陳迎輝

（河北省地礦局第三地質大隊，河北張家口075000）

目前對山間盆地地熱田可開采量計算尚沒有統(tǒng)一的計算方法與標準，實踐中多根據情況采用均衡法、解析法、比擬法、開采試驗法等多種方法確定，本文以冀西北某山間盆地地熱田為例，采用以多年動態(tài)觀測為依據的均衡法和解析法計算在熱流體可采資源量，對比分析，指出各自特點。

1 地熱田概況

冀西北某地熱田位于山間盆地中，蔚縣－延慶深斷裂帶內，有兩條北北東向斷裂通過，同時，還有三條北東東和兩條北西向斷裂呈棋盤狀交匯于此。從可控源電阻率剖面和淺層地溫異常分布情況分析，斷裂相交的位置出現明顯的低阻帶，是地熱田淺層水溫最高的區(qū)域，推測為深部熱水上涌的主要通道。熱水沿斷裂上涌，對新生代孔隙含水層形成補給，并向四周擴散，通過熱量交換導致一定范圍內新生代孔隙含水層溫度升高，形成淺層的地熱異常區(qū)。

從地熱田的形成和熱水運動機理來看，熱田在深部和淺部分為兩種類型的熱儲。深部熱儲是大氣降水入滲地下，經深循環(huán)到斷裂破碎帶的儲水空間中，或巖漿冷凝產生的原生水直接賦存在斷裂破碎帶形成的基巖裂隙型熱儲。淺部熱儲是深部熱儲中的熱水沿深大斷裂上涌到新生代地層，與冷水混合熱量交換，形成的淺部孔隙型熱儲。深部熱儲是淺部熱儲基礎和成因前提條件，是淺部熱儲熱量的來源，淺部熱儲是深部熱儲的熱能釋放通道和熱水排泄通道。

地熱模型概化深部熱儲埋深210～3000m，厚度2790m，面積約4.1km2，熱儲范圍內中心區(qū)域推測熱儲溫度較高，面積0.6km2。淺部熱儲屬于層狀熱儲，埋深在35～210m，厚度175m， 依據水井測溫確定熱儲溫度，以25℃的水溫等值線作為淺部熱儲的邊界，面積約5.67km2。深部熱儲和淺部熱儲大部分重疊，二者相加后地熱田總面積6.56km2。淺部熱儲上部包氣帶視為熱儲蓋層，厚度一般在20～50m 左右，主要受地形影響，熱田范圍內變化大，平均厚度35m。

淺部熱儲按熱水區(qū)（＞60℃最高88℃）、溫熱水區(qū)（40℃～60℃）和溫水區(qū)（25℃～40℃）分為3 個區(qū)，熱儲溫度分別按其平均值計算，即74℃、50℃和37.5℃。見表1。

表1 地熱田淺部熱儲分區(qū)面積溫度一覽表

因淺部熱儲埋藏較淺，不具備熱源條件，并非真正意義上的熱儲，是深部熱儲熱能和熱水釋放的通道，其熱能是由深部上涌熱水傳導至介質儲存，深部熱儲和淺部熱儲的分層依據僅是基巖裂隙和孔隙含水層的區(qū)別，兩層熱儲的熱能來源均來自深部巖漿余熱或深層地熱增溫。淺部第四系包氣帶屬于熱儲蓋層，由于包氣帶不含水，熱傳導速率較小，對潛水含水層中地熱水起到保溫作用，包氣帶厚度隨地下水位升降而動態(tài)變化。

2 淺部地熱水動態(tài)

通過收集過去一些代表性地熱井的水位資料，進行對比分析可以發(fā)現熱田水位多年變化的總體趨勢。近40年來地熱田淺部熱儲的水位呈現下降趨勢，熱田中心區(qū)水位累計下降10～16m，年均下降0.25～0.45m，熱田南部邊緣地區(qū)水位累計下降小于10m，年均下降約0.25m左右。同時期區(qū)域總體地下水位平均累計下降11.8m，年均下降約0.26m左右。淺部熱儲熱水水位下降值與年下降速率均與區(qū)域冷地下水水位下降值與年下降速率差別較小，認為地熱水開采對區(qū)域地下水流場未造成影響。

3 可采資源量資源計算方法與原則

地熱田屬于低溫地熱田（Ⅱ-3）型，其特征為兼有層狀熱儲和帶狀熱儲特征，彼此存在成生關系，地質構造條件比較復雜。深部裂隙型熱儲計算深度達目前物探資源可以推測的3000m 深度，邊界以物探推斷邊界為依據；淺部熱儲按熱儲溫度≥25℃，作為地熱資源評價的溫度下限，進行地熱資源/儲量計算，資源計算分區(qū)進行，按溫水區(qū)（25℃≤t＜40℃）、溫熱水區(qū)（40℃≤t＜60℃）和熱水區(qū)（t≥60℃）分別進行計算。

