基于沉積相特征的深部水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

王建軍，陳 兵，劉延鋒，歐 健

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，武漢 430074；2. 湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇二隊，長沙 410014)

0 引 言

近年來，隨著CO2地質(zhì)儲存、廢液的深部埋存、地?zé)豳Y源以及深層鹵水資源開發(fā)等研究進(jìn)展，深部水文地質(zhì)學(xué)的研究逐漸受到重視[1,2]，特別是深部含水層的刻畫及水文地質(zhì)要素對CO2儲存的影響[3-5]。深部水文地質(zhì)條件研究是CO2地質(zhì)儲存工程的重要組成部分，涉及儲量評價、運(yùn)移、儲存安全性等過程[6]，而含水介質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)及其空間顯示是深部水文地質(zhì)條件研究重要內(nèi)容之一，它很好地顯示了關(guān)鍵含水層或弱透水層的分布，可為專題水文地質(zhì)工作提供科學(xué)基礎(chǔ)。用于三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的工具軟件很多，如GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)、MineSight、GMS(Groundwater Modeling System)、Petrel等[7-12]，其中GMS軟件因具有良好的圖形界面、直接顯示水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維空間展布形態(tài)和空間組合特征，并能進(jìn)行地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)值模擬，在水文地質(zhì)領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用[10,13-15]。由于地下深部條件復(fù)雜，水文地質(zhì)研究程度比較低，資料難以獲取，在研究中可借助地質(zhì)和油氣地質(zhì)的成果進(jìn)行深部水文地質(zhì)條件研究。沉積相是油氣地質(zhì)分析中常用資料，它反映了沉積環(huán)境及在該環(huán)境中形成的沉積物或沉積巖的綜合，控制著儲層的空間展布，反映了地層的水力性質(zhì)，是區(qū)分含水巖組的一個重要依據(jù)[16]。因此，將地質(zhì)資料、鉆孔數(shù)據(jù)與沉積相特征結(jié)合起來進(jìn)行含水介質(zhì)分析，構(gòu)建水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，顯示含水介質(zhì)的空間展布形態(tài)，可為CO2深部咸水層儲存容量評價、場地選擇以及工程安全性評價等提供基礎(chǔ)。

鄂爾多斯盆地是我國第二大沉積盆地，蘊(yùn)含著豐富的油氣資源，多項(xiàng)大型煤化工項(xiàng)目的開展為CO2地質(zhì)儲存提供了直接碳源。其地質(zhì)條件穩(wěn)定，沉積厚度大，沉積蓋層發(fā)育完整，為CO2地質(zhì)儲存工程提供了有利的儲存環(huán)境，并已開展了深部咸水層CO2注入示范工程[17-21]。本文以鄂爾多斯盆地為研究對象，利用GMS軟件及其中的MODFLOW模塊，結(jié)合沉積相特征分析含水層空間分布特征，構(gòu)建盆地深部三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，重點(diǎn)刻畫適宜CO2儲存的800～3 500 m深度內(nèi)含水介質(zhì)的空間展布[22-24]。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地位于我國西北地區(qū)東部，東經(jīng)106°20′～110°30′，北緯35°～40°30′，面積25萬km2，跨陜、甘、寧、晉、內(nèi)蒙五省，屬黃河中游(圖1)。盆地位于華北地臺西部，中寒武世徐莊期開始在前寒武紀(jì)結(jié)晶基地上發(fā)育沉積盆地，是一個穩(wěn)定沉降、坳陷遷移、扭動明顯的多旋回沉積型克拉通類含能源盆地。盆地構(gòu)造活動以整體升降運(yùn)動為主，形成坡度寬、低幅度隆起、低角度平緩單斜地層，總體上呈東部翹起向西部傾斜的區(qū)域性斜坡面貌[18,25,26]。根據(jù)現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)，結(jié)合盆地演化歷史，鄂爾多斯盆地劃分為伊盟隆起、渭北隆起、西緣逆沖帶、晉西撓褶帶、天環(huán)坳陷和陜北斜坡等六個構(gòu)造單元(圖1)。盆地主要發(fā)育周緣斷裂和基底斷裂，除西緣逆沖帶斷裂構(gòu)造比較發(fā)育外，其他構(gòu)造單元均相對比較穩(wěn)定，CO2地質(zhì)儲存安全性高[27]。

