北京東南城區熱田可持續開發利用問題的思考

楊亞軍，李海京，徐 巍

（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

北京東南城區熱田可持續開發利用問題的思考

楊亞軍，李海京，徐 巍

（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

北京東南城區熱田從20世紀70年代進行開發，經歷了快速增長、緩慢減小和快速減小等幾個階段。本論文經過對該熱田可持續開發條件的探討，提出熱儲壓力保持不下降的條件是地熱凈開采量控制在65萬m3以內，發現目前熱儲溫度和流體化學成分沒有發生較大變化，采取措施可以實現資源的可持續開發，但應謹防大規模回灌可能對熱儲產生“熱突破”。論文最后結合規劃提出幾點建議，包括建立熱儲溫度監測系統、研究地熱評價方法、推廣地熱供暖項目和重新進行地熱勘查評價工作。

地熱；規劃；可持續；開發利用

0 前言

北京市是世界上少數幾個國家擁有地熱資源的首都之一，早在20世紀70年代初期，北京城區東南部就展開了地熱普查勘探工作，40多年來，圈定東南城區熱田面積約210km2，開鑿地熱井超過100眼，成井深度1000～4000m，井生產溫度40℃～88℃（鄭克棪等，2007）。根據監測數據顯示，該熱田開發地熱資源主要用于采暖、溫泉洗浴和康復醫療等領域，從1971年至2016年，東南城區熱田累計開采地熱流體1.37億m3，累計利用熱量為32500億千卡（平均開采溫度按55℃，排放溫度按30℃計算），相當于4.6億噸標煤燃燒放出的熱量，減少二氧化碳排放11億噸，減少二氧化硫排放780萬噸，為全市節能減排、凈化空氣和提高生活品質等方面做出重要貢獻。

1 北京市東南城區熱田開發現狀

東南城區熱田作為北京市地熱開發最早、規模最大的熱田之一，經過初期的盲目開采到80年代納入管理，再到2006年劃為嚴格限采區，近10年沒有增加開采井，只增加回灌井，開采量大幅減小。受此影響，多年來東南城區熱田的主要開采熱儲（薊縣系霧迷山組）呈現了以下三個開采階段（圖1）：1971—1985年為快速增長階段，薊縣系霧迷山組熱儲的開采量從幾十萬立方米開始逐年增加，1985年達到最大值420萬m3，熱儲壓力呈現快速下降趨勢，地熱流體靜液面年均下降2.6m。1986—2007年為緩慢減小階段，薊縣系霧迷山組熱儲的開采量從400萬m3逐漸減小到200萬m3左右，熱儲壓力下降速度有所減緩，地熱流體靜液面年均下降1.6m。2008—2013年為快速減小階段，薊縣系霧迷山組熱儲的開采量從200萬m3左右迅速下降到150萬m3以下，同時該熱儲增加了人工回灌補給，回灌量從2008年之后開始基本穩定在20～50萬m3，因此熱儲實際的凈開采量快速下降至100萬m3左右。受此影響，熱儲壓力下降速度進一步減緩，地熱流體靜液面年均下降1.0m。

圖1 霧迷山組熱儲年開采量、回灌量和熱儲靜壓力變化曲線圖Fig.1 Jxw reservoir production and pressure variation diagram

而薊縣系鐵嶺組熱儲作為東南城區熱田的次要熱儲，在70年代初期開采規模增長迅猛，1986年最高達到100萬m3，90年代基本穩定在60～70萬m3，進入2002年之后迅速下降到30萬m3以內。從熱儲壓力監測情況看，2003—2013年熱儲流體液面年均下降1.35m，2014—2016年下降幅度減至0.7m。目前該熱儲的開采井越來越少，如果熱儲壓力繼續下降，該熱儲將會停止開采（圖2）。

圖2 鐵嶺組熱儲年開采量、回灌量和熱儲靜壓力變化曲線圖Fig.2 Jxt reservoir production and pressure variation diagram

綜上所述，東南城區熱田主要熱儲（Jxw）開采規模和壓力之間存在著較強的相關性，而次要熱儲（Jxt）開采規模與壓力之間關聯性不太強，但兩個熱儲壓力的變化趨勢是一致的。因此，我們推測熱田的兩個熱儲之間存在有水力聯系，可以將兩個熱儲合并為一個薊縣系熱儲統一考慮。近幾年東南城區熱田正在優化資源配置，將過去以溫泉洗浴為主的消耗型利用方式逐步轉變為以地熱供暖并實施回灌為主的循環利用方式，薊縣系熱儲凈開采量快速減少，熱儲壓力下降速度已大大減緩，熱田即將進入可持續開發的關鍵時期（北京市國土資源局，2006）。在此，本論文將對東南城區可持續開發利用問題進行探討，為下一步地熱開發、管理和規劃提供借鑒。

