天津地熱資源開采情況實際與理論計算對比研究

于彥，秦莉紅，林溦，康楠，劉杰，孟祥博

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津300250）

天津地熱資源開采情況實際與理論計算對比研究

于彥，秦莉紅，林溦，康楠，劉杰，孟祥博

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津300250）

天津地熱資源豐富，為研究天津地熱資源的開采潛力，通過熱儲法對天津平原區(qū)沉積盆地型地熱資源進行比較，其中涵蓋4 000 m以淺的6個熱儲層的地熱資源量、地熱流體儲存量、可回收地熱資源量，同時利用開采系數(shù)法和熱量平衡對不同開采條件下的地熱流體可采量進行計算，以2013年的實際開采量為樣本，對多個計算指標的合理性進行了分析研究。結(jié)果證明實際開采量只占理論值的極小部分。人工回灌可以極大地提高地熱資源利用率。

開采潛力；地熱資源量；地熱流體儲存量；可回收地熱資源量；回灌

天津地區(qū)地熱資源的開發(fā)利用自1936年始［1］，從孔隙型熱儲至基巖裂隙型熱儲，由淺及深，開采層位埋深606～3658 m、出水溫度40～102℃，均為中低溫地熱資源。從開始時的粗放型開采到統(tǒng)一規(guī)劃管理，經(jīng)過了近80年的發(fā)展，2001年起建立的地熱井動態(tài)長觀系統(tǒng)數(shù)據(jù)表明，開采量總體呈增長態(tài)勢，從2001年至2013年，累計開采約3.5億m3。有成果曾對天津市4 535 km2的地熱資源集中開采利用區(qū)的資源量進行了計算，其計算的地熱資源量為63.21×1019J，可回收地熱資源量為3.72×1019J，地熱流體儲存量為64.30×1010m3［2］。那么天津熱儲層中蘊含的熱量和流體量有多大？實際開發(fā)利用的量又占到多少？而且隨著地熱資源的開采，形成了大小不一的降落漏斗，天津的地熱資源開采潛力還有多大？這些都是我們一直研究的課題。本文就上述問題進行討論研究。

1　研究區(qū)概況及熱儲層分布

1.1研究區(qū)概況

天津市位于華北平原東北部，距北京120 km，全境面積11 919 km2。以成因分類，天津地熱資源分為隆起山地型和沉積盆地型兩類，并以后者為主，隆起山地型占比極小，在此不做討論。

沉積盆地型地熱資源分布于寶坻-寧河斷裂以南的平原區(qū)，面積9 541 km2；賦存于孔隙型熱儲層和基巖裂隙型熱儲層兩大地熱流體系統(tǒng)中［3］。已開發(fā)利用的6個熱儲層，自上而下分別為：新近系明化鎮(zhèn)組（Nm）、館陶組（Ng）和古近系東營組（Ed）孔隙型熱儲層；古生界奧陶系（O）和寒武系（∈）、中元古界薊縣系霧迷山組（Jxw）基巖裂隙型熱儲層。

1.2熱儲層分布

平原區(qū)在構(gòu)造上分屬于冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷3個Ⅲ級構(gòu)造單元，共包括10個Ⅳ級構(gòu)造單元（圖1）。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制，孔隙型熱儲層在滄縣隆起區(qū)分布厚度較小，而基巖熱儲層頂板埋深在坳陷區(qū)普遍大于4 000 m，具體情況為：Nm全區(qū)分布，Ng在隆起區(qū)的高凸起部位小范圍缺失、Ed只在兩側(cè)的坳陷區(qū)分布；O在隆起區(qū)的高凸起部位大面積缺失、∈小面積缺失，Jxw在全區(qū)均有分布。

2　地熱資源評價方法

2.1評價范圍

溫度大于25℃、4 000 m以淺的沉積盆地型地熱資源。根據(jù)各熱儲層的實際情況，各層的計算深度分別為：Nm和Ng至實際深度、Ed至3 000 m、O至3 500 m（該層＞3 500 m多為干眼）、∈和Jxw至4 000 m。熱量只計算孔（裂）隙發(fā)育段的骨架和水包含的熱量，其上下的隔水層（干層）熱量未計入。

2.2評價方法

（1）地熱資源量和地熱流體儲存量：采用熱儲法進行計算。

圖1　天津構(gòu)造單元及計算分區(qū)圖Fig.1 The distribution map of tectonic units and calculator zones1.區(qū)界；2.斷裂；3.地層缺失線；4.Ⅲ級構(gòu)造單元界線；5.Ⅳ級構(gòu)造單元界線；6.剖分三角形及節(jié)點

