查干凹陷大地熱流

左銀輝，邱楠生，鄧已尋，饒 松，徐深謀，李建國

1 中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)科學研究院，河南濮陽 457001

2 中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

3 中國石油大學（北京）盆地與油藏研究中心，北京 102249

4 中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京 100083

5 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學院工程地質(zhì)力學重點實驗室，北京 100029

1 引 言

大地熱流是表征由地球內(nèi)部向地表傳輸并在單位面積上散發(fā)的熱量，是地球內(nèi)部熱作用過程最直接的表達，蘊含著豐富的地質(zhì)、地球物理和地球動力學信息，其分布受控于巖石圈構(gòu)造演化和深部地球動力學過程，為盆地的形成機制和演化過程的研究及油氣資源評價提供重要依據(jù).大陸大地熱流測量始于1939年，海洋大地熱流于1952年獲得首批可靠數(shù)據(jù).到1975年，全球共獲得大地熱流數(shù)據(jù)5417個［1－2］.大地熱流一直都是國際研究的熱點課題［3－8］.我國大地熱流的研究相對較晚，始于20世紀60年代，1966年報道過東北中生代盆地的三個熱流數(shù)據(jù)［9］，直到1979年1月才正式公布了第一批大地熱流值（共25個數(shù)據(jù)）［10］，正式拉開我國大地熱流研究的序幕，越來越多的專家學者從事這一工作，開始探索大地熱流與地球動力、油氣生成、地震活動和地熱資源等的內(nèi)在聯(lián)系.到1988年，汪集旸等受國際熱流委員會的委托，對中國大陸地區(qū)的大地熱流進行了匯編［11］，此時，我國大陸地區(qū)已經(jīng)有167個大地熱流數(shù)據(jù)，但這些熱流數(shù)據(jù)主要集中分布于華北、東北及其鄰區(qū)，攀西、藏南僅有少量測點，而廣大西北地區(qū)和東南沿海一帶則完全是空白.隨后兩年，我國加大了大地熱流研究的資助，各項重大地學研究課題及全國地學大斷面（GGT）項目的開展，大地熱流數(shù)據(jù)增加較快，截至1990年公開發(fā)表了366個大地熱流數(shù)據(jù)［12］，這些數(shù)據(jù)分布較1988年有了很大的改善，熱流數(shù)據(jù)的覆蓋面已經(jīng)由華北、東北、西藏和四川局部地區(qū)擴大到華南、中原和西南部分地區(qū).最近一次大陸地區(qū)大地熱流數(shù)據(jù)匯編于2001年完成［13］，經(jīng)過20余年的努力，我國大陸地區(qū)的大地熱流匯編數(shù)據(jù)已經(jīng)達到862個，熱流數(shù)據(jù)已經(jīng)覆蓋我國大陸包括西北塔里木盆地、準噶爾盆地、柴達木盆地在內(nèi)的大部分地區(qū).最近10年，中國大地熱流的研究仍在不斷地進行，但是研究地區(qū)主要位于塔里木盆地和渤海灣盆地及鄰區(qū)［14－26］，對于大地熱流近乎空白的內(nèi)蒙古地區(qū)，僅有海拉爾盆地公布少量數(shù)據(jù)［14，18］.目前為止，內(nèi)蒙古銀根—額濟納旗盆地（簡稱銀—額盆地）仍沒有大地熱流值，這嚴重制約了銀—額盆地的油氣勘探進展及揭示該盆地地球動力學特征.查干凹陷是銀—額盆地中中生代沉積厚度最厚，目前認為是銀—額盆地中最具勘探潛力的凹陷.自1995年的第一口井——CC1井揭示存在良好的油氣資源潛力以來，到2012年已鉆探30余口探井，其中多口井獲得工業(yè)油氣流.已發(fā)現(xiàn)三級石油儲量4000余萬噸，發(fā)現(xiàn)一個新油田——吉祥油田.但是仍存在很多制約勘探進程的關(guān)鍵問題，其中烴源巖成熟演化、生排烴史、油氣運聚史及資源潛力等問題與大地熱流緊密相關(guān).因此，研究查干凹陷的大地熱流勢在必行，為全面評定查干凹陷及銀—額盆地生烴潛力提供保證.

近年來隨著查干凹陷油氣勘探的進展，已有9口井的測溫資料，為研究查干凹陷地溫梯度分布提供保障，同時，測試了19口井107塊巖芯的巖石熱導率，為研究查干凹陷的大地熱流提供基礎.

