魯北深部砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境變形效應(yīng)研究

馮克 賈超 丁朋朋 魏茂杰 王明珠 韓建江

摘要： 山東省深部砂巖熱儲(chǔ)資源豐富，熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)利用對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。但如果不注重深部熱儲(chǔ)的適度、有序開(kāi)發(fā)，超出其臨界量后可能會(huì)引發(fā)區(qū)域地面沉降等不良地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，因而，研究深部砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境變形問(wèn)題意義重大。本文針對(duì)山東省魯北典型深部砂巖熱儲(chǔ)區(qū)熱儲(chǔ)開(kāi)采的地質(zhì)環(huán)境影響問(wèn)題進(jìn)行深入研究，確定了開(kāi)采量、開(kāi)采層位等因素導(dǎo)致的熱儲(chǔ)層沉降量，分析了熱儲(chǔ)層沉降對(duì)該區(qū)地面總沉降的貢獻(xiàn)。對(duì)深入認(rèn)識(shí)魯北地區(qū)深部砂巖熱儲(chǔ)的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)，合理開(kāi)發(fā)深部熱儲(chǔ)資源提供借鑒與依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 砂巖熱儲(chǔ)；地質(zhì)環(huán)境；多場(chǎng)耦合；地面沉降；魯北地區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)： P314 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.008

引文格式： 馮克印，賈超，丁朋朋，等.魯北深部砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境變形效應(yīng)研究［J］.山東國(guó)土資源，2023，39（3）：51 56. FENG Keyin， JIA Chao， DING Pengpeng， et al. Study on Geological Environment Influence Caused by Deep Thermal Reservoir Exploration in Sandstone in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：51 56.

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求日益強(qiáng)烈。地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉粗?。相比于石油、天然氣和煤等化石燃料的消耗更為清潔環(huán)保和低碳，為雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮重要作用［1］。近20年來(lái)，中國(guó)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用得到了蓬勃發(fā)展，在中國(guó)北方清潔供熱中發(fā)揮著重要作用，僅2020年淺層和深層地?zé)峁┡ㄖ娣e就接近14億m2，對(duì)減少碳排放具有不可忽略的貢獻(xiàn)［2 3］。

魯北地區(qū)地處華北平原，地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，在能源供給中占有相當(dāng)?shù)谋壤c份額［4 5］。近年來(lái)，深部砂巖熱儲(chǔ)的開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。而該區(qū)又處在華北平原地下水開(kāi)采誘發(fā)的漏斗區(qū)內(nèi)［6 7］。前 人研究已初步表明，地下水開(kāi)采對(duì)地面沉降等地質(zhì)環(huán)境具有重要影響［8 10］，但深部館陶組以下熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)對(duì)地面沉降的影響效應(yīng)目前尚未有深入系統(tǒng)的研究①，因此，全面深入研究深部砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)對(duì)該區(qū)地面沉降的影響程度，定量確定館陶組熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)引發(fā)的熱儲(chǔ)層絕對(duì)沉降量及對(duì)區(qū)域地面總沉降量的貢獻(xiàn)尤顯重要，直接關(guān)系到未來(lái)魯北地區(qū)地下水管控、地?zé)衢_(kāi)采管理方案等制定的科學(xué)性和合理性，并直接影響?hù)敱钡貐^(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

本文在借鑒相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上［11 14］，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)仿真、數(shù)值分析計(jì)算預(yù)測(cè)等多角度多手段結(jié)合的綜合研究模式，開(kāi)展深部砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)下地質(zhì)環(huán)境影響研究，定量回答深部砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)下熱儲(chǔ)層沉降量及地溫場(chǎng)演變規(guī)律，熱儲(chǔ)層沉降對(duì)總沉降的占比貢獻(xiàn)等，為該 區(qū)評(píng)價(jià)深部熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境影響程度，制定合理地?zé)衢_(kāi)采方案，確定正確地下水資源管控措施等提供依據(jù)。

