天津市古潛山奧陶系巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律研究

靳寶珍， 楊云霄， 邱京衛(wèi)， 田信民， 賈志

(天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250)

0 引言

天津平原區(qū)地熱資源豐富[1]，屬沉積盆地傳導型中、低溫地熱資源，其在分布區(qū)域和資源特征上有著很大優(yōu)勢[2]。隨著“京津冀經(jīng)濟圈”和“美麗天津”的建設發(fā)展及國家“十三五”地熱能規(guī)劃的實施，市政府加大了地熱的勘查開發(fā)利用力度。目前，地熱開采層位多集中在館陶組和霧迷山組，開采地區(qū)多集中在城區(qū)。但隨著地熱開發(fā)規(guī)模的加大和開采深度的加深，該層位出現(xiàn)了熱儲壓力下降過快和嚴重的開采漏斗等問題[3]，因此需要尋找新的資源層位。而回灌效果較好的奧陶系基巖熱儲得到了更多關注[4]。但目前對基巖深埋區(qū)奧陶系熱儲開發(fā)相對較少，研究程度較低，且在鉆探施工過程中遇到了許多新問題，比如鉆遇奧陶系時泥漿漏失量相差較大、漏失位置不盡相同、出水量相差懸殊等等，有的甚至出現(xiàn)埋鉆等事故，嚴重影響了市場開發(fā)進程。究其上述原因，主要是對奧陶系巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律掌握不夠[5]，缺乏開發(fā)的基礎依據(jù)，對施工風險和開發(fā)難度預判不足，進而影響了后期開發(fā)和資源評價質(zhì)量[6-7]。

目前，國內(nèi)外學者對奧陶系各組巖性[8]、垂向富水區(qū)分帶[9]及頂部風化殼[10-11]等科學問題進行過一定的研究，但由于工作側重點及掌握實測資料不同，尤其是對深埋區(qū)關于奧陶系巖溶裂隙的實測資料掌握較少，進而對奧陶系巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律性的研究不夠系統(tǒng)和深入，加之不同地區(qū)沉積環(huán)境存在差異，尚不能作為地熱開發(fā)的可操作性依據(jù)。因此，在奧陶系熱儲的開發(fā)中，研究掌握奧陶系巖溶發(fā)育規(guī)律是極其重要的。

本文以天津基巖深埋區(qū)鉆遇奧陶系時進行的裂隙發(fā)育厚度、位置和上覆地層巖性及原始出水量等相關實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計對比為基礎，綜合歷年科研成果，探索奧陶系熱儲巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律及其主控因素，為富水規(guī)律研究和地熱開發(fā)、規(guī)劃及管理提供依據(jù)。

1 地熱地質(zhì)概況

1.1 構造特征

在大地構造位置上，天津處于Ⅰ級構造單元華北陸塊北緣，縱跨了燕遼裂陷帶和華北盆地兩個Ⅱ級構造單元[5]。寶坻斷裂以北為基巖裸露區(qū)或淺埋區(qū)，以南即華北盆地，為新生界覆蓋區(qū)，是中新生代以來的斷陷、坳陷盆地，總體構造線多呈NNE向展布(圖1)。

圖1 天津市基巖地質(zhì)簡圖

奧陶系為華北地臺穩(wěn)定時期的沉積蓋層，經(jīng)歷過加里東、海西和燕山期等多期構造運動[12]。早古生代末期的加里東運動使本區(qū)整體上升，缺失晚奧陶世、志留紀、泥盆紀和早石炭世的沉積，共經(jīng)歷了1.3億年的沉積間斷。海西末期構造運動波及整個華北地臺，使古生界發(fā)生平緩褶皺。中、下奧陶統(tǒng)巨厚的碳酸鹽巖經(jīng)過長期的巖溶作用，逐漸準平原化[13]。

1.2 區(qū)域奧陶系分布概況

在天津地區(qū)揭露奧陶系的鉆孔主要分布于寶坻斷裂以南的滄縣隆起區(qū)，鉆孔揭露的奧陶系埋深多在1 000 m以上，呈層狀分布，區(qū)域地層巖性相對穩(wěn)定?？v向上巖性差別主要體現(xiàn)為巖石結構的變化，且?guī)r性復雜； 橫向上總體呈現(xiàn)巖相的變化； 頂部多遭受剝蝕[14]，不同構造部位有不同程度的地層缺失，使區(qū)內(nèi)奧陶系沉積發(fā)育不全。由于長期遭受風化剝蝕及復雜構造作用改造，一般在背斜核部奧陶系多缺失，翼部在基巖淺埋區(qū)形成碳酸鹽巖古潛山，中、下奧陶統(tǒng)之間為假整合接觸。本區(qū)奧陶系經(jīng)歷了多期巖溶疊加和構造作用改造[15]，因此，不同構造部位的巖溶裂隙發(fā)育具有明顯的差異[4]。

