天津熱儲層升降漏彩成因分析

天津熱儲層升降漏彩成因分析

1中國地熱資源利用的進展由于其清潔、少污染、可再生，該倡議被世界各國視為緩解能源短缺、預防和控制污染的綠色能源。目前,我國將地熱資源的合理開發(fā)利用擺到應對全球氣候變化的高度,國土資源部今年下發(fā)通知,要求各地“大力發(fā)展礦產資源領域循環(huán)經濟,加快推進地熱和淺層地熱能合理開發(fā)利用?！薄盀樵鰪娢覈鴳獙θ驓夂蜃兓瘒H話語權提供科學依據(jù)?！笔澜绲責豳Y源的開發(fā)利用主要包括發(fā)電和直接利用兩個方面,2005年世界地熱大會對各國地熱發(fā)電總量的統(tǒng)計顯示中國排名第15位。中國地熱直接利用的能量居世界第一。天津市是地熱直接利用的先驅,主要原因是該地區(qū)分布有豐富的中低溫地熱資源。早在1936年,天津就成功鉆探出了第一口地熱井。天津的地熱資源主要用于供暖,為全國利用采暖之冠,是名不虛傳的地熱之星,地熱資源已經成為天津經濟發(fā)展和改善城市環(huán)境質量不可多得的清潔能源。天津地熱資源的開發(fā)利用現(xiàn)階段也存在一定的問題,如水位年降幅較大,回灌率較低,新近系回灌效果不明顯,還存在很多無證開采的現(xiàn)象。2天津熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀2.1地下熱水的利用天津地區(qū)地處Ⅰ級構造單元華北地臺北緣,以寧河-寶坻斷裂為界分為北部山區(qū)和南部平原區(qū)(圖1),天津豐富的地下水賦存在典型的沉積盆地中,其資源分布面積達8700km2,占全市地域面積的77%,是地熱能利用的良好載體。目前,天津地區(qū)開發(fā)利用的地下熱水主要源自6個熱儲層。包括蓋層熱儲層和基巖熱儲層。(1)地下水流場特征該層在寧河-寶坻斷裂以南普遍分布,它的特點是蓋層熱儲,而且熱儲埋深較淺,頂板埋深300~600m,底板埋深589~1996m,儲層巖性為半膠結的粉細砂、細砂和雜色泥巖不等厚互層,單位涌水量0.76~5.45m3/h·m,井口穩(wěn)定流溫40~70℃,流體化學類型為HCO3-Na、HCO3·Cl-Na、SO4·Cl-Na型,礦化度一般小于1.5g/L,局部大于3g/L,多為無-輕微腐蝕性熱流體。(2)沉積旋回相沉積相該熱儲在寧河-寶坻斷裂以北及王草莊、潘莊農場至西南部靜海地區(qū)缺失,咸水沽和大港局部缺失;它也屬于蓋層熱儲,在凹陷區(qū)分布穩(wěn)定,屬河流相碎屑巖沉積,多呈粗-細-粗的沉積旋回,對應沉積巖相可分為上部館Ⅰ砂巖熱儲段和下部館Ⅲ砂礫巖熱儲段。館Ⅰ熱儲段:厚度100~200m,井口穩(wěn)定流溫55~65℃;館Ⅲ熱儲段:井口穩(wěn)定流溫60~80℃,單位涌水量0.52~5.13m3/h·m,流體化學類型為HCO3-Na、HCO3·Cl-Na型,礦化度0.8~1.9g/L。(3)單位涌水量礦化度在冀中坳陷武清區(qū)、黃驊坳陷塘沽區(qū)有分布,冀中坳陷熱儲巖性為砂巖,砂巖呈反旋回序列。頂板埋深2500m左右,單位涌水量0.33m3/h·m,穩(wěn)定流溫90~93℃,HCO3-Na型,礦化度1.2g/L;黃驊坳陷熱儲頂板埋深1900m左右,厚約458m左右,單位涌水量0.34m3/h·m,穩(wěn)定流溫75℃,Cl·HCO3-Na型,礦化度為2.863g/L,屬輕微腐蝕、不結垢地熱流體。(4)頂板含礦巖石奧陶系熱儲層在基巖淺埋區(qū)分布較廣,隆起區(qū)呈帶狀或塊狀分布,局部有缺失;凹陷區(qū)亦有分布,但埋藏較深,頂板埋深882~3104m,厚度29~1184m,由白云質灰?guī)r、灰?guī)r及泥質灰?guī)r、泥巖組成,巖溶裂隙發(fā)育,賦水性強。單位涌水量1.62~7.94m3/h·m,井口穩(wěn)定流溫48~76℃,流體化學類型為SO4·Cl-Na、HCO3·Cl-Na型,礦化度1.8~5g/L,普遍具有較強腐蝕性。(5)灰質白云巖凹陷區(qū)該層為潮坪相沉積,分布不穩(wěn)定。隆起區(qū)咸水沽-八里臺-團泊及造甲城-大畢莊-東郊農牧場一帶零星分布;凹陷區(qū)亦有分布,但埋藏較深,頂板埋深950~3734m,厚度14~1160m,以灰白色灰質白云巖為主,單位涌水量2.11~3.13m3/h·m,井口穩(wěn)定流溫70~80℃。