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地热是一种清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全稳定的优质可再生能源，是在可以预见的未来时间内能够被人类经济开发和利用的地球内部热能资源（Wang Guiling et al.，2020；Lin Wenjing et al.，2021）。天津是我国地热大规模开发利用最早的城市之一。20世纪70年代，天津开始规模化开发利用地热资源，至今已形成了我国开发利用规模最大的“地热城”。同时，天津也是我国开展地热回灌比较成熟的地区之一，截至2021年底，天津市热储总体回灌率已达到81%（天津地热勘查开发设计院，2022❶）。持续开采及大规模回灌条件下热储层特征的变化以及是否会影响天津市地热资源可持续开发利用已成为业内关注的焦点。Sheng Zhongjie et al.（2010）基于地热动态监测数据，系统分析了2001~2007年天津市地热开发利用情况，评价了地热开发的社会经济及环境效应。Cheng Wanqing et al.（2010）分析了2008年天津市地热回灌情况下热储温度和压力监测数据，数据显示靠近回灌井的热储水位下降速度比其他地方慢得多，而且在周围的生产井中没有观察到温度变化。曾梅香等（2010）以2006~2008年天津地热开采井井口流温和回灌井井下连续测温数据为基础，对开采、回灌状态下的热储温度场动态特征进行了简要分析，认为原水回灌后热储在下一个回灌期来临之前可恢复至同期的热储原始温度水平。Duan Zhongfeng et al.（2011）利用模糊综合评价法开展了天津地区地热资源可持续性评价，结果显示，由于回灌不足天津地区碳酸岩热储层可持续利用性较低，为了实现可持续生产，必须增加回灌量。An Qingsong et al.（2016）以2001~2014年天津市地热资源利用情况为例，按供暖、生活热水、洗浴和农业等利用方式进行了数据分析，探讨了开展地热发电的可行性，提出应加强地热资源的回灌、监测，实现中低温地热资源可持续开发。阮传侠等（2017a）、刘东林等（2019）开展了天津市东丽湖地区基岩热储地表水回灌研究，分析了地表水回灌后热储层的动力场、温度场以及化学场，认为增加湖水回灌可减缓热储压力下降速率，对温度场、化学场不会产生明显影响，不会破坏储层结构。殷肖肖等（2020）开展了集中采灌条件下天津东丽湖地区碳酸盐岩热储群井示踪试验研究，认为在现状开发利用模式下，不会造成热储层温度的显著变化，水位除受正常采灌影响外没有明显变化，热储系统基本处于稳定状态。
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本文系统收集了1992年以来天津市地热开发过程中的不同热储层热水开发利用量、回灌量、水位、水质、水温等近30年时间序列监测数据，对地热持续开发30年来天津市不同地区不同热储层的热水动态特征进行垂向及横向对比，分析长期持续开采及大规模回灌条件下热储层的演化特征，为进一步推进天津市大规模开发利用地热资源提供科学依据。
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1 研究区概况
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天津地处华北平原东北部，东临渤海，北依燕山，其北部为山地丘陵区，南部为平原区。地质构造上跨黄骅坳陷、沧县隆起、冀中坳陷三个Ⅱ级构造单元，构成了华北断陷盆地所特有的凸凹相间的构造格局，为深部热流的聚集提供了良好的地质条件（宿宇驰等，2021；Lin Wenjing et al.，2022a），从而形成了沉积地层与古潜山叠加的沉积盆地古潜山复合型水热系统（王贵玲等，2017，2020a，2020b）。天津地区地热资源主要分布在宁河-宝坻断裂以南的广大平原区（图1），根据区内不同热储所赋存的热储岩性、孔裂隙性质和结构等条件，自上而下划分为两类（赵苏民等，2013）：陆相碎屑沉积为主的新生界孔隙型热储（孔隙热储）和海相沉积为主的古生界、中元古界碳酸盐岩岩溶裂隙型热储（基岩热储）。其中孔隙热储包括新近系明化镇组（Nm）和馆陶组（Ng）、古近系东营组（Ed）热储；基岩热储包括古生界奥陶系（O）、寒武系（∈）和中元古界蓟县系雾迷山组（Jxw）热储。目前天津市以开采明化镇组、馆陶组、奥陶系以及雾迷山组热储为主，其中明化镇组（Nm）热储埋藏较浅，在宁河-宝坻断裂以南普遍分布，厚度由沧县隆起区向两侧凹陷区逐渐增厚、加深，岩性为半胶结的粉细砂、细砂和杂色泥岩不等厚互层，井口稳定流温为40~80℃，由于回灌困难，目前该热储层的开采规模在不断缩减；馆陶组（Ng）热储伏于明化镇组热储之下，除在宁河-宝坻断裂以北及沧县隆起中部地区缺失外，在坳陷区分布稳定，岩性以厚层砂岩、砂砾砂岩为主，中间夹泥岩（林建旺等，2010），井口稳定流温48~82℃；奥陶系（O）热储在沧县隆起区的核部大面积缺失，在研究区南部其他地区则广泛分布，岩性由白云质灰岩、灰岩及泥质灰岩、泥岩组成，岩溶裂隙发育，赋水性强（靳宝珍等，2019），井口稳定流温48~76℃，目前该热储的开采量呈逐年扩大趋势；雾迷山组（Jxw）热储在研究区南部普遍分布，岩性为深灰色粗晶白云岩、燧石条带状白云岩为主，井口稳定流温为70~113℃，该热储层分布范围广，厚度大，是天津地热资源开发的主要层位（林黎等，2007）。
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图1 天津地区地理位置（a）基岩埋深及主要热储层监测井分布（b）
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Fig.1 Geographic location (a) and key monitoring wells of main geothermal reservoirs and bedrock depth (b) in Tianjin area
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2 动态监测及数据
