基于示蹤試驗及動態(tài)數(shù)據(jù)的北京小湯山地區(qū)地熱資源量評價

楊亞軍，丁桂伶，徐 巍，李海京，魯 鶴，王雨石，張俊華，王翊虹

(北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048)

小湯山熱田是北京地區(qū)最早開展地熱資源量評價工作的地熱田，自1958年的0.6 km2，一直到2004年的86.5 km2。1971年，北京城區(qū)完成4 眼地熱井 30 km2的地熱田資源量勘查評價工作。2001年，北京城區(qū)完成基82 眼地熱井406 km2的地熱田資源量評價，年儲量達到6.70×106m3。同時，完成了李遂熱田、良鄉(xiāng)熱田等其他地熱田資源量的評價。在此基礎(chǔ)上，分別在1900年、1999年、2005年采用熱儲法、比擬法、統(tǒng)計分析法等方法評價了全市的地熱資源量，其中最近一次是為了編制《北京市2006—2020年地熱資源可持續(xù)利用規(guī)劃》進行了資源量評價，基于315眼地熱井，對全市2 760 km2的地熱資源進行了計算，認為北京年可開采量為3.470×107m3，總量相當于2.14×108t標準煤的能量。然而，北京地區(qū)通過歷時60余年的地熱開發(fā)利用，發(fā)現(xiàn)資源評價仍存在一些問題，主要是已有的可開采地熱水資源量及其所攜帶出的熱量，并沒有考慮地熱流體回灌的影響?！兜責豳Y源勘查規(guī)范》中對地熱資源評價周期要求：在地熱開采階段，資源量的更新和計算周期最好小于5 a[1-2]。地熱資源量的計算應(yīng)隨著勘查工作程度的不斷提高及動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)日益豐富完善，其精度越來越高。

本文通過示蹤試驗和長期動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)對小湯山地區(qū)一處典型地熱供暖項目和小湯山整個熱田進行了資源量計算分析，得到了保持溫度不變的條件下，典型地熱井及熱田的地熱資源可開采量。

1 地熱開發(fā)現(xiàn)狀

小湯山熱田是北京市10個熱田中資源條件較好、開發(fā)利用較早，動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容全面、監(jiān)測時間序列最長，勘查資料完善，回灌量較大，供暖用戶最多，研究程度最高的熱田。從1956年開始進行地熱勘查和開發(fā)，小湯山熱田目前已有地熱井100余眼，成井深度70～3 500 m，開采熱儲主要為薊縣系和寒武系，出水溫度40～70 ℃，單日出水量1 000～2 000 m3。地熱資源主要用于地熱供暖、溫室種植和溫泉洗浴等，其中地熱供暖的用戶最多，地熱水換熱后尾水90%實現(xiàn)回灌。

小湯山地區(qū)北部為山區(qū)，南部被大型斷裂截斷，地熱水主要賦存在薊縣系熱儲中，上下都有隔水層，因此可以視為一個均衡區(qū)[3]。小湯山熱田已有40多年的開采歷史，主要開采的熱儲層是薊縣系霧迷山組，其次是薊縣系鐵嶺組和寒武系。從20世紀70年代初期開始，開采規(guī)模逐年增加，到20世紀80年代中期突破年均開采量100×104m3。1990—2000年年均開采量大于300×104m3。2000年開始實施回灌等措施控制，年均凈開采量開始逐漸減少，2005年開采量已經(jīng)下降到150×104m3以下。然而，從2007年開始隨著區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，地熱溫泉優(yōu)勢越來越突出，一些單位的地熱用水規(guī)模不斷擴大，年開采量達到300×104m3，2013—2016年突破360×104m3/a。年均水位變化與年均凈開采量呈正相關(guān)，凈開采量越大，水位降深越大，多年平均水位下降在1～2 m范圍內(nèi)，但2004—2007年由于凈開采量的驟減，熱儲壓力下降速度開始減緩，甚至出現(xiàn)回升現(xiàn)象。

2 基于示蹤試驗的典型地熱井資源量評價

采用小湯山熱田一處典型地熱供暖項目示蹤試驗及動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行了回灌模式下地熱資源可開采量計算及溫度預測計算，最終提出了開采溫度100 a不下降可持續(xù)開發(fā)利用的地熱流體資源量[4-5]。

2.1 地熱井開發(fā)利用概況

該地熱井地熱利用模式是“兩采一灌”，熱儲為薊縣系霧迷山組，開采量110 m3/h，回灌量76 m3/h，開采溫度為69°，回灌溫度為30°，回灌井距離兩個開采井的距離分別為300，500 m，其開發(fā)利用示意圖見圖1。該用戶從2004年開始利用地熱實施供暖，已有16 a，由動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地熱井的水位沒有下降，說明熱儲壓力保持穩(wěn)定，生產(chǎn)井溫度也沒有明顯下降，說明回灌還沒有對生產(chǎn)井產(chǎn)生影響[6-7]。

圖1 典型地熱井開發(fā)利用示意圖Fig.1 Development and utilization diagram of a typical geothermal well

