浅析现阶段天津地热开采现状与地面沉降

　　摘要：能源开采与其所引发的地质结构变化等问题，一直是当今从业工作人员所面临的一项难题，为更好的将两者进行优势兼顾，同时避免出现相关的问题而影响到人们的生产生活的正常进行，下面文章将以天津市区的地热开采工作为例，对因其开发地热能源而造成的地面沉降现象进行分析与总结。
　　关键词：地热开采；地面沉降；影响；原因
　　地热能源以其埋藏量丰富、对环境污染较小、能源利用率较高等优势，与近年来逐步成为了能源开采的一项重要内容。作为一种清洁性的复合矿产能源，地热能源在我国的分布较为广泛，以天津市区为例，其地下所蕴藏的地热能源主要以中低温地热资源为主，它的开发与利用将有助于极大地环节目前天津市能源紧张的现状，为推动天津市区的经济发展起到强劲的动力支持。但是，在进行天津市区的地下地热能源开采过程中所出现的地表沉降问题，因其了越来越多的人们的关注。通过多年的监测总结，其引发原因与开采地下流体的机理相同，逐步成为导致天津市地面沉降的关键性因素之一。
　　1天津中心市区地热开发利用现状及存在的问题
　　1.1天津中心市区地热开发利用现状
　　由于基岩地热水资源的开发利用不会对地面的沉降问题产生较大的影响，因此本次报告中地热研究内容重点涉及新近系的明化镇组，由于地层原因馆陶组在市区开采井分布很少(市区只有4眼)，对于基岩储热层不做介绍。
　　经统计可以发现天津市区地热井主要集中在城市的东部和南部地区王兰庄地热田范围内，市区东北部有少数地热井属于山岭子地热田范围，总体以明化镇组热储层地热井及蓟县系雾迷山组地热井为主。
　　2010年市区及新四区共有新近系明化镇组地热井70眼，其中3眼为回灌井。市区及新四区开采量为342．9×104m3(2010年中心市区地下水开采量为249．4×104m3)，本年度该热储层的3眼地热井均无回灌量。
　　从统计数据可看出:本年度该热储层以市区及新四区为集中开采区，虽然集中开采区开采量比2009年度有所减少，但仍占全市该层开采总量的72．9%(全市明化镇组开采量为470．1×104m3);本年度外围地区开采量增加了99．5×104m3。
　　天津市地热水主要用于供暖、洗浴、生活用水、种植、养殖、矿泉水开发以及康乐旅游等领域。(1)供暖。目前,天津市有116个单位利用地热水进行居民采暖,供暖总面积1000万m2,是我国利用地热采暖规模最大的城市。(2)生活用水据2005年统计,全市有81.92万户居民使用地热水,月平均85万人次利用地热水洗浴。由于明化镇组热储层地热水温度在42～72℃之间,平均温度52.13℃,加之水质良好,被居民洗浴利用较广泛。(3)其它方面①21家单位开发地热水用于温泉娱乐。②3个较大型利用地热水进行农业种植的基地,种植面积508.9亩。③7家单位利用地热水进行水产养殖,养殖面积243.16亩。④6家单位利用地热水生产矿泉水。⑤16家单位将地热水用于洗涤、印染、空调等工业生产上。
　　1.2天津中心市区地热开发利用存在的问题
　　1.2.1地热利用率低
　　由于各热储层的水温、流量、水质的不同,其地热利用率也存在差异。据统计,2005年各热储层地热尾水排放普遍在40℃左右,从各热储层地热尾水为40℃时的热利用率可以看出,尽管雾迷山组、寒武系及馆陶组水温较高,相对利用温差大,地热利用率也明显高于明化镇组与奥陶系,但地热利用率仅在50.75%～62.41%之间,显然还十分低。
　　地热利用率低的主要原因是:①利用结构单一,地热资源消耗量大;②利用技术、工艺及配套设备尚需优化;③地热尾水排放温度过高。
　　1.2.2回灌率低
　　回灌是将地热水中的热利用后,把原地热水回注到热储层。地热回灌的主要优点是将地热资源储量由静态变为动态,真正成为再生能源,同时有效地延长地热田生产寿命,避免尾水排放造成热污染及土壤污染。
　　天津市2001～2004年的地热回灌率分别为6.58%、7.94%、5.33%和6%。回灌率严重偏低,采灌失衡,导致热储层流体压力大幅度下降,形成区域性的降落漏斗。
　　2地热开采引起地面沉降分析
　　通过前文数据可以看出，天津市中心市区随着地下水不断减采，市区及周边新近系地热水开采量(2010年342．9×104m3)已经大于市区地下水开采量(2010年249．4×104m3)。为了研究开采地热水对天津市区地面沉降造成的影响，本文选取小范围的研究示范区进行分析比较，示范区如图1所示。选择区域内有两组新近系明化镇组地热采灌井分别是NK-21，NK-21B和NK-22，NK-22B均属于南开海河楼所有的地热井，见图2，两组地热井均采取一采一灌运行模式，但由于新近系地层原因每年几乎没有回灌量，并且区域内无其他地下水开采井分布。
　　根据研究区最近的监测点:不268数据显示见表1，2001年～2002年间该监测点沉降量较小，随着海河楼区域建设开始(建设时间为2003年～2006年)，该监测点沉降量突然增大，到2007年工程建设完成，在2008年～2010年工程建设结束只有地热井持续开采期间，沉降量逐步回落并稳定在一个较高数值并始终高于施工之前的沉降值，沉降量并没有因施工停止而恢复到原先的程度，从监测点时间序列图3中可以分析得知，开采新进系地热的确会对地面沉降产生一定的影响。
　　由于天津市区分层标较浅，标组最深处只能反映市区350m以下的沉降量，不能将开采地热引发的地面沉降数值完全分离，因此根据现有成果(塘沽分层标监测结果)，并且塘沽区新近系岩性与市区新近系岩性相似，进行地面沉降量与深层地热水开采量的方程拟合:拟合方程为:
　　S=0．0125Q+0．2806(1)
　　其中，S为开采层沉降量，mm;Q为开采层开采量，×104m3/年。
　　当置信度为95%时，二者的相关系数为0．99，可用来计算地热开采量与沉降量关系。新近系明化镇开采井基本都集中在市区，由式(1)可得在市区由于地热因素造成的沉降量约4．5mm。另外，市区附近西青区分层标深度可达566．2m，本次研究认为566．2m以下产生的沉降量均为地热水开采引起的，根据监测结果显示地热开采引起的沉降量约3．8mm，因此可认为由开采新近系地热引起的地面沉降占中心市区总沉降量因素。
　　地热的开采对中心市区地面沉降产生了3．8mm～4．5mm左右的沉降量，已经占天津市区沉降量的19%～27%，由此可见地热水的开采已经对天津市区的地面沉降产生了一定的影响。
　　3结论与建议
　　天津市的地热开采已经对市区的地面沉降造成了影响，在地下水不断减采的前提下，控制地热水开采引起的地面沉降是现今的主要任务之一。在地下热水资源开采中应通过严格控制新近系开发利用规模，提高地热资源利用率，严格禁止非地热异常区的地热开发，提高地热回灌率等手段，预防地热资源开发利用加剧地面沉降灾害。
　　
　　
　　
　　参考文献:
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　　［5］姜衍祥，于强，王威．天津市地面沉降控制与城市新发展［J］．水文地质工程地质，2010(S37):277-281．

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