2 地質(zhì)背景

查干凹陷地處內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾盟烏拉特后旗.區(qū)域構(gòu)造上位于銀根—額濟納旗盆地東部查干德勒蘇坳陷的中部，凹陷西臨西尼凸起，東以楚干凸起與白云凹陷相隔，西南為木巴圖隆起，東南緊靠狼山.其呈不規(guī)則的“菱形”展布，北東長60km，北西寬40km，勘探面積約2000km2，是一個呈西北斷、東南超的單斷箕狀結(jié)構(gòu)的中、新生代斷陷盆地，是銀—額盆地中最富勘探潛力的凹陷.根據(jù)基底起伏、斷裂系統(tǒng)解釋成果及構(gòu)造演化特征，查干凹陷劃分為“兩凹一凸”的構(gòu)造格局，即額很—虎勒次凹（西部次凹）、罕塔廟次凹（東部次凹）和毛敦次凸，各個構(gòu)造單位又包括多個次一級構(gòu)造單元（圖1）.地層包括早白堊世巴音戈壁組（從下至上分為K1b1和K1b2）、蘇紅圖組（從下至上分為K1s1和K1s2）、銀根組（K1y）、晚白堊世烏蘭蘇海組（K2w）及新生界，其中巴音戈壁組一段、二段和蘇紅圖組一段為該區(qū)的3套烴源巖層系.由于燕山和喜山等造山運動，研究區(qū)經(jīng)歷了4期構(gòu)造階段：（1）早白堊世巴音戈壁組—蘇二段沉積時期為走滑－拉分斷陷期，該時期斷裂活動強烈，伴隨多期火山活動，沉積一套中基性火山巖與碎屑巖的組合；（2）早白堊世銀根組沉積時期為斷坳轉(zhuǎn)換期，發(fā)育一套河流－濱淺湖為主的地層；（3）晚白堊世烏蘭蘇海組沉積時期為坳陷期，發(fā)育一套河流相為主的地層；（4）新生代為擠壓抬升期，凹陷發(fā)生局部的擠壓沖斷現(xiàn)象，發(fā)育一組逆沖斷層和反轉(zhuǎn)構(gòu)造，局部地區(qū)接受新生界沉積.

圖1 查干凹陷構(gòu)造劃分圖Fig.1 Sketch map of structural unit division in the Qagan sag

3 研究方法

3.1 大地熱流計算方法

大地熱流是一個綜合性參數(shù)，它比其它地熱參數(shù)（如溫度、地溫梯度）更能確切地反映一個地區(qū)地熱場的特征.可由以下公式計算得到：式中，q為大地熱流，mW／m2；K為巖石熱導率，W／（m·K）；G為地溫梯度，℃／km.負號表示大地熱流方向與地溫梯度方向相反.

3.2 地溫梯度計算方法

從式（1）可以看出，地溫梯度是計算大地熱流關(guān)鍵參數(shù)之一，目前用于計算地溫梯度的溫度數(shù)據(jù)主要包括靜溫和流溫.前者通常是在完井后，關(guān)井數(shù)天或長期關(guān)井后試油時將儀器下放至接近油層射井段，進行溫度測量獲得的數(shù)據(jù).由于關(guān)井時間長，井溫基本上已與地層溫度達到平衡，是研究地溫場特征的主要數(shù)據(jù)之一.后者主要包括測井測溫數(shù)據(jù)，也是地溫場研究的主要數(shù)據(jù)之一.但是由于測井測溫一般都在剛完鉆時就進行測溫，其測試的溫度數(shù)據(jù)與實際地層溫度存在一定的差異.這是因為在鉆探過程中鉆頭的摩擦生熱和鉆井液（泥漿）的循環(huán)，破壞了鉆孔及其附近的地溫狀況.鉆頭的摩擦生熱僅發(fā)生在鉆頭所接觸的部位，在時間上是短暫的，熱效應一般為井液循環(huán)所抵消.井液循環(huán)在整個鉆進過程中連續(xù)發(fā)生，直至鉆探完成和井液循環(huán)停止后才終止，鉆探產(chǎn)生的熱效應開始逐漸消失，井溫開始恢復.鉆井結(jié)束后井溫變化可分為三段：上段瞬時井溫比原始地溫高，下段比原始地溫低.在某些情況下如果鉆頭摩擦生熱量很大，不能為井液循環(huán)抵消，則井底井液溫度可能會比原始地溫高.在上下兩段之間有一過渡帶，此處井液溫度和圍巖地溫相平衡，稱為中性點或中性段（O點）（圖2）.

