黃河三角洲生態區孔隙熱儲地熱開發對地面沉降的影響分析

胡彩萍， 張景燕，郝夢圓，胡艷珍

(1.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250014；2.東營市國土資源局河口分局，山東 東營 257100；3.東營市國土資源局東營分局，山東 東營 257000)

黃河三角洲生態區孔隙熱儲地熱開發對地面沉降的影響分析

胡彩萍1， 張景燕2，郝夢圓1，胡艷珍3

(1.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250014；2.東營市國土資源局河口分局，山東 東營 257100；3.東營市國土資源局東營分局，山東 東營 257000)

黃河三角洲地區地熱資源豐富，熱儲類型以孔隙熱儲為主，開采潛力巨大。同時黃河三角洲地區由于成巖差、土層新，地熱開發引發的地面沉降問題逐漸引起人們的重視。研究表明：現狀條件下，黃河三角洲地區地面沉降以地層(土體)自然固結與地面建筑物載荷有關，地熱開發對地面沉降影響微小，南部的廣饒地區過量開采地下水是引起地面沉降的主要原因。

地熱開發;地面沉降;影響分析；黃河三角洲

黃河三角洲地區地熱資源豐富，已廣泛用于供暖、溫泉洗浴、理療、保溫育苗、溫室栽培等領域。2009年11月23日，國務院正式批復《黃河三角洲高效生態經濟區發展規劃》；2011年 1月 4日，國務院又批復了《山東半島藍色經濟區發展規劃》，黃河三角洲的開發建設已列入國家戰略。黃河三角洲地區地熱資源豐富，熱儲類型以孔隙熱儲為主，開采潛力巨大。在大規模開發利用地熱資源的同時還應該清醒地看到，開采地熱也會帶來一些環境問題，諸如地面沉降等，應引起高度重視。

1 黃河三角洲地區地熱地面沉降現狀

據黃河三角洲地區東營市1985—2015年地面沉降監測數據[1]，累計地面沉降量在247～397mm，形成2個沉降中心。以東營中心城區為沉降中心，中心沉降速度達36.5mm/a，平均沉降速度22mm/a，外圍沉降速度較小，呈明顯的漏斗狀(圖1)。黃河三角洲南部的廣饒東部、大王鎮一帶，地面沉降量大于30mm/a，是區內地面沉降最嚴重的地區，其他地區地面沉降量在1～20mm/a之間。

2 黃河三角洲地面沉降原因分析

黃河三角洲地區為近代沉積，成巖差、土層新，地面沉降原因極為復雜，可歸結為自然和人為因素2種。自然因素包括構造、土體自然固結與軟弱土層自然沉降，人為因素包括建筑物負荷、開采地下水和油氣等。

2.1區域構造運動

黃河三角洲處于郯廬斷裂、河北平原斷裂和燕山渤海斷裂帶三者中間地帶，地質構造上為濟陽坳陷的東營凹陷區，受區域差異性構造運動影響，近10Ma以來，沉積了數千米的新生代松散沉積地層，地面一直處于緩慢下沉狀態。根據華北平原天津地區的研究，構造運動產生的沉降量很小，每年約1.7mm[2]，在這里可忽略不計。

圖1 東營市南北向地面沉降發展過程圖

2.2地層(土體)自然固結

地層在漫長的地質時期經受各種構造運動及人為因素的綜合作用，逐漸壓密固結。地層在地質歷史上所承受的最大垂直有效應力稱為地層的前期固結壓力，根據地層前期固結壓力Pc與地層自重壓力Po的關系，可將地層分為欠固結、正常固結及超固結3種固結狀態：欠固結地層Pc/Po<1；正常固結地層Pc/Po≈1；超固結地層Pc/Po>1。地層的固結狀態不同，對地面沉降的影響不同。欠固結地層，在自重壓力作用下，仍將排水固結，產生壓密變形，這種地層即使不抽水，仍要引起一定量的地面沉降；正常固結地層，地層內應力處于平衡狀態，不會產生地面沉降，但如果抽水引起水位下降，則破壞了地層內的應力平衡，地層內孔隙水壓力降低，有效應力增加，將出現壓縮變形，引起地面沉降；超固結地層是存在臨界水位值的，抽水引起的水位下降值只要不超過臨界水位值，就不會引起明顯的地面沉降[3-9]。研究區地處黃河三角洲沖積平原，根據土工試驗資料分析，埋深0～60m為新沉積地層，屬欠固結；埋深60～450m為第四紀更新統地層，屬于正常固結；埋深450～2200m的明化鎮組地層和館陶組地層，均屬于超固結地層。淺部埋深0～60m為新沉積地層，沉積時間短，結構松散，固結程度差，并有淤泥軟土層分布，在土層自重和上覆地層重力作用下產生固結，引起地面沉降。

