歧口凹陷區(qū)新近系館陶組熱儲特征及成因機(jī)制

夏國朝，樓 達(dá),*，趙艷婷，王 輝，段忠豐，孫曉林，張飛鵬，雒 蓉，葛家成

(1.中國石油大港油田公司，天津 300280；2.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250；3.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

地?zé)豳Y源作為清潔的可再生能源，在生態(tài)城市建設(shè)中具有顯著優(yōu)勢，是助力“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要措施[1-2]。歧口凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷中北部，是華北盆地內(nèi)的中新生代斷陷盆地，地?zé)豳Y源豐富[3]。凹陷區(qū)自1982年開始利用地?zé)豳Y源，至今地?zé)峋殉?20孔，集中在凹陷區(qū)的北部和中部，開發(fā)利用規(guī)模達(dá)到6.8×106m3/a。歧口凹陷行政區(qū)劃主要位于天津市濱海新區(qū)、津南區(qū)以及河北省黃驊市，區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，能源需求旺盛[4-5]，客觀評價地?zé)豳Y源潛力具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和現(xiàn)實(shí)意義。

凹陷區(qū)內(nèi)熱儲層包括新近系館陶組(Ng)、古近系東營組(Ed)以及古生界奧陶系(O)等地層[6-7]。其中，館陶組熱儲埋藏淺、厚度大、分布廣，是典型的沉積盆地砂巖孔隙型熱儲，是區(qū)內(nèi)開發(fā)利用規(guī)模最大、最具經(jīng)濟(jì)價值的熱儲層，除西北部和中部有小范圍缺失外，其余地區(qū)皆有分布。

前人主要圍繞渤海灣盆地局部的地溫場[8]、水化學(xué)場[9]、地?zé)豳Y源分布[10]等開展研究工作，部分學(xué)者對歧口凹陷北部部分地區(qū)奧陶系以及元古界進(jìn)行了地?zé)豳Y源評價[11-12]?？傮w上歧口凹陷館陶組熱儲研究程度低，對熱儲地溫場、水化學(xué)場以及地?zé)崴患?guī)律缺乏認(rèn)識，制約了歧口凹陷區(qū)館陶組地?zé)豳Y源的高效開發(fā)和規(guī)模利用。

歧口凹陷作為重要的油氣勘探地區(qū)，經(jīng)過近60 a的勘探開發(fā)，保存有大量的鉆井、物探以及地質(zhì)資料，為館陶組地?zé)豳Y源的系統(tǒng)評價提供了重要基礎(chǔ)資料。筆者以歧口凹陷新近系館陶組熱儲為研究對象，通過分析區(qū)內(nèi)大量鉆井以及地質(zhì)、物探資料，系統(tǒng)刻畫館陶組熱儲特征及分布規(guī)律，繪制熱儲厚度、物性及地溫場、水化學(xué)場等圖件，研究地?zé)豳Y源成因機(jī)理、建立熱田成因模式，以期為凹陷區(qū)科學(xué)化、規(guī)模化以及可持續(xù)性開發(fā)地?zé)豳Y源提供重要支撐，為其他地區(qū)科學(xué)勘查開發(fā)砂巖型熱儲提供參考借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

歧口凹陷為黃驊坳陷的次級單元，位于黃驊坳陷中北部，是典型的箕狀斷陷，為古近紀(jì)以來長期繼承性發(fā)育的凹陷(圖1)。區(qū)內(nèi)斷裂走向以NNE、NE、NEE?近EW和NWW向?yàn)橹鳎哂忻黠@的地區(qū)差異，包括1條Ⅰ級斷裂(滄東斷裂)和多條Ⅱ級斷裂，對盆地形成和發(fā)育起著重要作用[13-16]。地層具有雙層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，底部基底之上覆蓋沉積蓋層，地層自下而上為薊縣系(Jx)、青白口系(Qb)、寒武系(∈)、奧陶系(O)、石炭–二疊系(C-P)、侏羅系(J)、白堊系(K)、古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q)[17-18]。凹陷內(nèi)發(fā)育多層熱儲，其中新近系館陶組(Ng)砂巖熱儲普遍分布，巖性以陸相碎屑巖為主，是區(qū)內(nèi)主要的孔隙型熱儲層[19]。

