深部砂巖熱儲(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)分層標(biāo)建設(shè)與結(jié)構(gòu)合理性初探
——以魯北平原深部砂巖熱儲(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)分層標(biāo)組為例

王明珠,趙季初,丁朋朋,沙福建,馮克印,魏茂杰

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院)，山東 德州 253072；2.山東大學(xué)，山東 青島 266237；3.山東省國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)中心，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

地面沉降是由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或者人類工程活動(dòng)引發(fā)的土體固結(jié)壓縮而導(dǎo)致地面高程降低的現(xiàn)象，是一種緩變性的自然災(zāi)害。地面沉降會(huì)造成房屋傾斜、建筑物地基下沉、城市積水、內(nèi)澇、城市管線斷裂、水準(zhǔn)高程數(shù)據(jù)變化、地裂縫，沿海地區(qū)還會(huì)出現(xiàn)海水倒灌、咸水入侵等一系列問(wèn)題，給當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)造成一定損失[1-5]。地面沉降作為山東省魯北平原最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，具有發(fā)生時(shí)間早、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。

分層標(biāo)作為地面沉降監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)手段之一，其底部坐落于被監(jiān)測(cè)土層上，可隨土層標(biāo)高變化而上下靈動(dòng)活動(dòng)，完成地面沉降量的讀取和計(jì)算。本次分層標(biāo)組位于魯北平原德州市德城區(qū)水文二隊(duì)老辦公區(qū)內(nèi)，建成于2020年。該標(biāo)組位于魯北砂巖熱儲(chǔ)地?zé)衢_(kāi)采層頂板，分層標(biāo)孔為目前山東省最深分層標(biāo)孔，根據(jù)區(qū)域含水層特征布設(shè)其他分層標(biāo)孔及水位監(jiān)測(cè)孔，組成了山東省監(jiān)測(cè)層位最全、監(jiān)測(cè)深度最廣的分層標(biāo)組，可為區(qū)內(nèi)地面沉降分層監(jiān)測(cè)、沉降機(jī)理研究及精準(zhǔn)地面沉降防控提供數(shù)據(jù)支撐。

1 地質(zhì)背景概述

1.1 地貌特征

魯北平原地貌類型以黃河沖積平原為主。黃河以北地區(qū)自西南向東北分為黃河沖積平原、黃河三角洲沖積—海積平原和濱海平原三部分；黃河以南地區(qū)自南西向北東依此為山前沖積洪積傾斜平原、黃河沖積平原、黃河三角洲沖積—海積平原和濱海平原[6-8]。

1.2 地層

魯北平原為華北平原的東南邊緣區(qū)，在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上隸屬華北板塊中、新生代斷陷盆地。在中生代以來(lái)，區(qū)域地層一直緩慢下沉，形成了巨厚的松散沉積層。第四系底板埋深240～260m，為河湖相松散沉積層；新近系底板埋深1250～1350m，地層厚度較穩(wěn)定；古近系底板埋深1500～2500m，地層沉積厚度相差較大。

熱儲(chǔ)層及以上地層由老至新描述如下：古近紀(jì)東營(yíng)組以泥巖、砂質(zhì)泥巖與細(xì)砂、粉砂巖不等厚互層為主。新近紀(jì)館陶組上部以細(xì)—中砂巖及泥巖為主，呈交互層狀；下部為含礫粗砂巖及砂礫巖為主。新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組以泥巖夾細(xì)、中細(xì)砂為主。砂巖為松散狀，分選性及磨圓度一般。第四紀(jì)平原組上部為黏土和細(xì)砂層，結(jié)構(gòu)松散；下部為黏土夾細(xì)砂層，結(jié)構(gòu)致密[9-11]。

1.3 水文地質(zhì)條件

魯北平原地下水在垂向上具有明顯的分帶性，根據(jù)地下水水質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水層組劃分以及地下水賦存條件等，將60m以淺的地下水劃分為淺層地下水，礦化度為1～1.5g/L，與外部環(huán)境關(guān)系密切，該層僅局部地區(qū)開(kāi)采；60～250m的地層劃分為中深層地下水，礦化度為5～10g/L，由于礦化度較高，至今基本未曾開(kāi)發(fā)利用；250～800m劃分為深層地下水，礦化度為1～1.5g/L，在20世紀(jì)六七十年代，開(kāi)采井深度300～500m，隨著水位的下降，井深逐漸增加，最深接近800m。根據(jù)前人在區(qū)內(nèi)進(jìn)行的地面沉降成因機(jī)理研究表明[12-13]，該層地下水的超量開(kāi)采是地面沉降發(fā)生的主要成因；900～1100m，為明化鎮(zhèn)下段館陶上段地?zé)崴?，但該層主要泥巖分布，砂層較薄，出水量小，目前不開(kāi)采；1200～1500m，為地?zé)嶂饕_(kāi)采層位(圖1)[14-15]。