圖1 鄂爾多斯盆地地質(zhì)圖Fig.1 Geologic map of Ordos Basin

盆地基底由太古界及下元古界變質(zhì)巖組成，在大地構(gòu)造制約下，經(jīng)歷了海相-海陸過渡相-陸相的發(fā)展過程。研究區(qū)沉積厚度巨大，沉積蓋層發(fā)育比較完整，主要有中上元古界、下古生界海相碳酸鹽巖、上古生界-中生界的濱海相、海陸過渡相和陸相碎屑巖，為CO2地質(zhì)儲存提供了比較有利的儲存環(huán)境(圖2和圖3)。

圖2 鄂爾多斯盆地地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of Ordos Basin

1.2 沉積相特征

沉積環(huán)境是一個以沉積作用為主的自然地理單元，通常分為大陸環(huán)境、過渡環(huán)境和海洋環(huán)境三大類。沉積相是沉積環(huán)境及在該環(huán)境中形成沉積物或沉積巖的綜合，分析不同沉積環(huán)境下沉積物特征及分布規(guī)律對預(yù)測油氣遠(yuǎn)景和勘探起著重要作用，在石油地質(zhì)領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用[16,29,30]。沉積環(huán)境和沉積相控制著儲層的空間展布，并反映地層的水力性質(zhì)，可作為劃分含水層和弱透水層的一個重要依據(jù)。

鄂爾多斯盆地主要沉積地層為古生界、中生界和新生界沉積巖系，盆地的構(gòu)造演化導(dǎo)致不同地層沉積模式存在差異。下古生界主要以海相碳酸鹽巖沉積為主；上古生界主要為海陸交互相沉積；中生界主要以河流相、河湖相和湖泊沼澤相沉積為主。晚石炭世太原期，盆地自北往南發(fā)育沖積平原相、三角洲相、潮坪-瀉湖-障壁島和淺海陸棚，呈現(xiàn)海陸過渡沉積體系(圖4)。早二疊世下石盒子期，研究區(qū)進(jìn)入陸相湖盆演化階段，從北往南依次出現(xiàn)沖積平原、三角洲平原、三角洲前緣和淺湖四個沉積環(huán)境(圖5)。晚三疊世延長期，盆地為一大型淡水內(nèi)陸湖泊，經(jīng)歷了湖盆擴(kuò)張-收縮的漫長過程，沉積相分布略呈環(huán)帶狀(圖6)。早侏羅世，湖盆發(fā)育比較完整，西緣發(fā)育河流沼澤相，盆地內(nèi)發(fā)育湖沼相與濱淺湖相，湖盆中心發(fā)育小范圍淺湖相(圖7)。

圖3 地層結(jié)構(gòu)剖面圖(據(jù)李國玉等[28]修改)Fig. 3 Geological profile of the stratigraphic structure

圖4 晚石炭世太原期沉積相圖(據(jù)何自新等[31]修改)Fig.4 Sedimentary facies map of the Late Carboniferous Taiyuan Period

圖5 早二疊世下石盒子期沉積相圖(據(jù)何自新等[31]修改)Fig.5 Sedimentary facies map of the Early Permian Xiashihezi Period

圖6 晚三疊世延長期沉積相圖(據(jù)石油地質(zhì)志[17]修改)Fig.6 Sedimentary facies map of the Late Triassic Yanchang Period

圖7 早侏羅世沉積相圖(據(jù)石油地質(zhì)志[17]修改)Fig.7 Sedimentary facies map of the Early Jurassic

影響CO2深部咸水層地質(zhì)儲存的關(guān)鍵物性參數(shù)有孔隙度和滲透率[32]，依據(jù)沉積相分區(qū)對鉆井實(shí)測孔隙度和滲透率進(jìn)行統(tǒng)計(表1)。由表1可以看出，除少數(shù)鉆井外，隨著深度增加，孔隙度和滲透率逐步降低趨勢明顯。在同期地層中，河流相的孔隙度和滲透率大，三角洲相次之，沖積扇相最小。這與針對沉積模式與生儲油巖沉積類型得出河流相儲集油氣最多，三角洲相次之，扇三角洲相和沖積扇相最低以及淺水區(qū)利于儲集巖發(fā)育，能量較低相對深度較大的海域或湖區(qū)利于生油巖形成的結(jié)論相符[16]。由于研究區(qū)為整個鄂爾多斯盆地，面積大，而部分沉積相的分布面積小，因此根據(jù)孔隙度、滲透率和沉積相發(fā)育規(guī)模等對沉積相進(jìn)行合并，將研究區(qū)沉積相類型綜合為河流相、三角洲相、沖積扇相、湖泊相、沼澤相、障壁海岸、陸棚沉積和陸地等八類，作為沉積相空間特征分析基礎(chǔ)(表2)。