圖1 歧口凹陷構(gòu)造及地質(zhì)剖面圖Fig.1 Structural sketch of the Qikou Sag

2 地溫場特征

依據(jù)區(qū)內(nèi)地?zé)峋疁y溫資料及石油勘探井試油溫度資料計(jì)算地溫梯度，總共采用了72個數(shù)據(jù)點(diǎn)，能夠反映區(qū)內(nèi)地溫梯度分布規(guī)律。歧口凹陷內(nèi)大部分區(qū)域蓋層地溫梯度變化范圍2.5～3.5℃/hm；靠近滄東斷裂地區(qū)異常明顯，地溫梯度為3.5℃/hm以上，局部可達(dá)5.0℃/hm以上；在濱海斷裂附近，受斷裂和火成巖影響，出現(xiàn)局部地溫異常，地溫梯度為3.5℃/hm以上?；鶐r起伏與地溫梯度呈正相關(guān)關(guān)系(圖2)。

圖2 蓋層平均地溫梯度等值線Fig.2 Isoline map showing the average geothermal gradient of cap rocks

分析區(qū)內(nèi)多年穩(wěn)態(tài)測溫及地溫梯度曲線，地層溫度雖局部受巖性、孔隙率和滲透率變化等因素影響出現(xiàn)波動，但總體上地溫隨深度增加而增加，具有較好的線性關(guān)系。第四系地層結(jié)構(gòu)疏松，熱導(dǎo)率小，起隔熱作用，地溫梯度高；進(jìn)入新近系明化鎮(zhèn)組后，受地下水活動的影響，地溫梯度降低；進(jìn)入新近系館陶組后，巖層孔隙率大、滲透性好，地下水活動強(qiáng)烈，地溫梯度較明化鎮(zhèn)組低，在1 670～1 700 m深度，地溫梯度陡然增加，因?yàn)閹r性由細(xì)砂巖變?yōu)槟鄮r；進(jìn)入館陶組Ⅲ段后，巖性由大段泥巖變?yōu)樯皫r，地溫梯度恢復(fù)到低值(圖3)。

圖3 地溫曲線及地溫梯度曲線Fig.3 Curves of geotemperature and geothermal gradient

根據(jù)區(qū)域大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)，包括油井、地?zé)峋葴y試結(jié)果[20-21]，滄縣隆起區(qū)大地?zé)崃髌骄?7.3 mW/m2，黃驊坳陷內(nèi)部大地?zé)崃髌毡檩^低，平均48.1 mW/m2(表1)。同地溫梯度分布規(guī)律類似，黃驊坳陷內(nèi)部的凸起區(qū)大地?zé)崃鞲哂诎枷輩^(qū)[22]。

表1 區(qū)域大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)Table 1 Regional terrestrial heat flow

3 熱儲特征分析

3.1 分布特征

歧口凹陷內(nèi)館陶組熱儲是在準(zhǔn)平原化的基礎(chǔ)上形成的曲流河和辮狀河砂體，巖性以陸相碎屑巖為主，是區(qū)內(nèi)主要的孔隙型熱儲層，總體上受河流沉積相控制，靠近滄東斷裂附近局部缺失，其他地區(qū)廣泛分布，垂向上沉積旋回明顯，自下而上呈現(xiàn)粗?細(xì)?粗的沉積特征，分為館I段、館Ⅱ段和館Ⅲ段。砂體分布受沉積特征影響，砂層主要發(fā)育在館I段與館Ⅲ段，是較理想的含水層。

