劉 斐， 胥博文，白 宇，彭紅晶

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250)

天津市子牙循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)區(qū)(簡稱產(chǎn)業(yè)區(qū))位于靜海區(qū)西南部，是我國北方最大的再生資源及有色金屬集散地，隨著產(chǎn)業(yè)區(qū)建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，對能源需求量將逐年增長，地?zé)嶙鳛榭稍偕?、環(huán)保型的地?zé)豳Y源，成為該區(qū)發(fā)展首選的資源。地?zé)豳Y源的開發(fā)不僅受地?zé)岬刭|(zhì)條件的約束，還要執(zhí)行相關(guān)規(guī)范及當(dāng)?shù)氐責(zé)峁芾聿块T的相關(guān)管理條例，才能保證既降低地?zé)衢_發(fā)的風(fēng)險，又做到合理可持續(xù)開發(fā)。本文擬從這兩方面入手，提出產(chǎn)業(yè)區(qū)地?zé)豳Y源的合理開發(fā)利用方案，為今后該區(qū)的地?zé)衢_發(fā)提供依據(jù)。

圖1 產(chǎn)業(yè)區(qū)構(gòu)造位置圖

1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

天津地區(qū)地處Ⅰ級構(gòu)造單元華北地臺的北部，縱跨兩個Ⅱ級構(gòu)造單元，即燕山臺褶帶和華北斷坳區(qū)，其間以寧河-寶坻斷裂為界(圖 1)。寧河-寶坻斷裂以南華北斷坳區(qū)進(jìn)一步劃分自西而東分別為冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷三個Ⅲ級構(gòu)造單元，其間分別以古近系缺失線和滄東斷裂為界。產(chǎn)業(yè)區(qū)構(gòu)造位置位于滄縣隆起西側(cè)的次一級構(gòu)造單元大城凸起之上，該凸起西以古近系尖滅線為界與冀中坳陷的武清凹陷相連，東以天津斷裂為界與雙窯凸起相鄰，為一個總體走向北北東，傾向北西西的單斜斷塊構(gòu)造。

1.2 地層概況

產(chǎn)業(yè)區(qū)為第四系覆蓋區(qū)，屬新生代沖積平原，揭露地層由上至下有新生界第四系、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組，古生界石炭-二疊系、奧陶系。各地層巖性特征如表1。

1.3 熱儲層特征

產(chǎn)業(yè)區(qū)地?zé)豳Y源屬沉積盆地型的中低溫地?zé)豳Y源，熱儲層呈層狀分布，形成相互較為獨立的地下熱水系統(tǒng)，與相鄰的熱水系統(tǒng)普遍相互隔絕，或者只在局部地段有微弱的水力聯(lián)系。根據(jù)地層資料分析， 4 000 m以淺熱儲層有新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、奧陶系三個熱儲層。

1.3.1 明化鎮(zhèn)組熱儲層

一般上部富水性好于下部，但因其埋深淺，水溫低，多數(shù)明化鎮(zhèn)組地?zé)峋∷挝挥谥邢虏俊Ｏ虏扛凰螏r性為砂質(zhì)泥巖與砂巖互層，以粉細(xì)砂巖為主。區(qū)內(nèi)該熱儲頂板埋深220～300 m左右，厚600～700 m，水位埋深68～72 m，孔隙度28%～36%，滲透率600～1 500 mD，單井涌水量50～80 m3/h，下段熱儲溫度30℃～50℃。該層儲集條件良好，而且發(fā)育穩(wěn)定，具有砂層發(fā)育、孔隙度大、滲透性好、埋藏淺、出水量大的特點，有一定的開發(fā)利用價值。

