深层地热水开采与地面沉降的关系研究

1、34 水文地质工程地质2006年第3期深层地热水开采与地面沉降的关系研究林 黎,赵苏民,李 丹,马风如,李会娟(1 中国地质大学,北京 100083;2 天津地热勘查开发设计院,天津 300250)摘要:本文根据天津塘沽区深层地沉观测标观测到的地面沉降数据,分析了深层地下热水开采对地面沉降的影响比例。在分析地热水开采引起地面沉降机理的基础上,通过统计回归方法建立了深层孔隙型地热水开采量与地面沉降量的相关模型;提出了进行地热尾水回灌和建立深层沉降监测网以加强综合研究的防治对策。关键词:孔隙型地热水;正常固结地层;地面沉降中图分类号:P314 1;P642 26 文献标识码:A 文章编号:1000

2、 3665(2006)03 0034 041,21,21,222众所周知,地下水的过量开采将导致地面沉降。为了定量研究地下水开采量与地面沉降的关系,并为控制地面沉降提供科学依据,天津市共建立了64个沉降观测分层标孔(分为基岩和松散层),其中包括为监测深层地下热水开采引起的地面沉降,于1990年在塘沽区深层热水集中开采区(新开里)专门施工的一眼650m深层地沉观测标。塘沽区因其主要开采深层松散孔隙型地下热水而使地面沉降较为显著,加之地面沉降观测资料较为齐全,故本文以塘沽区为例开展专门研究。哪些层位,分层沉降量占总沉降量的比例有多大是值得关注的。根据分层沉降标数据,各组地层变形量列于表2。由表2可

3、以看出,因深层地下水开采引起的地面沉降量比例在逐年增加。这是因为地下水开采由以前的主要开采二、三组浅层地下水变为主要开采四组以下的深层地下水,相应深部地层压缩引起的沉降量在总沉降量中所占的比重增加。表2 各组地层沉降量Table2 Thesubsidenceofstrataofdifferentgroups含水组一组二组三组四组下底板深(m)9019030040019896 6 17 313 3 34 914 7 38 638 1沉降量(m) 占总沉降量的比例(%)199111 8 24 110 4 21 327 0 55 248 919933 0 18 14 4 26 516 619941

4、1 3 44 0 12 432 319960 02 1 15 813 31 地面沉降与地热水开采19852000年塘沽区总沉降量为0 474m,年地面沉降监测值见表1。显然,该区地面沉降量在反复中逐年递减,由1985年的年沉降100mm降为2000年的27mm。这是因为引滦入津工程的实施,改变了塘沽区的水源结构,地下水开采量明显减少的缘故。表1 塘沽区(200km2)年平均沉降速率Table1 AnnualaveragerateoflandsubsidenceintheTangguarea(200km2)年份沉降量(mm)年份沉降量(mm)198510019931519865019942619

5、87431995101988291996131989441997141990191998141991241999131992302000273 5 9 2-0 3 -0 61 2 7 20 3 0 9-0 8 -6 08 0 48 226 9 83 312 0 90 2沉降量合计随着产生地面沉降主要层位的下移,研究深层地热水开采对地面沉降的影响是十分必要的。塘沽区在深层热水集中开采区专门设立了650m深层地沉观测标,其观测到的沉降数据见表3,相应的新近系热储层地热水年开采量也列于表3中。表3 新近系热储层沉降量与开采量关系Table3 Relationshipbetweenexploitati

6、onandlandsubsidenceoftheTertiarygeothermalreservoir年份沉降量(mm)开采量( 104m3 a)19935 119944 8919955 8419965 8520025 9220035 61塘沽区地面沉降由历史上的急剧下沉转变到现在的稳定控制,成绩是可喜的。目前这些沉降量分布在收稿日期:2005 08 17;修订日期:2005 12 04作者简介:林黎(1963 ),男,博士研究生,高级工程师,研究方向为水文学与水资源环境。E mail:linli1818381 88373 47445 83446 83447 48426 25我们认为深层地沉观

