層狀孔隙裂隙熱儲最大允許水位降深研究
——以德州市城區(qū)為例

楊詢昌

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州　253015)

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環(huán)境地質(zhì)

層狀孔隙裂隙熱儲最大允許水位降深研究
——以德州市城區(qū)為例

楊詢昌

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州253015)

摘要：當(dāng)前，地?zé)崴畲蠼瞪钊绾未_定方法很多，各地區(qū)因開采條件不同其最大允許降深也不完全相同。在基于地面沉降防控基礎(chǔ)上以德州市城區(qū)為例，通過對地面沉降與深層地下地?zé)崴治觯⑵鹆说責(zé)崴畲笤试S水位降深數(shù)值模型，并計算出新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組、館陶組和古近紀(jì)東營組地?zé)崴_采最大允許水位降深值，確定了相似區(qū)域最大允許水位降深范圍，這對層狀孔隙裂隙熱儲地區(qū)熱儲最大允許水位降深確定和地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用具有重要現(xiàn)實(shí)意義和理論參考價值。

關(guān)鍵詞：層狀孔隙裂隙熱儲；最大允許水位降深；地?zé)崴坏孛娉两?；?shù)值模型

引文格式：楊詢昌.層狀孔隙裂隙熱儲最大允許水位降深研究——以德州市城區(qū)為例[J].山東國土資源，2016,32(7)：49-53.YANG Xunchang. Study on Maximum Allowable Drawdown of Layered Pore and Fractural Geothermal Reservoir——Setting Districts in Dezhou City as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(8)：49-53.

地?zé)崴畲笤试S降深主要是從地?zé)豳Y源及環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，在提高地?zé)豳Y源開發(fā)效益的條件下，綜合考慮地?zé)豳Y源開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境、資源保護(hù)等因素確定。最大允許降深過大，勢必會造成水位持續(xù)下降、水資源快速枯竭等一系列環(huán)境地質(zhì)問題，并最終導(dǎo)致地面沉降等災(zāi)害的發(fā)生。當(dāng)前，地?zé)崴畲蠼瞪钊绾未_定的方法很多，各地區(qū)因開采條件不同其最大允許降深也不完全相同。我國北京、天津、河北、河南、山東等省市地?zé)崴刹闪坑嬎阒凶畲蠼瞪钜话愀鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)選取50～300m，最長年限取50～100年。根據(jù)以往研究成果，超量抽取地下液體造成地下水位大幅下降是區(qū)域性地面沉降產(chǎn)生的主要原因[1]。因此，該次在基于地面沉降防控基礎(chǔ)上對地?zé)崴畲笤试S水位降深值進(jìn)行研究。

1地?zé)崴畲笤试S降深影響因素分析

地?zé)崴畲笤试S降深主要受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益和資源環(huán)境保護(hù)等3個方面影響。

地?zé)崴畲笤试S降深影響因素主要包括3個方面：即技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益和資源環(huán)境保護(hù)。

從技術(shù)水平來看，隨著鉆探、取水技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，目前多級潛水泵的揚(yáng)程可達(dá)300m以上。如河南省新鄉(xiāng)市潛水泵廠生產(chǎn)的300QJ140-294/16-220型多級潛水泵，出水量140m3/h，揚(yáng)程達(dá)336m，功率220kW。因此，開采技術(shù)已不再是最大允許降深的瓶頸。

從經(jīng)濟(jì)效益來看，降深增大，會增加取水能耗，必然導(dǎo)致地?zé)崴∷杀镜脑黾?。但從理論計算和目前地?zé)崂媒?jīng)濟(jì)效益情況來看，允許降深可大于300m。因此，經(jīng)濟(jì)條件也不是最大允許降深的限制條件。

從地?zé)豳Y源開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境、資源保護(hù)等角度出發(fā)，最大允許降深過大，勢必會造成水位持續(xù)下降、水資源快速枯竭等一系列問題，并導(dǎo)致地面沉降等災(zāi)害的發(fā)生。

