1 前言

 

  河北省地熱資源豐富，地熱開采始于二十世紀八十年代。二十世紀九十年代后，隨著經濟的不斷發(fā)展，對地熱資源的需求不斷增加，地熱資源開采規(guī)模呈不斷擴大趨勢，特別是近十年來，地熱井數量及開采量迅速增加，水位出現了較大幅度下降，對地熱資源可持續(xù)開發(fā)極為不利。一方面，熱儲層水頭壓力大幅減小，導致地熱井出水能力降低，開采難度增大; 另一方面，水位下降造成地熱水流場改變，在一定程度上影響地熱水水溫、水質的變化。

 

  2 河北省地熱資源開發(fā)利用現狀

 

  河北省地熱資源開采呈逐年增大趨勢，至2011年，河北省山區(qū)地熱井數量達77 眼，平原區(qū)地熱井369 眼。地熱井分布不均勻，主要集中于縣城及市區(qū)，形成縣市區(qū)集中開采區(qū)，目前河北省地熱資源集中開采區(qū)主要有18 處，其中平原區(qū)集中開采區(qū)15處，分布在廊坊市區(qū)、雄縣縣城、滄州市區(qū)、肅寧縣城、任丘市區(qū)、河間市區(qū)、獻縣縣城、黃驊市區(qū)、衡水市區(qū)、阜城縣城、深州市區(qū)、故城縣城、棗強縣城、辛集市區(qū)、新河縣城，山區(qū)集中開采區(qū)3 處，分布在遵化市湯泉、張家口市后郝窯、平山縣溫塘，主要用于冬季供暖、洗浴、療養(yǎng)及養(yǎng)殖。

 

  3 地熱資源動態(tài)特征

 

  3． 1 山區(qū)地熱資源動態(tài)

 

  3． 1． 1 開采量及水位動態(tài)特征

 

  河北省山區(qū)地熱資源主要用于療養(yǎng)。由于常年規(guī)模開采，水位呈不斷下降態(tài)勢，其中遵化市湯泉、張家口后郝窯集中開采區(qū)水位降速較大，分別達0． 71、0． 72m/a，平山縣溫塘鎮(zhèn)集中開采區(qū)降幅相對較小，年降速為0． 63m/a。水位降速與開采期及開采量密切相關，水位變化總的規(guī)律: 1) 水位降速隨開采量增加呈增大趨勢。2) 當開采規(guī)模穩(wěn)定時，水位降速隨開采時間而變化，開采初期水位降速較大，隨著開采時間的延長，水位降速呈逐漸變緩趨勢。如平山縣溫塘鎮(zhèn)集中開采區(qū)，地熱開采始于1998 年，2007 年以前年開采量保持在80 ×104m3 左右，之后開采規(guī)模逐年增大，2011 年開采量增大至116． 17 ×104m3。穩(wěn)定開采初期( 1998 ～ 2002 年) 水位年均降速達0． 83m/a，穩(wěn)定開采后期( 2002 ～2007 年) 水位年均降速減小為0． 33m/a， 2008 年后由于開采規(guī)模增大，水位降速呈增大趨勢，達1． 90m/a。

 

  3． 1． 2 水溫動態(tài)

 

  隨著開采規(guī)模的增大，山區(qū)地熱水水位較開采初期均有較大幅度下降，導致地熱水系統(tǒng)補徑排條件發(fā)生改變，受表層低溫水補給量增加影響，水溫呈降低趨勢，如平山縣溫塘鎮(zhèn)郵電賓館井，1996 年成井時水溫為67℃，2010 水溫降至64． 8℃。張家口后郝窯大唐1 井，1971 年成井時水溫達72℃，2006年測得水溫69℃，2010 年水溫降至68℃。

 

  3． 2 平原區(qū)地熱資源動態(tài)

 

  3． 2． 1 年內水位動態(tài)特征

 

  河北平原區(qū)地熱資源利用以冬季供暖為主。冬季開采期，水位呈下降態(tài)勢，一般年初采水量最大，水位亦降至年內最低，進入2 月份由于氣溫變暖，采水量減小，水位出現小幅度上升，3 月中旬供暖結束，水位開始進入上升期，且上升幅度呈由大到小變化規(guī)律，至第二年11 月中旬供暖前水位達到最高點。以雄縣集中開采區(qū)牛65，井為例，多年來，水位呈波浪式下降態(tài)勢。開采初期，由于開采量較小，年內水位升降起伏較小，隨著開采規(guī)模不斷增大，年內水位升降起伏幅度逐漸增大。