2.2 示蹤試驗

對回灌井投放碘化鉀示蹤劑，在開采井進行不同頻率的取樣，測試碘化鉀的濃度[8-9]，歷時106 d，取樣總數(shù)為752 個，其中化驗166 個，測出碘離子濃度大于0.02 mg/L的樣品為80 個(表1)。由圖2可以看出，1號生產(chǎn)井在試驗第5天，示蹤劑從回灌井到達生產(chǎn)井，在第34天濃度達到了峰值0.267 mg/L，之后開始下降，最后趨于平穩(wěn)。2號生產(chǎn)井在試驗的第5天，示蹤劑從回灌井到達生產(chǎn)井，且在第32 d濃度達到了峰值0.338 mg/L，之后開始下降，最后趨于平穩(wěn)。采用數(shù)值計算軟件模擬計算，推斷出這2口井之間存在著3條通道，計算得到通道長度、流速、彌散系數(shù)、通道截面積等參數(shù)(表2，圖3)。

表1 示蹤試驗取樣結(jié)果

圖2 示蹤試驗濃度變化曲線Fig.2 Tracer test concentration curve

表2 示蹤試驗模擬計算結(jié)果

圖3 1號和2號生產(chǎn)井通道模擬曲線Fig.3 Channel simulation curve of the No.1 and No.2 production wells

2.3 可開采量計算

基于示蹤試驗數(shù)據(jù)及模擬計算結(jié)果，采用專業(yè)計算軟件研究分析了1號和2號生產(chǎn)井開采量分別為200 m3/h、500 m3/h及1 000 m3/h，回灌溫度為30°，100%回灌的三種供暖方案條件下，生產(chǎn)井后期出水溫度影響變化情況(圖4和表3)。

表3 數(shù)值模擬計算結(jié)果

進一步深入分析，繪制溫度預測曲線，得出了該地熱井要保持100 a溫度不下降可持續(xù)開發(fā)利用的地熱流體資源量為340 m3/h。

3 基于長期動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的地熱田資源量評價

小湯山熱田是北京地區(qū)10個地熱田中最早開始開發(fā)利用的熱田，至今已經(jīng)開發(fā)利用近二十年。本文通過收集小湯山熱田自1990—2015年地熱資源量開發(fā)利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了地熱資源平均開采量、平均回灌量和累計下降水位之間的關(guān)系，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性特征將25 a的監(jiān)測數(shù)據(jù)分為7個階段，并進一步對年平均凈開采量、年均水位變化和單位降深凈開采量進行了計算和繪制曲線(表4和圖5)[10-11]。

根據(jù)曲線擬合發(fā)現(xiàn)多年平均凈開采量和水位變化呈對數(shù)相關(guān)性，確定系數(shù)為0.858：

y=-2.019lnx+9.896 2

(1)

圖4 1號和2號生產(chǎn)井溫度預測曲線Fig.4 Temperature prediction curve of the No.1 and No.2 production wells

由式(1)可知，若要保持小湯山熱田水位不下降，年平均可開采量為1.345×106m3；若平均水位下降0.5 m，年平均可開采量為1.724×106m3；若平均水位下降1.0 m，年平均可開采量為2.214×106m3；若平均水位下降2.0 m，年平均可開采量為3.651×106m3；若平均水位下降5.0 m，年平均可開采量為1.603 6×107m3。但地熱資源量不僅與地熱流體的量有關(guān)，而且與地熱流體的溫度息息相關(guān)。

在小湯山熱田整個開發(fā)利用階段，僅1990—2000年小湯山熱田年平均水位下降在1.42～2.15 m，因此對該段時間內(nèi)地熱資源開發(fā)利用范圍內(nèi)的地面沉降、地裂縫、地震、地下水水質(zhì)等地下水環(huán)境及周邊地質(zhì)環(huán)境進行了詳細的調(diào)查和資料收集發(fā)現(xiàn)，小湯山熱田在地熱資源利用過程中，熱儲壓力水位下降2.0 m時未發(fā)現(xiàn)任何地質(zhì)環(huán)境問題。

地熱資源補給包括地熱流體的補給和熱量的補給，通過多年長期的監(jiān)測顯示小湯山地區(qū)在目前開采條件下，地熱流體溫度未發(fā)生顯著變化。因此，基于長期動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出小湯山熱田保持地熱流體溫度不發(fā)生顯著變化的前提下，年均水位下降2.0 m，可以保障的最少可開采量為3.651×106m3。

4 結(jié)論

(1)基于采灌平衡條件，采用示蹤試驗對小湯山地區(qū)典型地熱井開采資源量進行了計算，得出該地熱井要保持100 a溫度不下降可持續(xù)開發(fā)利用的地熱流體資源量為340 m3/h。

表4 小湯山地區(qū)熱田多年動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計值

圖5 小湯山地區(qū)熱田多年平均凈開采量與水位變化曲線Fig.5 Curve of average annual net exploitation and groundwater level changes in the geothermal field of the Xiaotangshan area

(2)根據(jù)多年連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)對小湯山熱田資源量進行了分析，發(fā)現(xiàn)年均凈開采量與年均水位下降成對數(shù)相關(guān)性。

(3)結(jié)合地熱流體溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析認為小湯山熱田保持地熱流體溫度不發(fā)生顯著變化的前提下，年均水位下降2.0 m，可以保障的最少年均可開采量為3.651×106m3。

結(jié)合小湯山熱田多年的開發(fā)利用資料和經(jīng)驗，提出如果合理科學可持續(xù)的開發(fā)利用地熱資源，必須堅持“以熱定采，以灌定采”模式。