天津市薊縣系霧迷山組熱儲層水位動態(tài)變化及趨勢預測研究

李俊峰，賈志，張芬娜，田光輝，靳寶珍，劉東林

（天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院，天津 300250）

天津市薊縣系霧迷山組熱儲層水位動態(tài)變化及趨勢預測研究

李俊峰，賈志，張芬娜，田光輝，靳寶珍，劉東林

（天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院，天津 300250）

通過對天津市薊縣系霧迷山組熱儲層地下水位動態(tài)規(guī)律的分析，利用LUMPFIT軟件預測了在不同開采量下未來水位的變化規(guī)律。結(jié)果表明，水位呈逐年下降的趨勢，但由于回灌量的增加，水位下降速率明顯減小。

霧迷山組熱儲層；水位動態(tài)；水位趨勢預測；天津市

天津地熱資源開發(fā)利用至今已有30多年的歷史，隨著國家節(jié)能減排目標的制定，地熱需求迅速增加。薊縣系霧迷山組熱儲層作為最主要的開采層，開采量增加明顯，水位下降較快，盡管天津地區(qū)霧迷山組熱儲層從1998年開始回灌，至2012年年回灌量已達到757.63×104m3/a，但回灌量僅為45.21%，水位降幅依然較大[1]，表明地熱流體開采量遠大于補給量，如不采取有效措施，勢必影響地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用[2-4]。本次通過LUMPFIT軟件預測在不同開采量下未來水位的變化規(guī)律，對地熱田的開采量、水位進行擬合[5]，預測不同開采量下整個系統(tǒng)的水位及水溫變化，進而提出了合理的開采利用方案，為整體開發(fā)布局提供科學依據(jù)。

1 熱儲特征

薊縣系霧迷山組是天津地區(qū)分布最廣、沉積厚度最大的地層，也是本區(qū)地熱開發(fā)最主要的層位[6]。該熱儲層在滄縣隆起區(qū)普遍分布，即：北至寧河-寶坻斷裂，東至滄東斷裂，西至天津斷裂，南達天津與河北省行政交界處，熱儲面積2121 km2，目前尚無鉆孔揭穿該地層[7]。

霧迷山組從上至下分為四段、三段、二段和一段。四段巖性以深灰色粗晶白云巖、燧石條帶白云巖為主，孔、洞、縫發(fā)育，是主要富水層段；三段巖性以灰白色中粗晶白云巖、灰色微晶白云巖為主，溶孔、溶縫發(fā)育，也是重要的地熱流體儲集層；二段與一段為富鎂碳酸鹽巖層段，一段尚未有鉆孔揭露，巖性以灰色、深灰色白云巖、硅質(zhì)條帶白云巖為主，有泥質(zhì)夾層。

該熱儲層裂隙發(fā)育段占揭露總厚度的6%～69%，孔隙度1%～5.8%，滲透系數(shù)0.49～2.81 m/ d，在不同地區(qū)差異較大，其中滲透系數(shù)高值區(qū)出現(xiàn)在沿滄東斷裂、海河斷裂、白塘口西斷裂分布的裂隙發(fā)育的地區(qū)。流體化學類型以Cl·HCO3·SO4-Na，Cl·SO4·HCO3-Na和Cl·SO4-Na型為主，礦化度1700～2100 mg/L，局部出現(xiàn)大于5000 mg/L礦化度高值區(qū)，總硬度300 mg/L，pH值7.5左右[8]。

2 水位開采動態(tài)特征

天津地區(qū)霧迷山組熱儲層壓力場的總體特征是西低東高，平面上熱儲壓力的大小和變化均與單位面積上開采強度及斷裂的導水和隔水性質(zhì)有關(guān)[9]。截止到2012年末，共有霧迷山組熱儲層地熱井135眼，年開采量為1675.91×104m3。因連續(xù)規(guī)?；_采，地下水位呈現(xiàn)逐年下降的變化趨勢。對部分長觀地熱井的水位數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一溫度（20℃）校正后[10]，繪制多年水位動態(tài)曲線（圖1）可以看出，目前水位平均年降幅5～6 m，個別地區(qū)下降高達10 m，10年來總體下降50 m左右。