7、测标观测到的数据是自然因素和人为因素综合作用的沉降结果。因自然因素引起的地面沉降量很小,天津主要由构造运动产生,每年约,12006年第3期水文地质工程地质 35表4 塘沽区土层主要工程性质指标Table4 MainengineeringpropertiesofsomeofthestrataintheTangguarea深层地热水引起的地面沉降量。地面沉降量与深层地热水开采量之间的相关曲线如图1。含水组划分四组五组底层深度(m)400500W(%)(g m3)(%)(%)(MPa y)(MPa m)18 62 130 5348 326 70 01292 2 33021 12 100 5939 3

8、20 90 01608 0 4422 100 5845 826 30 010810 2 641eWLWPavpc明化镇组900140021 23 地热水开采的地面沉降机理塘沽区孔隙型热储层主要有明化镇组和馆陶组,图1 沉降量与开采量相关曲线Fig.1 Correlationcurveoflandsubsidenceandexploitation岩性是以砂岩、泥岩为主,处于半胶结状态的不等厚互层松散沉积物。固结特征为孔隙内流体压力等于地层压力,地层应力处于平衡状态,属正常固结地层。如果过量抽水,则破坏了地层内的应力平衡,地层孔隙内流体压力下降,有效应力(上覆压力)相对增加,当超过其平衡边界值时,

9、将出现压缩变形而引起地面沉降。由于砂岩、泥岩是两个截然不同的地质结构体,在孔隙内流体压力下降时,所形成的沉降机理也是完全不同的。正常固结孔隙型地层中的泥岩具有释水能力,释水能力主要取决于岩土体本身的强度(抗拉伸)及弹性系数(泊松比),但孔隙压力大小对破裂压力有很大的影响。在微观上可取正常固结地层一个各项同性、均质弹性的单元体,dx、dy为相互垂直的水平地应力,dz为上覆地层压力,在一个水平面上,dx=dy,只有当dz增加时,单元体孔隙中所包裹的流体将克服dx或dy的地应力而释水。释水结果造成单元体内部结构体之间产生相对位移及结构体内部物质定向排列、旋转、滑移,使孔隙度变小,单元体压密变形,最终

10、引起地面沉降54拟合方程为:S=0 0125Q+0 2806式中:S!热储层沉降量(mm);43Q!地热水开采量( 10m a)。在置信度为95%时,二者的相关系数为0 99。可用来定量预测沉降量与开采量的关系。2 深层热水储层的工程地质特征塘沽区主要开采新近系明化镇组和馆陶组中低温孔隙型地热水用于供暖,其热储层的基本特征如下:新近系明化镇组:上段顶板埋深在500m左右,以棕红色厚层泥岩为主,夹浅灰绿色粉、细砂岩;下段顶板埋深9001400m,岩性为粉细砂岩与暗棕色、棕红色泥岩互层。塘沽区目前有4眼开采该热储层的地热3井,井口水温在4050,单井涌水量6075m h,2003年开采量67 43

11、 10m。热储层水位年平均下降2m,热储压力平均年降幅0 0192MPa。新近系馆陶组:包含三个热储富集段,塘沽地区目前主要开采的是下热储富集段的地热水。顶板埋深16001850m,底板埋深21002200m,以砂砾岩为主。塘沽区目前有27眼开采该热储层的地热井,井口3水温度在6478,单井涌水量60140m h,2003年开采量358 82 10m。热储层水位年平均下降35m,热储压力平均年降幅0 01920 048MPa。据塘沽地区200m以下钻孔所取土样的高压固结试验和大港油田在黄骅坳陷中地层压力测试曲线可知,埋深2002500m的松散孔隙型地层压力基本为正常压力。说明了天津地区现在开采

