松遼盆地北部巖石熱導(dǎo)率及其影響因素

李 瀟 , 朱傳慶 *, 邱楠生 , 唐博寧 , 付秀麗

1)中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249;2)中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249;3)中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院, 黑龍江大慶 163712

巖石熱導(dǎo)率是巖石傳熱能力的表征, 直接影響深部地溫場的分布, 是研究一個地區(qū)大地?zé)崃?、深部熱狀況和巖石圈熱結(jié)構(gòu)及盆地?zé)釟v史的重要參數(shù),在地?zé)豳Y源開發(fā)、隧道建設(shè)、核廢料處理等工程問題中發(fā)揮著重要作用。因此, 獲取高質(zhì)量的巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)是解決上述科學(xué)和應(yīng)用問題的基礎(chǔ)(Liu et al., 2011; 劉善琪等, 2012; 劉紹文等, 2017; 邱楠生等, 2019; 唐顯春等, 2020)。

松遼盆地作為中國十大盆地之一, 陸相砂巖型和頁巖型油氣均為我國原油產(chǎn)量穩(wěn)定和能源安全做出了重大貢獻(xiàn)(孫龍德等, 2021)。與盆地油氣勘探相關(guān)的地?zé)嵫芯恳恢笔怯蜌饪碧窖芯康闹攸c(diǎn)課題, 僅松遼盆地北部水熱型地?zé)豳Y源總量達(dá)11.61×1020J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤 396億噸; 整個松遼盆地干熱巖總量約1.37×1021kJ, 折合標(biāo)準(zhǔn)煤 466.49億噸(朱煥來,2011; 婁洪等, 2014; 趙雪宇等, 2015; 李野, 2017)。

前人對松遼盆地地溫場的研究, 積累了一批巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)。吳乾蕃和謝毅真通過測量了10個鉆孔的 43塊砂泥巖巖心樣品的熱導(dǎo)率, 結(jié)合測溫?cái)?shù)據(jù)首次計(jì)算了松遼盆地的大地?zé)崃?吳乾蕃和謝毅真, 1985; 吳乾蕃, 1991)。周慶華等(2007)對徐家圍子斷陷 11塊較深層的巖心樣品(包含 5塊火成巖)進(jìn)行了測量, 并討論了該地區(qū)深部溫度分布規(guī)律。馬峰等(2019)選取了松科 2井 3230—4536 m 的123塊巖樣進(jìn)行熱導(dǎo)率測試, 同時建立了砂巖段測井參數(shù)與熱導(dǎo)率之間的關(guān)系。施亦做(2019)基于穩(wěn)態(tài)測溫?cái)?shù)據(jù)和試油溫度以及巖石熱導(dǎo)率和生熱率對松遼盆地北部現(xiàn)今地溫場、巖石圈熱結(jié)構(gòu)及地?zé)豳Y源進(jìn)行了研究。

盡管前人的研究在一定程度上探討了松遼盆地巖石熱導(dǎo)率的初步特征, 但仍存在一些問題。以往對松遼盆地北部巖石熱導(dǎo)率的研究數(shù)據(jù)主要集中在松科 2井和徐家圍子斷陷地區(qū), 實(shí)測熱導(dǎo)率層位主要為下白堊統(tǒng), 缺乏地層中典型巖石樣品, 未對研究區(qū)的地層熱導(dǎo)率進(jìn)行系統(tǒng)研究, 且缺少對熱導(dǎo)率的分布特征和影響因素的深入分析。本次研究通過覆蓋松遼盆地北部76個鉆孔的263塊巖心樣品進(jìn)行熱導(dǎo)率測試(附表1), 探討了熱導(dǎo)率的分布特征和影響因素, 并結(jié)合前人的測量結(jié)果構(gòu)建了松遼盆地北部地層熱導(dǎo)率柱。本文研究結(jié)果可以為該研究區(qū)的熱流計(jì)算、深部地溫場建模、盆地?zé)崾坊謴?fù)等提供地層熱導(dǎo)率約束。

附表1 松遼盆地北部巖石熱導(dǎo)率Supplement Table 1 Thermal conductivity of rocks in the northern Songliao Basin

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1 地質(zhì)背景

松遼盆地是我國東部大型中—新生代陸相沉積的含油氣水熱盆地(郭昂青, 2016)。松遼盆地東北部坐落著小興安嶺, 西部是大興安嶺, 東南為張廣才嶺, 南部是丘陵區(qū), 平面上呈北北東向菱形展布,長約750 km, 寬約350 km, 總面積約26×104km2。