2.3地面建筑物載荷

受黃河三角洲尾閭擺動影響，區內地層沉積時間短、成巖差、土層厚，并有大面積的巨厚高壓縮性淤泥質土和軟土的存在。黃河三角洲上的中心城市東營市，1983年建市，到現在30多年，從最初的荒涼地帶發展成為現代化的都市。隨著經濟的不斷發展，大規模城市群的建設，地面上建筑物與日俱增。據初步測算，東營城區建筑載荷為800～1000萬t/km2，其主要建筑材料鋼筋、水泥、砂子、磚瓦均來自區外。大面積的建筑載荷堆載在30年的時間內形成，在巨大而持續的堆載荷重的作用下，欠固結土產生一維壓縮固結變形，形成區域性的地面沉降。

2.4地下流體抽取活動

黃河三角洲地區油氣資源豐富，自20世紀60年代開采以來，持續高產，成為全國第二大油田，區內油氣資源的開采歷史較長，儲油層的壓力下降較大，從而導致了儲油層本身的壓縮及其上部粘性土層的下沉，產生了地面沉降?，F階段勝利油田的開采大多采用注水開采，油田的開采活動對油區地面沉降有一定影響。

黃河三角洲南部的廣饒地區廣泛開采地下水，在淺層、中深層—深層含水層產生了較大的地下水降落漏斗；這些降落漏斗誘發了區內地面沉降，廣饒東部地面沉降區與地下水開采漏斗的形狀基本一致，證明大量抽取地下水是該區產生地面沉降的主要影響因素。

3 地熱開發對地面沉降影響分析

3.1黃河三角洲地區地熱資源概況

黃河三角洲是山東省地熱資源最豐富的地區，適宜開采的經濟型熱儲埋深在2000m以淺，熱儲類型分為層狀孔隙—裂隙型和巖溶裂隙型。前者包括新近紀館陶組、古近紀東營組與沙河街組,后者主要指寒武—奧陶系。

新近紀館陶組熱儲分布于廣饒縣花官、王道、廣饒縣鹽務局一線以北，面積約5600km2，陳家莊凸起中部鹽窩鎮一帶小面積(約55km2)缺失。熱儲頂板埋深600～1250m，厚度200～650m，砂層厚度一般為80～240m。熱儲層巖性為礫狀砂巖、細砂巖、細砂巖與泥巖互層，底部為礫狀砂巖、砂礫巖。砂礫石層成巖性差，疏松狀，孔隙率25%～35%，具有良好的儲水空間。單井出水量60～80m3/h，井口水溫52～85℃。

古近紀東營組熱儲主要分布在東營凹陷與沾化凹陷范圍內，面積約3495km2。熱儲頂板埋深一般為1200～1700m，厚度一般為200～500m。東營組是砂巖與泥巖交互沉積，其中上部是以砂巖為主，中部為泥巖、細礫巖為主，下部為細礫巖、細砂巖及泥巖。砂礫巖較松散，孔隙率較大，平均30%左右，具有良好的儲水空間。單井出水量60～80m3/h，井口水溫60～90℃。

古近紀沙河街組由于富含油氣資源，以往以油氣層為勘查重點，對地熱資源研究程度相對較低。主要分布在廣饒東部、廣利港口一帶，初步估算面積約845km2。熱儲巖性為含礫中砂巖、砂泥質膠結礫巖、泥巖互層。主要富水層位為沙二段及沙三段，其中廣饒縣城附近主要熱儲層為沙三段，孔隙率28%左右，井深一般在1200m左右，單井出水量30m3/h，井口水溫48℃。廣利港口附近，主要熱儲為沙二段，孔隙率在30%左右，井深一般在1800～2000m，單井出水量90m3/h，井口水溫66℃。

寒武-奧陶紀熱儲零星分布在太平鄉西部、孤島鎮、埕子口、鹽窩、西宋、黃河口、大碼頭等地質構造凸起部位，面積約460km2。熱儲巖性以純灰巖為主，其次為鮞狀灰巖、豹皮灰巖及白云質灰巖。孤島鎮奧陶紀灰巖熱儲地熱井，井口水溫70～90℃，單井涌水量較小，一般16～20m3/h。

地熱資源具有分布范圍廣，儲量大，埋藏淺，易開采等特點，是繼油氣資源的第二大能源礦產。近幾年來，相繼發現并圈定地熱田9個，初步估算可利用地熱資源量為82.52×1018J，折合標準煤28.09億t，地下熱水可采資源量6.1億m3/a。地熱資源開發始于20世紀80年代，21世紀初進入快速開發階段?，F有地熱開采井55口，開采量660萬m3/a，占可采量的1.1%，開采潛力巨大。主要用于供暖、洗浴，少數用于理療、高效農業種植與海參、黃河口大閘蟹育苗等，展現出廣闊的開發前景[10-12]。