12、的中低温孔隙型地热水,其热储层在5002200m内属于正常固结地层,其工程性质指标见表4。324343。对于泥岩来说,释水、压密、固结、变形大部分是不可逆的塑性变形,即使在水位恢复后也不会回弹。所以,泥岩引起的地面沉降是永久的,无法消除。正常固结孔隙型地层中的砂岩含水层是通过砂粒接触点承受应力。开采地热流体引起水位下降,有效应力增加使砂粒排列紧密,孔隙度变小,含水砂岩压缩,地面相应沉降。停采后,水位恢复,则孔隙水压力增加,砂岩承受的有效应力降低,砂岩回弹,颗粒排列恢复,地面沉降消除。故含水砂岩释水压密引起的地面沉降是暂时的,具有可恢复性。这一点在天津第二含水组地面沉降漏斗和水位下降漏斗同升同降

13、(但时间滞后)的关系中能够得到很好的证明。在水位反复升降的条件下,砂岩颗粒趋于最紧密排列,这部分压密,36 水文地质工程地质2006年第3期量中的比例很小。总的来说,抽水引起的砂岩释水压密大部分属于弹性变形,具有可恢复的特点。对于塘沽区这样一个正常固结的热储系统,目前共有34眼中低温地热井(包括开发区),以#三集中(集中时间、集中地域和集中层位)的方式,年开采明化镇组地热水40 1060 10m、馆陶组地热水350 44310370 10m。松散孔隙型热储系统(包括泥岩)压力下降过快,不可避免地会引起泥岩层释水压密,出现地面沉降。天津市地质矿产局1998年在塘沽区馆陶组地热流体离子含量分析中,

14、发现F离子增量与地面沉降有明显的正相关关系,通过质量平衡方程算出,地层中通过释放进入开采层的毛细水、结合水约有8%是由不可逆的粘土部分释放而成。可见,在过量开采条件下,泥岩释水量在开采量中所占的比例很大。开采孔隙型地热流体引起的地面沉降与浅部地层相比,在同样的水位条件下,引起的沉降量较小且时间滞后。其原因在于泥岩变形具有惯性#动能,过程缓慢,形成机制相对复杂;加之中低温热储层上覆泥岩层较厚,结构致密,有一定的胶结性而不易压缩,对深层地下热水超量开采有一定的屏蔽作用,而650m深层地沉观测标测得的数据恰好是该值。因此,超强度开采地下热水引起地面沉降从测得的数据看是缓慢的,具有一定的隐蔽性。6-4

15、4率持续下降,已不宜进一步开采。古近系东营组和沙三段砂岩及砂砾岩,处于封闭、半封闭的超压固结状态,孔隙率18%25%,热储层厚度和分布面积较大,是天津地区尚未开发的主要热储层。在地热钻探防喷技术可行的前提下,具有极大的开发潜力。4 2 加强地热尾水回灌除压缩开采量外,近年来地热管理部门加大了地热尾水回灌的研究和规划,采取了多种措施,取得了显著的成效。将地热尾水回灌于地下,既是对地热资源的保护,也是控制地面沉降的有效措施之一。塘沽区对馆陶组下段热储层的回灌试验研究表明:在自然状态下回灌量达2045m h,加压到2kg cm时回灌量达5085m h,说明新近系孔隙型热储本身具有一定的回灌能力。通常

16、认为人工回灌地下水可使地面产生大幅度回弹,但实际则不然。这是因为人工回灌虽可使含水层地下水位恢复,但不能使粘土层已排泄出的(约占粘土释水总量70%)得到回储,因此塑性变形后粘土层所产生的回弹量甚微,人工回灌在地面沉降控制中难以起到根本性作用。但人工回灌地下水是对地下水资源的一种外补偿,可使下个开采期减少粘土层释水量。从这个角度来说,人工回灌地下水对控制地面沉降有一定的间接效果。4 3 建立深层沉降监测网深层地面沉降观测网由地面水准点、分层标及地下热水长观系统等组成,用来对地面沉降发展趋势进行有效的监测。包括塘沽区在内,天津地区地下热水动态监测网每年有条不紊地进行,取得了丰富的监测资料。但目前5