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天津市从1985年开始进行深层地热动态监测工作，1992年开始作为长期项目建立动态监测系统，经过30多年不断完善、改进，到目前已建立起较为系统和科学的动态监测体系。通过多年来连续的热储动态数据积累，为天津市地热勘查开发利用及其管理信息系统的完善提供了科学依据。根据近30年来天津市不同热储层监测情况（图2、表1、表2），大致将天津市地热动态监测工作划分为四个阶段：①初期阶段（1985~1991年），此期间地热井监测主要服务于大型地热田的勘探工作，为项目提供分析研究资料；每年监测井数量为20眼左右，主要监测市内六区和塘沽地热集中开采区及王兰庄热田区和山岭子热田区；监测方法是人工监测，重点监测水位动态和流体化学动态；②起步阶段（1992~2002年），1992年开始地热动态监测作为基础公益性地质项目单独立项，开始建立动态监测系统，监测井范围覆盖到天津市所有的行政区；监测方法仍是人工监测，监测地热井水位、水量与水质，编制动态监测年度报告；③稳步发展阶段（2003~2012年），2003年以后从所处构造位置、开采热储层、地热田和行政区分布情况等诸多因素综合考虑，将地热井分为一般监测井（1次/月）和重点监测井（2次/月），监测方法和手段也得到了不断提高，从最初的人工监测到远程自动化智能监测与人工监测相结合，纳入动态监测的地热井数量不断增加，到2012年调查和监测井总数达到424眼，其中日常水位监测井数量达205眼；④系统化阶段（2013年至今），这一时期纳入动态监测的地热井数量不断增加，年度重点监测井维持在220眼左右，监测范围涵盖深层单井、采灌系统以及浅层地热能（田光辉等，2011），自动化监测井所占比重不断提高，监测效率和精度得到了有效提升，天津市地热监测工作进入系统化监测阶段。
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截至2021年10月纳入监测的地热井共有763眼，其中重点监测井220眼（图1、表1、表2），监测范围基本涵盖所有地热井，监测内容包括水位日常监测、井口流温监测、水质监测、流量监测以及深井稳态测温测压等。水位监测以人工监测为主，所使用的便携式电子水位计、钢尺水位计的测量误差均小于7 cm/100 m，其中已有40眼监测井实现了压力式自动水位仪监测，测量精度大于±0.1%。温度监测包括动水位埋深对应的出水温度以及稳态条件下的地层温度（宗振海等，2018a），主要采用红外测温枪、井口温度自动化监测及表盘式温度表测量井口流温，热储温度则由专门的测井仪器进行测量，温度分辨率为2℃；其中已有34眼监测井实现了井口流温实时监测和自动传输，测量精度为±0.5℃。流量监测采取电磁流量计实现了自动化监测，目前天津市登记在册在用的地热井全部安装了电磁流量计（LDG型），监测精度达到十分位。水质监测为开展监测井全分析样品采集测试工作，样品采集严格按照《地下水质分析方法水样的采集和保存》（DZ/T 0064.2—2021）的要求进行，水质分析委托国土资源部天津矿产资源监督检测中心（天津市地质矿产测试中心）完成。深井稳态测温测压测量工作选择集中采灌区的地热井进行，观测回灌对开采井有无影响，设备采用PS-2712压差温差组合测井仪，由专业的测井公司完成。
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图2 1992~2021年天津市不同热储层重点监测井数量
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Fig.2 Number of key monitoring wells in different geothermal reservoirs in Tianjin from 1992 to 2021
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注：“-”表示未收集到相关数据。
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注：“-”表示未收集到相关数据。
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3 结果
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3.1 开发利用动态变化
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天津地热资源的开发利用是伴随着地热大会战起步的（天津地热温泉志编委会，2018）。20世纪70年代，著名地质学家李四光先生专程对天津地热工作进行考察，要求把天津地热利用作为一个试点和样板。1970年12月全市召开了千人参加的地热会战誓师动员大会，成立多单位组成的“地热会战指挥部”，在市区及近郊发现了王兰庄和万家码头两个地热异常区。随后，地矿部门在全市范围内开展了一系列的地热地质调查工作。1987年提交的《天津市区及王兰庄地热田勘探报告》在全国影响深远。其后天津陆续完成了山岭子、滨海、武清、万家码头、宁河—汉沽、潘庄—芦台、看财庄等地区的地热资源勘查工作。
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地热勘查程度的提高推动了天津市地热开发利用。1974年天津市建成第一眼馆陶井，1978年建成第一眼基岩井，1992年建成第一眼回灌井，1995年建成的第一对基岩定向采灌对井，见证了天津地热开发利用从浅到深、从无序到有序、从粗放到集约演变的历程（天津地热温泉志编委会，2018）。历经50多年的发展，天津市地热井数量、开采回灌量、整体回灌率都呈总体增长的趋势。
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3.1.1 开采井数量变化
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1992~2021年天津市不同热储开采井数量变化情况见图3、表1、表2。2000年以前，以开采浅部砂岩热储为主，明化镇组和馆陶组热储开采井数量平均占到总开采井数量的85%；2000年后，明化镇组地热开采井数量基本保持不变，但馆陶组地热开采井数量开始稳步增加，雾迷山组开采井数量也开始增加。到2012年，雾迷山组地热开采井数量与明化镇组数量持平并开始超越。到2018年，雾迷山组地热开采井数量开始超过馆陶组，但此时明化镇组和馆陶组热储开采井数量依旧占到总开采井数量的50%以上。2019年后，受回灌政策影响，部分砂岩热储地热开采井因无法实现回灌要求而关停，明化镇组和馆陶组热储开采井数量开始下降。截止到2021年，天津市基岩热储开采井数量已占到全市总开采井数量的50%。
