8.4 山东省德州市德城区馆陶组热储可持续开采量计算
德州市德城区馆陶组砂岩孔隙层状热储地热田（以下简称“德城区地热田”）是鲁北地区地热井分布密度最大、开采强度最大的集中开采区，在168 km2的范围内分布有98眼地热开采井，每平方千米达0.6眼。
1.热储特征
新近纪馆陶组热储属砂岩孔隙传导型层状热储。地层厚度为350～500m，顶板埋深为1026～1195m，与下伏古近纪东营组地层呈不整合接触，底板埋深为1350～1650m。热储层为其中的砂砾岩孔隙承压含水层，呈水平且相对无限延展分布，砂砾岩厚度为150～210m。馆陶组热储层岩性为浅灰色细—中砂岩和灰白色含砾粗砂岩及砂砾岩，垂向上呈上细下粗的正旋回沉积，底砾岩明显，砾石成分以石英和长石为主，砾石直径为1～10mm不等，磨圆度中等，砂砾岩成岩性差，呈疏松状，孔隙度大，一般为24%～30%，具有良好的储水空间。单井涌水量为80～120m3/h，水温为54～59℃，水化学类型为Cl-Na型，矿化度为4000～5000mg/L。岩石密度为2600 kg/m3，比热容为894.1J/（kg·℃）。
2.集中参数模型建立
依据德城区地热田DZ1监测井1998—2017年的地热水水位埋深监测数据及相应时间段内地热田总开采量，利用LUMPFIT集中参数模型模拟软件分别建立了2储槽开放式和2储槽封闭式集中参数模型，对其模拟和预测结果进行对比。图8-3为模拟水位埋深和实测水位埋深随实际开采量增大的变化情况，表8-2和表8-3分别展现了两个模型计算出的模型参数和热储性质参数。可见，两个模型模拟水位均能与实测水位较好拟合，拟合度参数相同，均为0.94。
图8-3 2储槽封闭式和2储槽开放式集中参数模型拟合结果
表8-2 德城区地热田封闭式与开放式模型计算参数一览表
续表
表8-3 德城区地热田两种不同模型求得水文地质参数一览表
3.可持续开采量计算
（1）可持续开采的约束条件
可持续开采量计算的先决条件是在一个时间尺度内，确定地热田开采井的最大允许水位降深。德城区地热田可持续开采的水位约束条件主要制约因素包括：
①开采井下泵深度：水位下降引发的抽水水泵吊泵；
②抽水耗能：水位下降引发的抽水耗电量的急剧增加；
③地面沉降：水位下降引发的危害性的地面沉降。
综合以上制约因素，德城区地热田可持续开采的约束条件为开采50a内最大允许水位埋深不低于150m。
（2）无回灌条件下的可持续开采量
分别采用2储槽封闭式和2储槽开放式集中参数模型，在无地热尾水回灌的开采条件下，对地热田的水位变化进行为期50a的响应预测。
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图8-4 无回灌条件下2储槽封闭式模型水位埋深预测
图8-5 无回灌条件下2储槽开放式模型水位埋深预测
由图8-4和图8-5可以看出，维持现状开采量不变的情况下，无论是用封闭式模型还是开放式模型进行预测，分别在约10a和20a后，水位埋深将低于最大允许水位埋深150m，即：如果无回灌，在满足最大允许水位埋深150m约束条件下，两模型计算的可开采量分别为现状开采量的20%和75%，无法实现现状开采量的可持续开采。
具体各时段开采量见表8-4。
表8-4 现状开采量和现状无回灌条件下可持续开采量对比表
德城区地热田在区域尺度上处于华北沉积盆地的鲁北传导型地热系统、临清坳陷之德州凹陷的次级构造单元德南向斜的全部和避雪店地垒的一部分，距离补给区远，侧向径流补给微弱，开采出的地热水主要来自储存量的消耗量——含水层的弹性释水和弱透水层的压密释水，属典型的封闭型地热田。
对比开放式和封闭式模型的拟合和预测结果：由表8-2可以看出，开放式模型开放程度，即外部和深部地热田与外围补给源水力联系强弱的参数σ2为4.1×10-4ms，相比反映中心地热田与外部和深部地热田水力联系密切程度的σ1（6.2×10-3ms）差了1个数量级，表明此开放模型与外部补给源的水力联系微弱，佐证了德城区地热田的封闭性。因此，下一步计算评价回灌条件下德州城区地热田的可持续开采量时，仅采用2储槽封闭式集中参数模型对地热田的水位响应进行预测分析。
（3）回灌条件下的可持续开采量
图8-6为不同回灌率条件下地热水水位响应预测结果：若要现状开采量满足可持续开采的条件——50a开采期水位埋深不超过150m，则回灌量须大于现状开采量的80%。
图8-6 不同回灌率条件下2储槽封闭式模型水位埋深响应预测
表8-5列出了不同地热尾水回灌率条件下各供暖时段的可持续开采量情况：
①回灌率达到80%时，可以维持现状开采量，年均可持续开采量可达到5.85×104m3/d，120d供暖期的平均可持续开采量为16.42×104m3/d，是无回灌条件下年均可开采量1.17×104m3/d的5倍。
②回灌率达到90%时，年均可持续开采量增加到11.7×104m3/d，供暖期间的平均可持续开采量为32.84×104m3/d，是现状开采量的2倍、无回灌条件下可开采量的10倍。
表8-5 不同回灌率条件下可持续开采量一览表
4.小结
（1）德州市回灌试验、示踪试验及地温场长期动态监测表明，德州馆陶组砂岩热储地热尾水可实现100%自然回灌，回灌量为50～100m3/h；供暖期间的尾水回灌未引发热储温度降低现象；示踪试验的回收模型预测表明，回灌不会使热储层产生热突破。这为德城区地热水资源采灌均衡可持续开采提供了依据。
（2）回灌地热尾水温度30℃、50a内避免热突破的最小采灌井距为400m。
（3）2储槽封闭式集中参数模型适用德州馆陶组砂岩热储可持续开采量计算。
（4）在50a的时间尺度内，水位埋深不超过150m的约束条件下，预测无回灌和有回灌两种情况下德城区地热田的可持续开采量如下。
①无回灌情况下，地热水可持续开采量仅为现状开采量的20%，年均为1.17×104m3/d，120d供暖期为3.28×104m3/d。
②若保持现状开采量，回灌率须达到80%，即回灌率达到80%时，地热水可持续开采量年均为5.85×104m3/d，120d供暖期为16.42×104m3/d。回灌率达到90%时，可持续开采量可达到现状开采量的2倍，年均为11.7×104m3/d，120d供暖期为32.84×104m3/d。