根據(jù)油井、地?zé)峋@探資料，歧口凹陷區(qū)內(nèi)頂板埋深為1 050～2 650 m(圖4)，整體呈SW?NEE向埋深增加的特征，鄰近沙壘田凸起和沙南凹陷地區(qū)埋深最大，頂板埋深超過2 000 m，底板埋深超過2 600 m；孔店?齊家務(wù)潛山構(gòu)造帶和鄰近滄縣隆起和埕寧隆起地區(qū)埋深最淺，基本未超過1 500 m。

圖4 館陶組熱儲頂板埋深等值線Fig.4 Isoline map showing the hanging wall burial depth of geothermal reservoirs in the Guantao Formation

館陶組在區(qū)內(nèi)廣泛分布，厚度250～550 m，僅在鄰近滄縣隆起地區(qū)有部分缺失，館陶組熱儲呈現(xiàn)如下特征。

(1) 垂向上呈現(xiàn)粗?細(xì)?粗的沉積特征，分為館Ⅰ砂巖段、館Ⅱ泥巖段和館Ⅲ砂礫巖段。館Ⅰ段巖性為灰綠、灰白色厚層粉?細(xì)砂巖，夾灰綠、棕紅色泥巖，以及泥巖與砂巖互層，局部具波狀微細(xì)交錯層理。館Ⅲ段也稱砂礫巖段，巖性以厚層狀砂礫巖夾泥巖為主，底部為砂礫巖、礫巖，偶爾夾薄層泥巖[23-24]，局部地區(qū)砂層厚度較薄。

(2) 水平分布上，砂體呈透鏡狀及帶狀。館陶組沉積時期主要物源區(qū)是太行山及燕山，次要物源區(qū)是滄縣隆起及埕寧隆起，以NE向?yàn)檩S向兩側(cè)逐漸減少，沉積中心地層分布厚度大，砂巖層多而厚，砂地比高，向兩側(cè)地層厚度減薄。以歧口主凹、歧北次凹和扣村?羊三木潛山構(gòu)造帶最厚，達(dá)250～398 m；鄰近滄縣隆起和埕寧隆起厚度最小，為0～150 m(圖5)。

圖5 館陶組熱儲砂層厚度等值線Fig.5 Isoline map showing the sand body thickness of geothermal reservoirs in the Guantao Formation

3.2 孔滲特征

良好的孔滲條件，有利于地?zé)崴Y源的富集，同時孔滲條件較好的區(qū)域，有利于深部熱能以地下水為介質(zhì)通過熱傳導(dǎo)的方式上傳至上部砂巖熱儲。利用石油勘探井的補(bǔ)償中子測井、補(bǔ)償密度測井曲線進(jìn)行解譯，并采用典型井的巖心實(shí)測孔滲數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，共得到孔隙率數(shù)據(jù)點(diǎn)72個、滲透率數(shù)據(jù)點(diǎn)72個，分散分布于研究區(qū)，能夠控制數(shù)據(jù)精度(圖6)。

圖6 館陶組熱儲孔隙率分布等值線Fig.6 Isoline map showing the porosity distribution of geothermal reservoirs in the Guantao Formation

館陶組熱儲孔隙率發(fā)育南北較好，中部較差，整體在26%以上(圖6)。南北孔隙率可達(dá)30%以上，凹陷中部孔隙率26%左右。垂向上主要受壓實(shí)作用影響，隨埋深增大，孔隙率逐漸減小。2 000 m以淺孔隙率為20%～40%，2 000～2 550 m孔隙率一般為10%～30%(圖7)。

圖7 孔隙率隨深度變化曲線Fig.7 Depth-varying porosity

滲透率與孔隙率的分布規(guī)律基本一致，南北較大，中部較小(圖8)，整體在390×10?3μm2以上。凹陷北部儲層滲透率發(fā)育較好，2 000 m以淺滲透率為(600～1 050)×10?3μm2；凹陷中部滲透率稍差，2 000 m以淺滲透率為(350～550)×10?3μm2；凹陷南部滲透率相對中部稍好，2 000 m以淺滲透率為(550～900)×10?3μm2(圖9)。