圖1 多年水位動態(tài)曲線Fig．1 Change of the groundwater level

3 水位動態(tài)趨勢預測

3．1 概念模型

開采動態(tài)預報是根據(jù)地熱井多年動態(tài)監(jiān)測資料，結(jié)合當前熱儲壓力、水位埋深及降幅等情況，用LUMPFIT軟件進行綜合分析和預報。過去二十多年里，在冰島和世界其它地區(qū)數(shù)個低溫地熱田，LUMPFIT軟件已經(jīng)成功的用于擬合長觀資料（Axelsson and Gunnlaugsson,2000），通過利用LUMPFIT軟件自動進行水位擬合，直到取得最佳擬合效果為止，并預測在不同開采量下未來水位（壓力）動態(tài)變化[11]。圖2是LUMPFIT軟件的原理簡圖。

模型主要參數(shù)包括熱儲箱子的儲存系數(shù)（κi）和流體傳導系數(shù)（σi）。儲存系數(shù)反映地熱系統(tǒng)中不同熱儲部分的體積儲存，它依賴于熱儲體積、孔隙度和熱儲壓縮系數(shù)，儲存系數(shù)可表示為：

κ=Vρct

式中：V為熱儲體積(m3)；ρ為流體密度(kg/ m3)；Ct為熱儲總壓縮系數(shù)(Pa-1)。

熱儲總壓縮系數(shù)公式如下：

式中：Cw和Ct分別為流體和巖石骨架的壓縮系數(shù),φ為熱儲的孔隙度。

傳導系數(shù)(σi)反映流體的傳輸能力，它依賴于滲透率、粘滯系數(shù)和熱儲幾何參數(shù)。二維流傳導系數(shù)表示方法如下：

式中：ki為滲透率(m2)；h為熱儲厚度(m)；v為流體水動力粘滯系數(shù)(m2/s)；ri+1、ri為模型不同部分的半徑（m）。

圖2 LUMPFIT模型圖Fig．2 LUMPFIT model diagram

3．2 模型建立

依照上述模型，結(jié)合《天津市地熱資源規(guī)劃》（2011-2015）的要求，對天津地區(qū)薊縣系霧迷山組熱儲層集中開采區(qū)進行開采動態(tài)預報。預報分兩種方案：方案一，以目前的開采強度預測至2015年，分析其水位動態(tài)特征；方案二，如果方案一預報結(jié)果滿足霧迷山組熱儲層年降幅大于3.0 m/a，就代表該地區(qū)屬于限制開采區(qū)，反過來調(diào)整開采量或回灌量，使其年降幅分別控制在3.0 m/a之內(nèi)，變成控制開采區(qū)。

（1）根據(jù)多年監(jiān)測資料，我們可以發(fā)現(xiàn)地下水位動態(tài)變化主要受開采量的影響。因此，我們選取了2002-2011年的數(shù)據(jù)利用LUMPFIT軟件進行水位擬合，模擬數(shù)據(jù)見表1。

（2）數(shù)據(jù)擬合

將計算模擬的水位曲線與2004年12月-2012年10月實際觀測值（表2）進行擬合對比（圖3）可以看出：模擬曲線與觀測值在變化趨勢和數(shù)值都很接近，大部分實際觀測值點都在模擬曲線上，兩者平均相對誤差為4.36%，擬合率達95.64%，小于給定的允許誤差，擬合值和觀測值較為一致；整個模型的擬合效果良好，相對誤差在允許范圍內(nèi)，只是在局部出現(xiàn)了較大的誤差，但可以滿足趨勢預測。出現(xiàn)部分大的偏差，可能是由于水位動態(tài)數(shù)據(jù)具有一定的隨機性，監(jiān)測數(shù)據(jù)較少的原因引起的，需要更多的、可靠的數(shù)據(jù)來支持和擬合模型，并不斷修正參數(shù)，才能達到更好的效果。

表1 模擬數(shù)據(jù)表Table 1 Data of the simulated water level

表2 水位監(jiān)測數(shù)據(jù)（2004-2012）Table 2 Monitor data of the water levels from 2004 to 2012

3．3 水位動態(tài)變化及趨勢預測

本次對天津地區(qū)中心城區(qū)薊縣系霧迷山組熱儲層水位動態(tài)變化及趨勢預測，預預測結(jié)果見圖4。

根據(jù)模型預測的結(jié)果（表3），可以看出如果繼續(xù)維持2012年的開采模式和規(guī)模進行開采，至2015年中心城區(qū)的水位埋深為131.65 m，降幅為3.03 m/a，大于3 m/a，屬于限制開采區(qū)，說明目前的凈開采量偏大，應(yīng)減小至目前凈開采量的90%左右；按照方案二開采，水位埋深為130.11 m，降幅為2.51 m/a，可以將降幅控制在3 m/a以內(nèi)，但水位仍呈逐年下降趨勢。

