蘇北盆地東臺坳陷碳酸鹽巖熱儲層特征研究與評價

魯 輝

(1.江蘇長江地質(zhì)勘查院，南京 210046； 2.中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

干熱巖是指一般溫度大于150℃，埋深數(shù)千米，內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體[1]，是一種清潔可再生特殊地?zé)豳Y源。我國對這種資源的勘查與開發(fā)尚在起步階段[2]。本文主要根據(jù)江蘇某干熱巖井現(xiàn)場取心、沖冼液消耗量、錄井氣顯、測井曲線和井溫特征等對蘇北盆地?zé)醿拥刭|(zhì)特點如蓋層、熱儲層、地溫梯度、熱儲孔隙度、滲物性的分析研究，得出蘇北盆地東臺坳陷寒武-奧陶系溫度高，儲層裂隙為低孔、低滲透率類型，屬于較好的干熱巖儲層。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)干熱巖井位于蘇北盆地東臺坳陷中段柘垛低凸起北東部(圖1)。蘇北盆地是下?lián)P子區(qū)前中生代基底之上經(jīng)歷了印支、燕山和喜馬拉雅構(gòu)造運動而發(fā)展起來的中、新生代坳陷。朱光等認為，印支-早燕山期華北與華南板塊的拼合，郯廬斷裂以轉(zhuǎn)換斷層的形式開始活動，控制區(qū)域應(yīng)力場以左旋擠壓為主[3]。作為重要的轉(zhuǎn)折階段，強烈的前陸變形使得逆沖和褶皺系統(tǒng)奠定了海相殘留盆地的構(gòu)造基礎(chǔ)，伴隨著廣泛的剝蝕夷平，主體形成北東向帶狀山地地貌。大致以長江為界，下?lián)P子區(qū)形成南北對沖的構(gòu)造格局。晚燕山-喜馬拉雅期太平洋-庫拉板塊向NW俯沖消減于歐亞板塊之下，在發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)情況下，使郯廬斷裂兩側(cè)表現(xiàn)為右行拉張走滑，即區(qū)域應(yīng)力場轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚瓘垶橹?。古生代地層先?jīng)歷了逆沖推覆運動，后又發(fā)生拉張，部分早期逆斷層的反轉(zhuǎn)[4]，構(gòu)造較為復(fù)雜。干熱巖井地處興化市北，存在中古生界大型推覆體，推覆體地層為下古生界，疊置于正常的下古生界之上。距研究區(qū)干熱巖井北偏西方向約4km的興參1井鉆遇的寒武-奧陶系表明存在逆沖推覆構(gòu)造。

2 某干熱巖井寒武-奧陶系碳酸鹽巖地質(zhì)特征

某干熱巖井寒武-奧陶系巖石類型以碳酸鹽巖為主，巖性主要為石灰?guī)r、含云質(zhì)灰?guī)r，微晶白云巖、含灰微晶白云巖、泥晶白云巖、粉晶白云巖。主要巖石分類及巖性特征如表1所示。

圖1 蘇北盆地區(qū)域構(gòu)造略圖Figure 1 Regional tectonics sketch of North Jiangsu Basin

表1 寒武-奧陶系地質(zhì)特征

3 熱儲層綜合研究與評價

3.1 蓋層條件分析

區(qū)內(nèi)干熱巖井揭露三套蓋層，分別為東臺組-鹽城組、三垛組-泰州組和浦口組蓋層。東臺組-鹽城組蓋層厚度為1 000.8m，三垛組-泰州組蓋層厚度為1 451.3m，浦口組蓋層厚度為1 367.0m，上部蓋層累計厚度大于3 819.1m，蓋層厚度較大，蓋層條件較好[5]，具有較好的隔熱性和隔水性。

3.2 熱儲層條件

區(qū)內(nèi)干熱巖熱儲層為寒武-奧陶系碳酸鹽巖，興參1井揭露該套儲層585.7m，反映本區(qū)熱儲層厚度較大。干熱巖儲層882.58m，該套碳酸鹽巖熱導(dǎo)率為3.62～4.57Wm-1K-1，具有非常好的儲熱條件。前人對蘇北地區(qū)的碳酸鹽巖地層研究認為古生代碳酸鹽巖地層為較好的干熱巖資源儲層[6]。