松遼盆地是在海西褶皺基底上發(fā)育起來的中—新代陸相伸展裂陷型盆地(邢大全等, 2015)。根據(jù)盆地沉積史、斷塊運(yùn)動、火山活動以及演化的研究結(jié)果, 可將松遼盆地構(gòu)造演化史劃分為熱隆張裂階段(T-J3), 裂陷階段(J3-K1), 拗陷階段(K1-K2)和構(gòu)造反轉(zhuǎn)階段(K2-Q)四個階段。松遼盆地具有下斷上拗的二元結(jié)構(gòu), 盆地拗陷期為一套河流-湖泊相碎屑巖沉積, 其中在青山口組—嫩江組沉積期達(dá)到盆地最大湖泛期, 以灰色、灰黑色泥巖為主, 發(fā)育多層生烴層。斷陷期發(fā)育火成巖和含煤碎屑巖交互,火成巖主要為中基性玄武巖、安山玄武巖、安山巖和酸性噴發(fā)凝灰?guī)r、凝灰角礫巖、流紋巖等(朱煥來,2011; 牛璞等, 2021)。松遼盆地基底是前侏羅紀(jì)古亞洲洋構(gòu)造域眾多微板塊、地體拼貼形成的復(fù)合陸塊(吳真瑋等, 2015), 巖性主要為輕變質(zhì)海相碎屑巖、中酸性侵入巖和變質(zhì)巖(片麻巖、片巖、板巖、千枚巖、蝕變火成巖等(圖1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造分區(qū)(a)及鉆井位置地層綜合柱狀圖(b)Fig. 1 Tectonic zoning (a) and stratigraphic column (b) of the study area

2 樣品測量

本次研究利用瞬態(tài)平面源法(Transient plane source method, TPS)對松遼盆地北部 76口鉆井的263塊巖心樣品熱導(dǎo)率進(jìn)行重復(fù)測試。取樣深度分布在60.3—5344.8 m之間, 樣品基本涵蓋了研究區(qū)從侏羅系—新近系及盆地基底的主要巖性。

樣品測試是在室溫(25 ℃)和常壓條件下采用Hot Disk2500S熱常熟分析儀進(jìn)行測量(圖2), 其原理是利用傳感電阻變化來反映溫度動態(tài)變化, 輸入固定電源電流, 通過記錄有限時間內(nèi)電壓變化, 獲得巖石的熱物性(唐博寧, 2020; 陳馳, 2021)。

圖2 雙螺旋探頭和樣品支架示意圖(Tang et al., 2021)Fig. 2 Sketch map of hot disk sensor and sample support(Tang et al., 2021)

平均溫升和無綱要時間函數(shù)可以被擬合為線性方程(式(1))。式中直線的斜率是被測樣品熱導(dǎo)率的函數(shù)。對應(yīng)的溫升方程如下所示:

ΔT(τ)是探頭的平均溫升, ℃;P0是探頭輸出總功率, W;r是探頭半徑, m;λ是樣品的熱導(dǎo)率,W/(m·K);τ是無量綱時間函數(shù), 取決于測量時間;α是樣品熱擴(kuò)散率, m2/s;t是測量時間, s;θ是無綱量特征時間。λ可以被寫成如下形式(式(4)):

式(4)中,k是已知量, 表示擬合直線的斜率。

該儀器熱導(dǎo)率測量范圍為 0.01～500 W/(m·K),設(shè)備重復(fù)性的測試誤差小于 1%。相較于其他測試方法, 瞬態(tài)平面源法(TPS)具有測試精度高、種類多、速度快、無損測量等優(yōu)點(diǎn)。目前Hot Disk熱常熟分析儀被廣泛應(yīng)用在電力、汽車、材料、生物制藥等領(lǐng)域(Log and Gustafsson, 1955; Huang and Liu,2009; Tang et al., 2021)。

3 結(jié)果

測量結(jié)果表明, 松遼盆地北部的巖石熱導(dǎo)率在0.58～3.94 W/(m·K)之間, 但主要在 0.58～3.00 W/(m·K)之間變化(圖3), 平均為(1.77±0.64) W/(m·K)。不同巖性的熱導(dǎo)率存在明顯差異。變質(zhì)巖和火成巖熱導(dǎo)率較高, 分別為(2.75±0.67) W/(m·K) (n=9)、(2.70±0.45) W/(m·K) (n=14); 而粉砂巖、砂巖相對較低, 泥巖最低, 分別為(1.91±0.37) W/(m·K) (n=56)、(1.89±0.64) W/(m·K) (n=80)、(1.30±0.39) W/(m·K)(n=93); 礫巖熱導(dǎo)率平均值為(2.18±0.57) W/(m·K)(n=11), 同一塊樣品不同測點(diǎn)的熱導(dǎo)率最大可以相差 0.57 W/(m·K), 遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)儀器的系統(tǒng)誤差, 表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)。根據(jù)不同巖石熱導(dǎo)率與埋深關(guān)系圖發(fā)現(xiàn)(圖4), 砂巖、粉砂巖和泥巖熱導(dǎo)率呈現(xiàn)出隨著埋深的增加而增大的趨勢; 礫巖和變質(zhì)巖沒有明顯的增加趨勢, 并且分散很大; 其中 PS1井的凝灰?guī)r熱導(dǎo)率隨埋深增加的趨勢比較明顯。

