北京東南城區(qū)熱田可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題的思考

楊亞軍，李海京，徐 巍

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

北京東南城區(qū)熱田可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題的思考

楊亞軍，李海京，徐 巍

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

北京東南城區(qū)熱田從20世紀(jì)70年代進(jìn)行開(kāi)發(fā)，經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)、緩慢減小和快速減小等幾個(gè)階段。本論文經(jīng)過(guò)對(duì)該熱田可持續(xù)開(kāi)發(fā)條件的探討，提出熱儲(chǔ)壓力保持不下降的條件是地?zé)醿糸_(kāi)采量控制在65萬(wàn)m3以?xún)?nèi)，發(fā)現(xiàn)目前熱儲(chǔ)溫度和流體化學(xué)成分沒(méi)有發(fā)生較大變化，采取措施可以實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)，但應(yīng)謹(jǐn)防大規(guī)?；毓嗫赡軐?duì)熱儲(chǔ)產(chǎn)生“熱突破”。論文最后結(jié)合規(guī)劃提出幾點(diǎn)建議，包括建立熱儲(chǔ)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、研究地?zé)嵩u(píng)價(jià)方法、推廣地?zé)峁┡?xiàng)目和重新進(jìn)行地?zé)峥辈樵u(píng)價(jià)工作。

地?zé)?；?guī)劃；可持續(xù)；開(kāi)發(fā)利用

0 前言

北京市是世界上少數(shù)幾個(gè)國(guó)家擁有地?zé)豳Y源的首都之一，早在20世紀(jì)70年代初期，北京城區(qū)東南部就展開(kāi)了地?zé)崞詹榭碧焦ぷ鳎?0多年來(lái)，圈定東南城區(qū)熱田面積約210km2，開(kāi)鑿地?zé)峋^(guò)100眼，成井深度1000～4000m，井生產(chǎn)溫度40℃～88℃（鄭克棪等，2007）。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該熱田開(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源主要用于采暖、溫泉洗浴和康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域，從1971年至2016年，東南城區(qū)熱田累計(jì)開(kāi)采地?zé)崃黧w1.37億m3，累計(jì)利用熱量為32500億千卡（平均開(kāi)采溫度按55℃，排放溫度按30℃計(jì)算），相當(dāng)于4.6億噸標(biāo)煤燃燒放出的熱量，減少二氧化碳排放11億噸，減少二氧化硫排放780萬(wàn)噸，為全市節(jié)能減排、凈化空氣和提高生活品質(zhì)等方面做出重要貢獻(xiàn)。

1 北京市東南城區(qū)熱田開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

東南城區(qū)熱田作為北京市地?zé)衢_(kāi)發(fā)最早、規(guī)模最大的熱田之一，經(jīng)過(guò)初期的盲目開(kāi)采到80年代納入管理，再到2006年劃為嚴(yán)格限采區(qū)，近10年沒(méi)有增加開(kāi)采井，只增加回灌井，開(kāi)采量大幅減小。受此影響，多年來(lái)東南城區(qū)熱田的主要開(kāi)采熱儲(chǔ)（薊縣系霧迷山組）呈現(xiàn)了以下三個(gè)開(kāi)采階段（圖1）：1971—1985年為快速增長(zhǎng)階段，薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)的開(kāi)采量從幾十萬(wàn)立方米開(kāi)始逐年增加，1985年達(dá)到最大值420萬(wàn)m3，熱儲(chǔ)壓力呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，地?zé)崃黧w靜液面年均下降2.6m。1986—2007年為緩慢減小階段，薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)的開(kāi)采量從400萬(wàn)m3逐漸減小到200萬(wàn)m3左右，熱儲(chǔ)壓力下降速度有所減緩，地?zé)崃黧w靜液面年均下降1.6m。2008—2013年為快速減小階段，薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)的開(kāi)采量從200萬(wàn)m3左右迅速下降到150萬(wàn)m3以下，同時(shí)該熱儲(chǔ)增加了人工回灌補(bǔ)給，回灌量從2008年之后開(kāi)始基本穩(wěn)定在20～50萬(wàn)m3，因此熱儲(chǔ)實(shí)際的凈開(kāi)采量快速下降至100萬(wàn)m3左右。受此影響，熱儲(chǔ)壓力下降速度進(jìn)一步減緩，地?zé)崃黧w靜液面年均下降1.0m。