3.3 熱儲層厚度、中部溫度特征研究與評價

利用測井數(shù)據(jù)和地溫梯度計算，獲取熱儲中部溫度，評價中部溫度類型[7](表2)。

表2 熱儲中部溫度類型劃分依據(jù)表

ΔT=100(T-t0)/(H-h0)

(1)

中部地溫梯度Tz可用下式：

ΔT=100(TZ-t0)/(Hz-h0)

(2)

推導(dǎo)出

Tz=t0+[(Hz-h0)/100]×ΔT

(3)

式中：ΔT為地溫梯度，℃/100m；t0為恒溫帶溫度，℃，取15℃；H為井底深度，m,本井為4 701.68m；Hz為為熱儲中部深度，m。

Hz=(H1+H2)/2

(4)

式中：H0為恒溫帶深度，m，本區(qū)取80m；TZ為熱儲中部溫度，℃；H1為熱儲頂板埋深，m；H2為熱儲底板埋深，m。

某干熱巖井熱儲頂板為白堊系浦口組二段(K2p2)3 819.1m，底板為寒武系炮臺山組(2p)4 701.68m，熱儲層厚度882.58m，厚度大于100m，屬于厚層熱儲。通過測井獲得井底4 701.68m溫度為155.5℃，通過計算，全井段平均地溫梯度為3.04℃/100m,熱儲中部為4 260.39m。采用熱儲層段井溫數(shù)據(jù)計算得到：奧陶系地溫梯度平均2.67℃/100m，其中，紅花園組地溫梯度平均2.59℃/100m，侖山組地溫梯度平均2.74℃/100m。寒武系地溫梯度平均2.31℃/100m，其中，觀音山組地溫梯度平均2.13℃/100m，炮臺山組地溫梯度平均2.79℃/100m(表3)。

表3 某井熱儲層地溫計算

可以看出，以灰?guī)r為主奧陶系地溫梯度明顯高于以白云巖為主寒武系，而炮臺山組由于泥質(zhì)含量增加，地溫梯度有所增加。熱儲中部4 260.39m溫度為142.1℃，根據(jù)劃分依據(jù)，某干熱巖井熱儲中部溫度類型屬于厚層中溫?zé)醿印?/p>

3.4 熱儲孔隙度特征研究與評價

1)利用測井資料對裂隙發(fā)育程度評價。

利用測井資料對裂縫進行評價，依據(jù)石油測井行業(yè)規(guī)范的要求，根據(jù)裂縫及溶洞的發(fā)育程度，將碳酸鹽巖儲層物性的評價級別分為Ⅰ類層(發(fā)育)、Ⅱ類層(較發(fā)育)、Ⅲ類層(欠發(fā)育)[7]。

Ⅰ類裂縫層：有效孔隙度(Φ)≥10%，裂縫、溶洞發(fā)育，滲透性好。

Ⅱ類裂縫層：有效孔隙度：5%≤Φ<10%，裂縫、溶洞較發(fā)育，滲透性較好。

Ⅲ類裂縫層：有效孔隙度：2%≤Φ<5%，裂縫、溶洞欠發(fā)育，滲透性一般。

井深4 015.2～4 067.2m，為灰?guī)r，測井曲線響應(yīng)特征：低密度、高中子、高聲波時差和高背景下高電阻率特征，三孔隙度曲線呈齒狀變化，測井曲線綜合反映為裂縫層，計算孔隙度3.8%～4.9%，綜合解釋為Ⅲ類裂縫層。

井深4 199.6～4 205.2m，為白云巖質(zhì)灰?guī)r，測井曲線響應(yīng)特征為：低密度、高中子、高聲波時差和高背景下低電阻率特征，三孔隙度曲線呈齒狀變化，測井曲線綜合反映為裂縫層，計算孔隙4.9%，綜合解釋為Ⅲ類裂縫層。

井深4 234.6～4 492.5m，為白云巖，測井曲線響應(yīng)特征：低密度、高中子、高聲波時差和高背景下中等幅值電阻率特征，三孔隙度曲線呈齒狀變化，測井曲線綜合反映為裂縫層，計算孔隙3.3%～4.9%，綜合解釋為Ⅲ類裂縫層。

井深4 498.3～4 499.7m，為粉晶白云巖，測井曲線響應(yīng)特征：低密度、高中子、高聲波時差和高背景下低電阻率特征，三孔隙度曲線呈齒狀變化，測井曲線綜合反映為裂縫層，計算孔隙度3.1%，綜合解釋為Ⅲ類裂縫層(表4)。