1 熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)與地面沉降現(xiàn)狀

1.1 地?zé)崴_(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

伴隨地?zé)豳Y源開(kāi)采及應(yīng)用的理論、技術(shù)日趨成熟［15 16］，魯北地區(qū)地?zé)衢_(kāi)采呈逐步增強(qiáng)趨勢(shì)。區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)源于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)地?zé)峋臼窃陂_(kāi)發(fā)石油過(guò)程中形成的，成井質(zhì)量較差，地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用程度很低，僅局部用于洗浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖等。20世紀(jì)90年代末，山東省地礦局在區(qū)內(nèi)進(jìn)行了廣泛的地?zé)豳Y源普查和地?zé)峋@探工作，地?zé)峋當(dāng)?shù)量迅速增加，區(qū)內(nèi)地?zé)嵋?guī)模開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)90年代，第一眼正式用于供暖、洗浴的地?zé)峋挥谏綎|省地礦局水文二隊(duì)老單位院內(nèi)，成井時(shí)間為1997年3月，井深1479.7m，水溫57℃，熱儲(chǔ)層為館陶組。

截至目前，區(qū)內(nèi)現(xiàn)有地?zé)嵘a(chǎn)井670眼，其中開(kāi)采井389眼，回灌井281眼，開(kāi)采地?zé)崴饕糜诠┡?，個(gè)別地?zé)峋糜谙丛?。?jù)統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)生產(chǎn)井超過(guò)50眼的地市有5個(gè)，分別為德州市德城區(qū)、陵城區(qū)、平原縣、夏津縣及聊城市臨清市。區(qū)內(nèi)地?zé)崴_(kāi)采量為6184.32萬(wàn)m3（未扣除回灌量），其中德州市占比68%，聊城市占比32%。德州、聊城是山東省地?zé)豳Y源利用典型區(qū)，德州市回灌井配備率超過(guò)95%，聊城市大部分地?zé)衢_(kāi)采井未配備回灌井（表1）。

伴隨不同淺、中、深層位地下水開(kāi)采量急劇增長(zhǎng)，在區(qū)域上形成了一定范圍的漏斗，逐步形成了以主要開(kāi)采區(qū)為中心的多個(gè)漏斗中心，分別位于德城區(qū)，夏津縣、東昌府區(qū)，最大埋深水位在夏津縣，水位埋深超過(guò)90m。德州德城區(qū)及聊城東昌府非開(kāi)采期靜水位均在80m左右。為控制地面沉降，對(duì)不同層位水資源開(kāi)采進(jìn)行了管控，對(duì)地?zé)崴扇　安晒嗑?、取熱不取水”地?zé)衢_(kāi)采模式，聊城2020年開(kāi)始關(guān)停部分地?zé)峋Ｔ诰C合管控措施下，2021年聊城市地?zé)崴豢傮w呈現(xiàn)抬升趨勢(shì)，但升幅不大；德州市德城區(qū)和陵城區(qū)水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，地?zé)崴德渎┒酚兴鶖U(kuò)大（圖1）。

1.2 地面沉降現(xiàn)狀

近5年區(qū)內(nèi)沉降速率超過(guò)40mm/a的區(qū)域面積較?。▓D2），分布在冠縣西部，面積為271km2，僅占區(qū)域總面積的1.4%；累計(jì)沉降量20～40mm區(qū)域分布較分散，主要分布在冠縣中部、臨清市中西部、德城區(qū)北部、茌平縣中東部以及齊河縣西部地區(qū)，面積為2233 km2，占區(qū)域總面積的11.76%；沉積沉降量10～20mm區(qū)域分布面積較廣，面積15185km2；沉積沉降量不足10mm區(qū)域分布零星，面積為1305km2。

基本可以確定，地下水開(kāi)采對(duì)地面沉降具有影響，但此前并未深入進(jìn)行過(guò)深部砂巖熱儲(chǔ)層地下水開(kāi)采對(duì)地面沉降的影響研究。因此，本文根據(jù)2020年度山東省地勘項(xiàng)目部署，對(duì)深部砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)采對(duì)地面沉降的貢獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析研究

