李元杰,范 琦,劉清曉,王貴玲

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,石家莊 050061;2.北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院,北京 102218)

0 引 言

北京位于地?zé)岙惓^(qū)內(nèi),構(gòu)造斷裂較為發(fā)育,地?zé)崽锩娣e＞319 km2,地?zé)衢_采方式由單井轉(zhuǎn)型為對(duì)井、井群模式已有10 a以上的歷史。北京城區(qū)勘探資料表明薊縣霧迷山組作為目的層,熱水井單位涌水量一般在0.6 L/s?m,單井產(chǎn)量在600 m3/d以上,處于斷裂帶附近地?zé)峋畣尉克浚? 000 m3/ d。用于案例試驗(yàn)分析的122#井和123#井位處于崇文門——呼家樓斷裂邊緣,熱儲(chǔ)層具有良好的儲(chǔ)集疏導(dǎo)性能,經(jīng)過7 a運(yùn)行,出水量分別為855 m3/d和875 m3/d。大城市地?zé)崽飳?duì)井開發(fā)效應(yīng)分析早在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始,北京熱田1972年以來(lái)做過幾次回灌試驗(yàn),天津市第一地質(zhì)勘探大隊(duì)利用計(jì)算機(jī)對(duì)天津地?zé)崽飳?duì)井開采后水動(dòng)力場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬[1]。Gringarten[2]建立了包括熱儲(chǔ)中水平方向?qū)α鳠岷痛怪狈较驘醿?chǔ)層與頂?shù)装鍘r層傳導(dǎo)傳熱數(shù)學(xué)模型,做出了可以預(yù)測(cè)對(duì)井開采井水隨熱儲(chǔ)水層特性參數(shù)和開采條件變化的通用計(jì)算圖?？追曹奫3]等對(duì)北京市地?zé)豳Y源開發(fā)時(shí)空變化進(jìn)行了深入分析。本文通過分析研究區(qū)地?zé)峋疅醿?chǔ)層特點(diǎn),結(jié)合熱井多年運(yùn)行參數(shù),計(jì)算靜態(tài)熱儲(chǔ)量,從能量角度預(yù)測(cè)評(píng)估典型地?zé)釋?duì)井系統(tǒng)使用遠(yuǎn)景。

1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件

122～123#對(duì)井位于北京東南城區(qū)地?zé)崽镏胁科鞅?崇文門呼家樓斷裂南端。熱儲(chǔ)層為薊縣系霧迷山組硅質(zhì)白云巖,單斜構(gòu)造。平原深處廣泛分布上元古界碳酸鹽巖地層,厚度＞5 000 m以上,內(nèi)部構(gòu)造節(jié)理縱橫交叉,巖石裂隙發(fā)育,為冷熱水徑流交換提供了良好的條件。地理位置見圖1。研究區(qū)基巖及地?zé)岬刭|(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜[4],地溫梯度變化與巖石熱導(dǎo)率有著密切的聯(lián)系,熱儲(chǔ)層溫度隨著埋深的減小而減小,新生界地層地溫梯度高于基巖地層。

圖1 研究對(duì)井地理位置圖Fig.1 Location of the studied geothermal double-well system

2 對(duì)井運(yùn)行模式

122#和123#地?zé)峋?001年成井,相距82 m,地質(zhì)地層構(gòu)造相似,以122#井為代表:試驗(yàn)井終孔深度2 054.00 m,鉆具丈量2 054.40 m,誤差±0.4 m。對(duì)井運(yùn)行模式見圖2。

圖2 對(duì)井運(yùn)行模式圖Fig.2 Operating mode of the geothermal double-well system

122#井做為抽水井,123#為回灌井,運(yùn)行初期抽水井出水溫度60℃,經(jīng)過7 a運(yùn)行,目前出水溫度最低降至56℃。抽水量由最初的1 550 m3/d下降至855 m3/d,水位逐年下降。2008年11月15日供暖期開始抽水,至靜止水位69 m,至12月25日抽水井水位至83.6 m,并仍在持續(xù)緩慢下降。122#鉆井深度(H)與溫度(T)的關(guān)系曲線見圖3,計(jì)算出其地溫梯度為2.4℃/100 m。從鉆井揭露的地層情況分析,構(gòu)成本區(qū)的熱儲(chǔ)蓋層分別為第四系、第三系、清白口系和薊縣系,熱儲(chǔ)蓋層累計(jì)厚度2 054 m。本井主要熱儲(chǔ)層集中分布在薊縣系霧迷山組,自井段1 184～2 054 m,各井段地溫梯度見表1。