表4 測井解釋儲層裂縫成果

通過對組合井段測井資料的處理與分析[8]，認為某干熱巖井3 819.1～4 701.68m段，層厚882.58m皆為寒武-奧陶碳酸鹽巖儲集，在微球電阻率、深側(cè)向、淺側(cè)向電阻率曲線值變化劇烈[9]，劃分Ⅲ類裂縫，裂縫、溶洞欠發(fā)育，滲透性一般，屬低滲透率類型。

2)利用地質(zhì)取心評價熱儲儲集空間類型。

從取心資料看，深度4 003.52～4 012.17m， 為泥晶灰?guī)r(圖2)。巖性特征：淺灰黃-灰色泥晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石主要由泥晶灰質(zhì)組成，滴鹽酸起泡強烈。巖石中微裂隙發(fā)育[10]，裂隙寬0.5～3mm，充填方解石為主，局部充填深灰色泥質(zhì)物。巖石致密堅硬、性脆，貝殼狀斷口，破碎強烈[11]；巖石局部見油跡顯示。

圖2 奧陶系紅花園組(4 003.52～4 012.17m)巖心照片F(xiàn)igure 2 Ordovician Honghuayuan Formation core photos(from depth 4,003.52～4,012.17m)

深度4 117.27～4 132.13m、4 548.34～4 556.84m，為含灰微晶白云巖、泥晶白云巖(圖3)。巖性特征：灰-深灰色，微晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石主要由微晶白云巖組成[12]，粉末滴鹽酸起泡。巖石中裂隙發(fā)育，裂隙寬0.2～2mm，充填物以黃鐵礦為主，其次為方解石。巖石局部見灰白色白云巖礫石，大小5～15mm。巖石致密、堅硬、性脆、破碎，與下層接觸面中軸角40°～45°。泥晶白云巖巖性特征：灰白色，泥晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石主要由泥晶白云巖組成，粉末滴鹽酸起泡。巖石中裂隙發(fā)育，局部見網(wǎng)脈狀裂隙[13]，裂隙寬0.1～1mm，充填物以黃鐵礦為主，其次為方解石。巖石致密、堅硬、性脆、破碎，與下層接觸面中軸角20°～30°。

圖3 寒武系(4 117.27～4 132.13m、4 548.34～4 556.84m)巖心照片F(xiàn)igure 3 Cambrian System core photos(from depth 4,117.27～4,132.13m and 4,548.34～4,556.84)

3)利用錄井評價裂縫。

從氣測錄井顯示4 166～4 349m、4 463～4 529m兩段存在多個“尖峰狀”氣顯。其中4 166～4 297m段“尖峰狀”氣顯尤其明顯(圖4)。說明該熱儲層段巖石裂縫局部發(fā)育，4 166～4 529m可作為后期儲層壓裂試驗的首選層段。

圖4 氣測錄井段(4 166～4 349m)氣顯特征Figure 4 Gas logging gas indication features(segment 4,166～4,349m)

綜上所述，從現(xiàn)場取心、錄井氣顯、測井曲線特征皆反映出寒武-奧陶系裂隙欠發(fā)育，孔隙度φ<15，熱儲孔隙度為低孔類型，屬較好的干熱巖儲層。

3.5 熱儲層滲物性特征研究與評價

水文觀測漏失量評價裂縫：鉆進進入碳酸鹽巖熱儲層3 840m寒武-奧陶系井底地層消耗明顯,按照坐崗要求對3 840～4 701.68m井段消耗量情況進行了實際測量，共發(fā)現(xiàn)明顯的消耗段共有22段，共消耗119.32m3，漏失速度最大達29.42m3/h。在經(jīng)鉆井洗井完成后，有少量來自井底裸井段(4 685.77～4 701.68m)涌水現(xiàn)象，約124.8L/d。消耗量統(tǒng)計見表5。結(jié)合測井解釋和地溫曲線，形成關(guān)系圖如圖5。

表5 寒武-奧陶系層段消耗量統(tǒng)計

圖5 干熱巖儲層地溫曲線、消耗量與測井解釋裂縫段關(guān)系圖Figure 5 Relationship between hot dry rock reservoir geotemperature curve, flush fluid consumption andlogging interpreted fissure segments