（2）可回收熱資源量：根據(jù)《地熱資源評價方法（DZ40-85）》，大型沉積盆地的新生界熱儲層以砂巖為主，當孔隙度大于20%時，熱儲回收率為0.25；碳酸鹽巖型裂隙熱儲回收率定為0.15［4］。

2.3評價分區(qū)

主要考慮熱儲層的砂泥比（儲厚比）、孔（裂）隙率、巖石密度、巖石比熱等計算參數(shù)的一致性，參數(shù)分區(qū)以Ⅳ級構(gòu)造單元為準分為10個區(qū)，參數(shù)如表1（熱流體參數(shù)參照（DZ40-85））。

表1　天津沉積盆地型熱儲層物性參數(shù)表Tab.1 The physical characteristic parameter of geothermal reservoir of sedimentary basin in Tianjin

因為每個區(qū)內(nèi)的水位、熱儲層厚度、溫度仍存在較大差異，為使計算結(jié)果較為準確，對全區(qū)進行了三角形剖分。剖分工作一次完成，6個熱儲層共用一個剖分文件（圖1）。以剖分三角形為基本單元進行資源量計算，再按照構(gòu)造單元進行累加求和。剖分節(jié)點的確定同時考慮了Ⅳ級構(gòu)造單元、行政區(qū)、斷裂、各熱儲層的分布區(qū)及缺失線等主要界線。

3　地熱資源量計算

3.1地熱資源量、地熱流體儲存量

基準溫度按13.5℃計，不同溫度等級及熱儲層的地熱資源量、地熱流體儲存量和可回收熱資源量如表2?？梢姡旖虻貐^(qū)的孔隙型熱儲層蘊含著巨大的流體量（13 770.83×108m3）、而基巖裂隙型熱儲層蘊含著更多的熱量（472.024×1018J）。根據(jù)分布面積推算，單位面積孔隙型熱儲層蘊含的流體量是基巖的4.15倍；而基巖裂隙型熱儲層蘊含的熱量是孔隙型的2.6倍，如果算上干層熱量將更大。

表2　天津沉積盆地型地熱資源計算結(jié)果Tab.2 The calculator result of geothermal resources of sedimentary basin in Tianjin

對于熱儲層中所蘊含的熱量和地熱流體量的計算，一般來說，只要工作區(qū)的研究程度較高，計算分區(qū)滿足精度要求，利用熱儲法計算的結(jié)果是準確可靠的。但對于熱儲層所蘊藏的巨大熱能，實際開發(fā)利用能占到多少？很少見有文獻述及，本文就天津的情況進行討論。

歸根結(jié)底，目前對于水熱型地熱資源的利用仍要依賦于對流體的開采，即熱水可采資源量是最具有實用價值的資源量［5］，所以下面首先對流體可采量進行計算，再換算成熱量。

3.2地熱流體可采量

根據(jù)本次《天津市地熱資源現(xiàn)狀調(diào)查評價與區(qū)劃》（簡稱《區(qū)劃》）要求，計算了2種情況下的地熱流體可采量，分別為：

（1）不考慮回灌（利用開采系數(shù)法）

式中：Q開—地熱流體可開采量，m3/a；

Q儲—地熱流體儲存量，m3；

X—開采系數(shù)。

天津地區(qū)X值：孔隙型熱儲層取0.000 3/a、基巖裂隙型熱儲層取0.000 2/a，結(jié)果如表3。

（2）回灌條件下

對于沉積盆地型地熱田，按回灌條件下開采100年，消耗15%的地熱儲量，根據(jù)熱量平衡計算允許開采量，計算公式如下：

式中：Q允—回灌條件下允許開采量，m3/a；

A—評價區(qū)面積，m2；

H—熱儲層厚度，m；

α—回灌率；

t—時間，取100年；

φ—熱儲巖石孔隙度；

T1—熱儲溫度，℃；

T2—回灌溫度，取25℃；

T0—恒溫層溫度，天津取13.5℃；

ρw、ρr—熱儲層流體密度，巖石的密度，kg/m3；

Cw、Cr—熱儲層流體比熱，巖石的比熱，kJ/ kg·℃。

根據(jù)此次《區(qū)劃》要求，并參照天津市國土資源和房屋管理局2014年3月下發(fā)的《地熱資源管理法規(guī)文件匯編》［6］，結(jié)合天津回灌的實際情況，此次評價的α值：孔隙型熱儲層取30%、基巖巖溶裂隙型熱儲層取90%。

