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)開發(fā)利用問題的思考

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)行開發(fā)，經(jīng)歷了快速增長、緩慢減小和快速減小等幾個階段。本論文經(jīng)過對該熱田可持續(xù)開發(fā)條件的探討，提出熱儲壓力保持不下降的條件是地?zé)醿糸_采量控制在65萬m3以內(nèi)，發(fā)現(xiàn)目前熱儲溫度和流體化學(xué)成分沒有發(fā)生較大變化，采取措施可以實現(xiàn)資源的可持續(xù)開發(fā)，但應(yīng)謹(jǐn)防大規(guī)?；毓嗫赡軐醿Ξa(chǎn)生“熱突破”。論文最后結(jié)合規(guī)劃提出幾點建議，包括建立熱儲溫度監(jiān)測系統(tǒng)、研究地?zé)嵩u價方法、推廣地?zé)峁┡椖亢椭匦逻M(jìn)行地?zé)峥辈樵u價工作。

地?zé)?；?guī)劃；可持續(xù)；開發(fā)利用

0 前言

北京市是世界上少數(shù)幾個國家擁有地?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)東南部就展開了地?zé)崞詹榭碧焦ぷ鳎?0多年來，圈定東南城區(qū)熱田面積約210km2，開鑿地?zé)峋^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)測數(shù)據(jù)顯示，該熱田開發(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)熱田累計開采地?zé)崃黧w1.37億m3，累計利用熱量為32500億千卡（平均開采溫度按55℃，排放溫度按30℃計算），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)熱田開發(fā)現(xiàn)狀

東南城區(qū)熱田作為北京市地?zé)衢_發(fā)最早、規(guī)模最大的熱田之一，經(jīng)過初期的盲目開采到80年代納入管理，再到2006年劃為嚴(yán)格限采區(qū)，近10年沒有增加開采井，只增加回灌井，開采量大幅減小。受此影響，多年來東南城區(qū)熱田的主要開采熱儲（薊縣系霧迷山組）呈現(xiàn)了以下三個開采階段（圖1）：1971—1985年為快速增長階段，薊縣系霧迷山組熱儲的開采量從幾十萬立方米開始逐年增加，1985年達(dá)到最大值420萬m3，熱儲壓力呈現(xiàn)快速下降趨勢，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的開采量從400萬m3逐漸減小到200萬m3左右，熱儲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的開采量從200萬m3左右迅速下降到150萬m3以下，同時該熱儲增加了人工回灌補(bǔ)給，回灌量從2008年之后開始基本穩(wěn)定在20～50萬m3，因此熱儲實際的凈開采量快速下降至100萬m3左右。受此影響，熱儲壓力下降速度進(jìn)一步減緩，地?zé)崃黧w靜液面年均下降1.0m。

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

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

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

綜上所述，東南城區(qū)熱田主要熱儲（Jxw）開采規(guī)模和壓力之間存在著較強(qiáng)的相關(guān)性，而次要熱儲（Jxt）開采規(guī)模與壓力之間關(guān)聯(lián)性不太強(qiáng)，但兩個熱儲壓力的變化趨勢是一致的。因此，我們推測熱田的兩個熱儲之間存在有水力聯(lián)系，可以將兩個熱儲合并為一個薊縣系熱儲統(tǒng)一考慮。近幾年東南城區(qū)熱田正在優(yōu)化資源配置，將過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┡嵤┗毓酁橹鞯难h(huán)利用方式，薊縣系熱儲凈開采量快速減少，熱儲壓力下降速度已大大減緩，熱田即將進(jìn)入可持續(xù)開發(fā)的關(guān)鍵時期（北京市國土資源局，2006）。在此，本論文將對東南城區(qū)可持續(xù)開發(fā)利用問題進(jìn)行探討，為下一步地?zé)衢_發(fā)、管理和規(guī)劃提供借鑒。