圖3 松遼盆地北部不同巖石熱導(dǎo)率分布直方圖Fig. 3 Distribution histogram of the thermal conductivity of different rocks in the northern Songliao Basin

圖4 不同巖石熱導(dǎo)率與深度關(guān)系圖Fig. 4 Relationship between thermal conductivity and depth for different rocks

因?yàn)槌涮钣趲r石孔隙中的空氣和水的熱導(dǎo)率比巖石的固體成分低, 所以孔隙巖石熱導(dǎo)率一般隨孔隙度的增大而減小(徐明等, 2011; 邱楠生等,2019)。松遼盆地北部隨著埋藏深度的增加, 上覆地層壓力增大, 碎屑巖受到機(jī)械壓實(shí)作用的影響, 巖石孔隙度整體上隨著埋深的增加而逐漸減小(王成等, 2004), 是造成碎屑巖熱導(dǎo)率隨著深度增加而增大的關(guān)鍵因素。

不同巖性顯示出不同的熱導(dǎo)率, 但同一種巖性內(nèi)部熱導(dǎo)率也較為分散, 所以有必要對巖石熱導(dǎo)率的影響因素進(jìn)一步分析。大多數(shù)巖石都由多種礦物構(gòu)成, 不同礦物的熱導(dǎo)率不同, 礦物自身的熱導(dǎo)率(表1)、含量、分布情況和礦物之間的包裹關(guān)系都影響著巖石熱導(dǎo)率(Horai, 1969; Cermak and Rybach, 1982; Clauser et al., 1995; 郭平業(yè)等, 2020)。松遼盆地北部砂巖主要為巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖, 碎屑成分主要為石英、長石和巖屑。其中石英含量為21.8%～33.9%; 長石主要為正長石、微斜長石和酸性斜長石, 含量占 26.7%～38.2%; 巖屑含量為 28.0%～44.4%, 多為中酸性噴發(fā)巖, 少量沉積巖和變質(zhì)巖巖屑。石英作為主要的成巖礦物且熱導(dǎo)率較大, 含量增加會對巖石熱導(dǎo)率增大存在一定貢獻(xiàn)。

表1 成巖礦物熱導(dǎo)率(Horai, 1969; Cermak and Rybach, 1982)Table 1 Thermal conductivity of diagenetic minerals(Horai, 1969; Cermak and Rybach, 1982)

巖石的變質(zhì)作用也是影響熱導(dǎo)率的另一重要因素, 一般而言, 巖石經(jīng)過重結(jié)晶作用、變質(zhì)作用后, 會使孔隙度降低, 巖石結(jié)構(gòu)更加致密, 熱導(dǎo)率升高(陳儒慶和袁奎榮, 1992; Jones, 2003)。松遼盆地基底巖石經(jīng)過不同程度的變質(zhì)作用形成巖石結(jié)構(gòu)更加致密的泥板巖、板巖、千枚巖, 熱導(dǎo)率升高。本次樣品泥板巖和泥巖熱導(dǎo)率平均值為2.41 W/(m·K),千枚巖熱導(dǎo)率平均值為3.15 W/(m·K), 推測隨著變質(zhì)程度的加深, 熱導(dǎo)率逐漸增大。蝕變花崗巖和蝕變安山巖經(jīng)鏡下觀察, 綠泥石化和碳酸鹽化較為嚴(yán)重, 且裂縫和氣孔被方解石和綠泥石不完全充填。這些高熱導(dǎo)率的次生礦物、方解石和綠泥石的杏仁核都會導(dǎo)致熱導(dǎo)率升高。

4 討論

4.1 熱導(dǎo)率原位校正

與大多數(shù)其他巖石物理性質(zhì)一樣, 原位熱導(dǎo)率可能與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測值有較大偏差, 會受到溫度、壓力和孔隙含水的影響(Somerton, 1958; Pribnow et al.,1996)。