2 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

(1)本次研究共收集到200余個鉆孔地層數(shù)據(jù)資料，包括各地層的厚度和底界高程；由于鉆孔不能控制整個盆地，在鉆孔間隔較大的地區(qū)、鉆孔分布密度小的邊界附近以及深大斷裂兩側(cè)，依據(jù)地層產(chǎn)狀、出露和地層厚度，補(bǔ)充部分鉆孔數(shù)據(jù)以控制地層的分布(圖1)。

(2)研究深度范圍內(nèi)盆地沉積地層自下而上依次為本溪組(C2b)、太原組(C3t)、山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)、上石盒子組(P2sh)、石千峰組(P2s)、三疊系(T)、早侏羅世(J1)、中侏羅世(J2)、早白堊世(K1)、古近系-新近系(E-N)和第四系(Q)。利用MAPGIS數(shù)字化沉積相分布圖[17,31]，利用GIS中的點(diǎn)區(qū)相交分析，為各鉆孔附加沉積相屬性。

2.2 結(jié)構(gòu)模型可視化

利用GMS軟件構(gòu)建三維模型的方法有3種：①利用Borehole模塊構(gòu)建；②由TINs直接生成模型；③利用MODFLOW模塊構(gòu)建。MODFLOW模塊中的Model Checker工具能夠處理地層尖滅和缺失問，避免層交叉現(xiàn)象；通過對模型賦屬性可以實(shí)現(xiàn)屬性的空間展布形態(tài)，本次選用GMS中的MODFLOW模塊構(gòu)建模型。

表1 鄂爾多斯盆地主要儲層不同沉積相孔隙度和滲透率統(tǒng)計Tab.1 Porosity and permeability statistics of different sedimentaryfacies in major reservoirs of Ordos Basin

表2 研究區(qū)沉積相對應(yīng)標(biāo)識碼Tab. 2 Corresponding identification code ofsedimentary facies in study area

建模過程為：①導(dǎo)入研究區(qū)邊界文件(GMS能夠識別的圖形文件，如shp格式)，形成模型區(qū)域邊界；②確定模型剖分網(wǎng)格大小及垂向分層數(shù)目；③將各層頂?shù)装甯叱滩捎每死锝鸩逯捣ㄙx到對應(yīng)MODFLOW模型中；④利用MODFLOW模塊對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行檢查，處理層頂、底面交錯問題，實(shí)現(xiàn)地層尖滅與缺失，建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型；⑤導(dǎo)入沉積相分區(qū)圖，將沉積相標(biāo)識碼作為MODFLOW模型中的某一參數(shù)屬性(本次采用水平滲透系數(shù)，Horizon K)賦入模型；⑥對顯示方式進(jìn)行設(shè)置，選擇Horizon K值作為指標(biāo)來顯示不同沉積相的空間展布(圖8和圖9)。

圖8 研究區(qū)三維沉積相空間分布圖Fig.8 Three-dimensional spatial distribution maps of sedimentary facies in study area

圖9 研究區(qū)沉積相剖面圖Fig.9 Profile of the sedimentary facies in study area

圖8和圖9 清晰地顯示了不同沉積相空間展布形態(tài)。從圖8可以看出河流相沉積主要分布在研究區(qū)西緣，晚三疊世延長期盆地西緣河流相沉積發(fā)育，表明延長組地層出露；研究區(qū)北部、東南地區(qū)地層亦出露。沉積相模型反映了地層尖滅與缺失現(xiàn)象，這與鄂爾多斯盆地地質(zhì)特征相符[17,28]。從圖9可以看出沉積相空間分布與組合關(guān)系，研究區(qū)沉積相空間分布具有不均勻性，空間變異性強(qiáng)。河流相沉積主要分布在盆地北部，且兩側(cè)沉積厚度較大，中間較??；南部地區(qū)分布較少。三角洲相沉積主要分布在盆地北部與西南部分地區(qū)，北部分布面積廣，沉積厚度較西南部大；陜北斜坡構(gòu)造單元底部沉積發(fā)育。研究區(qū)湖泊沉積相廣泛發(fā)育，上古生界發(fā)育的湖泊相泥巖形成區(qū)域性封蓋層，中生界湖泊相泥巖分布不連續(xù)，形成局部蓋層；障壁海岸和淺海陸棚沉積主要發(fā)生在上古生界本溪期和太原期，研究區(qū)底部和西緣地層出露處分布。