2 熱田可持續(xù)開發(fā)利用問題的探討

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

首先，我們先對東南城區(qū)熱田薊縣系熱儲壓力的平衡問題進(jìn)行探討，通過對監(jiān)測資料的分析和計算，研究地?zé)醿糸_采量和熱儲壓力變化的關(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)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且將開采規(guī)模和熱儲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（表1）。

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

從表1中可見，進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著東南城區(qū)薊縣系熱儲年均開采規(guī)模的逐級減少，地?zé)崃黧w液面年均下降幅度也逐漸減小，為了研究兩個參數(shù)之間存在的相關(guān)關(guān)系，我們繪制了動態(tài)相關(guān)圖（圖3），通過對四個點進(jìn)行擬合，得出一個擬合公式：

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為熱田年均凈開采量（m3/a）。

我們利用公式（1）可以對熱儲壓力實現(xiàn)動態(tài)平衡的條件進(jìn)行計算，假設(shè)東南城區(qū)薊縣系熱儲壓力保持不下降，即Y=0，則東南城區(qū)熱田年均凈開采量必須控制在65萬m3（圖3）。

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

從東南城區(qū)開發(fā)現(xiàn)狀分析,截止2016年，東南城區(qū)熱田地?zé)衢_采量為139萬m3，其中地?zé)峁┡_采量為48萬m3，占熱田總開采量的34%，回灌量約23萬m3，消耗量為25萬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有回灌井所致；而溫泉洗浴用量為91萬m3，占總開采量的66%，這部分流體在洗浴之后就被污染，無法回灌，因此只能全部消耗。因此，在不增加開采井的現(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，對溫泉洗浴用戶進(jìn)行調(diào)研和檢查，一方面要求用戶根據(jù)實際需求供應(yīng)地?zé)崃黧w，采取節(jié)水措施，另一方面堅決制止管網(wǎng)低溫地?zé)崃黧w的大量外排，或者采取加熱措施，或者實施回灌，保證不產(chǎn)生浪費。通過上述兩項措施，逐步將東南城區(qū)薊縣系熱儲的凈開采量減至65萬m3，實現(xiàn)熱儲壓力不下降。

其次，我們對東南城區(qū)熱田薊縣系熱儲溫度進(jìn)行探討。通過長年對地?zé)衢_采井生產(chǎn)溫度的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，各開采井的生產(chǎn)溫度保持穩(wěn)定，說明熱儲埋藏深，儲存的熱量大，熱儲溫度一般不容易受到影響。但是自從實施地?zé)峄毓嘀?，由于增加了低溫流體的補(bǔ)給，熱儲溫度極有可能會降低。為此，我們重點對東南城區(qū)開展回灌的5家單位實施了溫度監(jiān)測。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℃，長時間回灌之后，回灌井反抽時的流體溫度普遍下降5℃～10℃，但開采溫度沒有發(fā)生較大變化。說明目前東南城區(qū)熱田的回灌強(qiáng)度小，回灌流體進(jìn)入熱儲后聚集在回灌井周圍，形成“冷團(tuán)”，它們沒有很快運移到開采井，所以沒有引起開采溫度的降低，但隨著回灌強(qiáng)度的增大，回灌時間的延長，這些冷團(tuán)會逐漸向外移動，如果熱儲沒有足夠的熱量補(bǔ)給，這些冷團(tuán)不能及時加熱，開采井溫度勢必會出現(xiàn)下降，形成“熱突破”。因此，在大規(guī)模實施地?zé)峁┡突毓嗟耐瑫r，應(yīng)加大對熱儲溫度的監(jiān)測，查明熱儲加熱回灌冷團(tuán)的能力，研究地?zé)峄毓鄰?qiáng)度與熱儲溫度平衡的關(guān)系，科學(xué)合理的進(jìn)行生產(chǎn)。