圖2 停鉆后井液溫度恢復曲線示意圖3－C線為原始地溫曲線，O點為中性點（井液溫度和圍巖地溫相平衡），1－A線為停鉆后不久的測溫曲線，2－B是停鉆一段時間的測溫曲線，隨停鉆時間的增加，測溫曲線向箭頭所指方向變化，箭頭指向是地溫恢復的方向.Fig.2 Schematic diagram of borehole temperature recovery curve after stopping drillingLine 3-C represents the original geotemperature curve.Point O is the neutral point where the drilling fluid temperature and the true formation temperature achieve a balance.Line 1-A shows the measured temperature shortly after stopping drilling.Line 2-B notes the measured temperature after stopping drilling for some time.The temperature curve changes （arrow ） over time after stopping drilling.The arrow denotes the direction of the temperature recovery.

本文根據(jù)不同類型的溫度數(shù)據(jù)，采用不同的研究方法.對于為靜井溫度數(shù)據(jù)的井利用公式（2）計算得到該井的地溫梯度；而對于流溫數(shù)據(jù)（測井測溫）尋找中性點（O點）對應的溫度及深度，再利用公式（2）計算得到地溫梯度.

式中G為地溫梯度，℃／km；T為地層溫度，℃；T0為恒溫帶溫度，℃，與查干凹陷年平均溫度相當（取9℃）；Z為地層深度，km；Z0為恒溫帶深度，取20 m.

4 基本參數(shù)

目前，共收集到3口測井測溫數(shù)據(jù)及1口分時間段進行了多次測試的井（圖3）和5口井42個試油溫度數(shù)據(jù)（圖4），數(shù)據(jù)集中在西部次凹的中央構(gòu)造帶和烏力吉斷鼻構(gòu)造帶（圖1）.從圖4可以看出，溫度隨深度呈線性關(guān)系，反映查干凹陷表現(xiàn)出傳導型地溫場特征.

巖石熱導率是計算大地熱流的重要參數(shù)之一，其準確與否直接關(guān)系到大地熱流的精度.由于查干凹陷新生代和晚白堊世巖石比較疏松且不是油氣勘探的目的層，沒有巖芯樣品，而且地表不見出露，因此本文只采集了從早白堊世巴一段到早白堊世銀根組的巖芯樣品，包括19口井107塊巖樣，為了保證樣品具有代表性，取樣時盡量使得每一個層位都包括一定量不同巖性的樣品.樣品由中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所巖石熱物性實驗室測試.巖石熱導率測試為干巖樣，前人研究認為巖石熱導率除受巖石自身成分和結(jié)構(gòu)影響之外，還主要受是否飽水的影響［27－30］，因此在計算大地熱流之前，先要對巖石熱導率進行飽水校正.結(jié)合前人的研究成果［27－30］，采用以下思路對查干凹陷巖石熱導率進行校正.

對單一礦物成分的巖石而言，熱導率可表示為：

式中，φ為孔隙度，%，取樣品實測值或聲波測井計算得到的孔隙度值；Km為基質(zhì)或骨架的熱導率，W／（m·K）；Kw為孔隙水的熱導率，取0.6W／（m·K）；K為巖石的熱導率，W／（m·K）.

式中，φ和Km同上；Km0為常溫下實測巖樣熱導率值，W／（m·K）；K空氣為空氣的熱導率，取0.0257W／（m·K）.

利用以上校正公式，對干燥狀態(tài)的巖樣的熱導率進行飽水的原地校正（表1，圖5），其中泥巖、砂巖、巖漿巖、白云巖及變質(zhì)巖的巖石熱導率分別為2.18，2.44，1.85，3.23，2.78W／（m·K）.查干凹陷巖石熱導率隨深度增加而逐漸增加，并表現(xiàn)為校正值比實測值稍大些，平均增大7.7%（圖5）.查干凹陷中、新生界巖性主要包括砂巖、泥巖和巖漿巖，只在烏力吉斷鼻構(gòu)造帶上發(fā)現(xiàn)少量的白云巖.因此，本文不考慮白云巖的巖石熱導率的影響.根據(jù)地層砂巖、泥巖和巖漿巖的含量（表2），按式（5）利用加權(quán)平均求取不同地層的熱導率K.