圖3 122#鉆井深度(H)與溫度(T)關(guān)系曲線Fig.3 Curve line of relationship between drilling depths and temperatures of well No.112

表1 各井段埋深及地溫梯度Table 1 Buried depths and geothermal gradients of each section of the well

鉆井0～1 000 m存在較高的地?zé)嵩鰷芈?地溫梯度為3.5℃/100 m,1 000～2 054 m地溫增幅較小,地溫梯度約為1.5℃/100 m。不同地層的地溫梯度有較大的差別,新生界巖層地溫梯度大,灰?guī)r地層地溫梯度小,其它地層的地溫梯度介于兩者之間,擁有各自代表性地層的地溫梯度值[5]。依此特性,可統(tǒng)計(jì)加權(quán)制定地層增溫梯度經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)參數(shù),為地?zé)徇h(yuǎn)景規(guī)劃提供技術(shù)支持。

3 熱儲(chǔ)量潛力評(píng)估

3.1 熱儲(chǔ)概念模型

依據(jù)構(gòu)造部位熱顯示,地質(zhì)環(huán)境及水交換條件,研究區(qū)熱儲(chǔ)為混合型熱儲(chǔ),見圖4。熱儲(chǔ)層多呈層狀,分布較穩(wěn)定,下部有大地?zé)崃鱾鲗?dǎo),上部被巨厚不透水的蓋層覆蓋,周邊受斷裂控制而陷落為盆地,為北京凹陷控制區(qū)域。熱儲(chǔ)層產(chǎn)狀平緩,通過斷裂破碎帶,內(nèi)部地下熱水徑流更替,局部為不透水蓋層覆蓋,得不到大氣降水和地表水的直接補(bǔ)給(局部可能有微弱降水補(bǔ)給),通過地下徑流循環(huán)得到補(bǔ)給,處于半封閉狀態(tài),地下熱水溫度和單井涌水量差異不大,水化學(xué)類型相似,為 HCO3—CL—Na型。122#和123#井所在地?zé)岙惓^(qū),由于靠近斷裂帶“通道”,在深部地?zé)嵩锤浇患訜岬母邷氐氐V水快速源源不斷的涌入淺部區(qū)域,加上穹窿上熱流的集中,于是形成了在相對(duì)較淺部位即可獲得溫度較高及特殊化學(xué)成分含量較高的熱礦水資源。122#抽水井抽水量目前為855 m3/d,出水溫度58℃,為郭莊北里小區(qū)冬季供暖服務(wù)。

3.2 儲(chǔ)量潛力估算

進(jìn)行地?zé)釢摿υu(píng)估關(guān)鍵要了解熱儲(chǔ)層各項(xiàng)參數(shù),霧迷山組熱儲(chǔ)參數(shù)見表2①?gòu)堷P娥.北京、天津低溫?zé)崽飳?duì)井開發(fā)效應(yīng)的預(yù)測(cè)研究.1992.。122#～123#熱井開采利用7a,供暖期間服務(wù)120d/a,水位降深達(dá)20 m/a。根據(jù)抽水試驗(yàn)所得Q=F(s)曲線,以及實(shí)際水量監(jiān)測(cè),熱井已提供總熱量約為:

式中Qw為熱水井平均年開采總熱量,kJ;Q20為降深20 m時(shí),出水量855 m3/d;CW為熱水平均熱容,為4.18 kJ/m3?℃;tw為地?zé)崴骄鏊疁囟?8℃;t0為取熱后平衡回灌水溫34℃;T為時(shí)間,120 d。計(jì)算得平均開采熱量1.03×107kJ/a,滿足小區(qū)供暖。

圖4 封閉型層狀熱儲(chǔ)概念模型圖Fig.4 Conceptive model of layered thermal storage with enclosed type