2 奧陶系巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律統(tǒng)計

巖溶裂隙是地熱流體儲存、運移的通道[16]，是決定奧陶系富水性的重要因素。本文對不同構造單元鉆遇奧陶系的地熱井資料中的一、二類裂縫發(fā)育段總厚度、泥漿漏失情況和漏失點進行統(tǒng)計，采用奧陶系巖溶裂隙發(fā)育段厚度作為巖溶裂隙發(fā)育程度的定量指標，分析了巖溶裂隙發(fā)育程度與巖層頂板埋深、上覆地層巖性以及原始出水量(成井后未經(jīng)酸化壓裂的單井出水量)的關系，以探尋奧陶系巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律。

2.1 鉆遇奧陶系的地熱井分布

天津市鉆遇奧陶系的地熱井共43眼[5]，其中目的層為奧陶系的有16眼(表1)，主要位于基巖埋深相對較淺的Ⅲ級構造單元(滄縣隆起)的潘莊凸起、雙窯凸起、小韓莊凸起、白塘口凹陷、大城凸起及王草莊凸起5個Ⅳ級構造單元內(nèi)(各單元位置見圖1)。

表1 各構造單元鉆遇奧陶系井數(shù)

2.2 奧陶系巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律分析

2.2.1 巖溶裂隙發(fā)育與頂板埋深的關系

(1)潘莊凸起區(qū)： 本構造單元中地熱井鉆遇的奧陶系頂板埋深相對較小(圖2)，均小于1 300 m,裂隙發(fā)育段厚度相差較大，巖溶裂隙發(fā)育極不均勻，說明奧陶系埋藏較淺地區(qū)裂隙發(fā)育與埋深的關系不大，但總體上裂隙較發(fā)育，裂隙發(fā)育段厚度多大于40 m。局部地區(qū)裂隙發(fā)育段厚度較小的原因主要是其原生巖溶仍比較發(fā)育。在漫長的地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，地下水的溶蝕和搬運作用導致裂隙被后期沉積物或風化剝蝕物質(zhì)充填，充填程度隨著深度的增加而減弱。如果上覆地層是砂巖類巖石，則充填物對儲層富水性影響不大； 如果上覆地層是泥頁巖，則充填物對地下水的流動起到了阻礙作用，使其富水程度大大降低。

圖2 奧陶系地熱井裂隙發(fā)育段厚度

(2)雙窯凸起區(qū)： 該區(qū)地熱井鉆遇的奧陶系頂板埋深相對較小，均小于1 600 m(圖2)[5]，裂隙發(fā)育段厚度較大，多在50～80 m之間，隨頂板埋深的增大，斷裂發(fā)育段略有增大。

(3)白塘口凹陷與小韓莊凸起區(qū)： 該區(qū)地熱井鉆遇的奧陶系頂板埋深小于2 720 m(圖2),裂隙發(fā)育段厚度變化較大，在16.5～94.4 m之間，主要集中在50～90 m之間,裂隙發(fā)育段厚度隨頂板埋深的增大而增大，當埋深超過2 300 m時，裂隙發(fā)育厚度隨頂板埋深增大而略有減小。

(4)大城凸起區(qū)： 該區(qū)地熱井鉆遇的奧陶系頂板埋深為1 755～2 400 m,裂隙發(fā)育段厚度68.6 m,由于只有一眼井統(tǒng)計了裂隙，因此無法得出奧陶系頂板埋深與裂隙發(fā)育段厚度的相關性。

總體上看，奧陶系頂板埋深總體為950～2 720 m，裂隙發(fā)育段厚度14～140 m，主要集中在40～90 m； 巖溶裂隙最發(fā)育的是埋深較淺的雙窯和潘莊凸起及小韓莊凸起，其次為白塘口凹陷，最差是大城凸起； 不同構造單元的奧陶系裂隙發(fā)育程度隨頂板埋深的增大而略有增大，可能是受到深部熱儲溫度較高、溶蝕作用較強的影響[6]； 但是超過2 300 m后裂隙的發(fā)育則隨頂板埋深的增大而減小，主要原因應該是超過一定埋深時，地應力達到20 MPa以上,巖石壓實作用較強，巖石更加致密，不利于巖溶的發(fā)育； 另外，埋深越大，地下水循環(huán)交替條件越差，蝕變、巖溶裂隙發(fā)育及其連通性也較差，因而儲層的富水性也較差。

