯度利用減少資源浪費(fèi)，通過(guò)同層回灌延長(zhǎng)儲(chǔ)層使用壽命，減少開(kāi)采擾動(dòng)不利影響，以達(dá)到采灌均衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿目沙掷m(xù)利用。

如圖5 所示，區(qū)內(nèi)某回灌井井深1608.81 m，0-300 m及300-840.55 m 分別下入管徑不同的石油套管，奧陶系取水段840.55-1608.81 m 為裸孔，井間距350 m，開(kāi)采層位及回灌層位均為奧陶系熱儲(chǔ)，地?zé)崴_(kāi)采后經(jīng)除砂器、過(guò)濾器處理后進(jìn)行全封閉換熱冷卻至37-42℃，經(jīng)排氣灌排氣后，尾水采用自然回灌方式，未使用加壓泵，該試驗(yàn)累計(jì)回灌2424 h，試驗(yàn)過(guò)程中回灌水量范圍在20-110m3/h 之間，累計(jì)回灌量為77029.60 m3，回灌率100%，回灌過(guò)程中開(kāi)采井水溫始終維持在58-60℃之間，表明回灌尾水對(duì)開(kāi)采井溫度影響極小，據(jù)周邊監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析回灌抬升了基巖熱儲(chǔ)地下水水位。

區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)水PH 為6.80-7.94、礦化度為5049.23-7404.41 mg/L、Mg2+ 含量為88.51-242.08 mg/L、HCO3- 當(dāng)量濃度1.83-3.27 mmol/L，對(duì)混凝土呈微腐蝕性；SO42- 含量為1605.70-2335.20 mg/L，對(duì)混凝土呈弱- 中腐蝕性；Cl- 含量為1289.40-2410.09 mg/L，在干濕交替環(huán)境下對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋呈弱腐蝕性，因此在地?zé)峋ㄔO(shè)過(guò)程中應(yīng)在在混凝土中加入抗腐蝕添加劑。常見(jiàn)的回灌堵塞原因包含氣相堵塞、懸浮物堵塞、化學(xué)堵塞及生物化學(xué)堵塞等[13，14]。全封閉的回灌方案及排氣灌的設(shè)置避免了氣相堵塞的可能；除砂器、過(guò)濾器可以有效的減少懸浮物堵塞；地?zé)崴陂_(kāi)采回灌過(guò)程中因壓力溫度的變化易產(chǎn)生化學(xué)沉淀或結(jié)垢[14]，附著于管道之中或隨回灌尾水運(yùn)移至井壁及儲(chǔ)層之中，基巖熱儲(chǔ)內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育，該結(jié)垢沉淀對(duì)其回灌影響較小，但在地?zé)峋褂眠^(guò)程中需及時(shí)處理地?zé)崴诰诩肮艿乐挟a(chǎn)生的化學(xué)結(jié)垢沉淀；以往在回灌水中多采用加入石灰提升PH 值或殺菌藥物等方式以減少鐵絲菌等生物化學(xué)堵塞的可能，但易造成水質(zhì)污染，應(yīng)采用超濾膜過(guò)濾除掉細(xì)菌[14]。

回灌過(guò)程中，在尾水同儲(chǔ)層原水混合界面位置形成了冷鋒面，冷鋒面隨尾水回灌向儲(chǔ)層內(nèi)逐步推移。應(yīng)合理設(shè)置回灌井同開(kāi)采井間距離，以保證尾水在層間運(yùn)移過(guò)程中有足夠的距離同時(shí)間吸收頂?shù)装寮皫r石骨架間的熱量，避免或延長(zhǎng)因尾水回灌造成開(kāi)采井處熱突破的產(chǎn)生[15]。由區(qū)內(nèi)回灌試驗(yàn)分析可知，當(dāng)回灌尾水溫度37～42 ℃，井間距350 m 時(shí)回灌尾水對(duì)開(kāi)采井溫度影響極小。根據(jù)已有研究，林黎[15] 和阮傳俠[16] 分別對(duì)天津地區(qū)同為裂隙巖溶發(fā)育的碳酸鹽巖基巖熱儲(chǔ)霧迷山組自1997 年開(kāi)始回灌以來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)多年來(lái)持續(xù)保持的30 ℃回灌水溫未對(duì)區(qū)內(nèi)開(kāi)采井溫度造成影響。阮傳俠[16] 在對(duì)該區(qū)霧迷山組的一井間距400 m 的對(duì)井采灌系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)達(dá)到了采灌均衡狀態(tài)，有效降低了開(kāi)采井的水位下降情況。唐朝[17] 采用ABAQUS 模擬軟件對(duì)高陽(yáng)縣地?zé)峄毓噙M(jìn)行了研究，認(rèn)為當(dāng)井間距過(guò)大時(shí)會(huì)增加地面沉降的可能，綜合考慮可行性及經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題后認(rèn)為最佳井間距為440 m。武佳鑫[18] 采用FEFLOW 軟件對(duì)開(kāi)封深層地?zé)醿?chǔ)層進(jìn)行模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回灌率為100% 時(shí)，采灌井間距宜布設(shè)為400 m。綜上所述，回灌井井間距過(guò)小、尾水溫度較低易造成開(kāi)采井冷突破的產(chǎn)生，間距過(guò)大則易不利于熱儲(chǔ)水位流場(chǎng)的恢復(fù)[19]，增加了地面沉降的可能，尾水溫度較高則會(huì)造成資源的浪費(fèi)。因此，本文結(jié)合區(qū)內(nèi)回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合考慮地?zé)崮艹浞掷眉氨苊忾_(kāi)采井冷積累等情況設(shè)置了區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)回灌參數(shù)，認(rèn)為回灌水溫35～40 ℃，井間距300～500 m 較為適宜。