17、001000m地层的工程地质及计算参数只有一些零星资料,1000m以下更是空白,深层分层标很少。建议埋设1000m以下的分层标,直接监测新近系孔隙热储开采松散层地热水对地面沉降的影响,同时获取深层岩样并实测其物理力学参数。塘沽区深层地沉观测标的升降变化在20世纪90年代以前是以宝坻区城关基岩标为基准点,之后又以天津市区基岩标为基准点,距离均在50km以上,测量误差大。根据天津市地质灾害防治规划,未来几年内,塘沽区规划建设GPS基准站,扩大建立GPS一级检测网,对探讨深层地面沉降机理,提高预测精度都是十分有益的。总之,深部地热水开采引起的地面沉降机理与浅,87324 防治对策及建议众多研究表明,

18、地面沉降致灾过程至少存在3个阶段,即自然沉降阶段、缓变劣变质变阶段(简称缓劣质变阶段)和快速衰变破坏阶段。天津塘沽区现在正处于缓劣质变阶段,是采取措施控制地面沉降的最佳时期。4 1 科学规划,调整地热开采层位地下水是宝贵的自然资源,只有科学规划,合理开发才能使水资源与环境协调发展。就地热资源来说,由于各含水组沉积环境、岩性、结构、水文地质特征及工程地质性质不同,使得各含水组的临界开采水位、临界开采量均不相同。因此,调整开采层位、分层开采、综合管理,是有效控制地面沉降的措施之一。新近系馆陶组上段静水位平均埋深在60m左右(2004年),热储压力相对下段大,在本地区地热需求仍相对较大的情况下,可适

19、量开发馆陶组上段热储。馆陶组下段地热井在塘沽地区已形成明显的开采漏斗,漏斗中心动水位埋深已在100m以下,静水位埋深在,2006年第3期水文地质工程地质工业出版社,1990:90-91 5 郭勇海,沈照理,钟佐37降。参考文献:1 王若柏.天津地区构造沉降及控沉远景问题C 全国地面沉降学术研讨会论文集.20022 天津地热勘察设计院.2004年天津地下热水动态监测R.20043 天津市塘沽区供热办公室,天津地热勘查开发设计院.天津市塘沽区地热资源开发对地面沉降影响的研究R.19974 钻井手册(甲方)编写组.钻井手册R.北京:石油,等.从地面沉降论河北平原深层地下水资源属性及合理评价J.地球科

20、学,1995,20(4):4166 天津市地质矿产局,地矿部水文地质工程地质研究所.天津市塘沽区地热流体回灌研究R.1998 7 郑铣鑫,武强,侯艳声,等.关于城市地面沉降研究的几个前沿问题J.地球学报,2002,23(3):279-2838 天津市规划和国土资源局.天津市地质灾害防治规划R.2004Astudyoftherelationshipbetweenexploitationofgeothermalwaterindeep seatedaquifersandlandsubsidenceLINLi,ZHAOSu min,LIDan,MAFeng ru,LIHui juan(1 School

21、ofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing 100083,China;2 TianjinInstituteofGeothermalExplorationandDevelopmentDesign,Tianjin 300250,China)Abstract:BasedontheobservationdataoflandsubsidenceinthelayeredmonitoringholeinTanggu,Tianjin,theeffectproportionofproductionofgeothermal

22、waterindeep seatedaquiferstosedimentationisanalyze.Theprincipleoflandsubsidenceduetoproducingthermalwaterinthisareaisdiscussedandthecorrelativemodelbetweentheproductionofgeothermalwaterintheporousaquifersandlandsubsidenceisestablishedwiththestatisticrecursivemethod.Aproposalofpreventionandcureoflandsubsidencebyinjectionofgeothermalwaterandestablishmentofamonitoringmeshoflandsubsidenceindeeplayersisalsoputforward.Keywords:geothermalwaterinporousaquifers;normalconsolidationstrata;landsubs