3.2地熱開發對地面沉降影響

黃河三角洲地區地面沉降以地層(土體)自然固結與地面建筑物載荷有關；南部的廣饒地區過量開采地下水是引起地面沉降的主要原因。地熱開發對地面沉降影響微小。主要理由如下：

(1) 地熱水開采量較小，熱水水頭埋深淺，不具備發生地面沉降的地質條件。黃河三角洲地區中心區域的東營中心城區723km2范圍內，分布有地熱井15口，主要開采層位為館陶組和東營組熱儲，地熱井取水段一般在1300m以下，地熱水開采量不足200萬m3/a，開采總量較小。根據近年的動態監測表明，地下水熱水水頭埋深在30～35m，水位動態較為穩定。東營中心城區地質條件與天津地區相類似，根據天津地區深層地下水水位與地面沉降關系研究，天津地區第Ⅲ含水層(埋深180～300m)的地面沉降臨界水位為60m[3]， 第Ⅳ含水層(底板埋深370～430m)的地面沉降臨界水位為72.68m[4]。也就是說，在地熱水開采過程中，當水位下降未超過地層的臨界水位值時不會產生地面沉降，且黃河三角洲地熱埋藏在1300m以下，地層屬超固結狀態。因此，區內熱儲層壓力較大，固體顆粒介質間隙未被壓密，不具備發生地面沉降的地質條件。當地熱大規模開發利用，地熱水水頭降至埋深70m以下時，可啟動地熱回灌，調控地熱水頭，減少對地面沉降的影響。

(2)地熱開采與沉降中心分布不一致。東營中心城區地面沉降量大小呈面狀、條帶狀分布特征，沉降中心集中在西城與東城中心城區，與城市建設布局分布相一致，而與地熱生產井分布無相關關系(圖2)。位于黃河口地區的孤島鎮，集中分布7口地熱井，也未見明顯地面沉降。

1—地熱井;2—地下水位標高等值線(m);3—沉降量等值線(m)

(3)黃河三角洲南部的廣饒地區地熱資源不豐富。區內城市供水水源以地下水為主，形成以廣饒城區、大王鎮為中心的地下水超采漏斗，并以2～3m/a的降速持續下降，2012年漏斗中心水位埋深達90m。位于漏斗中心的廣饒氣象站2009—2012年地面沉降監測資料，年沉降量73.1mm/a，地面沉降范圍與地下水開采漏斗分布基本一致，說明地面沉降與地下水開采有關。地面沉降伴隨地下水開采而發生，隨地下水開采量的增加而發展擴大。

4 結論

(1)黃河三角洲地面沉降原因極為復雜，可歸結為自然和人為因素2種。地面沉降以地層(土體)自然固結與地面建筑物載荷是主要因素?，F狀條件下，地熱水位埋藏淺，且開采量較小，熱儲層壓力較大，地熱水頭下降未超過地層的臨界水位值，地熱開發對地面沉降影響微小。

(2)黃河三角洲南部的廣饒地區地下水開采與地面沉降之間存在因果關系，過量開采地下水是引起地面沉降的主要原因。

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Impact Analysis of Geothermal Development on Land Subsidence in the Yellow River Delta

HU Caiping1,ZHANG Jingyan2,HAO Mengyuan1,HU Yanzhen3

(1. No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China, 2. Hekou Branch Bureau of Dongying Bureau of land and Resources, Shandong Dongying 257100, China; 3.Dongying Branch Bureau of Dongying Bureau of Land Resources Bureau, Shandong Dongying 257000, China)

Rich geothermal resources are hosted in the Yellow River Delta. The main type of thermal reservoir is pore heat storage. It has great potential for exploitation. At the same time, due to the poor formation and new soil layer in the Yellow River Delta, the problem of land subsidence caused by geothermal development has been paid more and more attention. The researches suggest that: The land subsidence in the Yellow River delta is related to the consolidation of the ground (soil) and the load of the building on the ground. And the development of geothermal resources has little effect on land subsidence. While the main cause of land subsidence is excessive exploitation of groundwater in the south of Guangrao.

Geothermal development; land subsidence; impact analysis; Yellow River Delta

2016-07-21；

2016-09-17；編輯：陶衛衛

胡彩萍(1976—)，女，山東萊西人，高級工程師，主要從事水工環地質工作；E-mail:caipinghu126@126.com

P642.26

B

胡彩萍,張景燕, 郝夢圓，等.黃河三角洲生態區孔隙熱儲地熱開發對地面沉降的影響分析[J].山東國土資源，2017,33(2)：39-42.HU Caiping,ZHANG Jingyan,HAO Mengyuan, etc. Impact Analysis of Geothermal Development on Land Subsidence in the Yellow River Delta[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(2)：39-42.