开采深部松散层地热引发地面沉降量的预测方法与流程

本发明涉及地热资源开采技术领域，具体涉及一种针对新近系地层的开采深部松散层地热引发地面沉降量的预测方法。

背景技术：

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、环保、稳定等特点，是一种具有竞争力的清洁能源。

但是，开采地热资源势必会引发一定量的地面沉降，而地面沉降是一种地质灾害和环境地质问题，严重时会对地面建（构）筑物和工程设施带来危害。如开采深部松散地层地热时，由于地层中固体颗粒间的部分热水被开采，造成热储层的水头压力降低，热储层固体颗粒之间的空间在原有有效应力发生变化后被压缩，形成深部层位大面积的垂直位移，位移传至地面则引发地面沉降。地面沉降是一种常见的地质灾害和严重的环境地质问题，地面沉降严重时会破坏地表和浅部地下的建（构）筑物，尤其是对地铁、地下综合管廊等构筑物危害极大。因此，在开采深部地热的同时需要定量测算地热开采对环境造成的影响，科学、合理制定地热资源开采利用规划和相应的环境保护措施。

然而，由于地热开采层位一般在深部特定层位，目前国内还没有一个预测其引发地面沉降的成熟方法。天津、北京等地都是在地热开采区内设置了基岩标和大量的分层标用于监测不同层位的地层沉降情况，进而总结出地热开采引发地面沉降的地区经验方法。但这种方法存在着不足之处：耗费大量的人力物力，而且在没有设置基岩标、分层标的地区，地热开采引发地面沉降值是没办法获得的，难以推广应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种新近系地层的开采深部松散层地热引发地面沉降量的预测方法，以期解决现有技术中开采深部松散层地热引发地面沉降量的预测方法耗时耗力，误差大，应用价值低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

提供一种开采深部松散层地热引发地面沉降量的预测方法，包括以下步骤：

（1）检测开采地热储层及上部覆盖土层的地质参数、热储层土体压缩模量，地热开采利用期间深层热水水头下降值和地热开采影响范围值；所述开采地为新近系地层；

（2）根据步骤（1）中的检测数据建立地热开采层的土体压缩数学模型如式（i），计算地热水位下降后的地层压缩形变量s：

——式（i）

式中：

s单位为m；α为沉降计算经验系数，取值为1；ρ为降水引起的土层平均附加有效应力，单位为kpa/m；h为热储层组平均等效厚度，单位为m；e为压缩模量，单位为kpa；

（3）按式（ii）计算地热开采引发的地面沉降量w：

w=q×s×cosβ——式（ii）

式中：

w单位为m；q为地表下沉系数，为0.4～0.6；s为步骤（2）所得地层压缩形变量；β为热储地层倾角。

优选的，在所述步骤（1）中，所述地质参数由埋藏深度、厚度、自然水头高度和地层特征组成。

优选的，在所述步骤（2）中，依据不同地区地热水矿物成分不同，密度不同，所述ρ=8～12kpa/m；进一步优选ρ=10kpa/m。

优选的，在所述步骤（2）中，依据平均物理力学性质，馆陶组热储层为中粗砂，所述e=33～46kpa；进一步优选e=40kpa。

优选的，在所述步骤（3）中，热储层为水平地层时，β=0。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

1.本发明通过地热井钻探施工中获得地质资料和热储资料，摒弃传统的产生地面沉降的机理，建立地热采空区的沉降模型，预测出地热资源开采后引发地面沉降的数值，为有效防治地面沉降提供理论基础和依据。

2.本发明能够准确预测地热开采不同程度所引发的不同沉降量，定量评价地热开采对地质环境的影响，为制定科学、合理的地热资源开采利用规划以及开采中如何采取回灌措施来保护地质环境服务。

3.本发明预测准确度高，适用没有设置基岩标、分层标的地区，能够科学评价地热开采对地质环境造成的影响；易于广泛推广应用，可高效推动地热资源开采利用和地质环境保护等行业的技术进步，保证经济建设持续、绿色、稳定地发展。

附图说明

图1为典型地热井之油田六社区1#地质剖面示意图。

图2为典型地热井之油田六社区3#地质剖面示意图，图1和2中，滤水管段即为有效取水段。

图3为典型地热井地质剖面示意图，图3中，馆陶组地层厚度299m，热储层等效厚度约240m。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的检测方法，如无特别说明，均为常规方法；所提及的降水，均为地热水开采时，深部热储层水位下降。

实施例：

开采地热引发地面沉降的机理是：深部松散地层中固体颗粒间的热水部分被开采，引起热储层水头压力降低，固体颗粒所受到的上浮力水减小，热储层在地应力作用下被压缩，造成深部特定层位大面积垂直位移，位移传至地面即会引发地表沉降。

在发明人多年、大量工程经验的基础上，跳出地热开采时的惯性思维和常规技术手段，创造性的将热储层水头压力降低时地面均匀沉降视为采空区，进而综合运用浅层岩土工程中的太沙基理论和深层采煤行业的下沉法理论，得到本开采深部松散层地热引发地面沉降量的预测方法，该地面沉降量预测主要预测流程为：