1.3.2 館陶組熱儲層

富水段巖性以中粗砂巖為主，水位埋深42～46 m。揭露頂板埋深900 m，揭露厚度195 m，孔隙度為20%～36%，滲透率在780～1 800 mD之間，單井涌水量60～80 m3/h，熱儲中部溫度為35℃～55℃。該層儲集條件良好，具有砂層發(fā)育、孔隙度大、滲透性好、埋藏淺、溫度相對明化鎮(zhèn)組較高的特點，有一定的開發(fā)利用價值，但西南部該儲層缺失，且缺失線附近厚度較小，造成該區(qū)域出水情況不明。

表1 產(chǎn)業(yè)區(qū)綜合地層表 m

1.3.3 奧陶系熱儲層

區(qū)內(nèi)靜海斷裂以東該熱儲埋藏較深，奧陶系與石炭-二疊系均較厚且保留較全，可知該區(qū)域奧陶系在后期沉積階段出露地面時間較短，受到風(fēng)化剝蝕較少，缺少垂直淋濾作用，所以裂隙發(fā)育狀況較差，賦水條件不好。斷裂以西，石炭-二疊系厚度相對較薄，奧陶系埋藏較淺，賦水條件較東部為好，但根據(jù)鉆孔揭露情況看，該區(qū)奧陶系也保存較全，不利于裂隙發(fā)育，因此開采也有一定的風(fēng)險。從區(qū)域資料分析，該系成井段巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育層段占總厚度20%～37%，其孔隙度為8%～9%，單井涌水量一般在40～100 m3/h之間，熱儲(中部)溫度55℃～70℃。

2 地?zé)衢_發(fā)利用可行性評價及優(yōu)化布井方案

地?zé)豳Y源的開發(fā)受地?zé)岬刭|(zhì)條件和相關(guān)規(guī)范及當(dāng)?shù)氐責(zé)峁芾聿块T的相關(guān)管理條例雙重約束，首先地?zé)豳Y源開發(fā)要具備可行性，其次其開發(fā)利用需滿足相關(guān)規(guī)范要求并符合當(dāng)?shù)匾?guī)劃，才能保證既降低地?zé)衢_發(fā)的風(fēng)險，又做到合理可持續(xù)利用。

2.1 地?zé)豳Y源開發(fā)利用可行性評價

2.1.1 地?zé)豳Y源開采的可行性分析

目前我市地?zé)峋@探深度一般不大于4 000 m，地?zé)峋┕ぶ校舨荒茔@穿目的層，一般需揭穿目的層500 m，因此本次工作以熱儲頂板埋深3 500 m，即成井深度4 000 m作為評價標(biāo)準(zhǔn)，對工作區(qū)各熱儲地?zé)豳Y源開采的可行性進(jìn)行分析。根據(jù)工作區(qū)熱儲特征分析可知，區(qū)內(nèi)明化鎮(zhèn)組、館陶組、奧陶系三個熱儲層地?zé)豳Y源全區(qū)開采可行。

2.1.2 地?zé)豳Y源開采的經(jīng)濟性分析

依據(jù)地?zé)峋某删疃龋瑓^(qū)分地?zé)豳Y源開采的經(jīng)濟性。一般分如下三個等級：

最經(jīng)濟的地?zé)峋?，成井深?1 000 m；經(jīng)濟的地?zé)峋?，成井深? 000～3 000 m；有經(jīng)濟風(fēng)險的地?zé)峋?，成井深?3 000 m。

本區(qū)各儲層地?zé)峋?jīng)濟性分析詳情見表2。

表2 各熱儲層開采經(jīng)濟性分析表

2.1.3 適宜開采程度分析

依據(jù)地?zé)峋牡責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量大小，確定適宜開采地區(qū)，主要分為：適宜開采區(qū)：地?zé)峋責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量>50 m3/d·m；較適宜開采區(qū)：地?zé)峋責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量5～50 m3/d·m；不適宜開采區(qū)：地?zé)峋責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量<5 m3/d·m；根據(jù)區(qū)內(nèi)地?zé)峋汕闆r調(diào)查，各熱儲層適宜開采程度分析見表3。