圖8 館陶組熱儲滲透率等值線Fig.8 Isoline map showing the permeability of geothermal reservoirs in the Guantao Formation

圖9 滲透率隨深度變化曲線Fig.9 Depth-varying permeability

3.3 熱儲儲水特征

根據(jù)館陶組地?zé)峋删畷r降壓試驗(yàn)資料，歧口凹陷 內(nèi)館陶組單井涌水量為40～134 m3/h，平均60 m3/h。富水區(qū)主要分布在北部的歧口主凹內(nèi)，單井涌水量大于100 m3/h。涌水量較小地區(qū)主要分布在凹陷南部，單井涌水量普遍小于60 m3/h，其他地區(qū)涌水量一般60～100 m3/h(圖10)[25-26]。區(qū)內(nèi)館陶組地?zé)崴凰?guī)律呈南北分帶特征，即越往北，富水性越好，這與地?zé)崃黧w的補(bǔ)給源來自北方山區(qū)的觀點(diǎn)基本一致。

圖10 館陶組熱儲涌水量等值線Fig.10 Isoline map showing the water yield of geothermal reservoirs in the Guantao Formation

4 地?zé)豳Y源潛力

4.1 資源量

依據(jù)GB/T 11615?2010《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》，采用熱儲法對研究區(qū)館陶組熱儲地?zé)豳Y源量進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：

地?zé)峥砷_采量采用回收率法[12]計(jì)算，區(qū)內(nèi)孔隙率大于20%，回收率取25%。

計(jì)算結(jié)果見表2。從表可知，館陶組熱儲地?zé)豳Y源總量為41.81×1018J，其中天津市濱海新區(qū)和河北省黃驊市熱儲分布面積廣，占地?zé)豳Y源總量的95%。

表2 館陶組資源量計(jì)算結(jié)果(基準(zhǔn)溫度13.5℃)Table 2 Calculation results of geothermal resources in the Guantao Formation (temperature baseline: 13.5℃)

4.2 開發(fā)目標(biāo)區(qū)

考慮熱儲溫度、單井涌水量和熱儲頂板埋深3個參數(shù)，對研究區(qū)館陶組地?zé)豳Y源進(jìn)行潛力分區(qū)，圈定地?zé)豳Y源開發(fā)目標(biāo)區(qū)，分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 地?zé)豳Y源評價分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading criteria for geothermal resource assessment

單井涌水量大于40 m3/h且熱儲溫度大于等于60℃的區(qū)域均為潛力區(qū)；在此基礎(chǔ)上，選取單井涌水量大于等于80 m3/h，熱儲溫度大于等于70℃，且頂板埋深小于2 000 m的區(qū)域作為Ⅰ類潛力區(qū)；選取單井涌水量在40～60 m3/h的區(qū)域作為Ⅲ類潛力區(qū)；其余為Ⅱ類潛力區(qū)。具體分布如圖11所示。Ⅰ類潛力區(qū)面積約608.7 km2，Ⅱ類約3 018.6 km2，Ⅲ類約1 742.5 km2，合計(jì)5 369.8 km2。

圖11 歧口凹陷館陶組地?zé)豳Y源潛力分區(qū)Fig.11 Geothermal resource potential zones of the Guantao Formation in the Qikou Sag

5 熱儲成因機(jī)制

5.1 熱源與傳遞方式

熱源主要包括地幔傳導(dǎo)熱流和地殼中放射性元素衰變產(chǎn)生的熱[27]。

區(qū)內(nèi)莫霍面埋深較周邊山區(qū)淺，約33 km，有利于深部熱量向淺部傳導(dǎo)。燕山期酸性花崗巖侵入體主要位于8～16 km深處，放射性元素生熱率高，是附加熱源。利用剝層法[28]計(jì)算殼幔熱流貢獻(xiàn)，結(jié)果顯示地幔熱流占地表熱流的48.5%，放射性元素衰變熱占51.5%[29-30]。

