深層地熱水開采與地面沉降的關(guān)系研究

1、34 水文地質(zhì)工程地質(zhì)2006年第3期深層地熱水開采與地面沉降的關(guān)系研究林 黎,趙蘇民,李 丹,馬風如,李會娟(1 中國地質(zhì)大學,北京 100083;2 天津地熱勘查開發(fā)設計院,天津 300250)摘要:本文根據(jù)天津塘沽區(qū)深層地沉觀測標觀測到的地面沉降數(shù)據(jù),分析了深層地下熱水開采對地面沉降的影響比例。在分析地熱水開采引起地面沉降機理的基礎(chǔ)上,通過統(tǒng)計回歸方法建立了深層孔隙型地熱水開采量與地面沉降量的相關(guān)模型;提出了進行地熱尾水回灌和建立深層沉降監(jiān)測網(wǎng)以加強綜合研究的防治對策。關(guān)鍵詞:孔隙型地熱水;正常固結(jié)地層;地面沉降中圖分類號:P314 1;P642 26 文獻標識碼:A 文章編號:1000

2、 3665(2006)03 0034 041,21,21,222眾所周知,地下水的過量開采將導致地面沉降。為了定量研究地下水開采量與地面沉降的關(guān)系,并為控制地面沉降提供科學依據(jù),天津市共建立了64個沉降觀測分層標孔(分為基巖和松散層),其中包括為監(jiān)測深層地下熱水開采引起的地面沉降,于1990年在塘沽區(qū)深層熱水集中開采區(qū)(新開里)專門施工的一眼650m深層地沉觀測標。塘沽區(qū)因其主要開采深層松散孔隙型地下熱水而使地面沉降較為顯著,加之地面沉降觀測資料較為齊全,故本文以塘沽區(qū)為例開展專門研究。哪些層位,分層沉降量占總沉降量的比例有多大是值得關(guān)注的。根據(jù)分層沉降標數(shù)據(jù),各組地層變形量列于表2。由表2可

3、以看出,因深層地下水開采引起的地面沉降量比例在逐年增加。這是因為地下水開采由以前的主要開采二、三組淺層地下水變?yōu)橹饕_采四組以下的深層地下水,相應深部地層壓縮引起的沉降量在總沉降量中所占的比重增加。表2 各組地層沉降量Table2 Thesubsidenceofstrataofdifferentgroups含水組一組二組三組四組下底板深(m)9019030040019896 6 17 313 3 34 914 7 38 638 1沉降量(m) 占總沉降量的比例(%)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 地面沉降與地熱水開采19852000年塘沽區(qū)總沉降量為0 474m,年地面沉降監(jiān)測值見表1。顯然,該區(qū)地面沉降量在反復中逐年遞減,由1985年的年沉降100mm降為2000年的27mm。這是因為引灤入津工程的實施,改變了塘沽區(qū)的水源結(jié)構(gòu),地下水開采量明顯減少的緣故。表1 塘沽區(qū)(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沉降量合計隨著產(chǎn)生地面沉降主要層位的下移,研究深層地熱水開采對地面沉降的影響是十分必要的。塘沽區(qū)在深層熱水集中開采區(qū)專門設立了650m深層地沉觀測標,其觀測到的沉降數(shù)據(jù)見表3,相應的新近系熱儲層地熱水年開采量也列于表3中。表3 新近系熱儲層沉降量與開采量關(guān)系Table3 Relationshipbetweenexploitati

6、onandlandsubsidenceoftheTertiarygeothermalreservoir年份沉降量(mm)開采量( 104m3 a)19935 119944 8919955 8419965 8520025 9220035 61塘沽區(qū)地面沉降由歷史上的急劇下沉轉(zhuǎn)變到現(xiàn)在的穩(wěn)定控制,成績是可喜的。目前這些沉降量分布在收稿日期:2005 08 17;修訂日期:2005 12 04作者簡介:林黎(1963 ),男,博士研究生,高級工程師,研究方向為水文學與水資源環(huán)境。E mail:linli1818381 88373 47445 83446 83447 48426 25我們認為深層地沉觀