2.2.2 巖溶裂隙發(fā)育與上覆地層巖性的關系

(1)Nm/O和Ng/O型(上覆地層分別為明化鎮(zhèn)組和館陶組)。從圖3可以看出： 上覆地層為Nm和Ng的奧陶系埋深最小，為1 062～1 316 m，且埋深變化不大，而對應的裂隙發(fā)育段的厚度卻相差較大，說明同樣埋深巖溶裂隙發(fā)育極不均勻，這與其新生界底部巖性相關，若是泥巖則裂隙被后期充填顯示裂隙不發(fā)育。

圖3 不同上覆地層的裂隙發(fā)育段厚度

(2)Mz/O型(上覆地層為中生界)。從圖3可以看出： 上覆地層為Mz的奧陶系埋深多大于1 500 m,裂隙發(fā)育段的厚度相對最大，一般為80～120 m； 埋深小于1 500 m的裂隙發(fā)育規(guī)律與上覆新生界的相近，即隨著埋深的加大裂隙發(fā)育厚度隨之增大，至2 300 m之后增幅略有減緩?？傮w上，與上覆其他地層的類型相比，其裂隙發(fā)育厚度相對較大。

(3)C/O型(上覆地層為石炭系)。從圖3可以看出： 上覆地層為C的奧陶系埋深多大于1 500 m,該類裂隙發(fā)育段厚度20～80 m，在達到埋深2 300 m之前，裂隙發(fā)育段隨奧陶系頂板埋深增大而增大，埋深達到2 400 m之后，裂隙發(fā)育段厚度的增幅略有減少。

總之，上覆為新近系(N)的奧陶系埋深最小，裂隙發(fā)育厚度相差較大； 上覆中生界(Mz)的奧陶系埋深相差較大，巖溶裂隙最為發(fā)育; 上覆石炭系(C)的奧陶系埋深大但巖溶裂隙最不發(fā)育。在頂板埋深基本相同的情況下，上覆地層為Mz的地熱井裂隙發(fā)育厚度遠大于上覆地層為C的裂隙發(fā)育厚度，且其厚度隨頂板埋深的增大而先增后減，轉折端為2 100～2 300 m，原因應是，與上覆地層為中生界和新生界的奧陶系相比，上覆地層為石炭系的奧陶系僅遭受1次剝蝕，而上覆為中生界和新生界的奧陶系則遭受了2次以上風化剝蝕。

2.2.3 巖溶裂隙發(fā)育與原始出水量的關系

(1)雙窯凸起區(qū)。該區(qū)奧陶系裂隙發(fā)育段厚度14.5～78.9 m, 原始出水量20～108.98 m3/h。從圖4趨勢線可以看出： 裂隙發(fā)育厚度增大，原始出水量也增大。其中有相鄰的地熱井裂隙發(fā)育段厚度雖然較大，但原始出水量相差較大。

圖4 奧陶系裂隙發(fā)育段厚度與原始出水量相關統(tǒng)計圖

(2)潘莊凸起區(qū)。該區(qū)奧陶系裂隙發(fā)育段厚度16.3～109.2 m,原始出水量50.1～106.48 m3/h。從圖4散點圖可以看出： 一般裂隙發(fā)育段厚度80 m以下的井原始出水量都在100 m3/h左右，可能是地層中裂隙較發(fā)育且連通性較好導致的。僅有少量井裂隙發(fā)育段厚度雖然大，原始出水量卻相對較小(約50 m3/h)。

(3)小韓莊凸起與白塘口凹陷區(qū)。該區(qū)奧陶系裂隙發(fā)育段厚度16.5～94.4 m, 原始出水量10.38～137.29 m3/h,從散點圖可以看出，裂隙發(fā)育段厚度與原始出水量呈正相關關系； 僅在小韓莊凸起區(qū)有些裂隙發(fā)育段厚度雖然較大，但是原始出水量卻中等。

(4)大城凸起區(qū)。該區(qū)奧陶系裂隙發(fā)育段厚度68.8m, 原始出水量2 m3/h,因為只有一眼井有資料，該井位于單斜平緩部位，埋藏較深且遠離深大斷裂帶，奧陶系巖性為灰?guī)r但泥質(zhì)含量較高，不利于巖溶裂隙發(fā)育，富水性較差，導致了地熱井原始出水量較小。

總之，熱儲的原始出水量隨熱儲裂隙發(fā)育段厚度的增大而增大，但是由于構造[7]、巖性、補給來源等因素的影響，使這兩者之間的線性關系出現(xiàn)異常； 出水量較小的出現(xiàn)在埋深較大且裂隙發(fā)育較差的大城凸起和白塘口凹陷。