圖3 查干凹陷試油溫度數(shù)據(jù)（a）和測井測溫數(shù)據(jù)（b—d）Fig.3 Formation－testing temperature data（a）and temperature data from log measurement（b—d）in the Qagan sag

式中，Ks、Kn、Km、Ps、Pn和Pm分別為砂巖、泥巖、巖漿巖的熱導率以及它們的百分含量.

表2是校正后的各地層的巖石熱導率結(jié)果，其中下白堊世巴一段和巴二段巖石熱導率較高，分別為2.44W／（m·K）和2.31W／（m·K）；由于蘇紅圖組含有一定的巖漿巖，巖漿巖的熱導率相對較低，使得蘇紅圖組熱導率相對較低；銀根組埋藏相對較淺，巖石較疏松，孔隙度較大，使得巖石熱導率偏低.同時，參考中國西北部盆地相似地層［31］對沒有巖芯樣品的新生界和晚白堊世烏蘭蘇海組進行了推測，分別為0.85W／（m·K）和1.46W／（m·K）.

5 結(jié) 果

5.1 地溫梯度

圖4 查干凹陷試油溫度數(shù)據(jù)Fig.4 Formation－testing temperature data vs.depth in the Qagan sag

這次共收集到9口井的溫度數(shù)據(jù)，其中B1井、CC1井和Y2井為測井測溫.M1井位于烏力吉斷鼻構(gòu)造帶，于1997年5月3日開鉆，同年6月29日完鉆，7月13日完井，先后共進行了7次井溫測試，由于井溫受鉆井時的鉆頭摩擦生熱及鉆井液的影響，一般在完井后一段時間后測試的溫度才能代表真實的地層溫度，從恢復的地溫梯度看，1997年進行了4次測溫，其地溫梯度為30.5℃／km；而1998年測試的3次井溫，恢復的地溫梯度為36.4℃／km，明顯比1997年測試的地溫梯度高.到1998年該井關(guān)井時間達到半年以上，地層的溫度基本恢復到鉆前的狀態(tài)，因此36.4℃／km基本能反映該井真實的地溫梯度（圖3a）.從M1井不同時間段溫度測試結(jié)果進一步證明鉆井液對地層溫度有明顯影響，因此對于在剛完鉆就進行的測井測溫的B1井和Y2井，不能簡單地利用溫度數(shù)據(jù)回歸獲取地溫梯度，而應該通過識別中性點來計算地溫梯度.B1井和Y2井的測溫曲線分別在1000m和450m左右出現(xiàn)拐點，即中性點（圖3b，3c），利用中性點對應的溫度和深度計算得到B1井、Y2井的地溫梯度分別為38.0℃／km和32.0℃／km.CC1井進行了2次測溫，第一次由于測井儀器出問題，造成在同一深度兩次測溫相差近30℃，而第二次測溫是在完井十天左右進行測量的，且測量深度靠近井底，地溫恢復相對較快，因此第二次測溫基本能代表實際地層溫度，計算得到該井的地溫梯度為32.4℃／km（圖3d）.其它井大多為靜溫數(shù)據(jù)（圖4），可以利用公式（2）進行計算，得到的地溫梯度近似代表該井的實際地溫梯度.計算結(jié)果顯示查干凹陷現(xiàn)今地溫梯度在30.5～38.0℃／km，平均地溫梯度為33.6℃／km（表3），具有中溫型地溫場特征.

5.2 大地熱流

圖5 查干凹陷巖石熱導率Fig.5 Thermal conductivity data vs.depth in the Qagan sag

表1 查干凹陷巖石熱導率Table 1 Thermal conductivity data in the Qagan sag

續(xù)表1

續(xù)表1

表2 查干凹陷地層熱導率柱Table 2 Thermal conductivity column in the Qagan sag

表3 查干凹陷大地熱流Table 3 Terrestrial heat flow data in the Qagan sag

根據(jù)以上原位校正的巖石熱導率和地溫梯度數(shù)據(jù)，利用熱阻法［32］計算得到了9口井的大地熱流（表3）.查干凹陷單井大地熱流在65.9～85.5 mW／m2之間，平均為74.5mW／m2.根據(jù)熱流參數(shù)中測溫資料、熱導率數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量等，將熱流數(shù)據(jù)區(qū)分為：A.高質(zhì)量類；B.質(zhì)量較高類；C.質(zhì)量較差或質(zhì)量不明類三類，將明顯存在淺層地下水下滲或局部因素的干擾或測點位于地表地熱異常區(qū)的熱流數(shù)據(jù)歸為D類.按照以上標準區(qū)分出2個A類數(shù)據(jù)，5個B類數(shù)據(jù)和2個C類數(shù)據(jù)（表3）.