可見，地?zé)崴畲笤试S降深過大雖然從經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)水平已不是問題，但從地?zé)豳Y源開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境、資源保護(hù)等角度出發(fā)，最大允許降深不宜過大，過量開采地下液體最終可能會導(dǎo)致地面沉降等災(zāi)害的發(fā)生。地?zé)崴试S降深過小，經(jīng)濟(jì)效益必然會降低，也不利于地?zé)豳Y源的有效開采。因此，最大允許水位降深可在基于地面沉降防控基礎(chǔ)上進(jìn)行確定。

2基于地面沉降防控下地?zé)崴畲笤试S降深分析

地面沉降主要受地下流體(深層地下水和地?zé)崴?開采影響，雖然目前地?zé)崴_采對地面沉降影響小，但長期開采地?zé)崴厝粫觿〉孛娉两档陌l(fā)生[2]。地下水位變化是研究分析地面沉降發(fā)展的最直接證據(jù)之一[3]。深層地下水與地?zé)崴畬偻唤橘|(zhì)，其過量開采產(chǎn)生的沉降量計算公式相同，只是各參數(shù)不完全相同。因此，通過深層地下水與地面沉降關(guān)系分析，建立起深層地下水與地面沉降回歸方程，然后通過地面沉降計算公式，可建立起地?zé)崴试S水位降深計算數(shù)值模型，從而計算出不同熱儲地?zé)崴畲笤试S水位降深。

山東省德州市城區(qū)熱儲類型屬層狀孔隙裂隙型熱儲，深層地下水長期過量開采已導(dǎo)致了明顯的地面沉降等災(zāi)害的發(fā)生[4]，且區(qū)內(nèi)深層地下水位與沉降量監(jiān)測周期較長，資料齊全。因此，該次以德州市城區(qū)為例對地?zé)崴畲笤试S降深進(jìn)行分析。

2.1地質(zhì)環(huán)境概況

德州市位于山東西北部，與河北省的衡水市及滄州市毗鄰，構(gòu)造單元上隸屬于華北板塊。區(qū)內(nèi)2000m以淺主要地層為古近紀(jì)東營組，新近紀(jì)館陶組、明化鎮(zhèn)組，第四紀(jì)平原組。區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源豐富，主要賦存于新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組下段、館陶組和古近紀(jì)東組碎屑沉積巖中，為溫?zé)崴偷蜏氐責(zé)豳Y源，熱儲類型屬層狀孔隙裂隙型熱儲[5]，開采熱儲層主要為館陶組，其底板埋深1300～1650m，地層厚度400～500m。多年來，深層地下水(明化鎮(zhèn)上段含水層組)的大量超采導(dǎo)致水位大幅下降，并產(chǎn)生了明顯的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害。

2.2地面沉降產(chǎn)生機(jī)理分析

德州地面沉降發(fā)生于20世紀(jì)80年代，主要由開采深層地下水產(chǎn)生[6]。當(dāng)前，地?zé)崴_采產(chǎn)生的地面沉降缺少勘查與試驗(yàn)監(jiān)測資料，但其機(jī)理相同，因此過量開采地?zé)崴脖厝粫觿〉孛娉两档陌l(fā)生[6，12]。

地面沉降是一個復(fù)雜的工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，同時也是一種地質(zhì)災(zāi)害，它的形成是自然因素和人為因素綜合影響的結(jié)果[7]。目前認(rèn)為，自然因素引起的地面沉降量很小可以忽略不計。人為因素中，超量開采地下水(包括地?zé)崴?造成深層承壓含水層水位大幅度下降是產(chǎn)生地面沉降的主要外因，其原因是由于抽取地下水引起土層有效應(yīng)力增加,從而使土層壓密造成地面沉降。較大可壓縮性的土層則是產(chǎn)生地面沉降的內(nèi)因，地面沉降的實(shí)質(zhì)是松散地層的壓縮固結(jié)或壓密，如濱海和黃河三角洲平原地區(qū)以及河流沖積平原地區(qū)，其原因是這些地區(qū)松散沉積層較厚，顆粒較細(xì)，沉積時間相對較晚，沉積速度快，孔隙度大，結(jié)構(gòu)較疏松，具有多層承壓含水層和中至高壓縮性的粘性土層或淤泥質(zhì)粘性土層，壓縮空間較大，這些地面沉降的內(nèi)在因素導(dǎo)致了地面沉降的發(fā)生。