42個鉆孔揭露顯示，歧口凹陷內(nèi)分布有少量的新生代火山巖，巖性包括安山巖、玄武巖、凝灰?guī)r和輝綠巖，安山巖、玄武巖和凝灰?guī)r屬噴出巖，熱影響時期較短，對地?zé)嵝纬梢饬x不大。輝綠巖為侵入巖，深度在3 000～3 150 m，僅在歧南2井附近發(fā)現(xiàn)，對地?zé)嵊绊懹邢蕖ＨA北平原地殼上部巖漿余熱產(chǎn)生的熱流很少，不作為熱源考慮[31-32]。

研究區(qū)屬中低溫沉積盆地型地?zé)岙惓^(qū)，熱流傳遞以熱傳導(dǎo)為主。地溫梯度的垂向變化主要受巖石熱導(dǎo)率及地下水活動的綜合影響，一般來說，熱導(dǎo)率低，地溫梯度高；反之則低。地下水活動強(qiáng)烈，地溫梯度低。

5.2 地?zé)崃黧w來源

從區(qū)內(nèi)86組熱儲地?zé)崃黧w的氫氧同位素測試結(jié)果(圖12)可以看出，均落在大氣降水線下方，新近系明化鎮(zhèn)組及館陶組熱水點(diǎn)距降水線較近，基巖地?zé)崃黧w產(chǎn)生了氧漂移現(xiàn)象，表明區(qū)內(nèi)新近系熱水是現(xiàn)代降水與早期大氣降水混合形成，且隨著熱儲溫度的升高，水與巖石的18O交換作用強(qiáng)，產(chǎn)生了氧漂移。

圖12 熱儲地?zé)崴腄-δ18O同位素關(guān)系Fig.12 δD versus δ18O of geothermal water in geothermal reservoirs

根據(jù)區(qū)內(nèi)16個鉆孔中地?zé)崴?4C測年結(jié)果(表4)，地?zé)崴挲g自西北向東南逐漸變老，說明地下熱水自北西向南東方向緩慢運(yùn)移，補(bǔ)給來源可能是北部燕山山區(qū)和西部太行山區(qū)的古大氣降水。明化鎮(zhèn)組地?zé)崴?4C年齡總體大于館陶組，說明館陶組地下水交換較強(qiáng)烈，有年齡較新的現(xiàn)代水源補(bǔ)給[28]。大氣降水和地表水入滲后，沿?cái)嗔?、?jié)理裂隙及地層孔隙等通道運(yùn)移，在運(yùn)移過程中，不斷與熱儲介質(zhì)進(jìn)行水熱交換，經(jīng)深部循環(huán)成為地?zé)崃黧w。

表4 地?zé)崃黧w14C分析數(shù)據(jù)Table 4 Data from 14C analysis of geothermal fluids

5.3 地?zé)崴h(huán)過程

14C表觀年齡分析能夠體現(xiàn)天津地區(qū)館陶組熱儲中地?zé)崴\(yùn)移規(guī)律?？梢钥闯觯粯?gòu)造單元內(nèi)上下熱儲層之間地?zé)崴挲g顯著不同，熱儲層之間的黏土和泥巖層透水性差，阻止了垂向上的水力聯(lián)系，熱儲內(nèi)以水平方向徑流為主。

研究區(qū)范圍內(nèi)發(fā)育的滄東斷裂、海河斷裂，是良好的導(dǎo)水導(dǎo)熱斷裂，濱海斷裂作為導(dǎo)熱斷裂，導(dǎo)致北大港地區(qū)出現(xiàn)局部熱量富集和地?zé)岙惓^(qū)。