圖1 霧迷山組熱儲(chǔ)年開(kāi)采量、回灌量和熱儲(chǔ)靜壓力變化曲線圖Fig.1 Jxw reservoir production and pressure variation diagram

而薊縣系鐵嶺組熱儲(chǔ)作為東南城區(qū)熱田的次要熱儲(chǔ)，在70年代初期開(kāi)采規(guī)模增長(zhǎng)迅猛，1986年最高達(dá)到100萬(wàn)m3，90年代基本穩(wěn)定在60～70萬(wàn)m3，進(jìn)入2002年之后迅速下降到30萬(wàn)m3以?xún)?nèi)。從熱儲(chǔ)壓力監(jiān)測(cè)情況看，2003—2013年熱儲(chǔ)流體液面年均下降1.35m，2014—2016年下降幅度減至0.7m。目前該熱儲(chǔ)的開(kāi)采井越來(lái)越少，如果熱儲(chǔ)壓力繼續(xù)下降，該熱儲(chǔ)將會(huì)停止開(kāi)采（圖2）。

圖2 鐵嶺組熱儲(chǔ)年開(kāi)采量、回灌量和熱儲(chǔ)靜壓力變化曲線圖Fig.2 Jxt reservoir production and pressure variation diagram

綜上所述，東南城區(qū)熱田主要熱儲(chǔ)（Jxw）開(kāi)采規(guī)模和壓力之間存在著較強(qiáng)的相關(guān)性，而次要熱儲(chǔ)（Jxt）開(kāi)采規(guī)模與壓力之間關(guān)聯(lián)性不太強(qiáng)，但兩個(gè)熱儲(chǔ)壓力的變化趨勢(shì)是一致的。因此，我們推測(cè)熱田的兩個(gè)熱儲(chǔ)之間存在有水力聯(lián)系，可以將兩個(gè)熱儲(chǔ)合并為一個(gè)薊縣系熱儲(chǔ)統(tǒng)一考慮。近幾年?yáng)|南城區(qū)熱田正在優(yōu)化資源配置，將過(guò)去以溫泉洗浴為主的消耗型利用方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘責(zé)峁┡?shí)施回灌為主的循環(huán)利用方式，薊縣系熱儲(chǔ)凈開(kāi)采量快速減少，熱儲(chǔ)壓力下降速度已大大減緩，熱田即將進(jìn)入可持續(xù)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期（北京市國(guó)土資源局，2006）。在此，本論文將對(duì)東南城區(qū)可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題進(jìn)行探討，為下一步地?zé)衢_(kāi)發(fā)、管理和規(guī)劃提供借鑒。

2 熱田可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題的探討

地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)是指隨著地?zé)豳Y源的持續(xù)開(kāi)發(fā)，熱儲(chǔ)壓力和溫度不下降、流體化學(xué)成分基本不發(fā)生變化，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

首先，我們先對(duì)東南城區(qū)熱田薊縣系熱儲(chǔ)壓力的平衡問(wèn)題進(jìn)行探討，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)資料的分析和計(jì)算，研究地?zé)醿糸_(kāi)采量和熱儲(chǔ)壓力變化的關(guān)系。

考慮到數(shù)據(jù)的可靠性，我們選擇80年代納入管理之后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且將開(kāi)采規(guī)模和熱儲(chǔ)壓力下降幅度相似的年份進(jìn)行組合（北京市地質(zhì)工程勘察院，2016），并分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）。

表1 Jxw熱儲(chǔ)年均開(kāi)采量與地?zé)崃黧w液面下降幅度統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Jxw reservoir production per year and the descend range of geothermal fuid statistical table