以均衡法和解析法按不同溫度分區(qū)計算地熱資源可開采量，兩者進行對比分析。由于淺部熱儲能量來自于深層熱儲的地熱水涌出，淺層熱儲研究程度高于深層熱儲，因此將淺層熱儲的可開采量作為地熱田的可開采量，以深層熱儲開采系數法計算的可開采量做對比分析。

淺部熱儲“均衡法”計算依據來源為兩熱田近期11年的開采量統(tǒng)計、水位水溫觀測數據，解析法單井出水量以計算區(qū)域內各開采井開采降深25m平均出水量為計算單井出水量依據，以群孔抽水試驗計算確定的合理井距，并依據現狀抽水試驗平均井距乘以水位削減系數，綜合確定可開采計算井距，可布井面積是熱田面積扣除地熱規(guī)劃的禁止開采區(qū)范圍和大面積地表建筑區(qū)后的范圍面積。

4 主要計算參數

熱田淺部孔隙型熱儲計算面積按地表水井測溫繪制的25℃等溫線圈定范圍，總面積約為5.67km2，其中熱水區(qū)（≥60℃）面積0.33km2，最高溫度88℃，溫熱水區(qū)（40℃≤t＜60℃）面積0.95km2，溫水區(qū)（25℃≤t＜40℃）面積4.39km2。在熱田外圍地熱異常區(qū)（15℃≤t＜25℃）區(qū)域面積是7.96km2。區(qū)域大于15℃地熱異常面積13.63km2，熱儲溫度取區(qū)域中間值，熱儲厚度的確定以鉆探錄井資料為主，結合物探資料、地形地貌等綜合確定熱儲厚度。后郝窯地熱田松散含水層厚度取值210m，蓋層厚度取值35m，即包氣帶厚度，為地下水位區(qū)域多年平均值，熱儲厚度取潛層水位以下潛水含水層厚度175m，見表2。

表2 后郝窯熱田淺部層狀熱儲分區(qū)面積厚度統(tǒng)計表

熱田有效布井系數取0.60，奚家堡熱田受地熱規(guī)劃限定的交通干線附近200m 范圍不允許開采地下水影響，取值0.35，取值均偏小，有利于提高資源量計算的可靠程度和保障程度。井田內多井開采時會相互干擾，導致單井一定降深條件下出水量相比單獨抽水時少，根據本次干擾抽水試驗計算結果，結合前人研究資料，考慮熱田有效布井面積系數相對較小，井距較影響半徑要大，井群開采相系干擾程度相對減少的前提條件，綜合確定在設定降深條件下，熱田井群干擾系數為0.82，即出水量減少18%。

淺部熱儲屬于層狀潛水含水層，單井最大允許降深取產能試驗穩(wěn)定降深數據和熱田范圍內調查穩(wěn)定降深，在綜合統(tǒng)計計算的基礎上，降深數據值取0.75的安全保障系數，綜合確定熱田30m。最大允許降深數據是經抽水試驗驗證，證明經濟可行的，可以達到的，并且調查熱田內其它地熱井的最大降深目前達到或超過這個數據。熱田有效孔隙度取值3%。

5 可采資源量計算

地熱資源的熱能最終要以開采地熱水來實現，所利用的地熱能只能是開采地熱水所帶出的那部分熱量。計算地熱資源可開采量主要是計算地熱水的可開采量及其可利用的熱量熱田均具有一定的開采歷史，積累了一些開采量和長期動態(tài)監(jiān)測資料，并有產能試驗資料，因此，采用“均衡法”和“解析法”計算淺層熱儲地熱資源可開采量，對兩種計算方法進行對比分析，選用可靠程度高計算依據更充分保障程度高的計算結果作為地熱流體可開采量。熱田為深淺兩層熱儲的雙層結構，淺部熱儲并非嚴格意義上的熱儲，淺層熱儲的地熱流體來源于深層熱儲斷裂破碎帶或與深層地熱流體熱量交換升溫的冷地下水，其補給源是周邊山區(qū)的大氣降水，經深部加熱，溶解大量礦物質后，在壓力作用下，上涌至松散含水層，與常溫地下水混合，逐漸降溫、開采。目前條件下僅開采淺層熱儲地熱水，所以淺層熱儲地熱流體可開采量即為熱田地熱流體可開采量，同時采用“開采系數法”計算深部熱儲地熱流體可開采量，用來對比分析熱田地熱流體可開采量。

