魯北深部砂巖熱儲開發地質環境變形效應研究

馮克 賈超 丁朋朋 魏茂杰 王明珠 韓建江

摘要： 山東省深部砂巖熱儲資源豐富，熱儲開發利用對區域經濟社會發展具有重要促進作用。但如果不注重深部熱儲的適度、有序開發，超出其臨界量后可能會引發區域地面沉降等不良地質環境問題，因而，研究深部砂巖熱儲開發引發的地質環境變形問題意義重大。本文針對山東省魯北典型深部砂巖熱儲區熱儲開采的地質環境影響問題進行深入研究，確定了開采量、開采層位等因素導致的熱儲層沉降量，分析了熱儲層沉降對該區地面總沉降的貢獻。對深入認識魯北地區深部砂巖熱儲的地質環境效應，合理開發深部熱儲資源提供借鑒與依據。

關鍵詞： 砂巖熱儲；地質環境；多場耦合；地面沉降；魯北地區

中圖分類號： P314 ????文獻標識碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.008

引文格式： 馮克印，賈超，丁朋朋，等.魯北深部砂巖熱儲開發地質環境變形效應研究［J］.山東國土資源，2023，39（3）：51 56. FENG Keyin， JIA Chao， DING Pengpeng， et al. Study on Geological Environment Influence Caused by Deep Thermal Reservoir Exploration in Sandstone in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：51 56.

0 引言

隨著社會經濟的發展，對能源的需求日益強烈。地熱能作為可再生能源之一。相比于石油、天然氣和煤等化石燃料的消耗更為清潔環保和低碳，為雙碳目標的實現發揮重要作用［1］。近20年來，中國地熱資源開發利用得到了蓬勃發展，在中國北方清潔供熱中發揮著重要作用，僅2020年淺層和深層地熱供暖建筑面積就接近14億m2，對減少碳排放具有不可忽略的貢獻［2 3］。

魯北地區地處華北平原，地熱資源儲量豐富，在能源供給中占有相當的比例與份額［4 5］。近年來，深部砂巖熱儲的開發呈現逐年增長的趨勢。而該區又處在華北平原地下水開采誘發的漏斗區內［6 7］。前 人研究已初步表明，地下水開采對地面沉降等地質環境具有重要影響［8 10］，但深部館陶組以下熱儲開發對地面沉降的影響效應目前尚未有深入系統的研究①，因此，全面深入研究深部砂巖熱儲開發對該區地面沉降的影響程度，定量確定館陶組熱儲開發引發的熱儲層絕對沉降量及對區域地面總沉降量的貢獻尤顯重要，直接關系到未來魯北地區地下水管控、地熱開采管理方案等制定的科學性和合理性，并直接影響魯北地區社會經濟發展。

本文在借鑒相關研究成果的基礎上［11 14］，采用現場調查、現場監測、室內物理模型實驗仿真、數值分析計算預測等多角度多手段結合的綜合研究模式，開展深部砂巖熱儲開發下地質環境影響研究，定量回答深部砂巖熱儲開發下熱儲層沉降量及地溫場演變規律，熱儲層沉降對總沉降的占比貢獻等，為該 區評價深部熱儲開發的地質環境影響程度，制定合理地熱開采方案，確定正確地下水資源管控措施等提供依據。

1 熱儲開發與地面沉降現狀

1.1 地熱水開發利用現狀

伴隨地熱資源開采及應用的理論、技術日趨成熟［15 16］，魯北地區地熱開采呈逐步增強趨勢。區內地熱資源開發源于20世紀70年代，當時地熱井基本是在開發石油過程中形成的，成井質量較差，地熱資源開發利用程度很低，僅局部用于洗浴、水產養殖等。20世紀90年代末，山東省地礦局在區內進行了廣泛的地熱資源普查和地熱井鉆探工作，地熱井數量迅速增加，區內地熱規模開發始于20世紀90年代，第一眼正式用于供暖、洗浴的地熱井位于山東省地礦局水文二隊老單位院內，成井時間為1997年3月，井深1479.7m，水溫57℃，熱儲層為館陶組。