7、測標觀測到的數(shù)據(jù)是自然因素和人為因素綜合作用的沉降結(jié)果。因自然因素引起的地面沉降量很小,天津主要由構(gòu)造運動產(chǎn)生,每年約,12006年第3期水文地質(zhì)工程地質(zhì) 35表4 塘沽區(qū)土層主要工程性質(zhì)指標Table4 MainengineeringpropertiesofsomeofthestrataintheTangguarea深層地熱水引起的地面沉降量。地面沉降量與深層地熱水開采量之間的相關(guān)曲線如圖1。含水組劃分四組五組底層深度(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明化鎮(zhèn)組900140021 23 地熱水開采的地面沉降機理塘沽區(qū)孔隙型熱儲層主要有明化鎮(zhèn)組和館陶組,圖1 沉降量與開采量相關(guān)曲線Fig.1 Correlationcurveoflandsubsidenceandexploitation巖性是以砂巖、泥巖為主,處于半膠結(jié)狀態(tài)的不等厚互層松散沉積物。固結(jié)特征為孔隙內(nèi)流體壓力等于地層壓力,地層應力處于平衡狀態(tài),屬正常固結(jié)地層。如果過量抽水,則破壞了地層內(nèi)的應力平衡,地層孔隙內(nèi)流體壓力下降,有效應力(上覆壓力)相對增加,當超過其平衡邊界值時,

9、將出現(xiàn)壓縮變形而引起地面沉降。由于砂巖、泥巖是兩個截然不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體,在孔隙內(nèi)流體壓力下降時,所形成的沉降機理也是完全不同的。正常固結(jié)孔隙型地層中的泥巖具有釋水能力,釋水能力主要取決于巖土體本身的強度(抗拉伸)及彈性系數(shù)(泊松比),但孔隙壓力大小對破裂壓力有很大的影響。在微觀上可取正常固結(jié)地層一個各項同性、均質(zhì)彈性的單元體,dx、dy為相互垂直的水平地應力,dz為上覆地層壓力,在一個水平面上,dx=dy,只有當dz增加時,單元體孔隙中所包裹的流體將克服dx或dy的地應力而釋水。釋水結(jié)果造成單元體內(nèi)部結(jié)構(gòu)體之間產(chǎn)生相對位移及結(jié)構(gòu)體內(nèi)部物質(zhì)定向排列、旋轉(zhuǎn)、滑移,使孔隙度變小,單元體壓密變形,最終

10、引起地面沉降54擬合方程為:S=0 0125Q+0 2806式中:S!熱儲層沉降量(mm);43Q!地熱水開采量( 10m a)。在置信度為95%時,二者的相關(guān)系數(shù)為0 99。可用來定量預測沉降量與開采量的關(guān)系。2 深層熱水儲層的工程地質(zhì)特征塘沽區(qū)主要開采新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組中低溫孔隙型地熱水用于供暖,其熱儲層的基本特征如下:新近系明化鎮(zhèn)組:上段頂板埋深在500m左右,以棕紅色厚層泥巖為主,夾淺灰綠色粉、細砂巖;下段頂板埋深9001400m,巖性為粉細砂巖與暗棕色、棕紅色泥巖互層。塘沽區(qū)目前有4眼開采該熱儲層的地熱3井,井口水溫在4050,單井涌水量6075m h,2003年開采量67 43

11、 10m。熱儲層水位年平均下降2m,熱儲壓力平均年降幅0 0192MPa。新近系館陶組:包含三個熱儲富集段,塘沽地區(qū)目前主要開采的是下熱儲富集段的地熱水。頂板埋深16001850m,底板埋深21002200m,以砂礫巖為主。塘沽區(qū)目前有27眼開采該熱儲層的地熱井,井口3水溫度在6478,單井涌水量60140m h,2003年開采量358 82 10m。熱儲層水位年平均下降35m,熱儲壓力平均年降幅0 01920 048MPa。據(jù)塘沽地區(qū)200m以下鉆孔所取土樣的高壓固結(jié)試驗和大港油田在黃驊坳陷中地層壓力測試曲線可知,埋深2002500m的松散孔隙型地層壓力基本為正常壓力。說明了天津地區(qū)現(xiàn)在開采