地?zé)峋_(kāi)采時(shí)，儲(chǔ)層水位自開(kāi)采井位置向周?chē)邽槁┒窢?，使得水流由四周向開(kāi)采井內(nèi)運(yùn)移，但受原有熱儲(chǔ)水流場(chǎng)的影響。當(dāng)回灌井布設(shè)于開(kāi)采井水源方位即熱儲(chǔ)水流場(chǎng)上游東南方向時(shí)，原有運(yùn)移通道會(huì)加快回灌尾水流向開(kāi)采井的時(shí)間，此時(shí)井間距宜為500 m，回灌溫度40℃。該方案在保障回灌尾水有足夠的時(shí)間同距離汲取頂?shù)装寮皫r石骨架熱量、避免開(kāi)采井熱突破及地面沉降等次生問(wèn)題產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，最大程度的補(bǔ)給開(kāi)采井。然而，當(dāng)回灌井布設(shè)于開(kāi)采井水源流向方位即地下水流場(chǎng)下游時(shí)，原有熱儲(chǔ)水流場(chǎng)則會(huì)削弱該回灌井對(duì)開(kāi)采井的補(bǔ)給效果，此時(shí)井間距宜為300 m，回灌溫度35 ℃，在保障熱儲(chǔ)層水量及壓力的同時(shí)，最大程度的減少了地?zé)豳Y源的浪費(fèi)。在實(shí)際布設(shè)回灌井時(shí)，應(yīng)綜合考慮場(chǎng)地布井條件及經(jīng)濟(jì)可行性等因素[19]，對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以滿足區(qū)內(nèi)不同場(chǎng)地的回灌需求。

結(jié)合區(qū)內(nèi)回灌試驗(yàn)，本文總結(jié)了適宜本區(qū)的回灌方式：對(duì)井設(shè)距、控溫自流、洗井過(guò)濾、阻垢降塞。即區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)回灌宜采用對(duì)井方案，使用全封閉式的同層尾水進(jìn)行自然回灌，區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)回灌井宜設(shè)置在開(kāi)采井周邊300～500 m 范圍，尾水溫度以35～40 ℃為宜。為避免地?zé)峋氯?，在鉆井時(shí)應(yīng)配備固控設(shè)備清理固相，運(yùn)用清水及壓風(fēng)機(jī)氣舉聯(lián)合方式進(jìn)行充分洗井[20]，在混凝土中加入抗腐蝕添加劑，選用抗結(jié)垢管材，在井上回灌系統(tǒng)中添加除砂器、過(guò)濾器、排氣灌等裝置，同時(shí)采用超濾方式并在尾水中添加阻垢劑，以最終達(dá)到區(qū)內(nèi)采灌均衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿目沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用。