最后，我們還對東南城區(qū)熱田薊縣系熱儲中的流體化學(xué)成分進(jìn)行探討。通過長年取樣化驗發(fā)現(xiàn)，該熱田流體化學(xué)成分變化很小，說明熱儲埋藏深，地?zé)崃黧w運移緩慢，流體化學(xué)成分不容易受到影響。目前地?zé)峄毓嘀饕抢瞄_采的地?zé)崃黧w，經(jīng)過換熱器后直接灌入同一熱儲層，因此也不會對熱儲流體化學(xué)成分產(chǎn)生影響。

綜合來看，目前東南城區(qū)熱田通過資源整合、采取節(jié)能措施、加大回灌力度，基本可以實現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)，但必須加大熱儲溫度的監(jiān)測和影響研究，謹(jǐn)防地?zé)岽笠?guī)?；毓嘈纬伞盁嵬黄啤?。

3 結(jié)論和建議

3.1 結(jié)論

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

（2）通過利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，推測東南城區(qū)熱田薊縣系熱儲年均凈開采量控制在65萬m3可以保持熱儲壓力平衡，下一步應(yīng)整合資源，加大回灌力度，繼續(xù)減小消耗量，實現(xiàn)熱儲壓力不下降。

（3）東南城區(qū)實施地?zé)峄毓鄬?dǎo)致回灌井周邊熱儲溫度小幅下降，但沒有引起區(qū)域熱儲溫度的變化，下一步應(yīng)加大溫度監(jiān)測力度，查明地?zé)峄毓鄬醿囟鹊挠绊憽?/p>

（4）東南城區(qū)實施同層地?zé)峄毓啵粫醿α黧w化學(xué)成分產(chǎn)生較大影響。

3.2 建議

通過對東南城區(qū)熱田地?zé)峥沙掷m(xù)開發(fā)利用問題的探討和研究，結(jié)合2006年的規(guī)劃，我們提出以下幾點建議：

（1）建立熱儲溫度監(jiān)測系統(tǒng)，研究地?zé)豳Y源評價方法

隨著地?zé)衢_發(fā)模式的轉(zhuǎn)變，原來基于單一開采模式的地?zé)豳Y源評價方法已經(jīng)不適用，建議針對采灌循環(huán)利用模式建立熱儲溫度監(jiān)測系統(tǒng)，研究一套地?zé)豳Y源評價方法，重點對可采熱量進(jìn)行計算和評價。

（2）建議重新進(jìn)行地?zé)峥辈楹驮u價

東南城區(qū)熱田受勘查程度限制，過去沒有詳細(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)化開發(fā)。隨著近幾年鉆井?dāng)?shù)量的增多，地質(zhì)、動態(tài)、流體化學(xué)等資料也更為豐富，應(yīng)重新開展一次地?zé)峥辈楹驮u價工作，探討熱田內(nèi)、熱田間的水力聯(lián)系，利用數(shù)值模型對熱田資源量進(jìn)行評價，為地?zé)峁芾砗鸵?guī)劃奠定基礎(chǔ)。

（3）建議推廣地?zé)峁┡椖?/p>

東南城區(qū)地?zé)崽镌?006年規(guī)劃時劃設(shè)為嚴(yán)控開采區(qū)，提出2020年開采量控制在350萬m3，回灌量100萬m3，實際消耗250萬m3。而從2010年開始，該熱田得開采量一直處于下降狀態(tài)，2016年開采量只有139萬m3，回灌量23萬m3，實際消耗116萬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)控開采區(qū)、原則上不再增大開采量，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)，開采井?dāng)?shù)、總開采量及實際消耗量的減少是必然趨勢。照此發(fā)展，2020年的實際開采量、實際消耗量將遠(yuǎn)小于“規(guī)劃”控制目標(biāo)，地?zé)徇@一綠色能源的優(yōu)勢將很難發(fā)揮，地?zé)嵋矊⒁恢痹凇氨Ｗo(hù)”而不能“顧開發(fā)”。

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

北京市地質(zhì)工程勘察院，2016. 2016年北京市地?zé)豳Y源動態(tài)監(jiān)測報告[R].

北京市國土資源局，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. 中國地?zé)豳Y源開發(fā)與保護(hù)[M].北京：中國地質(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.