12、的中低溫孔隙型地熱水,其熱儲層在5002200m內(nèi)屬于正常固結(jié)地層,其工程性質(zhì)指標見表4。324343。對于泥巖來說,釋水、壓密、固結(jié)、變形大部分是不可逆的塑性變形,即使在水位恢復后也不會回彈。所以,泥巖引起的地面沉降是永久的,無法消除。正常固結(jié)孔隙型地層中的砂巖含水層是通過砂粒接觸點承受應力。開采地熱流體引起水位下降,有效應力增加使砂粒排列緊密,孔隙度變小,含水砂巖壓縮,地面相應沉降。停采后,水位恢復,則孔隙水壓力增加,砂巖承受的有效應力降低,砂巖回彈,顆粒排列恢復,地面沉降消除。故含水砂巖釋水壓密引起的地面沉降是暫時的,具有可恢復性。這一點在天津第二含水組地面沉降漏斗和水位下降漏斗同升同降

13、(但時間滯后)的關(guān)系中能夠得到很好的證明。在水位反復升降的條件下,砂巖顆粒趨于最緊密排列,這部分壓密,36 水文地質(zhì)工程地質(zhì)2006年第3期量中的比例很小。總的來說,抽水引起的砂巖釋水壓密大部分屬于彈性變形,具有可恢復的特點。對于塘沽區(qū)這樣一個正常固結(jié)的熱儲系統(tǒng),目前共有34眼中低溫地熱井(包括開發(fā)區(qū)),以#三集中(集中時間、集中地域和集中層位)的方式,年開采明化鎮(zhèn)組地熱水40 1060 10m、館陶組地熱水350 44310370 10m。松散孔隙型熱儲系統(tǒng)(包括泥巖)壓力下降過快,不可避免地會引起泥巖層釋水壓密,出現(xiàn)地面沉降。天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局1998年在塘沽區(qū)館陶組地熱流體離子含量分析中,

14、發(fā)現(xiàn)F離子增量與地面沉降有明顯的正相關(guān)關(guān)系,通過質(zhì)量平衡方程算出,地層中通過釋放進入開采層的毛細水、結(jié)合水約有8%是由不可逆的粘土部分釋放而成?？梢?在過量開采條件下,泥巖釋水量在開采量中所占的比例很大。開采孔隙型地熱流體引起的地面沉降與淺部地層相比,在同樣的水位條件下,引起的沉降量較小且時間滯后。其原因在于泥巖變形具有慣性#動能,過程緩慢,形成機制相對復雜;加之中低溫熱儲層上覆泥巖層較厚,結(jié)構(gòu)致密,有一定的膠結(jié)性而不易壓縮,對深層地下熱水超量開采有一定的屏蔽作用,而650m深層地沉觀測標測得的數(shù)據(jù)恰好是該值。因此,超強度開采地下熱水引起地面沉降從測得的數(shù)據(jù)看是緩慢的,具有一定的隱蔽性。6-4

15、4率持續(xù)下降,已不宜進一步開采。古近系東營組和沙三段砂巖及砂礫巖,處于封閉、半封閉的超壓固結(jié)狀態(tài),孔隙率18%25%,熱儲層厚度和分布面積較大,是天津地區(qū)尚未開發(fā)的主要熱儲層。在地熱鉆探防噴技術(shù)可行的前提下,具有極大的開發(fā)潛力。4 2 加強地熱尾水回灌除壓縮開采量外,近年來地熱管理部門加大了地熱尾水回灌的研究和規(guī)劃,采取了多種措施,取得了顯著的成效。將地熱尾水回灌于地下,既是對地熱資源的保護,也是控制地面沉降的有效措施之一。塘沽區(qū)對館陶組下段熱儲層的回灌試驗研究表明:在自然狀態(tài)下回灌量達2045m h,加壓到2kg cm時回灌量達5085m h,說明新近系孔隙型熱儲本身具有一定的回灌能力。通常