（1）解析法。采用解析法計算設計條件下的單井出水量，以平均布井法計算出熱田可布井數，可開采井出水量總和即為熱田可開采量。

淺層熱儲的地熱田平均滲透系數3.75m/d，綜合平均單位涌水量為31.25m3/（d·m）。計算可開采量降深為淺部熱儲含水層厚度175m 的1/4，并設定約0.68 的保留安全系數，結合調查熱田地熱田開采降深范圍，進行對比，綜合確定設計開采降深30m。熱田內綜合確定開采降深30m 最大影響半徑280m。根據地熱田地面布局和已有工程，結合最新地熱水保護與開發(fā)利用規(guī)劃，綜合確定有效布井面積系數0.6，井群開采干擾系數0.82，地熱田按開采100年計算。

通過計算，熱田面積5.67km2范圍內可布井10.85眼，設計降深30m，井群開采時考慮井群干擾系數條件下，單井出水量768.75m3/d，即32.03m3/h，熱田內年開采總量為304.43×104m3，即8340.80m3/d，單位面積開采強度 53.69×104m3/（a·km2），即1471.04m3/（d·km2），各地熱分區(qū)開采量見表3。

表3 后郝窯熱田解析法計算地熱流體可開采量分區(qū)統(tǒng)計表

（2）均衡法。均衡法或稱排泄量法，亦即在補排基本均衡、水位基本保持穩(wěn)定的狀態(tài)下的可開采量，按現狀地熱田水位保持穩(wěn)定狀態(tài)下開采量統(tǒng)計法即屬于均衡法，或稱熱平衡法，但需說明的均衡條件是現狀開采狀態(tài)下水位基本維持穩(wěn)定。

根據地熱田地質條件的地熱流體動態(tài)變化特征，動態(tài)分析綜合研究認為近階段11年的現狀開采狀態(tài)下水位基本維持穩(wěn)定，水溫基本穩(wěn)定，熱田范圍和空間形態(tài)保持基本穩(wěn)定，認為多年地熱田開采未超過補給量。

在地熱田多年補排基本前提條件下，參照歷史開采量、水位、水溫動態(tài)變化對比，在小于平均開采量條件下，熱田地下水位、水溫呈上升狀態(tài)，分析認為，在小于平均開采量條件下，地下熱水補給量大于開采量，在小于多年平均開采量條件下，開采量越小，地下水位水溫上升幅度越大?？紤]到區(qū)域地下水流場多年呈下降趨勢的現狀，同時考慮水溫有下降趨勢，本次均衡法可開采量計算將近期11年地下水開采量統(tǒng)計的最小值作為熱田可開采量數據，可開采量保障程度高，資源計算可靠。

熱 田 2009～2019 年 11 年 期 間 在（236.70～310.38）×104m3/a 之間，平均276.43×104m3/a，基本保持在一個相對穩(wěn)定的區(qū)間。水溫在72.0℃～74.1℃之間，變幅2.1℃，平均73.4℃。地下水位471.11～475.55m之間，變幅4.44m，平均473.03m。2019年開采量236.70×104m3為統(tǒng)計11 年期間的最小值，因此將236.70×104m3/a 即6484.93m3/d，作為熱田均衡法計算確認為地熱流體可開采量。

解析法和均衡法資源儲量計算結果見表4。解析法計算熱田地熱流體可開采量要比均衡法多67.73×104m3/a；多出約29%。解析法相比均衡法還存在如下問題：

以均衡法計算熱田236.70×104m3/a即6484.93m3/d，作為地熱流體可開采量。

6 結論

表4 解析法和均衡法資源儲量計算結果對比表

（1）解析法各地熱分區(qū)開采量是按熱田平均開采強度來計算的，沒有均衡法在人為選擇性傾向情況下，溫度高的多開采，溫度低的少開采，地熱能量利用效率較低；

（2）解析法未考慮水均衡條件，即未考慮開采量是否大于補給量，長期開采可能造成地下水位下降；也未考慮熱平衡，開采熱量如果大于深層熱水涌出帶來的熱量，長期開采可能造成水溫降低；

（3）解析法未經開采驗證，只是通過數學計算得出的可開采量，未經實際驗證，也未經長期開采驗證，保障程度和可靠性較低；

（4）解析法計算結果比均衡多出約29%，在同一地區(qū)，解析法的保障程度要低于均衡法；

（5）均衡法計算的可開采量是從長系列開采量中選擇了保障程度最高的長系列最低開采量作為可開采量，保障程度高；在人為選擇性影響下，熱田熱水區(qū)（t≥60℃）的開采強度是溫水區(qū)（25℃≤t＜40℃）的3.3倍，地熱利用效率高；開采歷史時期，最低開采量條件下，水位水溫均呈上升趨勢，說明深層熱水補給量和補給能量均大于開采量，呈正均衡狀態(tài)，可保證長期開采；均衡法可開采量經長期驗證，開采能力沒有問題；可開采總量相比解析法低，保障程度更高。