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图3 1992~2021年天津市不同热储开采井数量变化图
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Fig.3 Changes in the number of wells pumping from different geothermal reservoirs in Tianjin from 1992 to 2021
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3.1.2 开采量及主要开采储层变化
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1992~2021年不同年份天津市不同热储层的开采量统计见图4、表1、表2，大致可划分为四个阶段：① 20世纪80年代末至90年代中期，房地产业的高速发展带动了地热产业的发展，天津市地热利用规模、利用水平得到了空前的提高，1995年地热资源开采量达到了2468万m3；② 2000~2009年期间，地热资源开采量年际变化不大，略有升降，年平均开采量2516万m3，与1995年开采量基本持平；③ 2010~2016年期间，地热资源开采量缓慢增加，到2016年达到了3927万m3；④ 2017年全市地热开采量迅速增加，达到了4979万m3，随后又缓慢增加，到2021年达到了5287万m3。
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按开采热储来分，2005年前以开采砂岩热储为主，明化镇组与馆陶组热水开采量平均占到全市年度开采量的60%，其中1995年前又以开采明化镇组热储为主，1995年明化镇组热储开采量占到了全年热水总开采量的50%，后期基岩热储的开采量开始逐渐增大；2002~2003年间，雾迷山组地热资源开采量占到了全年开采量的47%。自2006年起，砂岩热储开采量开始缩减，并维持开采总量基本不再变化，基岩热储的开采量持续增大；到2016年，雾迷山组地热资源开采量已达到了2106万m3，占到了全年开采量的54%。2017年起始，馆陶组、奥陶系、雾迷山组热储热水开采量又经历一次快速增长，此后呈缓慢增长状态，而后，受2019年回灌政策实施、部分砂岩热储地热井关停影响，2020年开始砂岩热储的开采量开始下降。截止到2021年，全年地热资源开采总量5287万m3，其中雾迷山组热储热水开采量3200万m3，占到当年全市热水开采总量的61%，而砂岩热储开采量占比仅25%。
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3.1.3 地热尾水回灌
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天津基岩热储回灌研究工作始于20世纪70年代末，初期是针对埋藏较浅的新近系孔隙型热储进行（孙宝成等，2005）。90年代后开始进行基岩热储回灌试验，1992年建成第一眼回灌井，1995年建成的第一对基岩定向采灌对井，1996年开始不同回灌模式的试验研究工作（曾梅香等，2008），逐渐形成了成熟的回灌技术和理论成果，为天津市的地热回灌工作奠定了坚实的基础。2004年，天津市地热管理处正式推广基岩地热对井回灌开采的模式，同时政府出台了多种措施鼓励开凿回灌井和原有单井地热利用系统技术改造，回灌工作开始进入了一个崭新的阶段。
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天津市地热尾水回灌工作大致可划分为以下三个阶段（图5）：①试验探索阶段（20世纪70年代~1996年），20世纪70年代末，天津市针对相对埋藏浅的新近系孔隙型热储先后进行了对井回灌、多井回灌数值模拟及回灌理论的研究工作；1995~1996年针对雾迷山组热储开展了基岩热储回灌试验（孙宝成等，2005）。②生产实践阶段（1997~2011年），这一阶段先后分别针对基岩热储和新近系砂岩热储开展了生产性回灌试验；1997年开始开展了10对基岩回灌对井的生产性回灌试验，回灌率达到56%；在基岩回灌取得经验的基础上，2001年又针对东丽区、武清区的砂岩热储开展了生产性回灌试验（林建旺等，2006）。③大规模回灌阶段（2012至今），2010年天津市出台了《天津市地热资源规划（2011—2015年）》，提出了52%的总体回灌率规划目标，天津地热回灌工作进入大规模实施阶段，地热回灌井数量开始猛增，2011年全市仅有回灌井68眼，到“十二五”末（2015年）已增加到148眼，翻了一番；地热回灌量也逐年增加，“十二五”期间地热平均回灌率为39%，其中2015年达到了45%，接近了规划目标；“十三五”期间，天津市出台了《天津可再生能源“十三五”规划》，提出到2020年全市深层地热总体回灌率达到58%，这一时期得益于砂岩热储回灌技术的进步（沈健等，2016；阮传侠等，2017b），除了基岩热储回灌量得到快速增长外，馆陶组热储回灌工作也得到了快速发展，到2020年全市地热回灌井数量达到267眼，其中馆陶组热储回灌井76眼，占到全市地热回灌井总数的28%；地热总体回灌率达到71%，超过了规划目标要求。截止到2021年，天津市地热资源年开采总量为5287×104m3，年回灌总量为4280×104m3，年总体回灌率达到81%（图6、表1、表2）。
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3.2 热储动力场演化
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热储水位动态的变化主要受到热储动力环境、开发利用、资源保护与管理等多方面的共同影响，其中热储动力环境受地质条件和构造条件限制，基本不可控，资源保护与管理成效又直接反映在开发利用上，因此主要影响水位动态变化的就是对资源的开发利用。天津市不同热储层水位动态大致可划分为两个阶段。以馆陶组为例（图7），2019年以前为持续下降阶段，其平均水位埋深由1999年的40~50 m持续下降到2019年度的115~140 m，水位年度降幅超过4 m。2019年以后随着回灌工作力度不断加大和无证地热井关停，热储水位开始大幅回升。雾迷山组热储水位也有基本相同的变化特征（图8），2018年以前为持续下降阶段，其平均水位埋深由1999年的35~65 m持续下降到2018年度的140~165 m，水位年度降幅4~6 m（宗振海等，2018b）；随着多年持续不断加大的回灌力度，到2018年热储水位下降幅度减缓甚至出现回升。整体而言，近年来各主要热储水位变化特征表现为：馆陶组热储由下降幅度逐渐减小转为局部水位开始小幅度回升至2021年中部热储发育区大部分区域回升；奥陶系热储由下降幅度逐渐减小转为局部水位回升至2021年热储发育区一半区域回升；雾迷山组热储由下降幅度逐渐减小转为局部水位开始小幅度回升至2021年热储发育区大部分区域回升，且回升幅度增加，其中南开区开发利用时间久，常年是雾迷山组水位漏斗区，水位漏斗区水位近年来表现为水位下降速率减缓，漏斗区外围水位开始由下降转为缓慢回升。