地热井勘探施工→查明热储层地质资料、地热资料及取岩土样→建立热储层土层压缩数值模型→计算深部热储层压缩量→建立采空区引发地面沉降数值模型→计算开采地热引发地面沉降量。

具体包括以下步骤：

（1）根据地热井钻探施工查明所开采地热热储层的埋藏深度、厚度、自然水头高度、地层特征及上部覆盖土层的地质资料，然后通过钻探取样土工试验确定热储层土体压缩模量，再通过地热井的抽水试验确定地热正常开采利用期间深层热水水头下降值和地热开采影响范围。

（2）根据所获得的地质资料和地热开采利用参数，建立地热开采层的土体压缩数学模型如式（i），按照有效应力法计算地热水位下降后的地层形变量s：

——式（i）

式（i）中：

s为地层压缩形变量（m）；α为沉降计算经验系数；ρ为降水引起的土层平均附加有效应力（kpa/m），由深层热水水头下降值得到的经验值；h为开采土层厚度（m）；e为压缩模量（kpa）。

（3）设在深部有一个高度为地层形变量s的地下采空区，第二次建立深部采空区引发地表下陷的数值模型如式（ii），计算地热开采引发的地面沉降量w。

w=q×s×cosβ——式（ii）

式（ii）中：

w为地面沉降量（m）；q为地表下沉系数；s为地层形变量（m），即为地下采空区高度；β为热储地层倾角。

其中，地表下沉系数q可采用式（iii）计算：

q=0.5×（0.9+p）——式（iii）

式（iii）中：

p为综合评价系数，依据开采地层参数和工程经验而得。

试验例1：

试验地为河南省兰考县，兰考县是河南省地热能清洁供暖规模化利用试点之一，主要是开采新近系明化镇组、馆陶组的热储，新近系馆陶组热储地热流体可开采量为301.42万m³/a，地热井成井深度1900～2400m，含水层岩性为砂岩夹泥岩、砾岩。

在河南省兰考县城市规划区地热资源开发利用地质环境影响安全评估项目中采用实施例的预测方法如下：

（1）获取基础地质资料

根据区域地质条件和地热资源埋藏情况，兰考县区域地热资源开发所取为新近系馆陶组热储层的地热资源，该热储层呈面状均匀分布。根据工作区内的多个代表性地热钻孔勘探地质资料，分析整理得出馆陶组热储层（地面沉降计算的地层骨架压缩层）的等效厚度、顶底板埋深及分布等空间信息。

选取有代表性的2个地热井的地质钻探资料作为基础数据，一个代表性地热井为油田六社区1#地热井，另一个代表性地热井为油田六社区3#地热井。油田六社区1#地热井地下0～320m为第四系的粉土、粉质粘土、粘土、砂层及砂砾石层；320～1317.0m为新近系明化镇组砂岩、泥岩等；1317.0～1980.0m为新近系馆陶组砂岩、泥岩（如图1所示）。其中1317.0～1980.0m新近系馆陶组砂层为地热开采的目标热储层，有效厚度约207.0m。油田六社区3#地热井地下0～316m为第四系的粉土、粉质粘土、粘土、砂层及砂砾石层；316～1302.0m为新近系明化镇组砂岩、泥岩等；1302.0-～1980.0m为新近系馆陶组砂岩、泥岩（如图2所示）。其中1302.0～1980.0m新近系馆陶组砂层为地热开采的目标热储层，有效厚度约191.0m。由于馆陶组热储是层面状均匀分布，选取了钻孔相应数据的算数平均值，工作区馆陶组热储层的等效厚度（有效取水段）确定为200m。

本地供20个地热井，其余18个井馆陶组热储层的等效厚度（有效取水段）分别为：

东湖颐园供热站：1号井，馆陶热储含水层厚度为201m；2号井，馆陶热储含水层厚度为197m；3号井，馆陶热储含水层厚度为198m。

公园首府供热站：1号井，馆陶热储含水层厚度为203m；2号井，馆陶热储含水层厚度为201m；3号井，馆陶热储含水层厚度为197m；4号井，馆陶热储含水层厚度为203m。

凤凰城供热站：1号井，馆陶热储含水层厚度为200m；2号井，馆陶热储含水层厚度为203m；3号井，馆陶热储含水层厚度为196m；4号井，馆陶热储含水层厚度为199m。

蓝湾国际供热：1号井，馆陶热储含水层厚度为202m；2号井，馆陶热储含水层厚度为196m；3号井，馆陶热储含水层厚度为203m；4号井，馆陶热储含水层厚度为201m。

商业中心供热站：1号井，馆陶热储含水层厚度为201m；2号井，馆陶热储含水层厚度为203m；3号井，馆陶热储含水层厚度为198m。

（2）采用基于太沙基原理的有效应力法计算馆陶组热储层（含水层）骨架压缩量

抽水引起的地层形变量按式（i）计算，α根据当地地层参数和工程开采经验而得的经验值，兰考县无经验值取1，ρ取10kpa/m，h为20个地热井的馆陶热储层组平均等效厚度为199.65m，四舍五入取200m；当地热储层岩性为中砂、粗砂，依据工程地质手册中土的平均物理力学性质指标和工程开采经验，e取经验值40mpa。