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

（1）通過(guò)源儲(chǔ)蓋通地?zé)崽卣鞣治鼋⒘肆某菛|熱田基巖熱儲(chǔ)地?zé)崮Ｐ?。熱?chǔ)水源自東南平陰山區(qū)裸露基巖處獲大氣降水補(bǔ)給，在水頭壓力作用下，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離層間補(bǔ)給至聊城東熱田，水流自補(bǔ)給途中受多條斷層弱化作用，并在聊考斷裂處受西部對(duì)盤(pán)隔水層阻隔上涌。區(qū)內(nèi)莫霍面相對(duì)隆起，深大斷層溝通深部熱源，水源在層間補(bǔ)給及深循環(huán)過(guò)程中受熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流共同作用不斷被加熱，水- 巖作用極為充分，熱水賦存于巨厚蓋層覆蓋下的奧陶系頂部巖溶裂隙處，形成了區(qū)域熱異常的構(gòu)造天窗，為半圈閉深循環(huán)裂隙- 巖溶型基巖熱儲(chǔ)，其半圈閉深循環(huán)賦存特征在提升熱水礦化度及微量元素的同時(shí)，導(dǎo)致了儲(chǔ)層封閉性較強(qiáng)、開(kāi)采擾動(dòng)大、難以可持續(xù)利用等問(wèn)題。

（2）通過(guò)熱儲(chǔ)水位及水溫動(dòng)態(tài)分析與評(píng)價(jià)，認(rèn)為區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)開(kāi)采造成水位下降、水量減少、儲(chǔ)層壓力、溫度及使用壽命降低等不利影響，建立了區(qū)域開(kāi)采降深經(jīng)驗(yàn)公式：Y=-3×10-8X3+9×10-5X2-0.0256X+17.344。綜合分析表明，開(kāi)采帶來(lái)的地面沉降、熱污染、環(huán)境污染、串層水源污染等問(wèn)題較少，通過(guò)變異系數(shù)法及綜合指數(shù)法綜合分析認(rèn)為區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)水質(zhì)在開(kāi)采過(guò)程中受到的擾動(dòng)性較小。

（3）結(jié)合區(qū)內(nèi)回灌試驗(yàn)，建立了適宜本地的開(kāi)采回灌方案：集中開(kāi)采、梯度利用、同層回灌、采灌均衡。在工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)回灌井采取對(duì)井設(shè)距、控溫自流、洗井過(guò)濾、阻垢降塞等方式提高其回灌效率，區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)回灌井宜設(shè)置在開(kāi)采井周邊300～500 m 范圍內(nèi)，尾水溫度以35～40 ℃為宜。

6.2 不足與展望

（1）以往文獻(xiàn)中對(duì)聊考斷層透水性的研究較少，本文依只分析了聊城東熱田基巖熱儲(chǔ)同聊城西熱田構(gòu)造圈閉型熱儲(chǔ)相鄰段的隔水性，聊考斷裂斷距大，構(gòu)造活動(dòng)較為頻繁，在斷層其他位置處對(duì)斷層兩側(cè)的導(dǎo)水性特征仍需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究，以分析聊城區(qū)域不同地?zé)崽镩g的深層聯(lián)系。

（2）以往研究認(rèn)為聊城東熱田基巖熱儲(chǔ)及聊城西熱田熱儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)水源分別為40 年前及30 年前古水。本次研究受研究資料限制，無(wú)法對(duì)斷層兩側(cè)熱儲(chǔ)水進(jìn)行同位素測(cè)年，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)聊城區(qū)內(nèi)不同地?zé)崽餆醿?chǔ)水的同位素測(cè)年工作及研究。

（3）關(guān)于開(kāi)采擾動(dòng)與評(píng)價(jià)，由于資料限制，對(duì)溫度擾動(dòng)分析研究較少，無(wú)法直觀分析溫度變化同區(qū)內(nèi)以往地?zé)峋毓嚅g的聯(lián)系。區(qū)內(nèi)回灌井方案參數(shù)的優(yōu)化需要通過(guò)多組回灌試驗(yàn)及回灌模擬進(jìn)行對(duì)比論證，以選取較為適宜的參數(shù)。受資料限制，目前設(shè)置的參數(shù)是依據(jù)區(qū)內(nèi)一個(gè)回灌試驗(yàn)，參考其他區(qū)域回灌參數(shù)而設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)值。因此，后續(xù)應(yīng)通過(guò)區(qū)內(nèi)基巖熱儲(chǔ)回灌試驗(yàn)及回灌模擬加強(qiáng)溫度及水位擾動(dòng)的分析，通過(guò)設(shè)置不同回灌井間距、方位、回灌尾水溫度等參數(shù)分析對(duì)周邊開(kāi)采井的溫度以及水位影響，以不斷完善區(qū)內(nèi)回灌方案及參數(shù)的設(shè)置，為區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)可持續(xù)利用提供依據(jù)。

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基金項(xiàng)目：山東省物化探勘查院科技攻關(guān)項(xiàng)目“聊城市地?zé)豳Y源調(diào)查研究”