1.4 工程地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)內(nèi)地層的埋藏深度、巖性、成因類型、沉積年代、土的物理力學(xué)性質(zhì)、水力特征和水理性質(zhì)等，將1500m以淺的地層劃分為1個(gè)表土層、3個(gè)弱透水層和3個(gè)含水層。隨著地層深度的增加，壓縮系數(shù)逐漸減少，土體可壓縮性逐漸降低[16-18]。

1.5 地面沉降現(xiàn)狀及監(jiān)測(cè)背景

20世紀(jì)90年代，德州地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，拉開(kāi)了魯北平原地面沉降監(jiān)測(cè)的序幕，隨后，先后在聊城、濱州、東營(yíng)建立沉降測(cè)量網(wǎng)，為魯北地區(qū)地面沉降機(jī)理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)多年地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，魯北平原地面沉降呈不斷發(fā)展趨勢(shì)，累計(jì)沉降漏斗主要有以德城區(qū)為累計(jì)沉降中心的德州沉降漏斗和以博興-廣饒為累計(jì)沉降中心的博廣沉降漏斗。其中德州沉降漏斗發(fā)展歷史較悠久，自1991年起測(cè)至今，沉降中心累計(jì)沉降量超過(guò)1450mm。博廣沉降-廣饒漏斗自2004年起測(cè)至今，沉降中心累計(jì)沉降量超過(guò)1300mm。

2014年在德州市德城區(qū)水文二隊(duì)現(xiàn)辦公區(qū)院內(nèi)建成魯北平原第一組分層標(biāo)組，隨后，先后在濱州、東營(yíng)等地建設(shè)分層標(biāo)組。但以往分層標(biāo)組最大孔深為500m，監(jiān)測(cè)目標(biāo)層位為第四紀(jì)地層，主要監(jiān)測(cè)深層地下水及以上含水層開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)生的地層壓縮，500m以深地層壓縮情況尚未開(kāi)展過(guò)相關(guān)監(jiān)測(cè)。隨著近年來(lái)地?zé)豳Y源集中開(kāi)發(fā)利用，對(duì)熱儲(chǔ)層壓縮形變監(jiān)測(cè)十分重要，該數(shù)據(jù)將成為地?zé)豳Y源是否開(kāi)發(fā)利用的重要依據(jù)。

此外，山東省尚無(wú)分層標(biāo)建設(shè)的專業(yè)規(guī)范，針對(duì)不同深度分層標(biāo)，其中深度較大分層標(biāo)，明確其標(biāo)桿結(jié)構(gòu)、標(biāo)組組成等。由于施工流程、標(biāo)體結(jié)構(gòu)的不合理致使管材浪費(fèi)，一定程度上增加了分層標(biāo)的監(jiān)測(cè)誤差及建設(shè)成本。

2 分層標(biāo)建設(shè)

2.1 選址

根據(jù)監(jiān)測(cè)目的任務(wù)，深部砂巖熱儲(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)分層標(biāo)位置應(yīng)選擇在地面累計(jì)沉降漏斗中心區(qū)或地?zé)峒虚_(kāi)采區(qū)，有條件亦可選在地面累計(jì)沉降漏斗中心與地?zé)峒虚_(kāi)采的疊合區(qū)。德城區(qū)深層地下水開(kāi)發(fā)歷史早，由于超采于20世紀(jì)80年代末發(fā)現(xiàn)地面沉降，至今已演變?yōu)轸敱钡孛娉两道塾?jì)漏斗中心。此外，德城區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用早，開(kāi)采集中。故德城區(qū)可作為魯北平原深部砂巖熱儲(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)分層標(biāo)建設(shè)優(yōu)選區(qū)。

在德城區(qū)水文二隊(duì)老辦公區(qū)內(nèi)，早在1997年就建有一眼地?zé)衢_(kāi)采井，為區(qū)內(nèi)最早的地?zé)峋?016年建立配套回灌井。該場(chǎng)地內(nèi)地層資料齊全，可為分層標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。地?zé)崴O(jiān)測(cè)資料連續(xù)且序列時(shí)間長(zhǎng)，可為后續(xù)研究分析提供長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)支撐。故將分層標(biāo)建設(shè)場(chǎng)地定于德州市德城區(qū)水文二隊(duì)老辦公區(qū)內(nèi)。