5.4 地?zé)嵯到y(tǒng)成因機(jī)制

根據(jù)已有地?zé)峋褪途疁y溫資料，館陶組熱儲溫度多低于90℃，屬低溫地?zé)豳Y源。按水熱系統(tǒng)成因機(jī)制分類，區(qū)內(nèi)新近系館陶組熱儲屬沉積盆地深坳陷層控型水熱系統(tǒng)[33-34]。

深部地幔熱流和地殼中放射性元素衰變產(chǎn)生的熱向淺部傳導(dǎo)，是區(qū)內(nèi)館陶組熱儲的熱源保障；而區(qū)內(nèi)高熱導(dǎo)的基巖隆起區(qū)有利于深部熱量向淺部傳導(dǎo)，形成地?zé)岙惓^(qū)。上部的新近系明化鎮(zhèn)組和第四系熱導(dǎo)率較低，作為蓋層，起到了很好的保溫隔熱效果。

來自北部燕山山區(qū)和西部太行山區(qū)的古大氣降水自北西向南東方向沿地層水平徑流，吸收熱量，溫度升高，形成地?zé)崴?/p>

研究區(qū)新近系館陶組孔隙型熱儲具有高孔、高滲的特點(diǎn)，為地?zé)崃黧w的賦存提供了空間。

此外，研究區(qū)內(nèi)導(dǎo)水導(dǎo)熱的深大斷裂，溝通了淺部孔隙型熱儲和深部基巖熱儲，以熱對流的方式實(shí)現(xiàn)熱能局部富集。

綜上，新近系館陶組熱儲具備了地?zé)豳Y源形成和賦存所需的“熱源、水源、儲層、蓋層和循環(huán)通道”等要素，資源條件好，是研究區(qū)內(nèi)的主力熱儲層。

6 結(jié)論

a.歧口凹陷區(qū)新近系館陶組砂巖孔隙型熱儲普遍分布，是目前的主力開發(fā)熱儲層。

b.區(qū)內(nèi)地溫場屬傳導(dǎo)型地溫場，地溫梯度分布總體上受基巖起伏控制，在基巖凸起部位形成地?zé)岙惓^(qū)。受導(dǎo)水導(dǎo)熱的滄東斷裂影響，局部呈現(xiàn)地溫異常，地溫梯度局部達(dá)5.0℃/hm以上。

c.歧口凹陷區(qū)館陶組熱儲的孔隙率、滲透率變化規(guī)律基本一致，南北兩側(cè)較高，中部較低。熱儲孔隙率整體在26%以上，滲透率在390×10?3μm2以上，孔滲性較好，單井涌水量平均60 m3/h，最高可達(dá)134 m3/h，是優(yōu)質(zhì)熱儲。

d.歧口凹陷區(qū)館陶組熱儲為沉積盆地傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)。古大氣降水自北部燕山山區(qū)補(bǔ)給，經(jīng)緩慢的深循環(huán)交替、水熱對流后，形成地?zé)崴?，地下水系統(tǒng)相對封閉。

e.歧口凹陷區(qū)館陶組熱儲地?zé)豳Y源量為41.81×1018J，其中天津市濱海新區(qū)和河北省黃驊市熱儲分布面積廣，占地?zé)豳Y源總量的95%，資源與需求匹配度較高，具有良好的開發(fā)利用前景。

符號注釋：

A為研究區(qū)面積，m2；C為熱儲巖石和地?zé)崃黧w的平均體積熱容，J/(m3·℃)；Cr為熱儲巖石比熱容，取910 J/(kg·℃)；CW為地?zé)崃黧w比熱容，取4 180 J/(kg·℃)；H為熱儲層厚度，m；Qr為熱儲中儲存的熱量，J；tr為熱儲層溫度，℃；t0為基準(zhǔn)溫度，取13.5℃；ρr為熱儲巖石密度，取2 103 kg/m3；ρW為地?zé)崃黧w密度，取984.544 kg/m3；φ為熱儲巖石的孔隙率，取34.5%。