流體化學類型為HCO3-Na、HCO3·SO4-Na型,礦化度1.0~2.0g/L。(6)深灰色白云巖廣泛分布,厚度較大,熱儲分布面積約4083km2;凹陷區(qū)埋深較大,頂板埋深912~3734m,最大揭露厚度1278.52m,為深灰色粗晶白云巖、燧石條帶狀白云巖,孔隙度1%~5.8%。單位涌水量1.08~9.07m3/h·m,井口穩(wěn)定流溫79℃以上,流體化學類型較復雜,包括HCO3·SO4-Na、Cl·HCO3·SO4-Na、Cl·SO4·HCO3-Na、Cl·SO4-Na、Cl-Na型,PH值7.5~8.5,礦化度1.7~2.2g/L,局部大于5g/L。2.2近系明化鎮(zhèn)組地熱井、館陶理井、水熱井天津市共有390眼地熱井,現(xiàn)納入政府監(jiān)測部門的地熱井共計381眼,包括312眼開采井、69眼回灌井,各熱儲層地熱井分布情況見圖2。天津地區(qū)地熱資源開采層多年來主要集中在明化鎮(zhèn)組、館陶組以及霧迷山組熱儲層。新近系明化鎮(zhèn)組地熱井主要分布在市區(qū)及新四區(qū),該層地熱流體在天津地區(qū)主要用于工業(yè)、種植、養(yǎng)殖、理療、洗浴和居民生活用水及礦泉水開發(fā);新近系館陶組地熱井主要集中在大港、塘沽和武清區(qū),該層地熱流體主要用于供暖、種植、養(yǎng)殖、洗浴及生活用水;薊縣系霧迷山組地熱井主要分布在市區(qū)及新四區(qū),該層地熱流體用途廣泛,供暖、養(yǎng)殖、種植、居民生活用水和礦泉水開發(fā)等方面均有應用。目前天津地區(qū)已進行勘查評價、并經儲委認定儲量的十大熱田地熱流體(依《地熱資源勘查規(guī)范》以溫度高于25℃為計)的可采儲量是:2010年度開采量為2921.33×104m3,其中:新近系熱儲開采量3983×104m3/a,基巖熱儲開采量2014×104m3/a。2.3地熱資源豐富,服務區(qū)域經濟發(fā)展地熱資源的利用主要為發(fā)電和直接利用,直接利用包括供暖、居民生活用水、職工洗浴、養(yǎng)殖等多個方面。天津市地熱資源主要用于建筑供暖、居民生活熱水、康樂理療、溫泉度假、農業(yè)種植養(yǎng)殖等領域。不同利用方式所占比例見圖3。天津為全國地熱資源利用采暖之冠,是名不虛傳的地熱之星,與常規(guī)能源相比,利用地熱供暖,投資和運行費用低,環(huán)境效益好。目前我市利用地熱資源的小區(qū)有140余個,成為城市中的“溫泉花園”。地熱資源已經成為天津經濟發(fā)展和改善城市環(huán)境質量不可多得的清潔能源。天津市每年利用地熱供暖相當于替代原煤33.6×104t,減少排放二氧化碳80.17×104t、二氧化硫5712t、氮氧化物2016t、懸浮質粉塵2688t、煤灰碴3.36×104t,節(jié)省環(huán)境治理費用約9000萬元。凈化了空氣,減少了城市污染,為天津市實施“藍天工程”,創(chuàng)建環(huán)保模范城做出了突出的貢獻。地熱資源在招商引資中也發(fā)揮了積極作用,如寶坻珠江溫泉城、東麗湖、團泊新城等投資開發(fā)項目,當?shù)刎S富的地熱資源成為招商引資的獨特優(yōu)勢,帶動了區(qū)域經濟的發(fā)展。截止到2010年10月,天津現(xiàn)有的390眼地熱井中54眼已經停采,69眼回灌井,現(xiàn)在使用的開采井共計267眼,天津有近200個單位利用地熱資源進行冬季供暖,其中僅用于供暖的地熱井為98眼,既用作供暖又用作工業(yè)用水、洗浴、種植和生活用水等用途的地熱井88眼,全市地熱供暖面積達1262.67×104m2,約占全市集中供暖總面積的10%,占全國地熱供暖總面積的50%,其中基巖地熱流體供暖面積670×104m2(占53.06%);130余眼地熱井提供10萬戶居民的生活用水和90家企業(yè)、酒店的洗浴和生活用熱水,每年達900多萬人次,提高了百姓生活質量;在工廠、院校、醫(yī)院、部隊等企事業(yè)單位,也能享受到舒適的溫泉洗浴;18個單位利用地熱資源開發(fā)溫泉康樂項目,地熱溫泉游泳池10處,3個規(guī)模較大的知名地熱溫泉之鄉(xiāng),如東麗湖水上溫泉歡樂谷、寶坻溫泉城、團泊溫泉酒店等。