2.1 水準(zhǔn)及InSAR監(jiān)測(cè)分析

2020年，對(duì)區(qū)內(nèi)地面沉降進(jìn)行了水準(zhǔn)、InSAR測(cè)量及分層標(biāo)建設(shè)測(cè)量工作。通過(guò)水準(zhǔn)和InSAR測(cè)量對(duì)地面總沉降量進(jìn)行把握與掌控，通過(guò)分層標(biāo)建設(shè)及測(cè)量對(duì)熱儲(chǔ)層沉降量進(jìn)行把握與掌控。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以初步分析判斷深部地?zé)衢_(kāi)采對(duì)地面總沉降量的貢獻(xiàn)。水準(zhǔn)和InSAR測(cè)量分析結(jié)果如圖3所示。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果，區(qū)內(nèi)沉降較為嚴(yán)重的區(qū)域主要分布在聊城市的冠縣、莘縣、茌平縣以及德州市的寧津縣，最大沉降速率為 91.82mm/a；2018—2019年，工作區(qū)最大沉降速率有所降低，為 75.16mm/a，地面沉降較為嚴(yán)重的區(qū)域主要為德州市的德城區(qū)、齊河縣和聊城市的冠縣、茌平縣；2019—2020年，工作區(qū)地面沉降較為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榱某鞘械凝R河縣、茌平縣和德州市的寧津縣、樂(lè)陵市，最大沉降速率為 99.62mm/a。近5年區(qū)內(nèi)累計(jì)沉降量超過(guò)200mm區(qū)域面積較小，分布在冠縣西部，面積為271km2，僅占工作區(qū)總面積的1.4%；累計(jì)沉降量100～200mm區(qū)域分布較分散，主要分布在冠縣中部、臨清市中西部、德城區(qū)北部、茌平縣中東部以及齊河縣西部地區(qū)，面積為2233km2，占工作區(qū)總面積的11.76%；沉積沉降量50～100mm區(qū)域分布面積較廣，面積15185km2；沉積沉降量不足50mm區(qū)域分布零星，面積為1305km2。

2.2 分層標(biāo)建設(shè)及監(jiān)測(cè)

2020年10月，在德城區(qū)建成館陶組熱儲(chǔ)層沉降監(jiān)測(cè)的分層標(biāo)（圖4），標(biāo)深1200m，位于區(qū)域主要地?zé)衢_(kāi)采層上界面，為將來(lái)精準(zhǔn)控制館陶組熱儲(chǔ)層絕對(duì)沉降量提供了重要監(jiān)測(cè)手段。該分層標(biāo)建成后，首次沉降測(cè)試值為22.67mm，但該值并不代表 1200m以下地層在地?zé)衢_(kāi)采條件下的絕對(duì)沉降量值，而是經(jīng)過(guò)上覆地層壓力解除后，地層回彈，而后由于分層標(biāo)自重條件下產(chǎn)生的地層初始?jí)嚎s變形。將在第二次測(cè)試后綜合分析兩次測(cè)量的沉降值方能得到兩次測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的熱儲(chǔ)層絕對(duì)沉降量值。

3 數(shù)值分析計(jì)算

眾多學(xué)者對(duì)地下資源開(kāi)采的多場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了研究［17 21］，在地下水開(kāi)采誘發(fā)地面沉降的數(shù)值研究方面，賈超等［9 10］已在山東數(shù)十地市開(kāi)展了相關(guān)研究。為對(duì)區(qū)內(nèi)深部砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)采對(duì)地面沉降的影響進(jìn)行長(zhǎng)期分析預(yù)測(cè)，借鑒團(tuán)隊(duì)已有研究基礎(chǔ)，本文建立了區(qū)內(nèi)深部砂巖熱儲(chǔ)的三維流 固 熱耦合數(shù)值分析計(jì)算模型（圖5）。

將該數(shù)值模型與區(qū)內(nèi)前期歷史監(jiān)測(cè)資料、室內(nèi)地質(zhì)力學(xué)物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合比對(duì)、校核后，得到與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果和室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的數(shù)值分析計(jì)算模型，然后應(yīng)用該數(shù)值模型對(duì)區(qū)內(nèi)深部砂巖熱儲(chǔ)開(kāi)采后的地面總沉降量、熱儲(chǔ)層絕對(duì)沉降量、熱儲(chǔ)層地溫場(chǎng)演化等進(jìn)行分析計(jì)算預(yù)測(cè)。以2021年為計(jì)算基準(zhǔn)期，進(jìn)行10年變化預(yù)測(cè)，主要結(jié)果如下圖6—圖8所示。