6 大地熱流的構(gòu)造背景

大地熱流是盆地動力學成因和巖石圈構(gòu)造熱演化過程的客觀反映.不同成因不同時代的盆地，其現(xiàn)今的熱狀態(tài)存在明顯差異［33］.處于新生代構(gòu)造活動區(qū)（如美國盆地山脈省約83.0mW／m2［34］）、現(xiàn)代大陸邊緣擴張盆地（如南海盆地，78.3mW／m2［35］）和現(xiàn)代大陸裂谷（如貝加爾裂谷，99.0mW／m2［34］）均為高熱流值；而前寒武系地盾區(qū)（約41.8mW／m2［36－37］）和克拉通盆地（如準噶爾盆地［37］和柴達木盆地［38］）的熱流相對較低.查干凹陷大地熱流平均為74.5mW／m2，由于以上9口井都位于構(gòu)造高部位，如果考慮到凹陷低部位的大地熱流較高部位低，實際的平均大地熱流會稍低于74.5mW／m2，因此查干凹陷具有構(gòu)造活動區(qū)與構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)之間地熱狀態(tài).

查干凹陷所處的銀—額盆地為早白堊世阿爾金斷裂向北東方向延伸走滑拉分而形成［39］，并且走滑斷裂切入巖石圈的上地幔［40－41］，在盆地形成過程中伴隨巖漿大量噴溢和巖石圈的大幅度拉伸減薄，在盆地中巖漿巖普遍存在于早白堊世蘇紅圖組中［42］，例如在查干凹陷每口井都見蘇紅圖組火山巖，早白堊世蘇一段火山巖最厚達到544.1m，蘇二段最厚達到223.2m.此時巖石圈減薄，地幔物質(zhì)上涌，帶來大量地幔熱量，導致早白堊世具有高的地熱背景，并在早白堊世晚期熱流達到最大［43］，從晚白堊世開始，盆地進入坳陷期，大地熱流開始下降至現(xiàn)今的74.5mW／m2，仍具有較高的熱流狀態(tài).

由于古近紀以來，太平洋板塊向歐亞板塊俯沖［44－48］和印度板塊向北俯沖并與歐亞板塊碰撞［49－51］，目前印度板塊仍以50mm／a的速率向歐亞板塊運動［51］，銀—額盆地受到持續(xù)擠壓作用的影響，導致盆地西南邊界向北遷移，現(xiàn)在仍然不斷地進行［52］；盆地東南面受太平洋板塊北西西向的俯沖作用，同樣導致盆地東南邊界向北遷移［44－48］；而北面西伯利亞板塊對銀—額盆地向北運動起著阻擋作用［44，46－48］，在這復雜的構(gòu)造作用下，使得盆地現(xiàn)今仍處于較高地熱狀態(tài).總的來說，銀—額盆地現(xiàn)今所處的構(gòu)造應力環(huán)境，使得盆地發(fā)生一定規(guī)模的構(gòu)造運動，在尚丹坳陷和查干德勒蘇坳陷新生界發(fā)現(xiàn)一些斷層和褶皺，但是構(gòu)造運動強度又不如構(gòu)造運動強烈的現(xiàn)代大陸邊緣擴張盆地及新生代構(gòu)造活動區(qū)強烈.可見銀—額盆地現(xiàn)今處于構(gòu)造活動區(qū)與構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)之間的構(gòu)造環(huán)境，這與查干凹陷大地熱流揭示的構(gòu)造背景相一致.

7 結(jié) 論

通過首次對查干凹陷現(xiàn)今地溫場作詳細的研究，得出查干凹陷現(xiàn)今地溫梯度在30.5～38.0℃／km之間，平均地溫梯度為33.6℃／km，大地熱流在65.9～85.5mW／m2之間，平均為74.5mW／m2，大地熱流揭示查干凹陷處于構(gòu)造活動區(qū)與構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)之間的構(gòu)造背景.本文的研究成果將為查干凹陷乃至整個銀—額盆地油氣資源評價提供地熱參數(shù).

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