16、認為人工回灌地下水可使地面產(chǎn)生大幅度回彈,但實際則不然。這是因為人工回灌雖可使含水層地下水位恢復,但不能使粘土層已排泄出的(約占粘土釋水總量70%)得到回儲,因此塑性變形后粘土層所產(chǎn)生的回彈量甚微,人工回灌在地面沉降控制中難以起到根本性作用。但人工回灌地下水是對地下水資源的一種外補償,可使下個開采期減少粘土層釋水量。從這個角度來說,人工回灌地下水對控制地面沉降有一定的間接效果。4 3 建立深層沉降監(jiān)測網(wǎng)深層地面沉降觀測網(wǎng)由地面水準點、分層標及地下熱水長觀系統(tǒng)等組成,用來對地面沉降發(fā)展趨勢進行有效的監(jiān)測。包括塘沽區(qū)在內(nèi),天津地區(qū)地下熱水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)每年有條不紊地進行,取得了豐富的監(jiān)測資料。但目前5

17、001000m地層的工程地質(zhì)及計算參數(shù)只有一些零星資料,1000m以下更是空白,深層分層標很少。建議埋設1000m以下的分層標,直接監(jiān)測新近系孔隙熱儲開采松散層地熱水對地面沉降的影響,同時獲取深層巖樣并實測其物理力學參數(shù)。塘沽區(qū)深層地沉觀測標的升降變化在20世紀90年代以前是以寶坻區(qū)城關(guān)基巖標為基準點,之后又以天津市區(qū)基巖標為基準點,距離均在50km以上,測量誤差大。根據(jù)天津市地質(zhì)災害防治規(guī)劃,未來幾年內(nèi),塘沽區(qū)規(guī)劃建設GPS基準站,擴大建立GPS一級檢測網(wǎng),對探討深層地面沉降機理,提高預測精度都是十分有益的?？傊?深部地熱水開采引起的地面沉降機理與淺,87324 防治對策及建議眾多研究表明,

18、地面沉降致災過程至少存在3個階段,即自然沉降階段、緩變劣變質(zhì)變階段(簡稱緩劣質(zhì)變階段)和快速衰變破壞階段。天津塘沽區(qū)現(xiàn)在正處于緩劣質(zhì)變階段,是采取措施控制地面沉降的最佳時期。4 1 科學規(guī)劃,調(diào)整地熱開采層位地下水是寶貴的自然資源,只有科學規(guī)劃,合理開發(fā)才能使水資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。就地熱資源來說,由于各含水組沉積環(huán)境、巖性、結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)特征及工程地質(zhì)性質(zhì)不同,使得各含水組的臨界開采水位、臨界開采量均不相同。因此,調(diào)整開采層位、分層開采、綜合管理,是有效控制地面沉降的措施之一。新近系館陶組上段靜水位平均埋深在60m左右(2004年),熱儲壓力相對下段大,在本地區(qū)地熱需求仍相對較大的情況下,可適

19、量開發(fā)館陶組上段熱儲。館陶組下段地熱井在塘沽地區(qū)已形成明顯的開采漏斗,漏斗中心動水位埋深已在100m以下,靜水位埋深在,2006年第3期水文地質(zhì)工程地質(zhì)工業(yè)出版社,1990:90-91 5 郭勇海,沈照理,鐘佐37降。參考文獻:1 王若柏.天津地區(qū)構(gòu)造沉降及控沉遠景問題C 全國地面沉降學術(shù)研討會論文集.20022 天津地熱勘察設計院.2004年天津地下熱水動態(tài)監(jiān)測R.20043 天津市塘沽區(qū)供熱辦公室,天津地熱勘查開發(fā)設計院.天津市塘沽區(qū)地熱資源開發(fā)對地面沉降影響的研究R.19974 鉆井手冊(甲方)編寫組.鉆井手冊R.北京:石油,等.從地面沉降論河北平原深層地下水資源屬性及合理評價J.地球科

20、學,1995,20(4):4166 天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局,地礦部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所.天津市塘沽區(qū)地熱流體回灌研究R.1998 7 鄭銑鑫,武強,侯艷聲,等.關(guān)于城市地面沉降研究的幾個前沿問題J.地球?qū)W報,2002,23(3):279-2838 天津市規(guī)劃和國土資源局.天津市地質(zhì)災害防治規(guī)劃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