巖石都是具有孔隙的, 地下熱傳導(dǎo)是在飽水狀態(tài)下發(fā)生的, 而熱導(dǎo)率的測量是在干燥條件下進(jìn)行的, 樣品孔隙中充滿空氣。室溫下空氣的熱導(dǎo)率約為 0.027 W/(m·K), 而水的熱導(dǎo)率約為0.599 W/(m·K), 兩者相差高達(dá) 37倍多, 當(dāng)樣品的孔隙被水充填時會使熱導(dǎo)率增大, 所以通常要對巖石熱導(dǎo)率進(jìn)行飽水校正(楊淑貞等, 1986; Clauser et al., 1995; Haffen et al., 2017; Li et al., 2020)?？紫抖仍谒樾紟r和火成巖(熔巖、凝灰?guī)r、凝灰礫巖等)中占主導(dǎo)地位, 僅在孔隙度很低的情況下, 飽水狀態(tài)下和干燥條件下的熱導(dǎo)率差異很小, 可不進(jìn)行飽水校正。

目前對熱導(dǎo)率進(jìn)行飽水校正主要采用兩種方法, 第一種方法是采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行校正(Woodside and Messmer, 1961a, b)(式(5)):

式中:K是巖石總熱導(dǎo)率, W/(m·K);Km是巖石骨架熱導(dǎo)率, W/(m·K);Kw是孔隙中水的熱導(dǎo)率,W/(m·K);Φ是孔隙度, %。

另一種方法是將巖石樣品浸泡超過 48小時,讓水充分進(jìn)入巖石有效孔隙, 模擬地下飽水狀態(tài),然后對飽水樣品采用瞬態(tài)平面源法(TPS)進(jìn)行測試(唐博寧, 2020)。

本次飽水校正工作是把砂巖樣品浸泡超過48小時后測試, 將飽水測試結(jié)果和干燥樣品測試結(jié)果進(jìn)行對比(圖5), 并結(jié)合松遼盆地北部孔隙度分布情況, 確定各地層碎屑巖的校正系數(shù)。松遼盆地北部嫩江組、青山口組以濱淺湖-半深湖深湖相為主, 泥頁巖大量發(fā)育。嫩江組泥巖孔隙度介于4.2%～14.8%之間, 平均值為 10.15%, 青山口組泥頁巖孔隙度介于 5%～8%之間, 平均值為 6%(趙日新, 2019), 因此取嫩江組、青山口組泥巖的校正系數(shù)為 1.1; 嫩江組砂巖校正系數(shù)取 1.5, 粉砂巖為1.2; 青山口組砂巖為 1.4, 粉砂巖為 1.12。姚家組砂巖以原生孔隙為主, 孔隙度主要集中在18%～20%范圍內(nèi)(趙玉婷, 2015), 取校正系數(shù)為1.45, 粉砂巖為 1.15; 泉頭組砂巖埋藏較深, 成巖作用較強(qiáng), 但受有機(jī)酸溶蝕作用, 次生孔隙發(fā)育,孔隙度范圍在 1.2%～15.12%, 平均為 10.09%(劉貴滿等, 2012), 結(jié)合飽水熱導(dǎo)率實(shí)測值, 取泉頭組砂巖校正系數(shù)為 1.26, 粉砂巖 1.1; 登婁庫組三四段為高孔滲帶, 砂巖次生孔隙發(fā)育, 以濁沸石膠結(jié)物溶孔和粒內(nèi)溶孔為主(邵紅梅等, 2005; 王成等,2007; Meng et al., 2010), 取校正系數(shù)1.44; 侏羅紀(jì)砂巖樣品均 采用方法二進(jìn)行校正。松遼盆地火成巖孔隙度總體較小, 所以本次未對火成巖進(jìn)行飽水校正。

圖5 砂巖干燥熱導(dǎo)率與飽水熱導(dǎo)率關(guān)系圖Fig. 5 Relationship between dry thermal conductivity and saturated thermal conductivity of sandstone

修正后的砂巖平均熱導(dǎo)率為(2.57±0.76) W/(m·K),粉砂巖的平均熱導(dǎo)率為(2.11±0.36) W/(m·K), 泥巖為(1.42±0.40) W/(m·K)。根據(jù)飽水熱導(dǎo)率和干燥熱導(dǎo)率關(guān)系圖(圖5)發(fā)現(xiàn), 除登婁庫組和侏羅紀(jì)溶蝕孔隙發(fā)育的中-粗砂巖樣品外, 整體上淺層的修正系數(shù)大于深層的修正系數(shù), 且修正后的熱導(dǎo)率仍隨著深度的增加而增大。