2 熱田可持續開發利用問題的探討

地熱資源的可持續開發是指隨著地熱資源的持續開發，熱儲壓力和溫度不下降、流體化學成分基本不發生變化，達到動態平衡。

首先，我們先對東南城區熱田薊縣系熱儲壓力的平衡問題進行探討，通過對監測資料的分析和計算，研究地熱凈開采量和熱儲壓力變化的關系。

考慮到數據的可靠性，我們選擇80年代納入管理之后的監測數據進行分析，并且將開采規模和熱儲壓力下降幅度相似的年份進行組合（北京市地質工程勘察院，2016），并分別進行統計（表1）。

表1 Jxw熱儲年均開采量與地熱流體液面下降幅度統計表Tab.1 Jxw reservoir production per year and the descend range of geothermal fuid statistical table

從表1中可見，進入20世紀80年代以來，隨著東南城區薊縣系熱儲年均開采規模的逐級減少，地熱流體液面年均下降幅度也逐漸減小，為了研究兩個參數之間存在的相關關系，我們繪制了動態相關圖（圖3），通過對四個點進行擬合，得出一個擬合公式：

Y=-3×10-5X2+0.0191X-1.3653 （1）

式中：Y為地熱流體液面年均下降幅度（m）；X為熱田年均凈開采量（m3/a）。

我們利用公式（1）可以對熱儲壓力實現動態平衡的條件進行計算，假設東南城區薊縣系熱儲壓力保持不下降，即Y=0，則東南城區熱田年均凈開采量必須控制在65萬m3（圖3）。

Fig.3 Geothermal resource dynam ic correlation diagram in Dongnan Urban feld

從東南城區開發現狀分析,截止2016年，東南城區熱田地熱開采量為139萬m3，其中地熱供暖開采量為48萬m3，占熱田總開采量的34%，回灌量約23萬m3，消耗量為25萬m3，這里產生的消耗主要是由于回灌能力衰減或者部分單位沒有回灌井所致；而溫泉洗浴用量為91萬m3，占總開采量的66%，這部分流體在洗浴之后就被污染，無法回灌，因此只能全部消耗。因此，在不增加開采井的現有規劃要求下，下一步應整合資源，提高回灌井的回灌能力，盡可能的將地熱供暖之后的流體全部回灌，不產生消耗；同時，對溫泉洗浴用戶進行調研和檢查，一方面要求用戶根據實際需求供應地熱流體，采取節水措施，另一方面堅決制止管網低溫地熱流體的大量外排，或者采取加熱措施，或者實施回灌，保證不產生浪費。通過上述兩項措施，逐步將東南城區薊縣系熱儲的凈開采量減至65萬m3，實現熱儲壓力不下降。

其次，我們對東南城區熱田薊縣系熱儲溫度進行探討。通過長年對地熱開采井生產溫度的監測發現，各開采井的生產溫度保持穩定，說明熱儲埋藏深，儲存的熱量大，熱儲溫度一般不容易受到影響。但是自從實施地熱回灌之后，由于增加了低溫流體的補給，熱儲溫度極有可能會降低。為此，我們重點對東南城區開展回灌的5家單位實施了溫度監測。結果發現，回灌溫度大多為30℃～40℃，與生產溫度相差20℃～30℃，長時間回灌之后，回灌井反抽時的流體溫度普遍下降5℃～10℃，但開采溫度沒有發生較大變化。說明目前東南城區熱田的回灌強度小，回灌流體進入熱儲后聚集在回灌井周圍，形成“冷團”，它們沒有很快運移到開采井，所以沒有引起開采溫度的降低，但隨著回灌強度的增大，回灌時間的延長，這些冷團會逐漸向外移動，如果熱儲沒有足夠的熱量補給，這些冷團不能及時加熱，開采井溫度勢必會出現下降，形成“熱突破”。因此，在大規模實施地熱供暖和回灌的同時，應加大對熱儲溫度的監測，查明熱儲加熱回灌冷團的能力，研究地熱回灌強度與熱儲溫度平衡的關系，科學合理的進行生產。

最后，我們還對東南城區熱田薊縣系熱儲中的流體化學成分進行探討。通過長年取樣化驗發現，該熱田流體化學成分變化很小，說明熱儲埋藏深，地熱流體運移緩慢，流體化學成分不容易受到影響。目前地熱回灌主要是利用開采的地熱流體，經過換熱器后直接灌入同一熱儲層，因此也不會對熱儲流體化學成分產生影響。