由數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果，并綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果，熱儲(chǔ)層的沉降速率約在0.48～0.61mm/a，熱儲(chǔ)層的沉降速率約占地面沉降速率的1.4%和1.5%，對(duì)研究區(qū)總沉降的影響微弱。新建館陶組分層標(biāo)所在位置熱儲(chǔ)層的沉降速率計(jì)算結(jié)果為0.96mm/a，對(duì)地面沉降影響微弱。地?zé)崴_(kāi)采對(duì)地面沉降基本無(wú)影響。

4 結(jié)論

（1）區(qū)內(nèi)目前采取的地下水管控措施對(duì)減緩地面是有效果的。

（2）近5年工作區(qū)內(nèi)累計(jì)沉降量超過(guò)200mm區(qū)域面積較小，分布在冠縣西部，面積僅占工作區(qū)總面積的1.4%；累計(jì)沉降量100～200mm區(qū)域分布較分散，主要分布在冠縣中部、臨清市中西部、德城區(qū)北部、茌平縣中東部以及齊河縣西部地區(qū)。

（3）綜合水準(zhǔn)測(cè)量、InSAR監(jiān)測(cè)、數(shù)值分析計(jì)算，區(qū)內(nèi)地面沉降受深部砂巖熱儲(chǔ)層地?zé)衢_(kāi)發(fā)的影響甚微。

5 建議

（1）分層標(biāo)是確定目標(biāo)地層絕對(duì)沉降量的重要手段，要盡快完善針對(duì)不同目標(biāo)層的分層標(biāo)建設(shè)，為將來(lái)精準(zhǔn)獲取不同地層絕對(duì)沉降值提供依據(jù)，已建分層標(biāo)應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期長(zhǎng)序列觀測(cè)。

（2）深入開(kāi)展深部地?zé)衢_(kāi)發(fā)與地面沉降及地溫場(chǎng)演化的科學(xué)研究工作，扎實(shí)掌控科學(xué)機(jī)理。以可接受地質(zhì)環(huán)境影響限值為界限值，合理確定淺中深層地?zé)豳Y源允許開(kāi)采量、開(kāi)采井布置方案及提出因地?zé)豳Y源開(kāi)采衍生的不良地質(zhì)防控應(yīng)急措施。

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Study on Geological Environment Influence Caused by Deep ??Thermal Reservoir Exploration in Sandstone in Shandong Province

FENG Keyin1，2， JIA Chao3， DING Pengpeng4， WEI Maojie1，2，WANG Mingzhu5， HAN Jianjiang6

（1.Shandong Provincial Territorial Spatial Ecological Restoration Center， Shandong Ji'nan 250014， China;2.Yellow River Delta Land Use Safety Field Scientific Observation and Research Station， Ministry of Natural Resources， Shandong Ji'nan 250014，China; 3.Institute of Marine Science and Technology，Shandong University， Shandong Qingdao 266237， China；4.School of Civil Engineering and Water Conservancy，Ningxia University，Yinchuan 750021， China; 5.The Second Institute of Hydrogeology and Engineering Geology，Shandong Provincial Bureau of Geology & Mineral Resources（Lubei Geoengineering Exploration Institute），Shandong Dezhou 253072， China; 6. Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development， Jinan 250013， China）

Abstract： ?Shandong Province is rich in deep sandstone thermal reservoir resources， and the development and utilization of thermal reservoir play an important role in promoting regional economic and social development. If deep thermal reservoir can not be paid attention to moderate and orderly development， geological environment problems can be caused， such as regional land subsidence after exceeding its critical amount. Therefore， it is of great significance to study geological environment deformation problem caused by the development of deep sandstone thermal reservoir. In this paper， geological environment impact of thermal reservoir exploitation in typical deep sandstone thermal reservoir area in northern Shandong province has been studied furthurly. The settlement of thermal reservoir caused by factors， such as mining output and production horizon has been determined， and the contribution of thermal reservoir subsidence to total land subsidence in this area has been analyzed. It will provide some references and basis for further understanding geological environment effect of deep sandstone thermal reservoir in northern Shandong province and for rational development of deep thermal reservoir resources.

Key words： ?Sandstone thermal reservoir; geological environment; multi field coupling; land subsidence; northern Shandong province