目前我市建成溫泉游泳池面積達5600m2,每年服務約85萬人次享受洗浴,地熱游泳池能夠常年開放運行,方便了市民健身和運動員訓練;5個單位開發(fā)生產礦泉水,地熱流體用量約4×104m3;16個單位用于工業(yè)生產,地熱流體用量約250×104m3/a;7家單位進行漁業(yè)水產養(yǎng)殖,面積14.56×104m2;3個大型農業(yè)科學園區(qū),蔬菜種植面積達30.9×104m2畝。目前,天津市利用地熱種植名貴花卉(蝴蝶蘭等),養(yǎng)殖名貴水產(羅非魚、鰣魚、熱帶觀賞魚、鱷魚等),已建成的示范區(qū)有津南國家農業(yè)科技園區(qū)、東麗華泰現(xiàn)代農業(yè)園、里自沽農場等,地熱在農業(yè)種植、養(yǎng)殖方面也成為支持現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的重要資源。在降低農業(yè)生產成本、建立無污染生態(tài)農業(yè)等方面有著極大優(yōu)勢,成為名副其實的“地熱溫泉城”。天津在地熱開發(fā)利用中,堅持對地溫梯度的梯級利用,對溫度60℃以上的地熱水,先行供暖,并嚴格控制排放溫度;溫度40~50℃的地熱水,按健身項目進行開發(fā)。在天津已建有多個回灌開發(fā)和資源整合梯級利用示范工程建設,如華馨地熱站的回灌開發(fā)梯級利用示范工程以及水上公園東地熱單井資源整合及改造示范工程,均通過采用梯級利用,推廣應用了新技術、新工藝,大大提高資源的利用率,延長了地熱井的使用壽命,保證了該地區(qū)地熱資源的可持續(xù)利用。3天津熱資源開發(fā)利用的問題和建議3.1天津地熱資源開發(fā)利用存在兩個問題天津地熱資源開發(fā)利用中存在的問題主要是:(1)熱儲層水位分布2010年度明化鎮(zhèn)組熱儲層靜水位埋深在市區(qū)及新四區(qū)形成漏斗,特別是中心城區(qū)和西青區(qū),靜水位埋深最大達到94m(20℃)以上,河西區(qū)和西青區(qū)水位降幅最大,達到3m/a以上(圖4);館陶組熱儲層在滄縣隆起的東麗區(qū)張貴莊附近形成為一個較大的漏斗中心,水位埋深大于102m;黃驊坳陷的大港水電廠一帶,由于在大約80km2的范圍內集中了24眼開采井,形成了本市館陶組熱儲層最大的一個漏斗中心(最大水位埋深達106m、降幅為3~4m/a(圖5)。霧迷山組熱儲層水位埋深為62.6~130m。從西南部的靜?？h唐官屯到大邱莊,水位埋深逐漸增大;河東區(qū)HD-09井附近成為降落漏斗中心,最大水位埋深已達130m左右。水位降幅總體表現(xiàn)為在滄東斷裂和白塘口西斷裂附近水位降幅相對較小,在集中開采區(qū)和天津斷裂附近較大,最大降幅達6m以上(圖6)。(2)成本控制監(jiān)測成本水位自動化監(jiān)測是管理部門管理地熱井的基礎依據(jù),但國內地熱井水位自動化監(jiān)測水平還比較低,主要以人工監(jiān)測為主,成本較高,且費時費力。目前地熱井水位數(shù)據(jù)主要通過傳統(tǒng)的測線、測錘、電流表等手工方式獲得;雖然流量和水溫的監(jiān)測已經能夠實現(xiàn)自動化,但目前只有176眼地熱井安裝地熱井智能監(jiān)測儀,只占總井數(shù)的46%。(3)天津市地熱資源回灌隨著管理部門對地熱開采審批逐漸嚴格以及單井地熱利用率的不斷提高,近兩年來開采量增幅并不大,而回灌量逐年快速增加,回灌率也不斷提高,2010年天津市地熱資源回灌率達到25.8%(圖7),是2005年的4.2倍。雖然年回灌量呈逐年遞增的趨勢,但由于回灌工作起步較晚,回灌井數(shù)量仍然偏少,回灌量與開采量之間的差距仍較大?；鶐r回灌情況較好,新近系回灌情況普遍較差,新近系總體回灌量與開采量相比仍然微乎其微,造成新近系回灌工作困難的主要原因在于孔隙性熱儲層可灌量低,持續(xù)時間短。盡管在塘沽地區(qū)新近系館陶組熱儲層的回灌試驗已取得成功,但仍待進一步研究、推廣。(4)回灌系統(tǒng)運行不規(guī)范個別地熱回灌系統(tǒng)監(jiān)測設施不完善、地面工程建設不規(guī)范,且利用回灌井進行開采的現(xiàn)象時有發(fā)生,回灌運行時隨意性較強、未嚴格按照相關技術要求和操作規(guī)程實施運行,且有很多無證開采現(xiàn)象發(fā)生,監(jiān)督執(zhí)行力度有待進一步加強、提高。3.2提高補建回灌井使用和資源保護