從表1中可見(jiàn)，進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著東南城區(qū)薊縣系熱儲(chǔ)年均開(kāi)采規(guī)模的逐級(jí)減少，地?zé)崃黧w液面年均下降幅度也逐漸減小，為了研究?jī)蓚€(gè)參數(shù)之間存在的相關(guān)關(guān)系，我們繪制了動(dòng)態(tài)相關(guān)圖（圖3），通過(guò)對(duì)四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得出一個(gè)擬合公式：

Y=-3×10-5X2+0.0191X-1.3653 （1）

式中：Y為地?zé)崃黧w液面年均下降幅度（m）；X為熱田年均凈開(kāi)采量（m3/a）。

我們利用公式（1）可以對(duì)熱儲(chǔ)壓力實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的條件進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)東南城區(qū)薊縣系熱儲(chǔ)壓力保持不下降，即Y=0，則東南城區(qū)熱田年均凈開(kāi)采量必須控制在65萬(wàn)m3（圖3）。

Fig.3 Geothermal resource dynam ic correlation diagram in Dongnan Urban feld

從東南城區(qū)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀分析,截止2016年，東南城區(qū)熱田地?zé)衢_(kāi)采量為139萬(wàn)m3，其中地?zé)峁┡_(kāi)采量為48萬(wàn)m3，占熱田總開(kāi)采量的34%，回灌量約23萬(wàn)m3，消耗量為25萬(wàn)m3，這里產(chǎn)生的消耗主要是由于回灌能力衰減或者部分單位沒(méi)有回灌井所致；而溫泉洗浴用量為91萬(wàn)m3，占總開(kāi)采量的66%，這部分流體在洗浴之后就被污染，無(wú)法回灌，因此只能全部消耗。因此，在不增加開(kāi)采井的現(xiàn)有規(guī)劃要求下，下一步應(yīng)整合資源，提高回灌井的回灌能力，盡可能的將地?zé)峁┡蟮牧黧w全部回灌，不產(chǎn)生消耗；同時(shí)，對(duì)溫泉洗浴用戶進(jìn)行調(diào)研和檢查，一方面要求用戶根據(jù)實(shí)際需求供應(yīng)地?zé)崃黧w，采取節(jié)水措施，另一方面堅(jiān)決制止管網(wǎng)低溫地?zé)崃黧w的大量外排，或者采取加熱措施，或者實(shí)施回灌，保證不產(chǎn)生浪費(fèi)。通過(guò)上述兩項(xiàng)措施，逐步將東南城區(qū)薊縣系熱儲(chǔ)的凈開(kāi)采量減至65萬(wàn)m3，實(shí)現(xiàn)熱儲(chǔ)壓力不下降。

其次，我們對(duì)東南城區(qū)熱田薊縣系熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行探討。通過(guò)長(zhǎng)年對(duì)地?zé)衢_(kāi)采井生產(chǎn)溫度的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，各開(kāi)采井的生產(chǎn)溫度保持穩(wěn)定，說(shuō)明熱儲(chǔ)埋藏深，儲(chǔ)存的熱量大，熱儲(chǔ)溫度一般不容易受到影響。但是自從實(shí)施地?zé)峄毓嘀?，由于增加了低溫流體的補(bǔ)給，熱儲(chǔ)溫度極有可能會(huì)降低。為此，我們重點(diǎn)對(duì)東南城區(qū)開(kāi)展回灌的5家單位實(shí)施了溫度監(jiān)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，回灌溫度大多為30℃～40℃，與生產(chǎn)溫度相差20℃～30℃，長(zhǎng)時(shí)間回灌之后，回灌井反抽時(shí)的流體溫度普遍下降5℃～10℃，但開(kāi)采溫度沒(méi)有發(fā)生較大變化。說(shuō)明目前東南城區(qū)熱田的回灌強(qiáng)度小，回灌流體進(jìn)入熱儲(chǔ)后聚集在回灌井周?chē)?，形成“冷團(tuán)”，它們沒(méi)有很快運(yùn)移到開(kāi)采井，所以沒(méi)有引起開(kāi)采溫度的降低，但隨著回灌強(qiáng)度的增大，回灌時(shí)間的延長(zhǎng)，這些冷團(tuán)會(huì)逐漸向外移動(dòng)，如果熱儲(chǔ)沒(méi)有足夠的熱量補(bǔ)給，這些冷團(tuán)不能及時(shí)加熱，開(kāi)采井溫度勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)下降，形成“熱突破”。因此，在大規(guī)模實(shí)施地?zé)峁┡突毓嗟耐瑫r(shí)，應(yīng)加大對(duì)熱儲(chǔ)溫度的監(jiān)測(cè)，查明熱儲(chǔ)加熱回灌冷團(tuán)的能力，研究地?zé)峄毓鄰?qiáng)度與熱儲(chǔ)溫度平衡的關(guān)系，科學(xué)合理的進(jìn)行生產(chǎn)。