沉積相空間展布形態(tài)反映了含水介質(zhì)的空間特征，河流相沉積發(fā)育的水下分流河道砂體以及三角洲平原分流河道砂體、三角洲前緣水下河道砂體等儲層，儲存物性條件好，適宜于CO2地質(zhì)儲存，是有利的儲存區(qū)域。研究區(qū)上古生界湖泊相泥巖形成區(qū)域性蓋層，為CO2地質(zhì)儲存提供了有利的封存條件。根據(jù)上古生界儲存物性參數(shù)，上古生界砂體儲層屬于低滲、特低滲透致密型儲層，CO2注入難度大，儲層容量有限，較不適宜CO2地質(zhì)儲存[31,33,34]。沉積相模型顯示了研究區(qū)適宜CO2儲存的關(guān)鍵儲蓋層空間展布，為CO2深部咸水層儲存工程選址以及儲存容量評價提供了基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

將地質(zhì)資料、鉆井?dāng)?shù)據(jù)和沉積相特征相結(jié)合，以沉積相為基礎(chǔ)，構(gòu)建三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，克服了傳統(tǒng)含水層劃分需要大量水文地質(zhì)參數(shù)的缺陷，可用于缺少深部水文地質(zhì)參數(shù)的地區(qū)深部水文地質(zhì)條件分析。

利用GMS軟件及其中的MODFLOW模塊構(gòu)建三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)地層尖滅和缺失，避免層交叉現(xiàn)象，準(zhǔn)確反映含水介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)，很好地顯示了研究區(qū)關(guān)鍵儲蓋層空間展布形態(tài)，為鄂爾多斯盆地CO2深部咸水層儲存工程選址以及CO2儲存容量評價提供了基礎(chǔ)。

深部水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)受斷裂的影響很大，而且斷裂直接影響CO2地質(zhì)儲存、廢液深部埋存的安全性，是水文地質(zhì)分析的重要內(nèi)容。由于本次研究的尺度大，且受GMS軟件限制，本次研究中沒有對斷層進(jìn)行精細(xì)刻畫。要將斷裂完美的嵌入模型，可以采用GOCAD、Petrel等專門的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模軟件。

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[1] Tsang C, Birkholzer J, Rutqvist J. A comparative review of hydrologic issues involved in geologic storage of CO2and injection disposal of liquid waste[J]. Environmental Geology, 2008,54(8):1 723-1 737.

[2] Tsang C, Niemi A. Deep hydrogeology: a discussion of issues and research needs[J]. Hydrogeology Journal, 2013,21(8):1 687-1 690.

[3] Bachu S. Sequestration of CO2in geological media: criteria and approach for site selection in response to climate change[J]. Energy Conversion and Management, 2000,41(9):953-970.

[4] Bachu S, Adams J J. Sequestration of CO2in geological media in response to climate change: capacity of deep saline aquifers to sequester CO2in solution[J]. Energy conversion and Management, 2003,44(20):3 151-3 175.

[5] Brikholzer J T, Zhou Q L. Basin-scale hydrogeologic impacts of CO2storage: capacity and regulatory implications[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2009,3(6):745-756.

[6] 孫樞. CO2地下封存的地質(zhì)學(xué)問題及其對減緩氣候變化的意義[J]. 中國基礎(chǔ)科學(xué), 2006,(3):17-22.

[7] Perrouty S, Lindsay M D, Jessell M W, et al. 3D modeling of the Ashanti Belt, southwest Ghana: Evidence for a litho-stratigraphic control on gold occurrences within the Birimian Sefwi Group[J]. Ore Geology Reviews, 2014,63:252-264.

[8] 李青元, 張麗云, 魏占營, 等. 三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展現(xiàn)狀與問題探討[J]. 地質(zhì)學(xué)刊, 2013,37(4):554-561.