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图4 1992~2021年天津市不同热储开采量统计图
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Fig.4 Statistics on the exploitation of different geothermal reservoirs in Tianjin from 1992 to 2021
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①—第一阶段；②—第二阶段；③—第三阶段；④—第四阶段
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①—phase Ⅰ; ②—phase Ⅱ; ③—phase Ⅲ; ④—phase Ⅳ
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图5 1992~2021年天津市不同热储地热回灌井数量变化
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Fig.5 Number of rejection wells in different geothermal reservoirs in Tianjin from 1992 to 2021
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图6 1992~2021年天津市不同热储回灌量及回灌率统计
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Fig.6 Statistics of reinjection amount of different geothermal reservoirs in Tianjin from 1992 to 2021
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3.3 热储温度场演化
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温度监测包括井口流温监测及井下连续稳态温度测量，可提供集中采灌条件下不同热储温度的时空演变信息。近年来天津市回灌工作力度不断加大，由于回灌过程中低温流体的注入，在一个局部区域的一定时间内，会引起热储局部热流体温度的降低，形成以回灌井为起点向外运移的冷锋面，因此近年来除了常规的流温测量外，重点开展了回灌对热储温度场的影响监测，即在非供暖期对地热井井底热储段进行连续测温，掌握停灌后热储温度变化规律，研究回灌前后热储温度场变化特征。
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3.3.1 开采井井口稳定流温
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地热井井口稳定流温普遍略低于热储温度，是热储平均温度的直接反映（Deng Junzu et al.，2022）。天津地区主要热储层的井口流温主要与储层埋深、基岩起伏、断裂构造关系密切，其中明化镇组热储地热井井口稳定流温一般低于60℃，温度高值区基本与构造凸起部位相对应；馆陶组热储地热井井口稳定流温一般介于60~80℃之间，高值区基本与热储埋深相对应，埋藏较深的地热流体通过地层正常增温从而形成了较高的热储温度，部分地段受构造隆起和附近控热断裂影响，温度较高；雾迷山组储层地热井井口稳定流温则普遍高于75℃，温度高值区对应高凸起部位，与地热异常区相对应，且在同一凸起单元内越是临近导水、导热断裂，流体温度越高。通过对多年不同储层开采井井口稳定流温监测（图9），发现这些地热井的井口稳定流温多年来基本保持稳定，由此可见地热井的流体温度并没有因长期开采或回灌而出现明显的变化。
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3.3.2 回灌井井筒垂向温度变化
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在地热对井采灌运行过程中，开采井抽取的地热流体经过换热后，其大部分热能已被提取，因此，当把失掉大部分热能的地热尾水通过回灌井回注入原热储时，这部分低温流体在注入和流动过程中，与储层中的原有热流体不断相互作用，同时不断吸取围岩热量，热传递作用使得原先处于天然状态下的温度场在一定热储空间范围内被打破。由于回灌过程中低温流体的注入，在一个局部区域的一定时间内，会引起热储局部热流体温度的降低，形成以回灌井为起点向外运移的冷锋面。在非供暖期对地热井井底热储段进行连续测温，可掌握停灌后热储温度变化规律。现分别以WQ-23B井和HD-02井为例，分析不同热储层回灌条件下井筒周边温度场的变化。
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WQ-23B井位于武清区，热储为新近系馆陶组，成井时储层温度为65℃，目前用于回灌，2021年度回灌量为11.48×104 m3，尾水温度为34~38℃，回灌效果良好。近几年采暖期结束后均在停采期开展了多次稳态测温测压工作，根据近8年的井温测试数据绘制测温曲线见图10。根据测温曲线可知，WQ-23B井地面至1550 m井段井温随深度增加而增加，体现为传导性增温特征；1550~1840 m为该井射孔段，也是回灌目标层位，由于整个供暖季回灌尾水温度较低，在此处形成一个因多年低温流体回灌造成的低温带，多年温度介于40~55℃之间，低于正常情况下该段平均温度（约65℃），此段后温度逐渐恢复正常。绘制2021年4月与8月WQ-23B井的年内动态测井曲线见图11，除了浅部受第四系含水层影响温度变化不太规律外，从250 m以下地温升温速率呈逐渐增大趋势，其中非含水层段（250~1550 m）测温曲线比较平缓，表现为传导型增温特点，由上而下地温升温速率由0.004℃/d增加为0.037℃/d，平均增温速率0.023℃/d；含水层段（1550~1840 m）则由于低温流体的回灌表现为一定的对流型特点，但可以看出明显的年内同步回温特征，平均增温速率达到0.034℃/d，略高于非含水层段。