最后，我們還對(duì)東南城區(qū)熱田薊縣系熱儲(chǔ)中的流體化學(xué)成分進(jìn)行探討。通過(guò)長(zhǎng)年取樣化驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該熱田流體化學(xué)成分變化很小，說(shuō)明熱儲(chǔ)埋藏深，地?zé)崃黧w運(yùn)移緩慢，流體化學(xué)成分不容易受到影響。目前地?zé)峄毓嘀饕抢瞄_(kāi)采的地?zé)崃黧w，經(jīng)過(guò)換熱器后直接灌入同一熱儲(chǔ)層，因此也不會(huì)對(duì)熱儲(chǔ)流體化學(xué)成分產(chǎn)生影響。

綜合來(lái)看，目前東南城區(qū)熱田通過(guò)資源整合、采取節(jié)能措施、加大回灌力度，基本可以實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)，但必須加大熱儲(chǔ)溫度的監(jiān)測(cè)和影響研究，謹(jǐn)防地?zé)岽笠?guī)?；毓嘈纬伞盁嵬黄啤薄?/p>

3 結(jié)論和建議

3.1 結(jié)論

（1）東南城區(qū)熱田經(jīng)歷了三個(gè)開(kāi)采階段,目前地?zé)嵯牧靠焖贉p少,熱儲(chǔ)壓力下降速度明顯減緩，即將實(shí)現(xiàn)熱儲(chǔ)壓力平衡。

（2）通過(guò)利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，推測(cè)東南城區(qū)熱田薊縣系熱儲(chǔ)年均凈開(kāi)采量控制在65萬(wàn)m3可以保持熱儲(chǔ)壓力平衡，下一步應(yīng)整合資源，加大回灌力度，繼續(xù)減小消耗量，實(shí)現(xiàn)熱儲(chǔ)壓力不下降。

（3）東南城區(qū)實(shí)施地?zé)峄毓鄬?dǎo)致回灌井周邊熱儲(chǔ)溫度小幅下降，但沒(méi)有引起區(qū)域熱儲(chǔ)溫度的變化，下一步應(yīng)加大溫度監(jiān)測(cè)力度，查明地?zé)峄毓鄬?duì)熱儲(chǔ)溫度的影響。

（4）東南城區(qū)實(shí)施同層地?zé)峄毓?，不?huì)對(duì)熱儲(chǔ)流體化學(xué)成分產(chǎn)生較大影響。

3.2 建議

通過(guò)對(duì)東南城區(qū)熱田地?zé)峥沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題的探討和研究，結(jié)合2006年的規(guī)劃，我們提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）建立熱儲(chǔ)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法

隨著地?zé)衢_(kāi)發(fā)模式的轉(zhuǎn)變，原來(lái)基于單一開(kāi)采模式的地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法已經(jīng)不適用，建議針對(duì)采灌循環(huán)利用模式建立熱儲(chǔ)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究一套地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法，重點(diǎn)對(duì)可采熱量進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)。

（2）建議重新進(jìn)行地?zé)峥辈楹驮u(píng)價(jià)