截至目前，區內現有地熱生產井670眼，其中開采井389眼，回灌井281眼，開采地熱水主要用于供暖，個別地熱井用于洗浴。據統計，區內生產井超過50眼的地市有5個，分別為德州市德城區、陵城區、平原縣、夏津縣及聊城市臨清市。區內地熱水開采量為6184.32萬m3（未扣除回灌量），其中德州市占比68%，聊城市占比32%。德州、聊城是山東省地熱資源利用典型區，德州市回灌井配備率超過95%，聊城市大部分地熱開采井未配備回灌井（表1）。

伴隨不同淺、中、深層位地下水開采量急劇增長，在區域上形成了一定范圍的漏斗，逐步形成了以主要開采區為中心的多個漏斗中心，分別位于德城區，夏津縣、東昌府區，最大埋深水位在夏津縣，水位埋深超過90m。德州德城區及聊城東昌府非開采期靜水位均在80m左右。為控制地面沉降，對不同層位水資源開采進行了管控，對地熱水采取“采灌均衡、取熱不取水”地熱開采模式，聊城2020年開始關停部分地熱井。在綜合管控措施下，2021年聊城市地熱水水位總體呈現抬升趨勢，但升幅不大；德州市德城區和陵城區水位呈現下降趨勢，地熱水降落漏斗有所擴大（圖1）。

1.2 地面沉降現狀

近5年區內沉降速率超過40mm/a的區域面積較?。▓D2），分布在冠縣西部，面積為271km2，僅占區域總面積的1.4%；累計沉降量20～40mm區域分布較分散，主要分布在冠縣中部、臨清市中西部、德城區北部、茌平縣中東部以及齊河縣西部地區，面積為2233 km2，占區域總面積的11.76%；沉積沉降量10～20mm區域分布面積較廣，面積15185km2；沉積沉降量不足10mm區域分布零星，面積為1305km2。

基本可以確定，地下水開采對地面沉降具有影響，但此前并未深入進行過深部砂巖熱儲層地下水開采對地面沉降的影響研究。因此，本文根據2020年度山東省地勘項目部署，對深部砂巖熱儲開采對地面沉降的貢獻進行了系統分析研究。

2 現場監測分析研究

2.1 水準及InSAR監測分析

2020年，對區內地面沉降進行了水準、InSAR測量及分層標建設測量工作。通過水準和InSAR測量對地面總沉降量進行把握與掌控，通過分層標建設及測量對熱儲層沉降量進行把握與掌控。根據監測結果，可以初步分析判斷深部地熱開采對地面總沉降量的貢獻。水準和InSAR測量分析結果如圖3所示。

由監測結果，區內沉降較為嚴重的區域主要分布在聊城市的冠縣、莘縣、茌平縣以及德州市的寧津縣，最大沉降速率為 91.82mm/a；2018—2019年，工作區最大沉降速率有所降低，為 75.16mm/a，地面沉降較為嚴重的區域主要為德州市的德城區、齊河縣和聊城市的冠縣、茌平縣；2019—2020年，工作區地面沉降較為嚴重的區域為聊城市的齊河縣、茌平縣和德州市的寧津縣、樂陵市，最大沉降速率為 99.62mm/a。近5年區內累計沉降量超過200mm區域面積較小，分布在冠縣西部，面積為271km2，僅占工作區總面積的1.4%；累計沉降量100～200mm區域分布較分散，主要分布在冠縣中部、臨清市中西部、德城區北部、茌平縣中東部以及齊河縣西部地區，面積為2233km2，占工作區總面積的11.76%；沉積沉降量50～100mm區域分布面積較廣，面積15185km2；沉積沉降量不足50mm區域分布零星，面積為1305km2。

2.2 分層標建設及監測

2020年10月，在德城區建成館陶組熱儲層沉降監測的分層標（圖4），標深1200m，位于區域主要地熱開采層上界面，為將來精準控制館陶組熱儲層絕對沉降量提供了重要監測手段。該分層標建成后，首次沉降測試值為22.67mm，但該值并不代表 1200m以下地層在地熱開采條件下的絕對沉降量值，而是經過上覆地層壓力解除后，地層回彈，而后由于分層標自重條件下產生的地層初始壓縮變形。將在第二次測試后綜合分析兩次測量的沉降值方能得到兩次測量時間段內的熱儲層絕對沉降量值。