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图7 1994~2021年天津馆陶组热储主要开采区水位动态曲线
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Fig.7 Water level change in the main pumping area of the Guantao Formation geothermal reservoir in Tianjin from 1994 to 2021
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图8 1999~2021年天津雾迷山组热储主要开采区水位动态曲线
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Fig.8 Water level change in the main pumping area of the Wumishan Formation geothermal reservoir in Tianjin from 1999 to 2021
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图9 2003~2021年天津主要热储层温度动态曲线
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Fig.9 Temperature dynamics of major geothermal reservoirs in Tianjin from 2003 to 2021
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图10 2014~2021年天津市武清区WQ-23B 地热回灌井井下连续测温曲线
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Fig.10 Logging curve of reinjection well WQ-23B from 2014 to 2021
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图11 2021年4~8月天津市武清区WQ-23B回灌井井温度动态曲线及回升速率
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Fig.11 Dynamic logging curves and temperature recovery rates of WQ-23B reinjection well from April to August 2021
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HD-02井位于河东区，热储为蓟县系雾迷山组，为回灌井，回灌层位为2686~3155 m。近几年采暖期结束后均在停采期开展了多次稳态测温测压工作，根据2011~2019年的井温测试数据绘制测温曲线见图12。根据测温曲线可知，2600 m以浅井段，井筒温度随深度增加而增加，体现为传导性增温特征；2686~3155 m为回灌目标层位，由于整个供暖季回灌尾水温度较低（35~47℃），在此处形成一个因多年低温流体回灌造成的低温带，多年温度介于60~80℃之间，低于正常情况下该段平均温度（约85℃），此段后温度逐渐恢复正常。绘制2020年4月至10月HD-02井的年内逐月动态测井曲线见图13，除了浅部受第四系含水层影响温度变化不太规律外，从220 m以下地温升温速率呈逐渐增大趋势，其中非含水层段（220~2686 m）测温曲线比较平缓，表现为传导型增温特点，由上而下地温升温速率由0.012℃/d增加为0.105℃/d，平均增温速率0.062℃/d；含水层段（2686~3155 m）则由于低温流体的回灌表现为一定的对流型特点，但可以看出明显的年内同步回温特征，平均增温速率达到0.116℃/d，高于非含水层段。
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3.4 热储化学场演化
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天津市2021年度不同热储层热水水化学特征见图14。总体上各主要热储地热流体水化学特征表现为沿径流方向从北向南水化学类型渐趋复杂。明化镇组热储地热流体水化学类型由HCO3-Na型逐渐变为复杂的SO4·Cl-Na型；馆陶组热储地热流体水化学类型由HCO3-Na型逐渐变为复杂的Cl·SO4-Na型；奥陶系热储地热流体水化学类型由HCO3-Na型逐渐过渡到复杂的Cl·SO4-Na·Ca型；寒武系热储地热流体水化学类型由HCO3·SO4-Na型过渡到SO4·Cl-Na·Ca型；雾迷山组热储地热流体水化学类型由HCO3·SO4·Cl-Na型过渡到Cl·SO4·HCO3-Na型。
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图12 2011~2019年天津市河东区HD-02 地热回灌井井下连续测温曲线
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Fig.12 Logging curve of reinjection well HD-02 from 2011 to 2019
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图13 2020年4~10月天津市河东区HD-02 回灌井井温度动态曲线及回升速率
