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塔克拉玛干沙漠腹地有着丰富的石油天然气资源。然而,塔克拉玛干沙漠气候极端干旱,水资源匮乏,生态环境极其脆弱,如何实现油气能源开发与水资源的可持续协调发展将成为油气开采地区能源开发持续快速发展的关键问题。2000年以来,随着油气产量的不断增长及油田区生态建设,石油开采用水量、生活用水量及生态工程用水强度也越来越高,而这些水量皆来源于地下水。在此条件下,区域地下水对用水行为的响应过程及未来油气资源规模化开发与地下水可持续利用备受关注,也是学术界研究的热点问题。
塔中油田地处塔克拉玛干沙漠腹地,是现代化整装大型油气田。由于低渗油藏天然能量不足,能量供给有限,因此多采用水驱采油。沙漠油田区域内的油田生产用水、生活用水及生态工程用水均由当地的19口水源井供给。本研究针对油田区域用水特点和研究热点,通过布设地下水观测断面,对区域内地下水位、水质进行定位观测及综合研究,旨在揭示油田区域地下水位、水质变化特征与规律,确定高强度用水条件下的地下水位变化幅度;探明地下水中主要离子空间分布特征;阐明区域地下水流场变化与抽水行为之间的响应关系;建立沙漠腹地油田区域高强度用水的地下水响应过程数值模型,预测未来油气资源快速发展的地下水响应状况变化情形,并制定相应的地下水可持续利用对策,以解决油气资源开发与水资源缺乏之间的矛盾。围绕塔克拉玛干沙漠腹地油气开发的地下水响应与可持续利用,通过系统调查、定位监测、抽水实验、采样分析和数值模拟等,取得如下主要研究结果。
(1)研究区地下水主要源自周边山地积雪冰川融水,在出山口渗漏入地下水系统后随地势变化产生的极为缓慢的径流的汇入。地下水中氢氧同位素组成关系曲线,均落在全球大气降水线下方,且具有偏离大气降水线向右下方偏离的趋势。
(2)研究区0-600m深度内可开采资源分为天然资源量和潜在资源量两部分。其中,天然资源量指侧向补给量加上垂向补给量,合计为91211m3/d;潜在补给量指蒸发损耗总量,合计28886m3/d。地下水的最大开采模数为300m3/d·km2。
(3)沙丘高度是控制流动沙漠区域地下水位埋深的主要影响因素。地下水位变化的主要影响因素为人为抽水作用、蒸发排泄作用、河流流量变化和地下径流补给。以对地下水位变化幅度影响的大小排序:抽水作用＞蒸发排泄作用＞河流流量变化＞地下径流补给作用。沙漠腹地的地下水平均流速为:0.01cm/min;地下水流动方向在沙漠北部主要以ENE方向为主,沙漠中部除个别井点外主要以EN方向为主,沙漠南部尼雅河下游东侧流向由ENN方向和WNN方向构成,牙通古斯河西侧以ESS方向为主。受大地形控制的地下水流向以东北方向为主;季节性河流附近地下水流向受流量影响在枯水期指向河道方向。
(4)研究区地下水化学类型比较单一,主要为碱及强酸离子所组成的类型,以Na-Mg-Cl-SO4型为主。TDS差异性不大,变化范围在3380-7380mg/L之间。研究区自然条件下地下水化学演化过程缓慢,离子交替作用弱,水化学类型非常稳定,空间差异性极小。pH值的变化范围在7.32-8.63之间,均属于偏碱性水。强烈的蒸发浓缩作用,芒硝、岩盐、辉石等的溶解作用,以及较为显著的Ca2+/Na+离子交换作用是水化学演化模型的主要表现特征,在这些因素的多重影响下,使得下游地下水的主要离子浓度增大,TDS升高,矿化度显著增大。
(5)研究区地下水面较平缓。核心供水区水位表现出较为明显的人为干扰特点。利用Theis with Jacob模型计算得出T=5.87E2(m2/d);S=1.81E-1;Neuman模型计算得出T=2.36E2(m2/d);Sy=5.00E-1,sy/S=1.52E2。Kv/Kh=9.33E-1。
(6)基于油气资源规模化开发对水资源的需求,设定了4种供水方案:核心供水区现有水源井最大供水量方案(方案1)、核心供水区水源井现有供水量+外围水源井补充供水方案(方案2)、核心供水区水源井增大单井供水能力方案(方案3)、不同供水区的增建水源井供水方案(方案4),并对4种供水情景分别进行了数值模拟。Pest参数评估过程显示,渗透系数的合理取值大体为:Kx=1.22～5.25m/d,Ky=4.50～8.64m/d,Kz=0.14～3.34m/d,其与抽水试验公式所计算得出的参数基本上一致。弹性释水系数Ss=1.98E-5[1/m],给水度Sy=0.062,反映了研究区含水层以重力释水为主要过程,进入水量略少于流出水量,差值约-58.686m3,而深层含水层对浅层含水层的补给量超过146200m3,井的抽水过程不起关键作用。模型运行20年后,方案1核心供水区地下水位平均下降2.22m;方案2核心供水区地下水位平均下降3.41m;方案3核心供水区地下水位平均下降7.44m;方案4-1(核心供水区加密打井)原核心供水区地下水位平均下降5.10m;方案4-2原核心供水区地下水位平均下降3.36m。方案1和方案4-2(核心供水区外新建水源地),开采后的地下水位能够达到理想的相对稳定状态,水量能够达到相对平衡状态。其余供水方案都有区域地下水位持续下降的供水安全风险,同样的,供给水量也不能得到有效保证。
(7)四种水资源开发方案,就供给水量来看,方案3＞方案4-2＞方案＞方案1;从水源地建设成本考虑,方案4.2＞方案3＞方案2＞方案1;从区域水安全角度判断,方案1＞方案4-2＞方案＞方案3。因此,在适当控制建设成本,综合考虑供水量和区域水安全,方案4-2是比较好的供水方案,能够实现研究区地下水资源的可持续开发与利用。