[9] 張 偉, 高 倩, 梁雷江. 基于Petrel技術(shù)的油藏三維可視化建模研究[J]. 西北地質(zhì), 2013,46(3):191-196.

[10] 陳正華, 周 斌, 鄧 智. 基于GMS的武山礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化[J]. 安全與環(huán)境工程, 2012,19(4):125-128.

[11] Wojda P, Brouyère S. An object-oriented hydrogeological data model for groundwater projects[J]. Environmental Modeling and Software, 2013,43:109-123.

[12] Cox M E, James A, Hawke A, et al. Groundwater Visualisation System(GVS): A software framework for integrated display and interrogation of conceptual hydrogeological models, data and time-series animation[J]. Journal of Hydrology, 2013,491:56-72.

[13] 李 琴, 葉水根, 高 盼. 基于GMS的北京市房山平原區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2012,(5):1-5.

[14] 杜守營, 鹿 帥, 杜尚海. 基于GMS的地下水流數(shù)值模擬及參數(shù)敏感性分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2013,(8):77-80.

[15] 賈瑞亮, 周金龍, 劉延鋒, 等. 應(yīng)用GMS軟件構(gòu)建三維含水層結(jié)構(gòu)模型[J]. 節(jié)水灌溉, 2014,(1):57-59.

[16] 瞿光明, 高維亮. 中國石油地質(zhì)學(xué)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2005.

[17] 長慶油田石油地質(zhì)志編寫組. 中國石油地質(zhì)志(卷十二)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1993.

[18] 楊俊杰. 鄂爾多斯盆地構(gòu)造演化與油氣分布規(guī)律[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2002.

[19] 任相坤, 崔永君, 步學(xué)朋, 等. 鄂爾多斯盆地CO2地質(zhì)封存潛力分析[J]. 中國能源, 2010,2(1):29-32.

[20] 張曉普, 于開寧, 李 文, 等. 鄂爾多斯地區(qū)深部咸水層二氧化碳地質(zhì)儲存適宜性評價[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 2012,23(1):73-77.

[21] 吳秀章. 中國二氧化碳捕集與地質(zhì)封存首次規(guī)模化探索[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2013.

[22] Bachu S. Screening and ranking of sedimentary basins for sequestration of CO2in geological media in response to climate change [J]. Environmental Geology, 2003,44(3):277-289.

[23] Metz B, Davidson O, de Coninck H, et al. Carbon Dioxide Capture and Storage[M]. UK: Cambridge University Press, 2005.

[24] 刁玉杰, 張森琦, 郭建強(qiáng), 等. 深部咸水層二氧化碳地質(zhì)儲存場地選址儲蓋層評價[J]. 巖土力學(xué), 2012,33(8)：2 422-2 428.

[25] 田在藝, 張慶春. 中國含油氣沉積盆地論[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1996.

[26] 任紀(jì)舜, 王作勛, 陳炳蔚, 等. 從全球看中國大地構(gòu)造: 中國鄰區(qū)大地構(gòu)造圖簡要說明[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2000.

[27] 張森琦, 郭建強(qiáng), 刁玉杰, 等. 規(guī)?；畈肯趟畬覥O2地質(zhì)儲存選址方法研究[J]. 中國地質(zhì), 2011,38(6):1 640-1 651.

[28] 李國玉, 呂鳴崗. 中國含油氣盆地圖集[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2002.

[29] 李運(yùn)振, 鄧運(yùn)華, 徐 強(qiáng), 等. 中國近海新生代盆地沉積環(huán)境演變分析[J]. 沉積學(xué)報, 2010,28(6):1 066-1 075.

[30] 田在藝, 張慶春. 中國含油氣盆地巖相古地理與油氣[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1997.

[31] 何自新, 南珺祥. 鄂爾多斯盆地上古生界儲層圖冊[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2004.

[32] Bradshaw J, Bachu S, Bonijoly D, et al. CO2storage capacity estimation: Issues and development of standard[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2007,1(1):62-68.

[33] 楊福禮, 黃 興, 楊昌貴. 鄂爾多斯盆地天然氣地質(zhì)[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1994.

[34] 曹 青, 趙靖舟, 付金華, 等. 鄂爾多斯盆地上古生界準(zhǔn)連續(xù)型氣藏氣源條件[J]. 石油與天然氣地質(zhì), 2013,34(5):584-591.