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Fig.13 Dynamic logging curves and temperature recovery rates of HD-02 reinjection well from April to October 2020
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近年来天津市大力推动地热尾水回灌工作，而地热流体因受温度、压力及管道材质等影响在流动过程中发生化学反应产生的化学沉淀是影响回灌效果的重要因素之一 （刘雪玲等，2009）。根据以往对部分地热井的流体垢样的鉴定可知，沉淀的主要成份包括CaCO3、SiO2、Fe2O3等化合物，主要元素有O、Si、Fe、Al、Cl等。开采回灌过程中，地热流体化学组分的变化主要表现为一定量的CO2气体释放的同时产生CaCO3或MgCO3沉淀。
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图14 2021年度天津不同热储层Piper图
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Fig.14 Piper diagram of different geothermal reservoirs in Tianjin in 2021
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通过对天津主要开采热储层多年的水质进行统计分析，各热储层地热流体的主要化学组分基本稳定，多年来无明显变化（图15、图16），因此可以说明地热流体的化学性质、离子组分在开采、回灌过程中，短期内的动态变化是较为微弱的，地热采灌系统尾水回灌对地热流体的水质影响很小，不会从根本上改变地热流体的原始化学特征。
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另外，垂直发育的断裂带可形成渗流的优势通道（Lin Wenjing et al.，2022b），沟通上下储层，对不同储层的水质造成一定的影响。研究区内沧东断裂发育较多裂隙，有较好的垂向连通性，能将下部热储层中的高位热能以热对流形式传递到浅部（赵苏民等，2007；殷肖肖等，2021）。对比分析沧东断裂与天津断裂地区的地热流体水质资料发现（图17），沧东断裂附近奥陶系与雾迷山组热储地热流体水化学类型相同、矿化度相近，且奥陶系地热流体的水质要明显优于天津其它地区地热流体，如奥陶系地热井DL-16井矿化度为1753.3 mg/L，水化学类型为Cl·HCO3-Na型，与雾迷山组热储地热流体基本相同。而从天津断裂附近分布的奥陶系和雾迷山组地热流体水化学分析结果来看，其水化学类型比较复杂，矿化度变化比较大，这也说明天津断裂一带相对沧东断裂区域地下流体径流缓慢，断裂性质完全不同。
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图15 近30年天津市雾迷山组热储Ca2+离子统计特征
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Fig.15 Statistical characteristics of Ca2+ ions in Wumishan geothermal reservoir in the last 30 years
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图16 近30年天津市雾迷山组热储HCO-3离子统计特征
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Fig.16 Statistical characteristics of HCO-3 ions in Wumishan geothermal reservoir in the last 30 years
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4 讨论
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地热资源虽然是可再生的清洁能源，但这种“可再生”也是有限度的，长期持续的无序开发也可能造成区域地热资源的枯竭（王贵玲等，2020b）。以美国Geysers地热田为例（Sanyal et al.，2011，2016），该地热田是继意大利Lardarello、新西兰Wairakei之后，全球第三个大规模开发的地热田，20世纪60年代开始商业运营，70~80年代受“石油危机”带来的石油、天气价格暴涨以及美国联邦和州政府为开发地热发电提供的一系列激励措施等因素影响，其开发日益加速，发电量激增，到1987年鼎盛期年发电量达到了1500~1600 MW。但由于不同运营商之间缺乏合作且信息闭塞，导致了热田的过度开发，具体表现在储层压力迅速下降，1987~1988年热田某些地方出现过热蒸汽（意味着储层的局部干燥），热田的生产力也迅速下降，净发电量从1987年的1600 MW高峰下降到1995年的不到900 MW。为缓和衰减率，1997年后通过修建管道将经过处理的城市污水远距离输送到地热田来增加回灌量，同时开展了热田经营权的整合以优化热田管理，到1998年后，The Geysers地热田基本实现了稳定运行，2010~2015年间其年发电量稳定在800~850 MW，比30年前的预测高出33%，反映了回灌策略等管理方面创新的巨大成就。
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图17 沧东断裂与天津断裂附近不同热储地热流体Piper图
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Fig.17 Piper diagram of thermal fluids in different geothermal reservoirs near the Candong fault and Tianjin fault
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地热回灌是避免地热废水直接排放引起热污染和化学污染的措施，并对维持热储压力，保证地热田的持续开采条件具有重要的作用，回灌是最有力的热储管理工具（Sanyal et al.，2011）。回灌已经成为世界范围内重要地热田生产运行中的一项日常工作，在过去的几十年里，全球至少有一半的地热田采用了完全回灌战略（Kamila et al.，2021）。