3 數值分析計算

眾多學者對地下資源開采的多場耦合數值計算進行了研究［17 21］，在地下水開采誘發地面沉降的數值研究方面，賈超等［9 10］已在山東數十地市開展了相關研究。為對區內深部砂巖熱儲開采對地面沉降的影響進行長期分析預測，借鑒團隊已有研究基礎，本文建立了區內深部砂巖熱儲的三維流 固 熱耦合數值分析計算模型（圖5）。

將該數值模型與區內前期歷史監測資料、室內地質力學物理模型實驗結果進行綜合比對、校核后，得到與現場實測結果和室內模型實驗結果相吻合的數值分析計算模型，然后應用該數值模型對區內深部砂巖熱儲開采后的地面總沉降量、熱儲層絕對沉降量、熱儲層地溫場演化等進行分析計算預測。以2021年為計算基準期，進行10年變化預測，主要結果如下圖6—圖8所示。

由數值分析計算結果，并綜合監測結果，熱儲層的沉降速率約在0.48～0.61mm/a，熱儲層的沉降速率約占地面沉降速率的1.4%和1.5%，對研究區總沉降的影響微弱。新建館陶組分層標所在位置熱儲層的沉降速率計算結果為0.96mm/a，對地面沉降影響微弱。地熱水開采對地面沉降基本無影響。

4 結論

（1）區內目前采取的地下水管控措施對減緩地面是有效果的。

（2）近5年工作區內累計沉降量超過200mm區域面積較小，分布在冠縣西部，面積僅占工作區總面積的1.4%；累計沉降量100～200mm區域分布較分散，主要分布在冠縣中部、臨清市中西部、德城區北部、茌平縣中東部以及齊河縣西部地區。

（3）綜合水準測量、InSAR監測、數值分析計算，區內地面沉降受深部砂巖熱儲層地熱開發的影響甚微。

5 建議

（1）分層標是確定目標地層絕對沉降量的重要手段，要盡快完善針對不同目標層的分層標建設，為將來精準獲取不同地層絕對沉降值提供依據，已建分層標應進行長期長序列觀測。

（2）深入開展深部地熱開發與地面沉降及地溫場演化的科學研究工作，扎實掌控科學機理。以可接受地質環境影響限值為界限值，合理確定淺中深層地熱資源允許開采量、開采井布置方案及提出因地熱資源開采衍生的不良地質防控應急措施。

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Study on Geological Environment Influence Caused by Deep ??Thermal Reservoir Exploration in Sandstone in Shandong Province

FENG Keyin1，2， JIA Chao3， DING Pengpeng4， WEI Maojie1，2，WANG Mingzhu5， HAN Jianjiang6

（1.Shandong Provincial Territorial Spatial Ecological Restoration Center， Shandong Ji'nan 250014， China;2.Yellow River Delta Land Use Safety Field Scientific Observation and Research Station， Ministry of Natural Resources， Shandong Ji'nan 250014，China; 3.Institute of Marine Science and Technology，Shandong University， Shandong Qingdao 266237， China；4.School of Civil Engineering and Water Conservancy，Ningxia University，Yinchuan 750021， China; 5.The Second Institute of Hydrogeology and Engineering Geology，Shandong Provincial Bureau of Geology & Mineral Resources（Lubei Geoengineering Exploration Institute），Shandong Dezhou 253072， China; 6. Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development， Jinan 250013， China）

Abstract： ?Shandong Province is rich in deep sandstone thermal reservoir resources， and the development and utilization of thermal reservoir play an important role in promoting regional economic and social development. If deep thermal reservoir can not be paid attention to moderate and orderly development， geological environment problems can be caused， such as regional land subsidence after exceeding its critical amount. Therefore， it is of great significance to study geological environment deformation problem caused by the development of deep sandstone thermal reservoir. In this paper， geological environment impact of thermal reservoir exploitation in typical deep sandstone thermal reservoir area in northern Shandong province has been studied furthurly. The settlement of thermal reservoir caused by factors， such as mining output and production horizon has been determined， and the contribution of thermal reservoir subsidence to total land subsidence in this area has been analyzed. It will provide some references and basis for further understanding geological environment effect of deep sandstone thermal reservoir in northern Shandong province and for rational development of deep thermal reservoir resources.

Key words： ?Sandstone thermal reservoir; geological environment; multi field coupling; land subsidence; northern Shandong province