東南城區(qū)熱田受勘查程度限制，過(guò)去沒(méi)有詳細(xì)研究地?zé)崃黧w的補(bǔ)給、徑流及排泄條件，不利于地?zé)豳Y源的合理配置、優(yōu)化開(kāi)發(fā)。隨著近幾年鉆井?dāng)?shù)量的增多，地質(zhì)、動(dòng)態(tài)、流體化學(xué)等資料也更為豐富，應(yīng)重新開(kāi)展一次地?zé)峥辈楹驮u(píng)價(jià)工作，探討熱田內(nèi)、熱田間的水力聯(lián)系，利用數(shù)值模型對(duì)熱田資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)，為地?zé)峁芾砗鸵?guī)劃奠定基礎(chǔ)。

（3）建議推廣地?zé)峁┡?xiàng)目

東南城區(qū)地?zé)崽镌?006年規(guī)劃時(shí)劃設(shè)為嚴(yán)控開(kāi)采區(qū)，提出2020年開(kāi)采量控制在350萬(wàn)m3，回灌量100萬(wàn)m3，實(shí)際消耗250萬(wàn)m3。而從2010年開(kāi)始，該熱田得開(kāi)采量一直處于下降狀態(tài)，2016年開(kāi)采量只有139萬(wàn)m3，回灌量23萬(wàn)m3，實(shí)際消耗116萬(wàn)m3，只有規(guī)劃的46%。出現(xiàn)這種情況的原因主要是有些老井因各種原因停用，而東南城區(qū)地?zé)崽飳儆趪?yán)控開(kāi)采區(qū)、原則上不再增大開(kāi)采量，只允許增加回灌井及允許調(diào)整的更新井。在建筑物密集、地?zé)峋a(chǎn)權(quán)關(guān)系復(fù)雜整合難度大的城市中心區(qū)，開(kāi)采井?dāng)?shù)、總開(kāi)采量及實(shí)際消耗量的減少是必然趨勢(shì)。照此發(fā)展，2020年的實(shí)際開(kāi)采量、實(shí)際消耗量將遠(yuǎn)小于“規(guī)劃”控制目標(biāo)，地?zé)徇@一綠色能源的優(yōu)勢(shì)將很難發(fā)揮，地?zé)嵋矊⒁恢痹凇氨Ｗo(hù)”而不能“顧開(kāi)發(fā)”。

因此我們建議下一輪地?zé)嵋?guī)劃時(shí)將熱田內(nèi)地?zé)峋芏鹊?、井生產(chǎn)溫度高的部分地區(qū)調(diào)整為允許開(kāi)采區(qū)，大規(guī)模推廣地?zé)峁┡?xiàng)目，地?zé)峁┡蟮牧黧w全部回灌，采用近零排放的開(kāi)發(fā)模式，控制地?zé)嵯牧浚３值責(zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)。

北京市地質(zhì)工程勘察院，2016. 2016年北京市地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告[R].

北京市國(guó)土資源局，2006.北京市2006-2020年地?zé)豳Y源可持續(xù)利用規(guī)劃[S].

鄭克棪，潘小平，董穎，2007. 中國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)與保護(hù)[M].北京：中國(guó)地質(zhì)出版社.

Sustainable Utilization of Geothermal Resources in Southeastern Urban Area, Beijing

YANG Yajun, LI Haijing, XU Wei

(Beijing Institute of Geological Engineering, Beijing 100048)

The geothermal resources have been exploited in southeastern urban area, Beijing since 1970’s, which can be divided into fast increasing period, slow decreasing period and fast decreasing period. Based on the discussion of the sustainable utilization conditions in this area, it concludes that the pressure of geothermal reservoir w ill not decline under the condition of produced quantity less than 650,000 m3, and reservoir temperature and fuid chem istry components have no any changes. Sustainable utilization can car ry out by taking some measures, but reservoir “heat breakthough” should be paid attention when large-scale geothermal reinjection is carried out. At last, this paper shows a few suggestions w ith reference to planning, including establishing monitoring system of the reservoir temperature, studying the evaluation method of geothermal resources, promoting the geothermal heating projects and exploration and evaluation of geothermal resources again.

Geothermal resources; Planning; Sustainable exploration

P314

A

1007-1903（2017）02-0013-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.003

楊亞軍（1968- ），男，主要從事地?zé)岬刭|(zhì)研究。E-mail：yyj@sina.com.