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天津市规模化开发地热始于20世纪90年代，广泛用于地热供暖、温泉理疗、养殖、工农业等多个领域，目前已形成了市区及近郊、武清、塘沽、大港等多个集中开采区。受多年集中开采影响，区域水位埋深分布特征表现为以市区为中心向外围扩展的漏斗区，且在武清、津南等地区形成多个次一级的漏斗区。主要开采热储层中，明化镇组热储在20世纪80年代已大量开采，1992年中心城区明化镇组中心水位埋深约51 m（天津市地热勘查开发设计院，1992❷），到2021年市中心漏斗水位埋深达到108 m，近30年水位累计下降57 m，年平均降幅1.9 m；馆陶组1992年中心城区水位埋深15~20 m，到2021年漏斗中心水位埋深达到131.51 m，近30年水位累计下降超过110 m，年平均降幅3.7 m；奥陶系热储1992年中心城区水位埋深10~15 m，到2021年漏斗中心水位埋深达到155.35 m，近30年水位累计下降超过140 m，年平均降幅4.7 m；雾迷山组热储从20世纪90年代初的自流，到2021年漏斗中心水位埋深达到169.96 m，近30年水位累计下降超过170 m，年平均降幅超过5.6 m。规模化的人工集中开采和早期只采不灌的开发利用模式是造成不同热储层水位持续下降、资源加速枯竭的主要原因（宗振海等，2018b）。近年来天津市遵循“以灌定采、采灌平衡”的开发原则，加大地热回灌力度，实施“回灌系统整合”、“补建回灌井”等地热资源管理保护措施，相继建成了200多处地热对井回灌开发系统，并积极探索地表水补充回灌技术，目前，这些措施已初步取得成效，自2018年以来，馆陶组、雾迷山组等主要开发热储层的水位已由下降幅度逐渐减小转为局部水位回升（图7、图8）。
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天津市属沉积盆地型地热资源，其地温场特征主要与基岩起伏、断裂构造关系密切。一般在构造凸起部位和导水导热断裂附近，热储温度相对较高。明化镇组地热井井口稳定流温为40~80℃，其高值区基本都和构造凸起部位相对应。馆陶组热储地热井井口稳定流温为48~86℃，温度高值区主要分布在东丽区山岭子地热异常区东部和南部、武清凹陷、北塘凹陷、板桥凹陷等地。雾迷山组储层地热井井口稳定流温普遍高于75℃，最高温度位于周良庄地热异常区内，达到113℃。近30年的系统监测显示，地热流体的开采会导致井孔附近浅部地温缓慢升高并逐年累积，长期停采后其地温会缓慢恢复；地热井的井口稳定流温与成井时的流温相差不大，基本保持稳定，说明地热井的流体温度并没有因长期开采或回灌而出现明显的变化。从水化学特征来看，天津市各主要热储地热流体水化学类型呈从北向南渐趋复杂、矿化度逐渐增大的趋势，与地热流体径流方向基本一致，在导水、导热断裂附近，水质相对较好。对比多年的水质监测结果可以看出：各主要热储地热流体化学性质比较稳定，除有一定波动外，主要离子含量并没有因人为开采或回灌而发生明显变化。
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总的来说，天津市自1985年开始进行地热资源动态监测工作，历经近40年的发展，已形成地热资源监测历时最久、监测内容最丰富、监测规模最大、监测水平最高的地热动态监测体系：目前天津市范围内已布设了由700余眼监测井组成的动态监测网，对包括浅层地热能、深层地热资源在内全市地热开发利用情况进行系统监测，按特定频率以及成熟的技术方法获取地热资源的压力（水位）、流量、水质、井口温度、热储温度、岩土体温度、能耗等数据，按年度形成监测成果报告、图件、数据库；在执行国家、行业标准基础上，制定了地热资源动态监测地方标准；在地热监测信息平台建设方面进行多次尝试，形成了地热资源开发利用动态数据库、地热资源动态监测信息管理系统、地热资源野外科学观测研究信息系统、天津市矿产资源监管信息平台中的监测、计量模块化功能等成果；《天津市地热资源管理规定》《天津市地热资源管理实施办法》等规章制度也对监测工作及监测设施有明确要求。规范有序的动态监测为科学开发天津市地热资源提供了科学保障，天津地热资源的开发已走上了可持续的良性发展轨道。
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5 结论
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（1）近30年来，天津市地热资源开发可划分为四个阶段：① 20世纪80年代末至90年代，开采量快速增加，以开采明化镇组热储为主；② 2000~2009年期间，开采量较稳定，基岩热储开采量逐渐增加；③ 2010~2016年期间，开采量缓慢增加，雾迷山组热储开采量超过一半份额；④ 2017年至今，全市地热开采量迅速增加，砂岩热储开采量占比降到25%以下。
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（2）天津市地热尾水回灌工作开始于20世纪70年代末，可划分为三个阶段：① 试验探索阶段（20世纪70年代~1996年），针对砂岩热储和基岩热储分别开展了回灌试验；② 生产实践阶段（1997~2011年），针对具体地热开发工程开展了生产性回灌试验；③ 大规模回灌阶段（2012至今），天津地热回灌工作进入大规模实施阶段。
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（3）近30年来，天津市不同热储层水位动态大致可划分为两个阶段，2019年以前为持续下降阶段，以后随着回灌工作力度不断加大和地热无证井治理，热储水位下降幅度减缓甚至出现回升。
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（4）天津市主要开采储层地热井的井口稳定流温多年来基本保持稳定，并没有因长期开采或回灌而出现明显的变化，但采灌系统中回灌井的井筒垂向温度在灌目标层位处因多年低温流体回灌形成一个低温带，经过非供暖期的恢复无法达到最初的温度。
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（5）近30年来，天津市主要开采热储层地热流体的主要化学组分基本稳定，地热采灌系统尾水回灌对地热流体的水质影响很小，没有从根本上改变地热流体的原始化学特征。