（3）地熱流體實際開采量

根據(jù)天津2013年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，共開采地熱流體0.370 6×108m3，其中孔隙型0.11×108m3、基巖裂隙型為0.261×108m3。

3.3可回收熱量

根據(jù)物理學定義，回收的熱量可由下式計算：

式中：Q—地熱資源可回收熱量，J/a；

V—地熱流體開采量，m3；

Ti—地熱流體的溫度，℃；

T0—基準溫度（天津取13.5℃）；

C—地熱流體的比熱容，J/g·℃。

前兩種方法中Ti按熱儲層的平均溫度計；2013年的實際回收熱量，按各井的實際出口溫度逐井計算，計算結(jié)果如表3。

表3　三種情況下地熱流體可采量及可回收熱量對比表Tab.3 Contrast the exploitable yield of geothermal fluid with the recyclable heat under three conditions

從表3中可以看出：

（1）孔隙型地熱流體：利用開采系數(shù)法計算的地熱流體可采量（4.130×108m3/a）遠大于地熱流體的實際年開采量（0.1099×108m3/a）?？紤]到實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計算的偏差，筆者認為孔隙型所取的開采系數(shù)0.0003/a明顯偏大，此值應隨著地熱田的開采年限增加而減小。因為水位埋深的增大顯然影響了同一熱儲層的出水能力。

（2）裂隙型地熱流體：利用開采系數(shù)法計算的地熱流體可采量（0.283×108m3/a）基本接近地熱流體的實際年開采量（0.2607×108m3/a）?？梢哉J為裂隙型地熱流體所取的開采系數(shù)0.0002/a基本合理。

（3）不論是孔隙型地熱流體還是裂隙型地熱流體，回灌條件下的地熱流體可采量、可回收熱量都遠遠大于未回灌條件的量。所以回灌可以極大地提高地熱資源利用率。

表3中3種情況下的可回收熱量占地熱資源量和可回收熱資源量（表2）的比例如表4。從中可以看出，即使是基巖在回灌率達到90%的情況下開采，每年的可回收熱量僅占熱儲層地熱資源量的0.16%、占可回收熱資源量的1.08%，其它兩種情況則更小?？梢妼嶋H可開發(fā)利用的熱量只占熱儲層蘊含熱量的極小部分。

表4　三種情況下的可回收熱量比率表Tab.4 The ratio of recyclable heat under three conditions

事實上，根據(jù)天津自2001年開始積累的長觀資料，近13年開采的地熱流體量總計3.48×108m3（圖2）。若以2013年孔隙型/裂隙型的開采比例計算，地熱流體利用溫度均至13.5℃，那么天津13年共回收熱量約9.06×1016J，僅占熱儲層地熱資源量的萬分之一，占可回收地熱資源量的萬分之五。如何最大限度地利用地熱資源量將成為以后研究的重點。根據(jù)相關(guān)資料證明，回灌可以極大地提高地熱資源利用率，而且回灌對于維持或恢復熱儲壓力，穩(wěn)定地熱田的開采條件，具有重要意義［7］。同時也是保持地熱資源可持續(xù)發(fā)展的有效手段之一。

圖2　開采量多年統(tǒng)計圖Fig.2 The statistic map of exploitable reserve

4　地熱資源可持續(xù)開發(fā)策略

根據(jù)以上分析可知，孔隙型熱儲層和基巖裂隙型熱儲層因為物性特征及空間分布的不同而致其賦水性和賦存熱量有較大差異。天津孔隙型熱儲層的地熱流體靜儲量占94%、基巖僅占6%；而熱儲層熱量相應地分別為47%、53%。在目前的地熱資源賦存狀況及回灌條件下，對不同類型的熱儲層應制定不同的開發(fā)策略。

4.1孔隙型熱儲層

根據(jù)地下水側(cè)向徑流的特點及地下水動力學理論可知，合理布置井位，在開采等量地熱流體的情況下，使區(qū)域水位緩慢下降而可避免形成局部的較大漏斗，回灌對于維持或恢復熱儲壓力，穩(wěn)定地熱田的開采條件，具有重要意義［7］。也可以避免應“過量開采地下水，破壞地層內(nèi)的應力平衡”，“出現(xiàn)壓縮變形而引起地面沉降”［2］。在孔隙型熱儲層、尤其是明化鎮(zhèn)組熱儲層成層狀連續(xù)分布、溫度較低、回灌困難的情況下，合理布置井位是保持地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用的較優(yōu)措施。