巖石熱導(dǎo)率隨著壓力增加而升高, 隨溫度升高而下降(趙永信等, 1995; 何麗娟等, 2006), 通常淺部壓力校正量普遍大于溫度校正量, 馬峰等(2019)計(jì)算松科二井熱導(dǎo)率在3200～4600 m深度范圍內(nèi)溫度的影響明顯高于壓力的影響, 壓力超過50 Mpa后壓力對熱導(dǎo)率的影響大致呈現(xiàn)線性變化,當(dāng)在一定程度上可以互相抵消。本次研究旨在建立松遼盆地北部具有代表性的熱導(dǎo)率柱, 松遼盆地北部不同構(gòu)造單元埋深差異較大, 取同一地層相同巖性, 不同區(qū)域的熱導(dǎo)率平均值, 可以減輕溫壓對熱導(dǎo)率的影響。故本次研究暫不考慮對實(shí)測值進(jìn)行溫壓校正, 只考慮原位熱導(dǎo)率的飽水校正。

4.2 松遼盆地北部地層熱導(dǎo)柱

將本次實(shí)測的巖石熱導(dǎo)率值與該區(qū)域以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合, 建立了松遼盆地北部地層熱導(dǎo)率柱(表2)和不同巖石熱導(dǎo)率與地層年代的關(guān)系圖(圖6)。每個地層熱導(dǎo)率是由不同巖石的含量百分比來加權(quán), 而同一巖石類型的熱導(dǎo)率是用松遼盆地北部各構(gòu)造單元的熱導(dǎo)率值平均得到。本次樣品對研究區(qū)來說覆蓋范圍較全, 各地層樣品豐富, 且收集前人測試結(jié)果, 所以認(rèn)為相應(yīng)的熱導(dǎo)率具有可信度和代表性, 可作為松遼盆地北部主要地層的熱導(dǎo)率柱,用于確定區(qū)域熱流和進(jìn)行盆地?zé)崮M。

表2 松遼盆地北部地層熱導(dǎo)率柱Table 2 Thermal conductivity of the sedimentary strata in the northern Songliao Basin

圖6 不同巖石熱導(dǎo)率與地層的關(guān)系Fig. 6 Relationship between thermal conductivity and strata for different rocks

松遼盆地北部新近紀(jì)埋深較淺, 巖石結(jié)構(gòu)疏松,熱導(dǎo)率較小; 白堊紀(jì)地層的熱導(dǎo)率整體上呈現(xiàn)隨著地層年齡增加而增大的趨勢, 主要原因是隨著地層年齡的增加, 成巖作用增加, 孔隙度逐漸減小; 其中青山口組和嫩江組以泥頁巖為主, 熱導(dǎo)率較小;基底以變質(zhì)巖和火山侵入巖為主, 具有較高的熱導(dǎo)率, 有利于深部熱量向淺部的傳遞。

5 結(jié)論

(1)松遼盆地北部的巖石實(shí)測熱導(dǎo)率主要分布在0.58～3.00 W/(m·K)之間, 平均為(1.77±0.64) W/(m·K)。變質(zhì)巖、火成巖、礫巖、粉砂巖、砂巖、泥巖平均熱導(dǎo)率分別為(2.75±0.67) W/(m·K)、(2.70±0.45) W/(m·K)、(2.18±0.57) W/(m·K)、(1.91±0.37) W/(m·K)、(1.89±0.64) W/(m·K)、(1.30±0.39) W/(m·K)。泥巖、粉砂巖、砂巖和凝灰?guī)r熱導(dǎo)率呈現(xiàn)出隨著埋深增加而增大的趨勢, 而礫巖和變質(zhì)巖沒有明顯的增加趨勢, 并且分散很大。壓實(shí)成巖作用、礦物成分和變質(zhì)作用對巖石熱導(dǎo)率存在重要影響。

(2)經(jīng)飽水校正后巖石熱導(dǎo)率明顯增大。除登婁庫組和侏羅紀(jì)溶蝕孔隙發(fā)育的中-粗砂巖樣品外,整體上淺層的修正系數(shù)大于深層的修正系數(shù),且修正后的熱導(dǎo)率趨勢仍隨著深度的增加而增大。

(3)根據(jù)原位校正后的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù), 建立了松遼盆地北部地層熱導(dǎo)率柱。新近紀(jì)、嫩江組和青山口組熱導(dǎo)率較小; 基底和火石嶺組巖石熱導(dǎo)率較大; 白堊紀(jì)地層熱導(dǎo)率整體上隨著年齡的增大而增加。

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research & Development Program of China (No.2021YFA0716003).

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附表1 松遼盆地北部巖石熱導(dǎo)率Supplement Table 1 Thermal conductivity of rocks in the northern Songliao Basin

續(xù)附表1

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