可得，在水头下降1m的情况下，馆陶组热储含水层骨架压缩量（即地层压缩形变量s）为50mm。

（3）使用“建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程”（后简述为“三下采煤规程”），计算骨架压缩传导至地面产生的地面沉降量

地面沉降量w预测按式（ii）计算，开采层厚度即为地层压缩形变量s，本地区热储层位水平地层，故β=0°；

进一步按式（iii）计算q，p为综合评价系数，代表地层物理性质，硬度越大数值越小，该地的含水层岩性为砂岩夹泥岩、砾岩，馆陶组热储层属于中硬——坚硬之间，评价系数选取经验值0.3。计算得出地表下沉系数q为0.6；“三下采煤规程”给出了208个典型煤矿地表移动实测数据反算的参数表，下沉系数q范围在0.15～1.05之间，总体表现出倾角越小，开采厚度越小，开采深度越大，下沉系数越小的规律；但“三下采煤规程”中算例涵盖的计算深度通常小于800m，深部地热开采的深度超出此范围。根据算例反应的系数变化规律，本次预测计算的该项系数选取不宜大于经验范围的中间数值0.6，因此，采用的地表下沉系数为0.5。

即得在河南省兰考开采1300m～1600m层位新近系地热资源时，水头每下降1m产生的地面最大塌陷量（即地面沉降量w）为25mm。

按照目前兰考县地热资源开采力度，回灌率90%的开发方式，至2028年漏斗区深部水位累计降幅1.25m，对应的地面沉降最大值为1.25×25=31.25mm，预测时段为2019～2028年10年，则年沉降速率为31.25mm/10a=3.125mm/a。

试验例2：

试验地为天津市，天津市是全国范围内地热资源开发利用比较早的地区，主要也是开采新近系明化镇组热储及雾迷山组热储，地层岩性为砂岩夹泥岩、砾岩。

（1）依据经验公式计算天津市开采深部松散层地热引发地面沉降量

根据天津地热勘查开发设计院王曦编著的《浅析现阶段天津地热开采现状与地面沉降》论文文献资料：2010年天津市区及新四区共有新近系明化镇组地热井70眼，开采量为342.9×10⁴m³。根据塘沽分层标监测结果，进行地面沉降与深层地热水开采量的方程拟合，拟合方程为：s=0.0125q+0.2806

式中，s为开采层沉降量，单位mm；q为开采层开采量，单位×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的关系。新近系明华镇开采井基本都集中在市区，由拟合方程计算可得在市区由于地热开采因素造成的沉降量约4.5mm。

另外，市区附近西清区分层标深度566.2m，研究可认为566.2m以下产生的沉降量为地热水开采引起的。

然而，根据实际监测结果显示地热开采引起的沉降量约3.8mm。地热的开采对中心市区地面沉降产生了3.8～4.5mm的沉降量，占天津市区总沉降量的19%～27%。

（2）依据实施例的方法计算天津市开采深部松散层地热引发地面沉降量

1）根据天津地区典型地热钻孔信息和区域地热资料，分析整理得出馆陶组热储层（地面沉降计算的地层骨架压缩层）的等效厚度、顶底板埋深、分布等空间信息及地热流体压力水头变幅。根据地热井柱状图（见图3），计算区馆陶组热储层的等效厚度（有效取水段）基本在240m左右。

2）采用基于太沙基原理的有效应力法计算馆陶组热储层（含水层）骨架压缩量

抽水引起的地层形变量按式（i）计算，α根据当地经验值，当地无实施例方法的开采经验，α值取1，ρ取10kpa/m，h选取馆陶热储层组平均等效厚度200m；e选取经验值40mpa。

可得，在水头下降1m的情况下，馆陶组热储含水层骨架压缩量（即地面沉降量w）为60mm。

（3）使用“三下采煤规程”，计算骨架压缩传导至地面产生的地面沉降量

按式（ii）计算，开采层厚度即为地层压缩形变量，本地区热储层位水平地层，故β=0°；

进一步按式（iii）计算q，p为综合评价系数，该地的含水层岩性为砂岩夹泥岩、砾岩，评价系数选取经验值0.3，计算得出地表下沉系数q为0.6；“三下采煤规程”给出了208个典型煤矿地表移动实测数据反算的参数表，下沉系数q范围在0.15～1.05之间，总体表现出倾角越小，开采厚度越小，开采深度越大，下沉系数越小的规律，因此，采用的地表下沉系数为0.5。

即得在天津市开采地热资源时，水头每下降1m产生的地面最大塌陷量（即为地面沉降量w）为30mm。根据天津地区地热流体压力监测数据，区域明华镇组压力水头年均降幅约0.15m；因此，得出地面沉降速率为3.5mm/a与，与际监测结果3.8mm基本一致，比利用经验公式计算的4.5mm更准确，应用效果良好。

以上结果证明实施例的预测方法可实现高效、精准地预测开采地热资源时地面沉降量，方法简便高效、省时省力，且预测准确可靠，应用于各类地热资源开发利用工程中能兼顾到安全有效性和开采成本的经济性。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。