綜合來看，目前東南城區熱田通過資源整合、采取節能措施、加大回灌力度，基本可以實現地熱資源的可持續開發，但必須加大熱儲溫度的監測和影響研究，謹防地熱大規模回灌形成“熱突破”。

3 結論和建議

3.1 結論

（1）東南城區熱田經歷了三個開采階段,目前地熱消耗量快速減少,熱儲壓力下降速度明顯減緩，即將實現熱儲壓力平衡。

（2）通過利用監測數據進行計算，推測東南城區熱田薊縣系熱儲年均凈開采量控制在65萬m3可以保持熱儲壓力平衡，下一步應整合資源，加大回灌力度，繼續減小消耗量，實現熱儲壓力不下降。

（3）東南城區實施地熱回灌導致回灌井周邊熱儲溫度小幅下降，但沒有引起區域熱儲溫度的變化，下一步應加大溫度監測力度，查明地熱回灌對熱儲溫度的影響。

（4）東南城區實施同層地熱回灌，不會對熱儲流體化學成分產生較大影響。

3.2 建議

通過對東南城區熱田地熱可持續開發利用問題的探討和研究，結合2006年的規劃，我們提出以下幾點建議：

（1）建立熱儲溫度監測系統，研究地熱資源評價方法

隨著地熱開發模式的轉變，原來基于單一開采模式的地熱資源評價方法已經不適用，建議針對采灌循環利用模式建立熱儲溫度監測系統，研究一套地熱資源評價方法，重點對可采熱量進行計算和評價。

（2）建議重新進行地熱勘查和評價

東南城區熱田受勘查程度限制，過去沒有詳細研究地熱流體的補給、徑流及排泄條件，不利于地熱資源的合理配置、優化開發。隨著近幾年鉆井數量的增多，地質、動態、流體化學等資料也更為豐富，應重新開展一次地熱勘查和評價工作，探討熱田內、熱田間的水力聯系，利用數值模型對熱田資源量進行評價，為地熱管理和規劃奠定基礎。

（3）建議推廣地熱供暖項目

東南城區地熱田在2006年規劃時劃設為嚴控開采區，提出2020年開采量控制在350萬m3，回灌量100萬m3，實際消耗250萬m3。而從2010年開始，該熱田得開采量一直處于下降狀態，2016年開采量只有139萬m3，回灌量23萬m3，實際消耗116萬m3，只有規劃的46%。出現這種情況的原因主要是有些老井因各種原因停用，而東南城區地熱田屬于嚴控開采區、原則上不再增大開采量，只允許增加回灌井及允許調整的更新井。在建筑物密集、地熱井產權關系復雜整合難度大的城市中心區，開采井數、總開采量及實際消耗量的減少是必然趨勢。照此發展，2020年的實際開采量、實際消耗量將遠小于“規劃”控制目標，地熱這一綠色能源的優勢將很難發揮，地熱也將一直在“保護”而不能“顧開發”。

因此我們建議下一輪地熱規劃時將熱田內地熱井密度低、井生產溫度高的部分地區調整為允許開采區，大規模推廣地熱供暖項目，地熱供暖后的流體全部回灌，采用近零排放的開發模式，控制地熱消耗量，保持地熱資源的可持續開發。

北京市地質工程勘察院，2016. 2016年北京市地熱資源動態監測報告[R].

北京市國土資源局，2006.北京市2006-2020年地熱資源可持續利用規劃[S].

鄭克棪，潘小平，董穎，2007. 中國地熱資源開發與保護[M].北京：中國地質出版社.

Sustainable Utilization of Geothermal Resources in Southeastern Urban Area, Beijing

YANG Yajun, LI Haijing, XU Wei

(Beijing Institute of Geological Engineering, Beijing 100048)

The geothermal resources have been exploited in southeastern urban area, Beijing since 1970’s, which can be divided into fast increasing period, slow decreasing period and fast decreasing period. Based on the discussion of the sustainable utilization conditions in this area, it concludes that the pressure of geothermal reservoir w ill not decline under the condition of produced quantity less than 650,000 m3, and reservoir temperature and fuid chem istry components have no any changes. Sustainable utilization can car ry out by taking some measures, but reservoir “heat breakthough” should be paid attention when large-scale geothermal reinjection is carried out. At last, this paper shows a few suggestions w ith reference to planning, including establishing monitoring system of the reservoir temperature, studying the evaluation method of geothermal resources, promoting the geothermal heating projects and exploration and evaluation of geothermal resources again.

Geothermal resources; Planning; Sustainable exploration

P314

A

1007-1903（2017）02-0013-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.003

楊亞軍（1968- ），男，主要從事地熱地質研究。E-mail：yyj@sina.com.