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（6）近年来随着一系列地热资源管理保护措施的实施，天津市馆陶组、雾迷山组等主要开发热储层的水位已由下降幅度逐渐减小转为局部水位回升，天津地热资源的开发已逐渐走上可持续的良性发展轨道。
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注释
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❶ 天津地热勘查开发设计院.2022.2021年度天津市地热资源开发利用动态监测报告.
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❷ 天津地热勘查开发设计院.1992. 九二年天津市地下热水动态监测工作年报.
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摘要
天津是我国较早大规模开发深层地热的地区之一，经过30多年的持续开采回灌，对深部热储特征有无影响，是否引起了资源枯竭、水质恶化以及热储温度下降等环境问题，一直是社会关注的焦点。本文系统收集了1992年以来天津市地热开发过程中的不同热储层热水开发利用量、回灌量、水位、水质、水温等近30年的时间序列监测资料，通过垂向及横向对比，对地热持续开发30年来天津市不同地区不同热储层的热水动态特征进行了分析。结果表明，天津市各热储层地热流体的主要化学组分基本稳定，多年来无明显变化，地热采灌系统尾水回灌不会从根本上改变地热流体的原始化学特征，但深大断裂作为热流通道引起的顶托补给，会对上层热储水质造成一定的影响；随着近年来天津市回灌工作力度不断加大，大部分热储水位下降幅度减缓或出现回升，热储的温度没有明显的升高或降低的趋势，但回灌井热储段经过非供暖期的恢复无法达到最初的温度，呈逐年下降趋势。未来持续采灌条件下，回灌井筒的“冷堆积”及采灌井的优化调配应是重点关注的问题。
Abstract
Tianjin is one of the early areas of large-scale development of deep geothermal reservoirs in China. After more than 30 years of continuous exploitation and recharge, whether there is any impact on deep geothermal reservoirs and whether it has caused environmental problems such as resource depletion, water quality deterioration and temperature decrease of geothermal reservoirs has been the focus of social concern. In this paper, the dynamic characteristics of different geothermal reservoirs in different areas of Tianjin were analyzed through vertical and horizontal comparisons based on the systematic collection of time series monitoring data of hot water utilization, reinjection volume, water level, water quality and water temperature for nearly 30 years since 1992 in different geothermal reservoirs in Tianjin. The results show that the main chemical components of geothermal fluids in geothermal reservoirs throughout Tianjin are basically stable and have not changed significantly over the years, and reinjection in the geothermal pumping and reinjection system will not fundamentally change the original chemical characteristics of the geothermal fluids, but the leakage recharge caused by deep large fractures as heat flow channels will have some impact on the water quality of the upper geothermal reservoirs. With the increasing recharge efforts in Tianjin in recent years, the continuous decreasing trend of water level in most geothermal reservoirs has been slowed down or rebounded, and the temperature of geothermal storage has no obvious trend of increasing or decreasing, but the target layer of reinjection wells cannot reach the initial temperature after the recovery of non-heating period, and it is decreasing year by year. Under the future continuous pumping and reinjection conditions, the “cold accumulation” of reinjection wells and the optimal deployment of pumping and reinjection wells should be a key concern.