1—砂巖；2—泥巖圖1 地層巖性及垂向含水層劃分示意圖

2.2 標(biāo)樁個(gè)數(shù)與深度確定

地面沉降分層標(biāo)獲取地表下各土層因外界作用而產(chǎn)生的變形量，根據(jù)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析地面沉降發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，從而制定出相應(yīng)的控沉措施和對(duì)策。分層標(biāo)組建設(shè)應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)確定標(biāo)樁數(shù)量，尤其垂向上具有多個(gè)地下水開(kāi)采層的。結(jié)合魯北平原地下水開(kāi)采、地面沉降特征，結(jié)合探究地?zé)衢_(kāi)采是否引發(fā)地面沉降的目的任務(wù)，確定分層標(biāo)標(biāo)樁個(gè)數(shù)與深度。

為直觀監(jiān)測(cè)地?zé)崴_(kāi)采對(duì)地面沉降的貢獻(xiàn)量，在熱儲(chǔ)開(kāi)采層頂板應(yīng)建設(shè)一個(gè)標(biāo)樁，根據(jù)已有地?zé)岬刭|(zhì)資料，德城區(qū)館陶組頂板埋深在1090～1290m，地?zé)崴饕_(kāi)采層位為1250～1500m，該標(biāo)樁深度應(yīng)小于1250m，在1250～1200m尋找厚度較大的泥巖層，泥巖層深度越大標(biāo)體約穩(wěn)定，最小厚度不能低于3m。根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)物探測(cè)井解譯資料，確定標(biāo)樁1深度為1200m；為探究禁采后深層地下水地層地面沉降發(fā)育情況，在含水層的頂板和底板各埋設(shè)一個(gè)標(biāo)樁，根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)物探測(cè)井解譯資料，確定標(biāo)樁2與標(biāo)樁3深度分別為800m、250m；為探究中深層和淺層地下水地層變形情況，分別在含水層頂板埋設(shè)一個(gè)標(biāo)樁,根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)物探測(cè)井解譯資料，確定標(biāo)樁4與標(biāo)樁5深度分別為60m、2m。通過(guò)相鄰深度標(biāo)樁及多期監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)淺層、中深層、深層、熱儲(chǔ)層的地層變形量監(jiān)測(cè)(圖2)。

圖2 分層標(biāo)監(jiān)測(cè)層位分布示意圖

2.3 分層標(biāo)結(jié)構(gòu)

分層標(biāo)結(jié)構(gòu)基本類似，其結(jié)構(gòu)的差異主要在于標(biāo)桿結(jié)構(gòu)的不同與標(biāo)底滑筒量程的不同。

本分層標(biāo)組中標(biāo)桿均采用“寶塔結(jié)構(gòu)”，標(biāo)桿上細(xì)下粗，下部標(biāo)桿要滿足承重、支撐的要求，上部標(biāo)桿在盡可能減少重量的同時(shí)亦滿足下標(biāo)桿時(shí)底部標(biāo)桿自重拖拽不斷裂的要求。根據(jù)分層標(biāo)孔深度采用三級(jí)寶塔結(jié)構(gòu)，每級(jí)標(biāo)桿長(zhǎng)度采用“九五分割原理”確定。分層標(biāo)運(yùn)行工作時(shí)，保護(hù)管與滑筒相連接，保護(hù)管與地層抱死，不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。標(biāo)桿與滑桿相連接，根據(jù)地層膨脹或壓縮進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。

滑筒量程即為滑桿可升降的最大距離，結(jié)合當(dāng)?shù)爻两邓俾?，設(shè)定地表沉降量均為地下某一層地層壓縮導(dǎo)致，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，本區(qū)近年來(lái)沉降速率不超過(guò)20mm/a。

分層標(biāo)標(biāo)底滑筒量程相對(duì)滑距可達(dá)1.2m，以本層沉降速率為地層總沉降速率20mm/a計(jì)算，該標(biāo)在維護(hù)正常的情況下可連續(xù)使用60年，而1200m分層標(biāo)所監(jiān)測(cè)的地層沉降量遠(yuǎn)比總沉降量小，故該標(biāo)連續(xù)使用年限超過(guò)60年，量程滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)的需求(圖3)。

1—黏土；2—砂巖、泥質(zhì)砂巖；3—泥巖；4—細(xì)砂巖圖3 地層巖性及分層標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