2．3地?zé)崴试S水位降深數(shù)值模型的建立

2.3.1地面沉降與深層地下水位變化情況

據(jù)德州漏斗的地下水位觀測資料和1965—2007年地面沉降監(jiān)測資料分析，地面沉降與深層地下水位密切相關(guān)。1991年以前，深層地下水位埋深小于80m時，地面沉降量較小,隨著地下水位的持續(xù)降低，地面沉降量相應(yīng)的增加。1991—2000年，深層地下水位埋深由79m急劇降至111m，水位標(biāo)高達(dá)-90m，地面沉降量開始增加，漏斗中心沉降量達(dá)517mm，年沉降量為57.4mm。2000—2005年，深層地下水位埋深由111m降至130m，水位標(biāo)高達(dá)-109m，地面沉降量迅速增加，漏斗中心沉降量達(dá)936mm，年沉降量為83.8mm。2005—2007年，漏斗中心水位下降有所減緩，地面沉降速率也在減緩，年沉降量減至45mm(表1)。

表1　地面沉降與深層地下水水位下降對比統(tǒng)計

2.3.2德州地面沉降與深層地下水位相關(guān)性分析

根據(jù)德州市城區(qū)國棉一廠地面沉降量測量點(diǎn)(D36) 1991—2007年實(shí)測數(shù)據(jù),并根據(jù)階段沉降速率恢復(fù)和計算每年的累積沉降量(表2)，對地面沉降與深層地下水位進(jìn)行相關(guān)分析。由圖1和表1、表2可以看出，德州漏斗地面沉降與深層地下水水位下降的同步性，深層地下水水位和地面沉降量相關(guān)程度較高，其相關(guān)系數(shù)為0.9947?？梢?，深層地下水超采造成水位大幅下降是地面沉降的主要誘發(fā)因素[8-9]。

圖1　水位標(biāo)高與地面標(biāo)高歷時變化對比曲線

年份地面標(biāo)高(m)水位標(biāo)高(m)累積沉降量(mm)年份地面標(biāo)高(m)水位標(biāo)高(m)累積沉降量(mm)相關(guān)系數(shù)199121.23-55.1455.00200020.71-90.05572.00199221.17-63.10112.50200120.63-94.07655.80199321.11-65.77170.00200220.54-98.60739.60199421.05-66.74227.50200320.46-102.88823.40199521.00-71.42285.00200420.41-106.06867.20199620.94-74.52342.50200520.29-109.04991.00199720.88-78.13400.00200620.23-111.431047.00199820.82-82.25457.50200720.20-112.941081.00199920.77-85.96515.000.9947

2.3.3地面沉降與深層地下水水位回歸分析

根據(jù)漏斗中心1991—2007年深層地下水水位與地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)(表2)進(jìn)行線性擬合，可建立起德州城區(qū)深層地下水位降落漏斗中心水位與沉降中心累積沉降量關(guān)系密切的擬合曲線(圖2)。根據(jù)擬合曲線形態(tài)、方差分析及判定系數(shù)大小判斷，二次項(xiàng)曲線(二次擬合與三次擬合結(jié)果一樣)和原始曲線的擬合程度較高，且符合實(shí)際，因此可作為德州城區(qū)地面沉降與水位之間關(guān)系表達(dá)式進(jìn)行相關(guān)預(yù)測。其回歸方程如下:

m=-321.78-1.5249h +0.095h2

式中:m為地面沉降值(mm)；h為漏斗中心水位(m)。

圖2　地面沉降與水位二次項(xiàng)擬合曲線

2.3.4深層地下水最大允許水位降深值計算

深層地下水最大允許水位降深是指不發(fā)生快速地面沉降及不發(fā)生地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的深層地下水容許的最大允許水位降深。抽汲深層地下水，地層土體有效應(yīng)力增加，土體主要是飽和粘性土釋水變形，是地面沉降的根本原因，通過控制深層地下水的開采，保證深層地下水水位在一個合理范圍，是控制地面沉降的唯一手段。因此，深層地下水開采引發(fā)地面沉降變化的閾值問題就尤其重要。

根據(jù)地面沉降與深層地下水位擬合方程，取m為0，可計算出臨界水位h，即地面沉降為0(不發(fā)生快速沉降)的水位。然后根據(jù)水位和地面標(biāo)高資料則可計算出容許最大允許水位降深Δh。

臨界水位降深h：將m=0代入回歸方程：m=-321.78-1.5249h+0.095h2，計算得h=-66.78m，即德州市深層地下水臨界水位為-66.78≈-67m。

允許水位降深Δh: 德州漏斗中心地面標(biāo)高為20.2m，則深層地下水允許水位埋深Δh=86.98≈87m。

2.3.5地?zé)崴畲笤试S水位降深數(shù)值模型建立

由于含水砂層的壓縮模量遠(yuǎn)大于粘性土的壓縮模量，地面沉降主要是由粘性土的壓縮造成的[10-12]，因此可按粘性土壓密量公式進(jìn)行計算。根據(jù)已有研究成果，抽取地下水(包括深層地下水或地?zé)崴?引起的地面沉降問題可按一維固結(jié)問題處理。假設(shè)各含水層的初始水位相同，開采地下水后，各含水層水位下降值也相同，均為Δh，根據(jù)土力學(xué)原理，粘性土的最終壓密量可按下式計算：

式中：S∞為粘性土最終壓密量(mm);rw為水的容重(kN/m3);Δh為含水層水位下降值，即最大允許水位降深值(m);△p為水位變化施加于土層的荷載(kPa);αv為粘性土的壓縮系數(shù)(MPa-1);H粘為粘性土厚度(m);e0為粘性土初始孔隙比。

以上公式不僅符合深層地下水開采粘性土壓密量計算，同樣也符合新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組下段、館陶組和古近紀(jì)東營組等孔隙熱儲地?zé)崴_采粘性土壓密量計算，且無論對哪一層流體壓密量計算，其允許水位降深下最終地面沉降壓密量(S∞)都應(yīng)該是相同的。因此，通過方程等量代換，可建立起不同熱儲流體開采最大允許水位降深計算數(shù)值模型：

式中：Δh(Δh′)為深層地下含水層(計算熱儲層)最大允許水位降深值(m);αv(αv′)為深層地下含水層(計算熱儲層)粘性土的壓縮系數(shù)(MPa-1);H粘(H粘′)為深層地下含水層(計算熱儲層)粘性土累積厚度(m);e0(e0′)為深層地下含水層(計算熱儲層)粘性土初始孔隙比。

3不同熱儲地?zé)崴畲笤试S水位降深值計算

根據(jù)以上建立的數(shù)值模型可知，如果知道德州市城區(qū)深層地下水開采層位壓縮層物理參數(shù)和各計算熱儲壓縮層物理參數(shù)，然后將計算的德州市深層地下水最大允許水位降深值(87m)代入上式數(shù)值模型計算，即可求得各熱儲地?zé)崴畲笤试S水位降深值。