表3 工作區(qū)適宜開采程度分析表 /m3/d·m

2.1.4 地?zé)豳Y源利用范圍分析

區(qū)內(nèi)明化鎮(zhèn)組熱儲層溫度30℃～50℃，屬于低溫地?zé)豳Y源中的溫?zé)崴饕猛究蔀橄丛?、溫室、養(yǎng)殖，少部分可用于理療、供暖；區(qū)內(nèi)館陶組熱儲層溫度35℃～55℃，大部分屬于低溫地?zé)豳Y源中的溫?zé)崴?，其主要用途可為理療、洗浴、采暖、溫室、養(yǎng)殖。區(qū)內(nèi)奧陶系熱儲層溫度55℃～70℃，屬于低溫地?zé)豳Y源中的熱水，其主要用途可為理療、洗浴、采暖、溫室。

2.1.5 地?zé)豳Y源開采可行性綜合分析結(jié)果

產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)明化鎮(zhèn)組熱儲全區(qū)開采可行，且開采為最經(jīng)濟的，為適宜開采區(qū)，但溫度低，主要用途可為洗浴、溫室、養(yǎng)殖；館陶組熱儲全區(qū)除西南部缺失區(qū)外開采可行，開采基本為最經(jīng)濟的，為適宜開采區(qū)，主要用途可為理療、洗浴、采暖、溫室、養(yǎng)殖；奧陶系熱儲全區(qū)開采可行，但僅在靜海斷裂以西為開采經(jīng)濟，開采程度較適宜，靜海斷裂以東開采有經(jīng)濟風(fēng)險且開采不適宜，其主要用途可為理療、洗浴、采暖、溫室。

2.2 地?zé)豳Y源規(guī)范及規(guī)劃要求

依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范(GB/T11615-2010)》，相鄰地?zé)衢_采井井底距離不得小于地?zé)峋_采對熱儲影響半徑的2倍；對井冷熱水的混和鋒面到達(dá)開采井的時間大于100 a；

1)地?zé)峋_采對熱儲影響半徑計算

按單井允許開采量開采100 a、消耗15%左右地?zé)醿α?，采用?估算地?zé)峋_采對熱儲的影響半徑, 視其為單井開采權(quán)益保護(hù)半徑，結(jié)果見表4。

(1)

式中：Q為地?zé)峋a(chǎn)量(m3/d)；f為水比熱/熱儲巖石比熱的比值，介于3～5之間，本次取4；H為熱儲層有效厚度(m)；R為地?zé)峋_采100 a排出熱量對熱儲的影響半徑(m)。

表4 單井開采權(quán)益保護(hù)半徑計算結(jié)果一覽表

2)采灌對井合理距離計算

明化鎮(zhèn)組熱儲回灌量可按開采量的60%計算；奧陶系熱儲回灌量按可采量的90%計算；館陶組熱儲回灌量按開采量的100%進(jìn)行計算，運行100 a時產(chǎn)生熱突破時間來確定設(shè)計對井之間的合理布井距離式2，結(jié)果見表5。

(2)

式中：D為對井井底距離(m)；ρω·βω、ρα·βα為流體和熱儲層的熱容；Q為回灌量(明化鎮(zhèn)組按開采量的60%，取48 m3/h，館陶組、奧陶系60 m3/h)；b為含水層有效厚度(m)；t為冷熱水的混和鋒面到達(dá)開采井的時間(按100 a計算，每年采暖期4個月進(jìn)行回灌，t=100×4×30=12 000d)。

表5 對井井底距離計算結(jié)果一覽表

根據(jù)《天津市地?zé)豳Y源規(guī)劃(2011-2015年)》，明化鎮(zhèn)組熱儲層每年可增加開采量(20～30)×104m3；館陶組熱儲層每年可增加開采量(80～90)×104m3；奧陶系熱儲層每年可增加開采量(70～80)×104m3。