對比出水量，埋深較淺的奧陶系出水量與裂隙發(fā)育段厚度關系不大，埋深較深的奧陶系原始出水量與裂隙發(fā)育段厚度呈正相關關系； 總體上裂隙比較發(fā)育的雙窯凸起、小韓莊凸起和潘莊凸起原始出水量最高，富水性最好，白塘口凹陷次之，大城凸起最少，出水量小于80 m3/h的多位于后2個構造單元里，其他單元里只有少數(shù)井出水量小于80 m3/h。

2.3 影響因素分析

巖溶裂隙受多種因素控制，此處主要對巖性及斷裂2種影響因素進行初步分析。

2.3.1 巖性影響

在空間上，不同構造位置、不同的沉積環(huán)境形成的巖性和巖層結構特征不一，往往會導致奧陶系巖溶裂隙發(fā)育不盡相同。橫向上在大城凸起南部揭露奧陶系灰?guī)r泥質(zhì)含量較高，泥漿漏失較少，巖溶裂隙極不發(fā)育； 而在東部及北部雙窯和潘莊凸起區(qū)灰?guī)r較純，巖溶裂隙比較發(fā)育； 在垂向上，巖溶裂隙發(fā)育位置也存在差異[8]，一般奧陶系馬家溝組灰?guī)r較純，而下奧陶統(tǒng)泥質(zhì)含量相對較高，一類裂縫大部分分布于奧陶系馬家溝組，少部分埋藏較淺的亮甲山組和冶里組也有發(fā)育，因其遭受了相對更長時間的風化剝蝕，其巖溶裂隙相對較為發(fā)育?？傮w上純灰?guī)r和白云巖裂隙發(fā)育程度好于泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)白云巖。

2.3.2 斷裂影響

在張性斷裂或斷裂交匯復合部位，裂隙極為發(fā)育[17-18]，基本不受埋深因素制約。經(jīng)統(tǒng)計，地熱井鉆至斷裂帶時泥漿漏失量較大，原始出水量也大； 而附近未鉆遇斷裂的地熱井漏失較小，出水量也較小。這說明在斷裂附近裂隙明顯發(fā)育，斷裂對裂隙的影響范圍隨著斷裂性質(zhì)及規(guī)模有所不同(由于背斜核部附近奧陶系缺失，因此未對此進行統(tǒng)計)。

3 結論

(1)奧陶系巖溶裂隙發(fā)育部位主要受斷裂構造控制，無論深部還是淺部，巖溶裂隙在張性斷裂構造帶或斷裂交匯部位都最發(fā)育。

(2)奧陶系頂板埋深較淺、相對暴露地表時間較長(上覆地層為非泥頁巖)的雙窯、潘莊及小韓莊凸起區(qū)，巖溶裂隙比較發(fā)育。裂隙發(fā)育段厚度隨著埋深的加大而增大，但是埋深超過2 300 m后，埋深越大裂隙越少。

(3)奧陶系巖溶裂隙受巖性影響較大，灰?guī)r較純的馬家溝組巖溶裂隙最為發(fā)育，亮甲山組和冶里組次之。

(4)在天津古潛山奧陶系巖溶裂隙發(fā)育較好的地區(qū)主要是在埋藏較淺且上覆地層為Nm、Ng、Mz的雙窯凸起、潘莊凸起和小韓莊凸起區(qū)； 巖溶裂隙不發(fā)育的地段在埋藏較深且上覆地層為C的大城凸起和白塘口凹陷。

(5)原始出水量受裂隙發(fā)育影響較大，在奧陶系埋深較淺的雙窯和潘莊及小韓莊凸起巖溶裂隙最發(fā)育，原始出水量最大； 白塘口凹陷次之； 埋深較大的大城凸起裂隙發(fā)育最差，原始出水量最少。出水量小于80 m3/h的地熱井多位于巖溶裂隙發(fā)育較差的后兩個構造單元里，其他單元里只有少數(shù)井原始出水量小于80 m3/h。

(6)該研究成果在不同構造部位、不同埋深、不同上覆地層的奧陶系地熱井施工中已得到了實際應用，減少了開發(fā)風險，為今后指導同類地區(qū)地熱開發(fā)及相關研究提供了依據(jù)。

深埋區(qū)實測資料不完善且數(shù)量有限，以及巖石成分測試缺乏等原因，影響了本次研究的精度。今后在條件具備的情況下還需加強熱儲沉積建造、巖石成分和水動力條件影響及構造因素對巖溶裂隙影響的研究，使該熱儲的研究更加精細化，提高巖溶裂隙發(fā)育預測的精準度，使基礎地質(zhì)研究更好地服務于當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。