根據(jù)已有資料及區(qū)內(nèi)鉆孔土力學(xué)試驗(yàn)測試指標(biāo)，首先確定出德州市城區(qū)深層地下水與不同熱儲計算參數(shù)，然后根據(jù)已建立的數(shù)值模型即可求得德州市城區(qū)地?zé)崴_采最大允許降深。經(jīng)計算，在基于地面沉降防控基礎(chǔ)上，德州市新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組下段、館陶組和古近紀(jì)東營組地?zé)崴_采最大允許降深分別為102m，183m,287m。參數(shù)選取與計算統(tǒng)計結(jié)果見表3。由于各地區(qū)計算參數(shù)不同，因此其計算數(shù)值也不可能完全相同，因此，在缺少計算參數(shù)情況下，相似區(qū)域不同熱儲最大允許水位降深建議控制范圍可分別?。?0～100m,90～110m,150～200m,250～300m。

表3　計算參數(shù)選取及最大允許水位降深計算結(jié)果統(tǒng)計

注：粘性土壓縮系數(shù)和粘性土初始孔隙比均取近似平均值。

4結(jié)論

(1)總結(jié)了地?zé)崴畲笤试S降深影響因素，對地面沉降機(jī)理及其與深層地下水、地?zé)崴年P(guān)系進(jìn)行了分析，并以德州市城區(qū)為例，在基于地面沉降防控基礎(chǔ)上建立了地?zé)崴畲笤试S降深數(shù)值模型，計算得新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組下段、館陶組和古近紀(jì)東營組地?zé)崴_采最大允許降深分別為102m,183m,287m；同時提出了缺少計算參數(shù)情況下相似地區(qū)對應(yīng)熱儲地?zé)崴畲笤试S降深范圍： 90～110m,150～200m,250～300m。

(2)建立的數(shù)值模型是直接已有數(shù)據(jù)和統(tǒng)計方法進(jìn)行推導(dǎo)得出，理論依據(jù)充分，模型計算結(jié)果符合實(shí)際。該模型對深部地理系統(tǒng)進(jìn)行抽象和概化的基礎(chǔ)上,對基于地面沉降下的最大允許水位降深進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá),為城市地下水(包括地?zé)崴?開采管理政策的執(zhí)行及城市規(guī)劃方案的制定和評估提供可行的技術(shù)支持，具有較好的應(yīng)用前景。

(3)建立的數(shù)值模型主要建立在層狀孔隙裂隙熱儲及各含水層壓縮系數(shù)、厚度、初始孔隙比等力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)之上。因此，在具有相關(guān)力學(xué)參數(shù)的同類層狀孔隙裂隙熱儲地區(qū)，該模型對最大允許水位降深的確定和地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用與管理具有重要現(xiàn)實(shí)意義和理論參考價值。

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收稿日期：2015-05-18；

修訂日期：2016-06-15；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

作者簡介：楊詢昌(1977—)，男，貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)人，工程師，主要從事水、工、環(huán)地質(zhì)等方面的工作；E-mail:yangxunchang@sohu.com

中圖分類號：P314

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Study on Maximum Allowable Drawdown of Layered Pore and Fractural Geothermal Reservoir——Setting Districts in Dezhou City as an Example

YANG Xunchang

(Shandong Lubei Geo-ngineering Exploration Institute,Shandong Dezhou 253015, China)

Abstract：Nowadays, how to determine the maximum allowable drawdown of layered pore and fractural geothermal reservoir is still unsettled. Based on the control ofland subsidence, taking Dezhou city as an example, through analysis on land subsidence and deep underground water, a numerical model has been established for the maximum allowable drawdown ofgeothermal water and the date of maximum allowable drawdown of the geothermal water mining of Neogene Minghuazhen group and Guantao group and Eogene Dongying group is calculated. Finally, the maximum allowable drawdown range of similar area is determined. This study has important practical significance and theoretical reference value for the study of maximum allowable drawdown of layered pore and fractural geothermal reservoir and the sustainable development and utilization of geothermal resources.

Key words:Layered pore and fractural maximum reservori; allowable drawdown; geothermal water; land subsidence; numerical model