4.2基巖裂隙型熱儲層

因為基巖較低的裂隙率和儲厚比（表1），其儲水空間有限，但巨厚的基巖層是熱的良導體及存儲空間，利用其良好的回灌效果，以水為載體，可以做到只取熱不取水，所以對井采、灌系統(tǒng)和地表水集中回灌是保持基巖地熱資源可持續(xù)發(fā)展的有效手段。

5　結(jié)論與建議

（1）利用規(guī)范中熱儲法所計算的地熱資源量是以13.5℃為基準溫度，實際上不可能將熱儲溫度降至此溫度，所以該計算方法更偏重于一種理論應用，其對了解地熱資源的分布狀況具有理論意義、對制定開發(fā)政策具有指導意義。實際生產(chǎn)中通過地熱流體開采而利用的熱量只占儲層熱量的極小部分。

（2）根據(jù)天津監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，孔隙型地熱流體的實際年開采量遠小于利用開采系數(shù)法計算的地熱流體可采量，考慮實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計算的偏差，筆者認為孔隙型所取的0.0003/a明顯偏大，此值應隨著熱田的開采年限增加而減小，因為水位埋深的增大顯然影響了同一熱儲層的出水能力；基巖裂隙型所取的0.0002/a，目前基本合理。

（3）針對天津地區(qū)孔隙型熱儲層地熱流體儲存量豐富、溫度低、水質(zhì)好、難回灌、水平連續(xù)分布的特點，可以開鑿單采井，但應充分考慮井位布局。針對基巖裂隙型熱儲層裂隙率低、溫度高、單井出水量大、易回灌等特點，要嚴格執(zhí)行對井審批制度，做到“只取熱、不取水”。

（4）回灌可以極大地提高地熱資源利用率。在鼓勵企業(yè)加大回灌力度的同時，應加強政府引導，充分發(fā)揮市場作用，推動地熱科學開發(fā)利用［8］；國家應給予適當?shù)馁Y金支持［9］和一定的優(yōu)惠政策。

［1］候福志.李四光與天津地熱會戰(zhàn)［J］.地熱能，2010，（6）：23-25.

［2］胡燕，林黎，林建旺，等.天津市地熱資源可持續(xù)開發(fā)潛力評價報告［R］.天津地熱勘查開發(fā)設計院，2007.

［3］于彥，劉杰，康楠，等.地熱流體水化學特征與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系的Q型聚類分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40（3）：131-135.

［4］地熱資源評價方法（DZ40-85）［S］.

［5］張中祥，韓建江，徐健，等.沉積盆地型層狀熱儲可采資源量計算方法探索［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005，32（1）：73-77.

［6］地熱資源管理法規(guī)文件匯編［M］.

［7］劉久榮.地熱回灌的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003，30（3）：100-104.

［8］李秀芬，王健，孫君.冰島地熱資源管理對我國地熱發(fā)展的啟示［J］.礦產(chǎn)保護與利用，2014，（6）：6-9.

［9］武選民，柏琴，苑惠明，等.冰島地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34（5）：1-2.

Practical and theoretical calculation comparative study on the geothermal resources development in Tianjin

YU Yan，QIN Li-hong，LIN Wei，KANG Nan，LIU Jie，MENG Xiang-bo
（Tianjin Institute of Geothermal Exploration and Development Design，Tianjin 300250，China）

It is great necessary to study the geothermal development potential in Tianjin since it contains abundant geothermal resources.In this study，we analysed geothermal reserve，geothermal fluid reserve and recycled geothermal reserve of the six reservoirs，which are lower than 4 000 meters by geothermal reserve method.Based on the actual production in 2013，we applied to production coefficient method and heat balance to calculate the geothermal fluid production under various conditions.We found that the actual production is significantly smaller than the theoretical values.Artificial reinjection can increase the use ratio of the geothermal resource.

development potential；geothermal reserve；geothermal fluid reserve；recycled geothermal reserve；reinjection

P314

A

1672-4135（2016）03-0221-05

2016-05-25

中國地質(zhì)調(diào)查項目：“天津市地熱資源現(xiàn)狀調(diào)查評價與區(qū)劃（12120113077300）”

于彥（1980-），女，工程師，工程碩士，畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（北京），研究方向為地熱地質(zhì)及資源評價，E-mail：yuyan0034@126.com。