 

  3． 2． 2 多年水位動態(tài)特征

 

  開采初期，河北平原多處地熱井呈自流狀態(tài)。

 

  平原區(qū)15 處集中開采區(qū)中，10 處開采初期地熱井呈自流狀態(tài)，占67%，自流高度一般0． 5 ～ 10m。隨著地熱水的不斷開采，地熱水水位呈不斷下降態(tài)勢，目前集中開采區(qū)水位埋深一般為50m 左右，最深達103m。地熱水水位下降速率主要受地熱水開采規(guī)模影響，開采初期，開采規(guī)模較小，水位下降速度較慢，近幾年，地熱資源開采規(guī)?？焖僭鲩L，集中開采區(qū)地熱水水位降速明顯增大，見圖3。以深州為例，地熱開采始于1998 年，自流高度約1． 0m，2002 年以前僅有地熱井3 眼，年開采量為68 × 104m3，由于開采量較小，地熱井一直處于自流狀態(tài)。2003 ～2009 年，地熱井數量及開采量呈小幅度增加，水位亦呈小幅度下降趨勢，年降速為1． 9m/a，2009 年開始，隨著開采井的快速增加，開采量增大( 年開采量達215 × 104m3 ) ，地熱水水位快速下降，年降速達15． 9m/a。

 

  3． 2． 3 構造位置對地熱水水位降幅的影響分析由于各集中開采區(qū)所處的構造單元不同，熱儲層地質條件有所差異，其富水性具有一定的差異。

 

  將典型地熱集中開采區(qū)水位變化與開采量變化進行對比，見圖3、4，發(fā)現各集中開采區(qū)隨開采量增加水位下降幅度不盡相同，呈現出相同開采規(guī)模條件下深凹陷構造單元區(qū)地熱水水位降幅較其它區(qū)域大的特征。如深州開采區(qū)位于冀中凹陷構造單元，屬于深凹陷區(qū)，其熱儲層孔隙度較小，僅為20% 左右，2011 ～ 2012 年水位降幅與年單位面積開采量之比為1． 69 ×10 －4m/m3·km2。黃驊開采區(qū)位于黃驊臺陷構造單元區(qū)，孔隙度約30%， 2011 ～2012 年水位降幅與年單位面積開采量之比為0． 85 ×10 －4m/m3·km2。

 

  圖3 河北平原典型地熱集中開采區(qū)水位動態(tài)曲線圖4 河北平原典型地勢集中開采開采量動態(tài)曲線3． 2． 4 地熱井出水能力變化特征

 

  隨著地熱水水位的下降，單位涌水量呈減小趨勢，如辛集市區(qū)辛熱1 井， 2009 年冬季供暖初期，開采水位下降35． 6m ，單位涌水量為2． 697m3 /h·m，供暖高峰期，開采水位下降90． 15m，單位涌水量減小為0． 732m3 /h·m。任丘縣集中開采區(qū)，隨著水位的下降，地熱井出水能力不斷減少， 2010 年靜水位已降至103m，同等降深情況下出水量僅為開采前期的1/2。

 

  3． 2． 5 水溫變化特征

 

  平原區(qū)熱儲層屬于半封閉水文地質環(huán)境，補給量小且補給路徑較長，地溫場較為穩(wěn)定，多年來水溫、水質無明顯變化。

 

  4 地熱水水位下降的危害

 

  4． 1 資源枯竭

 

  多年來，河北省地熱水水位的不斷下降，對地熱資源開發(fā)造成較大影響，部分地熱井開采過程中出現抽空現象，局部地熱井已出現報廢。如任丘集中開采區(qū)，20 世紀80 年代至90 年代處于地熱開采旺盛期，單井出水量約80m3 /h，經過20 多年的開采，靜水位已達103m，動水位降至200m 左右時出水量僅為40m3 /h，水位下降造成提水困難。任丘地熱田地熱水資源已處于半枯竭狀態(tài)，多數地熱井已被迫關閉，地熱資源開發(fā)已處于停滯狀態(tài)。深州市集中開采區(qū)，近兩年來由于開采量劇增，水位以約

 

  15． 9m/a的降速下降，造成地熱井抽空，嚴重影響地熱資源的正常開發(fā)。

 

  4． 2 地面沉降災害隱患

 