由表5可知，奧陶系灰?guī)r層段泥漿消耗量相對較小，觀音山組上部消耗量稍大。由于泥漿漏失存在一定的延遲現(xiàn)象，同一地層漏失段也一定的延續(xù)現(xiàn)象。因此，干熱巖儲層段泥漿消耗量與測井解釋裂縫發(fā)育段是一種弱對應(yīng)關(guān)系。

3.6 熱儲層各向異性特征

通過偶極聲波測井獲得了縱、橫波時差和彈性模量等參數(shù)，結(jié)合其它巖石物理信息，進行了地層各向異性分析。

本井碳酸鹽層儲層段巖性主要為灰?guī)r、白云巖，橫波各向異性處理結(jié)果分析如下。

紅花園組3 819.1～4 019.0m，地層各向異性明顯，以北東—南西為主(圖6)。

圖6 紅花園組各向異性圖(3 819.1～4 019.0m)Figure 6 Honghuayuan Formation anisotropy result(depth 3,819.1～4,019.0m)

侖山組4 019.0～4 109.0m，地層各向異性明顯，以北東東—南西西為主。觀音山組4 019.0～4 506.0m，地層各向異性明顯，以北西—南東為主(圖7)。

圖7 侖山組、觀音山組各向異性成果(4 000.0～4 506.0m)Figure 7 Lunshan Formation, Guanyinshan Formationanisotropy result (depth 4,000.0～4,506.0m)

炮臺山組4 506.0～4 693.0m，地層各向異性明顯，以北西西—南東東為主(圖8)。

圖8 炮臺山組各向異性成果圖(4 506.0～4 693.0m)Figure 8 Paotaishan Formation anisotropy result(depth 4.506.0～4,693.0m)

3.7 熱儲層巖石力學(xué)參數(shù)特征

利用實測的聲波曲線、密度、自然伽馬和其它測井資料，建立巖石力學(xué)模型，該模型包括巖石的彈性參數(shù)、地層的應(yīng)力、破裂壓力梯度等數(shù)據(jù)。對碳酸鹽巖層段進行巖石力學(xué)參數(shù)計算，獲得的巖石力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)儲層改造壓裂試驗設(shè)計提供了可靠依據(jù)，主要處理參數(shù)如下。

紅花園組和侖山組(3 819.1～4 109.0m)，楊氏模量平均值為73.0GPa，體積模量平均值為66.9GPa，剪切模量平均值為27.8GPa，泊松比平均值為0.32。

寒武系觀音山組(4 109.0～4 506.0m)，楊氏模量平均值為91.4GPa，體積模量平均值為76.4GPa，剪切模量平均值為35.2GPa，泊松比平均值為0.30。

寒武系炮臺山組4 506.0～4 693.0m，楊氏模量平均值為88.8GPa，體積模量平均值為73.3GPa，剪切模量平均值為34.2GPa，泊松比平均值為0.30。

4 結(jié)論

通過對蘇北盆地?zé)醿拥刭|(zhì)特征，如蓋層、熱儲層、地溫梯度、熱儲孔隙度、滲物性、各向異性、巖石力學(xué)參數(shù)等的分析，得出以下結(jié)論。

1)初步查明了本地區(qū)井干熱巖資源蓋層和儲層的巖性、埋深及規(guī)模等。揭露干熱巖目標層段奧陶系、寒武系碳酸鹽巖蓋層超過3 800m，碳酸鹽巖儲層厚達882.58m。熱儲層段地層裂縫、溶洞欠發(fā)育，滲透性一般，為Ⅲ類裂縫，是良好的干熱巖儲層。

2)蘇北盆地碳酸鹽巖擁有高的熱導(dǎo)率和地溫梯度，干熱巖儲層厚度大，顯示出良好的地?zé)豳Y源潛力，具備深層干熱巖賦存的地質(zhì)條件。

3)評價了熱儲層各向異性特征、巖石力學(xué)參數(shù)特征，為后續(xù)儲層改造壓裂試驗設(shè)計提供了可靠數(shù)據(jù)[14]，為蘇北盆地東臺坳陷后期開發(fā)利用干熱巖資源提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

4)驗證了蘇北盆地干熱巖預(yù)查區(qū)干熱巖資源狀況，為進一步評價研究蘇北盆地干熱巖賦存特征和成因機制，評價干熱巖資源潛力[15-16]。

5)建議選取巖石裂縫局部發(fā)育的4 166～4 529m段可作為后期儲層壓裂試驗的首選層段，以減少非裂隙發(fā)育段段壓裂的不經(jīng)濟和施工難度。