3 分層標(biāo)合理性分析

3.1 監(jiān)測(cè)層位合理性分析

深部砂巖熱儲(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)分層標(biāo)建設(shè)于原深層地下水與現(xiàn)地?zé)豳Y源開(kāi)采集中疊合區(qū)德城區(qū)水文二隊(duì)院內(nèi)，根據(jù)以往研究，該區(qū)地面沉降主要由于深層地下水的超量開(kāi)采引發(fā)，但地?zé)崴_(kāi)采是否引發(fā)沉降至今無(wú)直接監(jiān)測(cè)，將該標(biāo)體建設(shè)在地?zé)衢_(kāi)采層頂板處，通過(guò)多期監(jiān)測(cè)，可直接得到熱儲(chǔ)層及以下地層的沉降變形量，為地?zé)崴c地面沉降的相關(guān)關(guān)系提供直接數(shù)據(jù)支撐。本區(qū)地?zé)衢_(kāi)采層主要開(kāi)采層位為1300～1500m，分層標(biāo)深度確定為開(kāi)采層以上的1200m。同時(shí)場(chǎng)地為原深層地下水集中開(kāi)采區(qū)，在該處建設(shè)深度地下水分層標(biāo)孔，可為深層地下水禁采后沉降是否存在滯后性發(fā)育等問(wèn)題的解決提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 力學(xué)合理性分析

3.2.1 分層標(biāo)重量

1200m分層標(biāo)標(biāo)體均直立于200mm的標(biāo)底托盤上，分層標(biāo)主要重量包括保護(hù)管、標(biāo)桿、填充純凈水、扶正器、標(biāo)底的重量，鋼材密度取7.86×103kg/m3，水的密度取1.00×103kg/m3。根據(jù)計(jì)算公式：

m=ρV

(1)

式中：m—質(zhì)量(kg);ρ—密度(kg/m3);V—體積(m3)。其中保護(hù)管重量m保約為40.49×103kg，φ60mm標(biāo)桿m60約為1.31×103kg，φ73mm標(biāo)桿m73約為2.76×103kg，φ89mm標(biāo)桿m89約為9.19×103kg，填充純凈水的質(zhì)量m水約為18.50×103kg。扶正器一個(gè)約為1kg，共用11個(gè)，扶正器總重量約為0.11×103kg。標(biāo)底總重量約為0.20×103kg，分層標(biāo)總重量約為72.56×103kg。

3.2.2 地層土柱重量

利用場(chǎng)地內(nèi)巖土力學(xué)測(cè)試取得不同深度巖(土)體密度參數(shù)，計(jì)算直徑為200mm，深度為1200m的土柱重量為78.21×103kg。

1200m分層標(biāo)總重量約為72.56×103kg，相同體積的巖土柱重量為78.07×103kg。分層標(biāo)重量較地層土體重量小，避免了由于標(biāo)體自身荷載產(chǎn)生的沉降誤差，在分層標(biāo)穩(wěn)定一段時(shí)間后，可達(dá)到監(jiān)測(cè)需求(表1)。

表1 土柱重量計(jì)算表

4 結(jié)論

(1)深部砂巖熱儲(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)分層標(biāo)位置應(yīng)選擇在地面累計(jì)沉降漏斗中心區(qū)或地?zé)峒虚_(kāi)采區(qū)，有條件亦可選在地面累計(jì)沉降漏斗中心與地?zé)峒虚_(kāi)采的疊合區(qū)。

(2)結(jié)合魯北平原地下水及深部地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用特征、地面沉降發(fā)育特征，魯北平原德城區(qū)分層標(biāo)組宜建設(shè)5個(gè)標(biāo)樁(含地面標(biāo))，深度分別為2m、60m、250m、800m、1200m。

(3)將深部砂巖熱儲(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)分層標(biāo)建設(shè)在地?zé)衢_(kāi)采層頂板處，通過(guò)多期監(jiān)測(cè)，可直接得到熱儲(chǔ)層及以下地層的沉降變形量，為地?zé)崴c地面沉降的相關(guān)關(guān)系提供直接數(shù)據(jù)支撐。

(4)本文設(shè)計(jì)的1200m分層標(biāo)總重量約為72.56×103kg，相同體積的巖土柱重量為78.07×103kg。分層標(biāo)重量較地層土體重量小，避免了由于標(biāo)體自身荷載產(chǎn)生的沉降誤差，在分層標(biāo)穩(wěn)定一段時(shí)間后，可達(dá)到監(jiān)測(cè)需求。