  河北平原地熱資源主要賦居于新生界第三系，由于第三系地層成巖性較差，當地熱水水位下降后，熱儲層內水壓力減少，熱儲層骨架的內水壓力與上覆地層壓力形成的天然受力平衡狀態(tài)遭到破壞，在上覆地層壓力下，熱儲層出現壓縮，從而造成地面沉降，對地面建筑設施造成破壞。

 

  5 地熱資源動態(tài)預警

 

  動態(tài)預警的目標是通過控制單井開采量及水位降深，控制開采總量不突破可開采量，保證地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用。預警系統(tǒng)可實現動態(tài)自動監(jiān)測及動態(tài)預警兩個功能。首先建立動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，獲取地熱井開采量及水位動態(tài)數據，然后通過在預警系統(tǒng)模塊中對地熱井開采量及水位的允許極值進行報警設定，當實際開采情況達到臨界值時，予以報警提示。

 

  5． 1 地熱資源動態(tài)預警系統(tǒng)概況

 

  5． 1． 1 主要設備

 

  該系統(tǒng)主要設備由動態(tài)監(jiān)測采集器、遠程傳輸模塊、數據接收服務器及動態(tài)監(jiān)測預警軟件組成。

 

  其中動態(tài)監(jiān)測采集器包括溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器，用于測定地熱井出口溫度、水位及開采量。溫度傳感器及流量傳感器安裝于地熱井抽水主管道，液位傳感器安裝于井內動水位以下位置。

 

  5． 1． 2 動態(tài)預警系統(tǒng)工作原理

 

  溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器實時對地熱井水位、水溫、開采瞬時流量及累計開采水量進行監(jiān)測，監(jiān)測數據通過GPＲS 遠傳模塊無線傳輸至監(jiān)測中心服務器，監(jiān)測預警系統(tǒng)軟件自動對數據進行存儲，形成監(jiān)測數據庫，并自動生成水位、水溫、水量實時變化曲線，以此實現地熱水水位、水溫、水量可視化監(jiān)測平臺。當地熱井水位、水量達到預警參數設置值時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號。

 

  5． 2 預警系統(tǒng)參數選取及設置

 

  5． 2． 1 預警參數選取

 

  地熱水水位直接影響地熱井涌水量，地熱井開采量又決定了地熱水水位下降速率。該預警系統(tǒng)將地熱井水位最大值作為第一預警參數，單井涌水量作為第二預警參數。

 

  1) 單井瞬時涌水量確定。根據地熱井抽水試驗數據，以穩(wěn)定水位最大涌水量作為單井允許涌水量。

 

  2) 水位最大值。為地熱井現狀靜水位與年允許靜水位降速之和。

 

  3) 靜水位年允許降速確定原則。保證開采期內地熱井正常開采。根據穩(wěn)定流抽水試驗動水位降深及現狀地熱井設備提水能力，在動水位不超過150m 的前提下，以50 年作為開采年限確定的靜水位年降速，作為允許降深預警參數。即:

 

  v = 150 － S1 － S250

 

  其中: v 為靜水位年允許降深，m; S1為現狀靜水位埋深，m; S2: 動水位降深，m;

 

  5． 2． 2 預警系統(tǒng)設置

 

  在預警模塊中通過水位最大值和單井涌水量兩個預警參數對各監(jiān)測地熱井預警閥值進行設置。預警參數設置模式見圖5。當水位或單井涌水量預警參數達到預警臨界值時，系統(tǒng)自動報警。

 

  5． 3 地熱資源動態(tài)預警系統(tǒng)運行結果

 

  對地熱井水位、瞬時流量、累計流量、井口水溫進行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每小時采集一次，監(jiān)測數據通過遠程模塊上傳至服務器數據中心，以數據庫的形式進行存儲，并對累計流量、瞬時流量、水位、井口水溫監(jiān)測數據自動生成可視變化曲線。以辛一建熱1井為例。

 

  3) 在復雜的砂頁巖地區(qū)，由于地層變化較大造成人工挖孔擴底樁樁長相差較大，當樁端進入穩(wěn)定持力層后，其應不會對樁基變形造成顯著影響。

 

  4) 在復雜的砂頁巖地區(qū)，通過對檢樁數據進行統(tǒng)計分析表明: 在持力層巖石強度及厚度滿足要求的條件下，沉降量隨著裂隙發(fā)育程度有增大的趨勢;巖石裂隙發(fā)育程度是影響樁基沉降的主要因素之一，在以后的類似工程中要引以重視。