表2 北京熱田霧迷山組熱儲(chǔ)參數(shù)Table 2 Jxw thermal storage parameters of Beijing geothermal field

本井熱儲(chǔ)層為霧迷山組碳酸鹽巖,儲(chǔ)層利用厚度420 m,回灌井同層輸入井距82 m,以現(xiàn)有井距為安全半徑,忽略對(duì)流傳導(dǎo)能量補(bǔ)充,僅考慮現(xiàn)有靜態(tài)熱儲(chǔ)體積為8.8×106m3,根據(jù)《全國(guó)地?zé)豳Y源現(xiàn)狀評(píng)價(jià)與區(qū)劃技術(shù)要求》(中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部標(biāo)準(zhǔn)DZ 40-85)采用熱儲(chǔ)法進(jìn)行地?zé)豳Y源量計(jì)算:

式中Q為熱儲(chǔ)量,kJ;qw為流體儲(chǔ)量,包括靜儲(chǔ)量和彈性儲(chǔ)量,m3;Φ為熱儲(chǔ)巖石孔隙率(或裂隙率);V為熱儲(chǔ)體積,m3;S為彈性釋放系數(shù);h為平均承壓水頭標(biāo)高,-50 m;H為平均熱儲(chǔ)頂面標(biāo)高,-1 700 m;A為評(píng)價(jià)熱儲(chǔ)面積,m2;Cr,Cw分別為熱儲(chǔ)巖石比熱和水的比熱,kJ/kg?℃;ρr,ρw分別為熱儲(chǔ)巖石密度和水的密度,kg/m3;T1為熱儲(chǔ)溫度,58℃;T0為交換平衡溫度,34℃。

相關(guān)參數(shù)表2已列出,整合計(jì)算得靜態(tài)熱儲(chǔ)量為5.395×1011kJ,大地深部熱流不斷加熱,實(shí)際可利用熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此值,按目前每年供暖需求,單純從熱能角度出發(fā)有近10000a的遠(yuǎn)景潛力開采儲(chǔ)量。

4 結(jié) 論

為緩解集中過量開采地下熱水,出現(xiàn)熱水系統(tǒng)水位持續(xù)下降的緊張局面,地?zé)衢_發(fā)普遍采用對(duì)井、井群模式,分散布置,加強(qiáng)人工回灌補(bǔ)給,取得了良好的效果。由于地層條件復(fù)雜多變,每組對(duì)井都有各自獨(dú)特的特點(diǎn),選取122～123#對(duì)井為典型范例,目前的出水量為855 m3/d,地溫梯度2.4℃/100 m,運(yùn)行7 a至今出水溫度與成井初期溫度比較下降2℃,經(jīng)計(jì)算均供熱量為1.03×107kJ/a。利用一系列熱儲(chǔ)地層參數(shù)和對(duì)井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算出靜態(tài)熱儲(chǔ)量達(dá)5.395×1011kJ,理論上具有10000a或更久的開發(fā)潛力。尤其作為清潔能源,地?zé)豳Y源合理高效的開采應(yīng)用對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

[1] 天津市第一地質(zhì)勘探大隊(duì).天津市第三系第Ⅲ含水組多井回灌開采系統(tǒng)下水動(dòng)力場(chǎng)、水質(zhì)場(chǎng)、溫度場(chǎng)變化的數(shù)值模擬研究[R].天津:天津市第一地質(zhì)勘探大隊(duì),1988.

[2] Gringarten A.C,Sauty J.H.A T heoretical Study of Heat Extraction from Aquifers with Uniform Regional Flow[J].Geophys.Res.80,1975.

[3] 孔凡軍,李永浮.北京市地?zé)豳Y源開發(fā)的時(shí)空變化[J].資源開發(fā)與市場(chǎng),2005,21(2):117-119.

[4] 柯柏林.北京城區(qū)地?zé)崽镂鞅辈康責(zé)岬刭|(zhì)特征[J].現(xiàn)代地質(zhì), 2009,23(1):50-53.

[5] 張遠(yuǎn)東,魏加華.冰島Laugaland地?zé)崽锸聚櫾囼?yàn)與回灌溫度模擬[J].中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào),2005,22(6):763-764.