圖3 實測水位和模擬水位對比圖Fig．3 Measured water lever VS simulated water level

圖4 水位預測圖Fig．4 Water lever predication

表3 水位預測表Table 3 Water lever predication

4 結(jié)論

（1）通過對天津市薊縣系霧迷山組熱儲層水位動態(tài)資料分析，利用LUMFIT對不同開采量下水位動態(tài)變化進行了預測，與實際檢測的數(shù)據(jù)基本吻合，擬合度高。

（2）如果保持目前的開采量，到2015年，水位年降幅將達到3.03 m/a，若開采量將為目前的90%，則年降幅可降至2.51 m/a。

（3）如不采取有效控制趨勢，隨著需求量的增加，地下水位的下降速率和年降幅可能要比預測值更大，因此應(yīng)積極采取有效措施，加強回灌，減少凈開采量

（4）必須對地熱田進行統(tǒng)一管理，加強地熱田的

監(jiān)測，主要的監(jiān)測項目包括開采量、回灌量、水位和水溫。定期采取水樣分析水化學變化，這些變化可能預示地熱田的溫度和補給源發(fā)生了變化，要積極預防由于水位繼續(xù)下降而導致的地質(zhì)災害的發(fā)生。

[1]田光輝，宋美鈺，劉東林,等.天津地熱資源開發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測年報[R].天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院,2001-2012.

[2]周訓，周海燕，方斌，等.淺析開采條件下地下熱水資源的演變[J].地質(zhì)通報，2006，25（4）：482-486.

[3]樊友麗，周訓，林黎，等.天津地區(qū)深層地下熱水開采動態(tài)分析[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2006,20（3）：486-493.

[4]周訓，阮傳俠，方斌，等.海潮及濱海含水層地下水位變化的擬合與預測[J].勘察科學技術(shù)，2006，（1）：10-14.

[5]黃衛(wèi)星，尹立河，王曉勇.山西奇村地熱田資源評價[J].西北地質(zhì)，2003，36（4）：87-92．

[6]田光輝，曾梅香，阮傳俠．天津地熱資源開發(fā)利用動態(tài)特征淺析[J].地下水，2008,30（5）：28-31．

[7]孫寶成，林黎，程萬慶，等.天津市地熱資源開發(fā)潛力評價成果報告[R].天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院,2008.

[8]李俊峰，靳寶珍，程萬慶,等.天津薊縣系霧迷山組地熱流體水化學特征研究[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2008,31（4）：339-345.

[9]夏大平，王心義，林建旺，等.天津地熱開發(fā)對環(huán)境地質(zhì)條件的影響[J].山東科技大學學報，2008，27（5）：14-18.

[10]周訓,陳明佑,趙維明.深層地下熱水鉆井井內(nèi)動水位升高值的計算[J].勘察科學技術(shù)，2000，（5）：33-35.

[11]Axelsson G．Simulation of pressure response data from geothermal reservoirs by lumped parameter models．Fourteenth Workshop on Geothermal Reservoir Engi—neering，Jan[M]．Stanforduniversity，1989，257-263．

Research on the Change and Trend Prediction of the Water Level of Wumishan Geothermal Reservoir in Jixian System,Tianjin

LI Jun-feng,JIAZhi,ZHANG Fen-na,TIAN Guang-hui,JIN Bao-zhen,LIU Dong-lin
（Tianjin Geothermal Exploration and Development-Designing Institute,Tianjin,300250）

By analysis on the Tianjin level dynamic law of the Wumishan geothermal reservoir in the Jixian System,the authors utilize LUMPFIT software to predict future water level variation in the different extraction.The forecast results show that the water level show a declining trend,but due to the increase in recharge,water level drop rate is significantly reduced.

Wumishan geothermal reservoir;water level dynamics;prediction of trend of the water level;tianjin

P314.1

A

1672-4135（2013）02-0221-05

2013-04-19

資助項目：中國地質(zhì)大調(diào)查項目：天津市基巖地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查與區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價（1212011220232）

李俊峰（1971-）男，高級工程師，2006年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（北京），獲地質(zhì)工程碩士學位，長期從事地熱勘查研究工作，E-mail：tjdryjz@sina.com。