2.3 優(yōu)化布井方案

2.3.1 明化鎮(zhèn)組

本區(qū)若明化鎮(zhèn)組地?zé)峋畠H用于洗浴，可布開采井1眼；若用于供暖，在開鑿回灌井的情況下，可布開采井兩眼(圖2)。在滿足需求的情況下，地?zé)峋M可能布置于工作區(qū)東南部，井口出水溫度約45℃，井口穩(wěn)定流量80 m3/h。

2.3.2 館陶組

館陶組熱儲回灌能力較明化鎮(zhèn)組好，開采方式為一采一灌，可用于冬季采暖及洗浴。根據(jù)本區(qū)館陶組適宜性分區(qū)，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離館陶組缺失線，考慮到地?zé)豳Y源整體的賦存情況，主要布置于本區(qū)奧陶系不適宜開采區(qū)內(nèi)，以滿足該區(qū)的地?zé)豳Y源需求，最多可布館陶組地?zé)衢_采井4眼(圖2)，井口出水溫度約45℃，井口穩(wěn)定流量80 m3/h，須同時開鑿回灌井，距開采井井底距離大于585 m。

2.3.3 奧陶系

奧陶系熱儲回灌能力好，開采方式為一采一灌，主要用于冬季采暖。根據(jù)本區(qū)奧陶系適宜性分區(qū)，布置于本區(qū)奧陶系較適宜開采區(qū)內(nèi)，以滿足該區(qū)的地?zé)豳Y源需求，最多可布奧陶系地?zé)衢_采井3眼(圖2)，井口平均出水溫度約60℃，井口穩(wěn)定流量預(yù)計60 m3/h，須同時開鑿回灌井，距開采井井底距離大于447 m。

圖2 新增地?zé)衢_采井位置示意圖

3 結(jié)語

(1)產(chǎn)業(yè)區(qū)在構(gòu)造上處于Ⅲ級構(gòu)造單元滄縣隆起之大成凸起上。已揭露的地層自上而下有：新生界第四系，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組；古生界石炭—二疊系、奧陶系。

(2) 產(chǎn)業(yè)區(qū)地?zé)豳Y源屬沉積盆地型的中低溫地?zé)豳Y源，熱儲層呈層狀分布，形成相互較為獨立的地下熱水系統(tǒng)， 4 000 m以淺有新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、奧陶系三個熱儲層。

(3)產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)明化鎮(zhèn)組熱儲全區(qū)

開采可行，且開采為最經(jīng)濟的，為適宜開采區(qū)，；館陶組熱儲全區(qū)除西南部缺失區(qū)外開采可行，開采基本為最經(jīng)濟的，為適宜開采區(qū)，主要用途可為理療、洗浴、采暖、溫室、養(yǎng)殖；奧陶系熱儲全區(qū)開采可行，但僅在靜海斷裂以西為開采經(jīng)濟，開采程度較適宜，靜海斷裂以東開采有經(jīng)濟風(fēng)險且開采不適宜，其主要用途可為理療、洗浴、采暖、溫室。

(4)依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范(GB/T11615-2010)》，產(chǎn)業(yè)區(qū)明化鎮(zhèn)組、館陶組和奧陶系地?zé)釂尉疅嵊绊懓霃椒謩e為1 408 m、1 564 m和1 106 m，相鄰?fù)瑢拥責(zé)衢_采井井底距離不得小于其熱儲影響半徑的2倍；明化鎮(zhèn)組、館陶組和奧陶系采灌對井100年時產(chǎn)生熱突破的距離為466 m、585 m和447 m，同層采灌對井布井時需大于該距離。

(5)綜合產(chǎn)業(yè)區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件及規(guī)范和規(guī)劃要求，區(qū)內(nèi)可布設(shè)明化鎮(zhèn)組開采井兩眼、館陶組開采井四眼、奧陶系地?zé)衢_采井三眼；同時須按照“一采一灌”方式開鑿回灌井，須保持采灌平衡。

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